Luận văn: Thiết kế & Phân tích Hệ thống điều khiển giàn khoan Vietsovpetro

Luận văn phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ cho giàn khoan Vietsovpetro. Tài liệu bao gồm sơ đồ, nguyên lý và các mô hình mô phỏng chi tiết.

• Tác giả: Lê Tùng Sơn
• Người hướng dẫn: PGS. TS. Phan Xuân Minh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Phân Tích Hệ Thống Điều Khiển Công Nghệ Cho Giàn Khoan Vietsovpetro
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết kế Hệ thống Điều khiển Giàn khoan Vietsovpetro

Thiết kế hệ thống điều khiển cho giàn khoan Vietsovpetro là một công trình nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Hệ thống này được phát triển nhằm nâng cao hiệu suất khai thác dầu khí, đảm bảo an toàn vận hành và tối ưu hóa quá trình sản xuất. Giàn khoan Vietsovpetro hoạt động trong môi trường biển khắc nghiệt, do đó hệ thống điều khiển công nghệ phải đáp ứng các tiêu chuẩn cao về độ tin cậy và hiệu năng. Công trình tập trung vào phân tích, thiết kế các module điều khiển cho các thiết bị chính như bình tách sản phẩm, hệ thống đo lưu lượng, áp suất và nhiệt độ. Thông qua ứng dụng công nghệ PCS (Process Control System) và các giải pháp tự động hóa tiên tiến, hệ thống này giúp giảm chi phí vận hành và tăng cường khả năng giám sát từ xa.

1.1. Ý nghĩa của Hệ thống Điều khiển trong Khai thác Dầu khí

Hệ thống điều khiển công nghệ đóng vai trò quan trọng trong tăng năng suất khai thác. Nó cho phép các kỹ sư điều khiển chính xác các thông số như áp suất, nhiệt độ và lưu lượng, từ đó tối ưu hóa quá trình tách dầu, nước và khí. Tự động hóa giàn khoan cũng giảm thiểu sai sót con người, nâng cao an toàn lao động và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

1.2. Các Thách thức trong Thiết kế Hệ thống

Thiết kế hệ thống điều khiển cho giàn khoan phải đối mặt với nhiều thách thức như điều kiện môi trường biển khắc nghiệt, yêu cầu độ tin cậy cao và khả năng hoạt động 24/7. Hệ thống PCS Vietsovpetro phải tích hợp nhiều cảm biến, van điều khiển và giao diện người-máy (HMI) để đảm bảo hiệu quả tối đa.

II. Cấu trúc và Thành phần Chính của Hệ thống

Hệ thống điều khiển giàn khoan Vietsovpetro bao gồm nhiều thành phần chính được tích hợp hoàn chỉnh. Trung tâm của hệ thống là PLC (Programmable Logic Controller) hoạt động cùng với các module ET-200 kết nối qua giao thức Profibus. Hệ thống sử dụng HMI (Human-Machine Interface) để cho phép nhân viên giám sát và điều khiển các quá trình từ xa. Các thiết bị đo lường như cảm biến áp suất, nhiệt độ và lưu lượng được tích hợp để cung cấp phản hồi thời gian thực. Bình tách sản phẩm V-400 và V-406 là những thiết bị then chốt trong quá trình xử lý sản phẩm khai thác. Toàn bộ hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn ISO và ASME để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả hoạt động lâu dài.

2.1. Hệ thống PCS và Các Module Điều khiển

Hệ thống PCS Vietsovpetro sử dụng PLC Siemens S7-400 làm bộ xử lý trung tâm. Các module ET-200 được kết nối qua mạng Profibus để điều khiển các van, bơm và các thiết bị khác trên giàn khoan. Logic điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ bậc thang (Ladder Logic) để đảm bảo dễ bảo trì và mở rộng.

2.2. Giao diện HMI và Giám sát Từ xa

Giao diện người-máy (HMI) được thiết kế bằng WinCC, cho phép các operator giám sát tất cả các thông số kỹ thuật trong thời gian thực. Hệ thống SCADA tích hợp trong HMI giúp lưu trữ dữ liệu lịch sử, hỗ trợ phân tích xu hướng và dự báo bảo trì dự phòng.

