Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, ngành năng lượng đóng vai trò then chốt, trong đó khí tự nhiên là nguồn năng lượng không thể thiếu. Theo báo cáo của ngành, sản lượng khí khai thác tương đương khoảng 3 triệu tấn dầu quy đổi, góp phần quan trọng vào phát triển kinh tế. Mỏ Bạch Hổ, thuộc bồn trũng Cửu Long, là mỏ dầu khí lớn nhất trên thềm lục địa Việt Nam, với hệ thống giàn nén khí MKC phục vụ thu gom và nâng áp khí đồng hành từ các giàn khai thác tại vòm Bắc mỏ. Hệ thống này gồm 4 tổ máy nén khí, mỗi tổ có khả năng nâng áp từ 4 bar lên đến 102 bar, với lưu lượng khí đầu vào khoảng 1.000 Nm3/ngày cho mỗi tổ máy và tổng lưu lượng khí đầu ra đạt 1.100 Nm3/ngày mỗi tổ máy.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào khảo sát và hiệu chỉnh các thông số công nghệ của giàn nén khí MKC nhằm tối ưu hóa hoạt động, nâng cao hiệu suất và đảm bảo an toàn vận hành. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống công nghệ giàn nén khí MKC bằng phần mềm HYSYS, hiệu chỉnh mô hình dựa trên số liệu thực tế, khảo sát các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất máy nén và thiết bị trao đổi nhiệt, đồng thời đề xuất các chế độ làm việc tối ưu để tận thu condensate và nâng cao chất lượng khí nhiên liệu cho động cơ.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào trạng thái làm việc hiện tại của giàn MKC tại vòm Bắc mỏ Bạch Hổ, với dữ liệu thu thập trong khoảng thời gian gần đây, phục vụ cho việc mô phỏng và phân tích. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần duy trì hoạt động ổn định, liên tục của hệ thống nén khí, tránh gián đoạn khai thác khí và dầu, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế và an toàn vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên nền tảng lý thuyết về hệ thống công nghệ dầu khí, mô hình hóa và mô phỏng hệ thống công nghệ khai thác dầu khí. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết mô hình hóa và mô phỏng hệ thống: Mô hình hóa là quá trình xây dựng mô hình số phản ánh các đặc tính và hành vi của hệ thống thực, trong đó mô hình đồng nhất với đối tượng nghiên cứu sẽ cho phép thực nghiệm và dự đoán hành vi hệ thống. Mô phỏng sử dụng phương pháp số để giải các mô hình toán học, giúp phân tích các kịch bản vận hành khác nhau.

  2. Phép phân tích hồi quy và phương pháp bình phương cực tiểu: Được sử dụng để xây dựng mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra của hệ thống, từ đó hiệu chỉnh mô hình mô phỏng sao cho phản ánh chính xác hoạt động thực tế của giàn nén khí MKC.

Các khái niệm chính bao gồm: cân bằng vật chất và năng lượng trong hệ thống, các thông số công nghệ như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng khí và condensate, hiệu suất máy nén, nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) của thiết bị trao đổi nhiệt, và chỉ số Octan của khí nhiên liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ báo cáo khai thác thực tế của giàn MKC, số liệu vận hành thiết bị, và các tài liệu kỹ thuật liên quan. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm dữ liệu vận hành của 4 tổ máy nén khí trong khoảng thời gian gần đây, với các thông số áp suất đầu vào dao động từ 4 đến 7 bar, áp suất đầu ra đạt 102 bar, lưu lượng khí khoảng 47 Nm3/ngày.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng HYSYS của Aspentech để xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng hệ thống công nghệ giàn nén khí MKC. Quá trình hiệu chỉnh dựa trên phép phân tích hồi quy nhằm điều chỉnh các thông số mô hình sao cho phù hợp với số liệu thực tế, đảm bảo mô hình tin cậy.

Timeline nghiên cứu bao gồm các bước: thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình nguyên lý, kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình, thực hiện các thử nghiệm mô phỏng với các kịch bản thay đổi thông số công nghệ, phân tích độ nhạy và đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất máy nén khí: Qua mô phỏng và khảo sát, hiệu suất làm việc của máy nén khí dao động trong khoảng 85-92%, với áp suất đầu vào trung bình 5 bar và áp suất đầu ra đạt 102 bar. Việc duy trì áp suất đầu vào ổn định trong khoảng 4-7 bar giúp máy nén hoạt động hiệu quả và tránh hư hỏng cơ học.

  2. Hiệu quả thiết bị trao đổi nhiệt: Nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) của các thiết bị trao đổi nhiệt dao động từ 30 đến 45oC, đảm bảo khí đầu ra được làm mát hiệu quả, giúp tách condensate tối đa. Lượng condensate thu gom đạt đến 12.247 kg/h cho 4 tổ máy, góp phần nâng cao chất lượng khí nhiên liệu.

  3. Chất lượng khí nhiên liệu: Chỉ số Octan của khí nhiên liệu được cải thiện nhờ tối ưu chế độ làm việc, đặc biệt là tăng lượng condensate thu gom, giúp giảm khối lượng mol khí nhiên liệu, phù hợp với yêu cầu vận hành động cơ Waukesha.

  4. Khả năng đáp ứng khi kết nối đường ống mới: Mô hình mô phỏng cho thấy hệ thống giàn MKC có khả năng đáp ứng tốt khi đấu nối thêm đường ống dẫn khí mới, duy trì áp suất và lưu lượng ổn định, đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu suất cao và ổn định là do mô hình mô phỏng được hiệu chỉnh sát với số liệu thực tế, giúp dự đoán chính xác các biến động trong quá trình vận hành. So sánh với các nghiên cứu tương tự trong ngành dầu khí, kết quả này phù hợp với các đề tài nghiên cứu về mô phỏng hệ thống khai thác khí tại các mỏ khác như Sói Vàng, Sư Tử Đen, và Rồng Đôi.

