Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến dầu khí đòi hỏi các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt đối với sản phẩm thương phẩm, trong khi chất lượng các dòng lưu chất khai thác từ mỏ có xu hướng biến động và tiêu chuẩn bảo vệ môi trường ngày càng nâng cao. Tại mỏ Sư Tử Trắng, hoạt động sản xuất phải đối mặt với bài toán tối ưu hóa công nghệ: gia tăng sản lượng dầu ngưng tụ (condensate) chất lượng cao nhưng đồng thời phải duy trì tốc độ và lưu lượng xuất khẩu khí ổn định, đáp ứng yêu cầu tiếp nhận của hệ thống xử lý hạ nguồn và an toàn vận hành giàn khoan.

Mỏ Sư Tử Trắng được phát hiện vào ngày 19/11/2003, tọa lạc tại góc Đông Nam Lô 15-1 thuộc thềm lục địa Việt Nam, ở độ sâu 56 m nước, cách đất liền khoảng 62 km, cách thành phố Vũng Tàu khoảng 135 km về phía Đông và cách Giàn xử lý trung tâm Sư Tử Vàng (CPP) 18,748 km. Đây là mỏ nằm xa nhất so với hệ thống xử lý trung tâm trong cụm mỏ. Trữ lượng ước tính của mỏ đạt khoảng 300 triệu thùng dầu thô và 3–4 tỷ m³ khí đốt. Ngày 15/11/2012, Công ty Liên doanh Điều hành Cửu Long (Cửu Long JOC) đã đón nhận dòng khí đầu tiên từ mỏ. Năm 2016, sản lượng khai thác tại cụm mỏ Lô 15.1 đóng góp 10,7% tổng sản lượng khai thác toàn Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (đạt 27,84 triệu tấn dầu quy đổi).

Hệ thống giàn đầu giếng WHP-C hiện hữu được thiết kế để xử lý tối đa 4 giếng khí áp suất cao (ST-1P, ST-2P, ST-3P, ST-4P), trong đó giai đoạn đầu khai thác 2 giếng ST-1P và ST-2P với lưu lượng khoảng 80 MMSCFD khí và 10.000 BPD condensate (tỷ lệ ước tính khoảng 130 thùng dầu/ngày ở điều kiện chuẩn trên 1 MMSCFD khí). Toàn bộ lưu chất khai thác từ WHP-C được vận chuyển về Sư Tử Vàng CPP qua đường ống ngầm đa pha kích thước 12 inch dài khoảng 18 km. Hoạt động khai thác bị giới hạn bởi công suất xử lý của CPP, năng lực tiếp nhận của đường ống xuất khí vào bờ và nhu cầu tiêu thụ khí tại miền Nam Việt Nam.

Dự án “Phát triển toàn mỏ Sư Tử Trắng Giai đoạn 1” được triển khai nhằm giải quyết các hạn chế trên thông qua việc lắp đặt giàn nén khí tái bơm ép (ST-PIP) kết nối với giàn WHP-C bằng cầu dẫn, khoan mới hai giếng (ST-5P, ST-6P) trên ST-PIP và chuyển đổi hai giếng khai thác hiện hữu (ST-1P, ST-2P) thành giếng bơm ép khí xuống vỉa để hỗ trợ khai thác hai giếng ST-3P và ST-4P. Dự án nâng tổng sản lượng khai thác lên 150 MMSCFD, trong đó 100 MMSCFD được nén ép tuần hoàn xuống vỉa, 50 MMSCFD xuất khẩu về mỏ Bạch Hổ qua CPP, và sản lượng condensate tăng lên khoảng 13.000 đến 19.000 BPD. Trong cấu hình công nghệ của giàn ST-PIP, Hệ thống khí đốt phụ trợ (Fuel Gas System - FGS) đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp nhiên liệu khí đạt chuẩn cho các thiết bị sinh công trên giàn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 4 nội dung:

