Chuyên đề Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bình tách dầu khí: Nâng cao hiệu làm việc của thiết bị kiểm soát áp suất trong bình tách

và áp suất trong đường ống hoặc trong bình tách (tùy theo mục đích sử dụng). Van được bảo dưỡng định kì hàng năm hoặc khi có sự cố hư hỏng bất thường. Cấu tạo của van được mô tả trong hình 3.5 Nắp màng ngăn; 2, 3- Đĩa kim loại; 4- Đầu vào khí điều khiển; 5- Lò xo; 6- Ti van trên; 7- Đế lò xo; 8- Chi tiết điều chỉnh lò xo; 9- Đầu nối ti van; 10- Thân van; 11- Đĩa chỉ thị độ đóng mở của van; 12- Thang chia; 13- Ti van dưới; 14- Đai ốc liên kết phần trên và phần dưới van; 15- Lá van; 16- Đai ốc thân van. Hình 3.5. Cấu tạo của van điều khiển  Nguyên lý hoạt động: Lá van có thể chuyển động dưới tác dụng của cơ cấu dẫn động và làm kín với đế van bằng mặt côn. Đối với van thường mở, khi chưa cấp khí thì màng ngăn nằm ở giới hạn trên, van ở trạng thái mở hoàn toàn. Dưới tác dụng của áp suất khí màng ngăn chuyển động xuống giới hạn dưới kéo theo ti van và lá van xuống dưới, lúc này van ở trạng thái đóng. Khi màng ngăn chuyển động xuống đến giới hạn dưới, van sẽ ở trạng thái đóng hoàn toàn. Trong quá trình màng ngăn chuyển động xuống dưới, lò xo bị nén lại, lực đàn hồi của lò xo hướng lên trên. Khi áp lực của khí nén lên màng ngăn nhỏ hơn lực đàn hồi của lò xo, màng ngăn sẽ chuyển động lên giới hạn trên, van sẽ ở trạng thái mở. Đối với van thường đóng hướng của lực tác dụng lên màng ngăn hoàn toàn ngược lại với van thường mở. Khi chưa cấp khí van ở trạng thái đóng hoàn toàn dưới tác dụng của lực đàn hồi của lò xo. Van có thể được điều khiển nhờ các cơ cấu dẫn động bằng tay. Lúc này lực tác dụng của khí nén được thay thế bằng các lực cơ học. 3.2.2. Các loại cảm biến 3.2.2.1. Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ là thiết bị nhiệt điện trở được gắn vào đường ống, khi nhiệt độ càng cao thì điện trở nhiệt có trị số càng giảm (điện trở thay đổi tỷ lệ nghịch với nhiệt độ). Sự thay đổi nhỏ này được đưa vào mạch điện tử để khuếch đại lên. Do vậy dòng điện đi qua sẽ thay đổi tuyến tính với nhiệt độ dòng chất lưu (khi nhiệt độ tăng thì cường độ dòng điện tăng và ngược lại), điện áp nguồn cấp cho bộ cảm biến là 24 VDC từ máy phát hoặc nguồn nuôi. Cảm biến nhiệt độ dựa trên nguyên lý: Điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng, do đó bộ cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ của thiết bị cần đo bằng điện trở dung. Cấu tạo: Phần tử nhạy cảm với nhiệt độ (1) Ống bảo vệ (2) Bộ xử lý tín hiệu (3) Nguyên lý hoạt động: Khi đặt điện áp một chiều 24 V vào bộ cảm biến nhiệt điện trở, do nhiệt độ thay đổi, điện trở tác dụng thay đổi dẫn đến dòng điện Ir của bộ cảm biến thay đổi. Hình 3.6. Cấu tạo cảm biến nhiệt độ Tại phòng điều khiển trung tâm nhận giá trị nhiệt độ trên đường ống hay trong bình tách sẽ truyền tín hiệu đến bộ điều khiển nhiệt độ. Tại bộ điều khiển nhiệt độ sẽ nhận biết giá trị dòng điện từ 4 ÷ 20 mA, tương ứng với nhiệt độ đó. Và bộ điều khiển nhiệt độ sẽ tác động đến các bộ điều khiển khác như bộ điều khiển áp suất, lưu lượng hay trực tiếp đến van. 3.2.2.2. Cảm biến áp suất Cảm biến áp suất sử dụng để đo chênh áp giữa trong lòng ống (trong bình) và môi trường. Sự thay đổi này làm thay đổi điện trở, sau đó tín hiệu được khuếch đại lên và được đưa về bằng cáp qua MTL và Computer Metering. Bộ cảm biến áp suất dùng để đo áp suất chất khí và chất lỏng trong ống dẫn (trong bình). Bộ cảm biến áp suất gồm có: + Lò xo điều chỉnh (1); + Ống xếp (2); + Con trượt (3); + Điện trở thay đổi (4); + Bộ xử lí tín hiệu (5). Hình 3.7. Cấu tạo cảm biến áp suất Nguyên lý hoạt động: Khi áp suất thay đổi, ống xếp đàn hồi di động làm con trượt thay đổi vị trí, dẫn đến điện trở thay đổi. Giá trị điện trở thay đổi dẫn đến sự thay đổi dòng điện trong bộ chuyển đổi, bộ chuyển đổi này sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra là dòng điện Ir = 4 ÷ 20 mA. 3.2.2.3. Cảm biến mức Bộ cảm biến mức dùng để đo mực chất lỏng trong các bồn chứa, bình tách… Cấu tạo: Bộ chuyển đổi chênh áp (hiệu áp suất ∆P) (1); Bộ chuyển đổi chênh áp – điện trở (2); Bộ chuyển đổi điện trở - dòng điện (3). Hình 3.8. Cấu tạo cảm biến mức Nguyên lý hoạt động: Do làm việc trong môi trường dễ cháy nổ, các thiết bị như: Bồn chứa, bình tách… đều kín, không thông với bên ngoài nên chiều cao của mức chất lỏng được xác định nhờ hiệu áp suất tĩnh. Khi chiều cao h của mực chất lỏng thay đổi thì điện trở thay đổi làm cho dòng điện đầu ra Ir của bộ cảm biến thay đổi theo. Thông số kĩ thuật của bộ cảm biến: Điện áp: 24 V (DC). Phạm vi đầu ra: 4 ÷ 20 mA. Phạm vi thay đổi mức tương ứng với dòng điện: 0 ÷ 100%. 3.2.2.4. Cảm biến lưu lượng Bộ cảm biến lưu lượng dùng để đo lưu lượng dòng chất lỏng hoặc khí. Thiết bị đo dựa trên nguyên lý đo chênh áp của dòng chảy khi chảy qua một ống thu hẹp (tấm lỗ), sau đó chênh áp này được biến đổi thành điện. Để tăng độ chính xác của phép đo, mỗi nhánh đo được đặt 2 bộ cảm biến lưu lượng như sau: + Bộ đo ở dòng < 20 mA. + Bộ đo ở dòng > 20 mA Với lưu lượng dòng nhỏ tương ứng với dòng điện qua cảm biến 20mA Metering sẽ tự động chuyển sang đọc giá trị ở thiết bị cảm biến 2. * Cấu tạo của cảm biến lưu lượng gồm: Đĩa có lỗ (1). Máng đàn hồi (2). Bộ chuyển đổi hiệu áp suất (3). Tay đòn (4). Điểm tựa (5). Bộ chuyển đổi lực - điện trở (6). Bộ chuyển đổi dòng điện – lực (7). Bộ xử lí tín hiệu điện (8). Hình 3.9. Cấu tạo cảm biến lưu lượng Nguyên lý hoạt động: Hoạt động của cảm biến lưu lượng dựa trên công thức: (3.1) (3.2) Trong đó: Q : Lưu lượng chất lỏng, khí. A: Tiết diện lỗ đĩa. : Khối lượng riêng của chất lỏng hoặc chất khí. µ: Hệ số chảy (phụ thuộc kết cấu của đĩa). ∆P: Hiệu áp suất đầu ra, đầu vào đĩa. g: Gia tốc trọng trường. Dòng chảy đi qua đĩa tạo nên sự chênh áp ∆P = P1 – P2 . Máng đàn hồi biến đổi điện áp thành một lực di động đầu tay đòn quanh điểm tựa. Một đầu kia của tay đòn chuyển lực của tay đòn đẫn đến sự thay đổi điện trở. Bộ xử lí tín hiệu sẽ cho ra tín hiệu là dòng điện thay đổi từ 4 ÷ 20 mA. Bộ chuyển đổi dòng điện – lực sẽ giữ đòn bẩy ở thế cân bằng. 3.2.3. Các loại thiết bị phụ trợ khác 3.2.3.1. Các bộ biến đổi tín hiệu Bộ biến đổi dòng điện sang áp suất khí (I/P) Cấu