Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (Mã mô đun: PETR53111) là tài liệu đào tạo chuyên môn bắt buộc thuộc chương trình đào tạo nghề Vận hành thiết bị chế biến Dầu khí ở trình độ Cao đẳng. Tài liệu được ban hành theo Quyết định số 209/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam), do tập thể giảng viên biên soạn gồm ThS. Phạm Thị Hải Yến (Chủ biên), ThS. Hồ Quang Phổ, Chu Thị Ngọc Anh, Nguyễn Huỳnh Đông và Phạm Công Quang.

Trong sơ đồ phân bổ chương trình đào tạo toàn khóa (93 tín chỉ, 2290 giờ), mô đun PETR53111 có thời lượng 3 tín chỉ (75 giờ đào tạo, gồm 21 giờ lý thuyết, 50 giờ thực hành/thảo luận và 4 giờ kiểm tra). Môn học được bố trí giảng dạy trong nhóm chuyên môn ngành nghề (II.2), xếp sau các mô đun kỹ thuật cơ sở và chuyên môn tiền đề như Nhiệt kỹ thuật (PETR52002), Điện kỹ thuật (ELEI53011), Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111), Vận hành máy thủy khí I (PETR56107), Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa (PETR56109); đồng thời cung cấp khối kiến thức - kỹ năng tiên quyết cho các mô đun vận hành chuyên sâu phía sau như Vận hành thiết bị tách dầu khí (PETR62110), Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (PETR56115), Vận hành phân xưởng chế biến dầu I & II (PETR56116, PETR64117) và Vận hành các phân xưởng chế biến khí (PETR56118).

Chuẩn đầu ra (Learning Outcomes) của giáo trình được xác định rõ qua 3 nhóm tiêu chuẩn:

  • Chuẩn kiến thức (A1 - A4): Trình bày chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc và quy trình vận hành của tháp làm nguội (A1); phân tích các hình thức truyền nhiệt, phương thức bố trí dòng chảy và kết cấu cơ khí của thiết bị trao đổi nhiệt (A2); trình bày cấu tạo, nguyên lý cháy, chức năng các cụm chi tiết trong lò gia nhiệt công nghiệp (A3); liệt kê và giải thích các thông số công nghệ vận hành chuẩn của 3 nhóm thiết bị trên (A4).
  • Chuẩn kỹ năng (B1): Thực hiện thành thạo quy trình khởi động, kiểm soát vận hành, xử lý biến động công nghệ và dừng an toàn hệ thống tháp làm nguội, thiết bị trao đổi nhiệt và lò gia nhiệt trực tiếp trên mô hình mô phỏng DCS hoặc cụm thiết bị thực tế.
  • Chuẩn năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1 - C3): Tuân thủ tuyệt đối quy định an toàn lao động, phòng cháy chữa cháy (PCCC) trong môi trường dầu khí (C1); chấp hành nghiêm ngặt quy trình kỹ thuật cơ khí - điều khiển tự động (C2); chịu trách nhiệm cá nhân và phối hợp nhóm trong bảo vệ thiết bị, ngăn ngừa sự cố vận hành (C3).

Giáo trình tiếp cận theo phương pháp mô-đun hóa tích hợp (competency-based training), kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết nhiệt - thủy lực với quy trình thao tác chuẩn (SOP) và xử lý sự cố thực tế tại các nhà máy chế biến dầu khí.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Cấu trúc giáo trình PETR53111 được phân bổ thành 3 bài học lớn tương ứng với 3 cụm thiết bị nhiệt trọng yếu trong nhà máy lọc hóa dầu:

Bài 1: Tháp làm nguội (15 giờ: 6 LT, 8 TH, 1 KT)

Cung cấp kiến thức toàn diện về nguyên lý tản nhiệt bốc hơi của nước nóng tuần hoàn.

