Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Hệ thống khí nén (Mã mô đun: PETD62139) được biên soạn theo chương trình đào tạo nghề Khoan khai thác dầu khí ở trình độ Cao đẳng, do Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) ban hành kèm theo Quyết định số 211/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 tại Bà Rịa - Vũng Tàu. Tài liệu do kỹ sư Bùi Đức Sơn chủ biên, phục vụ công tác giảng dạy, học tập và lưu hành nội bộ trong nhà trường.

Trong chương trình đào tạo chuyên môn nghề gồm 51 tín chỉ (1320 giờ), mô đun Hệ thống khí nén có thời lượng 2 tín chỉ (tổng cộng 45 giờ đào tạo, gồm 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận, 1 giờ kiểm tra lý thuyết và 1 giờ kiểm tra thực hành). Về vị trí đào tạo, mô đun được bố trí giảng dạy sau các môn học cơ sở như Cơ sở khoan (PETD53033), Hệ thống phát lực (PETD62138), đồng thời cung cấp kiến thức nền tảng trước khi sinh viên tiếp cận các mô đun chuyên sâu tiếp theo gồm Hệ thống nâng hạ (PETD54140) và Hệ thống tuần hoàn dung dịch (PETD54141).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình xác định rõ các chuẩn đầu ra:

  • Kiến thức (A1, A2): Trình bày chức năng của hệ thống khí nén trong công nghệ khoan - khai thác dầu khí; mô tả chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy nén khí piston cùng các thiết bị phụ trợ.
  • Kỹ năng (B1): Vận hành được hệ thống khí nén theo đúng quy trình kỹ thuật.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Tuân thủ quy định an toàn lao động, phòng cháy chữa cháy (PCCC), quy chế xưởng thực hành; thực hiện quy trình vận hành thiết bị cơ khí - tự động hóa, ngăn ngừa sự cố và hư hại thiết bị.

Giáo trình được thiết kế theo cấu trúc tích hợp 3 bài học, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cấu tạo máy thủy khí và thực tế vận hành các trạm khí nén trên các công trình dầu khí biển.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân bố thành 3 bài học theo tiến trình logic từ tổng quan hệ thống, phân tích cấu tạo chi tiết đến thực hành quy trình vận hành và bảo dưỡng:

  • Bài 1: Tổng quan về hệ thống khí nén. Sơ đồ, nguyên lý tổ hợp hệ thống khí nén (2 giờ lý thuyết): Trình bày các chức năng của khí nén trong ngành dầu khí: gọi dòng giếng khai thác, cung cấp khí áp suất phù hợp cho thiết bị khoan, vận chuyển xi măng trong quá trình bơm trám giếng, cấp nguồn khí điều khiển đóng/mở van cầu, cấp khí thử van an toàn, thông thổi đường ống, dẫn động máy mài, súng bắn rỉ, khởi động động cơ Diezel và làm môi chất truyền nhiệt. Chương này phân tích sơ đồ tổ hợp trạm nén khí thực tế trên giàn cố định MSP-8 của Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro với các cụm thiết bị cụ thể:

    • Trạm $4\text{BУ } 1\text{-}5/9$ tại khối BM-15 (áp suất thấp $6 \div 8\text{ kG/cm}^2$, lưu lượng $Q \approx 5\text{ m}^3/\text{phút}$) dẫn động bằng động cơ Diezel và động cơ điện phục vụ tự động hóa và ly hợp khí nén bơm dung dịch $\text{УM-8}$.
    • Trạm $\text{ВП2-9/10}$ tại BM-7B gồm 4 máy cấp khí vận chuyển xi măng.
    • Trạm $\text{ЭКП-70/25}$ tại BM-7A (áp suất trung bình $30 \div 50\text{ kG/cm}^2$) phục vụ khởi động động cơ Diezel $8\text{ЧН } 25/34\text{-}3$.
    • Cụm BM-6 gồm các máy nén áp suất thấp $\text{BУ-0,6/8}$, $\text{BУ-0,6/13}$ và Ingersoll-Rand T 30/7100 ($Q = 1{,}42\text{ m}^3/\text{phút}$) cấp khí cho van MIM, trạm điều khiển ACS, TOE.
    • Các trạm trục vít hiện đại Atlas-Copco GA-75 ($Q \approx 11{,}8\text{ m}^3/\text{phút}$) và Ingersoll-Rand SSR MH-75 ($Q \approx 11{,}61 \div 13{,}59\text{ m}^3/\text{phút}$, áp suất $6 \div 13\text{ kG/cm}^2$).
    • Trạm cao áp Kp-2T và BT $1{,}5\text{-}0{,}3/150$ ($100 \div 150\text{ kG/cm}^2$) tại BM-1, BM-2 và trạm sản xuất khí trơ $\text{N}_2$ tại CTP-2, CTP-3.