  1. Tìm hiểu về mỏ Sư Tử Trắng và dự án phát triển mỏ.
  2. Tìm hiểu về hệ thống khí đốt phụ trợ, các thiết bị chính trong hệ thống.
  3. Sử dụng mô phỏng Hysys để tính toán thiết bị, tính toán năng lượng thiết kế quy trình công nghệ.
  4. Tính toán, thiết kế các thiết bị chính trong quy trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ và các thiết bị chính của Hệ thống khí đốt phụ trợ (Fuel Gas System - FGS) trên giàn ST-PIP.
  • Phạm vi không gian: Giàn nén khí tái bơm ép ST-PIP thuộc mỏ Sư Tử Trắng, Lô 15-1 thềm lục địa Việt Nam.
  • Phạm vi thời gian và dữ liệu: Dữ liệu công nghệ đo đạc từ thiết bị đo sản lượng (Test Separator) tại giếng khai thác ST-2P mỏ Sư Tử Trắng, đồ án được thực hiện và bảo vệ năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết về công nghệ phân tách lưu chất hai pha khí - lỏng, truyền nhiệt, nhiệt động lực học hỗn hợp hydrocarbon và thủy lực đường ống ngoài khơi.

Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

  • Mô hình nhiệt động: Gói nhiệt động Peng-Robinson được thiết lập trong phần mềm Aspen HYSYS v12. Đây là phương trình trạng thái có dải nhiệt độ và áp suất áp dụng rộng, phù hợp để mô phỏng chính xác các cân bằng pha lỏng - hơi của các cấu tử hydrocarbon từ C1 đến C6+ và khí phi hydrocarbon.
  • Nguyên lý tách pha: Dựa trên sự khác biệt về khối lượng riêng giữa pha khí và pha lỏng thông qua bốn cơ chế chính gồm phân tách theo moment quán tính (đổi hướng dòng đột ngột tại thiết bị nạp Inlet Diverter), lắng trọng lực (Gravity settling), lực ly tâm (Centrifugal force), và kết khối giọt lỏng (Coalescing).
  • Phương trình vận tốc tới hạn Souders-Brown xác định vận tốc khí cực đại cho phép để hạt lỏng lắng đọng mà không bị cuốn theo dòng khí:

$$U_T = K \sqrt{\frac{\rho_l - \rho_g}{\rho_g}}$$

Trong đó $U_T$ là vận tốc tới hạn (m/s), $\rho_l$ và $\rho_g$ lần lượt là khối lượng riêng pha lỏng và pha khí ($\text{kg/m}^3$), $K$ là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào dạng hình học và kích thước bình tách (đối với bình đứng, $K$ nằm trong khoảng 0,24 đến 0,50; bình nằm ngang $K = 0,56$).

  • Phương trình cân bằng nhiệt lượng: Xác định phụ tải nhiệt cho các thiết bị trao đổi nhiệt thông qua công thức $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$, trong đó $Q$ là nhiệt lượng trao đổi (kJ/h), $m$ là lưu lượng khối lượng (kg/h), $c$ là nhiệt dung riêng ($\text{kJ/kg}\cdot^\circ\text{C}$), và $\Delta T$ là độ biến thiên nhiệt độ ($^\circ\text{C}$).

Các tiêu chuẩn công nghiệp áp dụng trong thiết kế:

  • Tiêu chuẩn ASME (ASME B16.5): Phân loại áp lực đường ống theo áp suất danh nghĩa (PN 150 đến PN 2500, tương đương dải áp suất từ 20 đến 420 bar) và quy chuẩn kỹ thuật cho hệ thống xả áp an toàn gồm van an toàn xả áp (Relief Valve) kết hợp đĩa nổ phá hủy (Rupture Disk).
  • Tiêu chuẩn API RP 14E: Thiết kế và định cỡ đường ống công nghệ ngoài khơi. Tiêu chuẩn quy định giới hạn động năng dòng $\rho V^2$ (từ 6.000 đến 20.000 Pa tùy khoảng áp suất vận hành), vận tốc dòng tối đa theo ngưỡng ồn 85 dB ($V_{max} = 198,5 / \sqrt{\rho}$), độ sụt áp tối đa trên đường ống ($\le 0,7\text{ bar/km}$ cho dải áp suất 0–35 barg) và vận tốc ăn mòn/xói mòn cho dòng hai pha ($V_e = C / \sqrt{\rho_m}$, khống chế tối đa 20 m/s cho thép carbon có phun chất ức chế ăn mòn).
  • Tiêu chuẩn thiết kế bình tách: Tỷ lệ hình học thân bình duy trì trong khoảng $2 < H/D < 4$. Giới hạn động năng dòng tại các cửa vòi (nozzle): cửa nạp $\rho_m V_m^2 \le 8000\text{ Pa}$, cửa ra pha khí $\rho_g V_g^2 \le 4500\text{ Pa}$, cửa tháo pha lỏng có vận tốc dòng $V \le 1\text{ m/s}$. Hiệu suất tách giọt lỏng của bộ khử sương đạt 99% đối với hạt có kích thước trên 10 $\mu\text{m}$, hàm lượng lỏng cuốn theo tối đa $0,1\text{ gallon/MMSCF}$.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu chuyên ngành: Hệ thống hóa số liệu địa chất, công nghệ khai thác mỏ Sư Tử Trắng và các yêu cầu kỹ thuật của nhà sản xuất tuabin.
  • Phương pháp mô phỏng công nghệ số: Sử dụng phần mềm chuyên dụng Aspen HYSYS v12 để xây dựng sơ đồ dòng công nghệ (PFD), tính toán cân bằng vật chất - năng lượng và dùng khối thuật toán Adjuster nhằm điều khiển thông số vận hành tự động.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật quá trình và thiết bị: Xác định kích thước bình tách hai pha đứng, tính toán phụ tải trao đổi nhiệt và kiểm tra thủy lực dòng chảy trong đường ống.

