Giải pháp và ứng dụng trong chuyển đổi số các nhà máy điện

Ngành điện lực trước thách thức chuyển đổi kỹ thuật số 5G Phải nói ngay rằng: Điện lực - ngành kinh tế rường cột của quốc gia đang đứng trước thách thức của trào lưu công nghệ số. Để phát triển ổn định và bền vững, ngành điện đang tiếp cận những ý tưởng mới mẻ như một phần của tiến trình chuyển đổi kỹ thuật số, đặc biệt là công nghệ 5G.

Xu hướng chuyển đổi số:

Chuyển đổi số, số hóa hay cách mạng 4.0 là con đường hay xu thế tất yếu trong phát triển công nghiệp, dịch vụ và xã hội. Các phân tích và dự báo có thể tìm thấy trong các hồ sơ, báo cáo, các định hướng chính sách và quyết sách của các Chính phủ. Tuy nhiên, phát triển kinh doanh dự án chuyển đổi số đến nay vẫn còn nhiều thách thức và chưa hình thành rõ nét một thị trường đem lại động lực cao. Một khảo sát gần đây cho thấy dự báo là 60% GDP toàn cầu sẽ được số hóa từ nay đến sau năm 2022, trong số 600 doanh nghiệp được khảo sát có đến 99% cho rằng số hóa là yếu tố hết sức quan trọng và có đến 70% đã lập chiến lược số hóa [1]. Tuy nhiên một khảo sát khác cho thấy chỉ có 30% trong số các doanh nghiệp quốc tế triển khai số hóa gặt hái được thành công. Con số này, cũng theo khảo sát tại Trung Quốc, số doanh nghiệp thành công thấp hơn con số 10%.

Số hóa hay chuyển đổi số sẽ bắt đầu trong ngành nào trước: Công nghiệp, dịch vụ hay công ích xã hội. Trong bài viết, không đi tìm câu trả lời cho vấn đề này mà chỉ tập trung vào việc xem xét các giải pháp và các ứng dụng số hóa trong các nhà máy công nghiệp mà ở đây chủ yếu là các nhà máy điện. Qua đó, lãnh đạo các nhà máy điện có thể hình dung ra các chương trình chuyển đổi số có thể triển khai cho nhà máy của mình một cách hiệu quả nhất. Bài viết được thực hiện trên cơ sở kinh nghiệm thực tế làm việc tại nhà máy điện, cập nhật các tài liệu mới nhất về chuyển đổi số và số hóa, đồng thời phân tích và rút ra kết luận từ kết quả 240 phiếu khảo sát tại hơn 10 nhà máy điện trên toàn quốc.

Trên thực tế các nhà máy công nghiệp hay cụ thể hơn là các nhà máy điện, là các cơ sở sản xuất có mức độ hiện đại và tự động hóa cao. Nhất là so sánh với các ngành như khai khoáng, luyện kim, đóng tàu và một số ngành công nghiệp nặng khác. Tuy nhiên nếu so sánh với các ngành công nghiệp hiện đại, phát triển mạnh, mức độ tự động hóa vẫn còn có khoảng cách nhất định về quy mô lẫn mức độ, ví dụ: Các nhà máy lọc hóa dầu (Bình Sơn, Nghi Sơn), chế tạo ôtô (Vinfast, Hải phòng) hay chế tạo thiết bị linh kiện điện tử (Samsung Electronics tại Thái nguyên và Bắc Ninh) hiện nay.

Chuyển đổi số sẽ giải quyết những vấn đề gì?

Chuyển đổi số (Digital Transformation) là hệ thống các giải pháp số hóa không chỉ cho phép các nhà máy nâng cao sản lượng và tối ưu hóa hệ thống mà còn là phương pháp mới phân tích dữ liệu tạo ra sự cạnh tranh cao hơn của doanh nghiệp [1].

Chuyển đổi số (DX) các nhà máy điện là thực hiện các giải pháp và ứng dụng số nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và kinh doanh với các mục tiêu: Nâng cao độ sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống thiết bị, cải thiện an toàn lao động, giảm suất hao nhiệt và tiêu thụ nhiên liệu, tối ưu hóa chi phí bảo dưỡng và sửa chữa (BDSC) và tăng tính chủ động, linh hoạt trong các phương án kinh doanh [1, 2, 5, 6].

Trong các nhà máy điện, các hệ thống điều khiển và thu thập số liệu phục vụ vận hành bao gồm: Hệ thống điều khiển phân tán-Distributed Control System (DCS), hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu-Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), các bộ điều khiển logic-Programmable Logic Controller (PLC) và bộ điều khiển giao diện người-máy, Human Machine Interface (HMI). Các hệ thống DCS, SCADA, PLC hay HMI tạo ra một cấu trúc mạnh trong việc thu thập dữ liệu và điều khiển các hệ thống và thiết bị (HTĐK).

