Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu và khí
- 93 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LÊ NGUYÊN AN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG AN TOÀN TRÊN
CÁC GIÀN KHAI THÁC DẦU VÀ KHÍ
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN DOÃN PHƯỚC
Hà Nội – Năm 2013
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo PGS.TS. NGUYỄN DOÃN PHƯỚC. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Tác giả luận văn
Lê Nguyên An
Trang 2
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng cảm ơn:
Sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình của Thầy giáo hướng dẫn PGS. TS. Nguyễn
Doãn Phước - Bộ môn Điều khiển tự động – Viện Điện.
Sự tận tình giúp đỡ hướng dẫn, dìu dắt và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp cao học của Bác Vũ Đức Vinh – Chánh chuyên gia điều khiển – Giàn nén
khí trung tâm.
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các thầy cô trong Bộ môn Điều khiển tự
động của Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Lãnh đạo xí nghiệp và các đồng nghiệp trên Giàn nén Khí trung tâm – XN
Khai thác các công trình khí, XNLD Việt Nga – Vietsopetro.
Đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu của tác giả. Mặc dù đã có
nhiều cố gắng trong việc nghiên cứu nhưng kết quả vẫn còn nhiều hạn chế do thời
gian có hạn, công việc thiết kế hệ thống an toàn cho các giàn khai thác dầu & khí
còn rất mới mẻ, phức tạp, tác giả chưa có điều kiện được tham gia trực tiếp vào các
dự án thiết kế hệ thống an toàn thực tế. Tác giả xin trân trọng cảm ơn mọi ý kiến
đóng góp xây dựng của các Thầy/Cô cùng bạn bè đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu
được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn./.
Vũng Tàu, ngày tháng năm 2013
Tác giả
Lê Nguyên An
Trang 3
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
MỤC LỤC
MỤC LỤC 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 7
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ… 9
MỞ ĐẦU 11
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU GIÀN NÉN KHÍ TRUNG TÂM (NKTT) 14
I.1. Vị trí và chức năng. 14
1.2. Cấu tạo giàn NKTT. 15
1.3. Sơ đồ công nghệ giàn NKTT. 18
1.3.1. Xử lý khí trước khi nén. 20
1.3.2 Quá trình nén khí cao áp (xem các sơ đồ công nghệ ). 20
1.3.3. Quá trình làm khô khí. 22
1.3.4. Quá trình nén khí thấp áp. 23
1.3.5. Hệ thống thu gom và bơm condensate trắng. 24
1.3.6. Hệ thống thu gom và bơm condensate đen. 24
1.3. 7. Hệ thống đuốc. 25
1.3. 8. Hệ thống xử lý khí nhiên liệu. 26
1.3. 9. Quá trình tái sinh TEG. 28
1.3.10. Cụm thiết bị xử lý nước vỉa. 29
1.3.11. Hệ thống xả kín (CDH). 30
1.3.12. Hệ thống xả hở. 30
1.4. Hệ thống tự động hoá giàn NKTT. 30
1.4.1 Các chức năng của hệ thống điều khiển. 30
1.4.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển. 31
1.4.3. Các trạm máy tính làm việc(Work stations). 32
1.4.4. Trạm máy tính kết nối với các bộ điều khiển lập trình (PLC). 33
1.4.5. Các thiết bị điều khiển lập trình (PLC). 33
1.4.6. Phần mềm FIX DMACS. 33
Trang 4
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
CHƯƠNG 2. CÁC NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ THEO TIÊU CHUẨN API. 36
2.1. Giới thiệu. 36
2.2. Nguyên lý bảo vệ (protection concept). 36
2.3. Phân tích các mối nguy hiểm cơ bản trong quá trình sản xuất (protection
concepts and safety analysis). 37
2.3.1 .Hiện tượng quá áp (overpressure). 37
2.3.2 Hiện tượng giảm áp (underpressure). 38
2.3.3. Hiện tượng rò rỉ khí và condensate (leak). 39
2.3.4. Quá lưu lượng chất lỏng (liquid overflow). 40
2.4. Lựa chọn thiết bị bảo vệ (safety device selection). 42
2.5. Hành động bảo vệ (protective shut – in action). 45
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG BÁO CHÁY, BÁO KHÍ (FIRE & GAS SYSTEM). 47
3.1. Tổng quan hệ thống Fire&Gas. 47
3.1.1.Nguyên tắc kết nối hệ thống Fire&Gas . 47
3.1.2. Định nghĩa vùng nguy hiểm. 48
3.1.3. Phân vùng nguy hiểm (Zone). 48
3.1.4. Nguyên lý kết nối thiết bị của hệ thống báo cháy. 50
3.2. Hệ thống Fire&Gas trên giàn NKTT. 52
3.2.1. Hệ thống báo cháy và nồng độ khí chung. 52
3.2.2 Hệ thống cầu chì nhiệt & van phun mưa (Fusible loop system & Deluge
Valve) . 54
3.2.3. Hệ thống bơm cứu hỏa (Fire water pumps) 56
3.2.4. CO 2 system – hệ thống phun CO 2 . 57
3.3. Cấu trúc, nguyên lý chương trình PLC điều khiển hệ thống Fire & Gas. 58
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG AN TOÀN (Safety System). 60
4.1. Yêu cầu cơ bản của hệ thống an toàn. 60
4.2. Các bước cơ bản thiết kế hệ thống an toàn. 61
4.3. Phân mức hệ thống dừng sự cố. 63
4.4. Bảng Safety Analysis Function Evalution chart (SAFE). 68
Trang 5
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
4.5. Sơ đồ hệ thống dừng sự cố (Shutdown Hierarchy/ Shutdown logic diagram)71
4.6. Bảng nguyên nhân - kết quả (Cause & Effect). 72
CHƯƠNG 5. MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT. 74
5.1. Mô phỏng PLC 5. 75
5.2. Cài đặt và thiết lập cấu hình của RSLink. 76
5.3. Cài đặt và thiết lập cấu hình của phần mềm FIX. 77
1. Chọn Intellution Fix trong Start/ Progarams/ System Configuration: 78
2. SCADA CONFIGURATION : Configure/ Scada 78
5.4. Cài đặt và thiết lập cấu hình của ABR. 79
1. Thiết lập cấu hình cho các kênh : 79
2. Thiết lập cấu hình cho thiết bị : 80
3. Thiết lập cấu hình của các gói dữ liệu : 80
5.5. Xây dựng tập tin cơ sở dữ liệu (DataBase) và nhóm dữ liệu (Taggroup). 81
5.6. Xây dựng màn hình giao diện. 82
KẾT LUẬN 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87
PHỤ LỤC A. 88
PHỤ LỤC B. 91
PHỤ LỤC C. 92
PHỤ LỤC D. 93
Trang 6
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
API – American Petroleum Institute: Viện dầu khí Hoa Kỳ.
APS – Abandon Process Shutdown: Dừng và rời giàn.
BPCS – Basic Process Control System: Hệ thống điều khiển công nghệ.
C&E – Cause&Effect: Bảng nguyên nhân kết quả.
CNTT – Công nghệ Trung Tâm.
DCS – Distributed Control System: Hệ thống điều khiển phân tán.
ESD – Emergency Shutdown: Dừng giàn khẩn cấp.
HP – High Pressure: Cao áp.
HVAC – Heating, ventilation, and air conditioning: Hệ thống điều hòa không khí.
IP – Ingress of Protection: Cấp bảo vệ.
LEL – Lower Explosive Limit: Giới hạn nổ dưới.
LSHH – Level Switch High High: Công tắc báo mức cao.
LSLL – Level Switch Low Low: Công tắc báo mức thấp.
LV – Level Valve: Van điều khiển mức.
NKTT – Nén Khí Trung Tâm.
P&ID – Process and Instrument Diagram.
PLC – Programmable Logic Control.
PPD – Giàn ép vỉa 4000.
PPM – Parts per million: Một phần triệu.
PSD – Process Shutdown: Dừng công nghệ.
PSHH – Pressure Switch High High: Công tắc áp xuất cao.
PSLL – Pressure Switch Low Low: Công tắc áp xuất thấp.
PSV – Pressure Safety Valve: Van áp xuất an toàn.
PV – Pressure Valve: Van điều khiển áp xuất.
RB – Riser Block: Giàn ống đứng.
SAC – Safety Analysis Checklist: Danh sách phân tích an toàn.
