GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: HỆ THỐNG PHÁT LỰC (NGHÈ KHOAN KHAI THÁC DẦU KHÍ – TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun Hệ thống phát lực (Mã mô đun: PETD62138) được ban hành theo Quyết định số 211/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Bà Rịa – Vũng Tàu). Tài liệu do ThS. Phạm Thị Nụ làm Chủ biên cùng tác giả Phạm Hữu Tài biên soạn, phục vụ đào tạo hệ chính quy trình độ Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí theo chương trình khung của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội.

+-------------------------------------------------------------------------------+
| THÔNG TIN TỔNG HỢP MÔ ĐUN HỆ THỐNG PHÁT LỰC (PETD62138)                       |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| Cơ quan ban hành  : Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam)        |
| Quyết định        : Số 211/QĐ-CĐDK ngày 01/03/2022                           |
| Thời lượng đào tạo: 45 giờ (Lý thuyết: 14h | Thực hành: 29h | Kiểm tra: 2h)   |
| Số tín chỉ        : 02 tín chỉ                                                |
| Vị trí đào tạo    : Mô đun chuyên môn ngành (thuộc khối 51 tín chỉ chuyên ngành)|
+-------------------------------------------------------------------------------+

Trong chương trình đào tạo tổng thể gồm 87 tín chỉ (2040 giờ), mô đun PETD62138 chiếm thời lượng 2 tín chỉ (tổng cộng 45 giờ, bao gồm 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thí nghiệm/thảo luận và 2 giờ kiểm tra). Về mặt tiến trình đào tạo, mô đun được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các môn học cơ sở và chuyên môn gồm Địa chất dầu khí (PETD62032), Cơ sở khoan (PETD53033), Cơ sở khai thác (PETD53034) và Địa chất môi trường (PETD62035).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình được xác định cụ thể theo 3 chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức (A1): Trình bày được sơ đồ tổng thể, chức năng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong hệ thống phát lực; xây dựng được quy trình vận hành và quy trình bảo dưỡng kỹ thuật các tổ hợp dẫn động, truyền động.
  • Về kỹ năng (B1): Vận hành được các thiết bị thuộc hệ thống cung cấp năng lượng và hệ thống truyền lực trung gian; phát hiện và xử lý được các sự cố kỹ thuật thông thường trong quá trình vận hành giàn khoan.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành tác phong công nghiệp, tuân thủ kỷ luật lao động, các quy định nghiêm ngặt về an toàn phòng cháy chữa cháy và an toàn vận hành cơ - điện trên công trình khoan.

Cấu trúc giáo trình gồm 3 bài học lớn, tiếp cận theo trình tự logic từ mô tả chức năng tổng quan, phân tích sâu cấu tạo - nguyên lý từng thiết bị, đến thực hành quy trình vận hành, điều khiển thông số và xử lý sự cố. Điểm đặc thù của tài liệu là thiết kế chương trình với tỷ lệ thực hành chiếm 64,4% (29/45 giờ), gắn liền với việc huấn luyện trực tiếp tại phòng mô phỏng khoan và phòng mô phỏng lọc khai thác dầu khí.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                             HỆ THỐNG PHÁT LỰC (PETD62138)
  BÀI 1: TỔNG QUAN                BÀI 2: CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ        BÀI 3: VẬN HÀNH & SỰ CỐ
  (2 giờ: 2h LT)                  (12 giờ: 11h LT, 1h KT)           (31 giờ: 1h LT, 29h TH, 1h KT)

Các bài học và chủ đề chính

Nội dung chuyên môn của giáo trình được phân bổ chi tiết qua 3 bài học:

