Nghiên cứu thiết kế phương án dự phòng cho bộ nguồn thủy lực diesel power pack trên tàu ptsc surveyor

Tính bức thiết của đề tài Trong đề tài này tôi muốn nghiên cứu thiết kế phương án dự phòng cho bộ nguồn thủy lực Diesel power pack trêntàu PTSC Surveyor, sử dụng trong trường hợp bộ ngu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

- oOo -

HỒ HÀ TRUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN DỰ PHÒNG CHO BỘ NGUỒN THỦY LỰC DIESEL POWER

PACK TRÊN TÀU PTSC SURVEYOR

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS LÊ VĂN VANG

TP.HCM – 11.2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

- oOo -

HỒ HÀ TRUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN DỰ PHÒNG CHO BỘ NGUỒN THỦY LỰC DIESEL POWER

PACK TRÊN TÀU PTSC SURVEYOR

CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC BẢO TRÌ TÀU THỦY

MÃ SỐ: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ VĂN VANG

TP HCM 11- 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS LÊ VĂN VANG Ngoài các nội dung tham khảo trong tài liệu đã được liệt kê trong phần “Tài liệu tham khảo”, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

HỒ HÀ TRUNG

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy hướng dẫn TS LÊ VĂN VANG, người đã tận tình hướng dẫn về phương pháp và nội dung nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn Nhân dịp này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô Khoa Máy tàu thủy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập tại trường Đại học Giao thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh cũng như trong quá trình làm luận văn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến tất cả người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn

Do thời gian có hạn, kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, chuyên gia, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

MỞ ĐẦU 7

1 Tính bức thiết của đề tài 7

2 Đối tượng nghiêncứu 7

3 Phương pháp nghiên cứu 7

4 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 7

5 Bố cục đề tài 8

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

1.1 Tổng quát về thủy lực và thiết bị thủy lực 10

1.1.1 Các vấn đề cơ bản trong truyền động thủy lực [1],[2],[3] 10

1.2 Cơ sở lý thuyết về truyền động thủy lực 14

1.2.1 Các thông số cơ bản của bơm thủy lực 16

1.2.2 Phân loại và ứng dụng các loại bơm thủy lực trên tàu thủy 21

1.2.3 Trạm nguồn thủy lực: 24

1.2.4 Xây dựng quy trình tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành 26

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN DỰ PHÒNG CHO BỘ NGUỒN THỦY LỰC DIESEL POWER PACK TRÊN TÀU PTSC SURVEYOR 2.1 Tổng quan Tàu PTSC Surveyor 28

2.1.1 Chức năng nhiệm vụ tàu PTSC Surveyor: 28

2.1.2 Thông số kỹ thuật 28

2.2 Hệ thống thủy lực khoan trên tàu PTSC Surveyor 30

2.2.1 Công nghệ khoan 30

2.2.2 Hệ thống khoan tàu PTSC Surveyor 34

2.3 Bộ ổn định mũi khoan 38

2.3.2 Nguyên lý hoạt động: 42

2.4 Giới thiệu tổng quan về bộ nguồn Diesel power pack trên tàu PTSC Surveyor 43

2.4.1 Chức năng: 43

2.4.2 Bộ nguồn Diezel Power pack 43

2.5 Tính toán thiết kế phương án dự phòng cho bộ nguồn thủy lực Diesel power pack 45

2.5.1 Thông số kỹ thuật của hệ thống thủy lực(Diezel Power Pack)(Cụm 1) 46

2.5.2 Thông số kỹ thuật hệ thống tời neo 4 điểm (Cụm 2) 46

2.5.3 So sánh và đánh giá thông số làm việc của 2 hệ thống: 47

2.5.4 Tính toán thiết kế đường ống, cụm van chia và van phân phối 52

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DỰ PHÒNG BỘ NGUỒN THUỶ LỰC POWER PACK TRÊN TÀU PTSC SURVEYOR 3.1 Giới thiệu về phần mềm Automation Studio 63

3.1.1 Giới Thiệu Phần Mềm Automation Studio 6.0 63

3.1.2 Quá trình điều khiển ứng dụng trong phần mềm Automation Studio 6.0: 64

3.1.3 Mô Tả Phần Mềm Automation Studio 65

3.2 Quá trình làm việc của hệ thống mô phỏng: 67

3.2.1 Các phần tử thiết bị trong hệ thống thủy lực 67

3.2.2 Lựa chọn thiết bị: 74

3.2.3 Kết quả mô phỏng: 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

1 Kết luận 86

2 Kiến nghị 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

MỞ ĐẦU

1 Tính bức thiết của đề tài

Trong đề tài này tôi muốn nghiên cứu thiết kế phương án dự phòng cho bộ nguồn thủy lực Diesel power pack trêntàu PTSC Surveyor, sử dụng trong trường hợp bộ nguồn thủy lực này gặp sự cố không thể khắc phục ngay tại hiện trường dẫn đến các tình huống sau có thể xảy ra:

- Hệ thống khoan dừng hoạt động do hỏng Diesel power pack, mất thời gian để sửa chữa, gây downtime, ảnh hưởng đến tiến độ dự án, uy tín của Công ty, giảm lòng tin khách hàng