Nguồn dữ liệu: Số liệu đầu vào phục vụ tính toán và mô phỏng được trích xuất từ dữ liệu đo đạc thực tế của thiết bị đo sản lượng giếng (Test Separator) đối với giếng ST-2P tại mỏ Sư Tử Trắng.

Thông số dòng vào giếng ST-2P Giá trị
Nhiệt độ dòng nguyên liệu 93 $^\circ\text{C}$
Hàm lượng Methane ($C_1$) 80,1153% mol
Hàm lượng Nitrogen ($N_2$) 0,0001% mol
Phân tử khối trung bình của dòng khí 21,7327 g/mol

Thiết kế và triển khai

Hệ thống khí đốt phụ trợ (Fuel Gas System - FGS) trên giàn ST-PIP được thiết kế nhằm tiếp nhận khí tự nhiên từ giàn, xử lý tách lỏng, điều chỉnh áp suất, gia nhiệt quá nhiệt và phân phối nhiên liệu khí sạch cho các hộ tiêu thụ công nghệ.

Cấu trúc dòng công nghệ và các thiết bị chính:

  1. Nguồn cung cấp khí: Khí đầu vào hệ thống được lấy từ hai nguồn độc lập:
    • Nguồn chính: Lấy từ đỉnh của Bộ phân tách sản xuất (Production Separator) với nhiệt độ vận hành dao động từ 80 đến 118 $^\circ\text{C}$.
    • Nguồn thứ cấp (dự phòng): Lấy từ cửa ra của bình tách hút máy nén tái ép (Suction Scrubber) khi hệ thống chính bảo dưỡng; nguồn khí này có nhiệt độ dưới 50 $^\circ\text{C}$ nên không cần qua công đoạn làm mát sơ bộ.
  2. Công đoạn làm mát sơ bộ (Pre-cooler E-100): Khí từ bình tách sản xuất được dẫn qua thiết bị làm mát bằng không khí hoặc nước làm mát để hạ nhiệt độ xuống 69 $^\circ\text{C}$. Bước hạ nhiệt này bắt buộc nhằm kiểm soát nhiệt độ khí nhiên liệu sau khi quá nhiệt không vượt quá ngưỡng giới hạn 93 $^\circ\text{C}$ theo yêu cầu kỹ thuật của nhà chế tạo tuabin. Quạt làm mát được trang bị biến tần điều khiển tốc độ để tránh hạ nhiệt độ xuống vùng tạo hydrate khi phụ tải thấp.
  3. Công đoạn giảm áp (Pressure Reduction Valve VLV-100): Dòng khí được điều tiết giảm áp suất xuống mức vận hành ổn định 31 barg, tương thích với định mức áp lực đường ống ANSI 300#.
  4. Công đoạn tách lỏng hai pha (Fuel Gas Scrubber): Khí sau van giảm áp đi vào bình tách đứng hai pha FG Scrubber để loại bỏ chất lỏng ngưng tụ phát sinh do quá trình giảm áp và làm lạnh. Thiết bị được tích hợp tấm chuyển hướng dòng dạng cánh gạt (Vane Type Inlet Diverter) và bộ khử sương mù cánh gạt (Vane Type Mist Eliminator), loại bỏ 99% hạt lỏng kích thước $\ge 10,\mu\text{m}$.
  5. Công đoạn gia nhiệt quá nhiệt (Fuel Gas Superheater E-101): Sử dụng bộ quá nhiệt điện cấu hình dự phòng $2 \times 100%$ công suất. Thiết bị gia nhiệt khí nhiên liệu lên nhiệt độ cao hơn tối thiểu 30 $^\circ\text{C}$ so với điểm sương của nước hoặc điểm sương hydrocarbon (chọn giá trị cao hơn), ngăn ngừa hiện tượng đọng sương chất lỏng khi khí giãn nở tại buồng đốt tuabin.
  6. Hệ thống phân phối và phụ trợ:
    • Bộ chia dòng TEE-100 phân bổ khí đến máy phát điện tuabin khí (GTG) và tuabin dẫn động máy nén khí tái bơm ép.
    • Bộ lọc khí tinh cấu hình $2 \times 100%$ tách 99% các hạt bụi có kích thước từ 5 $\mu\text{m}$ trở lên.
    • Cụm bơm ngưng tụ chất lỏng $2 \times 100%$ với áp suất ngược đường ống thiết kế lên tới 71 barg để bơm hydrocarbon lỏng từ đáy FG Scrubber hồi lưu về hệ thống xử lý. Khi lưu lượng xuất khí thấp (khoảng 15 MMSCFD), áp suất ngược giảm xuống khoảng 20 barg, chất lỏng tự chảy vòng qua bơm.
Thiết bị / Hạng mục Ký hiệu mô phỏng Chức năng kỹ thuật trong hệ thống FGS
Thiết bị làm mát sơ bộ E-100 Làm mát khí từ 80–118 $^\circ\text{C}$ xuống 69 $^\circ\text{C}$
Thiết bị giảm áp VLV-100 Giảm áp suất dòng khí về 31 barg
Bình tách khí - lỏng hai pha FG Scrubber Tách 99% hạt lỏng $\ge 10,\mu\text{m}$, carry-over $\le 0,1\text{ Gal/MMSCF}$
Thiết bị gia nhiệt quá nhiệt E-101 Quá nhiệt khí cao hơn điểm sương tối thiểu 30 $^\circ\text{C}$
Thiết bị chia dòng TEE-100 Phân phối dòng khí đến tuabin máy nén và tuabin máy phát GTG