tạo: Thiết bị gồm phần điện tử và phần cơ khí. Phần điện tử gồm điện từ, lõi từ và đầu cảm biến áp suất đầu ra. Phần cơ khí bao gồm vỏ bạc, các đường dẫn khí, vòi phun, thanh chắn, các lớp màng cao su và cây ty van. Nguyên lý hoạt động: Tùy thuộc vào tín hiệu dòng điện điều khiển phần vòi phun làm thay đổi nguồn khí điều khiển. Nguồn khí điều khiển này cho phép cây ti van mở nhiều hay ít. Do đó ở đầu ra sẽ thay đổi tín hiệu dòng điện. Đầu cảm biến áp suất đầu ra làm nhiệm vụ cảm nhận và đưa tín hiệu về mạch ổn định áp suất để chống dao động. Thông số kĩ thuật: Dòng điện điều khiển: 4 ÷ 20 mA. Khí đầu ra tương ứng: 3 ÷ 30 psi. K = 27/15 (Psi/mA). Bộ biến đổi dòng điện – áp suất – dòng điện Cấu tạo: Gồm một đầu cảm biến (sensor) và bộ gia công tín hiệu (gồm bộ biến đổi A/D, vi xử lí và bộ biến đổi D/A). Nguyên lí hoạt động: Khi áp suất cần đo thay đổi sẽ làm điện áp đầu ra của cảm biến thay đổi. Bộ biến đổi A/D sẽ chuyển điện áp này thành tín hiệu số và gửi vào bộ vi xử lí. Tùy theo cấu hình và yêu cầu chuyển đổi mà bộ vi xử lí sẽ truyền cho bộ biến đổi D/A để chuyển thành tín hiệu đầu ra (I = 4 ÷ 20 mA) phụ thuộc vào áp suất cần đo. Thông số kĩ thuật: Nguồn nuôi: 12 ÷ 40 V. Tín hiệu dòng điện đầu ra: 4 ÷ 20 mA. Dải áp suất cần đo phụ thuộc vào cài đặt cấu hình. Giá trị áp suất cần đo thấp nhất và cao nhất của dải đo tương ứng với tín hiệu dòng điện là 4 mA và 20 mA. Bộ biến đổi mức Bộ biến đổi mức trong sơ đồ cấu trúc giữ chức năng là mạch hồi tiếp. Trong sơ đồ cấu trúc của bình tách bộ biến đổi mức được kí hiệu là Kh1 và Kh2. Dựa theo nguyên lí hoạt động của bộ biến đổi mức, ta thấy để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành thì chiều cao nhỏ nhất của mực chất lỏng là 0.2 m và chiều cao lớn nhất là 0.8m. Do vậy tín hiệu vào là h = 200 ÷ 800 mm và tín hiệu ra là dòng 4 ÷ 20 mA. Theo số liệu trên thì ta thấy bộ biến đổi mức là một khâu khuếch đại. Bộ biến đổi áp suất Bộ biến đổi áp suất có thể coi là một khâu tỷ lệ vì hằng số thời gian của phần tử điện tử rất nhỏ so với hằng số thời gian của các khâu khác trong hệ thống. Tín hiệu vào của bộ biến đổi áp suất là dòng điện 4 ÷ 20 mA, tín hiệu ra là giá trị áp suất tương ứng. 3.2.3.2. Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) PLC viết tắt của Programmable Logic Cotrol: Là thiết bị điều khiển logic khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Hiện nay trong nghành tự động hóa nói chung và nghành dầu khí nói riêng thì PLC là không thể thiếu trong các lĩnh vực liên quan đến điều khiển. PLC bao gồm: Modul vào ra (có thể mở rộng), bộ xử lý thông tin (CPU) và bộ nhớ. Hiện nay trên thị trường có nhiều hãng sản xuất PLC tin cậy nhưng điển hình thì có: Omron, Siemens, Bradley… Tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển mà ta có thể chọn các CPU và các hãng cho hợp lí tránh lãng phí. 3.3. Thiết bị kiểm soát áp suất trong bình tách 3.3.1. Tầm quan trọng của thiết bị kiểm soát áp suất. Bình tách là một thiết bị làm việc trong môi trường áp suất cao, nó thường xuyên phải chịu áp lực gây ra từ các tác nhân bên trong (hỗn hợp dầu- khí-nước). Để bình tách hoạt động một cách hiệu quả, an toàn thì nó không thể thiếu được thiết bị kiểm soát như: kiểm soát mực chất lỏng, kiểm soát áp suất, nhiệt độ…. Việc duy trì áp suất trong bình tách nằm trong giới hạn cho phép để đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị trong quá trình làm việc, tránh những rủi ro đáng tiếc xảy ra là nhiệm vụ rất quan trọng. Do đó người ta đã tiến hành lắp đặt thiết bị kiểm soát áp suất trên bình tách. Để làm rõ những đặc tính, tính chất, vai trò và nguyên lý hoạt động của các thiết bị điều khiển áp suất tác giả xin giới thiệu về qui trình vận hành điều khiển trong Bình Tách 01V- 1020 ở mỏ Sông Đốc. 3.3.2. Sơ đồ công nghệ Sơ đồ công nghệ của bình tách 01V-1020 được thể hiện trên hình 3.10 Hình 3.10. Sơ đồ công nghệ bình tách 01V-1020 3.3.2.1. Các thông số kĩ thuật của bình tách 01V-1020 Các thông số kĩ thuật Kích cỡ ID x Length T/T (mm): 1000 x 3655. Độ dày thành bình tách : 38.1 mm. Độ ăn mòn cho phép bên ngoài/bên trong: 0/3 mm. Nhiệt độ làm việc max/min: 1080C/300C Áp suất thiết kế: 7500 kPa. Áp suất làm việc: 6000/5000/1280 kPa. Vật liệu: CS + 316L SS CLAD. Trọng lượng bình không tải: 6944 kg. Trọng lượng bình đầy tải: 10154 kg. Tổng thể tích bình tách: 3.2 m3. Mức điều khiển cao nhất: LAHH = 750 mm. Mức điều khiển trung bình: NAH = 500 mm. Mức điều khiển thấp nhất: LALL = 250 mm. Thông số của các thiết bị điều khiển trên bình tách 01V-1020 Bảng 3.1. Đặc tính kĩ thuật của thiết bị điều khiển mức của bình tách 01V-1020 Kí hiệu Đặc tính kĩ thuật 1LZT -1001 1LT - 1002 1LG - 1003 1PG - 1001 Nguồn cấp 24 VDC 24 VDC N/A N/A Tín hiệu ra 4 ÷ 20 mA 4 ÷ 20 mA Đọc trực tiếp Đọc trực tiếp Phạm vi điều khiển 0÷1600 mmH20 0÷1600 mmH20 0÷800 mmH20 0÷800 mmH20 Chất lưu Dầu và nước Dầu và nước Dầu và nước Dầu và nước Áp suất 17720 kPa 7500 kPa 7500 kPa 7500 kPa Nhiệt độ nhỏ nhất 30oC 30oC 30oC 30oC Nhiệt độ lớn nhất 108oC 108oC 108oC 108oC Bảng 3.2. Đặc tính kĩ thuật của các bộ điều chỉnh áp suất của bình 01V-1020 Kí hiệu Đặc tính kĩ thuật PZT -1011A PZT -1011B PZT -1011C Nguồn cấp 24VDC 24VDC 24VDC Tín hiệu ra 4 ÷ 20 mA 4 ÷ 20 mA 4 ÷ 20 mA Phạm vi điều khiển 0÷10000 mmH20 0÷10000 mmH20 0÷10000 mmH20 Chất lưu Dầu, khí, nước Dầu, khí, nước Dầu, khí, nước Áp suất 7500 kPa 17720 kPa 17720 kPa Nhiệt độ nhỏ nhất 30oC 30oC 30oC Nhiệt độ lớn nhất 108oC 108oC 108oC Bảng 3.3. Đặc tính kĩ thuật của các bộ đo nhiệt độ (TT), áp suất (PT), lưu lượng (FT) Kí hiệu Đặc tính kĩ thuật 1TT - 1001 1TT - 1009 1PT - 1010 1FT – 1001 Nguồn cấp 24 VDC 24 VDC 24 VDC 24 VDC Tín hiệu ra 4 ÷ 20 mA 4 ÷ 20 mA 4 ÷ 20 mA 4 ÷ 20 mA Phạm vi điều khiển 0 -120oC 0 -120oC 17720kPa Chất lưu Dầu và nước khí Dầu và nước Dầu và nước Áp suất 7500 kPa 7500 kPa 7500 kPa 7500 kPa Nhiệt độ nhỏ nhất 30oC 30oC 30oC 30oC Nhiệt độ lớn nhất 108oC 108oC 108oC 108oC Bảng 3.4. Đặc tính của van điều khiển áp suất (PCV) và van điều khiển lưu lượng (LCV) Kiểu van Thông số LCV - 1001 PCV - 1001 Số serial/model /88 - 41325 MSP-16313-2-1/88-41315 Hãng sản suất Dresser Dresser Cơ cấu dẫn động Khí nén Khí nén Kích cỡ của thân van 4 inch 4 inch Phạm vi