  • Bài 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống khí nén. Thiết bị xử lý khí nén. Bình chứa khí nén (10 giờ lý thuyết): Định nghĩa máy nén khí là máy thủy khí tạo ra áp suất $P \ge 3\text{ at}$. Phân loại chi tiết theo cấu tạo (piston, roto, ly tâm), nguyên lý làm việc (biến đổi động năng và giảm thể tích), dải áp suất (thấp $3 \div 10\text{ at}$, trung bình $10 \div 100\text{ at}$, cao $100 \div 1000\text{ at}$, siêu cao $> 1000\text{ at}$), phương án dẫn động và cấp số nén. Trình bày chi tiết kết cấu cơ khí máy nén piston: các-te gang đúc liền hoặc tháo rời; đĩa van phẳng tì mặt tựa lò xo hoặc van đặt bakelit; xilanh và ống lót xilanh làm mát không khí ($\le 90^\circ\text{C}$) hoặc làm mát nước ($> 90^\circ\text{C}$) có cấu tạo nong rộng đầu ống lót để chống tạo gờ mòn; piston gang (đặc $< 7\text{ inch}$, rỗng $> 7\text{ inch}$), piston nhôm ($> 9\text{ inch}$) và piston thép bọc đồng/babit; xécmăng kim loại hoặc teflon; bộ vòng chèn kim loại kiểu B và T có rãnh hứng khí rò rỉ; trục khuỷu thép 40, 45, 40X tôi cao tần đạt độ cứng bề mặt HRC 48–62; thanh truyền với căn thép $0{,}25\text{ mm}$ chỉnh khe hở bạc lót; con trượt babit. Mô tả các hệ thống phụ trợ: hệ thống bôi trơn vung tóe, bôi trơn cưỡng bức (có lọc thô, lọc tinh, van by-pass, thiết bị làm nguội dầu duy trì $125 \div 150^\circ\text{F}$ bằng van hằng nhiệt); hệ thống làm mát trung gian và làm mát sau khi nén bằng nước hoặc glycol; hệ thống điều khiển an toàn gồm màng an toàn, van an toàn mở ở 110% áp suất làm việc xả về đuốc đốt (flare), van một chiều và bộ điều tốc khống chế tốc độ cao. Giới thiệu tổng quan máy nén trục vít, máy nén ly tâm (vỏ tháo ngang/dọc, bánh công tác, cánh dẫn hướng, vòng làm kín khuất khúc, ngăn cân bằng), thiết bị xử lý khí nén (bình ngưng tụ, sấy lạnh, sấy hấp thụ hóa học) và kết cấu bình chứa khí nén.

  • Bài 3: Vận hành và bảo dưỡng hệ thống khí nén (33 giờ đào tạo): Tập trung vào quy trình vận hành trạm nén khí, kiểm tra thông số áp suất, lưu lượng, mức dầu bôi trơn, nhiệt độ khí xả; phương pháp phát hiện và xử lý sự cố (tắc lọc dầu, hỏng đĩa van do ứng suất nhiệt, rò rỉ vòng chèn, kẹt piston); quy trình bảo dưỡng định kỳ các chi tiết máy nén và bình chứa khí nén.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết kỹ thuật nhiệt - cơ học thủy khí ứng dụng:

  • Nguyên lý biến đổi trạng thái khí: Cơ chế giảm thể tích làm tăng áp suất (máy nén thể tích: piston, trục vít, roto cánh gạt) và cơ chế biến đổi động năng dòng khí thành thế năng áp suất (máy nén ly tâm).
  • Các thông số kỹ thuật cốt lõi:
    • Tỷ số nén: $$\Pi = \frac{P_2}{P_1}$$ (trong đó $P_2$ là áp suất khí xả, $P_1$ là áp suất khí nạp).
    • Công suất tiêu hao của máy nén: $$N = \frac{Q \cdot L \cdot \rho}{\eta_v \cdot \eta_m}$$ (với $Q$ là năng suất, $L$ là công nén riêng, $\rho$ là khối lượng riêng khí vào, $\eta_v$ là hiệu suất thể tích, $\eta_m$ là hiệu suất cơ học).
  • Nguyên lý nhiệt và bôi trơn: Sự giãn nở nhiệt của kim loại trong buồng nén; cơ chế truyền nhiệt qua cánh tản nhiệt và áo nước làm mát; nguyên lý bôi trơn thủy động và bôi trơn cưỡng bức chống ma sát tại các cổ biên, ngõng trục và ống lót xilanh.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Thao tác tháo lắp, kiểm tra khe hở xécmăng, căn chỉnh bạc lót đầu to thanh truyền bằng lá căn $0{,}25\text{ mm}$; đo kiểm và nhận biết mức độ rò rỉ khí qua ống xả của hộp vòng chèn kim loại; điều chỉnh van an toàn và van by-pass theo đúng áp suất quy chuẩn.
  • Kỹ năng phân tích và chẩn đoán: Đánh giá tình trạng vận hành qua đồng hồ áp suất và nhiệt kế; nhận diện nguy cơ vỡ đĩa van khi có chất lỏng lọt vào buồng nén; phát hiện hiện tượng sụt áp dầu bôi trơn khi lọc tinh bị tắc nghẽn; phân tích nhiệt độ dầu qua van hằng nhiệt ($125 \div 150^\circ\text{F}$) để ngăn ngừa hiện tượng tạo bọt dầu do ngưng tụ nước trong các-te.
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp: Thực hiện chuẩn xác quy trình khởi động, kiểm soát thông số và dừng các trạm máy nén khí áp suất thấp, trung bình và cao áp trên giàn khoan dầu khí biển; tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn an toàn cháy nổ trong môi trường khí công nghiệp nguy hiểm.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp sư phạm và tổ chức dạy học