  • Bài 1: Tổng quan về hệ thống phát lực (2 giờ Lý thuyết): Thiết lập cơ sở lý thuyết về tổ hợp thiết bị chuyển đổi nhiệt năng hoặc điện năng thành cơ năng phục vụ công nghệ khoan. Nội dung phân tích sơ đồ cung cấp năng lượng qua hai phương pháp: truyền tải cơ năng (sử dụng trên thiết bị khoan cỡ nhỏ, ghép động cơ qua xích tải, đai truyền) và truyền tải điện năng (hệ thống Diesel – Điện xoay chiều/một chiều). Đồng thời, bài học phân loại 3 phương thức dẫn động tổ hợp thiết bị khoan: dẫn động chung (một động cơ kéo nhiều máy công tác), dẫn động riêng (mỗi máy công tác có một động cơ độc lập) và ghép nhiều động cơ chạy chung cho một cụm thiết bị công suất lớn.
  • Bài 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phát lực (12 giờ: 11 giờ Lý thuyết, 1 giờ Kiểm tra): Trình bày chi tiết cấu tạo cơ khí và nguyên lý làm việc của hai nhóm thiết bị chính:
    1. Hệ thống cung cấp năng lượng: Cấu tạo động cơ Diesel 4 kỳ (thân máy, nắp máy, piston, trục khuỷu, thanh truyền, xupap, vòi phun); động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha (stator, rotor lồng sóc/rotor dây quấn); máy phát điện Diesel đồng bộ (rotor cực ẩn, rotor cực lồi, cuộn dây Roebel); tổ hợp máy phát điện Turbine khí 3 trục (máy nén hạ áp/cao áp, buồng đốt, turbine lực).
    2. Hệ thống truyền lực trung gian: Cấu tạo và cơ chế làm việc của côn thủy lực chu kỳ hở/chu kỳ kín; côn thủy lực biến đổi mômen có bộ phận nắn dòng; côn ly hợp vấu cơ học; côn hơi dạng tang (buồng cao su giãn nở) và côn hơi dạng đĩa (đĩa ma sát ép bằng piston khí nén); hộp truyền động 3 cấp tốc độ của tời khoan liên kết bằng xích và khớp cam.
  • Bài 3: Vận hành hệ thống phát lực (31 giờ: 1 giờ Lý thuyết, 29 giờ Thực hành, 1 giờ Kiểm tra): Cung cấp quy trình thao tác khởi động, giám sát, dừng máy đối với động cơ Diesel, động cơ điện 3 pha và tổ hợp máy phát điện; phương pháp điều khiển tốc độ turbine khí, điều chỉnh ga động cơ diesel, đảo chiều quay động cơ điện; kỹ thuật chẩn đoán và xử lý các dạng hư hỏng tại hệ thống truyền động trung gian (trượt đai, đứt xích, mòn đĩa ma sát côn hơi, quá nhiệt buồng cao su).

Kiến thức nền tảng và các hệ thức tính toán

Giáo trình xây dựng nền tảng lý thuyết thông qua hệ thống định luật cơ học, nhiệt động lực học và kỹ thuật điện từ ứng dụng trong công tác khoan:

  1. Tính toán công suất động cơ nhiệt: Công suất có ích $N_e$ (kW) thu được trên trục khuỷu động cơ đốt trong được xác định dựa trên mômen xoắn và số vòng quay: $$N_e = \frac{M_e \cdot n}{9570}$$ (Trong đó: $M_e$ là mômen xoắn trục khuỷu tính bằng $\text{N}\cdot\text{m}$; $n$ là tần số quay của trục khuỷu tính bằng vòng/phút).
  2. Thông số động học các bộ truyền cơ khí:
    • Bộ truyền đai: Xác định tỷ số truyền $u = \frac{n_1}{n_2}$, vận tốc vòng $v_1, v_2$ $(\text{m/s})$, công suất truyền động $P_1, P_2$ $(\text{kW})$, lực căng ban đầu $F_0$ $(\text{N})$ và hiệu suất $\eta = \frac{P_2}{P_1}$.
    • Bộ truyền bánh răng: Phân loại biên dạng thân khai, răng thẳng, răng nghiêng (góc nghiêng $\beta$), răng chữ V, răng nón; tỷ số truyền $u = \frac{n_1}{n_2} = \frac{d_2}{d_1} = \frac{z_2}{z_1}$.
    • Bộ truyền xích: Tính toán thông số xích ống con lăn và xích răng; xác định đường kính vòng chia $d$, bước xích $p_x$, số dãy xích $X$ và điều kiện làm việc tải trọng lớn.
  3. Điện từ trường và máy điện xoay chiều:
    • Tốc độ từ trường quay stator động cơ không đồng bộ: $$n_1 = \frac{60 f_1}{p}$$ (Với $f_1$ là tần số lưới điện, $p$ là số cặp cực từ).
    • Hệ số trượt $s$ đặc trưng cho 3 chế độ làm việc của máy điện: $$s = \frac{n_1 - n}{n_1}$$ Khi $0 < s < 1$ ($n < n_1$): Chế độ động cơ điện; khi $s < 0$ ($n > n_1$): Chế độ máy phát điện; khi $s > 1$ ($n < 0$): Chế độ hãm điện từ.
    • Tần số dòng điện phát ra từ máy phát đồng bộ: $$f = \frac{p \cdot n}{60}$$