điều chỉnh lò xo 40 ÷ 200 kPa 40 ÷ 240 kPa Áp suất cung cấp 400 ÷ 1000 kPa 400 ÷ 1000 kPa Áp suất vào min/max 1280/6000 kPa 1280/6000 kPa Áp suất ra min/max 1230/5800 kPa 1230/5800 kPa Tín hiệu vào mở 20 mA 20 mA Tín hiệu ra đóng 4 mA 4 mA Nhiệt độ hoạt động min/max 10/108 oC 10/108 oC Tỉ lệ dòng chảy bình thường 25 Sm3/h 6548 m3/h Tỉ lệ dòng chảy cực đại 29 Sm3/h 7433 m3/h Có dòng chảy Van mở ra Van mở ra Có lỗi vị trí Van đóng lại Van đóng lại Bảng 3.5. Số lượng các loại van sử dụng trong hệ thống bình tách Kí hiệu Loại van Đặc điểm Số lượng MV Van bi Thường mở 10 MV Van bi Thường đóng 14 MV Van một chiều Luôn mở 3 SDV Shutdown van Luôn mở 3 BDV Blowdown van Luôn đóng 1 PSV Van an toàn Luôn đóng (khi làm việc bình thường) 2 3.3.2.2. Nguyên lý hoạt động của bình tách 01V-1020 Dầu thô từ giếng khoan đưa lên gồm nhiều pha khác nhau, chúng được đưa qua cụm phân dòng, tới bình tách thông qua đường ống 4 inch, qua SDV – 1002, qua bộ cảm biến áp suất PDZT – 1002 tới van một chiều MS – 10107 đổ vào bình tách 01V – 1020. Dầu thô khi đưa vào bình tách, sau một số công đoạn được tách thành các thành phần khác nhau và được đưa ra ngoài theo hướng đỉnh và đáy bình. Sản phẩm ra trên đỉnh bình tách là khí, ra ở đáy bình là dầu và nước. Khí đi theo đường ống có đường kính 4 inch qua bộ điều khiển áp suất PCV – 1001 và bộ điều chỉnh áp suất thấp cho sản phẩm trong ống, khí tiếp tục qua bộ chuyển đổi áp suất, qua van SDV – 1004 và qua bộ chuyển đổi lưu lượng FT – 1002, tín hiệu đó đưa đến máy tính để hiển thị và kiểm tra áp suất trong đường ống, đồng thời kết hợp với thiết bị bù nhiệt – áp để cân bằng áp suất và ổn định nhiệt độ trong đường ống, dòng khí tiếp tục đổ về đường chính chung với dầu và được đưa tới bình tách thứ cấp dặt trên tầu dầu FPSO. Còn sản phẩm đáy bình gồm hai thành phần: Dầu và nước, là hai chất không tan vào nhau, hơn nữa tỉ trọng của dầu nhỏ hơn nước, do vậy việc phân tách hỗn hợp này trong một bình tách là rất hiệu quả. Thông thường dầu là pha nhẹ và là pha liên tục, còn nước là pha nặng và là pha phân tán. Dầu được tách nước nhờ bộ điều chỉnh mức cao LZA – 1001 và LICA – 1002. Sản phẩm dầu được đi theo ống có đường kính 4 inch, qua van MV – 10120, thiết bị đo lưu lượng FT – 1001, bộ phận tích nước trong dầu AT – 1001, tới van SDV – 1003, qua điều khiển mức LCV – 1001. Dầu qua bình tách để lọc hết thành phần nước và cặn bã còn lại trong dầu, thành phần nước thải được tách dầu lại một lần nữa nhờ bộ chuyển đổi mức thấp LZT – 1001, sau đó qua van bi MV – 10130 được đưa ra ngoài. Còn dòng dầu tiếp tục được đưa về oil production manifold và tới FPSO dưới sự giám sát sản phẩm của bộ phân tích AT – 1001 và bộ ổn định dòng để kiểm tra thành phần nước còn lại trong dầu, sau đó qua van điều khiển mức LCV – 1001, van này nhận tín hiệu điện ra từ 4 ÷ 20 mA của LT – 1002 thông qua hệ thống điều khiển. Sau đó dầu được đưa qua các thiết bị MV –10120, FT – 1001, AT – 1001, SDV – 1003, LCV – 1001 và tới FPSO. Trong trường hợp bình tách có sự cố thì dầu được đi theo đường Bypass từ oil production manifold tới SDV – 1001A về FPSO. Khí điều khiển từ máy nén khí cấp từ FPSO tới giàn khoan để điều khiển các thiết bị trên giàn và cấp nguồn khí nén từ 7 ÷ 12 bar cho các PCV, LCV. Trên đỉnh bình tách được trang bị 2 van an toàn PSV – 1010 và PSV – 1011 để xả áp suất khi trong bình tách có sự cố. Van an toàn PSV – 1010 được cài đặt tự động khi quá áp sẽ xả theo đường ventboom, còn van PSV 1011 thường đóng khi nào van PSV – 1010 gặp sự cố thì dùng đến. Bình tách có bộ điều chỉnh áp suất cao và thấp PZT – 1011A, B, C. Ngoài ra còn có thiết bị đo mức đọc trực tiếp LG – 1003 để đo mức trong bình và bộ điều chỉnh nhiệt độ TT – 1001 để kiểm soát nhiệt độ bình tách. Thành phần nước cứu hỏa có 6 vòi được đặt trên đỉnh bình tách, khi có sự cố xảy ra sẽ xả nước tự động. 3.3.3. Nguyên lý điều khiển 3.3.3.1. Công nghệ điều khiển Lựa chọn thiết bị điều khiển Với tín số lượng tín hiệu đầu vào và đầu ra như trên ta nên lựa chọn thiết bị điều khiển PLC S7-400 của hãng Siemens và chọn CPU điều khiển S7-400, là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng. Các module này được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Tùy theo yêu cầu cụ thể của quá trình điều khiển nguồn sử dụng có thể chộn CPU khác nhau. Dựa vào số lượng đầu vào và ra dã nêu ở trên nên chọn loại CPU 224 và module EM231 AI4x12 bit, EM232 AQ 2x12 bit. Lập trình có cấu trúc: PLC gồm có 4 loại khối cơ bản: Khối OB (oganization block): Là khối tổ chức và quản lí chương trình điều khiển. Khối FC (program lock): Là khối chương trình với những tính năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến hình thức). Khối FB (Funtion block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Khối DB (data block): Là khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. Lập trình có cấu trúc là kĩ thuật cài đặt thuật toán điều khiển bằng cách chia nhỏ thành các khối chương trình con FC hay FB, toàn bộ các khối chương trình con này lại được quản lí bởi khối OB1. Các loại tín hiệu điều khiển được giới thiệu trong bảng 3.6. Bảng 3.6. Kí hiệu các tín hiệu vào ra dùng trong công tác điều khiển STT Tín hiệu Chức năng Ghi chú 1 AO (4 ÷ 20 mA) Tín hiệu mở van PCV-1001 Tín hiệu ra 2 AO (4 ÷ 20 mA) Tín hiệu mở van LCV-1001 Tín hiệu ra 3 AI (4 ÷ 20 mA) Tín hiệu đo mức của LT-1001 Tín hiệu vào 4 AI (4 ÷ 20 mA) Tín hiệu đo áp suất PT-1010 Tín hiệu vào 5 DI (ON/OFF) Start/Stop bơm, đóng mở công tắc 6 DI Tín hiệu trip/shutdown Xác định giá trị đặt cho mức Mức trong bình tách thì PLC không thể hiểu được nên ta phải chuyển đổi giá trị đặt cho PLC. Mức chiều cao tối đa trong mức của bình tách là 1600 mm, qua các bộ chuyển đổi ta được giá trị đặt cho mức là 12 bit (215 = 4099). Thiết bị đo mức (0 -1600 mm) AD PLC 4 – 20 mA 819- 4099 Hình 3.11. Sơ đồ chuyển đổi giá trị đặt cho mức Dựa vào sơ đồ chuyển đổi ta được giá trị mức cảnh báo tương ứng với giá trị số trong PLC là: Quan hệ giữa L – I theo hàm: XL = (XI – 4).1600/16 (3.3) Quan hệ giữa PLC – I theo hàm: XPLC = (XI – 4).