Luận án tiến sĩ xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than

Hệ thống phụ tải nhiệt điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu, không khí và nước cấp vào lò hơi. Thiết bị này đảm bảo quá trình sinh hơi đáp ứng đúng lưu lượng hơi yêu cầu của tuabin. Sự cân bằng giữa nhiệt sinh và nhiệt tiêu thụ quyết định độ ổn định của toàn bộ tổ máy. Khi công suất lưới điện dao động, hệ thống phải thay đổi tải phát nhanh chóng. Việc duy trì ổn định áp suất hơi chính và hơi quá nhiệt giúp bảo vệ an toàn cho cánh tuabin và đường ống áp lực cao. Nếu thông số áp suất dao động mạnh, thiết bị kim loại dễ bị mỏi nhiệt và giảm tuổi thọ vận hành. Bên cạnh đó, hệ thống còn đảm bảo an toàn cho các mạch vòng khói gió và bao hơi. Hệ phụ tải nhiệt hiệu quả giúp tổ máy phản ứng linh hoạt với các yêu cầu điều độ lưới điện hiện đại.

Hầu hết các nhà máy hiện đại đều vận hành thông qua hệ thống DCS nhà máy nhiệt điện. Hệ thống DCS thu thập hàng nghìn tín hiệu cảm biến và thực thi các thuật toán điều khiển phân tán. Tuy nhiên, các bộ điều khiển PID kinh điển trong DCS bộc lộ nhiều hạn chế khi đối mặt với các quá trình có độ trễ lớn. Quá trình cháy than và tích trữ nhiệt trong kim loại lò hơi có quán tính rất cao. Sự ghép kênh chéo giữa kênh áp suất và kênh công suất gây khó khăn lớn cho việc điều chỉnh độc lập. Khi van điều khiển tuabin mở nhanh, áp suất hơi tụt giảm đột ngột gây mất ổn định lò hơi. Ngược lại, việc tăng cấp than đòi hỏi thời gian trễ vài phút để than cháy và truyền nhiệt sinh hơi. Các thuật toán cơ bản không thể bù trừ triệt để hiện tượng này, dẫn đến sai lệch thông số kéo dài.

Phương trình cân bằng năng lượng lò hơi mô tả sự tương tác giữa nhiệt lượng tỏa ra từ buồng lửa và nhiệt lượng hấp thụ bởi môi chất nước hơi. Quá trình truyền nhiệt bức xạ và đối lưu trong dàn ống sinh hơi tạo ra dòng hơi bão hòa. Khối lượng kim loại lò hơi và thể tích nước tích trữ đóng vai trò như một bộ tích năng lượng nhiệt lớn. Khi áp suất thay đổi, một phần năng lượng tích trữ này giải phóng hoặc hấp thụ thêm. Mô hình động học sinh hơi biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng than cấp, lưu lượng gió cấp và tốc độ tăng áp suất trong bao hơi. Việc tính toán chính xác cân bằng nhiệt giúp xác định lượng nhiệt dư thừa hoặc thiếu hụt trong từng chu kỳ vận hành. Từ đó, bộ điều khiển tính toán chính xác lưu lượng nhiên liệu cần thiết nhằm giữ áp suất ổn định.

Phân hệ tuabin máy phát chuyển đổi nhiệt năng của dòng hơi quá nhiệt thành công suất cơ học và điện năng phát lên lưới. Động học tuabin bao gồm các khâu van điều khiển hơi, các tầng cánh cao áp, trung áp và hạ áp, cùng hệ thống gia nhiệt tái nhiệt. Lưu lượng hơi qua van phụ thuộc trực tiếp vào độ mở van và áp suất trước van. Máy phát điện đồng bộ được mô tả qua phương trình dao động rotor và hệ thống kích từ. Song song với đó, hệ thống cấp liệu than bao gồm máy cấp than và máy nghiền than bột. Quá trình sấy than, nghiền mịn và vận chuyển bụi than vào buồng lửa tạo ra độ trễ pha đáng kể từ một đến hai phút. Nắm bắt chính xác đặc tính trễ của hệ nghiền than giúp thuật toán bù trừ tác động trễ hiệu quả khi thay đổi công suất.

Hệ thống điều khiển phối hợp lò tuabin truyền thống áp dụng cấu trúc Flynn hoặc các biến thể kinh điển. Trong cấu trúc này, lệnh công suất được gửi đồng thời đến van điều khiển tuabin và bộ điều chỉnh nhiên liệu lò hơi. Tín hiệu sai lệch áp suất hơi chính được sử dụng để hiệu chỉnh van tuabin hoặc lượng cấp than. Nhờ đó, van tuabin mở nhanh để cung cấp công suất tức thời dựa trên năng lượng tích lũy của lò hơi. Cùng lúc, bộ điều khiển lò hơi tăng cường cấp than và gió để duy trì áp suất danh định. Tuy vậy, sự tương tác mạnh giữa hai kênh điều khiển thường gây ra hiện tượng dao động áp suất và quá điều chỉnh công suất. Các khâu giải xuyên kênh truyền thống không thể triệt tiêu hoàn toàn sự ghép kênh khi đối tượng thay đổi điểm làm việc.