Trang 7
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
SAFE – Safety Analysis Function Evaluation: Phân tích đánh giá chức năng an
toàn.
SAT – Safety Analysis Tables: Bảng phân tích an toàn.
SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition: Hệ thống điều khiển và thu
thập dữ liệu.
HMI – Human Machine Interface: Giao tiếp Người và máy.
SDV – Safety Shutdown Valve: Van an toàn.
SIS – Safety instrumentation system: Hệ thống an toàn.
SSD – Shutdown Safety System: Hệ thống dừng sự cố.
ICSS – Intergrated Control and Safety System: Hệ thống điều khiển an toàn tích
hợp.
ISS – Integrated Safety System: hệ thống an toàn tích hợp.
TEG – Triethylene glycol.
TSHH – Temperature Switch High High: Công tắc báo nhiệt độ cao.
UCP – Unit Control Process: Đơn vị điều khiển quá trình.
USD – Unit Shutdown: Dừng cụm thiết bị.
XBDV – Van xả.
XNLD – Xí Nghiệp Liên Doanh.
XV – Van chặn.
Trang 8
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ giàn Nén khí trung tâm..................................................19
Hình 1.2. Cấu trúc của hệ thống SCADA giàn Nén khí trung tâm ...........................34
Hình 1.3. Cấu trúc hệ thống SCADA phòng cung cấp điện giàn Nén khí trung tâm.
...................................................................................................................................35
Hình 3.1. Sơ đồ kết nối của hệ thống báo cháy và nồng độ khí…………………...47
Hình 3.2. Sử dụng ký hiệu để phân vùng nguy hiểm ................................................49
Hình 3.3. Sử dụng màu sắc để phân vùng nguy hiểm ...............................................50
Hình 3.4. Các nguồn rò khí. ......................................................................................50
Hình 3.5. Sơ đồ hệ thống kết nối theo quy ước. .......................................................51
Hình 3.6. Sơ đồ hệ thống kết nối theo địa chỉ. ..........................................................51
Hình 3.7. Sơ đồ mô tả thông báo lỗi của module. .....................................................54
Hình 3.8. Sơ đồ tủ cung cấp khí nuôi cho Fusible Plug. ...........................................55
Hình 3.9. Sơ đồ tủ cung cấp khí nuôi đường cầu chì nhiệt và van phun mưa. .........56
Hình 3.10. Sơ đồ hệ thống CO 2 ................................................................................58
Hình 3.11. Nguyên lý làm việc của phần chương trình gồm 5 cửa vào....................58
Hình 3.12. Logic lựa chọn 2oo4...............................................................................59
Hình 3.13. Logic lựa chọn 2oo5................................................................................59
Hình 4.1. Mức dừng sự cố và hướng tác động ..........................................................64
Bảng 4.2. Bảng Safety Analysis Function Evaluion chart (SAFE). .........................70
Bảng 4.3. Bảng Cause & Effect ...............................................................................73
Hình 5.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA sử dụng FIX và PLC 5. ........................74
Hình 5.2. . Sơ đồ kết nối và chuyển giao dữ liệu giữa PLC và SCADA. .................75
Bảng 5.1. Các File của PLC 5 và địa chỉ tương ứng. ................................................76
Hình 5.3. Màn hình khai báo địa chỉ của PLC 5. ......................................................76
Hình 5.4. Màn hình chọn chế độ Run, khởi động PLC.............................................76
Hình 5.5. Các lựa chọn cấu hình của RSLink. ..........................................................77
Hình 5.6. Màn hình hiện thị kết nối giữa PC và PLC. ..............................................77
Hình 5.7. Màn hình thiết lập cấu hình của FIX.........................................................78
Hình 5.8. Thiết lập cấu hình SCADA .......................................................................78
Hình 5.9. Màn hình thiết lập cấu hình kênh 0 của ABR ...........................................79
Hình 5.9. Màn hình thiết lập cấu hình kênh 1 của ABR ...........................................80
Hình 5.10. Màn hình thiết lập cấu hình thiết bị của ABR ........................................80
Hình 5.11. Màn hình thiết lập cấu hình các gói dữ liệu của ABR ............................81
Hình 5.12. Cấu trúc và nội dung của tập tin cơ sở dữ liệu (Database). ....................82
Hình 5.13. Màn hình chính của giàn Nén khí trung tâm (Overview) .......................83
Trang 9
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
Hình 5.14. Màn hình cho phép thực hiện By Pass thiết bị bảo vệ. ...........................84
Trang 10
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
MỞ ĐẦU
1. Lý do.
Gia tăng trữ lượng, sản lượng khai thác dầu khí ở trong nước và ở nước
ngoài là một trong những mục tiêu hàng đầu của ngành dầu khí Việt Nam. Trong kế
hoạch thăm dò khai thác dầu khí giai đoạn 2011-2015và tầm nhìn 2020, Tập đoàn
dầu khí Việt Nam xác định cần tiếp tục đẩy mạnh và mở rộng hoạt động ở các khu
vực mới vùng nước sâu xa bờ, vùng chồng lấn và ở nước ngoài. Một số nội dung
trọng tâm bao gồm: tìm kiếm thăm dò ở các đối tượng mới và phi truyền thống; áp
dụng những công nghệ mới trong các lĩnh vực thăm dò, khai thác và gia tăng thu
hồi dầu; khuyến khích phát triển mỏ nhỏ, mỏ cận biên... Tuy nhiên, công tác tìm
kiếm thăm dò, mở rộng vùng hoạt động của ngành chỉ được thực hiện khi song song
với đó là công tác đảm bảo an toàn khai thác mỏ được thực hiện tốt. Nói cách khác
công tác đảm bảo an toàn cũng là một trong những nội dung trọng điểm trong kế
hoạch thăm dò và khai thác dầu khí trong giai đoạn mới. Đảm bảo an toàn là cách
mà ngành dầu khí Việt Nam bảo vệ những nguồn lực bao gồm con người, vật chất
và cả tài nguyên của nước nhà.
Trên các giàn khoan khai thác dầu khí hiện đại, hệ thống điều khiển đóng
vai trò cực kỳ quan trọng. Hệ thống điều khiển này được chia thành hai phần chính:
Hệ thống tự động điều khiển công nghệ - BPCS (Basic Process Control System) và
Hệ thống an toàn SIS (safety instrumentation system). Thực hiện công tác đảm bảo
an toàn trên các giàn khoan dầu khí tốt chính là việc thiết kế được một Hệ thống an
toàn có chất lượng điều khiển cao, hoạt động ổn định trong mọi tình huống sự cố.
Điều này giúp giảm thiếu tối đa thiệt hại và người và tài sản trong trường hợp sự cố
mà nguyên nhân có thể là cháy nổ, phun trào, va đụng, nghiêng, kết cấu hư hỏng...
Hiện nay công tác thiết kế các giàn khoan và khai thác tại Việt Nam hầu như
hoàn toàn phải thuê công ty thiết kế nước ngoài. Các công ty trong nước vẫn chưa
có nhiều kinh nghiệm trong công tác thiết kế, đặc biệt là thiết kế hệ thống điều
Trang 11
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
khiển. Ta vẫn hoàn toàn phụ thuộc vào các công ty thiết kế của nước ngoài về các
giải pháp và cách thiết kế một hệ thống điều khiển mới.
Từ thực tế như trên, tác giả luận văn nghiên cứu đề tài “THIẾT KẾ HỆ
THỐNG AN TOÀN TRÊN CÁC GIÀN KHAI THÁC DẦU VÀ KHÍ”. Tác giả
muốn thông qua đề tài này để nghiên cứu tìm hiểu và nắm bắt được các yêu cầu
trong việc thiết kế hệ thống điều khiển mới cho các giàn khoan khai thác theo các
tiêu chuẩn được áp dụng phổ biến trên thế giới. Bước đầu cho việc thâm nhập vào
công việc thiết kế các hệ thống điều khiển với mong muốn có thể tự chủ trong công
tác thiết kế và đóng mới các công trình phục vụ cho ngành công nghiệp dầu khí,
giảm bớt sự phụ thuộc vào các công ty nước ngoài.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Đưa ra được phương pháp thiết kế, các bước xây dựng hệ thống an toàn trên
các giàn khai thác dầu và khí theo tiêu chuẩn API( Viện Dầu Khí Hoa Kỳ).
Nắm vững các tiêu chuẩn về việc chọn lựa thiết bị điều khiển, giám sát và
phân bố các thiết bị cho một hệ thống an toàn theo tiêu chuẩn API.