- Trong trường hợp xấu hơn các thiết bị cần khoan bị kẹt trong hố khoan, Seabed Frame ở đáy biển sẽ không thể thu hồi lên boong tàu, gây mất an toàn và rủi ro mất thiết bị cao

Vì vậy việc nghiên cứu phương án dự phòng cho cụm bơm thủy lực Diesel là rất cần thiết

2 Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống Khoan thủy lực Tàu PTSC Surveyor

- Bộ nguồn Diesel Power pack

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết

- Chương trình mô phỏng hệ thống thủy lực Automation Studio 6.0

Ý nghĩa thực tiễn

- Đánh giá quá trình làm việc của hệ thống Tính toán nghiên cứu bố trí hệ thống dự phòng nguồn động lực cho thống khoan thăm do của PTSC Surveyor Đồng thời lựa chọn phương án phù hợp cho hệ thông,

- Mô phỏng lại hệ thông làm việc của hệ thống Khoan mới, nhằm đánh giá quá trình làm việc của hệ thống

5 Bố cục đề tài

Đề tài có bố cục như sau:

1 Nội dung của đề tài

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

1.1 Tổng quát về thủy lực và thiết bị thủy lực

1.2 Tổng quát về hệ thống thủy lực trên tàu thủy

1.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, thông số đặc trưng, các đặc tính của một

số thiết bị thủy lực trên tàu thủy

Chương 2: Nghiên cứu thiết kế phương án dự phòng cho bộ nguồn thủy lực Diesel power pack trên tàu PTSC Surveyor

2.1 Tổng quan Tàu PTSC Surveyor

2.2 Giới thiệu tổng quan về bộ nguồn Diesel power pack trên tàu PTSC Surveyor

2.3 Sơ đồ hệ thống thủy lực khoan thăm dò trên tàu PTSC Surveyor

2.4 Nghiên cứu thiết kế phương án dự phòng cho bộ nguồn thủy lực Diesel power pack

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống dự phòng bộ nguồn thuye lực power pack

3.1 Giới thiệu về phần mềm Automattion Studio

3.2 Quá trình làm việc của hệ thống mô phỏng

3.3 Kết quả mô phỏng

Kết luận, kiến nghị

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quát về thủy lực và thiết bị thủy lực:

1.1.1 Các vấn đề cơ bản trong truyền động thủy lực[1],[2],[3]:

- Áp suất thủy tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực và hướng vào diện tích ấy

- Trị số áp suất không phụ thuộc vào hướng của diện tích chịu lực

𝐴2 và 𝐼1

𝐼2 = 𝐴2𝐴1 = 𝐹1𝐹2

Trong đó:

𝜌 − là khối lượng riêng của chất lỏng

h- Chiều cao cột nước

1.1.1.2 Phương trình dòng chảy liên tục:

Lưu lượng (Q) chảy trong đường ống từ vị trí (1) đến vị trí (2) là không đổi (const)

Lưu lượng Q của chất lỏng qua mặt cắt A của ống bằng nhau trong toàn ống (điều kiện liên tục)

Ta có phương trình dòng chảy như sau:

Q = A.v = hằng số (const) (1.1)

Với v là vận tốc chảy trung bình qua mặt cắt A

Nếu tiết diện chảy là hình tròn, ta có:

Q1 = Q2 hay v1.A1 = v2.A2 (1.2)

𝑑22.𝜋

4 𝑣2 = 𝑑1.𝜋2

4 𝑣1 (1.3)

Phương trình dòng chảy tại vị trí thứ 2:

𝑣2= 𝑑12

𝑑22 𝑣1 (1.4)

Hình 1-2 Dòng chảy liên tục Trong đó:

Q1[m3/s], v1[m/s], A1[m2], d1[m] lần lượt là lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy và đường kính ống tại vị trí 1;

Q2[m3/s], v2[m/s], A2[m2], d2[m] lần lần lượt là lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy và đường kính ống tại vị trí 2

1.1.1.3 Phương trình Bernoulli cho chất lỏng lý tưởng:

Để hiểu cụ thể hơn Phương trình Bernoulli chúng ta xem xét trường hợp truyền dẫn chất lỏng qua ống có tiết diện thay đổi, được đặt nghiêng với phương ngang một góc β

Lựa chọn 2 mặt cắt 1-1 và 2-2 bất kỳ trên đoạn ống đó Lưu lượng chảy qua ống

là Q Sử dụng áp kế để đo áp suất chất lỏng tại các mặt cắt Di chuyển áp kế tới từng mặt cắt sẽ thu được đường áp kế

Sử dụng ống Pito với phần đầu ống được thiết kế song song và ngược với hướng dòng chảy Khi đó với chất lỏng lý tưởng sẽ thu được chiều cao cột chất lỏng như nhau tại mọi mặt cắt so với mặt phẳng gốc

Như vậy đường thẳng tạo thành khi di chuyển ống Pito tại các mặt cắt bất

kỳ thể hiện mức năng lượng toàn phần của dòng chảy.

