GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: VẬN HÀNH MÁY THỦY KHÍ I (CNH19MĐ18)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Vận hành máy thủy khí I (Mã mô đun: CNH19MĐ18) 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. Giáo trình được ban hành kèm theo Quyết định số 191/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Bà Rịa - Vũng Tàu), do ThS. Phạm Thế Anh làm chủ biên cùng nhóm tác giả Lê Quốc Hoàng, S. Phạm Công Đại, Huỳnh Việt Triều và Phạm Công Quang. Trong cấu trúc chương trình đào tạo gồm 93 tín chỉ (2290 giờ), mô đun có thời lượng 6 tín chỉ (tương đương 150 giờ đào tạo), được bố trí giảng dạy sau mô đun Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa (CNH19MĐ17) và trước các mô đun chuyên sâu như Vận hành thiết bị tách dầu khí (CNH19MĐ16), Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (CNH19MĐ20), và Vận hành máy thủy khí II (CNH19MĐ19).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình hướng đến ba chuẩn đầu ra chính:

  • Kiến thức (A1): Trình bày có hệ thống cấu tạo, phân loại, thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của hai nhóm thiết bị thủy khí cơ bản là bơm ly tâm và máy nén khí kiểu piston.
  • Kỹ năng (B1): Thao tác đúng quy trình kỹ thuật trong việc khởi động, dừng, ghép bơm, chuyển đổi hệ thống và thực hiện các cấp độ bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Tuân thủ quy định an toàn lao động, phòng cháy chữa cháy (PCCC), nội quy xưởng thực hành và thực hiện chuẩn xác các quy trình vận hành thiết bị cơ khí - tự động hóa liên quan mà không để xảy ra sự cố kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình gồm 5 bài học tích hợp, phân bổ 28 giờ lý thuyết, 106 giờ thực hành/thảo luận và 16 giờ kiểm tra/thi. Tài liệu tiếp cận kết hợp giữa phân tích cơ sở lý thuyết thủy động lực học với quy trình thao tác kỹ thuật thực nghiệm trên hệ thống thiết bị thực tế.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được tổ chức thành 5 bài học theo tiến trình từ nguyên lý, kết cấu kỹ thuật đến quy trình vận hành và bảo dưỡng chuyên sâu:

  • Bài 1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm (10 giờ lý thuyết): Phân tích định nghĩa, ưu nhược điểm và phân loại bơm ly tâm (theo cột áp: thấp $H < 20\text{m}$, trung bình $20\text{--}60\text{m}$, cao $H > 60\text{m}$; theo số bánh công tác: một cấp, nhiều cấp từ 2 đến 12 cấp; theo số miệng hút: một miệng hút, hai miệng hút; theo cách bố trí trục: trục ngang, trục đứng). Mô tả chi tiết các thông số làm việc cơ bản ($Q, H, N, \eta, H_{cp}$) và kết cấu các bộ phận: bánh công tác (dạng kín, hở, nửa hở), vỏ bơm (vỏ tròn, vỏ xoắn ốc volute), vòng bù độ mòn (wear rings), hộp làm kín (packing box), vòng bôi trơn (lantern rings), bộ đệm cơ học (mechanical seal), vòng bi chặn (thrust bearing) và ổ đỡ trượt. Trình bày phương trình cột áp lý thuyết Euler, tam giác vận tốc tại cửa vào/ra bánh công tác, công thức thực tế Prôskura, quy luật tương tự, hệ thống đường đặc tính ($H\text{-}Q, N\text{-}Q, \eta\text{-}Q, [H_{ck}]\text{-}Q$), điểm làm việc, các phương pháp điều chỉnh (tiết lưu bằng van đẩy, thay đổi số vòng quay, gọt bánh công tác), kỹ thuật ghép bơm (ghép song song, ghép nối tiếp) và các giải pháp triệt tiêu lực hướng trục (piston cân bằng, đĩa cân bằng, bánh công tác đối xứng).
  • Bài 2: Quy trình vận hành và bảo dưỡng bơm ly tâm (5 giờ: 4 lý thuyết, 1 kiểm tra/thực hành): Xác lập quy trình chuẩn bị, mồi bơm, khởi động, kiểm tra thông số vận hành và quy trình dừng bơm; quy trình bảo dưỡng phần ngoài và bên trong; tổng hợp các dạng sự cố thường gặp (tụt lưu lượng/áp suất, mất mồi sau khởi động, rò rỉ hộp làm kín, tiêu hao công suất lớn, rung chấn khua gõ, mất đường hút và hiện tượng xâm thực).
  • Bài 3: Vận hành và bảo dưỡng bơm ly tâm (60 giờ: 53 thực hành, 7 kiểm tra): Thực hành các quy trình kỹ thuật trên hệ thống đường ống PFD: khởi động hệ thống, dừng hệ thống, thao tác vận hành ghép song song, ghép nối tiếp, chuyển đổi bơm vận hành (swap pump) và quy trình tháo, kiểm tra, sửa chữa, lắp ráp chi tiết bơm ly tâm.
  • Bài 4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy nén khí piston (10 giờ: 9 lý thuyết, 1 kiểm tra): Khái niệm, thông số kỹ thuật, ưu nhược điểm và phân loại máy nén khí piston (theo số chiều nén: tác dụng đơn, tác dụng kép; theo cấp số nén: một cấp, nhiều cấp); kết cấu các cụm chi tiết: van hút, van xả, đĩa van, xylanh, ống lót xylanh, vòng chèn kim loại, nắp hộp vòng chèn, thanh truyền, con trượt, hệ thống bôi trơn (kiểu vung tóe, bôi trơn cổ biên, bôi trơn cưỡng bức) và hệ thống làm mát (làm mát bằng cánh tản nhiệt, làm mát bằng nước).
  • Bài 5: Vận hành và bảo dưỡng máy nén khí piston (65 giờ: 5 lý thuyết, 53 thực hành, 7 kiểm tra): Hướng dẫn các quy định an toàn, chế độ sử dụng nhiên liệu - dầu mỡ bôi trơn, kỹ thuật khởi động - giám sát - dừng máy nén và các cấp độ bảo dưỡng kỹ thuật: bảo dưỡng hàng ngày, bảo dưỡng cấp I và bảo dưỡng cấp II.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết kỹ thuật dựa trên các nền tảng khoa học:

  • Phương trình Euler cho máy thủy lực cánh dẫn: Thiết lập phương trình cột áp lý thuyết dựa trên định lý biến thiên mômen động lượng: $$H_{l\infty} = \frac{u_2 c_{2u} - u_1 c_{1u}}{g}$$ Khi dòng vào hướng kính ($\alpha_1 = 90^\circ, c_{1u} = 0$), phương trình có dạng $H_{l\infty} = \frac{u_2 c_{2u}}{g}$.
  • Lý thuyết dòng chảy qua số cánh dẫn hữu hạn và tổn thất: Ứng dụng hệ số cột áp Prôskura $\eta_Z = 1 - \frac{\pi}{Z}\sin\beta_2$ để hiệu chỉnh cột áp thực tế $H = \eta_Z \cdot \eta_H \cdot H_{l\infty}$.
  • Quy luật tương tự trong máy thủy khí: Bảng tính toán sự thay đổi các thông số lưu lượng ($Q$), cột áp ($H$), công suất ($N$) khi thay đổi tỷ trọng môi chất ($\gamma$), số vòng quay ($n$) và đường kính bánh công tác ($D$).
  • Nhiệt động lực học và thủy lực ứng dụng: Cơ chế chuyển đổi động năng thành áp năng trong buồng xoắn ốc và nguyên lý nén khí đa cấp có làm mát trung gian.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc hiểu sơ đồ công nghệ PFD trạm bơm/máy nén; đo đạc và kiểm soát các thông số áp suất, lưu lượng, nhiệt độ gối đỡ, độ chân không; thực hiện quy trình cân tâm trục, lắp ráp đệm cơ học và căn chỉnh khe hở vòng bù mòn.
  • Kỹ năng phân tích: Xác định điểm làm việc thông qua đồ thị giao điểm giữa đường đặc tính bơm ($H\text{-}Q$) và đường đặc tính hệ thống ($H_l\text{-}Q$); tính toán lực hướng trục $P = P_I - P_{II}$; chẩn đoán nguyên nhân hiện tượng xâm thực (cavitation) và mất cân bằng động.
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp: Vận hành thành thạo hệ thống ghép bơm nối tiếp/song song; quy trình chuyển đổi bơm dự phòng không gây gián đoạn dòng công nghệ; thực hiện quy trình tháo lắp van đĩa, thay thế vòng chèn kim loại xylanh máy nén và tổ chức bảo dưỡng định kỳ cấp I, cấp II theo tiêu chuẩn kỹ thuật nhà máy lọc dầu.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng mô hình giảng dạy tích hợp giữa trang bị lý thuyết chuyên ngành và rèn luyện kỹ năng thực hành nghề nghiệp theo quy chế đào tạo tín chỉ (Thông tư 09/2017/TT-BLĐTBXH):