Áp dụng các bước thiết kế vào việc thiết kế hệ thống an toàn theo yêu cầu
công nghệ có sẵn của mô hình Giàn nén khí trung tâm – Vietsovpetro.
3. Nội dung và phương pháp thực hiện.
Để đưa ra được nguyên tắc thiết kế một hệ thống an toàn cho các công trình
khai thác dầu khí trên biển, đề tài cần thực hiện những nội dung như sau:
- Giới thiệu các nguyên tắc cơ bản trong công tác thiết kế lắp đặt thiết bị
điều khiển bảo vệ của hệ thống công nghệ, hệ thống Fire&Gas theo các tiêu
chuẩn API, dựa trên cơ sở hệ thống an toàn của Giàn nén khí trung tâm.
- Phân tích nguyên tắc để thành lập bảng Cause & Effect. Dựa vào quy
trình công nghệ, các tiêu chuẩn API, quá trình hoạt động trong thực tế. Xây
dựng bảng Cause&Effect của Giàn nén khí trung tâm từ các số liệu thực tế có
sẵn.
Trang 12
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
- Dựa vào bảng Cause&Effect đưa ra nguyên tắc viết chương trình điều
khiển cho hệ thống SSD.
- Thực hiện mô phỏng chương trình điều khiển, giám sát hệ thống an toàn
trên Giàn nén khí trung tâm.
4. Bố cục luận văn.
Luận văn được bố cục thành 5 chương chính:
Chương 1: Giới thiệu Giàn nén khí trung tâm – Vietsovpetro.
Giới thiệu tổng quan về quy trình công nghệ, nhiệm vụ và chức năng của
giàn Nén Khí Trung Tâm, của XNLD Việt Nga – Vietsovpetro.
Chương 2: Các nguyên tắc thiết kế lắp đặt theo tiêu chuẩn API.
Dựa vào quy trình công nghệ của Giàn nén khí trung tâm đưa ra một số
nguyên tắc cơ bản trong công tác thiết kế lắp đặt thiết bị điều khiển và bảo vệ theo
tiêu chuẩn API.
Chương 3: Hệ thống báo cháy và báo rò Gas (Fire&Gas system).
Dựa trên thiết kế thực tế của Giàn nén khí trung tâm và các yêu cầu của hệ
thống an toàn cần phải có theo tiêu chuẩn API để đưa ra mẫu cho hệ thống
Fire&Gas.
Chương 4: Nguyên tắc thiết kế hệ thống an toàn.
Dựa vào quy trình công nghệ, hướng dẫn tiêu chuẩn API, quá trình hoạt động
trong thực tế. Xây dựng bảng C&E cho hệ thống an toàn trên các giàn khoan khai
thác dầu khí, (Lấy VD: Giàn Nén Khí Trung Tâm).
Chương 5: Mô phỏng chương trình điều khiển và giám sát.
Sử dụng chương trình mô phỏng RSLogix Emulate 5, Rslogix 5, Fix, RS link
để mô phỏng chương trình PLC & SCADA của hệ thống an toàn (SSD) trên Giàn
Nén Khí Trung Tâm.
Trang 13
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU GIÀN NÉN KHÍ TRUNG TÂM
(NKTT)
I.1. Vị trí và chức năng.
Giàn nén khí trung tâm được lắp đặt trên giàn cố định riêng biệt, liên kết với
giàn ống đứng, giàn ép vỉa, giàn công nghệ trung tâm số 2 , nhờ các cầu dẫn và
đường ống. Giàn NKTT có chức năng tận dụng khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ.
Trên giàn NKTT lắp đặt 5 tổ máy nén khí cao áp, 1 tổ máy nén khí thấp áp
và tất cả các hệ thống phụ trợ đảm bảo cho việc hoạt động độc lập của giàn.
Khí đồng hành sau khi được tách sơ bộ tại các giàn khai thác (tách cấp 1- khí
cao áp, tách cấp 2 - khí thấp áp) được đưa đến đầu vào giàn nén, được nén lên, sau
đó đi qua các công đoạn xử lý bổ sung và phân phối cho các hộ tiêu thụ:
+ Các trạm điện và nhà máy khí hoá lỏng trên bờ.
+ Hệ thống khai thác gaslift
+ Khí nhiên liệu cho các giàn công nghệ trung tâm 2, giàn ép vỉa và tiêu thụ
nội bộ.
Thiết kế giàn NKTT chia làm 2 giai đoạn phát triển:
- Giai đoạn I: Lắp đặt 5 tổ máy nén (4 làm việc, 1 dự phòng) để nén khí
với lưu lượng là 5,8 triệu m3/ngày (1,45 m3/ngày cho 1 tổ máy) với áp
suất đầu ra là 125 bar.
- Giai đoạn 2: Lắp đật 7 tổ máy (5 làm việc) để nén khí với lưu lượng là
8,1 triệu m3/ngày.
Trong thời điểm hiện nay, các thiết bị đang vận hành ở giai đoạn 1. Tất cả
các hệ thống phụ trợ đã được thiết kế và lắp đặt phù hợp cho cả giai đoạn II của
giàn.
Nhà thiết kế dự án là công ty EIL (của Ấn Độ) nhà thầu phụ về thiết kế của
hãng “SAMSUNG HEAVY INDUSTRIES”
Trang 14
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
• Đơn vị thẩm định dự án độc lập là công ty WORLEY (của Áo).
• Việc lắp đặt giàn được thực hiện bởi:
+ “BOUYGUES OFFSHORE” thực hiện công việc xây lắp tổng thể (đóng
cọc chân đế, lắp ráp các modul)
+ SAMSUNG HEAVY INDUSTRIES – Cung cấp vật tư, thiết bị lắp ráp
modul trên đất liền, vận chuyển và thực hiện công việc chạy thử.
• Đơn vị vận hành khai thác giàn NKTT : XNLD “Vietsovpetro”
1.2. Cấu tạo giàn NKTT.
Trên 5 tầng của giàn (tầng quạt làm mát khí, tầng trung giàn, tầng chính, tầng
lửng và tầng dưới) có lắp các thiết bị chính và phụ sau đây:
+ 5 tổ máy nén cao áp chạy bằng tuốc bin khí, mỗi tổ gồm có : tổ hợp máy
nén, các bình tách lọc khí : đầu vào, trung gian và đầu ra, các thiết bị làm mát khí
cấp I cấp II và làm mát nhớt.
+ 1 tổ máy nén khí thấp áp có bình tách đầu vào và thiết bị làm mát khí trung
gian. Bình tách trung gian là tháp Stripper.
+ Máy nén khí chạy bằng động cơ điện để tạo áp suất trong hệ thống khí
nhiên liệu khi khởi động giàn NKTT
+ 2 hệ thống làm khô khí gồm có 2 tháp tiếp xúc khí – glycol và 2 tổ hợp tái
sinh glycol
+ 2 bình tách 3 pha đặt ở đầu vào giàn nén để tách các pha khí – condensate
– nước
+ Các cụm đo khí : “đầu vào giàn NKTT ”, “đầu ra giàn NKTT cấp khí về bờ
và gaslift “, “Khí nhiên liệu cấp cho PPD” và đo condensate :“condensate trắng
bơm vào ống dẫn khí về bờ”, “condensate đen đưa sang giàn CNTT-2”. Để kiểm tra
và hiệu chuẩn hệ thống đo condensate trên giàn có lắp thiết bị hiệu chuẩn prover.
Trang 15
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
+ Hệ thống thu gom và bơm condensate đen gồm có tháp chưng cất
condensate 1-T-231 và các bơm 1-P-233A/B.
+ Hệ thống thu gom và bơm condensate trắng bao gồm : bồn chứa
condensate 1-V-232, bình chứa bổ sung: 1-V-234, bình lọc condensate 1-V-231 và
các bơm 1-P-231A/B/C.
+ Hệ thống đuốc gồm có: các bình tách đuốc cao áp 1-V-361 và thấp áp (1-
V-362) tháp đuốc. Các đường ống của hệ thống đuốc được phân thành : đuốc thấp
áp, đuốc cao áp và đuốc nhiệt độ thấp. Ngoài ra còn có bộ phận mồi đuốc tự động.
