Giáo trình mô đun: Vận hành thiết bị nhiệt (PETP63156)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun: Vận hành thiết bị nhiệt (Mã mô đun: PETP63156) là tài liệu giảng dạy chuyên môn thuộc chương trình đào tạo nghề Vận hành thiết bị khai thác dầu khí trình độ Cao đẳng, được ban hành kèm theo Quyết định số 210/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Giáo trình do nhóm tác giả gồm Ks. Phạm Thế Anh (Chủ biên), Nguyễn Ngọc Thanh Trung và Hoàng Trọng Quang biên soạn phục vụ lưu hành nội bộ.

Trong khung chương trình đào tạo 86 tín chỉ (2025 giờ), mô đun này có khối lượng 3 tín chỉ với thời lượng 75 giờ (gồm 14 giờ lý thuyết, 58 giờ thực hành/thảo luận và 3 giờ kiểm tra). Mô đun thuộc khối kiến thức chuyên môn nghề (50 tín chỉ / 1305 giờ), được bố trí giảng dạy sau các mô đun kỹ thuật cơ sở và vận hành thiết bị đơn lẻ (như Vận hành van, Bơm, Máy nén, Thiết bị tách dầu khí), đồng thời là điều kiện tiên quyết trước khi học viên bước vào mô đun Vận hành hệ thống khai thác trên mô hình.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định trên ba phương diện chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức (A1): Phân loại, trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại lò gia nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt.
  • Về kỹ năng (B1): Thực hiện đúng quy trình vận hành, khởi động, dừng hệ thống; tháo lắp, kiểm tra, bảo dưỡng; phát hiện và xử lý sự cố thường gặp trên thiết bị nhiệt.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Tuân thủ quy định an toàn, phòng cháy chữa cháy (PCCC), nội quy xưởng thực hành và quy trình vận hành thiết bị cơ khí, điện, tự động hóa liên quan.

Giáo trình được cấu trúc thành 3 bài học chính, tiếp cận từ nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản đến cấu tạo cơ khí và quy trình thực hành thao tác kỹ thuật tại giàn khai thác hoặc nhà máy chế biến dầu khí.

       CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO NGHỀ VẬN HÀNH THIẾT BỊ KHAI THÁC DẦU KHÍ

Nội dung kiến thức cốt lõi

       CẤU TRÚC NỘI DUNG GIÁO TRÌNH VẬN HÀNH THIẾT BỊ NHIỆT (75 GIỜ)

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 3 bài học với tiến trình logic từ nền tảng lý thuyết đến cấu tạo thiết bị và quy trình vận hành, bảo dưỡng:

  • Bài 1: Giới thiệu về sự truyền nhiệt (Thời lượng: 2 giờ lý thuyết) Giới thiệu bản chất quá trình truyền nhiệt một chiều theo gradient nhiệt độ. Phân tích ba phương thức truyền nhiệt:

    • Dẫn nhiệt: Cơ chế vi mô qua va chạm phân tử và khuếch tán điện tử tự do; thiết lập định luật Fourier với phương trình vi phân $dQ = -\lambda \frac{dt}{dn} dA$; công thức tính dòng nhiệt và nhiệt trở qua vách phẳng một lớp ($R = \frac{e}{\lambda}$), vách phẳng nhiều lớp ($R = \sum \frac{e_i}{\lambda_i}$) và vách ống trụ ($R = \frac{1}{2\pi\lambda} \ln\frac{d_e}{d_i}$).
    • Đối lưu: Phân loại đối lưu tự nhiên (do chênh lệch khối lượng riêng $\Delta\rho$) và đối lưu cưỡng bức (do ngoại lực tác động từ bơm, quạt, máy nén); xác định hệ số cấp nhiệt $h$ qua các chuẩn số đồng dạng: Chuẩn số Nusselt ($Nu = \frac{h \cdot l}{\lambda}$), chuẩn số Reynolds ($Re = \frac{\omega \cdot l \cdot \rho}{\mu}$), chuẩn số Prandtl ($Pr = \frac{C_p \cdot \mu}{\lambda}$) và chuẩn số Stanton ($St = \frac{h}{\rho \cdot \omega \cdot C_p}$); cơ chế trao đổi nhiệt khi chuyển pha ngưng tụ và bốc hơi.
    • Bức xạ nhiệt: Bản chất sóng điện từ dải bước sóng $\lambda = 0{,}4 - 40,\mu\text{m}$; phân loại 4 vật thể (vật thể đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, trong suốt và vật thể xám); định luật Stefan-Boltzmann ($E = C (\frac{T}{100})^4$ với $C_0 = 5{,}7,\text{W/m}^2\text{K}^4$) và định luật Kirchhoff ($\frac{E}{A} = E_0$).
    • Các thông số ảnh hưởng: Thiết lập hệ số truyền nhiệt chung qua vách phẳng ($U_P$) và vách ống ($U_S$) có tính đến nhiệt trở lớp cặn bẩn $R_S$; phương trình cân bằng nhiệt $Q = G_1 C_{p1}(t'_1 - t''1) = G_2 C{p2}(t''_2 - t'_2)$; đặc tính chế độ chảy tầng ($Re < 2320$) và chảy rối ($Re > 2320$); phân tích biến thiên nhiệt độ trong bố trí dòng chảy cùng chiều, ngược chiều, chéo dòng và hỗn hợp.