  • Key concepts: Phân loại tháp đối lưu tự nhiên (kiểu ống khói Hyperbolic cao trên 150m) và đối lưu cơ khí (tháp cưỡng bức Forced draft với quạt ly tâm, tháp cảm ứng Induced draft với quạt hướng trục); cấu hình dòng chảy ngược chiều (Counter-flow) và chéo dòng (Crossflow); các thông số nhiệt động học chuyên môn: lưu lượng ACFM, nhiệt độ bầu khô (Dry-Bulb - DB), nhiệt độ bầu ướt (Ambient Wet-Bulb - AWB, Entering Wet-Bulb), Approach (độ chênh lệch giữa nhiệt độ nước làm mát đầu ra và nhiệt độ bầu ướt của không khí vào), Cooling range (độ chênh lệch giữa nhiệt độ nước nóng vào và nước nguội ra khỏi tháp); các định mức thất thoát: bốc hơi (Evaporation Loss), cuốn theo dòng khí (Drift: 3–5%), lượng nước xả đáy (Blowdown/Bleed-Off) và lượng nước cấp bổ sung (Make-Up).
  • Cấu trúc thiết bị: Bể chứa nước làm mát (Basin đáy bê tông sâu ~0,5m), thân vỏ tháp (Casing bằng composite, bê tông, thép mạ kẽm), khối đệm tiếp xúc (Fill dạng thanh gỗ/kim loại hoặc dạng tấm PVC màng mỏng), bộ tách sương (Drift Eliminator nhựa PVC loại 3 pass hoặc gỗ), quạt làm mát chế tạo bằng composite sợi carbon và hệ thống phân phối nước qua các đầu vòi phun (Nozzle/Riser).

Bài 2: Thiết bị trao đổi nhiệt (30 giờ: 11 LT, 18 TH, 1 KT)

Phân tích nguyên lý truyền nhiệt công nghệ và cấu tạo cơ khí chi tiết của các thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp.

  • Key concepts: 3 hình thức truyền nhiệt (Dẫn nhiệt, Đối lưu, Bức xạ); cấu hình bố trí dòng chảy cùng chiều (Co-current) và ngược chiều (Countercurrent); công thức cân bằng nhiệt lượng:

$$Q = G_1 C_{p1} \Delta t_1 = G_2 C_{p2} \Delta t_2$$

với $G_1, G_2$ là lưu lượng khối lượng (kg/s), $C_{p1}, C_{p2}$ là nhiệt dung riêng (kJ/kg.°C), $\Delta t$ là độ biến thiên nhiệt độ; chế độ dòng chảy thông qua chuẩn số Reynolds ($Re = \frac{v \cdot d}{\nu}$).

  • Phân loại kết cấu: Thiết bị trao đổi nhiệt vỏ và ống (Shell and Tube Heat Exchangers) theo tiêu chuẩn TEMA gồm: loại mặt sàng cố định (Fixed tube sheet), loại đầu di động (Packed floating head, Internal floating head, Outside packed floating head, Pull-through floating head), loại ống uốn chữ U (U-tube); thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate heat exchanger); thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống; thiết bị đun sôi lại đáy tháp chưng cất (Reboiler dạng Kettle nằm ngang, Reboiler kiểu Thermosyphon); thiết bị làm mát bằng không khí (Air cooler loại cảm ứng Induced draft và cưỡng bức Forced draft) cùng các loại thiết bị ngưng tụ hơi (Condensers).
  • Quy trình tháo lắp & bảo dưỡng: Trình tự kiểm tra, thay thế gioăng đệm, rút chùm ống, vệ sinh cặn bám bằng vòi nước áp lực cao và thử áp lực thủy tĩnh theo bảng quy trình công nghệ chuẩn.

Bài 3: Lò gia nhiệt (30 giờ: 4 LT, 24 TH, 2 KT)

Tập trung vào cơ sở nhiệt luyện dòng công nghệ qua quá trình đốt nhiên liệu hydrocacbon trong công nghiệp lọc - hóa dầu.

  • Key concepts: Phản ứng hóa học của quá trình cháy, điều kiện tam giác cháy (nhiên liệu, oxy, nguồn nhiệt), giới hạn nổ/cháy, nhiệt trị phản ứng cháy của nhiên liệu khí và lỏng; các phân vùng lò (buồng bức xạ - Radiant section, buồng đối lưu - Convection section, buồng gom khói và ống khói - Stack).
  • Hệ thống phụ trợ & điều khiển: Hệ thống cấp không khí tự nhiên và cưỡng bức; cụm thiết bị sấy sơ bộ không khí (Air preheater kiểu bánh xe Rotor quay, ống trao đổi nhiệt hoặc dùng hơi nước Steam air heater); kết cấu vòi đốt (Burner khí thô Raw gas, vòi đốt hòa trộn trước Premix burner, vòi đốt dầu và vòi đốt kết hợp Combined oil & gas burner); hộp đầu ống (Header box) và ống nối dạng cong; cơ chế điều khiển áp suất âm buồng lò (Draft pressure), quan hệ tỷ lệ giữa phần trăm oxy dư trong khói lò và hệ số không khí dư, điều khiển lưu lượng nguyên liệu theo tỷ lệ (Ratio control) và kiểm soát nhiệt độ dòng sản phẩm đầu ra (COT - Coil Outlet Temperature).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết kỹ thuật dựa trên các nguyên lý cốt lõi:

  1. Nhiệt động học và Truyền nhiệt - Truyền khối: Mô tả cơ chế truyền nhiệt qua vách kim loại, trao đổi nhiệt đối lưu giữa chất lỏng - bề mặt ống và truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa vòi đốt; cơ chế truyền khối qua màng bốc hơi tại bề mặt tiếp xúc nước - không khí bên trong tháp làm nguội.
  2. Cơ học chất lưu ứng dụng: Động học của dòng môi chất đi trong ống (Tube side) và ngoài vỏ (Shell side); tổn thất áp suất qua vách ngăn (Baffles) và qua lớp đệm tháp (Fill); hiện tượng phân lớp dòng chảy và lưu biến nhớt.
  3. Hóa học quá trình cháy và Kiểm soát hóa lý: Phản ứng oxy hóa hoàn toàn và không hoàn toàn của hydrocacbon; động học tạo cáu cặn canxi cacbonat ($\text{CaCO}_3$) khi nồng độ muối vượt ngưỡng $15\text{ ppm}$; phản ứng trung hòa bằng axit sulfuric ($\text{H}_2\text{SO}_4$) sinh muối sunfat (giới hạn dưới $1200\text{ ppm}$) và tác động ăn mòn điện hóa do ion clorua ($\text{Cl}^-$), khí $\text{H}_2\text{S}$, $\text{CO}_2$.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật cơ khí & thao tác công nghệ: Lắp ráp, căn chỉnh mặt bích, siết bu lông nắp đậy thiết bị trao đổi nhiệt đầu cố định và đầu trôi; thao tác van bypass điều tiết dòng tuần hoàn; súc rửa cặn bám ống chùm bằng phương pháp cơ học và bắn xịt thủy lực áp lực cao.
  • Kỹ năng phân tích, đo lường & chẩn đoán: Đọc - phân tích thông số nhiệt độ bầu khô, bầu ướt bằng ẩm kế chuyên dụng; tính toán tổn thất nhiệt và hiệu suất làm mát; phân tích hàm lượng khí oxy dư trong khói lò bằng biểu đồ quan hệ oxy - không khí thừa; phát hiện hiện tượng sụt áp âm buồng lò bất thường hoặc hiện tượng hồi lưu khí nóng (Recirculation) tại tháp làm mát.
  • Kỹ năng xử lý sự cố vận hành (Troubleshooting): Xử lý nước cấp vào tháp làm nguội có nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn ($>75^\circ\text{C}$); ngăn ngừa tạo bọt và bẫy hydrocarbon lọt vào nước tuần hoàn; ứng phó tình huống tắc nghẽn pass ống, rò rỉ lưu chất giữa thân và vỏ thiết bị nhiệt, sự cố tắt lửa vòi đốt (Flameout) hoặc quá nhiệt cục bộ tại các ống bức xạ trong lò gia nhiệt.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình PETR53111 áp dụng mô hình giảng dạy tích hợp (Lý thuyết kết hợp Thực hành tại xưởng và phòng mô phỏng công nghệ), lấy người học làm trung tâm:

  • Phương pháp giảng dạy: Giảng viên áp dụng kỹ thuật dạy học nêu vấn đề (Problem-based learning), sử dụng hệ thống trình chiếu máy tính kết hợp mô hình cắt bổ thiết bị cơ khí và phần mềm mô phỏng DCS. Sinh viên được chia nhóm nhỏ (2–3 người/nhóm) để thực hiện các bài tập phân tích tình huống kỹ thuật (Case studies), báo cáo chuyên đề và phân công vai trò vận hành tại phòng mô hình.
  • Hệ thống bài tập & Case study kỹ thuật:
    • Xử lý trường hợp nhiệt độ nước hồi về tháp làm mát quá cao ($>75^\circ\text{C}$) thông qua điều phối hệ thống van bypass và tăng công suất quạt hút.
    • Phương án cô lập dòng và chuyển đổi vận hành nửa tháp đối với cấu hình tháp chéo dòng (Crossflow) để bảo dưỡng mà không dừng hệ thống.
    • Nhận diện và xử lý sự cố tắc nghẽn cáu cặn do mất cân bằng hóa học nước: kiểm soát $\text{pH}$ trong ngưỡng 6–8, hàm lượng $\text{NaCl} < 750\text{ ppm}$, ion $\text{SO}_4^{2-} < 1200\text{ ppm}$, $\text{NaHCO}_3 < 200\text{ ppm}$, Clo dư $< 1\text{ ppm}$.
    • Xử lý dao động áp suất âm buồng lò và điều chỉnh tỷ lệ gió - nhiên liệu khi dòng nguyên liệu đầu vào thay đổi lưu lượng.
  • Phương pháp kiểm tra và đánh giá học phần: Thực hiện theo Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy (ban hành kèm Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội):
    • Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1, chiếm trọng số 40%): Đánh giá qua quan sát thao tác, bảng kiểm kỹ năng (Rubric) và hỏi đáp trực tiếp (thực hiện sau mỗi 5 giờ học).
    • Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) và Thi kết thúc mô đun (chiếm trọng số 60%): Đánh giá kết hợp bài thi viết (tự luận, trắc nghiệm lý thuyết) và thao tác vận hành thực hành trực tiếp trên mô hình mô phỏng (thực hiện sau 15 giờ và sau khi hoàn tất 75 giờ).
    • Điểm số chấm theo thang điểm 10 (từ 0 đến 10), làm tròn đến một chữ số thập phân.
  • Quy định chuyên cần và tự học: Sinh viên bắt buộc phải tham dự tối thiểu 70% số tiết giảng lý thuyết và 100% số tiết học 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 kết thúc mô đun và bắt buộc phải đăng ký học lại.

Điểm nổi bật và cập nhật

  1. Cập nhật theo tiêu chuẩn chương trình đào tạo 2022: Giáo trình được hoàn thiện và ban hành năm 2022 (thay thế cho phiên bản giáo trình lưu hành nội bộ năm 2017 của Trường Cao đẳng Dầu khí), cập nhật chuẩn hóa toàn bộ danh mục thuật ngữ chuyên môn quốc tế (ACFM, Approach, Cooling range, Blowdown, Fixed tube sheet, Floating head, Forced/Induced draft).
  2. Tích hợp vật liệu công nghiệp mới: Giáo trình bổ sung nội dung về các vật liệu chế tạo tiên tiến trong môi trường ăn mòn cao như: đệm trao đổi nhiệt nhựa PVC màng chống bám bẩn vi sinh, cánh quạt tháp làm mát bằng nhựa gia cường sợi carbon, thiết bị tách sương PVC 3-pass và lớp phủ composite chống ăn mòn bề mặt kim loại tiếp xúc khí $\text{H}_2\text{S}/\text{SO}_2$.
  3. Gắn kết mật thiết với thực tế vận hành nhà máy: Toàn bộ quy trình công nghệ, quy chuẩn tham số kiểm soát chất lượng nước tuần hoàn, quy trình sấy sấy lò và khởi động/dừng hệ thống thiết bị nhiệt đều được trích xuất trực tiếp từ quy trình vận hành tiêu chuẩn đang áp dụng tại các cơ sở chế biến dầu khí lớn (Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, Tổ hợp Hóa dầu Long Sơn, các nhà máy xử lý khí Dinh Cố, Nam Côn Sơn).
  4. Tối ưu hóa năng lượng và bảo vệ môi trường: Nhấn mạnh vai trò của thiết bị trao đổi nhiệt và lò gia nhiệt trong việc tận dụng nguồn nhiệt thải từ các dòng công nghệ (Heat integration), giảm suất tiêu hao nhiên liệu đốt và hạn chế phát thải khí nhà kính ra môi trường.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Học viên, sinh viên: Sinh viên theo học hệ Cao đẳng chính quy nghề Vận hành thiết bị chế biến Dầu khí (khóa học 3 năm). Tài liệu phục vụ trực tiếp cho mô đun PETR53111 trong học kỳ chuyên ngành.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Sinh viên cần hoàn thành các học phần kỹ thuật cơ sở gồm Vẽ kỹ thuật (MECM52003), Điện kỹ thuật (ELEI53011), Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111), Nhiệt kỹ thuật (PETR52002), Vận hành máy thủy khí I (PETR56107), Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa (PETR56109) và An toàn vệ sinh lao động (SAEN512001).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm căn cứ chuẩn mực để biên soạn giáo án bài giảng lý thuyết, thiết kế bài tập thực hành xưởng, lập phiếu kiểm tra kỹ năng (bảng kiểm) và xây dựng ngân hàng đề thi kết thúc học phần.
  • Cán bộ kỹ thuật và Kỹ thuật viên vận hành: Dùng làm tài liệu tra cứu quy trình công nghệ, hướng dẫn thao tác tháo lắp bảo dưỡng định kỳ và tài liệu đào tạo nội bộ cho công nhân vận hành tại các phân xưởng công nghệ lọc hóa dầu, chế biến khí và nhiệt điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được thiết kế chuẩn hóa cho sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Vận hành thiết bị chế biến Dầu khí. Ngoài ra, tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật phù hợp cho kỹ thuật viên, công nhân vận hành thiết bị nhiệt tại các nhà máy lọc hóa dầu, đạm và xử lý khí.