Về mặt năng lượng chúng ta có thể hiểu:

Z – năng lượng riêng thế năng

P/ρg – năng lượng riêng áp suất

V2/2g – năng lượng riêng động năng

Trong phương trình trên thứ nguyên của H là mét: [H]=m Và H được gọi là chiều cao cột áp Từ đó có thêm các tên gọi: Z – chiều cao cột áp hình học, P/ρg – chiều cao cột áp áp suất, V2/2g – chiều cao cột áp vận tốc

Phương trình Bernoulli đối với chất lỏng lý tưởng có thể được phát biểu là: tổng chiều cao cột áp hình học, áp suất, và vận tốc là một hằng số

1.2 Cơ sở lý thuyết về truyền động thủy lực:

Máy thủy lực là các máy truyền cơ năng cho chất lỏng chảy qua chúng (bơm thủy lực) hoặc nhận năng lượng từ chất lỏng và truyền cho bộ phận công tác sinh công có ích (động cơ thủy lực)

Bơm thủy lực là máy thủy lực phổ biến trong tất cả các lĩnh vực Trên tàu, bơm thủy lực được dùng để bơm chuyển chất lỏng với các mục đích khác nhau trong hầu hết các hệ thống

Nếu kí hiệu năng lượng đơn vị của chất lỏng trước và sau máy thủy lực là 𝑒1và

𝑒2, trong đó e= z+ 𝑝

𝜌.𝑔+𝑣²2𝑔 thì:

Khi chất lỏng qua bơm 𝑒2 > 𝑒1

Khi chất lỏng qua bơm thủy lực thì năng lượng của nó được gia tăng dưới dạng

áp suất và động năng, nhờ vậy mà chất lỏng được đi xa hoặc lên cao Bơm thủy lực phải

do máy khác dẫn động (động cơ điện, máy hơi nước hoặc tuabin, động cơ diezel…) Năng lượng chất lỏng nhận được sẽ được chuyển thành thế năng áp suất (trong trường hợp được đưa lên cao hoặc nén dưới áp suất) và nhiệt do ma sát với thành ống và các tổn thất thủy lực cục bộ khác Như vậy, muốn đưa chất lỏng đi xa, công do bơm truyền cho chất lỏng phải khắc phục được các tổn thất này

Bơm còn dùng trong các bộ truyền động thủy lực để truyền cơ năng từ các động

cơ sang bộ phận thực hiện, thay đổi tốc độ và dạng chuyển động của bộ phận thực hiện Bơm nhận năng lượng từ động cơ, truyền năng lượng cho chất lỏng Chất lỏng qua bơm

vào động cơ thủy lực truyền cơ năng cho thiết bị dẫn Chức năng của bộ truyền động thủy lực cũng tương tự như truyền động cơ (hộp số, hộp giảm tốc, khớp nối), nhưng so với truyền động cơ thì truyền động thủy lực có ưu điểm sau:

- Làm việc êm, các khe hở không thể tránh được sai số chế tạo, trong các bộ truyền động cơ dẫn đến rung động Bật, tắt hoặc thay đổi tỉ số truyền động cơ kèm theo

va đập, giật…

- Có thể thay đổi tỉ số truyền không nhảy bậc Các bộ truyền động cơ cho phép thay đổi tỉ số truyền vô cấp (ví dụ đĩa ma sát) không đủ tin cậy và chỉ có thể sử dụng khi công suất nhỏ

- Có thể làm moment trên trục dẫn ít phụ thuộc vào tải của bộ phận thực hiện điều này làm cho dễ bảo quản máy và bảo vệ động cơ hoặc bộ truyền động quá tải động

cơ có thể làm việc toàn tải khi bộ phận thực hiện ở chế độ nghỉ

- Có thể truyền công suất lớn, dễ dàng tạo ra, tích lũy sử dụng năng lượng thủy lực lớn, truyền lực hoặc moment lớn

- Các thông số cơ bản (tốc độ, sức kéo, hiệu suất) phụ thuộc vào điều kiện nhiệt

độ bên ngoài và trạng thái nhiệt của chất lỏng công tác

- Hiệu suất thấp hơn so với truyền động cơ điện

- Đòi hỏi chất lỏng thủy lực có độ sạch cao

- Dễ rò rỉ chất lỏng công tác qua những chỗ không kín trong hệ thống

- Lắp ráp các hệ thống ống dài trong điều kiện dưới tàu còn khó khăn, phức tạp

- Giá thành các máy thủy lực khá cao

1.2.1 Các thông số cơ bản của bơm thủy lực:

1.2.1.1 Lưu lượng:

Lưu lượng là lượng chất lỏng chảy qua bơm thủy lực trong một đơn vị thời gian Lưu lượng có thể đo theo thể tích, trọng lượng hay khối lượng, ký hiệu và đơn vị chuẩn tương ứng là Q(m³/s),G(N/s) và M(kg/s)

Lưu lượng được xác định bằng lưu lượng kế, bằng đồng hồ đếm lượng chất lỏng chuyển vào một két nào đó trong một khoảng thời gian rồi chia lượng này cho khoảng thời gian đã xác định ta tính ra được lưu lượng trung bình, ngoài ra còn có lưu lượng tức thời, lưu lượng riêng tính cho một vòng quay của máy thủy lực…