  • Bài 2: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị trao đổi nhiệt (Thời lượng: 40 giờ gồm 9 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành, 2 giờ kiểm tra)

    • Yêu cầu kỹ thuật: Tối đa hóa hệ số truyền nhiệt $U$, giảm thiểu tổn thất áp suất ($\Delta P$), hạn chế bám cặn, chống rò rỉ và đảm bảo an toàn cơ học.
    • Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm (Shell and Tube): Cấu trúc 3 phần theo tiêu chuẩn công nghiệp: Phần đầu (Front End: kiểu A, B, C, N, D), Phần thân vỏ (Shell: kiểu E, F, G, H, J, K, X), và Phần đuôi (Rear End: kiểu L, M, N, P, S, T, U, W). Chi tiết các bộ phận: vỏ bọc, chùm ống (tube bundle), tấm mặt sàng (tubesheet), vách ngăn định hướng dòng chảy (baffles), nắp phân phối (channel cover) và các họng vào/ra (nozzles).
    • Phân loại kết cấu: Phân tích nguyên lý và đặc tính cơ khí của thiết bị trao đổi nhiệt hình chữ U, thiết bị có hai đầu cố định (fixed tubesheet), thiết bị có đầu di động (floating head), thiết bị dạng tấm (plate heat exchanger) và thiết bị ống lồng ống (double pipe).
    • Thiết bị chuyên dụng trong công nghệ dầu khí: Thiết bị đun sôi lại đáy tháp (Kettle reboiler), thiết bị làm nguội sản phẩm (Trim cooler), thiết bị làm lạnh sâu (Chiller) và thiết bị làm mát bằng không khí (quạt gió).
    • Quy tắc bố trí công nghệ: Phân tích ưu nhược điểm bố trí ống trên mặt sàng theo hình tam giác đều (tăng hiệu quả truyền nhiệt 8,6% so với hình vuông nhưng khó vệ sinh cặn ngoài ống) và hình vuông; nguyên tắc lựa chọn lưu thể đi trong ống (áp suất cao, tính ăn mòn, dễ bám cặn) và ngoài ống (lưu lượng thể tích lớn, độ nhớt cao, nhiệt độ thấp).
    • Thông số giám sát: Nhiệt độ vào/ra của dòng nóng và lạnh, lưu lượng dòng chảy, chênh lệch áp suất $\Delta P$ tại đầu vào/ra để phát hiện nghẹt cặn, mức lỏng phần thân (shell side) của thiết bị đun sôi lại.