Việc duy trì áp suất đầu vào trong khoảng 4-7 bar là yếu tố then chốt để tránh hư hỏng máy nén do tăng áp suất đột ngột. Nhiệt độ làm mát hiệu quả giúp tách condensate triệt để, từ đó nâng cao chất lượng khí nhiên liệu, giảm thiểu rủi ro cho động cơ khí.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất máy nén theo áp suất đầu vào, bảng so sánh lượng condensate thu gom ở các chế độ làm việc khác nhau, và biểu đồ nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) của thiết bị trao đổi nhiệt theo thời gian vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu chế độ vận hành áp suất đầu vào: Đề xuất duy trì áp suất đầu vào giàn MKC trong khoảng 5-6 bar để đảm bảo hiệu suất máy nén khí đạt trên 90%, giảm thiểu rủi ro hư hỏng cơ học. Thời gian thực hiện: ngay lập tức; Chủ thể thực hiện: đội ngũ vận hành giàn MKC.

  2. Nâng cao hiệu quả làm mát khí: Cải tiến hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt nhằm duy trì nhiệt độ khí đầu ra ở mức 30-35oC, tăng lượng condensate thu gom tối đa. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì và kỹ thuật.

  3. Kiểm soát chất lượng khí nhiên liệu: Áp dụng các biện pháp kiểm soát và điều chỉnh lưu lượng condensate để nâng cao chỉ số Octan khí nhiên liệu, đảm bảo phù hợp với yêu cầu động cơ Waukesha. Thời gian thực hiện: 3 tháng; Chủ thể thực hiện: phòng kỹ thuật vận hành.

  4. Mở rộng kết nối đường ống dẫn khí: Tiến hành khảo sát và thiết kế đấu nối thêm đường ống dẫn khí mới nhằm tăng khả năng thu gom khí đồng hành, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định khi mở rộng. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể thực hiện: ban quản lý dự án và kỹ sư thiết kế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành giàn nén khí: Nắm bắt các thông số công nghệ tối ưu, phương pháp hiệu chỉnh mô hình để duy trì hoạt động ổn định, giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu suất vận hành.

  2. Chuyên gia thiết kế hệ thống khai thác dầu khí: Áp dụng mô hình mô phỏng và phương pháp hiệu chỉnh để thiết kế các hệ thống nén khí đa cấp hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế khai thác.

  3. Nhà quản lý dự án dầu khí: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống, lập kế hoạch bảo trì, nâng cấp và mở rộng hệ thống công nghệ.

  4. Giảng viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật dầu khí: Tham khảo phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và phân tích độ nhạy trong nghiên cứu khoa học và đào tạo chuyên sâu về công nghệ khai thác dầu khí.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình mô phỏng giàn nén khí MKC được xây dựng dựa trên cơ sở nào?
    Mô hình được xây dựng dựa trên số liệu thực tế vận hành giàn MKC, các thông số thiết kế ban đầu và lý thuyết cân bằng vật chất, năng lượng, sử dụng phần mềm HYSYS để mô phỏng chính xác hoạt động hệ thống.

  2. Làm thế nào để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng cho phù hợp với thực tế?
    Hiệu chỉnh dựa trên phép phân tích hồi quy và phương pháp bình phương cực tiểu, điều chỉnh các thông số đầu vào và đầu ra sao cho mô hình phản ánh sát với số liệu vận hành thực tế, đảm bảo độ tin cậy cao.

  3. Các thông số công nghệ nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất giàn nén khí?
    Áp suất đầu vào, nhiệt độ khí đầu vào, lưu lượng khí và hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt là các thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ ổn định của giàn nén khí.

  4. Giải pháp nào giúp nâng cao chất lượng khí nhiên liệu cho động cơ?
    Tăng lượng condensate thu gom qua việc tối ưu chế độ làm việc của hệ thống, giảm khối lượng mol khí nhiên liệu, từ đó nâng cao chỉ số Octan phù hợp với yêu cầu vận hành động cơ.

  5. Hệ thống giàn MKC có khả năng mở rộng như thế nào khi đấu nối đường ống mới?
    Mô hình mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng đáp ứng tốt khi kết nối thêm đường ống dẫn khí mới, duy trì áp suất và lưu lượng ổn định, đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn trong các tình huống mở rộng.

Kết luận

  • Đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình mô phỏng hệ thống công nghệ giàn nén khí MKC bằng phần mềm HYSYS, phản ánh sát với số liệu thực tế vận hành.
  • Xác định được các thông số công nghệ quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất máy nén khí và thiết bị trao đổi nhiệt, từ đó đề xuất chế độ làm việc tối ưu.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả thu gom condensate, cải thiện chất lượng khí nhiên liệu, đảm bảo vận hành an toàn và bền bỉ.
  • Mô hình mô phỏng hỗ trợ đánh giá khả năng mở rộng hệ thống khi đấu nối đường ống dẫn khí mới, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác khí đồng hành.
  • Khuyến nghị các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng các giải pháp tối ưu, theo dõi và điều chỉnh liên tục các thông số vận hành để duy trì hiệu suất và an toàn hệ thống.

Các kỹ sư vận hành và quản lý dự án nên áp dụng mô hình mô phỏng và các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả khai thác, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng mô hình cho các hệ thống nén khí khác trong ngành dầu khí.