+ Thiết bị xử lý nước đồng hành gồm có : bình tách khí của nước đồng hành
1-V-451, bình tách mâm nghiêng TPS 1-V-453. Nước trước khi xả ra biển còn đi
qua giếng ngầm 1-V-454, tại đây dầu thô và các sản phẩm dầu được tách ra và bơm
sang giàn CNTT-2 nhờ bơm 1-P-452A/B, 1-P-453.
+ Hệ thống khí nhiên liệu gồm có: máy nén khí tăng áp với bình tách đầu vào
và thiết bị làm mát đầu ra, bình tách lọc khí nhiên liệu 1-V-342, các phin lọc khí
nhiên liệu 1-F-342 A/B, thiết bị sấy nóng khí nhiên liệu 1-E-342.
+ Hệ thống lưu giữ và bơm hoá chất ( methanol, chất chống gỉ, Glycol, chất
chống tạo bọt) gồm mặt bằng để chứa các phi đựng hoá chất, các bồn chứa hoá chất
và các bơm định lượng, phân phối hoá chất .
+ 03 máy phát điện chạy bằng tuốc bin khí và một máy phát dự phòng chạy
bằng động cơ diezel.
+ Trạm phân phối điện cao thế và hạ thế phòng ắcquy.
+ Hệ thống lưu giữ bảo quản dầu diezel chưa xử lý gồm bồn chứa đặt trong
tháp của 1 trong 2 cần cẩu của giàn. Để tiếp nhận dầu từ tàu dịch vụ sử dụng hệ
thống tiếp nhận chung cho GTT, giàn Riser bloc và giàn CNTT-2. Ngoài ra còn có
hệ thống làm sạch và bảo quản dầu diezel đã qua xử lý.
+ Thiết bị tạo dung dịch Clo để bơm vào giếng nơi đặt các bơm nước kỹ
thuật và nước cứu hoả nhằm mục đích chống hà trong hệ thống
Trang 16
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
+ Hệ thống cấp nước kỹ thuật gồm có 2 bơm nước biển và mạng lưới phân
phối nước kỹ thuật. Các bơm nước biển dùng để cấp nước kỹ thuật cho các vòi
nước, thiết bị tạo Clo chống hà, thiết bị xử lý nước thải, phòng vệ sinh và để duy trì
áp lực trong hệ thống nước cứu hoả.
+ Hệ thống không khí nén cần cho các nhu cầu kỹ thuật và điều khiển, gồm
có: các máy nén không khí, bình chứa không khí, cụm làm khôkhông khí nguồn
nuôi. Hệ thống khí nguồn nuôi là chung cho cả giàn NKTT và Riser bloc và có sự
liên kết với các giàn CNTT-2 và giàn ép vỉa.
+ Hệ thống thông gió và điều hoà không khí (HVAC) cho phòng điều khiển
trung tâm , phòng phân phối điện năng, các phòng làm việc, phòng ăn trưa , phòng
thông tin, phòng họp và xưởng cơ khí. Các phòng chứa ăcquy, máy biến thế, máy
phát điện chạy tuốc bin, máy phát dự phòng được lắp đặt hệ thống thông gió.
Các thiết bị cứu sinh gồm có : các xuồng cứu sinh , bè, phao cứu sinh…
+ 2 cần cẩu lắp đặt ở góc tây bắc và đông nam của giàn dùng để cẩu hàng
từ tàu lên giàn và các công việc nội bộ. Ngoài ra trên giàn có các palăng xích và
palăng điện.
+ Phòng điều khiển trung tâm, phòng thông tin, các phòng làm việc ,
phòng bếp và phòng ăn trưa được giữ kín và có điều hoà không khí.
+ Hệ thống báo cháy, báo khí gồm có các đầu dò khói, cảm biến nhiệt độ
và các đèn báo cháy, báo khí hồng ngoại.
+ Hệ thống chữa cháy gồm có: các hệ thống CO2, chữa cháy bằng bọt,
chữa cháy bằng bột, phun mưa, tạo sương. Nước cứu hoả được cung cấp bởi 2
máy bơm chạy bằng động cơ diezel, bơm trực tiếp nước biển. Hệ thống cứu hoả
của giàn NKTT được kết nối với các hệ thống cứu hoả tương tự của các giàn
PPD và CNTT-2.
+ Giếng ngầm (caisoon) để xử lý nước thoát nước mưa và nước thải công
nghiệp. Miệng giếng đặt ngang tầm chân đế của giàn.
Trang 17
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
+ Nhu cầu sử dụng khí trơ của giàn NKTT được đáp ứng nhờ thiết bị sản
xuất khí Nitơ , dùng để thổi sạch các thiết bị công nghệ cách ly nguồn chất cháy
với không khí.
+ Nhu cầu nước ngọt cho giàn NKTT được đáp ứng từ giàn PPD và hệ
thống gom nước ngưng tụ độc lập của giàn.
Giàn NKTT kết nối với các giàn hiện có bởi các đường ống sau:
+ Đường 30” dẫn khí cao áp từ giàn ống đứng Riser block (RB)
+ Đường ống dẫn khí thấp áp 16” từ giàn ống đứng RB
+ Đường ống dẫn khí gaslift 12” (2 đường)
+ Đường ống dẫn khí về bờ 16”
+ Đường ống dẫn condensate đen 3” ra RB
+ Đường ống dẫn condensate trắng 4” ra RB
+ Đường ống dẫn nước cứu hoả 8” ra / từ RB
+ Đường ống dẫn khí nhiên liệu 6” ra RB
+ Đường ống dẫn dầu diezen 4” từ /ra RB
+ Đường ống dẫn chất chống gỉ 2” từ/ra RB
+ Đường ống dẫn nước ngọt 2” từ RB
+ Đường ống dẫn khí điều khiển 2” từ/ra RB
+ Đường ống dầu khí N 2 2” ra RB
+ Đường khí hồi đầu ra cấp I: 8” ra RB
+ Đường dầu thải 2” ra RB
+ 1” đường dẫn methanol ra RB
1.3. Sơ đồ công nghệ giàn NKTT.
Trang 18
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ giàn Nén khí trung tâm
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
1.3.1. Xử lý khí trước khi nén.
Sơ đồ công nghệ : P&ID N 3713-21-02-41-100 ; N 3713-25-02-41-
1002Khí cao áp từ hệ thống thu gom của mỏ Bạch Hổ và giàn CNTT-2 qua
Riser Block đi theo đường ống 30” vào giàn NKTT, sau đó đi qua 2 bình tách 3
pha 1-V-211 A/B làm việc song song. Áp suất làm việc của bình là 10 bar. Mỗi
bình tách có khả năng xử lý lượng chất lỏng tức thời đến 10 m3. Khí nén từ đầu
ra của máy nén thấp áp cũng đi vào các bình tách 3 pha này.Khí đã được tách lọc
sạch, đi qua cụm đo khí đầu vào I-PK-266 đến ống dẫn khí đầu vào các tổ máy
nén cao áp để tiếp tục nâng áp suất và đến đầu vào máy nén khí nhiên liệu phục
vụ cho việc khởi động giàn ban đầu. Ngoài ra khí đầu ra của các bình tách 3 pha
có thể tuần hoàn trở về đầu vào máy nén khí thấp áp nhằm mục đích duy trì áp
suất đầu vào của máy nén khí thấp áp.
Nước tách ra từ khí qua các van điều chỉnh mức LV-0103, 0104 được đưa
đến hệ thống xử lý nước (bình tách khí 1-V-451).
Condensate đen tách ra từ bình tách 3 pha đi qua các van điều khiển mực
LV-0101, 0102 đi đến tháp stripper 1-T-231 để ổn định và tách các hydrocarbon
nhẹ. Khi lượng chất lỏng đến bình tách đầu vào lớn hơn thiết kế (do các nút chất
lỏng trong đường ống) condensate sẽ tự động xả sang giàn CNTT-2 qua các van
điều chỉnh mức LV-0106,0107.
1.3.2 Quá trình nén khí cao áp (xem các sơ đồ công nghệ ).
Sơ đồ công nghệ : P&ID N 3713-25-02-41-1002/1003/1004/1005.