  • Bài 3: Vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa các loại thiết bị trao đổi nhiệt (Thời lượng: 33 giờ gồm 3 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành, 1 giờ kiểm tra)

    • Quy trình vận hành: Các bước chuẩn bị, kiểm tra tình trạng van, đường ống, áp kế, nhiệt kế; quy trình khởi động cấp dòng lưu chất; quy trình ngừng hoạt động hệ thống theo đúng trình tự an toàn kỹ thuật.
    • Chẩn đoán và xử lý sự cố: Bảng thống kê các trường hợp bất thường (Bảng 3.1) khi đóng/mở van, hiện tượng thủy kích, quá nhiệt, quá áp, hiện tượng đóng cặn (fouling & scaling) gây giảm hiệu suất truyền nhiệt.
    • Bảo dưỡng cơ khí: Quy trình tháo lắp, kiểm tra chi tiết thiết bị hai đầu cố định (Bảng 3.2), thiết bị có đầu di động (Bảng 3.3) và thiết bị làm mát bằng quạt gió (Bảng 3.4); kỹ thuật làm sạch cặn bẩn bám trong và ngoài ống truyền nhiệt bằng phương pháp bắn tia nước áp lực cao.
    • Thực hành trên mô hình: Luyện tập thao tác vận hành, điều chỉnh thông số và xử lý tình huống trên mô hình mô phỏng hệ thống khai thác dầu khí.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống kiến thức kỹ thuật dựa trên ba trụ cột:

  1. Lý thuyết truyền nhiệt - nhiệt động: Bản chất gradient nhiệt độ, sự truyền nhiệt qua tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua vách kim loại; mối tương quan giữa tốc độ truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt $h$ và hệ số truyền nhiệt tổng quát $U$.
  2. Cơ học lưu chất trong thiết bị trao đổi nhiệt: Ảnh hưởng của chế độ dòng chảy tầng/chảy rối qua chuẩn số Reynolds ($Re$); tác động của cấu trúc tấm ngăn vách (baffles) và số pass (1 pass, 2 pass, 4 pass) đến vận tốc dòng chảy, trở lực thủy lực và tổn thất áp suất.
  3. Nguyên lý nhiệt - công nghệ dầu khí: Cân bằng nhiệt lượng hệ thống qua đại lượng đương lượng nhiệt lưu lượng khối lượng $C = G \cdot C_p$; quy luật trao đổi năng lượng giữa các phân đoạn dầu thô, khí đồng hành, hơi nước bão hòa/quá nhiệt và tác nhân làm mát (nước, không khí, chất làm lạnh).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Nhận dạng, phân loại các kiểu thiết bị nhiệt chuẩn TEMA; đọc hiểu bản vẽ cấu tạo, đường đi của lưu chất phía trong ống (tube side) và phía vỏ (shell side); thao tác chính xác các thiết bị làm sạch cơ học và hệ thống nước áp lực cao.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích các thông số nhiệt độ, lưu lượng và áp suất vận hành; tính toán định lượng suy giảm hệ số truyền nhiệt do lớp cặn bẩn $R_S$; xác định nguyên nhân gây suy giảm công suất nhiệt qua biểu đồ chênh áp $\Delta P$.
  • Năng lực nghề nghiệp thực tế (Practical competencies): Thực hiện độc lập quy trình khởi động và dừng hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt; thực hiện quy trình tháo nắp, rút chùm ống, kiểm tra ống sàng, thay thế gioăng đệm làm kín; xử lý kịp thời các sự cố quá áp, quá nhiệt hoặc tắc dòng trong dây chuyền khai thác dầu khí.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được thiết kế theo định hướng sư phạm tích cực, tối ưu hóa cho đào tạo nghề kỹ thuật với tỷ trọng thực hành chiếm 77,3% tổng thời lượng (58/75 giờ).

