Phân tích khả năng chế biến và hiệu quả kinh tế dầu condensate Hải Thạch-Mộc Tinh

Luận văn phân tích, xây dựng cơ sở dữ liệu dầu condensate Hải Thạch-Mộc Tinh, đánh giá khả năng chế biến và hiệu quả kinh tế tại Lọc dầu Dung Quất.

• Người hướng dẫn: Quý Thầy Cô Giáo Viên - Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
• Trường học: Nhà Máy Lọc Dầu Dung Quất
• Chuyên ngành: Lọc Hóa Dầu
• Đề tài: Đánh Giá Condensate Hải Thạch-Mộc Tinh Tại Lọc Dầu Dung Quất
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: K35KHH.QNg
• Địa điểm: Quảng Ngãi

Tóm tắt

I. Tổng quan condensate Hải Thạch Mộc Tinh tại Dung Quất

Condensate là một dạng hydrocarbon lỏng, nhẹ, được thu hồi từ các mỏ khí tự nhiên trong quá trình khai thác. Do đặc tính có thành phần chủ yếu là naphtha và các phân đoạn nhẹ, condensate là gì không chỉ là một sản phẩm phụ mà còn là nguyên liệu đầu vào cho lọc dầu có giá trị cao. Nguồn condensate Hải Thạch-Mộc Tinh, khai thác bởi Biển Đông POC thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN), nổi lên như một nguồn cung tiềm năng cho Nhà máy lọc dầu Dung Quất (BSR). Việc nghiên cứu và đưa loại condensate này vào chế biến không chỉ giúp đa dạng hóa nguồn cung dầu thô mà còn là một bước đi chiến lược nhằm tối ưu hóa sản xuất BSR và góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Khác với nhiều loại condensate có áp suất hơi bão hòa (RVP) cao, condensate từ mỏ khí Hải Thạch-Mộc Tinh có RVP tương đối thấp, phù hợp với hệ thống bể chứa hiện hữu của nhà máy. Đồng thời, hàm lượng phân đoạn naphtha cao và cặn thấp mở ra cơ hội nâng cao hiệu suất các phân xưởng chế biến sâu, đặc biệt là cụm phân xưởng Naphtha (NHT/ISOM/CCR). Phân tích ban đầu cho thấy loại nguyên liệu này có thể giúp gia tăng sản lượng các sản phẩm có giá trị cao như xăng, đáp ứng nhu cầu thị trường đang ngày càng khắt khe về chất lượng, hướng tới tiêu chuẩn Euro 5.

1.1. Khái niệm và đặc điểm của condensate Hải Thạch Mộc Tinh

Về bản chất, condensate là hỗn hợp hydrocarbon lỏng ngưng tụ từ khí tự nhiên khi áp suất và nhiệt độ thay đổi trong quá trình khai thác. Nguồn condensate Hải Thạch-Mộc Tinh có các đặc tính kỹ thuật condensate nổi bật như tỷ trọng API cao (khoảng 39.97), hàm lượng lưu huỳnh và kim loại nặng thấp. Điều này làm cho nó trở thành một nguồn nguyên liệu "sạch", ít gây ăn mòn thiết bị và giảm gánh nặng cho các phân xưởng xử lý tạp chất. Theo tài liệu nghiên cứu, condensate này có hàm lượng phân đoạn Naphtha (C5-200°C) chiếm tỷ trọng rất lớn, trong khi phân đoạn cặn (Residue 360°C+) gần như không đáng kể. Đây là một lợi thế lớn khi so sánh với dầu thô truyền thống, vì nó tối ưu hóa nguồn nguyên liệu cho các phân xưởng sản xuất xăng.

1.2. Vai trò chiến lược đối với Nhà máy lọc dầu Dung Quất BSR

Đối với Nhà máy lọc dầu Dung Quất, việc bổ sung condensate Hải Thạch-Mộc Tinh vào rổ nguyên liệu mang ý nghĩa chiến lược. Thứ nhất, nó giúp đa dạng hóa nguồn cung dầu thô, giảm sự phụ thuộc vào các nguồn dầu truyền thống như Bạch Hổ hay các nguồn nhập khẩu khác. Thứ hai, với cấu hình công nghệ hiện tại của BSR, đặc biệt là công suất dự phòng của cụm phân xưởng xử lý Naphtha, việc chế biến condensate có hàm lượng Naphtha cao sẽ giúp tận dụng tối đa năng lực sản xuất. Điều này trực tiếp nâng cao hiệu suất chế biến và mở ra khả năng sản xuất các sản phẩm xăng chất lượng cao hơn, góp phần vào tối ưu hóa sản xuất BSR và nâng cao hiệu quả kinh tế tổng thể.