III. Các Chức năng Điều khiển Chính của Giàn khoan

Hệ thống điều khiển giàn khoan Vietsovpetro được thiết kế để thực hiện nhiều chức năng quan trọng. Điều khiển áp suất trong bình tách sản phẩm V-400 được thực hiện thông qua các van khí, giữ áp suất ở mức tối ưu để tách hiệu quả. Điều khiển mức chất lỏng sử dụng bộ điều khiển PID để duy trì mức dầu trong bình ở giá trị đặt định. Đo lưu lượng được thực hiện qua các đồng hồ đo lưu lượng kỹ thuật số, cung cấp dữ liệu sản xuất chính xác. Hệ thống cảnh báo và bảo vệ phát hiện các anomaly như quá áp, quá nhiệt và tự động kích hoạt các biện pháp bảo vệ. Các thuật toán điều khiển tiên tiến được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất khai thác.

3.1. Điều khiển Áp suất và Nhiệt độ

Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển áp suất khí trong bình V-400 và V-406. Hệ thống cảnh báo nhiệt độ giám sát nhiệt độ bình và các dòng sản phẩm, ngăn chặn các tình huống quá nhiệt. Tham số PID được auto-tuning tự động để phù hợp với điều kiện vận hành thực tế.

3.2. Điều khiển Lưu lượng và Mức Chất lỏng

Bộ đo lưu lượng khi dầu cung cấp dữ liệu sản xuất thời gian thực cho hệ thống SCADA. Điều khiển mức chất lỏng trong bình tách được thực hiện tự động bằng cách điều chỉnh lưu lượng sản phẩm ra. Hệ thống logic phát hiện tình trạng bất thường và phát cảnh báo cho nhân viên.

IV. Ứng dụng Công nghệ và Kết quả Đạt được

Thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ cho giàn khoan Vietsovpetro đã đạt được nhiều kết quả đáng kể. Ứng dụng công nghệ tự động hóa hiện đại giúp tăng hiệu suất khai thác lên 15-20%. Hệ thống giám sát từ xa cho phép điều khiển giàn khoan từ trung tâm onshore, giảm chi phí nhân công trên giàn. Tích hợp WinCC cung cấp giao diện trực quan, cho phép nhanh chóng phát hiện và xử lý sự cố. Dữ liệu lịch sử được lưu trữ và phân tích, hỗ trợ quyết định bảo trì dự phòng. Hệ thống đã được mô phỏng và kiểm định trước khi triển khai, đảm bảo hoạt động ổn định. Kết quả thực tế cho thấy giảm 30% sự cố máy móc và tăng 25% tuổi thọ thiết bị.

4.1. Lợi ích Kinh tế và Kỹ thuật

Tự động hóa giàn khoan Vietsovpetro giảm đáng kể chi phí vận hành nhờ giảm nhân lực trên giàn. Hiệu suất sản xuất tăng do điều khiển chính xác các thông số công nghệ. Độ tin cậy hệ thống cao nhờ các cơ chế bảo vệ và giám sát liên tục. Thời gian chết (downtime) giảm 40% nhờ bảo trì dự phòng dựa trên dữ liệu thực tế.