Phương pháp giảng dạy của mô đun áp dụng mô hình dạy học tích cực, kết hợp giữa diễn giảng ngắn, nêu vấn đề, hướng dẫn nghiên cứu tài liệu kỹ thuật và giải quyết bài tập tình huống thực tế:

  • Tổ chức thảo luận nhóm: Sinh viên được chia thành các nhóm nhỏ từ 8 đến 10 người. Mỗi nhóm được giao chủ đề kỹ thuật trước buổi học (như phân tích sơ đồ bôi trơn cưỡng bức, so sánh ưu nhược điểm của van đĩa và van đặt, nguyên lý làm kín khuất khúc). Từng thành viên đảm nhận các phần việc độc lập trước khi tổng hợp, ghi chép và hoàn thiện báo cáo nhóm.
  • Thực hành xưởng: Thời lượng thực hành chiếm 29/45 giờ của mô đun, tổ chức trực tiếp trên các mô hình máy nén khí và thiết bị thực hành để rèn luyện kỹ năng thao tác quy trình vận hành và bảo dưỡng.

Phương thức đánh giá kết quả

Quy trình kiểm tra, đánh giá tuân thủ Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH ngày 13/3/2017 của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, cụ thể:

Hình thức kiểm tra Thời điểm Phương pháp & Hình thức Chuẩn đầu ra đánh giá Trọng số điểm
Kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) Sau 3 giờ Viết/Thuyết trình (Tự luận hoặc Trắc nghiệm) A1, A2, C1 $40%$ (Tổng điểm kiểm tra thường xuyên & định kỳ)
Kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) Sau 12 giờ Viết/Thuyết trình kết hợp Thực hành A1, A2, B1, C1
Thi kết thúc mô đun Sau 45 giờ Viết/Thuyết trình kết hợp Thao tác thực hành A1, A2, B1, C1 $60%$

Điểm đánh giá thành phần và thi kết thúc mô đun chấm theo thang điểm 10 (làm tròn đến một chữ số thập phân), sau đó quy đổi sang điểm chữ và thang điểm 4 theo quy chế đào tạo tín chỉ.

