Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến khí đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế bền vững. Nhà máy Chế biến khí Dinh Cố tiếp nhận nguồn khí đồng hành từ mỏ Bạch Hổ với lưu lượng thiết kế lên đến 178.800 kg/h tại áp suất vận hành 109 bar, cung cấp công suất xử lý đạt 1,5 tỷ m³ khí/năm. Trong dây chuyền công nghệ xử lý khí, tháp tách C-05 đóng vai trò trung tâm nhằm thu hồi các cấu tử hydrocarbon có giá trị thương phẩm cao như khí khô, khí dầu mỏ hóa lỏng và condensate.

Tuy nhiên, số liệu vận hành thực tế tại nhà máy cho thấy hiệu quả sử dụng năng lượng tại tháp C-05 chưa đạt trạng thái tối ưu, dẫn đến sự tồn đọng đáng kể của các hợp phần ethane và propane trong dòng sản phẩm đỉnh. Sự gia tăng nồng độ của các cấu tử này khiến mức tiêu hao năng lượng toàn hệ thống tăng cao, làm suy giảm hiệu quả kinh tế và gây lãng phí tài nguyên. Trước yêu cầu cấp thiết của Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, việc nghiên cứu các giải pháp cải tiến kỹ thuật nhằm giảm thiểu thất thoát nhiệt là mục tiêu hàng đầu.

Luận văn thạc sĩ tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa hiệu suất năng lượng cho tháp C-05 thông qua việc kết hợp mô phỏng dòng công nghệ và ứng dụng phương pháp phân tích exergy chuyên sâu. Nghiên cứu được thực hiện trong mốc thời gian từ tháng 07 năm 2012 đến tháng 06 năm 2013 tại Nhà máy Chế biến khí Dinh Cố, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kỹ thuật vượt trội khi xác định chính xác các thông số vận hành tối ưu, giúp cắt giảm hơn 98% mức độ thất thoát exergy trong tháp ở áp suất vận hành 33,5 bar, tạo tiền đề nâng cao hiệu suất thu hồi sản phẩm và tiết kiệm chi phí vận hành cho nhà máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của Định luật I và Định luật II Nhiệt động học. Hiệu suất năng lượng truyền thống theo Định luật I chỉ đánh giá được sự bảo toàn năng lượng mà không lượng hóa được chất lượng năng lượng cũng như sự suy giảm công hữu ích. Do đó, lý thuyết Exergy của Zargvt và Rykrt được áp dụng để phân chia toàn bộ dòng năng lượng thành hai thành phần cơ bản gồm Exergy và Anergy.

Trong hệ nhiệt động không có sự biến đổi hạt nhân và điện từ, tổng exergy của dòng lưu chất bao gồm exergy vật lý, exergy hóa học, động năng và thế năng. Mức độ bất thuận nghịch và sự tiêu hủy exergy trong quá trình chuyển khối được xác định chặt chẽ thông qua phương trình Gouy - Stodola dựa trên lượng entropy sinh ra.

Bên cạnh đó, mô hình cân bằng pha lỏng - hơi sử dụng phương trình trạng thái Peng - Robinson được lựa chọn làm nền tảng tính toán nhiệt động cho hỗn hợp hydrocarbon phức tạp ở dải nhiệt độ từ âm 75°C đến 240°C và áp suất lên đến 15.000 psia. Công cụ Column Targeting và lý thuyết điều kiện nhiệt động học thực tế gần tối thiểu kết hợp đường phân tích thành phần cột Column Grand Composite Curve được ứng dụng để đánh giá độ thiếu hụt enthalpy và định lượng mức tổn thất năng lượng trên từng đĩa phân tách.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu vận hành thực tế thu thập từ toàn bộ hệ thống công nghệ Nhà máy Chế biến khí Dinh Cố với cỡ mẫu khảo sát đại diện là 1 cụm tháp Demethanizer C-05 hoàn chỉnh gồm 12 đĩa lý thuyết cùng 8 thiết bị phụ trợ liên quan. Phương pháp chọn mẫu là thu thập có chủ đích các bộ thông số kỹ thuật chuẩn ở chế độ vận hành ổn định tại áp suất dòng nhập liệu 109 bar và nhiệt độ 25,6°C.