Cấu trúc điều khiển phối hợp mới cải tiến cấu trúc Flynn bằng cách tích hợp các khâu bù động học và bộ điều khiển đa biến. Khâu bù động học tính toán trước năng lượng tích trữ trong kim loại lò hơi và lượng hơi quá nhiệt. Tín hiệu điều khiển cấp than được hiệu chỉnh trước dựa trên tốc độ thay đổi của công suất điện yêu cầu. Nhờ đó, quán tính nhiệt lớn của hệ cấp than được khắc phục chủ động trước khi áp suất hơi bị suy giảm. Cấu trúc mới còn bổ sung mạch vòng phản hồi trạng thái nhằm giảm thiểu hiện tượng dao động qua lại giữa lò và tuabin. Kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc cải tiến giảm đáng kể độ lệch áp suất hơi chính và rút ngắn thời gian xác lập công suất phát.

Chế độ vận hành phụ tải linh hoạt load following yêu cầu tổ máy thay đổi công suất phát nhanh theo biểu đồ huy động của trung tâm điều độ. Khi nguồn năng lượng mặt trời và gió biến động, nhà máy nhiệt điện than phải tăng hoặc giảm tải với tốc độ cao. Hệ thống điều khiển phải duy trì ổn định các thông số nhiệt động trong suốt quá trình quá độ. Áp suất hơi chính và nhiệt độ hơi quá nhiệt không được vượt quá giới hạn cho phép để bảo vệ kim loại lò hơi. Tối ưu hóa thuật toán phối hợp giúp tăng tốc độ biến thiên tải từ 1% lên 3-5% công suất định mức mỗi phút. Nhờ khả năng bám tải linh hoạt, tổ máy tham gia hiệu quả vào thị trường phát điện cạnh tranh và dịch vụ điều tần phụ trợ.

Việc tối ưu hóa quá trình cháy tập trung vào kiểm soát chính xác tỷ lệ không khí và than bột cấp vào buồng lửa. Nồng độ oxy dư trong khói thải được duy trì ở mức tối ưu nhằm giảm tổn thất nhiệt do khói thải và tổn thất do cháy không hoàn toàn. Khi quá trình cháy đạt trạng thái lý tưởng, hiệu suất lò hơi tăng lên và suất hao nhiệt heat rate của toàn bộ tổ máy giảm rõ rệt. Giảm suất hao nhiệt đồng nghĩa với việc cắt giảm trực tiếp suất tiêu hao than tính trên mỗi megawatt-giờ điện thương phẩm. Giải pháp này mang lại lợi ích kinh tế hàng chục tỷ đồng mỗi năm cho các nhà máy nhiệt điện công suất lớn. Đồng thời, việc đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu giúp cắt giảm đáng kể lượng phát thải khí nhà kính CO2 và các khí ô nhiễm NOx, SOx ra môi trường.

Thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình MPC là thành phần then chốt trong cấu trúc APC hiện đại. MPC sử dụng mô hình toán học của lò hơi và tuabin để dự đoán phản ứng tương lai của đối tượng trong một khoảng thời gian hữu hạn. Tại mỗi chu kỳ lấy mẫu, thuật toán giải bài toán tối ưu hóa có ràng buộc nhằm tìm chuỗi tín hiệu điều khiển tối ưu cho lưu lượng than, gió và van hơi. Các ràng buộc an toàn kỹ thuật như giới hạn áp suất hơi chính và hơi quá nhiệt, tốc độ đóng mở van và nhiệt độ kim loại đều được xử lý trực tiếp. Nhờ khả năng dự báo trước tác động của nhiễu tải, MPC loại bỏ hoàn toàn hiện tượng quá điều chỉnh và giảm độ biến động áp suất xuống mức thấp nhất.

Các thuật toán điều khiển tiên tiến được kiểm chứng thực nghiệm dựa trên mô hình thông số của Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng công suất 300 MW. Dữ liệu vận hành thực tế thu thập từ phân xưởng vận hành cung cấp cơ sở đối chuẩn chính xác cho các thử nghiệm mô phỏng. Kết quả so sánh chứng minh hệ thống điều khiển cải tiến vượt trội so với các mạch vòng PID truyền thống. Thời gian đáp ứng phụ tải giảm hơn 30%, sai lệch áp suất hơi chính giảm xuống dưới 0.3 MPa trong các bài kiểm tra thay đổi tải đột ngột. Suất tiêu hao than tại các mức tải thấp giảm đáng kể nhờ duy trì áp suất và nhiệt độ hơi ổn định. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi cao của việc áp dụng giải pháp vào các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam.