Luận văn Xây dựng cây lỗi và ứng dụng logic mờ để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp lực

Nội dung text: Luận văn Xây dựng cây lỗi và ứng dụng logic mờ để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp lực

1. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ VĂN HẢI XÂY DỰNG CÂY LỖI VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TIỀM ẨN TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 8520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018
2. Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Kim Ánh Phản biện 1: TS. Võ Như Tiến Phản biện 2: TS. Phan Văn Hiền Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 12 năm 2108. * - Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
3. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Máy biến áp (MBA) là một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống truyền dẫn và phân phối điện năng kể từ nguồn phát đến phụ tải. Do đó, chiến lược bảo dưỡng phòng ngừa cho MBA lực dựa trên tình trạng hay dựa trên những thông tin dự báo để cải thiện độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống hiện được quan tâm một cách đặc biệt ở hầu hết các nhà máy. Một trường hợp cụ thể tại nhà máy lọc dầu Dung Quất, trong hơn 10 năm vận hành vừa qua, việc bảo dưỡng thuần túy hoàn toàn dựa kinh nghiệm và theo khuyến cáo của nhà sản xuất. Chúng ta biết rằng, cơ chế suy thoái, lỗi, hư hỏng của một thiết bị có tính chất ngẫu nhiên. Do đó, các quyết định bảo trì chỉ dựa theo kinh nghiệm hoặc theo thời gian sử dụng là mù mờ, có thể dẫn đến những lãng phí do: thay sớm một thiết bị, hoặc những hỏng hóc đột ngột dẫn đến dừng hệ thống trong một thời gian dài (do không kịp chuẩn bị phụ tùng thay thế). Xuất phát từ thực tế này, trong luận văn này thực hiện hai vấn đề: (i) nghiên cứu xây dựng cây lỗi để chỉ ra tất cả các lỗi xảy ra và nguyên nhân gốc rễ xảy ra một lỗi nào đó trên tất cả các cấu tử bên trong và bên ngoài MBA, (ii) phân tích mẫu dầu để để đánh giá tình trạng và phân loại lỗi có thể xảy ra đối với MBA lực. Đây là một phần việc quan trọng trong công tác bảo trì bảo dưỡng thường xuyên của nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Luận văn nhắm đến thực hiện hai vấn đề chính như sau: - Xây dựng cây lỗi cho MBA lực để chỉ ra tất cả các lỗi xảy ra và nguyên nhân gốc rễ xảy ra một lỗi nào đó trên tất cả các cấu tử bên trong và bên ngoài MBA.
4. 2 - Ứng dụng logic mờ trong việc chẩn đoán sớm sự cố đối với MBA lực với độ chính xác cao nhằm ứng dụng vào việc chuẩn bị công tác hậu cần và bảo trì thường xuyên của Công ty lọc hóa dầu Bình Sơn. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Trong phạm vi của đề tài này, nghiên cứu được thực hiện đối với MBA lực làm mát bằng dầu khoán (mineral oil). Cụ thể: Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và nghiên cứu tổng quan về lỗi có thể có để xây dựng cây lỗi; Khảo sát tất cả các phương pháp đã được thực hiện để chẩn đoán MBA thông qua phân tích khí hòa tan trong dầu cách điện và thường được gọi là phương pháp DGA (Dissolved Gas-in_oil Analysis); Nghiên cứu, ứng dụng logic mờ, để nâng cao độ chính xác trong công tác chẩn đoán lỗi MBA thông qua phân tích mẫu dầu. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tìm kiếm các công việc đã được thực hiện dựa vào tất cả các nguồn tài nguyên có thể có như sách, luận văn, luận án và các bài báo đã được công bố để: Nghiên cứu xây dựng cây lỗi của MBA lực; Khảo sát các phép thí nghiệm để xác định từng loại lỗi của cây lỗi MBA; Nghiên cứu đặc tính hóa lý của dầu cách điện MBA, cơ chế hoạt động cũng như sự phân hủy trong quá trình làm việc cũng như các ứng dụng trong việc chẩn đoán; Nghiên cứu áp dụng công cụ phù hợp để cải thiện độ chính xác của các nghiên cứu trước đây trong việc chẩn đoán và phân tích mẫu dầu; Xây dựng thuật toán, sử dụng phần mềm Matlab-Simulinkđể
5. 3 tính toán. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Tại nhà máy lọc dầu Dung Quất hiện có hơn 109 MBA lực để phân phối điện đến tất cả các phân xưởng sản xuất. Với vai trò là thết bị đầu tuyến nên các máy này phải được chẩn đoán định kỳ và bảo dưỡng thường xuyên nhằm duy trì độ tin cậy và khả năng cung cấp điện liên tục. Trong suốt thời gian kể từ khi nhà máy đi vào vận hành cho đến thời điểm hiện tại, có hai vấn đề lớn cần phải được nghiên cứu và đề xuất hướng giải quyết càng sớm càng tốt đó là: - Xây dựng cây lỗi MBA lực nhằm mục đích xác định và đánh giá sự tác động lẫn nhau của các phần tử cấu thành MBA lực đến quá trình hình thành lỗi. Điều này cho phép bộ phận bảo trì phân tích và phân loại lỗi đến từ nguyên nhân nào và cuối cùng là chuẩn bị vật tư thay thế cũng như xây dựng kế hoạch can thiệp hợp lý. - Trong tất cả các phương pháp thông qua thí nghiệm để chẩn đoán lỗi MBA, ngoài việc đo phóng điện cục bộ thì chỉ có phương pháp DGA là cho phép thực hiện trực tiếp (online) không cần cắt điện. Đồng thời, phương pháp này cũng cho chúng ta chẩn đoán được nhiều lỗi mà các phương pháp khác không có được [17]. Ngày nay, với các công cụ kỹ thuật hiện đại cho phép phân tích mẫu dầu được thực hiện online ngay tại hiện trường. Tốc độ sinh khí là tham số chứa đựng thông tin rất có giá trị phục vụ cho việc đánh giá mức độ suy thoái của MBA [20,21]. Thông thường, việc chẩn đoán lỗi của MBA bằng phương pháp DGA được áp dụng thuần túy dựa theo tiêu chuẩn IEC 60599 [6,7,8]. Điều này nổi lên vấn đề là những mẫu dầu chứa đựng thông tin của vài nguyên nhân sự cố cùng một lúc, mẫu dầu có giá trị phân tích nằm ngoài các biên giới hạn thì tiêu chuẩn IEC chưa đưa ra được kết luận. Chính vì vậy, công việc thứ hai của luận văn này là tập
6. 4 trung nghiên cứu để đề xuất cải tiến thuật toán chẩn đoán lỗi dựa trên việc phân tích mẫu dầu. Mục đích cuối cùng là để ứng dụng vào công tác bảo trì, nâng cao độ tin cậy và cải thiện hơn nữa hiệu quả sản xuất kinh doanh của tổ hợp lọc hóa dầu Bình Sơn. 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của đề tài được tổ chức thành 4 chương. Bố cục của nội dung chính của luận văn như sau: - Chương 1-Tổng quan về luận văn - Chương 2-Xây dựng cây lỗi cho máy biến áp lực - Chương 3-Tổng quan về chẩn đoán lỗi máy biến áp dựa vào kỹ thuật phân tích mẫu dầu - Chương 4-Ứng dụng logic mờ để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn máy biến áp lực
7. 5 CHƯƠNG 2 - XÂY DỰNG CÂY LỖI CHO MÁY BIẾN ÁP LỰC 2.1 GIỚI THIỆU Cây lỗi của MBA được mô tả bằng cây biểu thị quan hệ nguyên nhân và kết quả giữa các dạng lỗi trong thiết bị, giữa các lỗi ở mức độ nghiêm trọng MBA và các lỗi ở mức độ thành phần và được biểu diễn nhưa một cây thư mục. Cây lỗi mô tả quan hệ logic giữa các phần tử hay giữa các phần tử và từng mảng của thiết bị; giữa các lỗi cơ bản và lỗi hệ thống. Phương pháp cây lỗi là phương pháp rất hiệu quả để nghiên cứu độ tin cậy của các hệ thống công nghiệp [18]. 2.2 CƠ SỞ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÂY LỖI Cây lỗi của MBA được nghiên cứu xây dựng dựa trên các cơ sở sau: Cấu tạo MBA; Kinh nghiệm vận hành, bảo dưỡng, thí nghiệm MBA lực; Tham khảo ý kiến các chuyên gia MBA hoặc tham khảo qua tài liệu nhà sản xuất MBA. Để xây dựng cây lỗi MBA cần dựa vào cấu tạo MBA và trả lời các câu hỏi như sau [11]: a. Thiết bị gồm những thành phần nào? Chức năng của nó là gì ? b. Những sự cố có thể xảy ra đối với thành phần đó? c. Những hậu quả có thể xảy ra khi sự cố này là gì? d. Có thể làm gì để giảm xác suất sự cố, xác định sự khởi đầu của sự cố hoặc giảm hậu quả của sự cố? Tăng cường hoặc giảm bảo dưỡng, kiểm tra định kỳ, tìm kiếm phương pháp kiểm tra, kiểm soát lỗi, chuẩn bị phương án vật tư, dụng cụ thay thế? 2.2.1 ấ o MBA MBA được cấu tạo từ các thành phần cơ bản bao gồm 2 phần
8. 6 chính là lõi từ và cuộn dây. Ngoài ra còn các cấu tử như sứ cách điện, biến dòng điện, các đầu nối, bộ phận chuyển nấc phân áp, cách điện rắn, cách điện lỏng (dầu làm mát và dầu cách điện), vỏ máy, cánh tản nhiệt, bình dầu phụ, đồng hồ hiển thị nhiệt độ cuộn dây, đồng hồ hiển thị nhiệt độ dầu, rơ le áp suất, rơ le hơi, chỉ thị mức dầu. 2.2.2 ác ô g số kỹ Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy biến áp như sau: Công suất định mức; Điện áp định mức; Dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp; Tần số định mức; Điện áp ngắn mạch của MBA; Dòng điện không tải I0 (A); Tổn hao không tải; Tổn hao ngắn mạch; Tổ đấu dây. 2.3.3 ác p ươ g p áp í g ệ đ xác đị ỗ MBA Thí nghiệm, kiểm tra nhằm mục đích phát hiện những hư hỏng bất thường MBA: Kiểm tra tổng thể bên ngoài; Thí nghiệm không tải; Đo điện trở cách điện và hệ số hấp thụ cuộn dây MBA; Đo điện trở một chiều các cuộn dây; Kiểm tra tỷ số biến áp ; Kiểm tra tổ nối dây; Thí nghiệm dầu cách điện; Thử nghiệm điện môi bằng điện áp tăng cao tần số công nghiệp; Quét đáp ứng tần số; Đo phóng điện cục bộ; Kiểm tra nhiệt độ; Thí nghiệm độ ẩm trong cách điện cứng; Thí nghiệm tổn thất ngắn mạch và điện áp ngắn mạch; Thí nghiệm các thiết bị phụ trợ. 2.3 XÂY DỰNG CÂY LỖI CHO MBA LỰC Cây lỗi MBA được chia thành các phần căn cứ vào cấu tạo MBA như cuộn dây (winding); lõi từ (core); bình chứa (tank); sứ cách điện (bushing); cách điện rắn (cellulose isolation) và hệ thống làm mát (cooler) và dầu cách điện, Các phần tử bảo vệ như rơ le hơi, van phòng nổ, biến dòng điện, biến điện áp, đồng hồ đo nhiệt độ dầu, nhiệt độ cuộn dây góp phần bảo vệ MBA hoạt động an toàn nên không đưa vào cây lỗi.
