Giáo trình mô đun: Hệ thống phát lực (Nghề: 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: KKT19MĐ38) là tài liệu giảng dạy chuyên môn thuộc chương trình đào tạo nghề Khoan khai thác dầu khí ở trình độ Cao đẳng, được ban hành chính thức theo Quyết định số 193/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (PVMTC), trực thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam. Giáo trình do Kỹ sư Bùi Đức Sơn đảm nhiệm vai trò chủ biên, được biên soạn căn cứ theo khung chương trình đào tạo nghề của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo gồm 87 tín chỉ (2040 giờ), mô đun này có thời lượng 2 tín chỉ, tương đương 45 giờ học tập (bao gồm 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận và 2 giờ kiểm tra). Về mặt vị trí tiến trình, mô đun được bố trí trong khối các môn học, mô đun chuyên môn ngành nghề (51 tín chỉ), giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các học phần nền tảng gồm: Địa chất dầu khí (KKT19MH32), Cơ sở khoan (KKT19MH33), Cơ sở khai thác (KKT19MH34) và Địa chất môi trường (KKT19MH35).

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

  • Về kiến thức (A1): Trình bày đầy đủ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong hệ thống phát lực; xây dựng được quy trình vận hành hệ thống phát lực trên thiết bị khoan.
  • Về kỹ năng (B1): Vận hành được các tổ hợp thiết bị thuộc hệ thống phát lực đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và công nghệ khoan.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành tác phong làm việc khoa học, tuân thủ ý thức tổ chức kỷ luật, cẩn trọng, kiên nhẫn và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình vận hành hệ thống máy móc.

Cấu trúc giáo trình được xây dựng theo logic chuyển tiếp từ tổng quan hệ thống, phân tích chi tiết cấu tạo - nguyên lý vận hành của từng phân hệ thiết bị, đến thực hành quy trình vận hành và xử lý sự cố công nghiệp. Điểm đặc thù của tài liệu là sự tích hợp trực tiếp giữa lý thuyết cơ sở truyền động và các hệ thống phát lực chuyên dụng trong ngành khoan dầu khí, phục vụ trực tiếp cho quá trình học tập tại các phòng mô phỏng công nghệ.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân bố thành 3 bài học với cấu trúc tiến trình từ lý thuyết đại cương đến công nghệ chuyên sâu và kỹ năng thực hành:

  1. Bài 1: Tổng quan về hệ thống phát lực (Thời lượng: 2 giờ lý thuyết)

    • Khái niệm và yêu cầu kỹ thuật: Định nghĩa hệ thống phát lực là tổ hợp thiết bị dùng để biến đổi điện năng hoặc nhiệt năng thành cơ năng phục vụ công nghệ khoan; phân tích 4 yêu cầu kỹ thuật: đảm bảo công suất công tác, độ tin cậy và tính kinh tế, trọng lượng riêng nhỏ, cấu trúc vận hành thuận tiện.
    • Phân loại hệ thống truyền dẫn: Giới thiệu hai phương thức cung cấp năng lượng gồm truyền tải cơ năng (thường dùng cho thiết bị khoan cỡ nhỏ, ghép chuỗi xích phối hợp) và truyền tải điện năng (hệ thống Diesel - Điện xoay chiều/một chiều bố trí nguồn động lực cách ly sàn khoan).
    • Các phương pháp dẫn động cơ khí và tổ hợp khoan: Khảo sát các bộ truyền cơ bản (bộ truyền đai: đai dẹt, đai thang, đai tròn, đai lược, đai răng; bộ truyền bánh răng: trụ răng thẳng, trụ răng nghiêng, răng chữ V, bánh răng nón; bộ truyền xích: xích ống con lăn, xích ống, xích răng; bộ truyền trục vít - bánh vít; bộ truyền vít - đai ốc). Phân tích 3 giải pháp dẫn động tổ hợp thiết bị khoan: dẫn động chung, dẫn động riêng và ghép nhiều động cơ chạy chung cho máy công tác tải trọng lớn.