2. Cần kiến thức nền nào để học mô đun này?

Người học cần nắm vững kiến thức từ các môn học kỹ thuật cơ sở đã học trước đó, bao gồm: nguyên lý nhiệt động học và truyền nhiệt trong môn Nhiệt kỹ thuật (PETR52002); cấu tạo và nguyên lý của bơm, quạt trong môn Vận hành máy thủy khí I (PETR56107); kỹ thuật kết nối van, tuyến ống trong môn Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa (PETR56109) và các kiến thức an toàn trong môn An toàn vệ sinh lao động (SAEN512001).

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu truyền nhiệt đại cương là gì?

Khác với các sách lý thuyết truyền nhiệt thuần túy toán học, giáo trình PETR53111 tập trung sâu vào kỹ năng thực hành vận hành cơ khí và quy trình công nghệ thực tế. Nội dung phân bổ 50/75 giờ (chiếm hơn 66% thời lượng) cho thực hành tháo lắp, kiểm tra thiết bị cơ khí (ống chùm, vòi đốt, quạt) và thực hành khởi động/ngừng/xử lý sự cố trên mô hình mô phỏng.

4. Làm sao để tự học và hoàn thành tốt mô đun này?

Sinh viên cần nghiên cứu kỹ tài liệu lý thuyết và sơ đồ P&ID trước khi lên lớp; thực hiện nghiêm túc việc học nhóm (2–3 người) theo các chủ đề được giao; tuân thủ quy định tham dự đủ 100% số giờ thực hành xưởng/mô hình và chủ động rèn luyện kỹ năng nhận diện sự cố qua các bài tập tình huống công nghệ trong giáo trình.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Tài liệu bổ trợ đi kèm gồm có: Giáo trình vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (Trường Cao đẳng Dầu khí, Lưu hành nội bộ, 2017), hệ thống tài liệu hướng dẫn vận hành mô phỏng chuyên dụng trên máy vi tính tại Phòng mô hình của nhà trường, cùng hệ thống quy trình an toàn - PCCC tại xưởng thực tập.

Kết luận

Giáo trình mô đun Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (PETR53111) của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp một hệ thống kiến thức hoàn chỉnh và chuẩn mực về cấu tạo cơ khí, nguyên lý truyền nhiệt - trao đổi nhiệt và kỹ năng thao tác vận hành an toàn đối với tháp làm nguội, thiết bị trao đổi nhiệt và lò gia nhiệt công nghiệp.

Việc hoàn thành mô đun này là điều kiện bắt buộc để người học hình thành năng lực nghề nghiệp nền tảng, tạo tiền đề trực tiếp để tiếp thu các mô đun vận hành phân xưởng công nghệ phức tạp trong chương trình đào tạo như Vận hành thiết bị tách dầu khí (PETR62110), Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (PETR56115) và Vận hành các phân xưởng chế biến khí (PETR56118). Người học cần khai thác tối đa hệ thống giáo trình kết hợp với các bài tập vận hành mô phỏng tại phòng thực hành để đạt chuẩn đầu ra theo quy định của nhà trường.