Sơ đồ Ống và Thiết bị đo (Piping and Instrumentation Diagram – P&ID)

Mục đích của P&ID

P&ID đóng vai trò quan trọng trong nhiều giai đoạn của một dự án, bao gồm:

• Thiết kế: P&ID cung cấp một nền tảng để kỹ sư thiết kế hệ thống đường ống và điều khiển, đảm bảo tất cả các thành phần được kết nối chính xác và hoạt động hiệu quả. Nó cho phép các kỹ sư hình dung toàn bộ quy trình và xác định các vấn đề tiềm ẩn trước khi xây dựng.
• Xây dựng: P&ID là tài liệu tham khảo chính cho đội ngũ thi công lắp đặt, đảm bảo các thiết bị và đường ống được đặt đúng vị trí và kết nối theo đúng yêu cầu kỹ thuật. Nó hoạt động như một “bản đồ” chi tiết hướng dẫn quá trình lắp đặt.
• Vận hành: P&ID hỗ trợ nhân viên vận hành hiểu rõ quy trình, xác định vị trí các thiết bị, van và điểm đo, giúp họ theo dõi và điều khiển quá trình một cách an toàn và hiệu quả. Nhân viên vận hành có thể sử dụng P&ID để nhanh chóng xác định các điểm can thiệp khi có sự cố.
• Bảo trì: P&ID cung cấp thông tin chi tiết về hệ thống, giúp kỹ thuật viên bảo trì dễ dàng xác định vị trí các bộ phận cần bảo dưỡng, sửa chữa hoặc thay thế. Nhờ đó, việc bảo trì được thực hiện nhanh chóng và chính xác hơn, giảm thiểu thời gian dừng máy.
• Phân tích nguy cơ và khả năng vận hành (HAZOP): P&ID là tài liệu cơ sở để thực hiện HAZOP, một phương pháp phân tích rủi ro có hệ thống nhằm xác định các nguy cơ tiềm ẩn và các vấn đề vận hành. P&ID cung cấp cái nhìn tổng quan về quy trình, giúp các chuyên gia HAZOP dễ dàng xác định các điểm có thể xảy ra sai sót.

Thành phần chính của P&ID

Một P&ID thường bao gồm các thành phần sau:

• Thiết bị (Equipment): Các thiết bị như bồn chứa, tháp chưng cất, bơm, máy nén, lò phản ứng, thiết bị trao đổi nhiệt, v.v., được biểu diễn bằng các ký hiệu tiêu chuẩn. Mỗi ký hiệu đại diện cho một loại thiết bị cụ thể và thường có mã định danh đi kèm.
• Đường ống (Piping): Các đường ống dẫn chất lỏng, khí, hơi, được thể hiện bằng các đường thẳng, kèm theo thông tin về kích thước, vật liệu và loại đường ống (ví dụ: ống chính, ống nhánh, ống by-pass). Các thông số kỹ thuật của ống thường được ghi chú dọc theo đường ống.
• Van (Valves): Các loại van khác nhau (van cổng, van cầu, van bi, van bướm, van điều khiển, van an toàn, v.v.) được biểu diễn bằng các ký hiệu riêng biệt, cho biết loại van và chức năng của chúng. Trạng thái thường đóng (Normally Closed – NC) hoặc thường mở (Normally Open – NO) của van cũng thường được thể hiện.
• Thiết bị đo (Instrumentation): Các cảm biến (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức), bộ truyền tín hiệu, bộ điều khiển, bộ hiển thị, được biểu diễn bằng các ký hiệu kết hợp chữ và số, cho biết loại thiết bị, chức năng và vòng lặp điều khiển (control loop). Ví dụ: $FT-101$ (Flow Transmitter – 101) là bộ truyền tín hiệu lưu lượng trong vòng lặp 101. Các đường tín hiệu (điện, khí nén, thủy lực, dữ liệu) kết nối các thiết bị đo và điều khiển cũng được thể hiện rõ.
• Ký hiệu và chú thích: Các ký hiệu tiêu chuẩn được sử dụng để biểu diễn các thành phần khác nhau, giúp người đọc dễ dàng nhận biết và hiểu được sơ đồ. Chú thích cung cấp thông tin bổ sung về các thiết bị, đường ống, van và thiết bị đo, chẳng hạn như thông số kỹ thuật chi tiết, vật liệu, hoặc các yêu cầu đặc biệt.