          PHÂN BỔ THỜI LƯỢNG MÔ ĐUN PETP63156 (TỔNG SỐ: 75 GIỜ)
  • Phương pháp giảng dạy của giáo viên: Áp dụng phương pháp diễn giảng ngắn kết hợp nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu kỹ thuật, phân tích tình huống vận hành (case-based teaching); tổ chức chia nhóm nhỏ (8-10 học viên) để thảo luận chủ đề kỹ thuật và phân công nhiệm vụ thực hành tháo lắp cơ khí.
  • Phương pháp học tập của học viên:
    • Nghiên cứu trước bài học: Đọc trước nội dung giáo trình, tài liệu tham khảo và giáo án theo yêu cầu trước khi đến lớp.
    • Làm việc nhóm: Nhóm trưởng điều phối thành viên tìm hiểu các chủ đề chuyên sâu (như so sánh dòng chảy cùng chiều - ngược chiều, cấu tạo vách ngăn, quy trình tháo lắp tubesheet), thảo luận, ghi chép và lập báo cáo kỹ thuật chung.
    • Luyện tập thực hành: Thực hiện thao tác trực tiếp trên thiết bị thực tại xưởng và hệ thống mô phỏng tại phòng mô hình khai thác dầu khí.
  • Hình thức và quy chế đánh giá: Áp dụng quy chế đào tạo tín chỉ theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội:
    • Điểm quá trình (Trọng số 40%): Gồm 01 bài kiểm tra thường xuyên (vấn đáp sau 2 giờ đầu) và 02 bài kiểm tra định kỳ (tự luận/trắc nghiệm sau 42 giờ; thực hành thao tác sau 74 giờ).
    • Điểm thi kết thúc mô đun (Trọng số 60%): Bài thi viết kết hợp tự luận và trắc nghiệm sau 75 giờ, đánh giá toàn diện các chuẩn đầu ra A1, A2, B1, B2, B3, C1, C2 trên thang điểm 10 quy đổi sang thang điểm 4.
  • Điều kiện dự thi: Học viên bắt buộc phải tham gia tối thiểu 70% số giờ lý thuyết và 100% số giờ thực hành; vi phạm tỷ lệ chuyên cần sẽ không được tham dự thi kết thúc mô đun.

Điểm nổi bật và cập nhật

  1. Tính kế thừa và chuẩn hóa học thuật: Giáo trình kế thừa có chọn lọc nội dung từ Giáo trình vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (Trường Cao đẳng Dầu khí xuất bản nội bộ năm 2017), đồng thời cập nhật các tiêu chuẩn mô phỏng và vận hành hiện đại từ tài liệu quốc tế Heater with APH HT001 (Prosimulator, ấn bản lần 3, năm 2015).
  2. Tích hợp tiêu chuẩn công nghiệp TEMA: Cung cấp chi tiết bảng mã hóa hình học các chi tiết đầu (Front A-D), thân vỏ (Shell E-X) và đuôi (Rear L-W) theo chuẩn quốc tế, giúp người học nhận diện chính xác cấu hình thiết bị công nghiệp thực tế.
  3. Số liệu định lượng sát với thực tế vận hành: Cung cấp các thông số kỹ thuật thực nghiệm:
    • Vận tốc chất lỏng đi trong ống: $1{,}0 - 2{,}3,\text{m/s}$;
    • Vận tốc chất khí ở áp suất chân không: $45 - 80,\text{m/s}$;
    • Vận tốc chất khí ở áp suất khí quyển: $12 - 30,\text{m/s}$;
    • Tác động định lượng của biến thiên thông số: Khi dòng chảy ở chế độ rối, tăng lưu lượng thêm 10% sẽ làm tăng hệ số cấp nhiệt trong ống khoảng 8%, nhưng làm tăng tổn thất áp suất khoảng 20%; tăng vận tốc lưu chất gấp 2 lần làm tăng hệ số cấp nhiệt 1,7 lần nhưng tổn thất áp suất trong ống tăng 8 lần.
  4. Hệ thống bảng biểu quy trình thao tác hóa: Tổng hợp chi tiết các bảng hướng dẫn từng bước: Bảng 3.1 thống kê các tình huống đóng mở van, Bảng 3.2 đến Bảng 3.4 hướng dẫn quy trình tháo lắp cơ khí cụ thể cho từng chủng loại thiết bị trao đổi nhiệt kèm biện pháp làm sạch bằng nước áp lực cao.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Đối tượng đào tạo chính: Học viên, sinh viên trình độ Cao đẳng hệ chính quy nghề Vận hành thiết bị khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học chung và kỹ thuật cơ sở trong chương trình khung đào tạo nghề:
    • An toàn vệ sinh lao động (SAEN52001);
    • 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);
    • Các mô đun chuyên ngành: Vận hành van (PETP53151), Vận hành Bơm (PETP54153), Vận hành máy nén (PETP53154), Vận hành thiết bị tách dầu khí (PETP54155).
  • Mục đích sử dụng cho giảng viên: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn trên lớp, biên soạn giáo án lý thuyết, thiết kế bài tập tình huống kỹ thuật, xây dựng ngân hàng đề kiểm tra đánh giá và hướng dẫn học viên thực hành tại xưởng thiết bị nhiệt hoặc phòng mô hình khai thác.
  • Đối tượng tham khảo mở rộng: Giáo viên, sinh viên và kỹ thuật viên thuộc các nhóm ngành liên quan gồm: Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Công nghệ Hàn, và Vận hành nhà máy điện.