Từ các bình tách đầu vào 3 pha, khí đi qua cụm đo khí 1-PK-266 đến ống
cái đầu vào và phân chia đến các tổ máy nén cao áp. Mỗi tổ máy nén cao áp có
các đặc tính sau đây:
- Năng suất thiết kế : 1,7 triệu m3/ngày đêm
- Năng suất bình thường : 1,62 triệu m3/ngày đêm
Trang 20
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LÊ NGUYÊN AN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG AN TOÀN TRÊN
CÁC GIÀN KHAI THÁC DẦU VÀ KHÍ
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN DOÃN PHƯỚC
Hà Nội – Năm 2013
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo PGS.TS. NGUYỄN DOÃN PHƯỚC. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Tác giả luận văn
Lê Nguyên An
Trang 2
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng cảm ơn:
Sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình của Thầy giáo hướng dẫn PGS. TS. Nguyễn
Doãn Phước - Bộ môn Điều khiển tự động – Viện Điện.
Sự tận tình giúp đỡ hướng dẫn, dìu dắt và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp cao học của Bác Vũ Đức Vinh – Chánh chuyên gia điều khiển – Giàn nén
khí trung tâm.
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các thầy cô trong Bộ môn Điều khiển tự
động của Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Lãnh đạo xí nghiệp và các đồng nghiệp trên Giàn nén Khí trung tâm – XN
Khai thác các công trình khí, XNLD Việt Nga – Vietsopetro.
Đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu của tác giả. Mặc dù đã có
nhiều cố gắng trong việc nghiên cứu nhưng kết quả vẫn còn nhiều hạn chế do thời
gian có hạn, công việc thiết kế hệ thống an toàn cho các giàn khai thác dầu & khí
còn rất mới mẻ, phức tạp, tác giả chưa có điều kiện được tham gia trực tiếp vào các
dự án thiết kế hệ thống an toàn thực tế. Tác giả xin trân trọng cảm ơn mọi ý kiến
đóng góp xây dựng của các Thầy/Cô cùng bạn bè đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu
được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn./.
Vũng Tàu, ngày tháng năm 2013
Tác giả
Lê Nguyên An
Trang 3
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
MỤC LỤC
MỤC LỤC 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 7
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ… 9
MỞ ĐẦU 11
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU GIÀN NÉN KHÍ TRUNG TÂM (NKTT) 14
I.1. Vị trí và chức năng. 14
1.2. Cấu tạo giàn NKTT. 15
1.3. Sơ đồ công nghệ giàn NKTT. 18
1.3.1. Xử lý khí trước khi nén. 20
1.3.2 Quá trình nén khí cao áp (xem các sơ đồ công nghệ ). 20
1.3.3. Quá trình làm khô khí. 22
1.3.4. Quá trình nén khí thấp áp. 23
1.3.5. Hệ thống thu gom và bơm condensate trắng. 24
1.3.6. Hệ thống thu gom và bơm condensate đen. 24
1.3. 7. Hệ thống đuốc. 25
1.3. 8. Hệ thống xử lý khí nhiên liệu. 26
1.3. 9. Quá trình tái sinh TEG. 28
1.3.10. Cụm thiết bị xử lý nước vỉa. 29
1.3.11. Hệ thống xả kín (CDH). 30
1.3.12. Hệ thống xả hở. 30
1.4. Hệ thống tự động hoá giàn NKTT. 30
1.4.1 Các chức năng của hệ thống điều khiển. 30
1.4.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển. 31
1.4.3. Các trạm máy tính làm việc(Work stations). 32
1.4.4. Trạm máy tính kết nối với các bộ điều khiển lập trình (PLC). 33
1.4.5. Các thiết bị điều khiển lập trình (PLC). 33
1.4.6. Phần mềm FIX DMACS. 33
Trang 4
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
CHƯƠNG 2. CÁC NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ THEO TIÊU CHUẨN API. 36
2.1. Giới thiệu. 36
2.2. Nguyên lý bảo vệ (protection concept). 36
2.3. Phân tích các mối nguy hiểm cơ bản trong quá trình sản xuất (protection
concepts and safety analysis). 37
2.3.1 .Hiện tượng quá áp (overpressure). 37
2.3.2 Hiện tượng giảm áp (underpressure). 38
2.3.3. Hiện tượng rò rỉ khí và condensate (leak). 39
2.3.4. Quá lưu lượng chất lỏng (liquid overflow). 40
2.4. Lựa chọn thiết bị bảo vệ (safety device selection). 42
2.5. Hành động bảo vệ (protective shut – in action). 45
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG BÁO CHÁY, BÁO KHÍ (FIRE & GAS SYSTEM). 47
3.1. Tổng quan hệ thống Fire&Gas. 47
3.1.1.Nguyên tắc kết nối hệ thống Fire&Gas . 47
3.1.2. Định nghĩa vùng nguy hiểm. 48
3.1.3. Phân vùng nguy hiểm (Zone). 48
3.1.4. Nguyên lý kết nối thiết bị của hệ thống báo cháy. 50
3.2. Hệ thống Fire&Gas trên giàn NKTT. 52
3.2.1. Hệ thống báo cháy và nồng độ khí chung. 52
3.2.2 Hệ thống cầu chì nhiệt & van phun mưa (Fusible loop system & Deluge
Valve) . 54
3.2.3. Hệ thống bơm cứu hỏa (Fire water pumps) 56
3.2.4. CO 2 system – hệ thống phun CO 2 . 57
3.3. Cấu trúc, nguyên lý chương trình PLC điều khiển hệ thống Fire & Gas. 58
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG AN TOÀN (Safety System). 60
4.1. Yêu cầu cơ bản của hệ thống an toàn. 60
4.2. Các bước cơ bản thiết kế hệ thống an toàn. 61
4.3. Phân mức hệ thống dừng sự cố. 63
4.4. Bảng Safety Analysis Function Evalution chart (SAFE). 68
Trang 5
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
4.5. Sơ đồ hệ thống dừng sự cố (Shutdown Hierarchy/ Shutdown logic diagram)71
4.6. Bảng nguyên nhân - kết quả (Cause & Effect). 72
CHƯƠNG 5. MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT. 74
5.1. Mô phỏng PLC 5. 75
5.2. Cài đặt và thiết lập cấu hình của RSLink. 76
5.3. Cài đặt và thiết lập cấu hình của phần mềm FIX. 77
1. Chọn Intellution Fix trong Start/ Progarams/ System Configuration: 78
2. SCADA CONFIGURATION : Configure/ Scada 78
5.4. Cài đặt và thiết lập cấu hình của ABR. 79
1. Thiết lập cấu hình cho các kênh : 79
2. Thiết lập cấu hình cho thiết bị : 80
3. Thiết lập cấu hình của các gói dữ liệu : 80
5.5. Xây dựng tập tin cơ sở dữ liệu (DataBase) và nhóm dữ liệu (Taggroup). 81
5.6. Xây dựng màn hình giao diện. 82
KẾT LUẬN 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87
PHỤ LỤC A. 88
PHỤ LỤC B. 91
PHỤ LỤC C. 92
PHỤ LỤC D. 93
Trang 6
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
API – American Petroleum Institute: Viện dầu khí Hoa Kỳ.
APS – Abandon Process Shutdown: Dừng và rời giàn.
BPCS – Basic Process Control System: Hệ thống điều khiển công nghệ.
C&E – Cause&Effect: Bảng nguyên nhân kết quả.
CNTT – Công nghệ Trung Tâm.
DCS – Distributed Control System: Hệ thống điều khiển phân tán.
ESD – Emergency Shutdown: Dừng giàn khẩn cấp.
HP – High Pressure: Cao áp.
HVAC – Heating, ventilation, and air conditioning: Hệ thống điều hòa không khí.
IP – Ingress of Protection: Cấp bảo vệ.
LEL – Lower Explosive Limit: Giới hạn nổ dưới.
LSHH – Level Switch High High: Công tắc báo mức cao.
LSLL – Level Switch Low Low: Công tắc báo mức thấp.
LV – Level Valve: Van điều khiển mức.
NKTT – Nén Khí Trung Tâm.
P&ID – Process and Instrument Diagram.
PLC – Programmable Logic Control.
PPD – Giàn ép vỉa 4000.
PPM – Parts per million: Một phần triệu.
PSD – Process Shutdown: Dừng công nghệ.
PSHH – Pressure Switch High High: Công tắc áp xuất cao.
PSLL – Pressure Switch Low Low: Công tắc áp xuất thấp.
PSV – Pressure Safety Valve: Van áp xuất an toàn.
PV – Pressure Valve: Van điều khiển áp xuất.
RB – Riser Block: Giàn ống đứng.
SAC – Safety Analysis Checklist: Danh sách phân tích an toàn.
Trang 7
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
SAFE – Safety Analysis Function Evaluation: Phân tích đánh giá chức năng an
toàn.