Kỹ năng chuyên môn phát triển

Thông qua các bài tập và giờ học thực hành, giáo trình rèn luyện cho người học các nhóm kỹ năng:

  • Kỹ năng kỹ thuật cơ điện: Đọc và phân tích bản vẽ sơ đồ động lực học giàn khoan; đo kiểm các thông số điện áp, dòng điện, tần số máy phát; kiểm tra độ căng dây đai, khe hở ăn khớp bánh răng, độ võng của xích tải và áp suất khí nén cấp cho côn ly hợp.
  • Kỹ năng phân tích và chẩn đoán: Xác định nguyên nhân dao động tải, tổn thất áp suất buồng đốt động cơ diesel, hiện tượng quá nhiệt tại vòng bi và côn thủy lực; phân tích trạng thái làm việc của hệ thống phân phối công suất cho tời khoan, bàn quay roto và bơm dung dịch khoan.
  • Kỹ năng vận hành thực tế: Thao tác khởi động máy phát điện Diesel và Turbine khí theo đúng quy trình tuần tự; đóng/cắt côn hơi và chuyển cấp tốc độ hộp số tời khoan an toàn trong các chu kỳ nâng - hạ bộ khoan cụ.

Phương pháp giảng dạy và học tập

                                MÔ HÌNH DẠY - HỌC TÍCH HỢP
      GIẢNG VIÊN (NGƯỜI DẠY)                                   HỌC VIÊN (NGƯỜI HỌC)
                              KIỂM TRA & ĐÁNH GIÁ (TT 09/2017/TT-BLĐTBXH)

Phương pháp sư phạm

Giáo trình quy định áp dụng phương pháp dạy học tích cực nhằm phát triển năng lực thực hành nghề nghiệp:

  • Đối với giảng viên: Thiết kế bài giảng theo bài/buổi dạy; kết hợp thuyết trình lý thuyết với nêu vấn đề kỹ thuật; hướng dẫn sinh viên khai thác tài liệu chuyên ngành; phân chia nhóm nhỏ để giao bài tập tình huống mô phỏng các trạng thái vận hành trên giàn khoan thực tế.
  • Đối với sinh viên: Áp dụng mô hình kết hợp tự học cá nhân và làm việc nhóm (mỗi nhóm từ 2 đến 3 người). Nhóm trưởng phân công thành viên nghiên cứu tài liệu trước khi lên lớp, thu thập dữ liệu kỹ thuật, thực hiện thảo luận chuyên đề và hoàn thiện báo cáo nhóm.

Điều kiện và trang thiết bị đào tạo

Mô đun yêu cầu hệ thống cơ sở vật chất chuyên dụng:

  • Phòng học lý thuyết: Trang bị máy tính, máy chiếu (projector), bảng viết và hệ thống học liệu giáo trình, giáo án.
  • Phòng học thực hành: Sử dụng trực tiếp thiết bị và phần mềm tại Phòng mô phỏng khoan dầu khí và Phòng mô phỏng lọc khai thác dầu khí thuộc Trường Cao đẳng Dầu khí để thực hiện 29 giờ thực hành.

Phương thức đánh giá kết quả học tập

Căn cứ Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, việc đánh giá mô đun PETD62138 thực hiện theo thang điểm 10 (làm tròn đến một chữ số thập phân) với cơ cấu trọng số:

Thành phần đánh giá Phương pháp kiểm tra Hình thức tổ chức Trọng số Chuẩn đầu ra đánh giá Thời điểm kiểm tra
Kiểm tra thường xuyên Vấn đáp / Viết Hỏi đáp / Trắc nghiệm / Tự luận Hệ số 1 (thuộc nhóm 40%) A1 Trước mỗi buổi học hoặc sau mỗi 2 giờ giảng
Kiểm tra định kỳ (2 bài) Viết / Đánh giá sản phẩm học tập Tự luận / Trắc nghiệm / Thao tác trên mô hình Hệ số 2 (thuộc nhóm 40%) A1, B1, C1 Sau 15 giờ lý thuyết / Sau 30 giờ thực hành
Thi kết thúc mô đun Viết / Đánh giá sản phẩm học tập Tự luận và trắc nghiệm / Thao tác trên mô hình 60% tổng điểm mô đun A1, B1, C1 Sau khi hoàn thành 45 giờ đào tạo

Yêu cầu chuyên cần: Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% tổng số giờ lý thuyết và 100% các buổi thực hành. Trường hợp vắng quá 30% lý thuyết hoặc vắng bất kỳ buổi thực hành nào (> 0%) đều không đủ điều kiện dự thi kết thúc mô đun và bắt buộc phải đăng ký học lại.