+ 819 (3.4) Bảng 3.7. Mối quan hệ giữa L – I - PLC L (mm) I (mA) PLC 0 4 819 400 8 1639 800 12 2459 1200 16 3279 1600 20 4099 Xác định giá trị đặt cho áp suất Áp suất thiết kế của bình tách: 7500 kPa. Áp suất làm việc của bình tách: 6000 kPa. Thiết bị đo áp suất (0÷6000 kPa) AD PLC 819-4099 819 - 4099 Hình 3.12. Sơ đồ chuyển đổi giá trị đặt cho áp suất Để điều khiển áp suất cho bình tách 01V-1020 cần phải giữ áp suất bình tách ở khoảng 6000 kPa ± 5% tương ứng trong khoảng 5700 ÷ 6300 kPa. Giá trị cao cho phép là 7500 kPa, giá trị thấp cho phép là 0 kPa. Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa P – I: Quan hệ giữa P – I được xác định theo hàm: XP = (XI – 4).1000/16 (3.5) Quan hệ giữa PLC – I theo hàm: XPLC = (XI – 4)+81 (3.6) Bảng 3.8. Mối quan hệ giữa P – I - PLC P (kPa) I (mA) PLC 0 4 819 2500 8 1639 5000 12 2459 7500 16 3279 10000 20 4099 3.3.3.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển Lưu đồ thuật toán chương trình chính: Hình 3.13. Lưu đồ thuật toán chương trình chính Lưu đồ thuật toán điều khiển mức: Hình 3.14. Lưu đồ thuật toán điều khiển mức Lưu đồ thuật toán điều khiển áp suất: Hình 3.15. Lưu đồ thuật toán điều khiển áp suất Yêu cầu điều khiển của hệ thống điều khiển trong bình tách 01V- 1020 Khi có tín hiệu khởi động (cho phép từ hệ thống). Các khâu điều khiển mức, điều khiển áp suất nhận các tín hiệu đo từ các thiết bị: PT-1010, PZT-1011 A,B,C và LT-1002, LZT-1001. Tính toán và gửi tín hiệu điều khiển cho các van PCV-1001 và LCV-1001. Các bộ giám sát và cảnh báo được đưa vào trạng thái sẵn sàng hoạt động Các tín hiệu PALL, PAHH, LAHH, LALL dùng để điều khiển, tạo các báo động khi vận hành Các mức trong bình tách: +) LAHH + 750 mm: Mức cao báo động. +) LAH + 600 mm: Mức cao. +) LAL + 400 mm: Mức thấp. +) LALL + 250 mm: Mức thấp báo động. Nếu LAHH-1002 có tín hiệu báo mức chất lỏng trong bình quá cao (LAHH + 7500 mm) thì hệ thống phải báo sự cố về phòng điều khiển trung tâm, bật đèn sự cố và đóng van đầu vào SDV-1002, ngừng cấp nguyên liệu và mở hoàn toàn van LCV-1001, nhằm bảo đảm an toàn chống cháy nổ cho toàn hệ thống. Nếu PAHH-1011 có tín hiệu áp suất cao thì phải báo sự cố về phòng điều khiển trung tâm, bật đèn sự cố và mở hoàn toàn van đầu ra PCV-1001, nhờ tín hiệu PT-1010 (Pressure transmitter) được tính toán dể tạo tín hiệu điều khiển PCV-1001. Nếu áp suất đường gas – lift quá cao, thì hệ thống PMSC, DCS, SCADA sẽ nhận tín hiệu PAHH-1011 để điều chỉnh áp suất cao đồng thời mở hoàn toàn van PCV-1001 và đóng shutdown van SDV. Nếu PALL-1011 có tín hiệu áp suất cao thì phải báo sự cố về phòng điều khiển trung tâm, bật đèn sự cố và đóng van đầu ra PCV-1001, nhờ tín hiệu PT-1010 (Pressure transmitter) được tính toán để tạo tín hiệu điều khiển PCV-1001. Nếu áp suất đường gas – lift quá thấp, thì hệ thống PMSC, DCS, SCADA sẽ tạo tín hiệu PALL-1011 để điều chỉnh áp suất thấp đồng thời đóng hoàn toàn van PCV-1001 và đóng shutdown van SDV. Khi có tín hiệu dừng khẩn cấp nhận được từ 2 trong 3 thiết bị PZT-1011A,B,C báo động mức thấp hoặc mức cao thì đóng tất cả các van đầu vào và ra. Khi có tín hiệu dừng thì đóng van đầu vào và mở 2 van đầu ra PCV-1001 và LCV-1001 như lúc mức và áp suất trong bình ổn định. Chương 4 NÂNG CAO HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ KIỂM SOÁT ÁP SUẤT TRONG BÌNH TÁCH Thiết bị kiểm soát áp suất trong bình tách có các thành phần chính là bộ phận cảm biến (sensor) và các van điều khiển (PCV). Các cảm biến là các thiết bị điện tử, việc cải tiến cấu trúc của chúng để nâng cao hiệu quả sử dụng là rất khó khăn, hơn nữa khi làm việc chúng ít chịu ảnh hưởng của lực cơ học trị số lớn nên chúng ít bị hỏng hóc, mà thường chỉ gặp phải các lỗi chính như sau: Bảng 4.1. Các lỗi thường gặp của các cảm biến STT Các lỗi thường xảy ra. Nguyên nhân và cách khắc phục 1 Cảm biến phần cứng không tương thích. Bộ phận sensor điện bị va đập, lỗi phần mềm => thay thế bộ cảm biến, liên hệ với trung tâm sửa chữa của hãng tại khu vực. 2 Phần cảm biến không hoạt động. Bộ phận sensor điện bị va đập, lỗi phần mềm => thay thế bộ cảm biến. 3 Khối cảm biến không cập nhật được thông tin mới. Tuột cáp trong bộ mạch, thiết bị điện tử đã cũ hoặc lỗi phần mềm => liên hệ với trung tâm sửa chữa của hãng tại khu vực. 4 Khối cảm biến không hoạt động được. Tuột cáp trong bộ mạch, thiết bị điện tử đã cũ hoặc lỗi phần mềm => liên hệ với trung tâm sửa chữa của hãng tại khu vực. 5 Khối cảm biến tĩnh không hoạt động được. Bộ phận sensor điện bị va đập, lỗi phần mềm => thay thế bộ cảm biến, liên hệ với trung tâm sửa chữa của hãng tại khu vực. 6 Lỗi Ram Khởi động và chạy lại thiết bị. 7 Lỗi phần tự kiểm tra thiết bị. Tín hiệu điện tử ra không hoạt động => thay thế bộ điện tử ra. 8 Khối cảm biến tĩnh mở quá lớn. Giá trị áp suất vượt quá giới hạn, có 2 nguyên nhân, đó là do áp suất quá cao hoặc sensor hỏng => kiểm tra áp suất cấp vào thiết bị, nếu cần thiết thì thay bộ cảm biến. 9 Bộ cảm biến nhiệt độ không kết nối được. Kiểm tra phần kết nối và nối lại cáp. 10 Áp suất chênh lớn hơn giải đo trên (URL) và giới hạn dưới (LRL). Áp suất không được vượt quá 10% áp suất thiết kế, lỗi này do hệ thống quá áp hoặc sensor hỏng => kiểm tra áp suất đầu vào bằng thiết bị khác, nếu cần thiết thì thay thế bộ cảm biến. Với các lỗi trên thì về cơ bản chúng ta không khắc phục được mà chủ yếu là gửi về các hãng sản xuất. Vì vậy để nâng cao hiệu quả sử dụng của cảm biến thì ta phải nắm rõ được cách vận hành, thường xuyên kiểm tra để phát hiện sự cố mà thay thế kịp thời. Còn đối với van điều khiển áp suất, trong quá trình làm việc thường gặp các hỏng hóc chủ yếu sau: Hỏng gioăng làm kín, rách màng ngăn, lò xo bị yếu hoặc gẫy, thân van và lá van bị rỗ. Đối với gioăng làm kín và màng ngăn đều có cấu tạo đơn giản, vật liệu chế tạo rẻ nên khi gặp hỏng hóc thì tốt nhất là thay thế. Với các chi tiết còn lại công việc phải làm là tìm cách khắc phục để nâng cao tuổi thọ cho lò xo, chống mòn, rỗ cho thân van và lá van. Tóm lại, để nâng cao hiệu quả sử dụng cho thiết bị điều khiển áp suất trong bình tách, ta cần tìm cách nâng cao tuổi thọ cho van điều khiển áp suất, cụ thể là nâng cao tuổi thọ cho lò xo, chống mòn cho thân van và lá van. 4.1. Điều kiện làm việc của lò xo, thân van và lá van Lò xo có nhiệm vụ là tác dụng lực đẩy lên ty van để điều chỉnh lá van đóng mở cho phù hợp với yêu cầu điều khiển, lò xo không tiếp xúc với dòng khí qua van và tiếp xúc với ty van thông qua vòng đệm nên không cọ sát với chi tiết khác. Như vậy lò xo chịu lực nén của áp suất khí nén gây ra thông qua màng ngăn và ty van (áp suất khí nén tác dụng đẩy lên màng ngăn, màng ngăn kéo theo ti van chuyển động và qua đó ty van tác dụng lực nén lên lò xo), lò xo không bị ảnh hưởng bởi các chất ăn mòn có trong dòng khí chảy qua van. - Phần đáng chú ý nhất ở thân van là cửa ra, cửa vào và đế van (cho lá van tì lên). Cả 3 phần này đều tiếp xúc trực tiếp với dòng khí chảy qua van, riêng phần đế van còn cọ sát với lá và chịu tác dụng lực nén từ lá van khi van đóng. Phần lá van cũng tiếp xúc trực tiếp với chất khí chảy qua van và cọ sát với đế van, chịu lực nén của áp suất khí nén khi van đóng. Hình 4.1. Cấu tạo thân van Ti van; 2- Thân van; 3- Lá van; 4- Đế van. Hình 4.2. Cấu tạo mũ van và các đệm làm kín Con chạy; 2- Tấm ép đệm làm kín; 3- Ống lót; 4- Packing set; 5- Đai hãm; 6- Nắp van; 7- Đệm làm kín; 8- Vòng đệm; 9- Lò xo. 4.2. Biện pháp nâng cao tuổi thọ của lò xo Do điều kiện làm việc như trên, lò xo bị yếu hoặc gẫy là do bị giảm cơ tính mà nguyên nhân là do giảm sức bền mỏi. Để tăng tuổi thọ cho lò xo, ta sẽ lập quy trình chế tạo để tăng cơ tính cho lò xo. Lò xo được chế tạo từ thép đàn hồi, trước khi lập quay trình chế tạo, ta tìm hiểu về vật liệu thép đàn hồi. 4.2.1. Thép đàn hồi Đây là loại thép có thành phần các bon nằm tong khoảng 0,5 ÷ 0,7%, sau tôi và ram trung bình có giới hạn đàn hồi cao. Thép này chuyên dùng để chế tạo các chi tiết đàn hồi: Lò xo, nhíp,… nên được gọi là thép đàn hồi. Thành phần hoá học: - Các bon: Các phần tử đàn hồi không cho phép có biến dạng dẻo cũng như bị phá huỷ giòn khi làm việc nên thành phần các bon của thép đàn hồi không được quá thấp cũng như không được quá cao. Khoảng thành phần cacbon hợp lý của loại thép này là 0,5 – 0,7% (thường gặp 0,55 – 0,65%). - Nguyên tố hợp kim: Các nguyên tố Mn, Si cho vào thép đàn hồi với mục đích nâng cao tính đàn hồi. Các nguyên tố khác như Cr, Ni, V được cho vào với mục đích ổn định tính đàn hồi của thép. 4.2.1.1. Yêu cầu đối với vật liệu đàn hồi Thép và các hợp kim có các tính chất đàn hồi cao được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy và dụng cụ. Trong chế tạo máy, chúng được dùng để chế tạo nhíp, bộ giảm xóc, lò xo chịu lực với các công dụng khác nhau. Trong chế tạo dụng cụ được sử dụng làm các chi tiết đàn hồi như tấm rơle, hộp xếp, giá treo, cấu kiện chịu kéo. Đặc điểm chung của các chi tiết này là không được phép biến dạng dư khi tải trọng tĩnh lớn, tuần hoàn hay va đập. Do đó các vật liệu này ngoài cơ tính đặc trưng cho các vật liệu kết cấu (độ bền, độ dẻo, độ dai, độ bền mỏi) cần phải có độ bền cao để chống lại biến dạng dẻo dù nhỏ. Trong điều kiện chịu tải trọng tĩnh trong thời gian ngắn, độ bền chống biến dạng dẻo nhỏ được đặc trưng bởi giới hạn đàn hồi, khi chịu tải lâu hay tải tuần hoàn thì đó là độ bền tích thoát. Độ bền tích thoát được đánh giá bởi sự chống lại tích thoát ứng suất. Tích thoát ứng suất được đặc trưng bởi việc giảm ứng suất làm việc trong chi tiết. Sự tích thoát ứng suất nguy hiểm ở chỗ, khi chuyển một phần biến dạng đàn hồi thành biến dạng dẻo thì các phần tử đàn hồi thay đổi hình dáng và kích thước sau khi bỏ tải trọng. Tích thoát ứng suất xảy ra bằng cách biến dạng dẻo tế vi trong các hạt tinh thể riêng lẻ và được tích lũy theo thời gian. Với các ứng suất thấp hơn giới hạn đàn hồi, biến dạng dẻo tế vi có thể được gây ra bởi: sự uốn cong các lệch hay sự tách lệch riêng biệt khỏi các chốt hãm khi ứng suất nhỏ, sự dịch chuyển các lệch hãm khi ứng suất cao. Do đó để hợp kim đạt được giới hạn đàn hồi và độ bền tích thoát cao cần phải tạo được cấu trúc lệch ổn định, trong đó không chỉ phần lớn mà hầu như tất cả các lệch bị phong tỏa chắc chắn. Ngoài ra cấu trúc như thế phải có ứng suất tế vi ở mức độ không cao vì các ứng suất tế vi này cùng với ứng suất làm việc làm cho lệch chuyển động dễ dàng. Để hãm lệch người ta dùng tất cả các phương tiện tạo chướng ngại vật có hiệu quả: Hợp kim hóa, nâng cao mật độ lệch, tiết ra các pha thứ 2 phân tán. Với quan điểm về các tính chất đàn hồi thì cơ nhiệt luyện tạo thành cầu trúc thuận lợi nhất. 4.2.1.2. Các loại thép lò xo, nhíp Các thép cacbon lò xo, nhíp thường được gọi là thép lò xo thông dụng có môđun đàn hồi cao để hạn chế biến dạng đàn hồi. Nên chúng được sử dụng để chế tạo các chi tiết đàn hồi, chịu lực cao. Đây là các vật liệu có giá thành không cao nên được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo thiết bị. Để đảm bảo khả năng làm việc của các phần tử đàn hồi chịu lực các thép lò xo cần phải có giới hạn đàn hồi, giới hạn mỏi và độ bền tích thoát cao. Các thép lò xo thường có hàm lượng cacbon cao ( 0,5 ÷ 0,7% ) được tôi và ram ở nhiệt độ 420 ÷ 450oC thỏa mãn các yêu cầu đó. Thép được tôi ra tổ chức mactenxit có giới hạn đàn hồi không cao. Giới hạn đàn hồi được nâng cao rõ rệt khi hình thành tổ chức trôxtit. Trong tổ chức này Ferit có mật độ cao các lệch kém chuyển động do bị biến cứng pha mạnh. Ngoài ra chúng còn bị phong tỏa có hiệu quả bởi các hạt cacbít phân tán. Ngoài các tính chất đàn hồi cao, ram ra tổ chức trôxtit bảo đảm nâng cao một chừng mực nào đó độ dẻo và độ dai (đặc biệt trong các thép không có xu hướng ròn ram), nó quan trọng để giảm độ nhạy cảm với sự tập trung ứng suất và tăng giới hạn mỏi. Tôi đẳng nhiệt ra tổ chức bainit dưới cũng cho kết quả tốt. Nó cho thép có được cơ tính cao khi chi tiết ít bị biến dạng. Các lò xo không lớn và hình dạng ít phức tạp được chế tạo từ thép đã qua nhiệt luyện. Đối với lò xo to đòi hỏi lực quấn lớn thì dùng thép ở trạng thái ủ. Các chi tiết sau khi được chế tạo bằng cách quấn nóng hay rập nóng sẽ được nhiệt luyện. Thép để làm nhíp được cung cấp ở dạng băng, sau đó rập tạo hình và tôi, ram (hiện nay thường dùng lò chương trình tôi ram liên tục) sau đó bó. Các mác thép cacbon bao gồm: C65, 70, 75, 80, 85, 65Mn, 70Mn (TCVN) được đặc trưng bởi độ bền tích thoát không cao, đặc biệt khi nung nóng. Chúng không có lợi để làm việc ở nhiệt độ trên 100oC. Do độ thấm tôi thấp, nên các thép này được dùng cho các lò xo tiết diện không lớn lắm. Các thép lò xo, nhíp hợp kim thuộc về lớp peclít. Các nguyên tố hợp kim cơ bản trong chúng là Si ( 1-3%), Mn (~1%). Trong các chi tiết có công dụng quan trong hơn thì thép được hợp kim hóa thêm Cr (~1%) và Ni (<1,7%) các nguyên tố hợp kim yêu cầu phải có ảnh hưởng ít tới giới hạn đàn hồi là tính chất chủ yếu của họ thép này. Quan trong hơn là hợp kim hóa để nâng cao độ thấm tôi, độ bền tích thoát ứng suất và giới hạn mỏi. Do đó hợp kim được sử dụng cho những phần tử đàn hồi kích thước lớn và đảm bảo cho chúng làm việc lâu hơn và độ tin cậy cao hơn. Các mác thép Silic 50Si2, 60Si2, 70Si3A được dùng làm lò xo hay nhíp có chiều dày 18 mm. Chúng có đặc điểm chống sự lớn lên của hạt khi tôi, nhưng lại có xu hướng dễ thoát cacbon khi nung, đây là một dạng khuyết tật mặt rất nguy hiểm vì giảm độ bền mỏi. Mác thép Si-Mn 60SiMnA đã hạn chế được nhược điểm này và được dùng để chế tạo các lò xo có chiều dày nhỏ hơn 14 mm. Các mác thép 50CrVA, 50CrMnVA có nhiệt độ ram cao hơn dòng thép Si và Si-Mn khoảng 520oC, có khả năng chịu nhiệt cao hơn, độ dai cao hơn, ít nhạy cảm với nhát cắt. Chúng được dùng làm nhíp các ôtô nhẹ, lò xo xupáp và các lò xo có công dụng quan trọng khác với nhiệt độ làm việc khoảng 300oC. Các thép 60Si2CrA và 60Si2Ni2A được tôi thấu trong các tiết diện tương ứng là 50 và 80 mm và được dùng làm các lò xo và nhíp lớn có tải nặng và đặc biệt. Các tính chất của thép được quyết định bởi hàm lượng Cacbon và nhiệt độ ram. Ram được tiến hành ở nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ ứng với giới hạn đàn hồi cực đại để đảm bảo độ dẻo và dai. Các mác thép 70Si3A, 60Si2CrA, 60Si2Ni2A có cơ tính cao nhất σb ≥ 1800 MPa; σ0,2 ≥ 1600 MPa; δ ≥ 5%; Ψ ≥20%. Giới hạn đàn hồi đạt σ0,01 = 880 -1150 MPa, còn độ cứng đạt 40-48 HRC. Với độ bền và độ cứng như vậy, thép này nhạy cảm với sự tập trung ứng suất cho nên trạng thái bề mặt có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mỏi. Khi không có khuyết tật bề mặt giới hạn mỏi của thép khi uốn thấp hơn 500 MPa, còn khi xoắn ~300 MPa. Để giảm độ nhạy cảm với tập trung ứng suất thì các lò xo và nhíp đã chế tạo được biến cứng bề mặt bằng phun bi. Sau khi đã hóa bền bằng phun bi giới hạn mỏi tăng 1,5-2 lần. Các mác thép ứng dụng và nhiệt luyện thép đàn hồi. Bảng 4.2 trình bày kí hiệu, thành phần, các ứng dụng và qui trình nhiệt luyện một số mác thép đàn hồi. Bảng 4.2. Một số mác thép đàn hồi Mác thép Thành phần hóa học (%) Ứng dụng C Mn Si Cr Khác C70 0,67 – 0,75 0,5 – 0,8 0,17 – 0,37 < 0,25 - Chế tạo lò xo, nhíp loại thường chịu tải nhỏ. 65Mn 0,62 – 0,7 0,9 – 1,2 0,17 – 0,37 - - 60C2 0,57 – 0,65 0,6 – 0,9 1,5 – 2,0 - - Chế tạo lò xo, nhíp chịu tải lớn, có chiều dày đến 18 mm. 60SiMn 0,55 – 0,65 0,8 – 1,0 1,3 – 1,8 - - 50CrV 0,46-0,54 0,5 - 0,8 0,17 -0,37 0,8 – 1,1 0,1 – 0,2V Chế tạo lò xo nhỏ, có thể chịu nhiệt đến 3000C 60Si2CrA 0,56 – 0,64 0,5 – 0,8 1,4 – 1,8 0,7- 1,0 - Chế tạo lò xo, nhíp chịu tải rất nặng và quan trọng. 60Si2Ni2A 0,56 – 0,64 0,5 – 0,8 1,4 – 1,8 - 1,4 – 1,6 Ni 4.2.2. Lập quy trình chế tạo lò xo * Xác định yêu cầu: Dựa vào điều kiện làm việc có thể kết luận, lò xo trong van điều khiển áp suất thuộc loại lò xo nhỏ, làm việc ở nhiệt độ nhỏ hơn 300oC, cần độ bền mỏi cao để tăng tuổi thọ và tăng sức chịu nén. * Chọn vật liệu: Dựa vào yêu cầu chế tạo và các tính năng các chủng loại thép lò xo ở trên, chọn mác thép 50CrVA là phù hợp nhất. Vì loại thép này có khả năng chịu nhiệt cao, độ dai cao và nhiệt độ làm việc khoảng 300oC. * Chọn phương pháp gia công: Phương pháp thi công phải đảm bảo độ chính xác cao, đặc biệt là phải có độ bóng bề mặt cao để khi đem phôi chế tạo lò xo có độ bền mỏi cao, và ưu tiên chọn phương pháp nào có thể tăng tính dẻo cho phôi. Với những yêu cầu như vậy, chọn phương pháp gia công bằng áp lực ép. Phương pháp này cho ra sản phẩm có độ chính xác và độ nhẵn bề mặt cao, tăng tính dẻo của vật liệu. Sau khi ép, đem phôi đi gia công cắt gọt (tiện và mài) cho đạt kích thước chế tạo lò xo rồi đưa vào máy quấn lò xo. Sau khi lò xo được quấn, ta biến cứng bề mặt bằng cách phun bi, nhằm làm tăng giới hạn mỏi cho lò xo. * Chọn phương pháp nhiệt luyện: Để thép có độ bền mỏi cao, phải làm cho thép có được tổ chức trôxtit. Tuần tự qui trình nhiệt luyên như sau: - Nếu không có điều kiện để nung trong chân không hoặc khí trơ thì trước khi nhiệt luyện, phải tránh thoát cacbon cho thép bằng cách nhúng vào hàn the (Na2B4O7). - Nung chi tiết ở nhiệt độ T: 727oC < T < 800oC trong vòng 7 ÷ 8 phút (để thép đạt tổ chức austenit). - Làm nguội liên tục chi tiết trong không khí nén (để thép có cấu trúc hoàn toàn là trôxtit). - Ram chi tiết ở nhiệt độ 520oC ÷ 600oC trong khoảng 1 giờ. Với quy trình chế tạo như trên, lò xo sẽ làm việc ổn định, có tuổi thọ cao, sử dụng đạt hiệu quả. 4.3. Biện pháp chống mòn cho thân van và lá van Theo sự phân tích điều kiện làm việc của thân van và lá van, ta thấy, để chống mòn cho thân van và lá van, ta cần giải quyết 2 vấn đề sau: Chống mòn do cọ sát giữa lá van và đế van. Chống mòn gây ra rỗ trên bề mặt lá van và thân van. 4.3.1. Chống mòn do cọ sát giữa lá van và đế van. Biện pháp chống mòn do cọ sát giữa 2 bề mặt là tìm cách ngăn chặn 2 bề mặt đó tiếp xúc trực tiếp với nhau. Có 2 cách phổ biến để ngăn 2 bề mặt tiếp xúc trực tiếp là dùng dầu bôi trơn hoặc sử dụng đệm. Lá van và đế van không tiếp xúc thường xuyên với nhau (chỉ tiếp xúc khi van đóng) nên không thể sử dụng dầu bôi trơn, vì vậy ta chọn cách thứ 2 là dùng đệm. Đế van và lá van tiếp xúc với dòng khí chảy qua van (khí và các bụi dầu) và khi chúng tiếp xúc sẽ gây ra va đập nhẹ và cọ sát, do đó yêu cầu của đệm là hạn chế được va đập, có áp suất làm việc phù hợp, vật liệu làm đệm không tan trong dầu, nước và ít chịu ảnh hưởng của các tạp chất có trong dầu (axit, muối…). Bảng 4.3 là một số vật liệu làm đệm thông dụng: Bảng 4.3. Các vật liệu làm đệm Vật liệu đệm Áp suất làm việc lớn nhất (N/mm2) Nhiệt độ lớn nhất của môi trường (oC) Paronit Cao su Dây amiang Đồng Chì Nhôm Thép không rỉ X18H9T Thép cacbon non 6.4 1.0 0.3 5.0 0.6 2.5 Bất kì Bất kì 490 65 300 250 140 150 600 450 Dựa vào bảng và yêu cầu đối với vật liệu làm đệm nêu trên, ta loại bỏ các vật liệu bằng kim loại vì chúng dễ bị an mòn bởi các tác nhân ăn mòn trong thành phần tạp chất và không hạn chế được va đập. Còn lại 3 vật liệu hữu cơ, ta thấy paronit (cao su amiang) có tính chất phù hợp nhất với các yêu cầu trên, vì paronit có tính đàn hồi tốt, hạn chế được va đập, chịu được áp suất lớn và nhiệt độ môi trường cao, đồng thời nó khó tan trong dầu và không chịu ảnh hưởng bởi các tác nhân ăn mòn có trong dầu. Vậy, chọn vật liệu làm đệm là paronit. 