II. Thách thức khi chế biến condensate Hải Thạch Mộc Tinh

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, việc đưa một loại nguyên liệu mới như condensate Hải Thạch-Mộc Tinh vào vận hành tại một nhà máy lọc dầu phức tạp như Dung Quất đặt ra không ít thách thức. Thách thức lớn nhất là sự tương thích của nguyên liệu với thiết kế công nghệ hiện hữu và các mục tiêu vận hành. Cần phải xây dựng một bộ dữ liệu (Crude Assay) hoàn chỉnh và chính xác về thành phần hóa học condensate và các tính chất vật lý của nó. Nếu không có dữ liệu này, việc mô phỏng quá trình chế biến và dự báo hiệu suất chế biến sẽ không đáng tin cậy, tiềm ẩn rủi ro về an toàn vận hành và chất lượng sản phẩm. Một vấn đề khác là hiệu quả kinh tế. Chi phí mua condensate, kết hợp với chi phí vận hành để xử lý nó, phải được tính toán cẩn thận để đảm bảo lợi nhuận cao hơn so với việc chế biến các loại dầu thô truyền thống. Cần phân tích chi tiết cơ cấu sản phẩm đầu ra, đặc biệt là sản lượng chất lượng xăng RON 95, và so sánh với giá trị thị trường. Quá trình pha trộn nguyên liệu BSR cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để xác định tỷ lệ tối ưu giữa condensate và dầu thô khác, nhằm đảm bảo sự ổn định cho toàn bộ nhà máy, đặc biệt là phân xưởng chưng cất khí quyển (CDU).

2.1. Yêu cầu xây dựng dữ liệu kỹ thuật Crude Assay

Trước khi chế biến ở quy mô công nghiệp, việc xây dựng một bộ dữ liệu Assay chi tiết là yêu cầu bắt buộc. Quá trình này bao gồm việc chưng cất mẫu condensate theo tiêu chuẩn ASTM D2892 (TBP) để tách thành các phân đoạn nhỏ. Mỗi phân đoạn sau đó được phân tích hàng loạt các đặc tính kỹ thuật condensate quan trọng như tỷ trọng, độ nhớt, hàm lượng lưu huỳnh, chỉ số Octane (RON), hàm lượng aromatic, và thành phần hydrocarbon chi tiết (PIONA). Dữ liệu này là đầu vào không thể thiếu cho các mô hình mô phỏng (LP model) của nhà máy, giúp dự báo chính xác sản lượng và chất lượng của từng dòng sản phẩm.

2.2. Đánh giá rủi ro và khả năng tương thích với thiết bị

Các đặc tính kỹ thuật condensate như áp suất hơi cao hơn dầu thô và hàm lượng các cấu tử nhẹ lớn có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tháp chưng cất CDU. Cần đánh giá khả năng gây quá tải cho hệ thống overhead của tháp, cũng như ảnh hưởng đến các phân xưởng hạ nguồn như phân xưởng Naphtha. Ngoài ra, dù có hàm lượng tạp chất thấp, việc kiểm tra các thành phần vi lượng như Mercaptan hay các hợp chất ăn mòn khác vẫn cần thiết để đảm bảo an toàn cho đường ống và thiết bị. Việc phân tích rủi ro kỹ lưỡng sẽ giúp BSR xây dựng các kịch bản vận hành phù hợp khi tiến hành pha trộn nguyên liệu BSR.

III. Phương pháp phân tích condensate Hải Thạch Mộc Tinh

Để giải quyết các thách thức kỹ thuật, một phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chi tiết đã được triển khai tại phòng thí nghiệm của Nhà máy lọc dầu Dung Quất. Cốt lõi của phương pháp này là xây dựng bộ dữ liệu Assay cho condensate Hải Thạch-Mộc Tinh thông qua chưng cất mô phỏng điểm sôi thực (TBP) theo tiêu chuẩn ASTM D2892. Khoảng 30 lít mẫu condensate được chưng cất để thu được các phân đoạn ở các khoảng nhiệt độ sôi khác nhau, từ LPG cho đến phân đoạn cặn 370°C+. Mỗi phân đoạn này sau đó được đưa đi phân tích một loạt các chỉ tiêu hóa lý quan trọng. Ví dụ, các phân đoạn naphtha được phân tích thành phần hydrocarbon chi tiết (DHA) theo ASTM D6733, chỉ số RON theo ASTM D2699, và hàm lượng aromatic theo ASTM D1319. Các phân đoạn nặng hơn như Kerosene và Gasoil được kiểm tra các chỉ tiêu như điểm chớp cháy, hàm lượng lưu huỳnh, và độ bôi trơn. Dữ liệu thu thập được từ các phân tích này tạo thành một cơ sở dữ liệu toàn diện, phản ánh chính xác thành phần hóa học condensate và tiềm năng tạo ra sản phẩm của nó. Đây là bước nền tảng để tiến hành mô phỏng và đánh giá hiệu quả kinh tế.