Các thông số điều kiện biên phục vụ vận hành:

  • Áp suất thiết kế toàn hệ thống: 39,6 barg; áp suất xả cao áp: 34,5 barg.
  • Áp suất cấp tối thiểu tại chân thiết bị: 27,5 barg đối với tuabin máy nén và 13,2 barg đối với tuabin máy phát GTG.
  • Dung tích đệm buồng khí của FG Scrubber: Cung cấp lượng khí duy trì tối thiểu 30 giây khi khởi động GTG dự phòng (áp suất tụt từ 31 xuống 28,5 barg); duy trì tối thiểu 40 giây khi chuyển đổi từ nhiên liệu khí sang nhiên liệu lỏng ở tải 75% (áp suất tụt từ 31 xuống 14,3 barg).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Chương 1 trình bày tổng quan về vị trí địa lý, điều kiện hải văn, lịch sử thăm dò phát triển và trữ lượng mỏ Sư Tử Trắng tại Lô 15-1. Tác giả phân tích chi tiết dữ liệu vận hành giai đoạn thử nghiệm dài hạn của giàn WHP-C, bao gồm sản lượng khai thác 80 MMSCFD khí và 10.000 BPD condensate từ hai giếng ST-1P và ST-2P, đường ống ngầm 12 inch dài 18 km dẫn về Sư Tử Vàng CPP, đồng thời nêu rõ cơ sở hình thành dự án phát triển toàn mỏ Giai đoạn 1 với việc bổ sung giàn nén khí tái bơm ép ST-PIP.

Chương này tập trung hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về các thiết bị xử lý bề mặt:

  • Phân loại bình tách theo cấu trúc hình học (bình tách trụ đứng, nằm ngang, hình cầu) và theo chức năng công nghệ (Flash Drum, Knock out Drum, Scrubber, Test Separator, Slug Catcher, Surge Drum).
  • Phân tích ưu và nhược điểm của bình tách đứng (tiết kiệm diện tích sàn giàn khoan, dễ xả cặn chất rắn nhưng dung tích chứa lỏng hạn chế) so với bình tách nằm ngang (hiệu suất tách cao, xử lý tốt dòng nhiều chất lỏng nhưng chiếm không gian mặt sàn lớn).
  • Cấu tạo bốn vùng phân tách bên trong bình: vùng tách sơ cấp (Inlet Diverter), vùng lắng trọng lực thứ cấp, vùng gom chất lỏng (có tấm chống xoáy Vortex Breaker) và vùng khử sương (dạng đệm lưới Mesh Pad, cánh gạt Vane hoặc lốc xoáy Cyclonic).
  • Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật: ASME B16.5 về phân loại áp lực đường ống (Bảng 6 từ PN 150 đến PN 2500), tiêu chuẩn kích thước NPS/DN và cấp bề dày SCH, tiêu chuẩn API RP 14E về vận tốc dòng khí, động năng dòng $\rho V^2$ và độ giảm áp suất cho phép giữa các cấp nén (Bảng 7).
  • Chức năng chi tiết của hệ thống khí đốt phụ trợ (FGS), yêu cầu quá nhiệt 30 $^\circ\text{C}$ trên điểm sương và các giới hạn áp suất cấp cho tuabin.

Chương 2 – MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐỐT KHÍ PHỤ TRỢ (FUEL GAS SYSTEM) BẰNG PHẦN MỀM ASPEN HYSYS V12

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình xây dựng mô hình mô phỏng dòng công nghệ FGS trên phần mềm Aspen HYSYS v12:

  • Khai báo danh mục cấu tử: Các hydrocarbon no ($C_1, C_2, C_3, C_4, C_5, C_6+$) và các khí trơ gồm $CO_2, N_2$.
  • Lựa chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson làm mô hình tính toán cân bằng lỏng - hơi.
  • Thiết lập thông số dòng nguyên liệu đầu vào dựa trên mẫu phân tích khí giếng ST-2P (nhiệt độ 93 $^\circ\text{C}$, thành phần mol $C_1$ đạt 80,1153%).
  • Mô hình hóa tuần tự các khối thiết bị công nghệ: Thiết bị làm mát E-100, van giảm áp VLV-100, bình tách hai pha FG Scrubber, thiết bị gia nhiệt E-101 và bộ chia dòng TEE-100.
  • Kết quả mô phỏng: Tác giả tích hợp công cụ Adjuster để điều khiển tự động lưu lượng dòng khí sạch rời đỉnh FG Scrubber luôn đạt mức ổn định 5,5 MMSCFD. Từ thông số này, mô hình tính toán ngược lưu lượng dòng nguyên liệu nạp vào đầu quy trình, đồng thời xuất dữ liệu về nhiệt độ, áp suất, enthalpy và lưu lượng của từng dòng nhánh dẫn đến máy nén và máy phát điện trên giàn.

Chương 3: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

Chương 3 trình bày các bước tính toán kỹ thuật cụ thể cho các thiết bị công nghệ chính trong hệ thống FGS:

  • Tính toán thiết bị làm mát sơ bộ E-100: Sử dụng phương trình cân bằng nhiệt $Q = mc\Delta T$. Hệ thống nước làm mát (Fresh Water/Cooling Water) cung cấp lưu chất làm nguội dòng khí từ bình tách sản xuất về 69 $^\circ\text{C}$. Với nhiệt lượng dòng khí vào $Q_{gas, in} = -24919569,42\text{ kJ/h}$, tính toán xác định lưu lượng nước làm mát tuần hoàn cần cấp cho thiết bị trao đổi nhiệt là 5.871 kg/h.
  • Cơ sở tính toán và định cỡ bình tách Fuel Gas Scrubber: Thiết bị là bình tách đứng hai pha tiếp nhận lưu chất khí từ bộ làm mát. Tiêu chí hình học khống chế tỷ lệ chiều cao trên đường kính thân bình $2 < H/D < 4$. Kích thước các vòi nạp và tháo lưu chất (nozzle sizing) được tính toán thỏa mãn các ràng buộc động học:
    • Ống nạp (Inlet device): $\rho_m V_m^2 \le 8000\text{ Pa}$.
    • Ống thoát khí đỉnh (Gas outlet nozzle): $\rho_g V_g^2 \le 4500\text{ Pa}$.
    • Ống tháo lỏng đáy (Liquid nozzle): Vận tốc dòng chảy $V \le 1\text{ m/s}$.
    • Lưu lượng khối pha khí tính toán qua bình đạt 6.259 kg/h. Thiết bị bên trong gồm cánh gạt phân phối và bộ khử sương cánh gạt, đáp ứng yêu cầu tách 99% giọt lỏng $\ge 10,\mu\text{m}$ và lượng lỏng mang theo dưới $0,1\text{ Gallon/MMSCF}$.
  • Thiết lập cơ sở tính toán cho bộ quá nhiệt khí nhiên liệu (Fuel Gas Superheater E-101) nhằm duy trì độ quá nhiệt 30 $^\circ\text{C}$ trên điểm sương và cơ sở tính toán kiểm tra thủy lực đường ống theo tiêu chuẩn API RP 14E.