9. 7 2.3.1 Gô g ừ Gông từ gồm các lá thép ghép với nhau thành hình trụ, trên đó quấn dây dẫn. Chức năng chính là dẫn từ, do đó, mã lỗi (failure mode) của chức năng này là giảm hiệu suất MBA. Nguyên nhân dẫn đến là do hỏng cơ khí qua quá trình lắp đặt, vận chuyển, hoặc máy biến áp chịu dòng ngắn mạch, một nguyên nhân khác đó là từ dư, vật liệu dẫn từ kém. 2.3.2 ộ dây Chức năng chính là dẫn dòng điện, đó là những vòng dây hoặc thanh dẫn quấn quanh trụ, gông từ, chịu tác động của nhiệt độ khi dẫn dòng và lực điện điện động khi ngắn mạch. Lỗi của cuộn dây là do hỏng vật liệu và do hỏng cách điện rắn. 2.3.3 Vỏ áy Vỏ máy hay còn gọi là bình chứa MBA, là bộ phận chứa các phần như gông từ, cuộn dây, dầu làm mát, biến dòng điện, biến điện áp, các đầu cực chuyển đổi nấc phân áp, các phần phụ kiện cảm biến nhiệt độ, đồng hồ, sứ đỡ, cánh tản nhiệt, bình dầu phụ, van phòng nổ,v.v Lỗi theo chức năng của vỏ máy là rò rỉ dầu, hỏng vỏ máy, các dự kiện dẫn đến là do hỏng cơ khí hoặc lỗi vật liệu. Trong đó do va đập cơ khí chiếm phần lớn như biến dạng do vận chuyển từ nơi sản xuất đến nơi lắp đặt, quá trình lắp đặt, nâng hạ, các vật rắn va đập, hoặc do trong quá trình vận hành, máy biến áp bị phóng điện, ngắn mạch mạch, quá dòng do sét lan truyền dẫn đến áp quá áp suất từ bên trong. Hỏng vỏ máy do vật liệu phải kể đến môi trường làm việc muối bám gây rỉ, vật liệu chế tạo các roăng làm kín không phù hợp gây rò rỉ dầu, hoặc roăng làm kín bị già hóa theo thời gian cũng gây rò rỉ dầu máy biến áp. 2.3.4 V ệ các đ ệ - các đ ệ rắ Cách điện rắn cho cuộn dây, vật liệu chủ yếu là xenlulo, giấy
10. 8 cách điện. Theo chức năng của cách điện thì lỗi được xác định là không đảm bảo cách điện giữa phần mang điện và phần không mang điện. Lỗi chủ yếu do cơ khí và vật liệu. Về cơ khí, trong quá trình vận chuyển máy biến áp từ nơi sản xuất đến nơi lắp đặt, sẽ có rung động mạnh, tạo nên các va đập, gây xô lệch, gây hỏng cách điện rắn, hoặc va đập do lực điện động khi vận hành. Vật liệu, phải kể đến nóng cục bộ, độ ẩm bên trong, làm cho giấy cách điện dây quấn mất cách điện dẫn đến sự cố. Dầu cách điện, vừa làm mát cho MBA vừa cách điện cho các phần mang điện với đất. 2.3.5. Hệ ố g à á à dầ các đ ệ Hệ thống làm mát bao gồm cánh tản nhiệt, dầu cách điện, quạt cưỡng bức, động cơ kéo quạt, hệ thống điều khiển quạt cưỡng bức. Lỗi hệ thống làm mát tức là chức năng giải nhiệt cho máy biến áp không như thiết kế. Quạt, hoặc động cơ bị hỏng, hệ thống điều khiển không hoạt động, dầu cách điện không đối lưu để dẫn và tản nhiệt, dầu cách điện không cách điện, dầu bị già hóa, chứa nhiều tạp chất, nước, cánh tản nhiệt bị bụi bẩn làm cho nhiệt độ không tản đi, cánh tản nhiệt chứa nhiều khuyết tật, móp méo, không kín, rò rỉ dầu. 2.3.6 Sứ các đ ệ Chức năng sứ là cách điện giữa phần mang điện và phần vỏ, để đưa ty sứ xuyên qua mặt MBA ra ngoài. Hỏng sứ cách điện dẫn đến phóng điện ra vỏ, nguyên nhân chính là vỡ sứ do va đập cơ khí, do lực điện động gây ra bởi ngắn mạch, do bụi muối bám dày cộng với độ ẩm cao. Sứ còn chịu sức căng của cáp lực, cáp động lực giản nở theo nhiệt độ, kéo hoặc đẩy, chèn ép gây nên hỏng sứ. Ngoài ra, sứ còn bị già hóa theo thời gian và theo môi trường làm việc, đặc biệt là sứ làm từ vật liệu cách điện polymer. Một hỏng hóc khác cần phân tích là roăng làm kín của đế sứ, ty sứ hoặc vị trí xả khí bị già hóa, gây nên rò rỉ dầu, phóng điện.
11. 9 2.3.7 Bộ c ỉ ấc áp p â áp Chức năng chính của bộ chuyển nấc MBA là thay đổi đầu phân áp, tức thay đổi tỷ số vòng dây, dẫn đến thay đổi tỷ số biến áp, để điều chỉnh điện áp hoạt động dưới sự thay đổi điện áp đầu vào, nhằm đảm bảo điện áp đầu ra theo yêu cầu của phụ tải. Lỗi chức năng này sẽ dẫn đến MBA không thay đổi nấc phân áp được chia thành hai nhánh, nhánh bộ phận chuyển mạch và nhánh bộ điều khiển. Nhánh bộ chuyển mạch là hư hỏng các tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, cơ cấu truyền động. Nhánh bộ điều khiển bao gồm hỏng mạch điều khiển, động cơ. Nguyên nhân là do vận hành chưa đúng, bảo dưỡng kém, hao mòn trong vận hành. Bên cạnh đó, nấc phân áp bao gồm các đầu đưa ra từ cuộn dây, đây cũng là mối nguy dẫn đến phóng điện. 2.4 KẾT LUẬN Trong phần này, luận văn đã trình bày các "cây con" của lỗi có thể dẫn đến hỏng và dừng MBA. Nó được xác định dựa trên cấu tạo của MBA, lỗi các thành phần chính của MBA như: cuộn dây, gông từ, sứ cách điện, vỏ máy Dựa vào đây, người vận hành có thể phân tích và định vị nhanh nguyên nhân dựa trên hậu quả hoặc các dấu hiệu vừa mới xảy ra để có biện pháp can thiệp phù hợp. Kết quả này cũng là cơ sở của việc phân tích, đánh giá độ tin cậy của MBA trong hệ thống cung cấp điện. Đồng thời cây lỗi cũng thể hiện các lỗi xuất hiện từ rất sớm, tiềm ẩn, nguy cơ dẫn đến sự cố hỏng hóc lớn máy biến áp.
12. 10 CHƯƠNG 3- TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN LỖI MÁY BIẾN ÁP DỰA VÀO KỸ THUẬT PHÂN TÍCH MẪU DẦU 3.1 GIỚI THIỆU Xét về mặt vật lý, bất kỳ lỗi phần tử bất kỳ nào của MBA cũng dẫn đến các hiện tượng bất thường của máy. Các hiện tượng đơn giản như: rò rỉ dầu do hỏng bình chứa, hỏng roăng cao su làm kín, nhiệt độ bên trong tăng lên do môi trường và/hoặc do quá tải, Ngoài ra, còn có nhiều lỗi khác rất khó phát hiện trong quá trình hoạt động như phóng điện cục bộ, phóng điện năng lượng thấp, phóng điện năng lượng cao, quá nhiệt cục bộ bên trong MBA. Để phát hiện những lỗi này, người ta thường thực hiện bằng hai cách: (i) chẩn đoán online và (ii) chẩn đoán offline. Ta có thể thấy kỹ thuật chẩn đoán lỗi MBA dựa vào phương pháp phân tích mẫu dầu vượt trội hơn so với các các phương pháp khác như là phân ích rung, trường nhiệt độ, phóng điện cục bộ với một số ưu điểm như sau: chẩn đoán được nhiều lỗi hơn và có thể cho phép chẩn đoán lỗi MBA ngay khi máy đang hoạt động. Dầu trong MBA có tác dụng cách điện, làm mát, chống ăn mòn, hạn chế ảnh hưởng của hồ quang điện. Dầu là thành phần tiếp xúc trực tiếp với các phần tử mang điện như đầu nối, sứ, ty sứ, cuộn dây, gông từ, vỏ máy, các phần phụ như đồng hồ nhiệt độ, biến dòng điện, biến điện áp, cách điện rắn, Trong quá trình vận hành, dầu sẽ bị phân hủy dưới tác dụng của điện và nhiệt.Từ đó, ta có thể xác định được lỗi MBAthông qua việc phân tích hàm lượng khí tồn tại trong dầu. 3.2 TỔNG QUAN VỀ DẦU MBA Dầu cách điện trong biến áp điện thường được gọi là dầu MBA. Nó thường được sản xuất bằng cách chưng cất phân đoạn và xử lý liên tiếp từ dầu thô. Đó là lý do tại sao dầu này còn được gọi là dầu khoáng cách điện. Dầu biến thế phục vụ chủ yếu trong hai mục
13. 11 đích: thứ nhất là chất lỏng cách điện trong MBA điện,thứ hai là nó tản nhiệt cho biến áp và đóng vai trò như chất làm mát. Ngoài ra, dầu này còn phục vụ với hai mục đích khác: nó giúp bảo vệ lõi, cuộn dây khi được ngâm hoàn toàn trong dầu và một mục đích quan trọng của dầu này là nó ngăn cản tiếp xúc trực tiếp của oxy trong khí quyển với cellulose làm giấy cách điện của cuộn dây. Cấu tạo phân tử tổng quát của dầu MBA là [3]:  Oil - CnH2n+2 n~20-40  (Carbonoxides - CO, CO2)  (Hydrocarbons - CnHm Thông số kỹ thuật tiêu biểu của dầu là: điểm chớp cháy 140°C hoặc cao hơn, điểm rót chảy - 6°C hoặc thấp hơn, độ bền điện môi 24 MV/m (RMS) hoặc cao hơn. Các thông số của dầu biến áp được phân thành 3 loại như sau: Thông số điện; thông số hoá chất; thông số vật lý. Chất lượng dầu ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, tuổi thọ của MBA. Trong quá trình vận hành cần phải thường xuyên theo dõi tình trạng dầu để kịp thời phát hiện những thay đổi tính chất của dầu. Dầu bị xuống cấp tạo các sản phẩm dầu phân hủy, đặc biệt là chất keo có chứa nguyên tử kim loại, các chất có hoạt tính bề mặt dạng anion và nước ngưng tụ; lắng đọng các chất bán dẫn trên bề mặt dưới tác dụng của điện trường; biến dạng điện trường, thay đổi sự phân bố điện áp; giảm độ bền điện môi; Phóng điện bề mặt, tỏa khí và phóng điện vòng. 3.3 ĐẶC TINH LÝ HOA VA QUA TRINH PHAN HỦY KHI HOẠT DỘNG CỦA MBA DƯỚI TAC DỤNG CỦA NHIỆT VÀ DIỆN Các nghiên cứu về cơ chế sinh khí của giấy, dầu duới tác động của nhiệt hay điện có thể tìm thấy trong các nghiên cứu từ những năm 1930 [4]. Người ta đã nhận thấy rằng dưới tác dụng của điện và nhiệt, phần tử hydro–cacbon của khoáng dầu có thể bị phân
14. 12 huỷ thành dạng hydrogen và các mảnh H–C, các mảnh này có thể kết hợp với nhau để tạo ra các khí như hydrohen (H2), methane (CH4), ethane (C2H6), ethylene (C2H4), acetylene (C2H2), Qua các nghiên cứu sau đó cũng chỉ ra rằng số lượng của mỗi chất khí riêng biệt phụ thuộc vào nhiệt độ ở lân cận điểm chịu tác dụng. Hastead đã đề xuất một mô hình nhiệt động học để mô tả mối quan hệ giữa lỗi nhiệt và đặc tính sinh khí. Nghiên cứu về những mối quan hệ này đã chỉ ra rằng các chất khí được tạo ra theo thứ tự cùng với sự gia tăng của nhiệt độ: H2 → CH4 → C2H6 → C2H4 → C2H2. Ví dụ: H2 được tạo ra tại nhiệt độ thấp và số lượng của nó gia tăng một cách ổn định trong khi đó C2H2 được tạo ra tại nhiệt độ rất cao (~ 10000C) và cũng gia tăng về số lượng một cách ổn định. Sự suy giảm phẩm chất cách điện dạng giấy của MBA đã được chẩn đoán một cách thông thường theo số lượng và tỉ lệ của CO và CO2 hoà tan (tiêu chuẩn IEC 599). Ta có thể đo được sự có mặt của chúng khi gia tăng nhiệt một cách đột ngột qua một ngưỡng, khoảng 1400C – 1500C. Tuy nhiên việc đo đạc này chưa đủ để thiết lập nên một định nghĩa cho việc chẩn đoán bởi vì CO và CO2 có thể được tìm thấy trong MBA đơn giản như là một kết quả của sự Oxy hoá dầu trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ thấp kéo dài. Các nhà nghiên cứu đã tìm ra rằng CO và CO2 có thể được hấp thụ vào trong giấy cách điện sau khi được tạo ra, kết quả thể hiện trong sự dao động của các giá trị tập trung đo được. 3.4 MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA LỖI MBA VÀ CÁC KHÍ PHÂN TÍCH ĐƯỢC Dầu trong MBA khi hoạt động dưới tác dụng của quá trình điện và nhiệt sẽ sinh ra các loại khí với tỉ số khác nhau. Căn cứ vào đó chúng ta có thể chia ra các nhóm sau đây:
15. 13 Nhóm hydrocacbon và nhóm Hydrogen: CH4 (Methane); C2H6 (Ethane); C2H4 (Ethylene); C2H2 (Acetylene); H2 (Hydrogen); Nhóm cacbon oxides: CO-Cacbon monoxide và CO2 (cacbon dioxide); Ở nhiệt độ thấp, dầu tạo ra CH4 (Methane), C2H6 (Ethane) và nhiệt độ cao sinh ra khí C2H4; C2H6 (Ethane); Tác dụng lên cellulose tạo ra khí CO2 và một ít CO và ở nhiệt độ cao thì ngược lại CO và một ít CO2; Hồ quang: khí H2 và C2H2với một ít CH4và C2H4. Mối tương quan giữa sự cố MBA và sự hiện diện của khí như sau: P g đ ệ cục bộ oặc ầ g q a g sẽ làm cho dầu phân ly tạo ra khí H2 và cellulose tạo ra khí H2, CO, CO2; Q á ệ Dầu MBA sẽ phân ly tạo ra khí chủ yếu là CH4 và C2H4 và một ít khí H2 và C2H6. 3.5 SỰ RA ĐỜI CỦA PHƯƠNG PHÁP DGA VÀ CÁC QUY TẮC CHẨN ĐOÁN LỖI MBA Phương pháp đánh giá tình trạng MBA thông qua việc sử dụng nồng độ khí hòa tan trong dầu đã được sử dụng vào những năm 70 của thế kỷ 20 và được liên tục phát triển cho đến nay, đã thu được nhiều kết quả trong việc đánh gía tình trạng của MBA. IEC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật về phương pháp đánh giá MBA thông qua DGA số IEC 60599 vào năm 1978 [8], phiên bản thứ hai vào năm 1999 [7], và phiên bản thứ ba vào tháng 9 năm 2015 [6]. Người ta thường dùng phương pháp tỉ lệ, phương pháp khí chính (key gas) và phương pháp thông minh nhân tạo cơ bản. Với phương pháp tỷ lệ, căn cứ tỉ lệ về hàm lượng khí trong mẫu dầu như R1=CH4/H2; R2=C2H2/C2H4; R3=C2H2/CH4; R4=C2H6/C2H2; R5=C2H4/C2H6; R6=C2H6/CH4để đưa ra các lỗi. Hiện
16. 14 tại, các luật phổ biến như sau: Luật chẩn đoán của Goger và bản sửa đổi [3]; Luật chẩn đoán của Dornenurg [3]; Luật chẩn đoán theo tiêu chuẩn IEC 599 và IEC 599 sửa đổi [6, 7, 8]; Luật chẩn đoán bằng các khí đặc trưng (key gas) [3]; Luật chẩn đoán Jica [3]; Luật chẩn đoán EPS.Wang [3]; Luật chẩn đoán củaViện năng lượng Nga [3]; Luật chẩn đoán tam giá Duval [3]. 3.6 KẾT LUẬN Chúng ta có thể nhận thấy rằng phương pháp DGA được sử dụng rất rộng rãi và khá hiệu quả cho việc chẩn đoán lỗi tiềm ẩn của MBA lực. Những phương pháp dựa trên DGA đã ra đời từ rất sớm. Tuy nhiên, hiện nay các nghiên cứu vẫn được tiếp tục thực hiện để cải tiến độ chínhxác trong việc chẩn đoán và kiểm soát lỗi củaMBA lực. Như đã cho thấy ở trên, có rất nhiều qui tắc chẩn đoán MBA thông qua việc phân tích hàm lượng khí trong mẫu dầu phát sinh suốt quá trình vận hành. Tuy nhiên, bản thân mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và điểm hạn chế của nó, và đặc biệt là độ tin cậy của kết quả chẩn đoán không cao. Trên thực tế và kinh nghiệm của tác giả về việc vận hành và bảo dưỡng các MBA tại Công ty lọc hóa dầu Bình Sơn, việc chẩn đoán thường kết hợp nhiều phương pháp khác nhau để kiểm tra chéo nhằm nâng cao độ tin cậy của kết quả. Hiện nay, các quy tắc bộ tiêu chuẩn IEC của hiệp hội Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế được sử dụng rộng rãi và có giá trị thực tiễn và pháp lý hơn cả.Tuy nhiên, đối với tiêu chuẩn này còn có những điểm chồng lấn đối với các tỷ số Rx dẫn đến nhiều trường hợp việc chẩn đoán không đưa ra được kết luận; hoặc cho ra được kết luận nhưng kết luận này không đúng với thực tế
17. 15 của lỗi. Do đó, trong phần tiếp theo của luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu và ứng dụng Logic mờ trên cơ sở tiêu chuẩn IEC 60599 năm 2015 để đối chiếu và đánh giá kết quả.
18. 16 CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TIỀM ẨN MÁY BIẾN ÁP LỰC 4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LOGIC MỜ Trong vài thập niên gần đây, việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển tiếp cận với tư duy con người được gọi là trí tuệ nhân tạo. Đây là lĩnh vực phát triển khá mạnh mẽ. Trong bối cảnh của luận văn này, logic mờ (Fuzzy logic) được sử dụng như là một công cụ chính để xác định và phân loại lỗi của MBA dựa trên DGA. Ưu điểm của logic mờ là cho phép tổng hợp được bộ logic mà không cần biết chính xác cấu trúc và tham số của một hệ thống. Nhược điểm chính của phương pháp là để tổng hợp được bộ logic mờ cần phải có kinh nghiệm của các chuyên gia để xây dựng các qui tắc phù hợp [1]. Định nghĩa tập mờ; Một vài dạng hàm liên thuộc thường được sử dụng; Mô hình mờ cho đối tượng, mô hình Mamdani và mô hình Sugeno. Như vậy việc áp dụng kỹ thuật mờ đã cho ra đời các bộ logic với những tính chất khá hoàn hảo. Các bộ logic mờ cho phép thiết kế rất đa dạng, vì qua việc tổ chức các nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người ta thiết kế các bộ logic mờ khác nhau. Điều đó có nghĩa là quá trình xử lý của một bộ logic mờ với những nguyên tắc điều khiển cho các đối tượng có đặc tính động học khác nhau là hoàn toàn như nhau. 4.2 NỀN TẢN CỦA TIÊU CHUẨN IEC 60599 IEC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật về phương pháp đánh giá máy biến áp thông qua DGA số IEC 60599 vào tháng 9 năm 2015 [6] tóm tắt các bước như sau : Bước 1: Lấy mẫu và phân tích theo phương pháp ASTM D3612C Bước 2: Xem xét các khí chính có dấu hiệu tăng lên. Nếu các
19. 17 khí không liên quan đến lỗi, máy biến áp được xác định là bình thường. Bước 3: Nếu có khí liên quan đến lỗi thì các khí được tính toán theo tốc độ sinh khí, nếu tốc độ sinh khí bằng không, máy biến áp bình thường, nếu tốc độ sinh khí lớn hơn ngưỡng cho phép, thì đưa vào chẩn đoán theo tiêu chuẩn. Bước 4: Chẩn đoán lỗi theo qui tắc sau: Dựa vào giá trị các tí số R1, R2, R3, chia thành các ngưỡng, mã như bảng 4.1 Bảng 4.1 Mã R1, R2, R3 dựa theo tiêu chuẩn IEC 60599 Mã R1 R2 R3 0 3 >1 >3 Dựa vào mã, các lỗi được phân chia như bảng sau TT Hiện tượng R1 R2 R3 1 Già hóa bình thường (không lỗi) 0 0 0 2 PD, phóng điện năng lượng thấp 0 1 0 3 PD, phóng điện năng lượng cao 1 1 0 4 D1, vầng quang năng lượng thấp 1-2 0 1-2 5 D2, vầng quang năng lượng cao 1 0 2 6 Quá nhiệt 7000C 0 2 2 Bước 5: Khuyến cáo. Lưu đồ chẩn đoán khi áp dụng logic mờ hoàn toàn giống như trên. Chuyển đổi qui tắc chẩn đoán theo tiêu chuẩn IEC bằng việc mờ
20. 18 hóa các qui tắc. 4.3. XÂY DỰNG LOGIC MỜ DỰA TRÊN NỀN TẢN TIÊU CHUẨN IEC 60599 4.3.1 G ớ ệ og c ô g à ư đ của og c ờ Logic thông minh (intelligent algorithms), ví dụ: hệ chuyên gia, mạng nơron, đã được nghiên cứu để áp dụng chẩn đoán sớm sự cố, tuy nhiên, vẫn chưa có hệ locgic nào thỏa mãn, hầu hết là chỉ đáp ứng với việc máy biến áp chỉ có một lỗi [15]. Trong trường hợp, máy biến áp chứa đựng nhiều lỗi, chỉ lỗi nào nặng hơn mới thể hiện trong các logic này. Các phương pháp này đều dựa trên các tỉ số một cách chắc chắn. Logic mờ được đề xuất và áp dụng giúp đơn giản hóa mối quan hệ giữa các nguyên nhân và sự cố máy biến áp. Trong quá trình chẩn đoán sự cố thường được thể hiện một cách không rõ ràng dưới dạng một tập hợp không xác định. Điều này gây khó khăn cho việc biểu diễn các nguyên nhân. Việc ứng dụng logic mờ trong luận văn này đã giải quyết được các vấn đề cơ bản này. Kết quả của đề tài đã cho ra một phương pháp chẩn đoán có độ chính xác cao hơn bằng việc ứng dụng logic mờ, chẩn đoán được nhiều lỗi trên dữ liệu dầu chứa nhiều lỗi, điểm mà tiêu chuẩn IEC 60599 chưa thực hiện được. 4.3.2 ọ ô ờ Logic mờ được xây dựng trên cơ sở sử dụng công cụ logic mờ của Matlab, kiểu Sugeno như là logic suy luận [1, 3, 13]. 4.3.3 Xây dự g các à ê ộc c o đầ ào à đầ ra FIS của bộ mờ gồm có 3 tỷ số R1, R2, R3 là 3 đầu vào. Các qui tắc chẩn đoán lỗi của tiêu chuẩn IEC được giữ nguyên. Điểm hạn chế lớn nhất của phương pháp IEC là khi các tỷ số này thay đổi trong các điểm giới hạn biên, mã lỗi thay đổi rõ ràng giữa 0, 1 và 2. Thực tế, các biên mà là không rõ ràng. Nó phụ thuộc vào sự tương quan giá
21. 19 trị của các tỷ số. Mã IEC 0, 1, 2 được thay thế bằng các mã mờ thấp (kí hiệu L), trung bình (kí hiệu M) và cao (kí hiệu H). Bởi vì sự ko chắc chắn của các khí được phân tích, sai số được lấy 10% (tiêu chuẩn IEC). Hàm liên thuộc cho mã 0, 1, 2 của tỷ số R1, R2, R3. Xây dựng bộ suy diễn mờ: Bộ suy diễn mờ có 9 kiểu lỗi dựa hoàn toàn trên tiêu chuẩn IEC-60599, áp dụng cho bộ logic mờ có 10 và 12 quy tắc, trọng số từ dải 0 đến 1. Bộ suy diễn mờ có 5 kiểu lỗi như là hàm liên thuộc, trọng số từ dải 0 đến 1, TH (0-0.2), PD (0.4), D1(0.6), TH(0.8) và D2 (1.0). Điểm khiếm khuyến lớn nhất của phương pháp IEC là 16 mã lỗi không thể hiện trên tổng số 27 được chỉ ra. Chỉ 11 qui tắc được đưa ra bởi IEC nằm ngoài 27 (3x3x3) qui tắc được đề xuất, để xử lý vấn đề này, 11 qui tắc hiện hành được chỉnh sửa trong các biến mờ và thêm 16 qui tắc mới vào để đạt được các qui tắc mở rộng có sự tham vấn ý kiến của chuyên gia (gần 1500 mẫu DGA trong quá khứ) [9]. 4.3.4 ác q ắc ờ Dựa trên tiêu chuẩn IEC 60599, các qui tắc mờ được xây dựng dựa trên các tiêu chí sau: Tiêu chuẩn IEC-60599 Bản chất vật lý của lỗi: Một cách tổng quát, lỗi máy biến áp được chia ra hai nhánh, đó là nhánh lỗi về điện như là phóng điện cục bộ (PD), vầng quang, hồ quang (D) và nhánh lỗi về nhiệt như quá nhiệt độ (TL, nhiệt độ thấp (Thermal low) và TH, lỗi nhiệt (Thermal fault). Trên cơ sở đó, qui tắc mờ được xây dựng với 3 bộ: bộ 10 qui tắc, bộ 12 qui tắc và bộ 27 qui tắc. a) Bộ logic mờ 10 qui tắc Dựa hoàn toàn vào tiêu chuẩn IEC, chúng ta xây dựng 10
22. 20 luật mờ tương ứng với 9 lỗi, trong đó Từ qui tắc số 1 đến qui tắc số 5 không xét đến tỷ số R3. b) Bộ logic mờ 12 qui tắc Dựa hoàn toàn vào tiêu chuẩn IEC, chúng ta xây dựng 12 luật mờ tương ứng với 9 lỗi, trong đó có xét đến đầy đủ 3 tỷ số R1, R2, R3. c) Bộ logic mờ 27 qui tắc Chúng ta có 3 tỷ số R1, R2, R3 với 3 mức (thấp, trung bình, cao), do đó phải xây dựng tổ hợp 3x3x3=27 luật mờ, dựa vào tiêu chuẩn IEC 60599, 12 qui tắc chỉ rõ trong tiêu chuẩn IEC-60599 được tham chiếu, để phát triển thêm số qui tắc còn lại, chúng ta gộp lỗi và phát triển thêm dựa theo kinh nghiệm chuyên gia [9]. Các lỗi được chẩn đoán là: PD, D1 (arc hay discharge năng lượng thấp), D2 (arc hay discharge năng lượng cao), TL (quá nhiệt, nhiệt độ thấp 7000C) 4.4. ỨNG DỤNG CÔNG CỤ MATLAB ĐỂ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH CHẨN ĐOÁN Theo lý thuyết về logic mờ, thực hiện xây dựng bộ logic mờ sử dụng công nghệ fuzzy toolbox có sẵn trên matlab như sau: ZFIS editor là chương trình tạo lập bộ logic mờ cơ bản, cho phép xác định số đầu vào, số đầu ra, đặt tên các biến vào, biến ra, tạo lập và soạn thảo hàm liên thuộc [12, 13]. 4.5. KẾT QUẢ CHẨN ĐOÁN Các giả thiết: Tổng hàm lượng khí cháy đã vượt ngưỡng cho phép (có xét đến khí CO và CO2), giá trị tham khảo là <720ppm [18]. Tốc độ sinh khí của máy biến áp đã vượt ngưỡng cho phép 2.8(lit/day) [18]. Hai giả thiết này để khẳng định máy biến áp đã chứa lỗi bên trong (theo lưu đồ chẩn đoán của tiêu chuẩn IEC 60599).