Tiêu chuẩn P&ID

Mặc dù không có một tiêu chuẩn quốc tế duy nhất cho P&ID, các tiêu chuẩn phổ biến thường được sử dụng bao gồm:

• ISA S5.1 (Instrumentation Symbols and Identification): Tiêu chuẩn của Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA) về ký hiệu và định danh thiết bị đo. Đây là tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất cho P&ID.
• ISO 10628 (Diagrams for the chemical and petrochemical industry): Tiêu chuẩn quốc tế về sơ đồ cho ngành công nghiệp hóa chất và hóa dầu. Tiêu chuẩn này bao gồm các hướng dẫn chung về sơ đồ quy trình, trong đó có P&ID.
• PIP PIC001 (Piping and Instrumentation Diagram Documentation Criteria): Tiêu chuẩn của Viện Thực hành Đường ống (PIP) về các tiêu chí tài liệu P&ID. Tiêu chuẩn này cung cấp các hướng dẫn chi tiết hơn về cách tạo và quản lý P&ID.

Ví dụ về ký hiệu:

• Bơm ly tâm: Thường được biểu diễn bằng một hình tròn với một hình tam giác bên trong.
• Van cầu: Thường có hình dạng như một viên kim cương.
• Cảm biến nhiệt độ: Vòng tròn có chữ “T”, ví dụ: $TE-101$.

Tóm lại

P&ID là một công cụ quan trọng trong kỹ thuật quy trình, cung cấp một bản trình bày trực quan và chi tiết về hệ thống đường ống và thiết bị đo. Nó đóng vai trò thiết yếu trong thiết kế, xây dựng, vận hành và bảo trì các nhà máy công nghiệp, đảm bảo an toàn, hiệu quả và độ tin cậy của quá trình.

Mối quan hệ với các sơ đồ khác

P&ID có mối quan hệ chặt chẽ với các loại sơ đồ kỹ thuật khác trong một dự án, bao gồm:

• Sơ đồ dòng quy trình (Process Flow Diagram – PFD): PFD là một sơ đồ đơn giản hơn P&ID, chỉ thể hiện dòng chảy chính của vật chất và năng lượng trong quy trình, các thiết bị chính và các thông số vận hành quan trọng (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng). P&ID phát triển chi tiết hơn từ PFD, bổ sung thông tin về đường ống, van, thiết bị đo và hệ thống điều khiển. PFD thường được tạo ra trước P&ID.
• Sơ đồ bố trí mặt bằng (Plot Plan): Sơ đồ bố trí mặt bằng thể hiện vị trí tương đối của các thiết bị, tòa nhà và cấu trúc trong một khu vực nhà máy. P&ID không thể hiện vị trí địa lý thực tế, nhưng thông tin từ sơ đồ bố trí mặt bằng có thể được sử dụng để xác định vị trí của các thiết bị trên P&ID.
• Bản vẽ đường ống (Piping Drawings/Isometrics): Bản vẽ đường ống cung cấp thông tin chi tiết về việc chế tạo và lắp đặt từng đoạn ống, bao gồm kích thước, vật liệu, hướng, và các chi tiết kết nối. P&ID là cơ sở để tạo ra bản vẽ đường ống. Các bản vẽ này thể hiện chi tiết 3D của hệ thống ống.
• Sơ đồ mạch điện (Electrical Diagrams): Sơ đồ này liên quan đến các phần tử điện, mạch điện, tủ điện, v.v. mà nó có thể cấp nguồn, truyền tín hiệu cho một số thiết bị xuất hiện trên P&ID. P&ID và sơ đồ mạch điện có thể tham chiếu lẫn nhau để thể hiện mối quan hệ giữa hệ thống điều khiển và hệ thống điện.

