Thiết kế và tối ưu hóa công nghệ giàn đại hùng

DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BWPD Thùng nước trên ngày CPP Giàn công nghệ trung tâm EPS Hệ thống sản xuất sớm FPU-DH1 Giàn khai thác nổi Đại Hùng 1 FTHP Flowing Tubing Head Pre

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM HỒNG ĐỨC

THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CÔNG NGHỆ GIÀN ĐẠI HÙNG

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Hóa Học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN THỊ MINH HIỀN

Hà Nội – 2013

LỜI CAM ĐOAN

Hà Nội, tháng 9 năm 2013 Tác giả luận án

PHẠM HỒNG ĐỨC

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị Minh Hiền, người đã dạy dỗ, hướng dẫn tận tình, sâu sắc về mặt khoa học, đồng thời cung cấp những trang thiết bị cần thiết giúp tôi có thể hoàn thành luận văn thạc sỹ này Được tiếp xúc, học tập, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của cô đã giúp tôi phát triển và trưởng thành lên rất nhiều, cả về kiến thức lẫn tác phong làm việc

Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dạy

dỗ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tại trường

Tôi cũng xin cảm ơn gia đình và tất cả những người bạn đã động viên, giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

Hà Nội, tháng 9 năm 2013 Học viên

PHẠM HỒNG ĐỨC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 9

1 GIỚI THIỆU 10

1.1 Mạng lưới khai thác dầu khí ngoài khơi Đông Nam bộ 10

1.1.1 Bể Cửu Long 11

1.1.2 Bể Nam Côn Sơn (NCS) 11

1.1.3 Các bể khác 12

1.2 Tổng quan công nghệ trên giàn 13

1.2.1 Sơ lược về cấu trúc giàn 13

1.2.2 Các phần công nghệ chính trên giàn 16

1.3 Mỏ Đại Hùng 21

1.4 Giàn FPU-DH1 24

1.5 Giàn WHP-DH2 25

2 PHÁT TRIỂN VÀ MỞ RỘNG KHAI THÁC CỤM MỎ ĐẠI HÙNG 27

2.1 Mở rộng khai thác 27

2.2 Tăng cường thu gom khí 27

2.2.1 Sản lượng khí dự báo của FPU-DH1 27

2.2.2 Sản lượng khí dự báo WHP-DH2 29

3 TỔNG QUAN TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ 33

3.1 Mô phỏng công nghệ 33

3.2 Nguyên lý tính toán tối ưu thiết bị tách pha 36

4 THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ GIÀN WHP-DH2 43

4.1 Dữ liệu thiết kế 43

4.1.1 Sản lượng khai thác của WHP-DH2 43

4.1.2 Tổng sản lượng mỏ Đại Hùng (FPU-DH1 + WHP-DH2) 44

4.1.3 Tính chất của hydrocacbon thu được từ các giếng 44

4.2 Mô phỏng công nghệ giàn WHP-DH2 48

4.2.1 Mục đích 48

4.2.2 Cơ sở và giả định 48

4.2.3 Dự liệu đầu vào cho mô phỏng 50

4.2.4 Quá trình mô phỏng 55

4.3 Kết quả mô phỏng giàn WHP-DH2 59

5 MÔ PHỎNG KIỂM TRA TƯƠNG THÍCH CÔNG NGHỆ VỚI FPU-DH1 60

5.1 Mục đích 60

5.2 Các điều kiện và giả định 60

5.2.1. Đối với quá trình mô phỏng trên giàn FPU-DH1 60

5.2.2. Đối với tính tương thích công nghệ trên FPU-DH1 61

5.3 Mô phỏng 62

5.3.1 Sơ đồ mô phỏng FPU-DH1 + WHP-DH2 62

5.3.2 Thành phần nguyên liệu đưa vào thiết bị tách cấp 1 trên FPU-DH1 63

5.3.3 Mô phỏng các thiết bị trên giàn FPU-DH1 65

5.3.4. Điều chỉnh trên FPU-DH1 để phù hợp với chất lượng sản phẩm đầu ra 67

5.4 Kết quả mô phỏng 68

5.5. Đánh giá tương thích của các thiết bị trên FPU-DH1 69

5.5.1 Thiết bị tách cấp 1 (V-1101-C-1) 69

5.5.2 Thiết bị tách cấp 2 (V-1101-C-2) 70

5.5.3 Thùng đệm (V-1101-C-3) 71

5.5.4 Bơm xuất sản phẩm (G-1501A/B/C) 73

5.5.5 Tính khả thi của việc sử dụng thiết bị làm mát hiện hữu 74

5.5.6 Các thay đổi cẩn thiết để duy trì chất lượng sản phẩm xuất ra 74

5.5.7 Hệ thống nước sản xuất 75

5.5.8 Hệ thống khí điều khiển 77

5.5.9 Hệ thống đuốc đốt 77

5.6 Kết luận về tính tương thích công nghệ trên FPU-DH1 78

6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

6.1 Kết luận 81

6.2 Những điểm mới của luận văn 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BWPD Thùng nước trên ngày

CPP Giàn công nghệ trung tâm

EPS Hệ thống sản xuất sớm

FPU-DH1 Giàn khai thác nổi Đại Hùng 1

FTHP Flowing Tubing Head Pressure

NPSH Cột áp hút hiệu dụng của bơm

OHTC Tổng hệ số truyền nhiệt

P&ID Bản vẽ đường ống và thiết bị

WHP-DH2 Giàn đầu giếng Đại Hùng 2

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Sản lượng khai thác khí đồng hành mỏ Đại Hùng 1 28