23. 21 4.5.1. ẩ đoá rê dữ ệ p được ừ à ệ a k ảo Xét 40 mẫu có chứa lỗi thực [5,9,20] từ 3 nguồn dữ liệu khác nhau, để chạy và so sánh kết quả, ta được Bảng 4.5. So sánh kết quả khi xét 40 mẫu có chứa lỗi thực . Logic Tiêu chuẩn Logic mờ Logic mờ Tiêu chí đánh gía IEC- mờ 12 qui 27qui tắc 60599 10 qui tắc tắc Số lượng mẫu chẩn 13 11 4 11 đoán sai Độ chính xác (%) 68 73 90 63 Trong Bảng trên cho thấy rằng luật mờ 12 qui tắc xây dựng dựa hoàn toàn trên tiêu chuẩn IEC-60599 có độ chính xác cao nhất (90%) và được đề xuất áp dụng. 4.5.2 ẩ đoá rê dữ ệ ực Tháng 2/2014, tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất đã xảy ra sự cố máy biến áp 1-TR-13-11 dẫn đến phóng điện pha B. Kết quả chẩn đoán theo logic mờ 12 qui tắc là phóng điện năng lượng cao và phóng điện năng lượng thấp, trong đó phóng điện năng lượng cao chiếm phần lớn (75%) và phóng điện năng lượng thấp chiếm ít hơn (25%).
24. 22 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Tất cả các công việc và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này tập trung trên việc nghiên cứu: Xây dựng cây lỗi máy biến áp lực và ứng dụng logic mờ vào chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp bằng phương pháp DGA. Kết quả thu được đã trình bày ở 4 chương với các nội dung chính như sau: Ở chương đầu tiên của luận văn đã đặt vấn đề như đối tượng, phạm vi, phương pháp và mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Trong đó việc xây dựng cây lỗi máy biến áp và ứng dụng logic mờ để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn máy biến áp thực sự cần thiết trong thực tế sản xuất hiện nay tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất. Chương 2 của luận văn trình bày về việc xây dựng cây lỗi máy biến áp lực, đầu tiên là cơ sở kỹ thuật, phương pháp xây dựng cây lỗi, từ đó cây lỗi được xây dựng trên cơ sở cấu tạo máy biến áp và các phương pháp thí nghiệm để xác định lỗi. Trong phần này, luận văn đã xây dựng lên bức tranh tổng quát lỗi máy biến áp thông qua cây lỗi, rất trực quan và dễ nhớ cho người vận hành, bảo dưỡng máy biến áp, rất có ích trong việc định vị lỗi, các đối tượng bị tác động của lỗi, từ đó có các biện pháp phòng ngừa tiếp theo. Chương 3 luận văn đi vào trình bày tổng quan về việc chẩn đoán lỗi máy biến áp dựa vào kỹ thuật phân tích mẫu dầu. Giới thiệu về dầu máy biến áp, đặc tính lý hóa và quá trình phân hủy khi hoạt động của MBA dưới tác dụng của nhiệt và điện, mối tương quan giữa lỗi MBA và các khí phân tích được, sự ra đời của phương pháp DGA và các qui tắc truyền thống chẩn đoán lỗi máy biến áp thông qua DGA. Từ đây, luận văn xác định sự cần thiết phải ứng dụng logic mờ để nâng cao độ chính xác công tác chẩn đoán MBA. Từ những nghiên cứu đã thực hiện trong Chương 3, chương 4 ứng dụng logic mờ để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn máy biến áp lực
25. 23 bằng phương pháp DGA. Trong phần này, luận văn đã nêu được cơ sở lý thuyết và các ưu điểm của logic với mờ. Kết hợp với nền tản tiêu chuẩn IEC-60599, xây dựng các bộ logic mờ với số qui tắc khác nhau lần lượt là 10, 12 và 27 qui tắc. Ứng dụng công cụ fuzzy tools có sẵn trên matlab để chạy chương trình, chẩn đoán trên 40 mẫu dữ liệu thu thập được từ tài liệu và 1 mẫu từ thực tế, so sánh kết quả, đánh giá bộ logic mờ 12 qui tắc có độ chính xác cao vượt trội, đây là phương án cần đưa vào ứng dụng. Việc ứng dụng logic mờ, xây dựng trên nền tản tiêu chuẩn IEC 60599 rất có ý nghĩa thực tiễn. Trên thực tế sản xuất, người ta thường áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật có giá trị pháp lý làm bộ khung để thống nhất trong việc quản lý và vận hành quá trình sản xuất. Bộ logic mờ được xây dựng đã cải thiện được một số nhược điểm của tiêu chuẩn IEC 60599; do đó, nó hoàn toàn có khả năng ứng dụng vào công tác chẩn đoán lỗi và xây dựng kế hoạch bảo trì cho các MBA lực tại nhà máy lọc dầu Dung Quất. KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Như vậy, quá trình thực hiện luận văn này, tác giả đã giải quyết trọn vẹn được vấn đề đã đặt ra. Tuy nhiên với thời gian nghiên cứu hạn chế và do phạm vi giới hạn của vấn đề đã đặt ra là một bài toán cụ thể đang tồn tại, luận văn chưa đề cập chuyên sâu đến các cơ sở lý thuyết về việc chứng minh các thuật toán cũng như đưa ra một số phương pháp khác để so sánh kết quả với phương pháp đang áp dụng để có cái nhìn toàn diện hơn các kiến thức, các mặc ưu nhược điểm của các phương pháp hiện đại như trí tuệ nhân tạo.