  2. Bài 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phát lực (Thời lượng: 12 giờ gồm 11 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra)

    • Hệ thống cung cấp năng lượng:
      • Động cơ Diesel: Cấu tạo chi tiết (xylanh, piston, xupáp nạp/xả, vòi phun, trục khuỷu, thanh truyền, cácte, thân máy và sơmi xylanh); nguyên lý làm việc chu trình 4 kỳ (nạp, nén, sinh công/giãn nở, xả); động cơ nhiều xylanh (bố trí thẳng hàng hoặc chữ V); công thức tính công suất có ích: $$N_e = \frac{M_e \cdot n}{9570} \quad (\text{kW})$$
      • Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha: Cấu tạo Stator (vỏ máy, lõi thép lá kỹ thuật điện 0,5 mm, dây quấn phần ứng), Rotor (kiểu dây quấn và kiểu lồng sóc); tốc độ từ trường quay $n_1 = \frac{60 f_1}{p}$; hệ số trượt: $$s = \frac{n_1 - n}{n_1}$$ Phân tích 3 chế độ làm việc: chế độ động cơ ($0 < s < 1$), chế độ máy phát ($s < 0$), chế độ hãm điện từ ($s > 1$).
      • Máy phát điện Diesel: Phân loại Rotor cực ẩn (tốc độ cao 3000 vòng/phút, đường kính $D \le 1,1 - 1,15\text{ m}$, chiều dài đến 6,5 m) và Rotor cực lồi; cấu tạo cuộn dây Stator tạo điện áp ra 0,4 kV đến 14,4 kV; tần số dòng điện $f = \frac{p \cdot n}{60}$.
      • Máy phát điện Turbine khí (Gas Turbine Generator): Tổ hợp máy nén khí đồng trục, buồng đốt gia nhiệt đẳng áp và turbine giãn nở sinh công; khảo sát mẫu turbine khí 3 trục (trục hạ áp, trục cao áp, trục turbine lực); cấu tạo cuộn dây stator quấn bện kiểu Roebel; hệ thống thu hồi nhiệt khí xả.
    • Hệ thống truyền lực trung gian:
      • Côn thủy lực (côn turbine chu kỳ hở và chu kỳ kín);
      • Côn thủy lực biến đổi mômen có bộ phận nắn dòng điều chỉnh tốc độ và mômen tải;
      • Côn ly hợp: côn vấu cơ học, khớp răng, côn hơi dạng tang (buồng cao su gắn má ma sát) và côn hơi dạng đĩa (côn đĩa đơn, côn đĩa kép);
      • Hộp truyền động (hộp số tời khoan 3 cấp tỷ số truyền thông qua cặp bánh răng gắn xích và khớp cam/vấu);
      • Hệ thống truyền động điện biến đổi và điều khiển dòng năng lượng điện - cơ.

  3. Bài 3: Vận hành hệ thống phát lực (Thời lượng: 31 giờ gồm 1 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành, 1 giờ kiểm tra)

    • Kỹ thuật vận hành động cơ Diesel, động cơ điện xoay chiều 3 pha và tổ hợp máy phát điện.
    • Phương pháp điều khiển thay đổi tốc độ turbine khí, động cơ diesel, chiều quay động cơ điện và các cơ cấu truyền động.
    • Quy trình chẩn đoán, phát hiện và xử lý sự cố kỹ thuật xảy ra trên động cơ sơ cấp, máy phát điện và hệ thống truyền lực trung gian.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết kỹ thuật cơ sở bao gồm:

  • Lý thuyết nhiệt động học và máy nhiệt: Nguyên lý chu trình công tác của động cơ đốt trong 4 kỳ, quá trình gia nhiệt đẳng áp trong buồng đốt turbine khí, cơ chế giãn nở sinh công biến đổi nhiệt năng thành cơ năng.
  • Nguyên lý máy điện và cảm ứng điện từ: Hiện tượng cảm ứng điện từ trong máy điện quay, cơ chế tạo từ trường quay stator, đặc tính dòng điện xoáy, cấu trúc quấn dây Roebel triệt tiêu dòng điện quẩn, cùng mối quan hệ giữa tốc độ đồng bộ, hệ số trượt và mômen quay.
  • Nguyên lý truyền động cơ khí: Cơ chế truyền công suất bằng lực ma sát (bộ truyền đai) và bằng khớp ăn khớp (bộ truyền xích, bộ truyền bánh răng), phương pháp xác định tỷ số truyền $u = \frac{n_1}{n_2}$, hiệu suất $\eta = \frac{P_2}{P_1}$, mômen xoắn $T$ và ứng suất làm việc của chi tiết máy.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Nhận diện chính xác sơ đồ cấu tạo, thông số kỹ thuật của động cơ Diesel, turbine khí, máy phát điện, côn thủy lực, côn hơi khí nén và hộp số tời khoan; thao tác đấu nối mạch lực và mạch điều khiển cơ bản.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích và lựa chọn phương thức dẫn động (dẫn động chung, dẫn động riêng, ghép động cơ) phù hợp với chế độ tải của các thiết bị công nghệ khoan (tời khoan, bàn quay Rôto, bơm dung dịch khoan); đánh giá hiện tượng trượt, rung lắc và dao động tải trọng trên hệ thống truyền lực.
  • Năng lực thực hành chuyên môn (Practical competencies): Vận hành tổ hợp thiết bị phát lực đúng quy trình công nghệ; thực hiện thao tác đóng ngắt côn hơi, cài tỷ số truyền trên hộp số tời; phát hiện kịp thời các hiện tượng bất thường (quá nhiệt, sụt áp, mất pha, rung giật truyền động) và thực hiện các bước xử lý sự cố theo tiêu chuẩn an toàn công nghiệp dầu khí.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach)

Giáo trình áp dụng phương pháp dạy học tích cực, chuyển trọng tâm từ truyền thụ thụ động sang hướng dẫn người học tự nghiên cứu và giải quyết vấn đề kỹ thuật:

  • Giảng dạy lý thuyết (14 giờ): Kết hợp thuyết trình kỹ thuật, nêu vấn đề thực tế, trình chiếu mô hình 2D/3D thông qua thiết bị máy tính, máy chiếu (Projector) và hướng dẫn tra cứu tài liệu chuyên ngành.
  • Tổ chức thảo luận nhóm: Chia lớp thành các nhóm nhỏ từ 2 đến 3 người học. Trưởng nhóm phân công thành viên phụ trách từng nội dung thành phần thuộc chủ đề kỹ thuật được giao, tổng hợp tài liệu, thảo luận và hoàn thiện báo cáo chung trước khi lên lớp.

Thực hành và bài tập chuyên môn (Practical exercises)

Thời lượng thực hành chiếm ưu thế trong mô đun với 29/45 giờ (chiếm 64,4% tổng thời lượng):

  • Các bài tập thực hành được thiết kế tập trung vào quy trình khởi động, điều chỉnh thông số tải và quy trình dừng máy an toàn đối với động cơ Diesel, động cơ điện và máy phát điện.
  • Người học thực hành thao tác trên các mô hình thiết bị chuyên dụng tại Phòng mô phỏng khoan dầu khí, Phòng mô phỏng khai thác dầu khí và Phòng mô phỏng Lọc hóa dầu thuộc Trường Cao đẳng Dầu khí.
  • Xử lý các bài tập tình huống mô phỏng sự cố thực tế: mất cân bằng pha máy phát, tụt áp buồng khí côn hơi, kẹt khớp vấu hộp truyền động tời khoan.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá (Assessment methods)

Quy trình đánh giá kết quả học tập tuân thủ Quy chế đào tạo Cao đẳng chính quy ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, với cơ cấu điểm số như sau:

Thành phần đánh giá Hình thức & Nội dung Chuẩn đầu ra Thời điểm kiểm tra Trọng số
Kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) Vấn đáp, kiểm tra viết ngắn, câu hỏi trắc nghiệm hoặc tự luận A1 Trước mỗi buổi học hoặc sau mỗi 2 giờ giảng dạy 40% (Tổng hợp cùng điểm định kỳ)
Kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) 02 bài kiểm tra: Bài 1 (Tự luận/trắc nghiệm lý thuyết); Bài 2 (Thao tác thực hành trên mô hình mô phỏng) A1, B1, C1 Sau 15 giờ lý thuyết và sau 30 giờ thực hành
Thi kết thúc mô đun Kết hợp tự luận/trắc nghiệm lý thuyết và bài thi thực hành trên mô hình A1, B1, C1 Sau khi kết thúc 45 giờ học tập 60%

Quy tắc tính điểm: Đánh giá theo thang điểm 10 (từ 0 đến 10), làm tròn đến một chữ số thập phân. Điểm mô đun là tổng điểm của tất cả điểm đánh giá thành phần nhân với trọng số tương ứng.

Yêu cầu tự học (Self-study guidelines)

  • Người học phải chủ động nghiên cứu giáo trình, giáo án và tài liệu tham khảo được cung cấp qua thư viện hoặc cổng thông tin trước khi tham gia buổi học.
  • Quy định chuyên cần: Người học bắt buộc phải tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết và 100% số tiết thực hành. Trường hợp vắng quá 30% lý thuyết hoặc vắng bất kỳ buổi thực hành nào (>0%), người học không đủ điều kiện dự thi và phải đăng ký học lại mô đun.

Điểm nổi bật và cập nhật kỹ thuật

  • Phân tích kỹ thuật các tổ hợp nguồn lực hiện đại: Giáo trình cập nhật và đối chiếu chi tiết giữa phương pháp truyền tải cơ năng cổ điển và hệ thống truyền tải điện năng (Diesel - Electric, Gas Turbine - Electric) được ứng dụng trên các giàn khoan hiện đại.
  • Mô tả chuyên sâu cấu tạo máy phát Turbine khí: Tài liệu cung cấp bản vẽ và thuyết minh kỹ thuật về tổ hợp turbine khí đa trục (trục cao áp, trục hạ áp và trục turbine lực riêng biệt), kết cấu thanh dẫn Stator bện kiểu Roebel cân bằng phân bố dòng và hệ thống trao đổi nhiệt khí thải nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt động.
  • Tập trung vào các cụm chi tiết chuyên ngành khoan: Giáo trình không chỉ dừng lại ở các cơ cấu truyền động thông dụng mà đi sâu vào các cơ cấu chuyên dụng trên thiết bị khoan dầu khí: côn thủy lực biến đổi mômen có bộ phận nắn dòng, côn ly hợp khí nén dạng tang và dạng đĩa (đĩa đơn, đĩa kép) dùng đóng ngắt máy bơm bùn, máy nén khí và tời khoan.
  • Gắn kết với tiêu chuẩn sản xuất ngành Dầu khí: Các kiến thức lý thuyết về công suất, tổn thất cơ học, điều chỉnh tần số và điện áp được xây dựng bám sát thực tế vận hành giàn khoan của Tập đoàn Dầu khí Việt Nam.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  1. Sinh viên chuyên ngành:

    • Dành cho sinh viên trình độ Cao đẳng hệ chính quy nghề Khoan khai thác dầu khí (học kỳ chuyên ngành, tương đương năm đào tạo thứ hai hoặc thứ ba).
    • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Sinh viên cần hoàn thành các môn học kỹ thuật cơ sở và chuyên môn gồm Vẽ kỹ thuật (CK19MH01), Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11), Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ12), Địa chất cơ sở (KKT19MH31), Địa chất dầu khí (KKT19MH32), Cơ sở khoan (KKT19MH33) và Cơ sở khai thác (KKT19MH34).