SAT – Safety Analysis Tables: Bảng phân tích an toàn.
SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition: Hệ thống điều khiển và thu
thập dữ liệu.
HMI – Human Machine Interface: Giao tiếp Người và máy.
SDV – Safety Shutdown Valve: Van an toàn.
SIS – Safety instrumentation system: Hệ thống an toàn.
SSD – Shutdown Safety System: Hệ thống dừng sự cố.
ICSS – Intergrated Control and Safety System: Hệ thống điều khiển an toàn tích
hợp.
ISS – Integrated Safety System: hệ thống an toàn tích hợp.
TEG – Triethylene glycol.
TSHH – Temperature Switch High High: Công tắc báo nhiệt độ cao.
UCP – Unit Control Process: Đơn vị điều khiển quá trình.
USD – Unit Shutdown: Dừng cụm thiết bị.
XBDV – Van xả.
XNLD – Xí Nghiệp Liên Doanh.
XV – Van chặn.
Trang 8
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ giàn Nén khí trung tâm..................................................19
Hình 1.2. Cấu trúc của hệ thống SCADA giàn Nén khí trung tâm ...........................34
Hình 1.3. Cấu trúc hệ thống SCADA phòng cung cấp điện giàn Nén khí trung tâm.
...................................................................................................................................35
Hình 3.1. Sơ đồ kết nối của hệ thống báo cháy và nồng độ khí…………………...47
Hình 3.2. Sử dụng ký hiệu để phân vùng nguy hiểm ................................................49
Hình 3.3. Sử dụng màu sắc để phân vùng nguy hiểm ...............................................50
Hình 3.4. Các nguồn rò khí. ......................................................................................50
Hình 3.5. Sơ đồ hệ thống kết nối theo quy ước. .......................................................51
Hình 3.6. Sơ đồ hệ thống kết nối theo địa chỉ. ..........................................................51
Hình 3.7. Sơ đồ mô tả thông báo lỗi của module. .....................................................54
Hình 3.8. Sơ đồ tủ cung cấp khí nuôi cho Fusible Plug. ...........................................55
Hình 3.9. Sơ đồ tủ cung cấp khí nuôi đường cầu chì nhiệt và van phun mưa. .........56
Hình 3.10. Sơ đồ hệ thống CO 2 ................................................................................58
Hình 3.11. Nguyên lý làm việc của phần chương trình gồm 5 cửa vào....................58
Hình 3.12. Logic lựa chọn 2oo4...............................................................................59
Hình 3.13. Logic lựa chọn 2oo5................................................................................59
Hình 4.1. Mức dừng sự cố và hướng tác động ..........................................................64
Bảng 4.2. Bảng Safety Analysis Function Evaluion chart (SAFE). .........................70
Bảng 4.3. Bảng Cause & Effect ...............................................................................73
Hình 5.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA sử dụng FIX và PLC 5. ........................74
Hình 5.2. . Sơ đồ kết nối và chuyển giao dữ liệu giữa PLC và SCADA. .................75
Bảng 5.1. Các File của PLC 5 và địa chỉ tương ứng. ................................................76
Hình 5.3. Màn hình khai báo địa chỉ của PLC 5. ......................................................76
Hình 5.4. Màn hình chọn chế độ Run, khởi động PLC.............................................76
Hình 5.5. Các lựa chọn cấu hình của RSLink. ..........................................................77
Hình 5.6. Màn hình hiện thị kết nối giữa PC và PLC. ..............................................77
Hình 5.7. Màn hình thiết lập cấu hình của FIX.........................................................78
Hình 5.8. Thiết lập cấu hình SCADA .......................................................................78
Hình 5.9. Màn hình thiết lập cấu hình kênh 0 của ABR ...........................................79
Hình 5.9. Màn hình thiết lập cấu hình kênh 1 của ABR ...........................................80
Hình 5.10. Màn hình thiết lập cấu hình thiết bị của ABR ........................................80
Hình 5.11. Màn hình thiết lập cấu hình các gói dữ liệu của ABR ............................81
Hình 5.12. Cấu trúc và nội dung của tập tin cơ sở dữ liệu (Database). ....................82
Hình 5.13. Màn hình chính của giàn Nén khí trung tâm (Overview) .......................83
Trang 9
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
Hình 5.14. Màn hình cho phép thực hiện By Pass thiết bị bảo vệ. ...........................84
Trang 10
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
MỞ ĐẦU
1. Lý do.
Gia tăng trữ lượng, sản lượng khai thác dầu khí ở trong nước và ở nước
ngoài là một trong những mục tiêu hàng đầu của ngành dầu khí Việt Nam. Trong kế
hoạch thăm dò khai thác dầu khí giai đoạn 2011-2015và tầm nhìn 2020, Tập đoàn
dầu khí Việt Nam xác định cần tiếp tục đẩy mạnh và mở rộng hoạt động ở các khu
vực mới vùng nước sâu xa bờ, vùng chồng lấn và ở nước ngoài. Một số nội dung
trọng tâm bao gồm: tìm kiếm thăm dò ở các đối tượng mới và phi truyền thống; áp
dụng những công nghệ mới trong các lĩnh vực thăm dò, khai thác và gia tăng thu
hồi dầu; khuyến khích phát triển mỏ nhỏ, mỏ cận biên... Tuy nhiên, công tác tìm
kiếm thăm dò, mở rộng vùng hoạt động của ngành chỉ được thực hiện khi song song
với đó là công tác đảm bảo an toàn khai thác mỏ được thực hiện tốt. Nói cách khác
công tác đảm bảo an toàn cũng là một trong những nội dung trọng điểm trong kế
hoạch thăm dò và khai thác dầu khí trong giai đoạn mới. Đảm bảo an toàn là cách
mà ngành dầu khí Việt Nam bảo vệ những nguồn lực bao gồm con người, vật chất
và cả tài nguyên của nước nhà.
Trên các giàn khoan khai thác dầu khí hiện đại, hệ thống điều khiển đóng
vai trò cực kỳ quan trọng. Hệ thống điều khiển này được chia thành hai phần chính:
Hệ thống tự động điều khiển công nghệ - BPCS (Basic Process Control System) và
Hệ thống an toàn SIS (safety instrumentation system). Thực hiện công tác đảm bảo
an toàn trên các giàn khoan dầu khí tốt chính là việc thiết kế được một Hệ thống an
toàn có chất lượng điều khiển cao, hoạt động ổn định trong mọi tình huống sự cố.
Điều này giúp giảm thiếu tối đa thiệt hại và người và tài sản trong trường hợp sự cố
mà nguyên nhân có thể là cháy nổ, phun trào, va đụng, nghiêng, kết cấu hư hỏng...
Hiện nay công tác thiết kế các giàn khoan và khai thác tại Việt Nam hầu như
hoàn toàn phải thuê công ty thiết kế nước ngoài. Các công ty trong nước vẫn chưa
có nhiều kinh nghiệm trong công tác thiết kế, đặc biệt là thiết kế hệ thống điều
Trang 11
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
khiển. Ta vẫn hoàn toàn phụ thuộc vào các công ty thiết kế của nước ngoài về các
giải pháp và cách thiết kế một hệ thống điều khiển mới.
Từ thực tế như trên, tác giả luận văn nghiên cứu đề tài “THIẾT KẾ HỆ
THỐNG AN TOÀN TRÊN CÁC GIÀN KHAI THÁC DẦU VÀ KHÍ”. Tác giả
muốn thông qua đề tài này để nghiên cứu tìm hiểu và nắm bắt được các yêu cầu
trong việc thiết kế hệ thống điều khiển mới cho các giàn khoan khai thác theo các
tiêu chuẩn được áp dụng phổ biến trên thế giới. Bước đầu cho việc thâm nhập vào
công việc thiết kế các hệ thống điều khiển với mong muốn có thể tự chủ trong công
tác thiết kế và đóng mới các công trình phục vụ cho ngành công nghiệp dầu khí,
giảm bớt sự phụ thuộc vào các công ty nước ngoài.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Đưa ra được phương pháp thiết kế, các bước xây dựng hệ thống an toàn trên
các giàn khai thác dầu và khí theo tiêu chuẩn API( Viện Dầu Khí Hoa Kỳ).
Nắm vững các tiêu chuẩn về việc chọn lựa thiết bị điều khiển, giám sát và
phân bố các thiết bị cho một hệ thống an toàn theo tiêu chuẩn API.