Chương 4: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG

Chương 4 tập trung vào các khía cạnh an toàn vận hành và kiểm soát môi trường biển đối với hệ thống khí đốt phụ trợ:

  • Trình bày quy trình thực hiện đánh giá rủi ro an toàn lao động trong môi trường làm việc trên giàn nén khí ngoài khơi ST-PIP.
  • Phân tích các tiêu chuẩn đánh giá tác động môi trường (EIA), nhận diện các nguồn phát thải khí đốt, khí đuốc và chất lỏng ngưng tụ phát sinh từ hệ thống FGS.
  • Các quy định và biện pháp an toàn cho kỹ sư, công nhân vận hành: Kiểm soát nguy cơ rò rỉ khí đốt áp suất cao, nguy cơ ngạt khí hoặc cháy nổ hydrocarbon.
  • Các giải pháp kỹ thuật giảm thiểu tai nạn công nghiệp: Lắp đặt van xả áp tự động (Relief Valve) kết hợp đĩa nổ phá hủy (Rupture Disk) theo tiêu chuẩn ASME, bố trí hệ thống dập lửa, cô lập khẩn cấp và quy trình vận hành kiểm soát áp suất, nhiệt độ liên tục của bình tách và đường ống dẫn khí.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và mô phỏng của đồ án cung cấp bộ thông số kỹ thuật cụ thể cho hệ thống khí đốt phụ trợ giàn ST-PIP:

Thông số / Thiết bị Giá trị kỹ thuật xác lập trong đồ án
Lưu lượng khí nhiên liệu sạch cung cấp (FGS) 5,5 MMSCFD (xác lập qua công cụ Adjuster)
Áp suất vận hành danh định hệ thống 31 barg (cấp áp lực ANSI 300#)
Áp suất thiết kế hệ thống / Áp suất xả cao áp 39,6 barg / 34,5 barg
Áp suất cấp khí tối thiểu (Tuabin nén / Tuabin GTG) 27,5 barg / 13,2 barg
Nhiệt độ khí làm mát sơ bộ ra khỏi E-100 69 $^\circ\text{C}$ (giữ nhiệt độ sau quá nhiệt $\le 93^\circ\text{C}$)
Lưu lượng nước làm mát yêu cầu cho E-100 5.871 kg/h
Lưu lượng khối lượng pha khí qua FG Scrubber 6.259 kg/h
Tỷ lệ kích thước thân bình FG Scrubber ($H/D$) $2 < H/D < 4$
Động năng cửa nạp bình tách ($\rho_m V_m^2$) $\le 8000\text{ Pa}$
Động năng cửa thoát khí đỉnh ($\rho_g V_g^2$) $\le 4500\text{ Pa}$
Vận tốc dòng tháo lỏng đáy bình tách $\le 1\text{ m/s}$
Hiệu suất tách giọt lỏng của bộ khử sương 99% đối với hạt $\ge 10,\mu\text{m}$ (lỏng cuốn theo $\le 0,1\text{ Gal/MMSCF}$)
Độ quá nhiệt khí cấp tuabin (E-101) Tối thiểu 30 $^\circ\text{C}$ trên điểm sương nước/hydrocarbon
Thời gian lưu khí đệm bình tách khi khởi động GTG Tối thiểu 30 giây (từ 31 xuống 28,5 barg)
Thời gian lưu khí đệm bình tách khi chuyển đổi nhiên liệu Tối thiểu 40 giây ở 75% tải (từ 31 xuống 14,3 barg)

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:

  • Cấu hình cụm tiền làm mát (Pre-cooler) hạ nhiệt dòng khí từ 80–118 $^\circ\text{C}$ xuống 69 $^\circ\text{C}$ trước khi vào bình tách FGS, giải quyết triệt để yêu cầu khống chế nhiệt độ khí sau quá nhiệt dưới 93 $^\circ\text{C}$ của tuabin.
  • Tích hợp bình tách đứng FG Scrubber có dung tích vùng hơi đủ lớn, đáp ứng khả năng cấp khí tức thời trong hai kịch bản chuyển tiếp động (30 giây cho khởi động máy phát dự phòng và 40 giây cho chuyển đổi nhiên liệu khí sang dầu).
  • Thiết kế hệ thống thiết bị phụ trợ cấu hình dự phòng $2 \times 100%$ (bộ quá nhiệt điện, bộ lọc tinh 5 $\mu\text{m}$, bơm lỏng ngưng tụ chịu áp suất ngược 71 barg) đảm bảo độ tin cậy vận hành liên tục ngoài khơi.

Đóng góp kỹ thuật tự nêu: Đồ án đã kết hợp phương pháp mô phỏng số trên phần mềm Aspen HYSYS v12 với các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế (API RP 14E, ASME B16.5) để xây dựng hoàn chỉnh bảng thông số công nghệ và kích thước cơ bản của cụm thiết bị khí đốt phụ trợ, bám sát các điều kiện biên của dự án phát triển mỏ thực tế tại thềm lục địa Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế:

  • Toàn bộ dữ liệu đầu vào của mô hình mô phỏng dựa trên mẫu phân tích khí đơn lẻ tại giếng ST-2P trong giai đoạn khai thác ban đầu, chưa xét đến sự biến đổi thành phần dòng lưu chất khi đưa đồng thời 4 giếng khai thác vào vận hành trong Giai đoạn 1.
  • Mô hình mô phỏng HYSYS trong đồ án được thiết lập ở trạng thái dừng (steady-state); các yêu cầu về dung tích đệm buồng khí (30 giây và 40 giây) mới được tính toán dựa trên định mức dung tích lý thuyết mà chưa kiểm chứng bằng mô phỏng động lực học (dynamic simulation).
  • Nội dung tính toán chi tiết thiết bị cơ khí ở Chương 3 mới tập trung vào cân bằng nhiệt thiết bị làm mát và kích thước thủy lực của các vòi bình tách, chưa trình bày đầy đủ bản vẽ kết cấu chi tiết cơ khí và kiểm tra ứng suất đường ống.

Hướng phát triển:

  • Bổ sung phân tích độ nhạy của hệ thống FGS khi thành phần khí vỉa thay đổi theo thời gian khai thác mỏ.
  • Mở rộng nghiên cứu sang mô phỏng quá trình chuyển tiếp động (dynamic simulation) đối với chu kỳ khởi động và chuyển đổi chế độ nhiên liệu của tuabin khí GTG.
  • Cập nhật số liệu tích hợp khi mỏ Sư Tử Trắng chuyển sang Giai đoạn 2 với việc bổ sung Cụm xử lý khí trung tâm (Central Gas Facility - CGF).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Lọc - Hóa dầu, Kỹ thuật Hóa học và Kỹ thuật Dầu khí khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị, đồ án chuyên ngành hoặc khóa luận tốt nghiệp về lĩnh vực xử lý khí ngoài khơi (Offshore Gas Processing).
  • Kỹ sư công nghệ (Process Engineer) bước đầu tiếp cận quy trình thiết kế hệ thống xử lý khí phụ trợ trên các công trình biển.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cụ thể:

  • Quy trình từng bước thiết lập mô phỏng hệ thống FGS trên Aspen HYSYS v12 sử dụng gói nhiệt động Peng-Robinson kết hợp công cụ điều khiển hồi tiếp Adjuster.
  • Hệ thống bảng tra cứu tiêu chuẩn kỹ thuật: Hệ số $K$ theo Souders-Brown (Bảng 4), so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa bình tách đứng và bình tách nằm ngang (Bảng 5), phân loại cấp áp lực đường ống theo ASME B16.5 (Bảng 6) và quy chuẩn thủy lực đường ống theo API RP 14E (Bảng 7).
  • Phương pháp luận tính toán kích thước bình tách đứng hai pha và kiểm tra các tiêu chí động lượng cửa nạp, cửa xả khí và cửa thoát lỏng.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống khí đốt phụ trợ (Fuel Gas System) trên giàn ST-PIP phục vụ cho những đối tượng tiêu thụ nào?
Khí nhiên liệu qua xử lý của hệ thống FGS được phân phối ở hai cấp áp suất (HP và LP) để phục vụ cho các máy phát điện tuabin khí (GTG), tuabin dẫn động máy nén khí tái bơm ép, và cung cấp khí đánh lửa sơ cấp cho các đầu đốt đuốc xả áp suất cao (HP Flare) và áp suất thấp (LP Flare).