Hình1-4 Sơ đồ khối của hệ thống truyền động thủy lực

Hình 1-5 Cách xác định các đại lượng công tác cơ bản của một bơm trong hệ thống

Trong quá trình xét đến lưu lượng của bơm thủy lực, ta nên quan tâm đến định luật liên tục của dòng chảy Giả sử ta xét đoạn ống hút từ 0-0 đến 1-1, có các thông số tương ứng là vận tốc chất lỏng 𝑣0(m/s), diện tích tiết diện 𝐴0(m²) và v₁, A₁ Khi đó phương trình của định luật liên tục của dòng chảy có dạng

Cột áp của bơm là độ chênh năng lượng đơn vị (là năng lượng tính cho một đơn

vị trọng lượng chất lỏng) của chất lỏng khi chảy qua bơm, được tính giữa cửa ra và vào của bơm

Công thức tổng quát xác định cột áp của bơm như sau E₁(m) = 𝑃₁ +𝑣²₁

Thông thường tại vị trí lắp đặt các đồng hồ đo trên các cửa vào và ra của bơm có các tiết diện bằng nhau, do vậy: 𝑣²1 = 𝑣²2⇒𝑣²2 −𝑣²1

2𝑔 =0 Nếu bơm được đặt có cửa hút và đẩy có độ cao bằng nhau và các đồng hồ đo áp đặt ở cùng độ cao, hoặc nếu bơm có cửa hút và đẩy ở khác độ cao nhưng 2 đồng hồ đo

áp được đặt ở cùng độ cao thì ta có các quan hệ như sau

Chỉ số áp suất đồng hồ tại cửa đẩy là 𝑝đ(𝑘𝑔𝑓

𝑐𝑚²), cửa hút là 𝑝ℎ(𝑘𝑔𝑓

𝑐𝑚²), là các giá trị áp suất tương đối, so với áp suất khí quyển

𝑝ℎ lấy dấu (+) khi cửa hút của bơm có áp suất dư (>𝑝𝑎), lấy dấu (-) khi cửa hút của bơm có độ chân không

Áp suất tuyệt đối tại cửa đẩy 𝑝2(𝑘𝑔𝑓

𝑐𝑚²) =𝑝đ +𝑝𝑎𝑡𝑚 +γ 𝑧đ

Áp suất tuyệt đối tại cửa hút 𝑝1(𝑘𝑔𝑓

𝑐𝑚²) =𝑝ℎ +𝑝𝑎𝑡𝑚 +γ 𝑧ℎ

𝑧đ(m) là độ cao từ tâm đồng hồ đo áp suất đẩy so với cửa đẩy 2-2

𝑧ℎ(m) là độ cao từ tâm đồng hồ đo áp suất hút so với cửa hút 1-1

Trong đó 𝑝đ, 𝑝ℎ được tính bằng kgf/cm², là các giá trị áp suất tương đối, đọc trên cacq đồng hồ đo áp suất tại cửa đẩy và cửa hút

Tổng quát, với bơm chuyển chất lỏng có tỷ trọng 𝑆𝑔=𝛾𝑙

𝛾 𝑛 →𝛾𝑙=𝛾𝑛.𝑆𝑔, thay giá trị này vào vị trí của γ công thức trên ta có công thức tổng quát côt áp (m.ccl) của một bơm như sau

1.2.1.3 Công suất của bơm:

Công suất là năng lượng mà bơm thủy lực trao đổi với chất lỏng trong một đơn vị thời gian Giá trị công suất thực mà bơm thủy lực trao đổi được với chất lỏng gọi là công suất thủy lực

Công suất thủy lực được xác định như sau:

𝑁𝑇(𝑊) = 𝛾(𝑁

𝑚³) 𝑄(𝑚3

𝑠 ) 𝐻(𝑚)|

Khi biết được Q và H hoặc tổng áp suất mà bơm tạo ra được, ta xác định được

công suất thủy lực

Công suất trên trục vào của bơm lớn hơn công suất thủy lực một lượng bằng tổng các tổn thất trong bơm và trong quá trình truyền động từ đầu trục vào bơm đến bánh cánh bơm

𝑁𝑡𝑟=𝑁𝑇

𝜂𝑏

Thông thường 𝜂𝑏= 0.65÷0.85 và được chia thành 3 dạng sau

Hiệu suất lưu lượng ηq=0,85-0,95;

Trong đó hiệu suất động cơ điện 𝜂đ𝑐 =0,8÷0,9

1.2.1.4 Moment của bơm thủy lực:

Đối với động cơ, theo công thức (9) ta có:

𝑁𝑇(𝑊) = 𝛾(𝑁

𝑚³) 𝑄(𝑚3

𝑠 ) 𝐻(𝑚)|

𝑝=𝛾.ℎ = p.Q = G.H=p.𝜂𝑚.𝑉𝑚= (p.𝜂𝑚).𝑉𝑚=𝑀𝑚.𝜂𝑚 (1.16) Vậy môment động cơ có thể xác định theo

𝑀𝑚(N.m) = 10−1.p(bar).𝑉𝑚(cm³) (1.20)