Bảng 2.2 Sản lượng khai thác khí đồng hành mỏ Đại Hùng 1 29

Bảng 2.3 Sản lượng khí dự báo của mỏ Đại Hùng – không bơm ép vỉa 30

Bảng 2.4 Sản lượng khí dự báo của mỏ Đại Hùng - có bơm ép vỉa 31

Bảng 4.1 Dữ liệu và thành phần dòng tại các giếng 45

Bảng 4.2 Dữ liệu và thành phần dòng các giếng đang hoạt động 46

Bảng 4.3 Các trường hợp mô phỏng 49

Bảng 4.4 Tổn thất áp suất do cao độ và đường ống (kPa) 50

Bảng 4.5 Thành phần dòng cho mô phỏng 50

Bảng 4.6 Các tính chất của cấu tử giả định 51

Bảng 4.7 Tính chất nhiệt-vật lý của Rigid Riser 53

Bảng 4.8 Các tính chất nhiệt-vật lý của Flexible Flowline 53

Bảng 4.9 Các tính chất nhiệt-vật lý của Flexible Dynamic Riser 54

Bảng 4.10 Dữ liệu Metocean 54

Bảng 4.11 Các tính chất nhiêt – vật lý của nước và không khí 55

Bảng 5.1 Các trường hợp mô phỏng 61

Bảng 5.2 Áp suất và nhiệt độ của giai đoạn phân tách cấp 1 63

Bảng 5.3 Điều kiện cho dòng nguyên liệu cho thiết bị tách cấp 1 65

Bảng 5.4 So sánh hiệu suất gia nhiệt / làm lạnh 67

Bảng 5.5: Các thông số công nghệ chính cho quá trình kiểm tra tính tương thích trên giàn FPU-DH1 68

Bảng 5.6 Kết quả kiểm tra tính tương thích đồi với thiết bị tách cấp 1 69

Bảng 5.7 Kiểm tra tính tương thích của thiết bị tách cấp 2 70

Bảng 5.8 Kết quả kiểm tra tính tương thích đồi với thùng đệm 72

Bảng 5.9 Kết quả kiểm tra tính tương thích của bơm xuất sản phẩm 73

Bảng 5.10 So sánh giữa lưu lượng nước sản xuất tiếp nhận mới và cũ 76

Bảng 5.11 So sánh lưu lượng dòng mới và thiết kế hiện hữu 78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Vị trí các mỏ dầu khí tại thềm lục địa Việt Nam 10

Hình 1.2 Các loại công trình biển ngoài khơi 13

Hình 1.3 Tổng quan công nghệ xử lý dầu và khí trên giàn 15

Hình 1.4 Cấu tạo Wellhead và Christmas tree 16

Hinh 1.5 Sơ đồ khai thác giàn FPU-DH1 22

Hình 1.6 Sơ đồ khai thác tại WHP-DH2 23

Hinh 1.7 Bản đồ các cụm mỏ tại khu vực Đông Nam 23

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ giàn bán chìm FPU-DH1 24

Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ trên giàn WHP-DH2 25

Hình 2.1 Biểu đồ sản lượng khí dự báo của mỏ Đại Hùng 32

Hình 3.1 Các lực tác dụng lên hạt lỏng trong dòng khí 38

Hình 3.2 Đồ thị mối quan hệ giữa hệ số cản C’ và Re cho hạt tròn 39

Hình 3.3 Đồ thị hệ số cản của hạt tròn 40

Hình 4.1 Hệ thống đường ống 6” nối WHP-DH2 và FPU-DH1 51

Hình 4.2 Sơ đồ đường ống WHP-DH2 về FPU-DH1 52

Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng công nghệ WHP-DH2 55

Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng FPU-DH1+WHP-DH2 62

MỞ ĐẦU

Trữ lượng dầu của nước ta tăng hàng năm rất nhanh kể từ năm 1988 sau khi phát hiện dầu trong móng nứt nẻ trước Đệ Tam ở mỏ Bạch Hổ Năm 1988, trữ lượng ước tính vào khoảng 113 triệu tấn dầu có khả năng thu hồi Sau thời gian trên