3.1. Chưng cất TBP và phân tách các phân đoạn sản phẩm

Quá trình chưng cất TBP (True Boiling Point) theo ASTM D2892 là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Mẫu condensate được gia nhiệt trong điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt độ và áp suất. Hơi hydrocarbon bay lên được ngưng tụ và thu thành các phân đoạn (cuts) dựa trên dải nhiệt độ sôi xác định. Các phân đoạn chính thu được bao gồm: LPG, Light Naphtha (C5-95°C), Heavy Naphtha (95-165°C), Kerosene (165-205°C), và các phân đoạn Gasoil. Kết quả chế biến thử ở quy mô phòng thí nghiệm này cho thấy hiệu suất thu hồi các phân đoạn nhẹ là rất cao, phù hợp với bản chất của condensate.

3.2. Phân tích đặc tính hóa lý của từng phân đoạn

Sau khi phân tách, mỗi phân đoạn được phân tích các đặc tính kỹ thuật condensate đặc thù. Đối với các phân đoạn dùng để pha chế xăng, chỉ số RON, RVP, và hàm lượng aromatic là các thông số quan trọng nhất. Nghiên cứu chỉ ra rằng Naphtha từ condensate Hải Thạch-Mộc Tinh có RON tự nhiên khá thấp, đòi hỏi phải qua các phân xưởng Isomer hóa (ISOM) và Reforming (CCR) để nâng cấp. Đối với các phân đoạn trung bình, các chỉ tiêu như hàm lượng lưu huỳnh, điểm khói (smoke point), và điểm đông đặc (freeze point) được kiểm tra để đánh giá khả năng pha trộn thành nhiên liệu phản lực Jet A1 hoặc Diesel, đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn Euro 5.

IV. Cách mô phỏng chế biến và tối ưu hóa sản xuất BSR

Dữ liệu Assay thu thập từ thực nghiệm được nhập vào mô hình mô phỏng quy hoạch tuyến tính (LP - Linear Programming) của Nhà máy lọc dầu Dung Quất. Đây là một công cụ mạnh mẽ cho phép tối ưu hóa sản xuất BSR bằng cách tính toán chế độ vận hành và tỷ lệ pha trộn nguyên liệu tối ưu để đạt được lợi nhuận cao nhất. Mô hình LP sẽ mô phỏng toàn bộ quá trình, từ phân xưởng CDU, qua các đơn vị xử lý như NHT, CCR, ISOM, đến công đoạn pha trộn sản phẩm cuối cùng. Bằng cách chạy các kịch bản khác nhau, ví dụ như chế biến 100% condensate hoặc pha trộn với các tỷ lệ khác nhau với dầu Bạch Hổ, các chuyên gia có thể dự báo chính xác hiệu suất chế biến, sản lượng từng sản phẩm (xăng, diesel, LPG), và quan trọng nhất là hiệu quả kinh tế. Kết quả mô phỏng là cơ sở khoa học vững chắc để BSR và PVN đưa ra quyết định về việc có nên triển khai chế biến loại condensate này ở quy mô công nghiệp hay không, đồng thời xác định được phương án vận hành tối ưu nhất để tối đa hóa lợi ích.

4.1. Xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng LP

Mô hình LP (Linear Programming) là một hệ thống toán học phức tạp, đại diện cho tất cả các phân xưởng công nghệ của nhà máy. Việc nhập dữ liệu Assay của condensate Hải Thạch-Mộc Tinh vào mô hình đòi hỏi quá trình hiệu chỉnh (tuning) để đảm bảo kết quả mô phỏng phản ánh đúng thực tế vận hành. Các tham số như hiệu suất chuyển hóa của các phản ứng, giới hạn công suất của thiết bị, và thông số chất lượng sản phẩm được cập nhật dựa trên dữ liệu mới. Quá trình này đảm bảo các dự báo về sản lượng và lợi nhuận là chính xác và đáng tin cậy.

4.2. Chạy kịch bản pha trộn nguyên liệu BSR và phân tích

Nhiều kịch bản được đưa ra để đánh giá. Một kịch bản quan trọng là pha trộn nguyên liệu BSR giữa condensate Hải Thạch-Mộc Tinh và dầu thô Bạch Hổ. Mô hình LP sẽ tính toán tỷ lệ pha trộn tối ưu để vừa tận dụng được ưu điểm của condensate (nhiều Naphtha), vừa đảm bảo sự ổn định cho các phân xưởng được thiết kế cho dầu thô truyền thống. Các kịch bản này giúp so sánh trực tiếp hiệu quả kinh tế giữa việc chỉ chạy dầu thô và việc kết hợp thêm condensate, từ đó tìm ra phương án vận hành mang lại lợi nhuận cao nhất cho nhà máy.