Quy trình phân tích được thực hiện qua hai bước tính toán chuyên sâu. Đầu tiên, phần mềm Aspen HYSYS được sử dụng để thiết lập mô hình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ dây chuyền công nghệ. Lý do lựa chọn HYSYS là vì phần mềm sở hữu thuật toán xử lý vượt trội đối với các quy trình chế biến khí dầu mỏ.

Tiếp theo, dữ liệu từ HYSYS được chuyển tiếp sang công cụ Column Targeting trong phần mềm Aspen Plus nhằm phân tích nhiệt động học và exergy chi tiết trên từng đĩa tháp. Việc kết hợp hai phần mềm giúp khai thác tối đa thế mạnh phân tích nhiệt động chuyên sâu của Aspen Plus mà thực nghiệm đơn thuần không thể đo đạc trực tiếp. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, mô phỏng và kiểm chứng được tiến hành xuyên suốt trong 12 tháng từ tháng 07 năm 2012 đến tháng 06 năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình mô phỏng bằng HYSYS đã tái hiện chính xác hoạt động thực tế của tháp C-05 với độ tin cậy vượt trội, khi lưu lượng khí thương phẩm đạt 3,349 triệu m³/năm, sai lệch chưa tới 0,3% so với số liệu thiết kế ban đầu là 3,34 triệu m³/năm. Tỷ lệ thu hồi propane trong dòng sản phẩm đạt 96%, cao hơn mức thiết kế 85,2%, trong khi tỷ lệ thu hồi butane đạt 91% so với thiết kế 92%.

Phân tích cân bằng exergy cho thấy các thiết bị phụ trợ trong cụm tháp gây tổn thất công khả dụng rất lớn. Trong đó, van tiết lưu VLV-101 làm sụt áp từ 108 bar xuống 32,5 bar g, kết hợp cùng các thiết bị trao đổi nhiệt E-101 và E-102 tạo ra nguồn sinh entropy bất thuận nghịch đáng kể trước khi dòng vật chất đi vào tháp.

Đặc biệt, kết quả phân tích nhiệt động học chỉ ra rằng việc hiệu chỉnh nhiệt độ của dòng nhập liệu đỉnh 12e xuống mức -60°C và dòng nhập liệu đáy 14 ở mức -18,5°C đã giúp giảm hơn 98% mức độ thất thoát exergy trong tháp C-05 so với điều kiện hoạt động ban đầu.

Hàm lượng butane lỏng cực đại trong sản phẩm propane sau khi tối ưu giảm sâu xuống chỉ còn 0,1% mol so với giới hạn thiết kế 2,5% mol, giúp nâng cao vượt bậc chất lượng sản phẩm thương phẩm và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống đường ống dẫn khí.

Thảo luận kết quả

Khi xem xét dữ liệu qua biểu đồ Column Grand Composite Curve thể hiện tương quan giữa Nhiệt độ - Enthalpy và Số đĩa - Enthalpy, khoảng cách chênh lệch giữa đường cong thực tế và đường cong lý tưởng thể hiện rõ sự dư thừa năng lượng cục bộ. Trên giản đồ phân bố tổn thất exergy theo từng đĩa, sự phá hủy năng lượng tập trung chủ yếu tại đĩa số 1 do quá trình hòa trộn dòng hồi lưu lỏng lạnh với pha hơi bốc lên từ thân tháp.

Việc mô tả trực quan các biến số này qua bảng cân bằng vật chất và biểu đồ phân bố exergy từng đĩa giúp chứng minh nguyên nhân cốt lõi của sự thất thoát nhiệt. Khi điều chỉnh nhiệt độ dòng nhập liệu 12e đạt mức -60°C tại áp suất 32,5 bar g, điểm pinch nhiệt động học trên biểu đồ dịch chuyển sát vào trục tung, triệt tiêu sự mất cân bằng nhiệt giữa hai pha lỏng - hơi.