4.3.2. Chống mòn cho thân van và lá van Nhiệm vụ của van điều khiển áp suất là điều khiển và duy trì áp suất trong bình tách theo yêu cầu làm việc. Thân van và lá van bị rỗ là do các chất gây ăn mòn có trong chất khí và chịu áp lực thường xuyên gây ra. Như vậy, nhiệm vụ của việc chống mòn cho thân van và lá van là tìm ra biện pháp chống xói mòn và ngăn chặn tác động của các chất ăn mòn. Có 5 biện pháp chống ăn mòn cơ bản: Thiết kế kết cấu hợp lý. Xử lý bề mặt chi tiết. Xử lý môi trường. Lựa chọn vật liệu chống ăn mòn. Bảo vệ điện hóa. Trong 5 biện pháp này, do ta không thể thay đổi kết cấu của van và không thể áp dụng bảo vệ anot và bảo vệ catot (vì biện pháp này chỉ áp dụng cho những chi tiết, kết cấu rất lớn) do đó không áp dụng biện pháp thứ nhất và thứ 5. 4.3.2.1. Biện pháp lựa chọn vật liệu chống ăn mòn Khi lựa chọn vật liệu cần tuân theo một số quy tắc sau: Trong môi trường khử hoặc oxy hóa yếu, có axit nhưng không có oxy hòa tan thì nên sử dụng hợp kim có Ni hoặc Cu. Trong môi trường oxy hóa nên sử dụng hợp kim chứa Cr. Trong môi trường oxy hóa cực mạnh nên sử dụng Ti và hợp kim Ti. Môi trường làm việc của van điều khiển áp suất thường chỉ chứa lượng nhỏ các axit và muối hoặc không có các chất này, do đó đây là môi trường oxy hóa yếu. Ta lựa chọn vật liệu là thép hợp kim có chứa Cr, Ni. Có 3 mác thép có công dụng chống được một số dạng ăn mòn gây rỗ bề mặt: 08Cr17Ni12Mo2: Chống ăn mòn lỗ. 03Cr17Ni13Mo2: Chống ăn mòn lỗ. 08Cr18Ni11NbTa: Chống ăn mòn tinh giới và ăn mòn ứng suất. Với 3 mác thép kể trên ta chọn mác thép 08Cr18Ni11NbTa. Vì van luôn phải chịu áp suất lớn nên ta chọn loại mác thép đó. Khi thực hiện biện pháp lựa chọn vật liệu cần chú ý làm thân van và lá van cùng loại vật liệu để tránh hình thành các pin galvanic gây ra ăn mòn galvanic (là dạng ăn mòn xảy ra khi các kim loại hoặc hợp kim khác nhau được sử dụng trong cùng một cơ cấu và tiếp xúc với nhau trong cùng một môi trường ăn mòn). Biện pháp tuy đơn giản và hạn chế được một dạng ăn mòn điện hóa nhưng có hạn chế, đó là phải làm từ khâu sản suất đầu tiên trong tiến trình sản suất van, đồng thời tính chịu xói mòn của van hoàn toàn phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu, nếu không có điều kiện chủ động sản suất được van hoặc không liên hệ được với hãng sản suất (chẳng hạn như đặt hàng theo yêu cầu) thì không thể thực hiện được. 4.3.2.2. Biện pháp xử lí bề mặt chi tiết Các biện pháp xử lí bề mặt đem lại hiệu quả chống mòn rất tốt nhưng thường đòi hỏi trang thiết bị phức tạp và giá thành khá cao. Đối với chi tiết thân van và lá van, bề mặt được sử lý phải đạt yêu cầu chịu áp lực tốt và ngăn chặn tác hại của các tạp chất ăn mòn. Các biện pháp sử lý bề mặt thường dùng là: Photphat hóa và cromat hóa bề mặt. Phủ kim loại bằng cách nhúng trong kim loại nóng chảy. Phun Plasma. Hóa nhiệt luyện. Tạo lớp phủ bằng các công nghệ hóa học. Tạo lớp phủ bằng công nghệ điện hóa. Sơn phủ bảo vệ. Trong các phương pháp trên, ta loại bỏ phương pháp thứ nhất vì phương pháp này thường áp dụng cho gang và các hợp kim của nhôm, phương pháp thứ 2 cũng không phù hợp vì nó chỉ áp dụng cho chi tiết lớn. còn lại các phương pháp khác đều có thể áp dụng. * Phun plasma: Plasma là hỗn hợp các nguyên tử, ion, electron tạo thành do sự ion hóa các khí plasma dưới tác dụng của hồ quang điện hoặc từ trường tần số radio. Người ta đưa bột vật liệu phủ vào dòng plasma, dòng vật liệu phủ và plasma sẽ được phun lên bề mặt tạo thành lớp phủ. Chọn vật liệu phủ là Ni-gr, vì lớp phủ này phù hợp trong môi trường oxy hóa yếu, có mặt axit và thiếu oxy (là môi trường làm việc của van điều khiển) đồng thời nó chịu áp lực và bền nhiệt rất tốt. * Phương pháp hóa nhiệt luyện: Là phương pháp thấm một số hóa chất lên bề mặt vật liệu hoặc chi tiết để tăng tính chống mòn. Bảng 4.4. là các chất thường dùng trong hóa nhiệt luyện: Bảng 4.4. Một số lớp thấm đạt được khi sử dụng hóa nhiệt luyện. Lớp thấm Công dụng Thấm Al Chịu mài mòn, chịu nhiệt, tăng độ bền mỏi, tăng tuổi thọ chi tiết. Thấm Cr Bền trong môi trường có axit, các chất oxy hóa ở nhiệt độ cao, chống mài mòn, áp lực và chịu nhiệt rất tốt. Thấm B Bền trong môi trường có axit, chống mài mòn, xói mòn và chịu nhiệt rất tốt. Thấm N Chống xói mòn, mài mòn tốt, chống ăn mòn lỗ trong môi trường nước biển, chịu áp lực cao. Dựa vào bảng trên, ta có thể lựa chọn một trong 3 phương pháp thấm B, thấm Cr hoặc thấm N cho thân van và lá van. Trong đó thấm N là giá thành rẻ nhất. * Phương pháp tạo lớp phủ bằng các công nghệ hóa học: Quan trọng nhất trong phương pháp này là phủ Ni, cơ chế tạo lớp phủ như sau: 3PO2H2- + Ni2+ → 2PO3H2- + H+ + 0,5H2↑ + Ni + P Lớp phủ có thành phần: 90 ÷ 93 % Ni + 7 ÷ 10 % P, các thành phần tạp chất (Oxy, hidro, nitơ…) không quá 0,3%. P trong lớp phủ có nhiều tác dụng như: tăng độ cứng, độ mài mòn, giảm hệ số ma sat… Cần chú ý là sau khi phủ đem chi tiết đi sử lí nhiệt ở nhiệt độ 2900 C - 400oC, rồi đem ủ. Khi đó độ cứng bề mặt có thể đạt 950 ÷ 1050 HV. * Phương pháp tạo lớp phủ bằng công nghệ điện hóa: Phương pháp tạo lớp phủ bằng công nghệ điện hóa được dùng rộng rãi nhất là công nghệ mạ điện. Bảng 4.5. Đặc điểm của một số lớp mạ và công dụng Kim loại mạ Độ cứng Màu sắc Chiều dày μm Đặc diểm và công dụng Al 30÷90HV Trắng 6 Chịu nhiệt tốt, làm anot so với thép. Cd 30÷50HV Trắng bóng 3 ÷ 10 Màu sắc dẽ chịu cho vật dụng trong nhà, lâu bị xỉn màu hơn Zn. Cr 900 ÷1100HV Trắng đục 1 ÷ 300 Chịu mài mòn, xói mòn và ăn mòn rất tốt, hệ số ma sát nhỏ, phản xạ lớn. Co 250÷ 300HV Xanh 2 ÷ 25 Độ cứng cao, phản xạ tốt. Cu 41÷220HV Hồng 4 ÷ 50 Dẫn điện dẫn nhiệt tốt, làm lớp ăn chân cho lớp mạ khác. Pb 5 HB Xanh 1300 Bền ăn mòn trong nhiều loại axit, bền ăn mòn trong môi trường khí nóng. Ni 140 ÷ 500HV Trắng 130÷500 Bền ăn mòn trong nhiều