V. Kết quả đánh giá và hiệu quả kinh tế thực tiễn

Các kết quả chế biến thử ở quy mô phòng thí nghiệm và mô phỏng đã khẳng định tiềm năng vượt trội của condensate Hải Thạch-Mộc Tinh khi được xử lý tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất. Phân tích cho thấy, với hàm lượng Naphtha cao, việc chế biến condensate giúp tăng đáng kể sản lượng các cấu tử pha xăng có chỉ số Octane cao sau khi qua cụm phân xưởng NHT/CCR/ISOM. Điều này trực tiếp làm tăng sản lượng chất lượng xăng RON 95, một sản phẩm có giá trị thương mại cao và đáp ứng nhu cầu thị trường. Về mặt hiệu quả kinh tế, các tính toán dựa trên mô hình LP, với dữ liệu giá dầu thô và sản phẩm tại thời điểm nghiên cứu (Quý 4/2018), cho thấy lợi nhuận thu được trên mỗi thùng condensate chế biến cao hơn so với dầu thô Bạch Hổ. Mức chênh lệch lợi nhuận này chứng tỏ việc nhập và chế biến condensate Hải Thạch-Mộc Tinh không chỉ khả thi về mặt kỹ thuật mà còn rất hấp dẫn về mặt tài chính. Thành công này mở đường cho việc đa dạng hóa nguồn cung dầu thô, nâng cao năng lực cạnh tranh của BSR và góp phần vào chiến lược an ninh năng lượng của quốc gia.

5.1. Phân tích kết quả chế biến thử và hiệu suất sản phẩm

Kết quả chế biến thử và mô phỏng chỉ ra rằng hiệu suất chế biến Naphtha từ condensate cao hơn rõ rệt so với dầu thô. Khi đưa vào vận hành, cụm phân xưởng Naphtha hoạt động ở công suất cao, sản xuất ra lượng lớn Isomerate và Reformate, hai cấu tử chính để pha xăng RON 95. Sản lượng các sản phẩm nặng như nhiên liệu FO gần như bằng không, giúp nhà máy chuyển dịch cơ cấu sản phẩm sang các loại nhiên liệu sạch và có giá trị cao hơn, phù hợp với xu thế tiêu dùng và các quy định về môi trường như tiêu chuẩn Euro 5.

5.2. Tính toán chi tiết hiệu quả kinh tế USD thùng

Phân tích hiệu quả kinh tế được thực hiện bằng cách so sánh lợi nhuận biên (margin) giữa chế độ vận hành có condensate và chế độ chỉ có dầu thô. Theo dữ liệu từ nghiên cứu, lợi nhuận khi chế biến condensate Hải Thạch-Mộc Tinh cao hơn đáng kể so với dầu Bạch Hổ (baseline). Cụ thể, hình 4.2 trong tài liệu gốc cho thấy lợi nhuận tăng thêm có thể đạt vài USD trên mỗi thùng nguyên liệu. Con số này, khi nhân với sản lượng hàng triệu thùng mỗi năm, sẽ mang lại một khoản lợi ích kinh tế khổng lồ cho BSR và Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN).

VI. Kết luận và kiến nghị cho tương lai lọc dầu Dung Quất

Nghiên cứu đánh giá condensate Hải Thạch-Mộc Tinh tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất đã cung cấp những bằng chứng khoa học và thực tiễn vững chắc về tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng nguồn nguyên liệu này. Kết quả đã chứng minh rằng condensate không chỉ tương thích với cấu hình công nghệ hiện tại của BSR mà còn mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội so với dầu thô truyền thống. Việc xây dựng thành công bộ dữ liệu Assay và mô phỏng chính xác quá trình chế biến đã mở ra một hướng đi mới cho việc tối ưu hóa sản xuất BSR. Dựa trên những kết quả tích cực này, các kiến nghị được đưa ra nhằm hiện thực hóa tiềm năng của condensate. BSR cần xây dựng kế hoạch chi tiết để triển khai chế biến thử nghiệm ở quy mô công nghiệp, đồng thời tiếp tục tìm kiếm và đánh giá các nguồn condensate khác trong và ngoài nước. Về phía PVN và các cơ quan quản lý, cần có chính sách khuyến khích việc sử dụng các nguồn tài nguyên trong nước, thúc đẩy sự hợp tác giữa các đơn vị thượng nguồn (khai thác) và hạ nguồn (chế biến) để tối đa hóa chuỗi giá trị dầu khí Việt Nam, đảm bảo vững chắc an ninh năng lượng quốc gia.

6.1. Tóm lược các phát hiện chính và ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng bộ dữ liệu kỹ thuật toàn diện cho condensate Hải Thạch-Mộc Tinh. Kết quả mô phỏng cho thấy việc chế biến loại nguyên liệu này giúp tăng sản lượng xăng chất lượng cao và cải thiện đáng kể lợi nhuận. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học cho BSR để tự tin đưa ra quyết định đầu tư và vận hành, góp phần đa dạng hóa nguồn cung dầu thô và nâng cao hiệu quả hoạt động.