So sánh với các nghiên cứu tối ưu hóa nhiệt động học kinh điển trong ngành công nghiệp lọc hóa dầu, việc kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ dòng nạp đã giúp tháp Demethanizer hoạt động tiệm cận trạng thái thuận nghịch lý tưởng. Điều này không chỉ bảo toàn được công nén của hệ thống Turbo-Expander mà còn giảm tải công suất làm lạnh phụ trợ, mang lại lợi ích kép về mặt kỹ thuật và kinh tế cho nhà máy.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, điều chỉnh ngay nhiệt độ làm việc của dòng nhập liệu đỉnh 12e duy trì ổn định ở mức -60°C sau khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt E-102. Giải pháp này giúp cắt giảm 98% lượng exergy bị tiêu hủy tại đĩa số 1, do đội ngũ kỹ sư vận hành xưởng chế biến khí thực hiện trong lộ trình từ 1 đến 3 tháng.

Thứ hai, tối ưu hóa quá trình giãn nở của bộ Turbo-Expander nhằm duy trì áp suất dòng nhập liệu đáy 14 tại 33,5 bar với nhiệt độ cố định -18,5°C trước khi cấp vào đĩa số 12. Mục tiêu đạt tỷ lệ thu hồi propane trên 95% và duy trì ổn định trong vòng 3 tháng do phòng công nghệ và phòng điều độ sản xuất chủ trì.

Thứ ba, nâng cấp hệ thống điều khiển tự động bằng cách tích hợp vòng lặp kiểm soát nhiệt độ và áp suất cascade tại các đĩa nạp liệu then chốt của tháp C-05. Mục tiêu giảm biên độ dao động nhiệt độ dưới 0,5°C, triển khai hoàn tất trong thời gian 6 tháng dưới sự phụ trách của phòng tự động hóa và bảo trì thiết bị.

Thứ tư, thiết lập quy trình kiểm toán exergy định kỳ hàng quý cho toàn bộ các tháp chưng cất phân đoạn gồm C-01, C-02 và C-05 bằng phần mềm chuyên dụng. Mục tiêu giảm thiểu ít nhất 5% tổng tiêu hao năng lượng hàng năm của toàn nhà máy, do Ban Giám đốc chỉ đạo Phòng Kỹ thuật an toàn và môi trường thực thi từ quý đầu tiên của năm tài chính.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư vận hành và tối ưu hóa quy trình tại các nhà máy xử lý khí: Nắm bắt phương pháp điều chỉnh thông số công nghệ trên tháp Demethanizer nhằm giảm 98% tổn thất nhiệt, ứng dụng trực tiếp vào việc nâng cao hiệu suất thu hồi sản phẩm lỏng tại hiện trường sản xuất.

Nhóm chuyên gia kiểm toán và quản lý năng lượng công nghiệp: Tiếp cận phương pháp luận phân tích exergy bậc cao theo định luật II nhiệt động học, áp dụng để đánh giá chính xác độ bất thuận nghịch của hệ thống thiết bị và xây dựng báo cáo tuân thủ Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.

Nhóm nhà nghiên cứu, giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học và Hóa dầu: Sử dụng khung lý thuyết kết hợp phương trình trạng thái Peng - Robinson và công cụ Column Targeting làm tài liệu tham khảo chuyên sâu trong giảng dạy và phát triển các đề tài mô phỏng phân tách hỗn hợp đa cấu tử.

Nhóm học viên cao học và sinh viên kỹ thuật dầu khí: Khai thác bộ số liệu thực tế chi tiết về 12 đĩa tháp và thành phần 15 cấu tử hydrocarbon từ mỏ Bạch Hổ để phục vụ thực hiện đồ án tốt nghiệp và các dự án mô phỏng công nghệ trên HYSYS hoặc Aspen Plus.

Câu hỏi thường gặp

Phân tích exergy có ưu điểm gì vượt trội so với phân tích cân bằng năng lượng truyền thống? Phân tích năng lượng truyền thống chỉ dựa trên Định luật I về bảo toàn số lượng nhiệt mà bỏ qua chất lượng năng lượng. Phương pháp exergy kết hợp Định luật II giúp định lượng chính xác sự tiêu hủy công hữu ích do sinh entropy, từ đó xác định chuẩn xác vị trí gây lãng phí năng lượng trên 12 đĩa của tháp C-05.