  2. Giảng viên và cán bộ đào tạo:

    • Sử dụng làm khung tài liệu giảng dạy chuẩn để biên soạn giáo án lý thuyết, phiếu hướng dẫn thực hành và ngân hàng câu hỏi kiểm tra đánh giá theo chuẩn năng lực của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội.
    • Căn cứ xây dựng các kịch bản diễn tập vận hành và xử lý sự cố trên phòng mô phỏng khoan - khai thác.

  3. Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật:

    • Tài liệu tham khảo hữu ích cho công nhân kỹ thuật, thợ vận hành động lực, kỹ thuật viên bảo dưỡng thiết bị giàn khoan tìm hiểu cấu tạo và quy trình vận hành hệ thống phát lực dầu khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được thiết kế phục vụ cho đối tượng nào?

Giáo trình phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên theo học trình độ Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở đào tạo nghề dầu khí; đồng thời là tài liệu tham khảo chuyên môn cho giảng viên và kỹ thuật viên vận hành thiết bị cơ điện trên giàn khoan.

2. Người học cần đáp ứng điều kiện tiên quyết nào trước khi học mô đun này?

Người học cần tích lũy các kiến thức kỹ thuật cơ sở về điện kỹ thuật (KTĐ19MH11), điều khiển quá trình (TĐH19MĐ12), địa chất dầu khí (KKT19MH32), cơ sở khoan (KKT19MH33) và cơ sở khai thác (KKT19MH34) để có thể tiếp thu các khái niệm về truyền tải năng lượng và phụ tải thiết bị công nghệ.

3. Điểm đặc thù của hệ thống truyền lực trong giáo trình này là gì?

Khác với các tài liệu cơ học truyền động chung, giáo trình tập trung vào các hệ thống truyền động công suất lớn đặc thù của ngành khoan dầu khí, bao gồm: hệ thống dẫn động phối hợp nhiều động cơ Diesel, tổ hợp phát điện Turbine khí, các loại côn ly hợp khí nén (côn hơi dạng tang, côn đĩa) và hộp số tời khoan 3 cấp tốc độ.

4. Người học cần đáp ứng yêu cầu đánh giá nào để hoàn thành mô đun?

Người học phải tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết, 100% số tiết thực hành; hoàn thành bài kiểm tra thường xuyên và 2 bài kiểm tra định kỳ (chiếm trọng số 40%); đạt yêu cầu trong kỳ thi kết thúc mô đun kết hợp lý thuyết và thực hành trên mô hình mô phỏng (chiếm trọng số 60%).

5. Giáo trình sử dụng các nguồn tài liệu tham khảo chính nào?

Nội dung giáo trình được biên soạn dựa trên các tài liệu chuyên ngành:

  • [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, Kỹ thuật điện, NXB Giáo dục, 1999.

Kết luận

Giáo trình mô đun "Hệ thống phát lực" (KKT19MĐ38) do Trường Cao đẳng Dầu khí ban hành là tài liệu học thuật được chuẩn hóa, cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện từ cấu tạo, nguyên lý hoạt động đến quy trình vận hành thực tế các trang thiết bị động lực và truyền động trong công tác khoan khai thác dầu khí.

Lộ trình học tập của mô đun được thiết kế khoa học với tỷ trọng thực hành cao (64,4%), gắn liền giữa lý thuyết kỹ thuật máy nhiệt - máy điện với hoạt động thực hành trên các phòng mô phỏng công nghệ khoan. Để đạt hiệu quả học tập cao nhất, người học cần kết hợp nghiên cứu nội dung giáo trình với việc tra cứu các tài liệu tham khảo chuyên ngành về thiết bị khoan, kỹ thuật điện và tuân thủ nghiêm ngặt các quy định an toàn công nghiệp trong suốt quá trình đào tạo.