6.2. Đề xuất cho BSR và Tập đoàn Dầu khí Việt Nam PVN

Kiến nghị chính là BSR nên sớm tiến hành các đợt chế biến thử nghiệm (test run) ở quy mô lớn để xác thực các kết quả mô phỏng. Đồng thời, cần xây dựng một quy trình chuẩn cho việc đánh giá và tiếp nhận các loại nguyên liệu mới trong tương lai. Đối với Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN), cần tạo cơ chế phối hợp chặt chẽ hơn giữa đơn vị khai thác như Biển Đông POC và đơn vị chế biến như BSR để đảm bảo nguồn cung ổn định và tối ưu hóa lợi ích tổng thể cho cả chuỗi giá trị, củng cố nền tảng an ninh năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp lọc hóa dầu Việt Nam đang đứng trước thách thức lớn khi nguồn dầu thô ngọt nhẹ truyền thống từ mỏ Bạch Hổ suy giảm sản lượng nghiêm trọng. Nhà máy Lọc dầu Dung Quất được thiết kế với công suất chế biến 6,5 triệu tấn dầu thô mỗi năm, tương đương 148.000 thùng dầu mỗi ngày, dựa trên cấu hình nạp liệu 100% dầu Bạch Hổ hoặc hỗn hợp 85% dầu Bạch Hổ phối trộn với 15% dầu Dubai. Để duy trì vận hành ổn định trên tổng diện tích mặt bằng hơn 800 ha, bao gồm 110 ha khu công nghệ chính và 42 ha cụm bể chứa dầu thô, việc tìm kiếm và đánh giá các nguồn nguyên liệu bổ sung có chất lượng cao là yêu cầu sống còn.

Condensate từ các mỏ khí thiên nhiên thuộc thềm lục địa phía Nam, đặc biệt là bể trầm tích Nam Côn Sơn với tổng trữ lượng ước tính khoảng 21 triệu tấn, nổi lên như một giải pháp thay thế đầy tiềm năng. Tuy nhiên, condensate thô tại Việt Nam thường có thành phần phân đoạn Naphtha chiếm tỷ trọng lớn nhưng trị số Octane thấp, điển hình với chỉ số RON chỉ đạt khoảng 57. Nếu chỉ gia công phân tách đơn thuần để phối trộn trực tiếp, giá trị kinh tế thu được rất thấp. Do đó, mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng bộ cơ sở dữ liệu dầu thô chi tiết cho dầu Condensate mỏ Hải Thạch - Mộc Tinh tại phòng thí nghiệm của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, đồng thời sử dụng mô hình quy hoạch tuyến tính để đánh giá toàn diện khả năng chế biến và hiệu quả kinh tế trong giai đoạn thị trường xăng RON 92 và RON 95 có mức chênh lệch giá cao so với dầu Diesel. Nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược khi mở ra giải pháp nâng cao biên lợi nhuận lọc dầu từ 0,5 đến 1,2 USD trên mỗi thùng sản phẩm, hạn chế tối đa việc xuất khẩu tài nguyên thô với giá rẻ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết hóa lý dầu mỏ và các công cụ mô hình hóa tối ưu hóa sản xuất công nghiệp:

• Lý thuyết chưng cất phân đoạn điểm sôi thực: Xác định bản chất phân bố nhiệt độ sôi của các hydrocacbon từ nhiệt độ môi trường lên đến 400 °C ở áp suất khí quyển và chân không. Lý thuyết này cho phép dự báo chính xác hiệu suất thu hồi của từng dòng sản phẩm trung gian.
• Lý thuyết quy hoạch tuyến tính trong tối ưu hóa nhà máy lọc dầu: Ứng dụng mô hình toán học giải thuật Simplex để mô phỏng cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và ràng buộc công suất của từng phân xưởng công nghệ, từ đó tìm ra phương án phối trộn nguyên liệu mang lại tổng doanh thu tối ưu.
• Lý thuyết chuyển hóa cấu trúc hydrocacbon: Giải thích các phản ứng đồng phân hóa n-paraffin thành iso-paraffin tại phân xưởng ISOM và phản ứng dehydro hóa naphthene thành aromatic tại phân xưởng Reforming xúc tác liên tục CCR nhằm gia tăng đột biến chỉ số RON cho phân đoạn Naphtha.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm: Bộ dữ liệu dầu thô toàn diện, Áp suất hơi bão hòa Reid, Trị số Octane nghiên cứu, và Hệ số đặc trưng UOP K.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu thực nghiệm gồm 30 lít dầu Condensate Hải Thạch - Mộc Tinh được thu thập trực tiếp tại hệ thống khai thác ngoài khơi theo phương pháp lấy mẫu đại diện nghiêm ngặt. Cỡ mẫu 30 lít là dung tích tối ưu để vừa đảm bảo nạp đủ cho tháp chưng cất phân đoạn quy mô pilot 20 lít, vừa đủ lượng mẫu thành phần để thực hiện đồng thời 18 phép thử hóa lý chuyên sâu.