Phần mềm vẽ P&ID

Nhiều phần mềm chuyên dụng được sử dụng để tạo và quản lý P&ID, bao gồm:

• AutoCAD P&ID: Một phần mềm của Autodesk, tích hợp với môi trường AutoCAD.
• SmartPlant P&ID: Một phần mềm của Intergraph (nay là Hexagon PPM).
• AVEVA P&ID: Một phần mềm của AVEVA.
• CADWorx P&ID: Một phần mềm của Bricsys (nay là Hexagon PPM).
• Lucidchart: Một công cụ trực tuyến cho phép tạo sơ đồ, bao gồm cả P&ID.

Quy trình đọc P&ID

Để đọc và hiểu P&ID, cần thực hiện theo các bước sau:

1. Xác định hướng dòng chảy: Dòng chảy chính của vật chất thường được thể hiện bằng các mũi tên trên đường ống. Các mũi tên này chỉ ra hướng di chuyển của chất lỏng hoặc khí trong quy trình.
2. Nhận biết các ký hiệu: Sử dụng bảng chú giải ký hiệu để xác định các thiết bị, van, thiết bị đo và các thành phần khác. Mỗi ký hiệu đại diện cho một thành phần cụ thể trong hệ thống.
3. Theo dõi các vòng lặp điều khiển: Các vòng lặp điều khiển được biểu diễn bằng các ký hiệu kết hợp chữ và số, cho biết loại thiết bị, chức năng và số thứ tự của vòng lặp. Ví dụ: $PIC-101$ (Pressure Indicating Controller – 101) là bộ điều khiển chỉ thị áp suất trong vòng lặp 101. Hãy chú ý đến các đường tín hiệu kết nối các thiết bị đo và điều khiển.
4. Đọc các chú thích: Chú thích cung cấp thông tin bổ sung về các thiết bị, đường ống và các thông số kỹ thuật khác. Chú thích thường cung cấp thông tin chi tiết hơn mà không thể thể hiện bằng ký hiệu.
5. Liên hệ với các sơ đồ liên quan: Sử dụng PFD, sơ đồ bố trí mặt bằng và các tài liệu khác để có được cái nhìn tổng thể về quy trình. Việc kết hợp thông tin từ các sơ đồ khác nhau giúp hiểu rõ hơn về hệ thống.

• Process Industry Practices (PIP), PIP PIC001: Piping and Instrumentation Diagram Documentation Criteria.
• ISA Standard 5.1, Instrumentation Symbols and Identification.
• ISO 14617 (all parts), Graphical symbols for diagrams.
• ISO 10628-1, Diagrams for the chemical and petrochemical industry — Part 1: Specification of diagrams.
• Towler, G., & Sinnott, R. (2013). Chemical engineering design: principles, practice and economics of plant and process design. Elsevier.
• Lieberman, N. P. (2017). Process plant design and operation: P&ID development, process design, equipment design, and operation. John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