Yêu cầu đối với người học

  • Nghiên cứu trước nội dung bài học và tài liệu tham khảo được cung cấp trước khi lên lớp.
  • Tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết (vắng $> 30%$ phải học lại mô đun).
  • Tham dự 100% các buổi học thực hành (vắng buổi thực hành bắt buộc phải học lại).
  • Tham gia đầy đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ và kỳ thi kết thúc mô đun.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Gắn kết chặt chẽ với thực tế công trình biển: Toàn bộ nội dung giáo trình được xây dựng dựa trên cơ sở dữ liệu và sơ đồ công nghệ thực tế tại các giàn khai thác dầu khí cố định thuộc Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro (điển hình là sơ đồ hệ thống khí nén giàn MSP-8 và các khối công nghệ BM-6, BM-7A, BM-7B, BM-15, CTP-2, CTP-3).
  • Cập nhật quá trình chuyển dịch công nghệ thiết bị: Giáo trình phân tích cụ thể quá trình chuyển đổi từ các hệ thống máy nén khí piston truyền thống thế hệ cũ (như $\text{ВП2-9/10}$, $\text{BУ-0,6/8}$, $\text{BУ-0,6/13}$, $4\text{BУ}1\text{-}5/9$, Ingersoll-Rand T 30/7100) sang các trạm máy nén trục vít hiện đại có lưu lượng lớn và tích hợp hệ thống sấy khô hoàn chỉnh như Atlas-Copco GA-75 và Ingersoll-Rand SSR MH-75. Giáo trình chỉ rõ việc lắp đặt 2 máy loại này tại BM-7B có thể thay thế toàn bộ cụm trạm máy nén áp suất thấp trước đó trên giàn.
  • Phân loại chuyên biệt theo yêu cầu công nghệ khoan - khai thác: Dẫn chứng cụ thể các dải thông số kỹ thuật phục vụ từng công đoạn: hệ thống khí nén áp suất thấp ($6 \div 8\text{ kG/cm}^2$) cho tự động hóa và vận chuyển xi măng; áp suất trung bình ($30 \div 50\text{ kG/cm}^2$) cho khởi động động cơ Diezel trạm phát điện chính; áp suất cao ($100 \div 150\text{ kG/cm}^2$) của trạm Kp-2T và BT $1{,}5\text{-}0{,}3/150$ phục vụ điều khiển van cầu khối BM-1, BM-2 và nén khí bình điều hòa lưu lượng bơm piston; trạm sản xuất khí trơ ($\text{N}_2$) phục vụ an toàn công nghệ xử lý dầu khí.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên chuyên ngành: Giáo trình được thiết kế trực tiếp cho sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học đại cương và kỹ thuật cơ sở trong chương trình đào tạo, bao gồm:
    • An toàn vệ sinh lao động (SAEN52001)
    • Vẽ kỹ thuật (MECM52003)
    • Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012)
    • Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111)
    • Địa chất cơ sở (PETD53031)
    • Cơ sở khoan (PETD53033)
    • Hệ thống phát lực (PETD62138)
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm căn cứ chuẩn hóa bài giảng, thiết kế bài tập tình huống kỹ thuật, đề cương thảo luận nhóm và xây dựng tiêu chí đánh giá kỹ năng thực hành xưởng.
  • Kỹ thuật viên và cán bộ vận hành: Tài liệu phục vụ tra cứu thông số cấu tạo, sơ đồ nguyên lý và quy trình kỹ thuật cho nhân sự vận hành hệ thống máy nén khí tại các trạm nén khí công nghiệp và công trình dầu khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ đào tạo sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí, đồng thời là tài liệu tham khảo cho giảng viên chuyên ngành và kỹ thuật viên vận hành trạm khí nén.

2. Cần hoàn thành những kiến thức nền tảng nào trước khi học mô đun này?

Sinh viên cần tích lũy các kiến thức kỹ thuật cơ sở và chuyên ngành gồm: Vẽ kỹ thuật, Điện kỹ thuật cơ bản, Cơ sở điều khiển quá trình, An toàn vệ sinh lao động, Cơ sở khoan và mô đun Hệ thống phát lực.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu máy nén khí thông thường là gì?

Giáo trình phân tích chuyên sâu các hệ thống khí nén lắp đặt trên các công trình dầu khí biển (như giàn cố định Vietsovpetro, giàn MSP-8), gắn liền với các nhiệm vụ công nghệ đặc thù: gọi dòng giếng, vận chuyển xi măng trám giếng, cấp khí điều khiển van an toàn, nén khí trơ $\text{N}_2$ và trạm nén cao áp đến $150\text{ kG/cm}^2$.

4. Quy định về việc tự học và tham gia lớp học như thế nào để hoàn thành mô đun?

Người học phải nghiên cứu trước giáo trình, hoàn thành bài tập nhóm (8–10 sinh viên), tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết và bắt buộc tham dự đủ 100% các buổi học thực hành tại xưởng (29 giờ thực hành).

5. Có những tài liệu tham khảo chính thức nào đi kèm giáo trình?

Giáo trình sử dụng hai tài liệu tham khảo tiếng Việt:

  1. Nguyễn Công Tuyển (1995), Bơm, máy nén, quạt công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
  2. Hà Cao Đàm, Nguyễn Hữu Bính, Trạm máy nén khí di động.

Kết luận

Giáo trình Hệ thống khí nén (PETD62139) cung cấp khối kiến thức kỹ thuật có hệ thống về máy thủy khí nén, từ nguyên lý nhiệt động lực học, chi tiết kết cấu cơ khí (piston, xi lanh, van hút/xả, trục khuỷu, hệ thống bôi trơn, làm mát, an toàn) đến các thiết bị phụ trợ xử lý khí nén và bình chứa.

Tiến trình học tập được thiết kế mạch lạc: tiếp cận tổng quan chức năng và sơ đồ trạm khí nén thực tế trên giàn khoan dầu khí (Bài 1), nghiên cứu sâu cấu tạo chi tiết và nguyên lý hoạt động của máy nén cùng hệ thống phụ trợ (Bài 2), và hoàn thiện kỹ năng thực hành vận hành, phát hiện sự cố, bảo dưỡng thiết bị (Bài 3). Để đạt chuẩn đầu ra theo quy định của nhà trường và Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, người học cần kết hợp nghiên cứu giáo trình với các tài liệu tham khảo chuyên ngành của Nguyễn Công Tuyển, Hà Cao Đàm - Nguyễn Hữu Bính và thực hiện đầy đủ thời lượng thực hành xưởng chuyên môn.