Áp dụng các bước thiết kế vào việc thiết kế hệ thống an toàn theo yêu cầu
công nghệ có sẵn của mô hình Giàn nén khí trung tâm – Vietsovpetro.
3. Nội dung và phương pháp thực hiện.
Để đưa ra được nguyên tắc thiết kế một hệ thống an toàn cho các công trình
khai thác dầu khí trên biển, đề tài cần thực hiện những nội dung như sau:
- Giới thiệu các nguyên tắc cơ bản trong công tác thiết kế lắp đặt thiết bị
điều khiển bảo vệ của hệ thống công nghệ, hệ thống Fire&Gas theo các tiêu
chuẩn API, dựa trên cơ sở hệ thống an toàn của Giàn nén khí trung tâm.
- Phân tích nguyên tắc để thành lập bảng Cause & Effect. Dựa vào quy
trình công nghệ, các tiêu chuẩn API, quá trình hoạt động trong thực tế. Xây
dựng bảng Cause&Effect của Giàn nén khí trung tâm từ các số liệu thực tế có
sẵn.
Trang 12
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
- Dựa vào bảng Cause&Effect đưa ra nguyên tắc viết chương trình điều
khiển cho hệ thống SSD.
- Thực hiện mô phỏng chương trình điều khiển, giám sát hệ thống an toàn
trên Giàn nén khí trung tâm.
4. Bố cục luận văn.
Luận văn được bố cục thành 5 chương chính:
Chương 1: Giới thiệu Giàn nén khí trung tâm – Vietsovpetro.
Giới thiệu tổng quan về quy trình công nghệ, nhiệm vụ và chức năng của
giàn Nén Khí Trung Tâm, của XNLD Việt Nga – Vietsovpetro.
Chương 2: Các nguyên tắc thiết kế lắp đặt theo tiêu chuẩn API.
Dựa vào quy trình công nghệ của Giàn nén khí trung tâm đưa ra một số
nguyên tắc cơ bản trong công tác thiết kế lắp đặt thiết bị điều khiển và bảo vệ theo
tiêu chuẩn API.
Chương 3: Hệ thống báo cháy và báo rò Gas (Fire&Gas system).
Dựa trên thiết kế thực tế của Giàn nén khí trung tâm và các yêu cầu của hệ
thống an toàn cần phải có theo tiêu chuẩn API để đưa ra mẫu cho hệ thống
Fire&Gas.
Chương 4: Nguyên tắc thiết kế hệ thống an toàn.
Dựa vào quy trình công nghệ, hướng dẫn tiêu chuẩn API, quá trình hoạt động
trong thực tế. Xây dựng bảng C&E cho hệ thống an toàn trên các giàn khoan khai
thác dầu khí, (Lấy VD: Giàn Nén Khí Trung Tâm).
Chương 5: Mô phỏng chương trình điều khiển và giám sát.
Sử dụng chương trình mô phỏng RSLogix Emulate 5, Rslogix 5, Fix, RS link
để mô phỏng chương trình PLC & SCADA của hệ thống an toàn (SSD) trên Giàn
Nén Khí Trung Tâm.
Trang 13
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU GIÀN NÉN KHÍ TRUNG TÂM
(NKTT)
I.1. Vị trí và chức năng.
Giàn nén khí trung tâm được lắp đặt trên giàn cố định riêng biệt, liên kết với
giàn ống đứng, giàn ép vỉa, giàn công nghệ trung tâm số 2 , nhờ các cầu dẫn và
đường ống. Giàn NKTT có chức năng tận dụng khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ.
Trên giàn NKTT lắp đặt 5 tổ máy nén khí cao áp, 1 tổ máy nén khí thấp áp
và tất cả các hệ thống phụ trợ đảm bảo cho việc hoạt động độc lập của giàn.
Khí đồng hành sau khi được tách sơ bộ tại các giàn khai thác (tách cấp 1- khí
cao áp, tách cấp 2 - khí thấp áp) được đưa đến đầu vào giàn nén, được nén lên, sau
đó đi qua các công đoạn xử lý bổ sung và phân phối cho các hộ tiêu thụ:
+ Các trạm điện và nhà máy khí hoá lỏng trên bờ.
+ Hệ thống khai thác gaslift
+ Khí nhiên liệu cho các giàn công nghệ trung tâm 2, giàn ép vỉa và tiêu thụ
nội bộ.
Thiết kế giàn NKTT chia làm 2 giai đoạn phát triển:
- Giai đoạn I: Lắp đặt 5 tổ máy nén (4 làm việc, 1 dự phòng) để nén khí
với lưu lượng là 5,8 triệu m3/ngày (1,45 m3/ngày cho 1 tổ máy) với áp
suất đầu ra là 125 bar.
- Giai đoạn 2: Lắp đật 7 tổ máy (5 làm việc) để nén khí với lưu lượng là
8,1 triệu m3/ngày.
Trong thời điểm hiện nay, các thiết bị đang vận hành ở giai đoạn 1. Tất cả
các hệ thống phụ trợ đã được thiết kế và lắp đặt phù hợp cho cả giai đoạn II của
giàn.
Nhà thiết kế dự án là công ty EIL (của Ấn Độ) nhà thầu phụ về thiết kế của
hãng “SAMSUNG HEAVY INDUSTRIES”
Trang 14
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
• Đơn vị thẩm định dự án độc lập là công ty WORLEY (của Áo).
• Việc lắp đặt giàn được thực hiện bởi:
+ “BOUYGUES OFFSHORE” thực hiện công việc xây lắp tổng thể (đóng
cọc chân đế, lắp ráp các modul)
+ SAMSUNG HEAVY INDUSTRIES – Cung cấp vật tư, thiết bị lắp ráp
modul trên đất liền, vận chuyển và thực hiện công việc chạy thử.
• Đơn vị vận hành khai thác giàn NKTT : XNLD “Vietsovpetro”
1.2. Cấu tạo giàn NKTT.
Trên 5 tầng của giàn (tầng quạt làm mát khí, tầng trung giàn, tầng chính, tầng
lửng và tầng dưới) có lắp các thiết bị chính và phụ sau đây:
+ 5 tổ máy nén cao áp chạy bằng tuốc bin khí, mỗi tổ gồm có : tổ hợp máy
nén, các bình tách lọc khí : đầu vào, trung gian và đầu ra, các thiết bị làm mát khí
cấp I cấp II và làm mát nhớt.
+ 1 tổ máy nén khí thấp áp có bình tách đầu vào và thiết bị làm mát khí trung
gian. Bình tách trung gian là tháp Stripper.
+ Máy nén khí chạy bằng động cơ điện để tạo áp suất trong hệ thống khí
nhiên liệu khi khởi động giàn NKTT
+ 2 hệ thống làm khô khí gồm có 2 tháp tiếp xúc khí – glycol và 2 tổ hợp tái
sinh glycol
+ 2 bình tách 3 pha đặt ở đầu vào giàn nén để tách các pha khí – condensate
– nước
+ Các cụm đo khí : “đầu vào giàn NKTT ”, “đầu ra giàn NKTT cấp khí về bờ
và gaslift “, “Khí nhiên liệu cấp cho PPD” và đo condensate :“condensate trắng
bơm vào ống dẫn khí về bờ”, “condensate đen đưa sang giàn CNTT-2”. Để kiểm tra
và hiệu chuẩn hệ thống đo condensate trên giàn có lắp thiết bị hiệu chuẩn prover.
Trang 15
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
+ Hệ thống thu gom và bơm condensate đen gồm có tháp chưng cất
condensate 1-T-231 và các bơm 1-P-233A/B.
+ Hệ thống thu gom và bơm condensate trắng bao gồm : bồn chứa
condensate 1-V-232, bình chứa bổ sung: 1-V-234, bình lọc condensate 1-V-231 và
các bơm 1-P-231A/B/C.
+ Hệ thống đuốc gồm có: các bình tách đuốc cao áp 1-V-361 và thấp áp (1-
V-362) tháp đuốc. Các đường ống của hệ thống đuốc được phân thành : đuốc thấp
áp, đuốc cao áp và đuốc nhiệt độ thấp. Ngoài ra còn có bộ phận mồi đuốc tự động.
+ Thiết bị xử lý nước đồng hành gồm có : bình tách khí của nước đồng hành
1-V-451, bình tách mâm nghiêng TPS 1-V-453. Nước trước khi xả ra biển còn đi
qua giếng ngầm 1-V-454, tại đây dầu thô và các sản phẩm dầu được tách ra và bơm
sang giàn CNTT-2 nhờ bơm 1-P-452A/B, 1-P-453.