1. Câu hỏi: Làm thế nào để phân biệt giữa P&ID và PFD (Process Flow Diagram), và khi nào thì nên sử dụng loại sơ đồ nào?Trả lời: PFD là sơ đồ cấp cao, thể hiện dòng chảy chính của vật chất và năng lượng, các thiết bị chính và các thông số vận hành quan trọng. Nó giống như một “bản đồ tổng quan” của quy trình. P&ID, ngược lại, chi tiết hơn nhiều, bao gồm tất cả các đường ống, van, thiết bị đo, và hệ thống điều khiển. Nó là “bản vẽ chi tiết” của quy trình. PFD thường được sử dụng trong giai đoạn đầu của dự án, để xác định khái niệm và phạm vi của quy trình. P&ID được phát triển sau đó, khi thiết kế chi tiết hơn.
2. Câu hỏi: Ngoài các ký hiệu tiêu chuẩn, P&ID có thể chứa các thông tin gì khác?Trả lời: Ngoài các ký hiệu, P&ID thường chứa các thông tin sau:
   • Số hiệu thiết bị (Equipment Tag Number): Mã định danh duy nhất cho mỗi thiết bị (ví dụ: P-101 cho bơm, T-101 cho tháp chưng cất).
   • Kích thước và loại đường ống (Pipe Size and Specification): Ví dụ: 4″-SCH40-CS (ống thép carbon, đường kính 4 inch, schedule 40).
   • Số hiệu van (Valve Tag Number): Mã định danh duy nhất cho mỗi van.
   • Số vòng lặp điều khiển (Control Loop Number): Ví dụ: $FIC-101$ (Flow Indicating Controller – vòng lặp điều khiển lưu lượng số 101).
   • Chức năng của thiết bị đo (Instrument Function): Ví dụ: $PT$ (Pressure Transmitter – bộ truyền tín hiệu áp suất), $TT$ (Temperature Transmitter – bộ truyền tín hiệu nhiệt độ).
   • Các chú thích đặc biệt: Giải thích các ký hiệu không tiêu chuẩn, hoặc cung cấp thông tin bổ sung.
   • Vật liệu
   • Các đường tín hiệu
   • Kết nối quy trình
3. Câu hỏi: Làm thế nào để xác định một vòng lặp điều khiển trên P&ID?Trả lời: Một vòng lặp điều khiển được thể hiện bằng một nhóm các ký hiệu kết nối với nhau, thường bao gồm:
   • Cảm biến (Sensor): Đo thông số quá trình (ví dụ: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng).
   • Bộ truyền tín hiệu (Transmitter): Chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến thành tín hiệu chuẩn (ví dụ: 4-20 mA).
   • Bộ điều khiển (Controller): So sánh giá trị đo được với giá trị đặt (setpoint) và tính toán tín hiệu điều khiển.
   • Phần tử điều khiển cuối cùng (Final Control Element): Thường là một van điều khiển, thay đổi lưu lượng để điều chỉnh thông số quá trình.
     Các ký hiệu này được kết nối bằng các đường tín hiệu, và thường có một số hiệu vòng lặp chung (ví dụ: $TIC-101$ cho vòng lặp điều khiển nhiệt độ số 101).
4. Câu hỏi: Nếu có một thay đổi nhỏ trong thiết kế, ví dụ như thay đổi loại van, thì cần phải làm gì với P&ID?Trả lời: Bất kỳ thay đổi nào, dù nhỏ, trong thiết kế hoặc quy trình đều phải được cập nhật trên P&ID. Quy trình cập nhật thường bao gồm:
   • Đánh dấu thay đổi (Mark up): Sử dụng bút đỏ hoặc phần mềm để đánh dấu trực tiếp trên bản vẽ P&ID hiện tại.
   • Tạo phiên bản mới (Revision): Cập nhật bản vẽ bằng phần mềm, tạo ra một phiên bản mới với số hiệu và ngày tháng sửa đổi.
   • Phê duyệt (Approval): Phiên bản mới phải được phê duyệt bởi các kỹ sư có trách nhiệm.
   • Phân phối (Distribution): Bản vẽ P&ID đã được cập nhật phải được phân phối đến tất cả các bên liên quan.
5. Câu hỏi: P&ID có thể được sử dụng cho mục đích đào tạo không?Trả lời: Chắc chắn có. P&ID là một công cụ đào tạo rất hiệu quả cho nhân viên vận hành và kỹ thuật viên bảo trì. Nó giúp họ:
   • Hiểu rõ quy trình: P&ID cung cấp một cái nhìn tổng quan về cách thức hoạt động của nhà máy.
   • Xác định vị trí thiết bị: P&ID giúp họ dễ dàng tìm thấy các thiết bị, van và điểm đo trên thực địa.
   • Theo dõi các vòng lặp điều khiển: P&ID giúp họ hiểu được cách các thông số quá trình được kiểm soát.
   • Xử lý sự cố: P&ID là một công cụ hữu ích để chẩn đoán và khắc phục các vấn đề.
   • Nắm vững các quy trình an toàn: P&id là một công cụ hữu ích để giúp nhân viên hiểu và tuân thủ tốt các quy trình an toàn.