loại môi trường, thường dùng cùng với các lớp mạ Cu, Cr. Rh 400 ÷ 800HB Trắng bạc bóng 0,03÷ 25 Cứng, dẫn điện tốt, phản xạ lớn, bền ăn mòn. Sn 5 HB Trắng bóng 4 ÷ 25 Bền ăn mòn trong các thực phẩm bơ, sữa, dễ hàn, là catot so với thép. Zn 40 ÷ 50HB Xanh đục 12 ÷ 50 Bền ăn mòn, là anot so với thép. Dựa vào bảng trên, ta có thể chọn lớp mạ Cr hoặc lớp mạ Ni kết hợp với Cr để mạ bề mặt làm việc của thân van hoặc lá van. * Phương pháp sơn phủ bảo vệ: Sơn được dùng với nhiều mục đích khác nhau, ở đây chỉ đề cập đến các loại sơn chống ăn mòn. Sơn gồm nhiều lớp có tác dụng khác nhau: Lớp lót: Tác dụng chủ yếu là bám dính tốt lên bề mặt và chống ăn mòn. Lớp trung gian (hay còn gọi là lớp tăng cường): Có tác dụng tăng bền và tăng khả năng chống thấm của sơn. Lớp mặt: Tạo độ bóng, tạo màu sắc và phần nào có tác dụng chống thấm và ngăn cản các tác hại của các tia sáng lên sơn. Vật liệu làm sơn được cấu thành từ các thành phần chính sau: Chất dính, dung môi, chất đệm và chất phụ gia. Tác dụng của chất phụ gia: Chất phụ gia cho lớp lót: Là các chất có tác dụng làm thụ động quá trình ăn mòn hoặc có tác dụng bảo vệ catot, hiện nay trong kỹ thuật thường dùng các loại phổ biến sau: - Chì + dầu lạnh: Có tác dụng chống thấm tốt, chống ăn mòn tốt và rất thông dụng. - Bột Zn: Có tác dụng bảo vệ catot (Zn là anot, thép là catot). Tác dụng bảo vệ chống ăn mòn tốt nhất khi bề mặt trước khi sơn được tẩy sạnh. Bột Zn thường được dùng với chất dính là nhựa epoxy hoặc chất dính silicat. - Silico-cromat: Khi sử dụng cần trộn đều vào tất cả các lớp sơn mới hiệu quả. Chất phụ gia cho lớp trung gian: Yêu cầu tính chống thấm tốt, tăng bền cho sơn, thường dùng các loại sau: Oxit sắt tăng tính chống thấm cho sơn. Oxit kẽm trắng, dùng cho sơn màu sáng, chắn tia cực tím tốt, trung hòa các loại axit có trong dầu silicat. Chất phụ gia cho lớp sơn mặt: Thường là các bột vật liệu hữu cơ, chất khoáng quyết định màu sơn. Một số lớp sơn và công dụng được mô tả trong bảng 4.6. Bảng 4.6. Một số loại sơn hữu cơ và môi trường sử dụng Loại lớp sơn Công dụng MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN THÔNG DỤNG Sơn dầu Nhà ở, xe cộ, cầu, máy móc thiết bị cần bảo quản. Alkyd Chuẩn bị cho lớp sơn tiếp, là lớp sơn cuối cùng để bảo vệ kim loại. Nhựa aminoalkyd biến tính Là lớp cuối cho nhiều loại sản phẩm kim loại. Nitroxenlulo Là lớp cuối cho nhiêu loại sản phẩm. Acrylic Làm lớp sơn cuối cùng. KHÍ QUYỂN BIỂN Acrylic, cao su clorua, phenol, vinyl, vinyl - ankyd Công trình quan trọng, công trình giáp biển. Urethan Tạo lớp vecni màu sáng đẹp. NGẬP TRONG NƯỚC Phenolic Vỏ tàu. vinyl Vỏ tàu, nóc tàu. Cao su clorinat Vỏ tàu, bể bơi. Urethan Tạo lớp vecni màu sáng đẹp. Dựa vào bảng 4.6 và công dụng của các chất phụ gia, ta chọn loại sơn như sau: Lớp lót sử dụng sơn ankyd, với chất phụ gia là chì + dầu lạnh. Lớp trung gian sử dụng sơn vinyl với chất phụ gia là oxit sắt. Lớp mặt sử dụng acrylic, chất phụ gia là silico-cromat. 4.3.2.3. Biện pháp xử lý môi trường Do bình tách hoạt động ở giá trị nhiệt độ và áp suất nằm trong giới hạn nhất định nên ta không thể làm thay đổi nhiệt độ môi trường cũng như điều chỉnh tốc độ dòng khí qua van, do vậy biện pháp xử lí môi trường khả dĩ nhất là sử dụng chất ức chế ăn mòn. Các chất này có tác dụng sau: Giúp đẩy nhanh quá trình oxy hóa kim loại làm cho tình trạng thụ động xảy ra sớm hơn. Tạo thành hợp chất không tan kết tủa lên bề mặt kim loại. Hấp phụ thành một lớp đơn phân tử trên bề mặt kim loại. Phản ứng với môi trường làm mất đi nguyên nhân gây ăn mòn. Bảng dưới đây là một số loại chất ức chế thường dùng: Bảng 4.7. Một số chất ức chế thường dùng Môi trường ăn mòn Kim loại cần bảo vệ Chất ức chế ăn mòn Lượng dùng Nước ăn Thép, gang Fe, Cu, Zn hợp kim Zn, Cu, Al Ca(HCO3)2 Na2CrO4 Ca(OH)2 Na2SiO3 10 ppm 0,1 % Để pH = 8 10÷20 ppm Nồi hơi Thép, gang, Zn, Cu Ca(HCO3)2 10 ppm Nước biển Fe Zn Tất cả các kim loại NaNO2 Na2SiO3 Ca(HCO3)2 0,5 % 10 ppm 10÷20 ppm Axit HCl Fe Ethylaniline ( C6H5NHC2H5) Mercaptobenzothiazole (HSCH2C7H5NS) 0,5 % 1 % Axit H2SO4 Fe và thép Phenylacridine 0,5 % Axit H2SO4 đặc Fe và thép Thiourea (H2NCSNH2) NaI 1 % 200 ppm Axit HNO3 Fe và thép Thiourea (H2NCSNH2) 0,7 % Dựa theo bảng trên, ta lựa chọn chất ức chế ăn mòn là Ca(HCO3)2, sau đó tùy vào lượng tạp chất khác có trong chất khí qua van mà chọn thêm loại chất ức chế khác. Biện pháp này rất dễ thực hiện nhưng phải tiến hành thường xuyên, lượng chất ức chế tỷ lệ với nguyên liệu vào bình tách nên tốn kém và có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng tách của bình. Ngoài các biện pháp trên để sử dụng đạt hiệu quả cao nhất thì người sử dụng phải tuân thủ những nguyên tắc điều khiển và vận hành các thiết bị, đặc biệt là việc nắm vững cấu tạo, nguyên lí làm việc của hệ thống. KẾT LUẬN Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu cấu tạo, nguyên lí hoạt động của các thiết bị kiểm soát áp suất trong bình tách, kết hợp với các tài liệu khác để phục vụ cho nội dung đồ án, em đã hoàn thành đồ án với đề tài:“Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bình tách dầu khí. Chuyên đề: Nâng cao hiệu quả làm việc của thiết bị kiểm soát áp suất trong bình tách”, gồm 4 chương: - Chương I: Tổng quan về thiết bị tách dầu khí - Chương II: Tính toán cho bình tách - Chương III: Thiết bị điều khiển trong bình tách dầu khí - Chương IV: Nâng cao hiệu quả làm việc của thiết bị kiểm soát áp suất trong bình tách Đề tài này đã giúp em vận dụng những kiến thức đã học vào một trường hợp cụ thể, đồng thời cho em thêm hiểu biết về hệ thống điều khiển hoạt động bình tách và mang lại cho em những kiến thức rất bổ ích của người kỹ sư ngành thiết bị dầu khí. Do trình độ và bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tài liệu chuyên ngành tiếng việt và tiếng anh còn hạn chế, nên mặc dù bản thân đã cố gắng tìm hiểu nhưng đồ án vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong được sự chỉ dẫn và ý kiến đóng góp, bổ sung của các thầy, cô và các bạn độc giả để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Một lần nữa, em xin trân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Thịnh, các thầy, cô trong trường và các bạn cùng lớp đã giúp em hoàn thành đồ án này.