4.2. Hướng Phát triển Trong Tương lai

Hệ thống có thể được nâng cấp với trí tuệ nhân tạo (AI) để dự báo bảo trì thêm chính xác. Tích hợp IoT (Internet of Things) cho phép kết nối với các hệ thống khác và phân tích dữ liệu toàn cầu. Cybersecurity cần được tăng cường để bảo vệ hệ thống khỏi các mối đe dọa mạng. Các công nghệ điều khiển tiên tiến sẽ tiếp tục được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 9 1.1 TONG QUAN VE QUA TRINTI VA THIET BI TREN GIÀN KHÁI THÁC DẤU KHÍ I0 12 CACHE THONG CHINH 12 1.3 TONG QUAN HE THONG DIEU KHIEN CÔNG NGHỆ TRÊX GIÀN KHAI THÁC 28 14 CÁC BÀI TOÁN ĐIỂU KHIỂN ĐẶC TRUNG 32 CHUONG 2: THIFT KE HE THONG DIEU KHIEN TREN GIAN KHAI THAC DAU KHi: 39 2.1 TONG QUAT VE THIET KE HE THONG 39 22 THIẾT HỆ THONG PCS THO TU CHUAN (DNV, API) 52 CHUONG 3: THIET KE MO PHONG VA CHAY THU TREN WINCC 130 3.1 TONG QUAN VE PHAN MEM WINCC 130 3.2 THỰC HIỆN MÔ PHÒNG 133 CHUONG 4: DANH GIÁ — KẾT LUẬN — KIÊN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PIU LUC DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỎ THỊ Hình 1.1-1 Hệ thống công nghệ giản đầu giếng. H HH ng Hàng 10g men 1g xeerre, ——. Hình 12-2: Cụm thu gom sản phẩm.2-3: Bình lách sân phẩm - - - 15 Hình 1.2-4: Bộ do lưu lượng khi dầu ra bình tách .18 Hình 12-5: Sơ đồ công nghệ bình xã kin V-301 và binh xã hở V-300.2-6 Sơ đỏ phân cấp đừng giản khẩn oấp.3-1 SỞ DO KHOI HE THONG PCS VOL CAC HE THONG LIEN QUAN.4-1§ơ đồ công nghệ một nhánh gaslifL - 32 Hình 1.4-2:Sơ đỗ công nghệ bão về áp suất bình V-406.4-38o0 dé cdng nghệ điều khiển áp suất khi đầu ra binh V-400.4-4Sơ đồ công nghệ đo và cảnh báo nhiệt độ bình V-400 35 Hình 1.4-5Sơ đỗ công nghệ diều khiển mức chất lỏng phân tách trong bình V-400.4-6So đồ nguyên lý điều khiển mức.2-1Mô hình tống quát hệ thông điêu khiến - - 53 Hinh 2.2-2 Mé hinh một hệ thống điều khiển đặc trưng.2-310 THONG PCS TRONG $6 DO KIIGI TONG THB 13 THONG DIU KHIỂN TRAN GIÀN ĐẤU GIẺNG. TH“ sestenianveatl saaenoeouee ĐÓ Hinh 2.2-4 SƠ ĐỎ PIPING INSTRUMENTATION DIAGRAM (PID) CHO BINH TACH SAN PHAM V-400 - - - - ce 100 Hirth 2.2-3Mung profibus giita PCS PTC va ET-200 TÔ module e OF Hình 2.2-45ơ dé khéi/truyén thong tổng quat hé théng ICSS (PUS, SI8j.2-10LUU BO LOGIC DIEU KHIEN AP SUAT BINH V-400.GGIC EIÊU KHIỂN MỨC BÌNH V-400 118 Hình 2.2-12 CÁC LƯU ĐÔ ĐIÊU KHIỂN THIẾU BỊ ĐÓ LƯU LƯỢNG, ÁP SUẤT VÀ NITỆT DỘ TRÊN BỈNI1 V-400 PIIUC VU DIEU KITIẺN CONG NGIT.2-13 CÁC LƯU ĐÔ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐO LƯU LƯỢNG, ÁP SUẤT VA NUT DO TRÊN BÌNH V-400 PHỤC VỤ DIỂU KIHỦN CÔNG NGIHƑ.

120 LỜI MỞ ĐẦU Các hệ thông công nghệ khai thác dẫu - khí trên biển luôn đòi hỏi phải được trang, bị các hệ thông đo lường - điều khiển được thiết kế theo những tiêu chuẩn và qui định đặc thù, đâm bảo cho hệ thống công nghệ hoạt động an todn, én định, chính xác và hiệu quả, Trong quá trình thiết kế, kỹ sư thiế phải thực hiện hàng loạt tỉnh toán, lựa chọn. thiết bị, thiết kế - chế tạo hệ thống, lập trình điều khiển, ding kiểm thiết kế và hệ thống. phù hợp với chức năng và nguyên lý của hệ thống điền khiển được yêu cầu. Đô thực hiện nhiêm vụ nảy, ngoài kiến thức chuyên môn, người thiết kế phải có kinh nghiệm và nằm vững các tiêu chuẩn, qui trình và qui phạm trong thiết kể các hệ thông đo lường - điểu khi ứng như phải có kỹ răng lrong v Tạ quyết định dựa trên các qui định về an toàn cho con người và môi trường của dãng kiểm quốc gia và quốc tế ‘Thuc té cho thay các kỹ sư mới tốt nghiệp từ các trường, đảo tạo chuyên ngành do lường — điểu khiển trong và ngoài nước đều có những hạn chẻ nhất định trong việc tiếp cận và triển khai thực hiện công việc thiết kế.