+ Hệ thống khí nhiên liệu gồm có: máy nén khí tăng áp với bình tách đầu vào
và thiết bị làm mát đầu ra, bình tách lọc khí nhiên liệu 1-V-342, các phin lọc khí
nhiên liệu 1-F-342 A/B, thiết bị sấy nóng khí nhiên liệu 1-E-342.
+ Hệ thống lưu giữ và bơm hoá chất ( methanol, chất chống gỉ, Glycol, chất
chống tạo bọt) gồm mặt bằng để chứa các phi đựng hoá chất, các bồn chứa hoá chất
và các bơm định lượng, phân phối hoá chất .
+ 03 máy phát điện chạy bằng tuốc bin khí và một máy phát dự phòng chạy
bằng động cơ diezel.
+ Trạm phân phối điện cao thế và hạ thế phòng ắcquy.
+ Hệ thống lưu giữ bảo quản dầu diezel chưa xử lý gồm bồn chứa đặt trong
tháp của 1 trong 2 cần cẩu của giàn. Để tiếp nhận dầu từ tàu dịch vụ sử dụng hệ
thống tiếp nhận chung cho GTT, giàn Riser bloc và giàn CNTT-2. Ngoài ra còn có
hệ thống làm sạch và bảo quản dầu diezel đã qua xử lý.
+ Thiết bị tạo dung dịch Clo để bơm vào giếng nơi đặt các bơm nước kỹ
thuật và nước cứu hoả nhằm mục đích chống hà trong hệ thống
Trang 16
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
+ Hệ thống cấp nước kỹ thuật gồm có 2 bơm nước biển và mạng lưới phân
phối nước kỹ thuật. Các bơm nước biển dùng để cấp nước kỹ thuật cho các vòi
nước, thiết bị tạo Clo chống hà, thiết bị xử lý nước thải, phòng vệ sinh và để duy trì
áp lực trong hệ thống nước cứu hoả.
+ Hệ thống không khí nén cần cho các nhu cầu kỹ thuật và điều khiển, gồm
có: các máy nén không khí, bình chứa không khí, cụm làm khôkhông khí nguồn
nuôi. Hệ thống khí nguồn nuôi là chung cho cả giàn NKTT và Riser bloc và có sự
liên kết với các giàn CNTT-2 và giàn ép vỉa.
+ Hệ thống thông gió và điều hoà không khí (HVAC) cho phòng điều khiển
trung tâm , phòng phân phối điện năng, các phòng làm việc, phòng ăn trưa , phòng
thông tin, phòng họp và xưởng cơ khí. Các phòng chứa ăcquy, máy biến thế, máy
phát điện chạy tuốc bin, máy phát dự phòng được lắp đặt hệ thống thông gió.
Các thiết bị cứu sinh gồm có : các xuồng cứu sinh , bè, phao cứu sinh…
+ 2 cần cẩu lắp đặt ở góc tây bắc và đông nam của giàn dùng để cẩu hàng
từ tàu lên giàn và các công việc nội bộ. Ngoài ra trên giàn có các palăng xích và
palăng điện.
+ Phòng điều khiển trung tâm, phòng thông tin, các phòng làm việc ,
phòng bếp và phòng ăn trưa được giữ kín và có điều hoà không khí.
+ Hệ thống báo cháy, báo khí gồm có các đầu dò khói, cảm biến nhiệt độ
và các đèn báo cháy, báo khí hồng ngoại.
+ Hệ thống chữa cháy gồm có: các hệ thống CO2, chữa cháy bằng bọt,
chữa cháy bằng bột, phun mưa, tạo sương. Nước cứu hoả được cung cấp bởi 2
máy bơm chạy bằng động cơ diezel, bơm trực tiếp nước biển. Hệ thống cứu hoả
của giàn NKTT được kết nối với các hệ thống cứu hoả tương tự của các giàn
PPD và CNTT-2.
+ Giếng ngầm (caisoon) để xử lý nước thoát nước mưa và nước thải công
nghiệp. Miệng giếng đặt ngang tầm chân đế của giàn.
Trang 17
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
+ Nhu cầu sử dụng khí trơ của giàn NKTT được đáp ứng nhờ thiết bị sản
xuất khí Nitơ , dùng để thổi sạch các thiết bị công nghệ cách ly nguồn chất cháy
với không khí.
+ Nhu cầu nước ngọt cho giàn NKTT được đáp ứng từ giàn PPD và hệ
thống gom nước ngưng tụ độc lập của giàn.
Giàn NKTT kết nối với các giàn hiện có bởi các đường ống sau:
+ Đường 30” dẫn khí cao áp từ giàn ống đứng Riser block (RB)
+ Đường ống dẫn khí thấp áp 16” từ giàn ống đứng RB
+ Đường ống dẫn khí gaslift 12” (2 đường)
+ Đường ống dẫn khí về bờ 16”
+ Đường ống dẫn condensate đen 3” ra RB
+ Đường ống dẫn condensate trắng 4” ra RB
+ Đường ống dẫn nước cứu hoả 8” ra / từ RB
+ Đường ống dẫn khí nhiên liệu 6” ra RB
+ Đường ống dẫn dầu diezen 4” từ /ra RB
+ Đường ống dẫn chất chống gỉ 2” từ/ra RB
+ Đường ống dẫn nước ngọt 2” từ RB
+ Đường ống dẫn khí điều khiển 2” từ/ra RB
+ Đường ống dầu khí N 2 2” ra RB
+ Đường khí hồi đầu ra cấp I: 8” ra RB
+ Đường dầu thải 2” ra RB
+ 1” đường dẫn methanol ra RB
1.3. Sơ đồ công nghệ giàn NKTT.
Trang 18
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ giàn Nén khí trung tâm
Đề tài : Thiết kế hệ thống an toàn trên các giàn khai thác dầu & khí
1.3.1. Xử lý khí trước khi nén.
Sơ đồ công nghệ : P&ID N 3713-21-02-41-100 ; N 3713-25-02-41-
1002Khí cao áp từ hệ thống thu gom của mỏ Bạch Hổ và giàn CNTT-2 qua
Riser Block đi theo đường ống 30” vào giàn NKTT, sau đó đi qua 2 bình tách 3
pha 1-V-211 A/B làm việc song song. Áp suất làm việc của bình là 10 bar. Mỗi
bình tách có khả năng xử lý lượng chất lỏng tức thời đến 10 m3. Khí nén từ đầu
ra của máy nén thấp áp cũng đi vào các bình tách 3 pha này.Khí đã được tách lọc
sạch, đi qua cụm đo khí đầu vào I-PK-266 đến ống dẫn khí đầu vào các tổ máy
nén cao áp để tiếp tục nâng áp suất và đến đầu vào máy nén khí nhiên liệu phục
vụ cho việc khởi động giàn ban đầu. Ngoài ra khí đầu ra của các bình tách 3 pha
có thể tuần hoàn trở về đầu vào máy nén khí thấp áp nhằm mục đích duy trì áp
suất đầu vào của máy nén khí thấp áp.
Nước tách ra từ khí qua các van điều chỉnh mức LV-0103, 0104 được đưa
đến hệ thống xử lý nước (bình tách khí 1-V-451).
Condensate đen tách ra từ bình tách 3 pha đi qua các van điều khiển mực
LV-0101, 0102 đi đến tháp stripper 1-T-231 để ổn định và tách các hydrocarbon
nhẹ. Khi lượng chất lỏng đến bình tách đầu vào lớn hơn thiết kế (do các nút chất
lỏng trong đường ống) condensate sẽ tự động xả sang giàn CNTT-2 qua các van
điều chỉnh mức LV-0106,0107.
1.3.2 Quá trình nén khí cao áp (xem các sơ đồ công nghệ ).
Sơ đồ công nghệ : P&ID N 3713-25-02-41-1002/1003/1004/1005.
Từ các bình tách đầu vào 3 pha, khí đi qua cụm đo khí 1-PK-266 đến ống
cái đầu vào và phân chia đến các tổ máy nén cao áp. Mỗi tổ máy nén cao áp có
các đặc tính sau đây:
- Năng suất thiết kế : 1,7 triệu m3/ngày đêm
- Năng suất bình thường : 1,62 triệu m3/ngày đêm
Trang 20