Các HTĐK thường làm việc liên tục trong thời gian dài, cập nhật hoặc nâng cấp các phần mềm và các thiết bị phần cứng đòi hỏi nhiều nỗ lực chuyên môn và chi phí lớn. Việc sửa lỗi hoặc vá lỗi các phiên bản phần mềm hoặc thay thế phần cứng bị hỏng là không thể tránh khỏi và tồn tại các rủi ro do dừng hệ thống liên quan.

Ứng dụng các giải pháp trong công tác quản lý BDSC, quản lý vận hành đòi hỏi phải trang bị các giải pháp số hóa tức là các hệ thống phần cứng hoặc phần mềm riêng. Các hệ thống mới này có thể tạo ra sự thiếu đồng bộ hoặc không tương thích với HTĐK hiện hữu và do đó cũng có thể những rủi ro phải tách thiết bị để khắc phục.

Động lực từ cách mạng 4.0 và chuyển đổi số sẽ là các câu hỏi như: Phải bắt đầu từ đâu, quy mô thực hiện và mức độ hiệu quả nếu triển khai, mức độ ưu tiên ứng dụng số các công tác vận hành-BDSC-kế hoạch thị trường thế nào…

Các vấn đề trên có thể giải quyết được nếu xem xét kỹ lưỡng và cụ thể chiến lược DX trong từng trường hợp, xem xét các doanh nghiệp đó đang ở mức độ DX nào và hướng đến đâu trong việc sử dụng DX để phát triển.

Hình 1: Mô hình DX cho các Nhà máy công nghiệp/điện [2].

Trong lĩnh vực nhà máy điện, các hãng lớn như GE, Siemens, Schneider, ABB, Emerson, Honeywell… đã đầu tư vào các dịch vụ DX từ hơn 5 năm trước và đang hình thành các tiêu chuẩn sản xuất, các dòng sản phẩm và các phương pháp đánh giá hiệu quả. Mục tiêu của các chương trình DX đều có các điểm chung cụ thể như sau:

Nâng cao độ sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống thiết bị: Đánh giá của Honeywell về việc thiết lập cơ sở cho các dự án DX [2] thấy rằng không thể đầu tư vào DX mà không tính toán đến lợi ích. Lợi ích cần phải được tính toán cụ thể và cần dựa trên các điều kiện cụ thể, đó là:

- Các hệ thống điều khiển trong nhà máy bao gồm các hệ thống phần cứng và phần mềm. Trong một chu kỳ phục vụ của toàn bộ nhà máy thì các hệ thống phần cứng và phần mềm không thể tránh được các hư hỏng hay lỗi và cần thường xuyên cập nhật vá các lỗi phần mềm. Thay vì phải nâng cấp hoặc thay thế các hệ thống điều khiển công nghiệp trong các nhà máy thì bổ sung kết nối, ứng dụng các thiết bị phân tích và thu thập dữ liệu (IoT và Edge Computer) là các giải pháp kinh tế hơn và cần được xem xét và phân tích, đặc biệt là góc độ kinh tế.

- Hầu hết các nhà máy công nghiệp đều có mức độ sẵn sàng chung (hay độ sẵng sàng của nhà máy) từ 75% đến 85%. Các nhà máy có độ sẵn sàng cao là trên 88%, chủ yếu là các nhà máy mới, hoặc sau chu kỳ sửa chữa lớn. Nếu tính trung bình cao như kinh nghiệm của các hãng cung cấp giải pháp điều khiển lớn như Honeywell là 85% thì cần các giải pháp gì để cải tiến khoảng trống 15% này? Thực tế cho thấy 5% do các công tác phải dừng máy, còn lại 10% là các yếu tố khác không kiểm soát được. Nếu tập trung vào việc khai thác các giải pháp và ứng dụng tự động DX để giảm và kiểm soát tỷ lệ “chưa kiểm soát” này sẽ đem lại hiệu quả rất cụ thể về tài chính cho doanh nghiệp.

Cải thiện an toàn lao động: Trong mô hình DX của Honewell (Hình 1) đưa ra khái niệm sử dụng ứng dụng số để nâng cao mức độ an toàn cho người lao động, điều mà chưa có mục tiêu chuyển đổi số nào đưa ra. Qua tìm hiểu, hệ thống Phiếu công tác điện tử (e-Permit To Work) được ứng dụng số hóa sẽ là một trong giải pháp hiệu quả nâng cao sự sai lệnh, sử dụng khóa số để chống các sự kiện thao tác nhầm qua đó nâng cao an toàn cho các đội thao tác, đội công tác trên hiện trường. Ngoài ra hệ thống CCTV sử dụng camera thông minh kết nối trung tâm dữ liệu có thể bảo vệ trên khu vực rộng lớn, ngày cũng như đêm rất hiệu quả. Hệ thống AI camera còn cho phép nâng cao an toàn lao động với chức năng phát hiện đội mũ bảo hộ hoặc phát hiện và cảnh báo các đối tượng không thuộc nhiệm vụ đang tiến vào khu vực làm việc.