Đặc biệt, họ hâu như không được đào tạo về các qui định, qui chuẩn vá tiêu chuẩn thiết kế hệ thống, Dựa trên những kinh nghiệm và khó khăn đã tồi qua trong quá trình tiếp cận công việc và thục hiện thiết kế, em meng muốn xáy dựng các bộ hướng dẫn thiết kẻ hệ thống đo lường - điều khiến để hỗ trợ và trang bị những kiến thức cần thiết cho các kỹ sư thiết kế chưa có kinh nghiệm, nhằm giảm bớt những khỏ khăn ban dau, đáp ứng tốt nhất các yêu cầu công việc cũng như nhanh chỏng nâng cao năng lực và kinh nghiệm. thiết kể hệ thống đo lường - điều khiển Công việc thiết kế hệ thống đo lường — điều khiển cụ thé sẽ phụ thuộc vào liêu chuẩn áp dụng, yêu câu của chủ đầu tư, qui mô dự án. do đó để tải nảy mang tinh chất định hướng chung cho việc tiếp cận và triển khai thiết kế. Các yêu cầu cụ thể về phương pháp tính toán, về lựa chọn thiết bị.

được đưa ra trong để Lải này nhằm phân tích, chứng mình tính đứng đắn và hướng dẫn người thiết kế hệ thông tuần thủ các tiêu Một số thuật ngữ và viết tắt được sử dựng trong tài liệu này như sau: BDV (Blowdown Valve} Van-xa ap ESD (Emergency Shutdown) Dừng khẩn cấp F&G (Fire and Gas) Bao chiy báo khí PCS (Process Control System) Hệ thống điều khiển công nghệ PFD (Process Flow Diagram) So dé qué tinh ppm (Parts Per Million) Phan trigu don vi PSD (Process Shutdown) Dung qua tinh SCSSV (Surface Controlled Sub-Surtace Safety Valve) Van sau diéu khién tu bé mat SDV (Shutdown Valve) Van dang khan cấp SSV (Surface Safety Valve) Van an toan bé mat TRG Tnothylone Glycol Hé théng tach mde dung céng nghé TEG USD (Unit Shutdown) Dimg tid. bi dm 1é WHCP (Wellhead Control Panel) Tủ điều khiến đâu giếng, WVSV (Wing Valve) Van nhánh WAT (Wax appearance temperature) Nhiét độ tạo sáp LỜI MỞ ĐẦU Các hệ thông công nghệ khai thác dẫu - khí trên biển luôn đòi hỏi phải được trang, bị các hệ thông đo lường - điều khiển được thiết kế theo những tiêu chuẩn và qui định đặc thù, đâm bảo cho hệ thống công nghệ hoạt động an todn, én định, chính xác và hiệu quả, Trong quá trình thiết kế, kỹ sư thiế phải thực hiện hàng loạt tỉnh toán, lựa chọn. thiết bị, thiết kế - chế tạo hệ thống, lập trình điều khiển, ding kiểm thiết kế và hệ thống. phù hợp với chức năng và nguyên lý của hệ thống điền khiển được yêu cầu.

Đô thực hiện nhiêm vụ nảy, ngoài kiến thức chuyên môn, người thiết kế phải có kinh nghiệm và nằm vững các tiêu chuẩn, qui trình và qui phạm trong thiết kể các hệ thông đo lường - điểu khi ứng như phải có kỹ răng lrong v Tạ quyết định dựa trên các qui định về an toàn cho con người và môi trường của dãng kiểm quốc gia và quốc tế ‘Thuc té cho thay các kỹ sư mới tốt nghiệp từ các trường, đảo tạo chuyên ngành do lường — điểu khiển trong và ngoài nước đều có những hạn chẻ nhất định trong việc tiếp cận và triển khai thực hiện công việc thiết kế. Đặc biệt, họ hâu như không được đào tạo về các qui định, qui chuẩn vá tiêu chuẩn thiết kế hệ thống, Dựa trên những kinh nghiệm và khó khăn đã tồi qua trong quá trình tiếp cận công việc và thục hiện thiết kế, em meng muốn xáy dựng các bộ hướng dẫn thiết kẻ hệ thống đo lường - điều khiến để hỗ trợ và trang bị những kiến thức cần thiết cho các kỹ sư thiết kế chưa có kinh nghiệm, nhằm giảm bớt những khỏ khăn ban dau, đáp ứng tốt nhất các yêu cầu công việc cũng như nhanh chỏng nâng cao năng lực và kinh nghiệm. thiết kể hệ thống đo lường - điều khiển Công việc thiết kế hệ thống đo lường — điều khiển cụ thé sẽ phụ thuộc vào liêu chuẩn áp dụng, yêu câu của chủ đầu tư, qui mô dự án. do đó để tải nảy mang tinh chất định hướng chung cho việc tiếp cận và triển khai thiết kế.