  • Phương pháp giảng dạy của giáo viên: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực, bao gồm thuyết trình ngắn kết hợp nêu vấn đề, diễn trình thao tác mẫu trên thiết bị thực tế, hướng dẫn đọc tài liệu chuyên ngành, giao bài tập tình huống kỹ thuật và tổ chức thảo luận nhóm.
  • Phương pháp học tập của người học: Người học phải nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo trước khi lên lớp; tham gia thảo luận theo nhóm từ 8 đến 10 thành viên; thực hiện ghi chép thông số và viết báo cáo kỹ thuật sau các bài thực hành; đáp ứng yêu cầu chuyên cần tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết và 100% thời lượng thực hành (vắng $>30%$ lý thuyết hoặc $>0%$ thực hành bắt buộc phải học lại mô đun).
  • Bài tập và thực nghiệm: Hệ thống bài tập bao gồm giải bài toán đường đặc tính, tính toán gọt đường kính bánh công tác trong giới hạn $10%$, xử lý tình huống xâm thực, cùng 106 giờ thực hành trực tiếp tại xưởng thiết bị thật với các hệ thống bơm ly tâm, máy nén khí piston và mô hình mô phỏng.
  • Phương pháp đánh giá: Kết quả học tập được đánh giá bằng thang điểm 10 (làm tròn đến một chữ số thập phân) và quy đổi sang thang điểm 4:
    • Điểm quá trình (Trọng số 40%): Gồm 01 cột điểm kiểm tra thường xuyên hệ số 1 (hình thức hỏi miệng/tự luận sau 10 giờ đầu) và 01 cột điểm kiểm tra định kỳ hệ số 2 (hình thức trắc nghiệm kết hợp thực hành sau 15 giờ).
    • Điểm thi kết thúc mô đun (Trọng số 60%): Tổ chức sau 150 giờ đào tạo, kết hợp hình thức thi viết/tự luận/trắc nghiệm lý thuyết và thao tác thực hành trực tiếp trên thiết bị trạm máy thủy khí.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Cơ sở dữ liệu biên soạn chuẩn hóa: Giáo trình được xây dựng trên cơ sở kế thừa các giáo trình nội bộ năm 2017 của Trường Cao đẳng Dầu khí (Giáo trình Vận hành bơm, Giáo trình Vận hành máy nén khí, Tài liệu hướng dẫn thực hành bơm và máy nén khí) kết hợp tham khảo các tài liệu chuyên ngành quốc tế: Pump Handbook (McGraw-Hill, Fourth Edition, 2008), A Practical Guide to Compressor Technology (Heinz P. Bloch, 2nd Edition, 2005) và Reciprocating Compressors (Hoefner, 1996).
  • Tính hệ thống trong công nghệ làm kín và bôi trơn: Cập nhật các giải pháp kỹ thuật công nghiệp hiện đại như cơ chế làm kín bằng đệm cơ học đơn/kép (mechanical seals), vòng bôi trơn lantern rings phân phối dầu đệm (seal oil), hệ thống bôi trơn cưỡng bức có tuần hoàn làm mát và lọc dầu, kết cấu van đĩa tự động trong xylanh máy nén.
  • Tích hợp sơ đồ công nghệ PFD chuẩn công nghiệp: Toàn bộ nội dung thực hành vận hành, ghép bơm (song song/nối tiếp) và chuyển đổi bơm được xây dựng bám sát sơ đồ dòng công nghệ (PFD) mô phỏng chính xác điều kiện làm việc tại các nhà máy chế biến dầu khí.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên chuyên ngành: Học sinh, sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí.
  • Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học kỹ thuật cơ sở và chuyên môn:
    • Vẽ kỹ thuật (CK19MH01)
    • Điện kỹ thuật (KTĐ19MH10)
    • An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01)
    • Nhiệt kỹ thuật (CNH19MH10)
    • Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ12)
    • Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học (CNH19MH13)
    • Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa (CNH19MĐ17)
  • Giảng viên và kỹ thuật viên: Làm tài liệu giảng dạy chính thức cho giảng viên khoa Dầu khí; làm cẩm nang quy trình kỹ thuật cho kỹ thuật viên phòng thí nghiệm và xưởng thực hành.
  • Tham khảo công nghiệp: Tài liệu phục vụ tự học, ôn tập và tra cứu quy trình vận hành, bảo dưỡng định kỳ cho công nhân kỹ thuật và kỹ thuật viên vận hành trạm bơm - trạm nén khí tại các công trình dầu khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?
Tài liệu được thiết kế chính thức cho sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, đồng thời dùng làm tài liệu giảng dạy cho giảng viên chuyên ngành và tài liệu tra cứu kỹ thuật cho nhân sự vận hành tại các cơ sở chế biến dầu khí.