Quy trình phân tích thực nghiệm được thiết kế dựa trên hệ thống tiêu chuẩn ASTM quốc tế:

• Chưng cất điểm sôi thực trên thiết bị Rofa TBP 20L theo tiêu chuẩn ASTM D2892, phân tách mẫu thành 10 phân đoạn hẹp từ phân đoạn khí hóa lỏng LPG đến phân đoạn có nhiệt độ cắt 370 °C. Phân đoạn cặn 370 °C+ tiếp tục được chưng cất chân không trên thiết bị Normalab P1280 theo tiêu chuẩn ASTM D1160 dưới áp suất 20 mmHg.
• Phân tích thành phần hydrocacbon chi tiết bằng phương pháp sắc ký khí mao quản trên thiết bị Agilent 6890N theo tiêu chuẩn ASTM D6733 cho các phân đoạn Naphtha nhẹ C5-95 °C, Naphtha trung 95-145 °C và Naphtha nặng 145-165 °C.
• Đo trị số Octane thực tế trên động cơ một xi lanh Waukesha CFR theo tiêu chuẩn ASTM D2699. Do các phân đoạn Naphtha nguyên bản có RON rất thấp, phương pháp phối trộn mẫu với Iso-octane chuẩn được áp dụng để đưa trị số vào thang đo định mức trước khi hiệu chỉnh về giá trị thực.
• Xác định tỷ trọng bằng máy đo kỹ thuật số ống chữ U dao động PAC DA 500 theo tiêu chuẩn ASTM D4052, phân tích hàm lượng lưu huỳnh tổng bằng huỳnh quang tia X theo tiêu chuẩn ASTM D4294 và huỳnh quang cực tím theo tiêu chuẩn ASTM D5453.
• Phân tích hàm lượng kim loại vi lượng Fe, Ni, V bằng quang phổ phát xạ plasma cảm ứng ICP Optima 5300 theo tiêu chuẩn ASTM D5708.

Toàn bộ dữ liệu phân tích sau đó được nhập vào phần mềm quản lý dữ liệu dầu thô HCAMS và tích hợp vào mô hình quy hoạch tuyến tính của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất để mô phỏng đánh giá biên lợi nhuận kinh tế dựa trên mặt bằng giá quý 4 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã thiết lập bộ thông số toàn diện cho dầu Condensate Hải Thạch - Mộc Tinh với nhiều đặc tính vượt trội:

• Tỷ trọng và độ bay hơi an toàn: Dầu có tỷ trọng ở 15 °C đạt 0,8252 kg/L, tương ứng với độ nhớt API đạt 39,97 °API. Áp suất hơi bão hòa Reid đo được ở mức 17,50 kPa, tương đương khoảng 2,54 psi, thấp hơn rất nhiều so với giới hạn an toàn 8,0 psi của hệ thống bể chứa tại Dung Quất.
• Hàm lượng tạp chất cực thấp: Hàm lượng lưu huỳnh tổng chỉ chiếm 0,0588% khối lượng, chỉ số axit tổng đạt mức rất thấp 0,052 mg KOH/g, hàm lượng sắt Fe chỉ đạt 0,02 ppm trong khi Nickel và Vanadium đều dưới 1,0 ppm. Các chỉ số này loại trừ hoàn toàn nguy cơ gây ngộ độc xúc tác kim loại quý tại các phân xưởng công nghệ.
• Hiệu suất thu hồi phân đoạn trắng vượt trội: Phân đoạn Naphtha sôi từ C5 đến 200 °C chiếm tới 37,2% khối lượng, phân đoạn dầu nhẹ và trung bình chiếm hơn 45% khối lượng, trong khi lượng cặn nặng 370 °C+ chỉ chiếm khoảng 0,24% khối lượng.
• Chất lượng phân đoạn Naphtha chuyển hóa cao: Phân tích thành phần hydrocacbon cho thấy phân đoạn C5-95 °C chứa hàm lượng paraffin lên tới 99,03% khối lượng, trong khi phân đoạn 95-145 °C và 145-165 °C giàu hợp chất naphthene và aromatic, giúp chỉ số RON sau khi qua phân xưởng Reforming xúc tác CCR đạt trên 98-102 điểm.

Thảo luận kết quả

Khi so sánh với các nguồn condensate khác trong khu vực như Condensate Nam Côn Sơn có RVP lên tới 10 psi hay Condensate Terengganu của Malaysia có RVP 12 psi và tỷ trọng nhẹ 0,6942, Condensate Hải Thạch - Mộc Tinh thể hiện tính chất hóa lý tương tự như một loại dầu thô siêu nhẹ ngọt. Áp suất hơi bão hòa thấp 17,50 kPa cho phép nhà máy tiếp nhận trực tiếp qua hệ thống phao rót dầu một điểm không bến SPM và bơm thẳng vào các bể chứa 42 ha mà không gây thất thoát hơi hydrocacbon hay vi phạm tiêu chuẩn an toàn phòng chống cháy nổ.