10 năm đã được bổ sung vào nguồn trữ lượng khoảng 289 triệu tấn nâng tổng số trữ lượng dầu đến 31/12/2004 đạt 402 triệu tấn Như vậy, ngoài việc gia tăng thăm dò tìm kiếm để gia tăng trữ lượng dầu, chúng ta còn phải có những biện pháp khai thác hợp lý, tận dụng được tối đa trữ lượng dầu khí tại các mỏ Việc lắp đặt các giàn khai thác trên biển là điều rất khó khăn, do đó cần phải thiết lập công nghệ khai thác, xử

lý và tồn chứa dầu khí hợp lý và tối ưu nhất Ngoài ra, các giàn đều phải có một kế hoạch phát triển dựa trên những báo cáo và dự báo về trữ lượng, chất lượng sản phẩm của mỏ đang khai thác để gia tăng hiệu quả sử dụng của các thiết bị trên giàn, tăng hiệu quả kinh tế

Mỏ Đại Hùng là một mỏ dầu thô và khí đốt đồng hành nằm tại lô số 5-1 ở phía tây bắc bồn trũng Trung Nam Côn Sơn (thềm lục địa Việt Nam) trên vùng biển

đông nam biển Đông Việt Nam Mỏ được khai thác chính bởi giàn FPU-DH1 Tuy

nhiên theo dự báo trữ lượng dầu thỏ tại các vỉa đang khai thác sẽ giảm dần Do đó cần phải gia tăng số lượng vỉa được khai thác Đến năm 2011, mỏ Đại Hùng đi vào khai thác giai đoạn 2 cùng với giàn WHP-DH2 Việc tính toán thiết kế công nghệ của giàn WHP-DH2 đóng vai trò quan trọng về mặt kỹ thuật cũng như tính kinh tế của dự án Do đó cần phải nghiên cứu làm sao để đưa ra cấu hình tối ưu cho một giàn mới đồng thời kết nối và tận dụng được các thiết bị trên giàn cũ Đó chính là mục đích nghiên cứu của luận văn này

Luận văn này sẽ nhằm giải quyết 2 vấn đề chính sau:

 Mô phỏng và thiết kê công nghệ giàn WHP-DH2

 Tính toán kiểm tra tính tương thích công nghệ với FPU-DH1

1 GIỚI THIỆU

1.1 Mạng lưới khai thác dầu khí ngoài khơi Đông Nam bộ

Các hoạt động tìm kiếm thăm dò dầu khí tại Việt Nam được bắt đầu trên đất liền từ những năm 1960 và ngoài khơi từ những năm 1973 Từ đó tới nay, công tác thăm dò dầu khí được triển khai sôi động chủ yếu tập trung ở bốn bể trầm tích là Sông Hồng, Cửu Long, Nam Côn Sơn và Malay - Thổ Chu Quá trình tìm kiếm đã thực hiện khoảng 600 giếng thăm dò, đánh giá trữ lượng và khai thác với tổng số mét khoan trên 2 triệu km, qua đó đã phát hiện trên 70 mỏ chứa dầu khí với hơn một nửa là các mỏ khí, trong đó các mỏ đang được khai thác là Tiền Hải, Bạch Hổ, Rạng Đông, Rồng, Ruby, Sư Tử Đen, Hồng Ngọc, Rồng Đôi, Rồng Đôi Tây, Lan Tây-Lan Đỏ, Đại Hùng, Cái Nước…Sản lượng khai thác trên 350 nghìn thùng/ngày

và 18 triệu m3/ khí ngày Ngoài ra, còn nhiều mỏ đang trong giai đoạn phát triển hoặc nghiên cứu để chuẩn bị phát triển và còn nhiều phát hiện khác cũng đang được tiếp tục thẩm lượng để chính xác hóa trữ lượng Dưới đây là vị trí các mỏ dầu khí tại thềm lục địa của Việt Nam (Hình 1.1)

Hình 1.1 Vị trí các mỏ dầu khí tại thềm lục địa Việt Nam

Mạng khí khu vực Đông Nam Bộ hiện nay tập trung khai thác, thu gom và vận chuyển khí từ các mỏ nằm trong các bể Cửu Long và bể Nam Côn Sơn, ngoài ra còn một vài các bể khác đang trong thời gian thăm dò và đánh giá trữ lượng như sau:

1.1.1 Bể Cửu Long

Bể trầm tích Cửu Long nằm chủ yếu trên thềm lục địa phía nam Việt Nam và một phần đất liền thuộc khu vực sông Cửu Long Bể có hình bầu dục, vồng ra về phía biển, nằm dọc theo bờ biển Vũng Tàu – Bình Thuận Bể Cửu Long có diện tích khoảng 58.000 km2, nằm dọc theo bờ biển Đông Nam với chiều sâu nước biển dưới 100m được lấp đầy bởi lớp trầm tích có chiều dày thay đổi lớn Bể Cửu Long với tiềm năng chủ yếu là dầu và khí, các hoạt động thăm dò khai thác diễn ra mạnh mẽ

và đây là khu vực rủi ro thấp Trong giai đoạn 2006 – 2009, bể Cửu Long chiếm tỷ trọng cao nhất về gia tăng trữ lượng của Việt Nam Các mỏ đã được phát hiện trong

bể Cửu Long bao gồm:

 Ruby, Emerral, Pearl, Diamond, Topaz, Jade

 Bạch Hổ, Rồng

 Cá Ngừ Vàng

 Nam Rồng, Đồi Mồi

 Sư Tử Đen, Sư Tử Vàng, Sư Tử Trắng

 Rạng Đông, Phương Đông

 Tê Giác Trắng, Ba Vì, Bà Đen, Voi Trắng

 Hải Sư Trắng, Hải Sư Đen

 Thăng Long, Đông Đô

1.1.2 Bể Nam Côn Sơn (NCS)

Bể Nam Côn Sơn có diện tích xấp xỉ khoảng 160.000 km2, nằm dọc thềm lục

địa Đông Nam Việt Nam, nguồn khí thuộc bể Nam Côn Sơn chủ yếu là khí tự nhiên,

được lấp đầy bởi một lớp trầm tích có bề dày lớn có thể lên tới 14km Độ sâu nước

biển trong phạm vi của bể thay đổi rất lớn, từ vài chục mét ở phía Tây đến 1000m ở phía Đông Việc tìm kiếm thăm dò dầu khí khu vực bể Nam Côn Sơn được bắt đầu

từ năm 1992, tới nay vẫn diễn ra rất chậm chạp Các mỏ đã được phát hiện trong bể Nam Côn Sơn bao gồm:

 Lan Tây, Lan Đỏ

Ngoài các bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long, khu vực khí Đông Nam Bộ còn

có các bể khác cũng có tiềm năng về khí rất lớn như:

 Bể Tư Chính – Vũng Mây nằm ở vùng nước sâu trên thềm lục địa và vùng

đặc quyền kinh tế Việt Nam, bể này tiếp giáp với bể Nam Côn Sơn ở phía

Tây Ở đây mới có một số các tài liệu về địa chấn và một vài giếng khoan tìm kiếm Các tài liệu địa vật lý dự báo bể này có chiều dày các lớp trầm tích

có thể đạt 7-8 km ở các vùng trũng sâu, bể này có cấu trúc địa chất phức tạp,

bị phân chia thành các đới nâng và các vùng trũng xen kẽ nhau Trữ lượng tiềm năng dầu khí của bể này khoảng 443.6 triệu m3

 Bể Phú Khánh phân bố dọc theo bờ biển Miền Trung, có trữ lượng tiềm năng khoảng 118.09 triệu m3

 Nhóm bể Hoàng Sa và Trường Sa

Như vậy, khu vực Đông Nam Bộ hiện tại đang có hai bể hoạt động khai thác dầu và khí, với bể Cửu Long là khu vực nước nông, gần bờ khai thác chủ yếu là dầu

và một phần khí đồng hành Đối với bể Nam Côn Sơn cách Vũng Tàu khoảng 250

km, là vùng nước sâu khai thác chủ yếu là khí tự nhiên và một vài mỏ dầu/khí đồng hành Mỏ Đại Hùng nằm trong bể Nam Côn Sơn thuộc lô 05-1A do Tổng công ty thăm dò dầu khí Việt Nam (PVEP) vận hành và khai thác từ nằm 1994

1.2 Tổng quan công nghệ trên giàn

1.2.1 Sơ lược về cấu trúc giàn

Về mặt cấu trúc, kết cấu, các giàn khoan, tàu chứa nổi ngoài khơi… thường

được gọi là các công trình biển Tùy thuộc vào độ sâu của mực nước biển, mục đích

sử dụng mà các công trình biển được chia ra thành 2 nhóm là công trình biển mềm

và công trình biển cố định:

Hình 1.2 Các loại công trình biển ngoài khơi

Để đưa ra công nghệ cho một giàn cần phải nghiên cứu về chất lượng nguyên

liệu đầu vào (thành phần dầu và khí), khả năng thu gom và xuất sản phầm cũng như khả năng kinh tế của dự án Một số công nghệ giàn thường gặp:

 Giàn đầu giếng (WHP): mục đích chính của các WHP đó là lấy sản phẩm từ các giếng dầu, phân tách sơ bộ và xuất sản phẩm đến khu vực thu gom Thông thường các WHP là các giàn không có người vận hành, các chế độ

điều khiển giàn sẽ được thực hiện ở giàn trung tâm thông qua hệ thống cáp

tín hiệu trên biển

 Giàn công nghệ trung tâm (CPP): Giàn CPP sẽ thu gom sản phần từ các mỏ (thông qua các giàn đầu giếng) và các giếng dầu CPP là giàn có chứa đầy đủ nhất các công nghệ phân tách, xử lý, nén và xuất các sản phầm dầu khí Các giàn CPP đều có người vận hành và hệ thống điểu khiển giàn

 Giàn nén trung tâm (CCP): các CCP thường nằm gần hoặc được kết nối với các WHP hay CPP… Mục đích của CCP là nén và đẩy khí đến các cụm thu gom khí hoặc đưa vào bờ để xử lý ở các nhà máy xử lý khí (GPP), nhà máy