1.2.1.5 Hiệu suất của bơm:

Hiệu suất thể hiện bao nhiêu phần năng lượng được sử dụng có ích trong tổng phần năng lượng cấp vào hệ

Hiệu suất của bơm được tính như sau:

𝜂𝐵 = 𝑁𝐵

𝑁 𝑙𝑣 = 𝛾.𝑄.ℎ𝐵

𝑁 𝑙𝑣Trong đó 𝑁𝑙𝑣 là công suất tiêu tốn trên trục của động cơ lai bơm

Ngoài ra tổn thất năng lượng cột áp do dòng chảy qua gọi là tổn thất thủy lực được đánh giá bằng hiệu suất thủy lực, còn gọi là hiệu suất cột áp (𝜂ℎ)

Tổn thất ma sát giữa các bộ phận cơ khí trong máy thủy lực gọi là tổn thất cơ khí (𝜂𝑐) Tổn thất do rò rỉ chất lỏng làm giảm lưu lượng của máy, gọi là tổn thất lưu lượng (𝜂𝑄) Hiệu suất của bơm thủy lực: η= 𝜂ℎ 𝜂𝑐 𝜂𝑄

1.2.2 Phân loại và ứng dụng các loại bơm thủy lực trên tàu thủy:

Nhưng vẫn có thể phân thành 2 nhóm cơ bản sau: bơm thủy lực cánh dẫn và

bơm thủy lực thể tíchTrong các bơm cánh dẫn đều phải có bộ phận công tác cơ bản là

bánh cánh có các cánh và quay Năng lượng bánh cánh truyền cho chất lỏng trên cơ sở tương tác động lực học giữa các cánh với chất lỏng chảy bao quanh Khác biệt cơ bản so với các bơm thể tích là lực tương tác ở đây phụ thuộc vào biên dạng của các cánh, vận tốc và dòng chảy bao Theo đặc điểm của dòng chất lỏng qua bơm có thể phân thành:

bơm li tâm, bơm hướng trục, bơm xoáy lốc…

Trong các bơm thể tích, chất lỏng được hút và nén do thể tích khoang công tác thay đổi theo chu kỳ thông với đường ống hút và đẩy Ở đây năng lượng chất lỏng được gia tăng dưới dạng áp suất tĩnh và về cơ bản không phụ thuộc tốc độ bơm hay chất lỏng Bơm thể tích theo tính chất chuyển động của bộ phận công tác được chia ra làm : kiểu piston và kiểu rotor

Nhược điểm cơ bản của bơm piston là lưu lượng không đều, kết cấu và truyền động phức tạp, cồng kềnh hơn so với các kiểu khác, tốc độ cũng bị hạn chế do lực quán tính lớn và điều kiện chống xâm thực Tuy vậy nhưng lĩnh vực ứng dụng của bơm piston rất phong phú trong các hệ thống đặc biệt, lưu lượng nhỏ và áp lực lớn: bơm cao

áp, bơm cấp dầu nhờn bôi trơn xilanh, các bơm tay…

Kiểu bơm rotor bao gồm: bơm trục vít, bơm bánh răng, bơm cánh gạt Nói chung

về về mặt động lực học thì các bơm kiểu quay có ưu điểm hơn so với kiểu chuyển động tịnh tiến và cho lưu lượng đều hơn

1.2.2.2 Ứng dụng các loại bơm thủy lực dùng trên tàu thủy

Các kiểu loại bơm thủy lực có nguyên lý làm việc khác nhau nên phạm vi làm việc của chúng (phạm vi sản lượng, cột áp, công suất) cũng khác nhau vì chỉ trong phạm vi nhất định chúng có hiệu suất lớn nhất, kích thước, vòng quay hợp lý Biểu đồ dưới cho biết các vùng sử dụng của ba loại bơm tiêu biểu: vùng (I) sử dụng bơm kiểu piston, vùng (II) bơm li tâm và vùng (III) bơm hướng trục Các bơm khác nằm ở khu vực chuyển tiếp giữa các vùng Từ biểu đồ ta thấy bơm thể tích dùng khi lưu lượng nhỏ

và cột áp lớn, với lưu lượng lớn cột áp nhỏ hơn thì sử dụng bơm cánh chiếm ưu thế, ở vùng lưu lượng rất lớn và cột áp tương đối nhỏ người ta dùng bơm hướng trục

Ngoài ra, khi lựa chọn bơm còn phải chú ý xem tính năng (đặc tính) của nó có phù hợp hay không Đó là quan hệ giữa các thông số cơ bản của bơm (cột áp, lưu lượng, hiệu suất) Trong khai thác, vì nhiều lí do mà một thông số của bơm thay đổi, chẳng hạn cột áp, ta phải biết khi đó lưu lượng của bơm có đủ nhu cầu không hoặc nó thay đổi thế nào Đặc điểm làm việc của bơm còn cần thiết cho việc bố trí, lắp đặt các trang thiết bị phụ ( van an toàn, thiết bị điều chỉnh, mồi…) và quy trình vận hành

Hình 1-7 Biểu đồ phạm vi ứng dụng các loại bơm

Ngoài các vấn đề nêu trên, khi lựa chọn bơm cũng phải lưu ý đến tính chất của chất lỏng, các tính chất cần quan tâm là:

- Nhiệt độ cao hay thấp

1.2.3 Trạm nguồn thủy lực:

Trạm nguồn thủy lực hay còn gọi là bộ nguồn thủy lực là thiết bị để cung cấp dòng chảy áp suất cho động cơ thủy lực, xy lanh và các bộ phận thủy lực khác Bộ nguồn thủy lực mini HPU khác với máy bơm, vì HPU chứa chất lỏng, nhiều giai đoạn bơm và bộ làm mát để giữ cho chất lỏng ở nhiệt độ làm việc an toàn Đặc tính kỹ thuật, cấu tạo thiết kế bộ nguồn thủy lực, cách tính toán công suất cho bộ nguồn thủy lực và giá thành là tất cả các thông số quan trọng khi thiết kế bộ nguồn thủy lực

Bộ nguồn thủy lực là một hệ thống các thiết bị bao gồm: Bơm thủy lực, động cơ, thùng dầu, phụ kiện, và các van thủy lực

Hình 1-9 Động cơ điện trong bộ nguồn thủy lực Bơm thủy lực

Động cơ chính cung cấp năng lượng cơ học cho máy bơm thủy lực thông qua bộ kết nối trục, âm cốt, các kết nối khác Việc truyền năng lượng này cho phép máy bơm vượt quá áp suất thủy tĩnh trong mạch kín và tạo ra một chân không liên quan đến áp suất khí quyển, đẩy chất lỏng từ thùng dầu vào đầu vào của máy bơm và tạo ra dòng chảy trong toàn bộ hệ thống

Hình 1-10 Bơm thủy lực trong bộ nguồn

1.2.3.2 Ưu điểm của bộ nguồn thủy lực:

Vận hành và bảo trị cực kỳ dễ dàng: Các công việc hiệu chỉnh và bảo trì rất dễ dàng

Giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng

Tiếng ồn thấp

Có thể thực hiện liên tục ngay cả khi có sự cố của cảm biến áp suất hoặc biến tần Hoạt động ở tốc độ quay nhất định có thể thậm chí không nhận được tín hiệu từ cảm biến áp suất do phá vỡ dây hoặc sự cố của cảm biến áp suất Trong trường hớp có sự cố của biến tần, hoạt động tương tự được đề cập ở trên có thể bằng cách kết nối lại nguồn cấp điện chính với động cơ điện

1.2.4 Xây dựng quy trình tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành:

Để xây dựng quy trình tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành, trước tiên ta phải tìm hiểu đến các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất của hệ thống thủy lực Trong một hệ thống thủy lực nói chung, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất của

hệ thống Cụ thể ở đây là các nhân tố gây nên tổn thất của hệ thống Có thể chỉ ra một số yếu tố sau:

cơ cấu chấp hành Cụ thể như sau:

Công suất hữu ích tiêu thụ của mỗi hệ thống điều khiển trong vận hành dây chuyền công nghệ luôn là một đại lượng biến thiên theo thời gian: N = f(t)

Đối với các hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành, công suất đầu vào do trạm nguồn cấp sẽ là: N0 = k.P0.Q0

Trong đó:

k = const – hệ số công suất;

P0 – áp suất trạm nguồn;

Q0 – lưu lượng trạm nguồn

Công suất hữu ích của cơ cấu chấp hành thứ i sẽ là: Ni = k.Pi.Qi

Cân bằng năng lượng trong hệ thống ta có: N0 N i N

Trong đó:

ΔN – tổn thất công suất trong hệ thống;

Chính vì vậy hệ thống được đánh giá là tối ưu về năng lượng khi trạm nguồn cókhả năng điều chỉnh bám theo giá trị biến thiên đây, ta có nhận xét sau:

Trạm nguồn thủy lực được tích hợp tối ưu khi có khả năng điều chỉnh bám theo

giá trị công suất hữu ích tức thời ∑Ni của hệ thống dựa trên tính chu kỳ hoạt động tuần

hoàn của hệ thống trong dây chuyền công nghệ

Do đặc tính tự động điều chỉnh áp suất hệ thống theo tải của cơ cấu chấp hành trong các hệ thống thủy lực, khả năng điều chỉnh bám theo giá trị công suất tức thời ∑ Ni cũng tương đương với khả năng bám theo giá trị tổng lưu lượng tức thời ∑ Qi của hệ thống

Trạm nguồn hệ thống thủy lực trong mọi trường hợp đều phải đáp ứng các điều kiện cần sau:

Điều kiện cần đối với áp suất: P0 > Pi max (1) (Áp suất trạm nguồn P0 luôn lớn hơn

áp suất yêu cầu lớn nhất của các cơ cấu chấp hành Pi max)

Điều kiện cần đối với lưu lượng:

Q0 ≥ QCHmax (lưu lượng Q0 của trạm nguồn luôn lớn hơn tổng lưu lượng lớn nhất

QCHmax của các cơ cấu chấp hành trong hệ thống

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN DỰ PHÒNG CHO BỘ NGUỒN THỦY LỰC DIESEL POWER PACK TRÊN TÀU PTSC SURVEYOR: 2.1 Tổng quan Tàu PTSC Surveyor:

2.1.1 Chức năng nhiệm vụ tàu PTSC Surveyor:

Tàu PTSC Surveyor là loại tàu khoan khảo sát địa chất công trình

Hình 2-1: Tàu PTSC Surveyor

2.1.2 Thông số kỹ thuật:

Thông tin tàu:

I Thông tin chung

Chủ tàu Tổng công ty CP dịch vụ kỹ thuật dầu khí Việt Nam

CATERPILLER C9; 175 KW, 3 Pha 220Vac, 60Hz

Máy phát điện sự cố No 3: DETROIT 71; 125 KW, 3 pha 220Vac, 60Hz

8V-Máy phát điện No 4 (Trên boong) cho tời neo 4 điểm: CATERPILLER C9; 225 KW, 3 pha 440Vac, 60Hz

Sức chứa/dung tích

Dung tích nhiên liệu 250 m3

30Thời gian hoạt động

P = p.D P = p.k

P: Tải trọng tác dụng lên đáy lỗ khoan(kg, tấn)

p: Tải trọng đơn vị tính cho 1cm đường kính choòng hoặc một răng chính hoặc một cụm răng khi khoan lấy mẫu

D: Đường kính choòng danh nghĩa (cm)

k: Số răng chính hay số cụm răng của lưỡi khoan lấy mẫu

Khi tải trọng lên đáy tăng lên thì tốc độ cơ học khoan tăng lên nhưng phải đảm bảo điều kiện: P <[P] là tải trọng cho phép của choòng trước khoan hoặc tải trọng cho phép của cột cần khoan

2 Tốc độ quay n: tốc độ quay cột cần thường tính bằng vòng/phút, cũng tùy thuộc vào loại đất đá, đường kính lưỡi khoan, phương pháp khoan có thể được tính toán theo công thức gần đúng hoặc tra bảng

3 Lưu lượng nước rửa Q: lưu lượng nước rửa trong khoan rửa thuận thường tính bằng lit/phút hoặc m3/h được tính toán theo công thức sau: ™

Q=F.v

Q: Lưu lượng bơm (m3/h),

F: Diện tích vành khăn giữa thành giếng khoan

D(m) và đường kính ngoài cột cần khoan d(m),

V: Tốc độ đi lên của dung dịch ờ khoảng không vành xuyến (m/s)

• Khi khoan hợp kim cứng V = 0,25 - 0,5

• Khi khoan kim cương V = 0,5 -1,0

• Khi khoan phá mẫu V = 0,6 -1,0

4 Một số thông số khác khi khoan xoay rửa thuận phải nói đến thông số chất lượng dung dịch như:

• γ: Tỷ trong dung dịch sét (g/cm3)

• B: Độ thải nước của dung dịch sét (cm3/30’)

• T: Độ nhớt qui ước của dung dịch (s)

Có nhiều loại giếng khoan cho nên sẽ có nhiều kiểu kết cấu giếng khác nhau, ở đây chỉ tìm hiểu về giếng khoan thăm dò – địa chất công trình ‰

Với đặc thù giếng này sẽ không chống ống, thông thường đường kính giếng khoan từ 91 - 132mm, có khi phải sử dụng ống mẫu đơn hoặc ống mẫu nòng đôi để lấy mẫu cát nguyên dạng ‰

Sau khi khoan lấy mẫu đất đến hết độ sâu yêu cần thăm dò, lỗ khoan cần được bơm sạch đáy Pha loãng bớt dung dịch, làm sạch bớt mùn khoan

Khi tuần hoàn dung dịch khoảng một vài giờ sẽ tiến hành đo CPT giếng khoan

Hình 2-2 Bơm tuần hoàn dung dịch giếng khoan Tùy theo mục đích thăm dò, có thể đo nhiều phương pháp, thông thường nhất cũng phải đo gama tự nhiên và điện trở suất dọc theo thành giếng

Dựa theo hai đường cong này, người ta có thể bổ túc được các đoạn khoan không lấy mẫu được hoặc mất mẫu, kết hợp với kết quả thí nghiệm mẫu khoan lấy lên để khẳng định được cốt địa tầng chính xác từ mặt đất đến đáy thăm dò

Từ cột địa tầng này có thể tính được các thông số khác như hệ số thấm, thành phần độ hạt, độ lỗ rỗng, độ mặn … của tầng chứa và địa tầng cách ly

Với các đề án quan trọng, cần phải thả ống chống và ống lọc tạm để bơm thử kết hợp với các giếng quan trắc tạo thành một chùm giếng bơm thí nghiệm Tính toán được các cấp lưu lượng theo các độ hạ thấp mực nước của giếng chính

Với các đề án nhỏ hoặc các tài liệu đã biết, chấp nhận sai số tính toán lưu lượng khai thác khi chuẩn bị kết cấu giếng người ta khoan mở rộng lỗ khoan với đường kính lớn hơn đường kính ngoài của ống chống từ 120-180mm Sau đó bơm sạch đáy, lấy bớt mùn khoan trong dung dịch tuần hoàn, pha loãng bớt dung dịch trong vòng một vài giờ thì bắt đầu chống ống Ống chống được sắp xếp theo thứ tự trên mặt đất: ống lắng, ống lọc và các ống chống Công việc thả ống chống xuống giếng cũng tuần tự như vậy