Dữ liệu chưng cất thực nghiệm có thể được mô tả trực quan qua biểu đồ đường cong phân bố điểm sôi thực TBP kéo dài từ nhiệt độ sôi ban đầu 42,6 °C đến điểm sôi cuối trên 387 °C. Bên cạnh đó, các bảng cân bằng vật chất phân nhóm PONA thể hiện rõ tỷ lệ chuyển dịch từ paraffin mạch thẳng sang naphthene khi tăng khoảng nhiệt độ cắt.

Kết quả mô phỏng trên mô hình quy hoạch tuyến tính LP cho thấy khi phối trộn từ 5% đến 15% Condensate Hải Thạch - Mộc Tinh vào dòng dầu thô nạp cho phân xưởng chưng cất khí quyển CDU, nhà máy có thể tận dụng tối đa công suất thiết kế còn dư của cụm xử lý Naphtha gồm phân xưởng NHT công suất 23.000 thùng/ngày, phân xưởng ISOM công suất 6.500 thùng/ngày và đặc biệt là nâng công suất phân xưởng Reforming liên tục CCR vượt mức 100% công suất thiết kế 21.000 thùng/ngày. Sự chuyển hóa này làm gia tăng tỷ lệ sản xuất xăng thương phẩm cao cấp RON 95, nâng cao biên lợi nhuận ròng của nhà máy thêm 0,5 đến 1,2 USD trên mỗi thùng dầu chế biến so với phương án chạy 100% dầu Bạch Hổ thuần túy.

Đề xuất và khuyến nghị

Để hiện thực hóa các phát hiện khoa học từ luận văn vào thực tiễn sản xuất, bốn nhóm giải pháp mang tính hành động cao được đề xuất:

• Ban Giám đốc và Khối Sản xuất Nhà máy Lọc dầu Dung Quất phê duyệt quy trình phối trộn linh hoạt Condensate Hải Thạch - Mộc Tinh với tỷ lệ từ 5% đến 15% thể tích vào dòng dầu thô nạp cho phân xưởng CDU U-011 trong giai đoạn 2019–2022, nhằm mục tiêu đẩy công suất vận hành cụm phân xưởng CCR lên mức 102% đến 105% công suất thiết kế.
• Phòng Quản lý Cảng biển và Công nghệ bảo dưỡng thiết lập hệ thống quan trắc áp suất tự động tại phao rót dầu không bến SPM và toàn bộ cụm bể chứa dầu thô diện tích 42 ha, duy trì kiểm soát áp suất hơi bão hòa định kỳ hằng tháng dưới ngưỡng giới hạn 8,0 psi để loại bỏ hoàn toàn nguy cơ bốc hơi thất thoát nguyên liệu.
• Phòng Kế hoạch và Điều độ sản xuất số hóa toàn bộ bộ dữ liệu dầu thô gồm 10 phân đoạn đã xây dựng vào hệ thống quản lý dữ liệu HCAMS và phần mềm tối ưu hóa quy hoạch tuyến tính PIMS trong quý 1 hàng năm, nhằm liên tục cập nhật bài toán kinh tế theo biến động giá chênh lệch giữa xăng RON 95 và dầu thô thế giới.
• Tập đoàn Dầu khí Việt Nam hoàn thiện khung chính sách bao tiêu dài hạn nguồn condensate khai thác từ thềm lục địa phía Nam quy mô khoảng 21 triệu tấn trữ lượng cho đến năm 2030, ưu tiên phân bổ nguyên liệu phục vụ chế biến sâu nội địa thay vì xuất khẩu thô, giúp gia tăng giá trị chuỗi sản phẩm dầu khí quốc gia thêm hàng chục triệu USD mỗi năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư công nghệ lọc hóa dầu tại các nhà máy chế biến dầu khí: Ứng dụng quy trình thử nghiệm ASTM D2892, ASTM D1160 và các thông số vận hành phân đoạn thực tế để tối ưu hóa chế độ công nghệ cho tháp chưng cất khí quyển CDU, tháp tách Naphtha và cụm phản ứng CCR/ISOM.
• Chuyên viên mô hình hóa và tối ưu hóa sản xuất: Sử dụng trọn vẹn bộ dữ liệu Crude Assay 10 phân đoạn làm thông số đầu vào chuẩn cho các phần mềm chuyên dụng như Aspen HYSYS, HCAMS và PIMS LP nhằm xây dựng kế hoạch điều độ sản xuất tối ưu.
• Cán bộ quản lý thương mại và cung ứng nguyên liệu dầu khí: Khai thác bức tranh so sánh tính chất hóa lý giữa các nguồn condensate khu vực để phục vụ công tác đàm phán hợp đồng mua sắm dầu thô, định giá nguyên liệu và đón đầu các cơ hội chênh lệch giá thị trường.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tính chất dầu mỏ theo tiêu chuẩn quốc tế kết hợp với công cụ quy hoạch tuyến tính trong công nghiệp lọc dầu.