điện, đạm Ngoài ra các CCP còn cung cấp khí gas-lift phục vụ cho việc

khai thác tại các giàn khác

 Ngoài ra tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật riêng biệt mà một số giàn chỉ đảm nhiệm công việc phụ trợ, hỗ trợ bên cạnh các giàn WHP, CPP… ví dụ như các giàn nén khí ép vỉa, giàn xử lý khí trung tâm, giàn xử lý lỏng trung tâm…

Hình minh họa bên dưới sẽ đưa ra tổng quan đơn giản về công nghệ xử lý dầu khí tiêu biểu trên giàn:

Hình 1.3 Tổng quan công nghệ xử lý dầu và khí trên giàn

1.2.2 Các phần công nghệ chính trên giàn

Đầu giếng có thể được hiểu theo đúng nghĩa là phần nằm trên đầu của một

giếng dầu hoặc khí, được lắp đặt hệ thống đường ống dẫn xuống vỉa Một đầu giếng cũng có thể là giếng bơm ép, thường sử dụng để bơm ép nước hoặc khí vào trong vỉa để duy trì áp suất và tăng khả năng thu hồi sản phẩm

Hình 1.4 Cấu tạo Wellhead và Christmas tree

Ngay khi một giếng khí tự nhiên hoặc dầu được khoan thì nó sẽ được kiểm tra sản lượng, giá trị thương mại hiện tại để có kế hoạch khai thác hợp lý, ngoài ra giếng đó phải “hoàn toàn” cho phép cho dòng dầu hoặc khí tự nhiên thoát ra khỏi vỉa và lên trên bề mặt Quá trình xử lý đầu giếng bao gồm tạo lớp vỏ bọc để gia cường lỗ giếng, đánh giá nhiệt độ và áp suất của vỉa, và cuối cùng là lắp đặt thiết bị

thích hợp để thu hồi hiệu quả dòng khí tự nhiên từ giếng Dòng từ giếng lên sẽ được

điều khiển bằng van điều tiết (choke valve)

Trong quá trình hoàn thiện khai thác giếng dầu cần phải phân biệt giữa hoàn thiện khô (đối với các quá trình được hoàn thành trên bờ hoặc trên sàn của một công trình biển) và hoàn thiện dưới biển (được thực hiện ở dưới biển) Cấu trúc đầu giếng, thường được gọi là một cây thông (Christmas tree), sẽ cho phép một số quá trình vận hành liên quan đến sản phẩm và bảo trì giếng Quá trình tu bổ giếng dựa trên nhiều công nghệ khác nhau để thực hiện bảo trì giếng và nâng cao hiệu quả thu hồi sản phẩm

b Hệ thống phân phối và thu gom

Đối với các giàn ngoài khơi, các giếng hoàn thiện khô ở trung tâm của giàn

sẽ dẫn trực tiếp đến bộ phân chia sản phẩm (production manifold), trong khi đó các tháp đầu giếng ở phía xa hơn và các thiết bị dưới biển sẽ dẫn qua hệ thống đường

ống nhiều pha đến các đường ống đứng (riser) dẫn sản phẩm lên giàn để phân phối

và xử lý Các riser dẫn sản phẩm lên giàn là hệ thống ống kết nối với đường ống dưới biển để dẫn sản phẩm thẳng lên trên giàn

c Quá trình tách

Đối với một vài giếng có sản phẩm khí thuẩn túy (không chứa lỏng) thì có

thể đưa đi xử lý hoặc/và nén khí trực tiếp mà không cần qua công đoạn tách sơ bộ Tuy nhiên, thông thương các giếng đều cho ra hỗn hợp khí, dầu, nước và rất nhiều tạp chất mà cần phải được phân tách và xử lý trước khi xuất sản phẩm Các thiết bị tách sản phẩm có rất nhiều dạng và thiết kế khác nhau, dạng thông thường và được

sử dụng nhiều nhất là thiết bị tách trọng lực

Trong quá trình tách trọng lực, dòng từ giếng là nguyên liệu đầu vào cho bình tách Thời gian lưu thông thường là 5 phút, đủ để cho phép thành phần khí

thoát ra, nước lắng xuống đáy và dầu sẽ được thu hồi ở phần giữa Áp suất thường

được giảm ở một vài cấp (thiết bị tách áp suất cao, thiết bị tách áp suất thấp… ) để

cho phép điểu chỉnh quá trình tách của các cấu tử nhẹ hiệu quả hơn Quá trình giảm