2. Cần kiến thức nền nào trước khi học mô đun này?
Người học cần tích lũy kiến thức từ các môn Vẽ kỹ thuật, Điện kỹ thuật, An toàn lao động, Nhiệt kỹ thuật, Cơ sở điều khiển quá trình và hoàn thành mô đun Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa.

3. Điểm khác biệt về cấu trúc của giáo trình này là gì?
Giáo trình có tỷ trọng thực hành chiếm hơn $70%$ tổng thời lượng (106/150 giờ), tích hợp trực tiếp giữa cơ sở lý thuyết thủy động lực học với các quy trình tháo lắp, xử lý sự cố và vận hành thực tế trên sơ đồ PFD trạm bơm/máy nén.

4. Yêu cầu chuyên cần đối với phần thực hành như thế nào?
Quy chế đào tạo yêu cầu người học phải tham dự $100%$ số buổi thực hành và tối thiểu $70%$ số buổi lý thuyết. Trường hợp vắng bất kỳ buổi thực hành nào, người học không đủ điều kiện dự thi và phải đăng ký học lại mô đun.

5. Giáo trình sử dụng các nguồn tài liệu tham khảo chính nào?
Giáo trình tổng hợp từ các bộ tài liệu đào tạo nội bộ năm 2017 của Trường Cao đẳng Dầu khí và các tài liệu tiêu chuẩn quốc tế gồm Pump Handbook (McGraw-Hill, 2008), A Practical Guide to Compressor Technology (Heinz P. Bloch, 2005) và Reciprocating Compressors (Hoefner, 1996).

Kết luận

Giáo trình Vận hành máy thủy khí I (CNH19MĐ18) hệ thống hóa toàn bộ kiến thức kỹ thuật cơ bản và quy trình thực hành đối với bơm ly tâm và máy nén khí piston trong công nghiệp dầu khí. Tài liệu là mắt xích đào tạo chuyên môn tiền đề, hỗ trợ người học hoàn thiện kỹ năng vận hành đơn động trước khi chuyển tiếp sang các mô đun công nghệ phức tạp hơn như Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (CNH19MĐ22), Vận hành phân xưởng chế biến dầu I/II (CNH19MĐ23, CNH19MĐ24) và Vận hành các phân xưởng chế biến khí (CNH19MĐ25). Việc khai thác hiệu quả giáo trình cần gắn liền với các tài liệu hướng dẫn thực hành và hệ thống thiết bị thực nghiệm tại xưởng đào tạo.