Câu hỏi thường gặp

Dầu condensate Hải Thạch - Mộc Tinh có đặc tính gì vượt trội so với các nguồn condensate khác trong khu vực? Dầu sở hữu tỷ trọng tương đối cao 0,8252 kg/L tương đương 39,97 °API và áp suất hơi bão hòa rất thấp 17,50 kPa. Trong khi các loại condensate khác có RVP từ 10 đến 12 psi dễ gây quá áp bể chứa, nguồn dầu này cho phép tồn trữ an toàn trong các bể chứa tiêu chuẩn của nhà máy mà không cần đầu tư cải tạo hệ thống thu hồi hơi.

Tại sao phải phối trộn mẫu với Iso-octane khi đo trị số RON cho các phân đoạn Naphtha nhẹ? Phân đoạn Naphtha C5-95 °C chứa chủ yếu paraffin mạch thẳng nên chỉ số RON tự nhiên rất thấp, thường dưới 40 điểm, nằm ngoài thang đo chuẩn của động cơ Waukesha CFR theo tiêu chuẩn ASTM D2699. Việc pha trộn với Iso-octane chuẩn giúp đưa trị số hỗn hợp lên thang đo 78-79 RON, sau đó áp dụng công thức ngoại suy để tính chính xác RON thực tế.

Việc tăng tỷ lệ phối trộn condensate có gây quá tải cho các phân xưởng hạ nguồn không? Phân đoạn cặn nặng 370 °C+ của loại condensate này chỉ chiếm 0,24% khối lượng, do đó không gây quá tải cho phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi RFCC. Lượng Naphtha tăng thêm khoảng 37% hoàn toàn nằm trong biên độ thiết kế dư của các phân xưởng NHT và CCR khi vận hành ở mức 100% đến 105% công suất.

Cỡ mẫu 30 lít có đảm bảo tính đại diện khoa học cho toàn bộ mỏ dầu không? Mẫu 30 lít được lấy theo quy trình lấy mẫu dầu mỏ đại diện ngoài khơi, đủ khối lượng để thực hiện chưng cất phân đoạn TBP lặp lại và cung cấp thể tích cho 18 phép thử kiểm tra chéo theo tiêu chuẩn ASTM với độ lệch chuẩn thực nghiệm dưới 0,5%, đảm bảo độ tin cậy khoa học tuyệt đối.

Ứng dụng mô hình quy hoạch tuyến tính LP mang lại lợi ích cụ thể gì trong việc ra quyết định sản xuất? Mô hình LP tính toán đồng thời hàng trăm biến số về giá dầu thô, giá sản phẩm và giới hạn thiết bị, giúp dự báo chính xác mức tăng lợi nhuận biên từ 0,5 đến 1,2 USD/thùng trước khi nhà máy tiến hành nhập và nạp liệu thực tế, loại bỏ hoàn toàn các rủi ro vận hành và tài chính.

Kết luận

• Xây dựng thành công bộ cơ sở dữ liệu Crude Assay hoàn chỉnh cho Condensate Hải Thạch - Mộc Tinh với 10 phân đoạn hẹp dựa trên 18 phương pháp phân tích chuẩn ASTM quốc tế.
• Chứng minh dầu có tỷ trọng tối ưu 39,97 °API, áp suất hơi bão hòa an toàn 17,50 kPa và hàm lượng lưu huỳnh cực thấp 0,0588%, hoàn toàn tương thích với hệ thống tiếp nhận SPM và bể chứa 42 ha của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất.
• Xác định phân đoạn Naphtha chiếm tỷ lệ cao 37,2% khối lượng với tiềm năng nâng cấp trị số Octane vượt bậc thông qua cụm công nghệ ISOM và CCR.
• Khẳng định hiệu quả kinh tế rõ rệt thông qua mô hình quy hoạch tuyến tính LP, mang lại mức gia tăng biên lợi nhuận từ 0,5 đến 1,2 USD trên mỗi thùng dầu chế biến.
• Đóng góp luận cứ khoa học vững chắc phục vụ chiến lược giữ lại nguồn condensate nội địa 21 triệu tấn để chế biến sâu, thay thế hiệu quả nguồn dầu thô Bạch Hổ đang dần cạn kiệt.

Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2024–2026 là tiếp tục mở rộng mô phỏng cho các loại condensate mỏ mới tại thềm lục địa Việt Nam. Quý độc giả và các kỹ sư quan tâm có thể tải toàn văn luận văn thạc sĩ để khai thác chi tiết bảng số liệu 10 phân đoạn phục vụ công tác nghiên cứu và vận hành thực tế.