áp quá đột ngộ có thể sẽ làm dòng hóa hơi quá nhanh dẫn đến mất ổn định và gây

rủi ro về an toàn

 Thiết bị tách kiểm tra và kiểm tra giếng

Các thiết bị tách kiểm tra thường được sử dụng để phân tách dòng từ một hoặc nhiều giếng để phân tích và đo đạc chi tiết dòng chảy Theo cách đó, hoạt động của mỗi giếng dưới các điều kiện áp suất dòng khác nhau sẽ được xác định Thông thường các giếng sẽ đượng lấy thông tin sản phẩm định kỳ, khoảng 1 đến 2 tháng/lần và sẽ được đo toàn bộ các thông số dòng, thành phần dưới các điều kiện vận hành khác nhau Qua quá trình kiểm tra sẽ xác định được tính ổn định của dòng chảy hoặc lượng cát, cặn rắn có trong thành phần dòng Ngoài ra thành phần cấu tử

sẽ được phân tích trong phòng thí nghiệm để xác định thành phần cấu tử hydrocarbon của khí, dầu và condensate Dựa vào các thông số kiểm tra này, người vận hành sẽ điều chỉnh các chế độ vận hành phù hợp và có thể thay đổi thiết kế thiết

bị nếu cần thiết

Ngoài chức năng kiểm tra, các thiết bị tách này còn được sử dụng để sản xuất khí nhiên liệu cho máy phát khi chu trình chính không hoạt động Để giảm trọng lượng tác động lên giàn người ta có thể dùng một thiết bị đo lưu lượng dòng 3 pha

để thay thể cho thiết bị tách kiểm tra

 Thiết bị tách sản phẩm (Thiết bị tách cấp 1)

Các thiết bị tách sử dụng trên giàn hầu hết là loại tách bằng trọng lực Thiết

bị tách cấp 1 thường là thiết bị tách áp suất cao Dòng từ giếng lên qua van điều tiết

sẽ được đưa qua thiết bị tách cấp 1, áp suất dòng ở giai đoạn này vào khoảng 3 – 5 MPa (gấp khoảng 30 – 50 lần áp suất khí quyển) Nhiệt độ đầu vào thông thường nằm trong khoảng 100 – 150 ºC Dòng từ vỉa lên thường chứa hàm lượng nước khá

cao, ở giai đoạn phân tách này hàm lượng nước trong dòng có thể giảm từ 40% xuống dưới 5%

 Thiết bị tách cấp 2

Thiết bị tách cấp 2 cũng tương tự như thiết bị tách áp suất cao cấp 1 Thiết bị tách cấp 2 sẽ tiếp nhận dòng vào là dòng ra của thiết bị tách cấp 1, ngoài ra còn có các dòng từ các giếng có áp suất thấp (các giếng này được kết nối đến bộ phân phối

áp suất thấp, sau đó sẽ được phân phối đến thiết bị tách) Áp suất tại thiết bị tách

này vào khoảng 1 MPa (10 lần áp suất khí quyển) và nhiết độ dưới 100 ºC Thành phần nước ở giai đoạn này sẽ giảm xuống dưới 2%

Thiết bị gia nhiệt dầu có thể được đặt ở giữa 2 cấp tách để gia nhiệt cho hỗn hợp dầu/nước/khí Điều này sẽ giúp cho việc tách nước được dễ hơn khi mà thành phần nước trong hỗn hợp vẫn còn cao và nhiệt độ lại thấp

 Thiết bị tách cấp 3

Đây có thể coi là giai đoạn tách cuối cùng của quá trình tách sơ bộ Thông

thường các thiết bị tách cấp là thiết bị tách 2 pha, còn được gọi là các bình tách nhanh (Flash Drum) Áp suất ở giai đoạn này có thể giảm xuống còn chênh lệch so với áp suất khí quyển khoảng 100 kPa, khi đó nhưng thành phần khí nặng cuối cùng

sẽ thoát ra Trong một số trường hợp khi mà nhiệt độ đầu vào thấp thì có thể phải gia nhiệt cho dòng lỏng một lần nữa trước khi đưa vào bình tách nhanh để làm tăng khả năng phân tách của các cấu tử nặng

Theo một hướng khác, nếu thành phần chính của sản phầm là khí thì lỏng phải được tách ra, khi đó thiết bị tách 2 pha có thể gọi là bình tách loại lỏng (Knock-out Drum) Thiết bị này còn được sử dụng để tách lỏng ra khỏi khí trước khi được dẫn qua đuốc đốt để tránh xuất hiện lỏng trong đuốc

 Các thiết bị tách khác

Ngoài các thiết bị tách trên, tùy theo yêu cầu của sản phẩm cũng như thành phần nguyên liệu mà người ta sẽ phải lắp đặt thêm các thiết bị tách khác như: thiết

bị tách lọc kết tụ, thiết bị tách muối bằng phương pháp điện ly, hệ thống làm sạch nước thải… Đối với thiết bị lọc kết tụ, thành phần nước có thể giảm xuống dưới 0.1% trong dòng sản phẩm, cho mức độ tách lọc tốt hơn so với thiết bị tách bình thường