Điểm nổi bật và cập nhật kỹ thuật

Tài liệu thể hiện các nội dung cập nhật kỹ thuật phục vụ yêu cầu sản xuất trong ngành công nghiệp khai thác dầu khí:

                            TIẾN TRÌNH CẬP NHẬT TRUYỀN DẪN ĐỘNG NĂNG
  
  • Áp dụng trên thiết bị khoan nhỏ                     • Sử dụng trên các giàn khoan thăm dò & khai thác
  • Động cơ bố trí gần cụm tời                          • Động cơ phát điện đặt xa sàn khoan (giảm ồn, an toàn)
  • Kết nối bằng xích tải, đai bản lớn phức tạp         • Truyền tải công suất bằng hệ thống cáp điện linh hoạt
  • Khó khăn trong việc điều tốc độc lập                • Sử dụng biến tần điều khiển tốc độ bàn quay, bơm khoan
  • Giới hạn công suất truyền động                      • Tích hợp tổ hợp Turbine khí thu hồi nhiệt khí xả
  • Chuyển đổi phương thức truyền dẫn động năng: Giáo trình đối chiếu rõ sự khác biệt giữa hệ thống truyền động cơ năng cổ điển (ghép nối động cơ diesel bằng xích tải nặng nề, dây curoa bản lớn, đòi hỏi căn chỉnh phức tạp) với hệ thống truyền động Diesel – Điện hiện đại. Hệ thống điện cho phép đặt cụm máy phát điện công suất lớn ở khoảng cách xa sàn khoan, giảm thiểu ô nhiễm tiếng ồn, giảm nguy cơ cháy nổ tại khu vực miệng giếng và truyền tải năng lượng thông qua mạng cáp điện linh hoạt đến các động cơ kéo riêng biệt.
  • Tích hợp công nghệ máy phát điện Turbine khí: Tài liệu bổ sung cấu tạo chi tiết tổ hợp máy phát Turbine khí 3 trục (trục máy nén hạ áp, trục máy nén cao áp và trục turbine lực) đạt công suất phát điện từ vài MW đến hàng trăm MW. Giáo trình phân tích nguyên lý làm việc của buồng đốt gia nhiệt đẳng áp, cơ chế làm mát cánh turbine bằng không khí/khí hydro tuần hoàn kín và giải pháp tận dụng nhiệt khí xả nhiệt độ cao qua nồi hơi phụ để nâng cao hiệu suất nhiệt của toàn hệ thống.
  • Ứng dụng cơ cấu đóng ngắt khí nén chuyên dụng: Phân tích sâu nguyên lý của côn hơi dạng tang và côn đĩa ma sát ép bằng màng cao su. Đây là các cơ cấu truyền lực trung gian được sử dụng trên tời khoan, máy bơm dung dịch và máy nén khí, cho phép đóng mở nhanh, giảm va đập tải trọng và tự trượt bảo vệ an toàn khi xảy ra sự cố kẹt cần khoan hoặc quá tải thủy lực.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình PETD62138 được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống giáo dục nghề nghiệp và sản xuất công nghiệp:

                                   ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CHÍNH
  SINH VIÊN CAO ĐẲNG NGHỀ               GIẢNG VIÊN CHUYÊN NGÀNH             KỸ SƯ & KỸ THUẬT VIÊN
  Khoan khai thác dầu khí               Dầu khí & Cơ khí động lực           Vận hành trạm nguồn giàn khoan
  (Yêu cầu hoàn thành 9 môn tiên quyết) (Thiết kế giáo án, trạm thực hành)  (Tra cứu thông số & quy trình)
  1. Sinh viên trình độ Cao đẳng nghề: Đối tượng chính là học sinh, sinh viên theo học nghề Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở đào tạo nghề kỹ thuật dầu khí trên toàn quốc. Để tiếp thu được nội dung, người học bắt buộc phải tích lũy các kiến thức tiên quyết từ các môn học kỹ thuật cơ sở và chuyên môn trong chương trình khung:
    • Vẽ kỹ thuật (MECM52003)
    • Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012)
    • Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111)
    • Hóa đại cương (PETR63001)
    • Địa chất cơ sở (PETD53031)
    • Địa chất dầu khí (PETD62032)
    • Cơ sở khoan (PETD53033)
    • Cơ sở khai thác (PETD53034)
    • Địa chất môi trường (PETD62035)
  2. Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn hóa, căn cứ xây dựng đề cương chi tiết, giáo án lý thuyết, phiếu hướng dẫn thực hành và ngân hàng câu hỏi kiểm tra đánh giá theo chuẩn đầu ra của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội.
  3. Kỹ thuật viên và công nhân vận hành: Sử dụng làm tài liệu tham khảo tại các đơn vị khoan, xí nghiệp khai thác dầu khí nhằm tra cứu thông số kỹ thuật, nắm vững quy trình khởi động, điều khiển động cơ Diesel, máy phát điện và các bước xử lý hư hỏng cơ cấu truyền lực trên giàn khoan.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho sinh viên hệ Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí. Đồng thời, giáo trình là tài liệu tham khảo chuyên môn cho giảng viên giảng dạy ngành Dầu khí, kỹ sư cơ điện giàn khoan và công nhân kỹ thuật làm việc tại các trạm nguồn động lực trên công trình biển hoặc đất liền.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần hoàn thành khối kiến thức kỹ thuật cơ sở và chuyên môn cơ bản gồm: Vẽ kỹ thuật (MECM52003), Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012), Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111), Cơ sở khoan (PETD53033) và Cơ sở khai thác (PETD53034).

3. Điểm khác biệt với giáo trình cơ khí thông thường?

Giáo trình không đi sâu vào cơ học máy đại cương mà tập trung trực tiếp vào các giải pháp phát lực công suất lớn phục vụ công nghệ khoan dầu khí. Các nội dung chuyên biệt bao gồm: phương pháp ghép nối nhiều động cơ diesel để hòa chung công suất, nguyên lý điều khiển ly hợp khí nén (côn hơi), hộp truyền động tời khoan 3 cấp tốc độ và tổ hợp phát điện Turbine khí chu trình kín.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học cần nghiên cứu trước tài liệu theo đề cương của giảng viên; lập nhóm học tập từ 2 đến 3 thành viên để phân công chuẩn bị bài thảo luận; kết hợp chặt chẽ việc ghi chép thông số lý thuyết với việc thực hành thao tác trên các panel điều khiển tại phòng mô phỏng khoan và khai thác; bảo đảm tham gia đủ 100% số giờ thực hành.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Giáo trình được xây dựng dựa trên danh mục tài liệu tham khảo chính thống:

  • [1] Thiết bị khoan, Trường Cao đẳng nghề Dầu khí.
  • [2] Thiết bị khoan thăm dò, Trường Đại học Mỏ – Địa chất Hà Nội.
  • [3] Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh (1999), Kỹ thuật điện, Nhà xuất bản Giáo dục.

Kết luận

Giáo trình mô đun Hệ thống phát lực (PETD62138) do Trường Cao đẳng Dầu khí ban hành cung cấp toàn diện khối kiến thức từ lý thuyết cấu tạo động cơ nhiệt, máy điện đến kỹ năng thực hành vận hành các cơ cấu truyền lực phức tạp trong ngành khoan dầu khí.

                                   LỘ TRÌNH ĐÀO TẠO TIẾP DIỄN
  
  [ HỆ THỐNG PHÁT LỰC (PETD62138) ]
                     [ THỰC TẬP TẬP SẢN XUẤT & KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ]

Sau khi hoàn thành mô đun này, sinh viên được trang bị nền tảng động lực học vững chắc để tiếp tục học tập các mô đun công nghệ chuyên sâu tiếp theo trong chương trình đào tạo: Hệ thống khí nén (PETD62139), Hệ thống nâng hạ (PETD54140), Hệ thống tuần hoàn dung dịch (PETD54141), Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (PETD55142), chuẩn bị cho giai đoạn Thực tập sản xuất (PETD54246) và Khóa luận tốt nghiệp (PETD63247).