Sau khi thả ống chống xuống giếng xong cần tiến hành thả cột cần khoan đến đáy giếng để bơm rửa mùn khoan qua van đáy Đồng thời với quá trình thả sạn lọc và bơm rửa đến khi nước tuần hoàn loãng hoàn toàn và xuất hiện cát của tầng chứa nước là có thể được

Hình 2-3: Sơ đồ hệ thống rửa sạch mùn khoan trong giếng Quá trình kế tiếp có thể dùng hai biện pháp: thả ống dẫn khí và bộ ống airlift xuống giếng để làm sạch giếng (thả đồng tâm hoặc song song)

Hình 2-4: Sơ đồ kiểu thổi rửa Airslift kiểu đồng tâm Nếu việc gọi dòng khó khăn thì dùng piston kết hợp bơm tia kéo và nén mạnh trong ống chống hoặc ống lọc để phá vỡ kết cấu vỏ sét ngăn các không cho nước xâm nhập vào giếng

2.2.2.2 Bộ nguồn Khoan:

Bộ phận Khoan quay là bộ Dando 500 được bố trí van xoay rửa mùn khoan và van bi Worcester 6 inch Động cơ thủy lực này được lai với ống xoay được lai bằng xích

Chức năng chính của Bộ nguồn khoan là để treo và xoay ống khoan và cũng là lối vào cho các dung dịch khoan và các công cụ lấy mẫu vào ống khoan khi cần thiết

Bộ nguồn Khoan nó bao gồm một trường hợp bánh răng mang theo một ống rỗng dọc gắn trên vòng bi lăn côn Một bánh răng bánh răng sâu được trang bị xung quanh trục chính trong trường hợp và được điều khiển bởi hai trục sâu ngang được trang bị động cơ bánh răng thương mại gắn bên ngoài Hoàn thành lắp ráp xoay điện là gimbal gắn vào nền tảng lấy mẫu Xoay điện được kết nối với chuỗi khoan bằng phương tiện của một ổ đĩa phụ được gắn cờ với trục chính rỗng và có chân “4” IF trên đầu dưới của

nó cho phù hợp với chuỗi khoan

2.2.2.3 Công cụ xử lý tự động:

Công cụ xử lý tự động được thiết kế đặc biệt để tăng

cường an toàn và hiệu quả cho hệ thống Khoan Công cụ xử lý tự

động được lắp ráp trên đầu ống xoay để thay thế hoàn toàn 01 cổ

thô để đưa hóa chất vào chuỗi khoan Hình 2-7 Bộ công cụ xử lý tự động

Hình 2-6 Dando 500

Hình 2-9 Ống Khoan thực tế

Thông số

Kích thước kết nối và loại 4½” IF (NC50)

Elevator Upset Diameter 5-1/8”

Tong space lengths- Box 12”

Tong space lengths- Pin 10”

2.2.2.6 Cổ ống khoan:

Cổ ống khoan được chế tạo bởi hợp kim theo tiêu chuẩn AISI 4140 or 4145H và được gia nhiệt hoàn toàn, các vòng ren được làm theo thông số và dung sai theo tiêu chuẩn API Bề mặt cổ ống cũng được gia công theo tiêu chuẩn API

Trước khi hoạt động khoan, SBF 06 tấn

sẽ được triển khai xuống bề mặt đáy biển để trở

thành đối trọng / ổn định cho toàn bộ chuỗi

2.3.1.1 BHA (Bottom Hole Assembly)

Là bộ để kết ống các ống khoan bằng cổ ổng khoan Nhằm kết các đoạn ống với

nhau Nhàm đạt độ sâu cần khoan

2.3.1.3 Ống lấy mẫu:

Chức năng chính của công cụ lấy mẫu là kết nối với ống Shelby và chốt chắc chắn bên trong BHA trong quá trình lấy mẫu

2.3.1.4 Hệ thống thu hồi mẫu

PTSC G & S cung cấp hệ thống cung cấp dây dẫn bằng cách sử dụng hệ thống lấy mẫu vòng bi do Công ty TNHH Dịch vụ Khoan Quốc tế (IDS, UK) cung cấp Hệ thống này được liên kết với giàn khoan biển của PTSC để trích xuất và thu hồi các lõi có đường kính 85mm dài 1,5m, được đẩy vào một ống nhôm bên trong thùng lõi để giữ nguyên chúng và sau đó được nâng lên bề mặt bằng thiết bị overshot kết nối với một dây cáp thông qua các chuỗi khoan API chuẩn 5.5

Hệ thống lấy mẫu dây dẫn đặc biệt có hiệu quả khi các lõi chất lượng cao được yêu cầu trong đất sét, cát hoặc dạng lỏng / yếu bao gồm cả phấn lấy mẫu trong một loạt các điều kiện địa chất nhằm phân tích thành phần cấu tạo địa chất khu vực khảo sát

Hình 2-14 Ống lấy mẫu địa chất