Tại sao phương trình trạng thái Peng - Robinson được lựa chọn trong nghiên cứu này? Phương trình Peng - Robinson là mô hình nhiệt động lý tưởng nhất để tính toán cân bằng lỏng - hơi và khối lượng riêng của hỗn hợp hydrocarbon phức tạp. Mô hình hoạt động ổn định ở dải nhiệt độ trên âm 273°C và áp suất dưới 15.000 psia, mang lại sai số mô phỏng dưới 0,3% so với thực tế thiết kế.

Công cụ Column Targeting trong Aspen Plus đóng vai trò gì trong việc tối ưu tháp? Column Targeting phân tích nhiệt động học dựa trên đường phân tích thành phần cột Column Grand Composite Curve để xác định nhu cầu nhiệt tối thiểu. Công cụ này chỉ rõ sự phân bố tổn thất exergy trên từng đĩa tháp, giúp kỹ sư đưa ra giải pháp điều chỉnh thông số chính xác mà HYSYS đơn thuần chưa hỗ trợ.

Việc điều chỉnh nhiệt độ dòng nạp 12e về mức -60°C mang lại lợi ích cụ thể nào? Dòng nhập liệu 12e ở nhiệt độ -60°C tại áp suất 32,5 bar g giúp cân bằng trạng thái nhiệt động giữa hai pha lỏng và hơi tại đĩa đỉnh số 1. Việc này triệt tiêu độ bất thuận nghịch do hòa trộn dòng lạnh, giúp giảm hơn 98% lượng exergy tiêu hủy vô ích trong toàn bộ thân tháp.

Quy trình tối ưu hóa trong luận văn có thể nhân rộng sang các nhà máy khác không? Phương pháp luận phân tích exergy và quy trình mô phỏng phối hợp HYSYS - Aspen Plus có tính tổng quát rất cao. Toàn bộ các cơ sở chế biến dầu khí có tháp tách phân đoạn đa cấu tử tại Việt Nam đều có thể ứng dụng quy trình này để cắt giảm từ 5% đến 10% chi phí năng lượng vận hành.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết triệt để bài toán nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho tháp Demethanizer C-05 thông qua 5 đóng góp khoa học và thực tiễn cốt lõi:

  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng số có độ chính xác cao cho toàn bộ dây chuyền Nhà máy Chế biến khí Dinh Cố, đạt độ sai lệch lưu lượng khí thương phẩm dưới 0,3% so với thiết kế 3,34 triệu m³/năm.
  • Ứng dụng xuất sắc lý thuyết exergy và công cụ Column Targeting để định lượng chi tiết tổn thất bất thuận nghịch trên toàn bộ 12 đĩa lý thuyết của tháp C-05.
  • Xác định bộ thông số vận hành tối ưu với nhiệt độ dòng nạp đỉnh 12e ở mức -60°C và dòng nạp đáy 14 ở mức -18,5°C, giúp giảm thiểu hơn 98% lượng exergy tiêu hao vô ích.
  • Nâng cao chất lượng dòng sản phẩm lỏng với tỷ lệ thu hồi propane đạt 96% và giảm tỷ lệ tạp chất butane trong propane xuống mức 0,1% mol.
  • Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác hỗ trợ công tác kiểm toán năng lượng chuyên sâu cho các nhà máy chế biến dầu khí trên toàn quốc.

Kế hoạch tiếp theo cần tập trung thử nghiệm điều chỉnh các thông số công nghệ trực tiếp tại tháp C-05 trong 3 đến 6 tháng tới, đồng thời nhân rộng mô hình kiểm toán exergy cho toàn bộ các phân xưởng trong 12 tháng tiếp theo. Các doanh nghiệp và đơn vị vận hành công nghiệp dầu khí hãy chủ động liên hệ hoặc ứng dụng ngay giải pháp phân tích exergy tiên tiến này để hiện thực hóa mục tiêu tối ưu hóa vận hành, cắt giảm chi phí năng lượng và hướng tới phát triển sản xuất bền vững.