Với các dòng dầu có chứa nhiều thành phần muối không mong muốn có thể gây ảnh hưởng tới các thiết bị khác cũng như đường ống vận chuyển… thì người ta

sẽ phải dùng thiết bị tách muối bằng phương pháp điện ly để loại bỏ

Với các mỏ có hàm lượng nước trong sản phẩm cao thì khi ra khỏi các thiết

bị tách lưu lượng nước sản xuất rất lớn, không thể tồn chứa bằng các thiết bị chứa thông thường được Do đó phải có hệ thống tách, xử lý nước sản xuất đảm bảo đạt tiêu chuẩn có thể xả trực tiếp xuống biển

d Cụm nén khí

Khí từ các đầu giếng có khí tự nhiên thuần túy (không chứa lỏng) thường có

đủ áp suất để dẫn trực tiếp vào các đường ống vận chuyển Khí từ các thiết bị tách

thông thường do tổn thất áp suất rât lớn nên cần phải nén lại để có thể vận chuyển

được Do đó để vận chuyển được khi đến các hệ thống thu gom thì trên các giàn yêu

cầu phải có hệ thống nén khí xuất sản phẩm Các máy nén sử dụng động cơ tua-bin

được cấp năng lượng nhờ sử dụng một lượng nhỏ tỷ lệ khí tự nhiên mà máy nén

Bản thân tua-bin sử dụng để vận hành máy nén ly tâm, mà chứa một loại quạt để nén và bơm khí vào đường ống Ngoài máy nén tua-bin, một vài trạm nén sử dụng

động cơ điện để vận hành máy nén Về cơ bản máy nén sử dụng động cơ điện cũng

tương tự như máy nén tua-bin, tuy nhiên máy nén động cơ điện không sử dụng khí

tự nhiên từ đường ống để chạy như máy nén tua-bin mà sử dụng nguồn điện gần đó Quá trình nén bao gồm rất nhiều các hệ thống, thiết bị phụ trợ phục vụ cho máy nén như thiết bị tách hạt lỏng, thiết bị gia nhiệt, làm mát, thiết bị xử lý dầu bôi trơn…

e Định lương, tồn chứa và xuất sản phẩm

Hầu hết các giàn đều không cho phép tồn chứa khí vì lý do an toàn cũng như các yếu tố phức tạp về thiết bị khác khi tồn chứa khí Đối với các mỏ có hàm lượng khí nhỏ, giá trị kinh tế so với việc đầu tư thu gom nhỏ thì sẽ được đốt tại các đuốc

đốt Đồi với các mỏ có hàm lượng khí lớn (sản phẩm chính) thì khí sẽ được đưa đi

xử lý tại các giàn xử lý khí trung tâm hoặc được thu gom, nến khí đẩy về bờ và

được xử lý, tồn chứa tại các nhà máy xử lý khí trên bờ Còn đối với sản phầm dầu

thì có thể tồn chứa tại các kho chứa trên giàn, kho chưa nổi hoặc xuất trực tiếp qua các tàu chứa nổi

Quá trình định lượng sẽ được thực hiện ở các trạm đo (metering system) Các trạm đo (định lượng) cho phép người vận hành có thể điều khiển và quản lý quá trình xuất/nhập dầu và khí tới khu vực thu gom hoặc tồn chứa Trạm đo thực chất là một hệ thống đường ống, trên đó có gắn các thiết bị đo lưu lượng, nhiệt đô, áp suất

và các điểm lấy mẫu dầu hoặc khí Dòng sẽ được dẫn qua hệ thống này và sau đó

đưa trở lại đường ống xuất sản phẩm

1.3 Mỏ Đại Hùng

Mỏ Đại Hùng là một mỏ dầu nằm tại lô số 05-1A ở phía Tây Bắc bể Nam Côn Sơn trên vùng biển Đông Nam biển Đông Việt Nam Mỏ nằm cách đất liền hơn 250km nơi có mực nước sâu 110m,về mặt địa chất thì Đại Hùng có cấu tạo hết sức

đặc biệt với nhiều đứt gãy khiến mỏ bị chia thành nhiều khối tách biệt Trước năm

1975, các công ty của Hoa Kỳ đã thực hiện việc thăm dò vùng cấu tạo này và đưa ra những đánh giá sơ bộ Năm 1988, liên doanh dầu khí Vietsopetro đã phát hiện ra dầu tại mỏ Đại Hùng, các dự án khai thác đầu tiên được thực hiện với sự tham gia của công ty BHP của Australia Hiện tại, mỏ Đại Hùng được đánh giá là có trữ lượng dầu khí mức 2P (trữ lượng chắc chắn) là 354,6 triệu thùng (tương đương với 48,7 triệu tấn) Hệ thống thiết bị khai thác chính hiện tại trên mỏ bao gồm giàn khai thác bán chìm FPU – 01 (Floating Production Unit), tàu chứa dầu FSO (Floating

Storage and Offloading Vessel) và hệ thống ống mềm cùng với hệ thống khai thác ngầm của 11 giếng khai thác Dưới đây là sơ đồ khai thác hiện tại trên mỏ Đại Hùng

Hinh 1.5 Sơ đồ khai thác giàn FPU-DH1

Nằm trong kế hoạch phát triển giai đoạn 2 của mỏ Đại Hùng, một giàn đầu giếng WHP-DH2 (Wellhead Platform) cùng với 12 giếng khai thác ở khu vực phía nam của mỏ cách giàn FPU-DH1 khoảng 5km sẽ được thiết kế và xây dựng Giàn WHP-DH2 dự kiến sẽ được vận hành vào quý IV năm 2011 Dưới đây là sơ đồ khai thác mỏ Đại Hùng giai đoạn 2 sau khi hoàn thiện