Giảm suất hao nhiệt và tiêu thụ nhiên liệu: Khác với mô hình DX của Honeywell, GE đưa ra mô hình DX bằng cách phát triển tập trung vào Mô phỏng một nhà máy số - Digital Twin. Trong đó nêu rõ các ứng dụng phát triển năng lực của đội ngũ vận hành, tăng cường hiệu quả vận hành và quản lý tài sản. Đối với mục tiêu của DX, GE đưa ra các con số rất cụ thể là tăng độ tin cậy và độ sẵn sàng của hệ thống thiết bị lên 10% và giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa xuống 10% [3].

Nếu áp dụng hệ thống theo dõi các thông số vận hành và suất hao nhiệt của từng hệ thống thiết bị như hình 2 có thể kiểm soát đến từng các tuốc bin khí (GT1, GT2), các hệ thống BoP của GT1 và GT2, các lò thu hồi nhiệt, tuốc bin hơi và hệ thống bình ngưng [3]. Qua đó theo dõi đối chiếu với “định mức” và theo dõi sự biến đổi để phát hiện và xác định các bất thường một cách chính xác hơn.

Tuy nhiên cần phải đánh giá và so sánh với hệ thống theo dõi các thông số vận hành đã có trên DCS của một số nhà máy, đặc biệt là các nhà máy mới có trang bị hoặc được cập nhật phiên bản DCS có tính đến các chức năng kiểm soát thông số vận hành.

Hình 2: Phân tích chi tiết suất hao nhiệt theo các hệ thống thiết bị [3].

Tối ưu hóa chi phí bảo dưỡng và sửa chữa: Đây là mục tiêu mà các hãng đề cập nhiều trong các mô hình DX. Đáng kể nhất là các ứng dụng điển hình của Schneider trong [4] đã thông tin là tổng chi phí bảo dưỡng sửa chữa khi ứng dụng DX giảm xuống gần 30%. Một con số không hề nhỏ nếu tính đến chi phí hàng năm của các nhà máy điện, công nghiệp. Tuy nhiên nếu nhìn vào cách đánh giá các hạng mục chi phí bao gồm chi phí vật tư thay thế, chi phí chuyên gia, chi phí cải tạo, nâng cấp, chi phí cơ hội do giảm thời gian ngừng máy… thì DX có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí BDSC.

Tăng tính chủ động, linh hoạt trong các phương án kinh doanh: Đây là một lợi ích khác và quan trọng của DX. Với một bộ dữ liệu khổng lồ được đánh giá và phân tích tốt, công tác dự báo giá thành, phân bổ chi phí, tối ưu vật tư tồn kho sẽ giống như đánh giá các kịch bản sản xuất và kinh doanh. Thay vì phán đoán của CEO là cần phải hướng đến 1-2 kịch bản thì với một hệ thống liên kết dữ liệu trung tâm, có thể hoàn thành nhiều kịch bản hơn trong thời gian ngắn để đưa ra được lựa chọn chiến lược hiệu quả nhất. Và khi cần sự điều chỉnh về giá đầu vào hay hạn chế sản lượng thì các kịch bản về kế hoạch sản xuất sẽ được quyết định linh hoạt hơn.

Giải pháp và ứng dụng số:

Hệ thống hóa cao nhất và đầy đủ nhất là mô hình Digital Twin [3]. Trong Hình 3, bên phải thể hiện các mục tiêu và yêu cầu nhập liệu hay thông số giám sát bên trái hình. Các ô màu trắng là hệ sinh thái của các mô hình, hay các chương trình ứng dụng số do GE xây dựng. Các mô hình này còn tiến tới trí tuệ nhân tạo. Để đạt được mô hình hoàn chỉnh này sẽ cần một hạ tầng công nghệ số khá mạnh mà có thể lâu hơn nữa chúng ta mới có thể đạt được.

Hình 3: Mô hình DX - Digital Twin [3].