Câu hỏi thường gặp

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

Giáo trình là tài liệu học tập bắt buộc cho sinh viên Cao đẳng nghề Vận hành thiết bị khai thác dầu khí theo Quyết định số 210/QĐ-CĐDK. Ngoài ra, tài liệu được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giảng viên, học viên các ngành Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa cơ khí dầu khí và Vận hành nhà máy điện.

2. Cần trang bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học giáo trình?

Người học cần hoàn thành các môn học kỹ thuật cơ sở và cơ khí đại cương trong chương trình khung, bao gồm: Vẽ kỹ thuật, Điện kỹ thuật cơ bản, Cơ sở điều khiển quá trình, Hóa đại cương, An toàn vệ sinh lao động, cùng các mô đun kỹ năng vận hành van, bơm, máy nén và bình tách dầu khí.

3. Giáo trình có điểm khác biệt gì so với các tài liệu truyền nhiệt thuần túy lý thuyết?

Khác với các giáo trình truyền nhiệt đại cương thiên về giải tích toán học, giáo trình này tích hợp trực tiếp kiến thức truyền nhiệt với cấu tạo cơ khí chuẩn TEMA và quy trình công nghệ vận hành trên giàn khai thác dầu khí; trong đó 77,3% thời lượng (58/75 giờ) dành riêng cho thực hành tháo lắp, bảo dưỡng và vận hành mô hình.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Học viên cần nghiên cứu bài giảng trước khi lên lớp, phân tích kỹ các công thức truyền nhiệt và đồ thị phân bố nhiệt độ ở Bài 1; nhận diện cấu tạo thiết bị qua bản vẽ ở Bài 2; tham gia thảo luận nhóm từ 8-10 người về các bảng quy trình tháo lắp, bảng thống kê sự cố ở Bài 3; đồng thời tuân thủ quy định tham dự 100% các buổi thực hành tại xưởng và phòng mô hình.

5. Giáo trình có tài liệu tham khảo và phương tiện thực hành bổ trợ nào?

Tài liệu được bổ trợ bởi:

  • Giáo trình vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (Trường Cao đẳng Dầu khí, 2017);
  • Heater with APH HT001 (Prosimulator, 3rd Edition, 2015);
  • Cơ sở vật chất thực hành: Phòng mô hình khai thác dầu khí và xưởng thiết bị trao đổi nhiệt trang bị máy tính, máy chiếu, mô hình thiết bị và hệ thống phun nước áp lực cao.

Kết luận

Giáo trình mô đun: Vận hành thiết bị nhiệt (PETP63156) cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện từ cơ sở truyền nhiệt động học đến cấu trúc cơ khí chuẩn TEMA và các quy trình thao tác kỹ thuật tại hiện trường khai thác dầu khí. Nội dung giáo trình gắn kết chặt chẽ giữa tính toán định lượng các thông số vận hành với bảng biểu quy trình bảo dưỡng thực tế.

Hoàn thành mô đun này tạo nền tảng chuyên môn cốt lõi để học viên tiếp tục thực hiện các mô đun nâng cao tiếp theo trong chương trình đào tạo, bao gồm: Hệ thống thu gom và vận chuyển dầu khí (PETP53157), Công nghệ khí (PETP62158), Vận hành hệ thống khai thác trên mô hình 1 & 2 (PETP55159, PETP63160), trước khi bước vào giai đoạn Thực tập sản xuất (PETR54261) và hoàn thành Khóa luận tốt nghiệp (PETR63262).