Các yêu cầu cụ thể về phương pháp tính toán, về lựa chọn thiết bị. được đưa ra trong để Lải này nhằm phân tích, chứng mình tính đứng đắn và hướng dẫn người thiết kế hệ thông tuần thủ các tiêu MỤC LỤC Trang Trang phụ bia Trời cam đoạn Danh mục các bảng, Danh mục các hình vẽ, dỗ thị Danh mục các ký hiệu, cáe chữ viết tắt MỞ DẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 9 1.1 TONG QUAN VE QUA TRINTI VA THIET BI TREN GIÀN KHÁI THÁC DẤU KHÍ I0 12 CACHE THONG CHINH 12 1.3 TONG QUAN HE THONG DIEU KHIEN CÔNG NGHỆ TRÊX GIÀN KHAI THÁC 28 14 CÁC BÀI TOÁN ĐIỂU KHIỂN ĐẶC TRUNG 32 CHUONG 2: THIFT KE HE THONG DIEU KHIEN TREN GIAN KHAI THAC DAU KHi: 39 2.1 TONG QUAT VE THIET KE HE THONG 39 22 THIẾT HỆ THONG PCS THO TU CHUAN (DNV, API) 52 CHUONG 3: THIET KE MO PHONG VA CHAY THU TREN WINCC 130 3.1 TONG QUAN VE PHAN MEM WINCC 130 3.2 THỰC HIỆN MÔ PHÒNG 133 CHUONG 4: DANH GIÁ — KẾT LUẬN — KIÊN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PIU LUC Một số thuật ngữ và viết tắt được sử dựng trong tài liệu này như sau: BDV (Blowdown Valve} Van-xa ap ESD (Emergency Shutdown) Dừng khẩn cấp F&G (Fire and Gas) Bao chiy báo khí PCS (Process Control System) Hệ thống điều khiển công nghệ PFD (Process Flow Diagram) So dé qué tinh ppm (Parts Per Million) Phan trigu don vi PSD (Process Shutdown) Dung qua tinh SCSSV (Surface Controlled Sub-Surtace Safety Valve) Van sau diéu khién tu bé mat SDV (Shutdown Valve) Van dang khan cấp SSV (Surface Safety Valve) Van an toan bé mat TRG Tnothylone Glycol Hé théng tach mde dung céng nghé TEG USD (Unit Shutdown) Dimg tid. bi dm 1é WHCP (Wellhead Control Panel) Tủ điều khiến đâu giếng, WVSV (Wing Valve) Van nhánh WAT (Wax appearance temperature) Nhiét độ tạo sáp DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỎ THỊ Hình 1.1-1 Hệ thống công nghệ giản đầu giếng. H HH ng Hàng 10g men 1g xeerre, ——.

Hình 12-2: Cụm thu gom sản phẩm.2-3: Bình lách sân phẩm - - - 15 Hình 1.2-4: Bộ do lưu lượng khi dầu ra bình tách .18 Hình 12-5: Sơ đồ công nghệ bình xã kin V-301 và binh xã hở V-300.2-6 Sơ đỏ phân cấp đừng giản khẩn oấp.3-1 SỞ DO KHOI HE THONG PCS VOL CAC HE THONG LIEN QUAN.4-1§ơ đồ công nghệ một nhánh gaslifL - 32 Hình 1.4-2:Sơ đỗ công nghệ bão về áp suất bình V-406.4-38o0 dé cdng nghệ điều khiển áp suất khi đầu ra binh V-400.4-4Sơ đồ công nghệ đo và cảnh báo nhiệt độ bình V-400 35 Hình 1.4-5Sơ đỗ công nghệ diều khiển mức chất lỏng phân tách trong bình V-400.4-6So đồ nguyên lý điều khiển mức.2-1Mô hình tống quát hệ thông điêu khiến - - 53 Hinh 2.2-2 Mé hinh một hệ thống điều khiển đặc trưng.2-310 THONG PCS TRONG $6 DO KIIGI TONG THB 13 THONG DIU KHIỂN TRAN GIÀN ĐẤU GIẺNG. TH“ sestenianveatl saaenoeouee ĐÓ Hinh 2.2-4 SƠ ĐỎ PIPING INSTRUMENTATION DIAGRAM (PID) CHO BINH TACH SAN PHAM V-400 - - - - ce 100 Hirth 2.2-3Mung profibus giita PCS PTC va ET-200 TÔ module e OF Hình 2.2-45ơ dé khéi/truyén thong tổng quat hé théng ICSS (PUS, SI8j.2-10LUU BO LOGIC DIEU KHIEN AP SUAT BINH V-400.