Nếu lập một bộ các ứng dụng và giải pháp số phân theo các nhiệm vụ thiết thực nhất của một nhà máy điện là đào tạo và phát triển độ ngũ kỹ thuật, tối ưu hóa công tác BDSC và nâng cao hơn nữa hiệu quả vận hành, chương trình DX [1, 2, 5, 6] sẽ cho ta một tập hợp trong Bảng sau:

Các giải pháp và ứng dụng này được đưa ra khảo sát và lấy ý kiến đánh giá tại các nhà máy điện trên toàn quốc trong thời gian từ tháng 6 đến tháng 9 năm 2021. Các đối tượng khảo sát bao gồm: Vận hành viên, kỹ thuật viên hoặc tương đương, kỹ sư và chuyên viên kỹ thuật, trưởng ca/trưởng kíp, quản đốc/phó quản đốc/trưởng phó phòng, lãnh đạo nhà máy/lãnh đạo các ban của công ty/tổng công ty, lãnh đạo cấp cao (HĐQT, Ban TGĐ). Tỷ lệ thành phần tham gia khảo sát được trình bày trên hình 4. Khảo sát được thực hiện tại các nhà máy điện: Nhiệt điện Vĩnh Tân 4, Nhiệt điện Cần Thơ, Nhiệt điện Hải Phòng, Nhiệt điện Duyên Hải, Nhiệt điện Vũng Áng 1, Điện khí Cà Mau, Nhơn Trạch 1 và Nhơn Trạch 2, Thủy điện Huội Quảng - Bản Chát, Hủa Na, Đại Ninh…

Hình 4: Thành phần khảo sát về DX tại các nhà máy điện, tháng 9 năm 2021.

Tổng số 240 phiếu trả lời được tích hợp trên các ứng dụng số và lưu trữ nhanh chóng, hiện thị rõ ràng. Kết quả thể hiện mối quan tâm trên cơ sở tỷ lệ trung bình như sau:

Mục tiêu tối ưu công tác bảo dưỡng sửa chữa (mục 2) có tỷ lệ quan tâm cao. Trong đó, nhiệm vụ lựa chọn chiến lược BDSC và phương pháp kiểm tra đánh giá tình trạng thiết bị (mục 2.1) đạt tỷ lệ quan tâm cao nhất là: 87.5%.

Mục tiêu nâng cao hiệu quả vận hành (mục 3) đạt tỷ lệ quan tâm không cao so với công tác BDSC và đạo tạo nhân lực kỹ thuật. Trong đó nhiệm vụ ứng dụng số quản lý dầu nhớt mỡ bôi trơn, làm mát và số hóa ứng dụng quản lý ăn mòn bên trong và ăn mòn bên ngoài (mục 3.7 và 3.8) đạt tỷ lệ quan tâm thấp nhất.

Trên cơ sở kết quả khảo sát, thấy rằng đội ngũ sản xuất tại các nhà máy điện thể hiện sự quan tâm đáng kể đến các giải pháp và ứng dụng số hóa, số lượng cho rằng không cần thiết phải tiếp tục tìm hiểu là rất thấp (<7%). Hơn nữa, công tác bảo dưỡng sửa chữa được quan tâm một cách đáng kể, từ các vận hành viên đến các cấp lãnh đạo. Trong đó công tác: “Lựa chọn chiến lược BDSC và phương pháp kiểm tra đánh giá tình trạng thiết bị” lại được chú trọng nhiều nhất, cao nhất trong tất cả các câu hỏi. Nếu nguồn lực cho phép, các câu hỏi được phát triển nhiều hơn, sâu hơn, đồng thời số lượng được nhiều hơn nữa sẽ có được một kết quả điều tra và phân tích sâu sắc hơn.

Bài viết đã cố gắng mang đến những phân tích về xu thế, các mục tiêu của DX đối với các nhà máy điện, đồng thời các hạn chế khó khăn và lợi ích của việc ứng dụng các giải pháp số hóa. Một số mô hình DX của GE, Schneider, Honeywell… đã được xem xét, từ đó đưa ra các ứng dụng số có thể áp dụng trong thực tế sản xuất. Các phiếu khảo sát về sự cần thiết khai thác các ứng dụng này và đánh giá tỷ trọng cần thiết trong sản xuất đã được thực hiện. Kết quả cho thấy cần quan tâm hơn nữa đến công tác BDSC, đồng thời các doanh nghiệp kinh doanh điện có thể bắt tay vào việc ứng dụng số hóa mà không cần phải chờ đợi thêm nữa./.

TS. VĂN XUÂN ANH

Tài liệu tham khảo:

[1]. Control Engineering-Digital Transformation & System Integration, May&August, 2021

[2]. Honeywell Connected Plant, Smart Operations, Rajeev Goyal, 2018

[3]. GE Digital Twin, Analytic Engine for the Digital Power Plant, GE, 2016

[4]. Schneider Electric, 2019 Global Digital Transformation Benefits Report, 2019.

[5]. Digital Transformation, Control, July 2016, Puttman Media. ControlGlobal.com

[6]. Plant Engineering, Digital Transformation, CFE Media and Technology, May, 2021

[7]. Phiếu khảo sát: Giải pháp và Ứng dụng chuyển đổi số các Nhà máy điện, https://forms.gle/Pu9nZPGvzuknQ1Kt7