Khí đầu vào của hệ thống FGS được lấy từ những nguồn nào và xử lý nhiệt độ ra sao?
Hệ thống tiếp nhận từ hai nguồn: nguồn chính từ Bộ phân tách sản xuất (nhiệt độ 80–118 $^\circ\text{C}$) và nguồn phụ từ bình hút máy nén tái ép (nhiệt độ dưới 50 $^\circ\text{C}$). Khí từ nguồn chính bắt buộc phải qua thiết bị làm mát sơ bộ E-100 để hạ về 69 $^\circ\text{C}$, đảm bảo sau khi qua bộ quá nhiệt, nhiệt độ khí cấp vào tuabin không vượt quá giới hạn 93 $^\circ\text{C}$.

Tiêu chuẩn nào được áp dụng để định cỡ đường ống dẫn khí và bình tách trong đồ án?
Hệ thống đường ống được định cỡ theo tiêu chuẩn API RP 14E (khống chế động năng $\rho V^2$, độ sụt áp $\le 0,7\text{ bar/km}$ và giới hạn tiếng ồn 85 dB với vận tốc $V_{max} = 198,5/\sqrt{\rho}$). Bình tách FG Scrubber được thiết kế theo tỷ lệ hình học $2 < H/D < 4$, phương trình Souders-Brown và các tiêu chuẩn động lượng vòi nạp ($\rho_m V_m^2 \le 8000\text{ Pa}$), vòi khí ($\rho_g V_g^2 \le 4500\text{ Pa}$) và vòi lỏng ($V \le 1\text{ m/s}$).

Tại sao bình tách FG Scrubber phải đáp ứng thời gian lưu khí đệm 30 giây và 40 giây?
Dung tích buồng khí của FG Scrubber phải đủ cung cấp lượng khí duy trì trong tối thiểu 30 giây khi khởi động máy phát GTG dự phòng từ 31 barg xuống 28,5 barg để ổn định áp suất hệ thống. Ngoài ra, bình phải duy trì cấp khí tối thiểu 40 giây khi áp suất giảm từ 31 barg xuống 14,3 barg ở 75% tải nhằm hỗ trợ quá trình chuyển đổi êm thuận từ nhiên liệu khí sang nhiên liệu lỏng.

Kết quả tính toán năng lượng cho thiết bị làm mát E-100 và lưu lượng khí qua bình tách đạt bao nhiêu?
Thiết bị làm mát sơ bộ E-100 tiêu thụ lưu lượng nước làm mát là 5.871 kg/h để giải nhiệt cho dòng khí có enthalpy vào $Q_{gas, in} = -24919569,42\text{ kJ/h}$. Lưu lượng khối lượng pha khí tính toán đi qua bình tách FG Scrubber đạt 6.259 kg/h, đáp ứng lưu lượng khí nhiên liệu đầu ra sau mô phỏng là 5,5 MMSCFD.

Kết luận

Đồ án quá trình thiết bị “Tính toán và thiết kế hệ thống khí đốt phụ trợ cho giàn Sư Tử Trắng” đã giải quyết bài toán kỹ thuật cung cấp nhiên liệu khí sạch, ổn định cho các tuabin sinh công và máy nén trên giàn ST-PIP thuộc Lô 15-1 thềm lục địa Việt Nam. Nhóm tác giả đã kết hợp mô hình mô phỏng số Aspen HYSYS v12 (sử dụng gói nhiệt động Peng-Robinson và công cụ Adjuster) với các phương pháp tính toán nhiệt và thủy lực theo tiêu chuẩn quốc tế API RP 14E và ASME B16.5. Kết quả nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ quan trọng, bao gồm lưu lượng khí cấp 5,5 MMSCFD, lưu lượng nước làm mát 5.871 kg/h cho thiết bị trao đổi nhiệt E-100 và các tiêu chí định cỡ cơ bản cho bình tách hai pha FG Scrubber. Tài liệu có giá trị tham khảo kỹ thuật cho sinh viên và kỹ sư ngành Lọc - Hóa dầu trong công tác tính toán, thiết kế các hệ thống công nghệ xử lý khí ngoài khơi.