FSO

4P

9P 10P

5P

4X

2P

3P 1P

Hình 1.6 Sơ đồ khai thác tại WHP-DH2

Hinh 1.7 Bản đồ các cụm mỏ tại khu vực Đông Nam

05 - 1A

5-3 05-2

06-2 07

08 13

14

05-3 05 - 1B

09-3

15-2 15-1

09-1

15-2 /95 16-1 16-2 17

18

19

20 26 25

27

21

22

23 29 28

24 30 35 34 33

32 37

48

49

50

51/96 51 46-1 46

54

55

12-W 12-E 11-2

1/97

1/96 2/97

20 0 m

1000 m

11-2

47

52 /9 7

GI A LA I

PHU

YE N

DAC LAC

KHAN

H HOA

LAM DONG

NI NH TH U AN

BINH THUAN DON

G NA I

BINH PHUOC

BIN H DUON G

TAY NINH

HO CHI MI NH C ITY

BA VUNG TAU

BEN TRE

TRA VINH

VI NH

LO NG CAN

AN GIA NG DON G THA P LONG AN

TIEN GIANG

CAMBODI A

E112.00 E111.00 E110.00 E109.00 E108.00 E107.00 E106.00 E105.00 E104.00 E103.00 E102.00

IND ONES IA C LAIM

IN D O NE S

IA C LA IM M AL A YS C LA IM

MALA YSIA C LAIM VIET NAM

CL AIM

CA M DI

CL AI 19 CAMBODIA

CLAIM 1972 VIET NAM CL AIM B-13

B-14

B-15 B-16

B-11

B-12

B-10

PHU QUOC ISL AND

TH AI

LA ND C LA

06/95 06-1 B

100 m

50 m

1.4 Giàn FPU-DH1

Hệ thống thiết bị khai thác chính hiện tại trên mỏ Đại Hùng bao gồm giàn khai thác bán chìm FPU-DH1, tàu chứa dầu (FSO) và hệ thống ống mềm Sơ đồ công nghệ xử lý trên giàn bán chìm FPU-DH1 như sau:

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ giàn bán chìm FPU-DH1

Hệ thống thiết bị công nghệ chính trên giàn FPU-DH1 gồm:

 Hệ thống các bình tách 3 pha cấp I, cấp II, bình gom lỏng và bình tách 3 pha kiểm tra (Test Separator), hệ thống đầu giếng và ống góp, hệ thống bơm sản phẩm

 Hệ thống đuốc đốt, thiết bị hydrocyclone

 Các thiết bị phụ trợ (thiết bị phóng thoi, hệ thống khí nhiên liệu, hệ thống khí

điều khiển, hệ thống điện…)

Dầu thô từ hệ thống đầu giếng và từ giàn đầu giếng WHP-DH2 (được vận chuyển bằng đường ống 6”) được trộn với nhau rồi đi vào bình tách 3 pha V-1101-C-01 hoạt động ở 1090 kPa, tại đây các hydrocacbon nhẹ, nước sẽ được tách ra Phần dầu thu được sẽ được đi tiếp vào bình tách 3 pha thứ 2 V-1010-C-02 hoạt

động tại 340 kPa, phần dầu thu được sẽ được làm mát trước khi vào bình tách 3 pha

thứ 3 V-1010-C-03 Dầu thô ổn định sẽ được bơm về tàu chứa FSO, phần khí thu

được từ các bình tách pha sẽ được thu gom và chuyển về bình tách 2 pha Flare

Scrubber để tách triệt để lỏng rồi được đốt tại áp suất cao Phần lỏng thải từ các bình tách pha sẽ được xử lý bằng hydrocyclone trước khi được thải ra biển Ngoài

ra còn có một bình tách 3 pha kiểm tra V-1101-C-4 được lắp đặt song song với bình tách V-1010-C-1 để lấy mẫu

1.5 Giàn WHP-DH2

Giàn khai thác đầu giếng mới WHP-DH2 được thiết kế là một giàn không người vận hành, với các thiết bị khai thác là tối thiểu, giàn có 12 giếng khai thác, trong đó có 8 giếng khai thác và 4 giếng dự trữ Dưới đây là sơ đồ công nghệ giàn WHP-DH2

Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ trên giàn WHP-DH2

Các thiết bị công nghệ trên giàn Đại Hùng 2 gồm có:

 Hệ thống đầu giếng và các ống góp,

 Các thiết bị đo dầu, khí và nước, hệ thống bình tách áp suất cao, bình tách 2 pha kiểm tra, hệ thống ống 6” dẫn dầu về giàn FPU-DH1

 Hệ thống phụ trợ như hệ thống khí điều khiển, hệ thống phóng thoi, hệ thông diesel, hệ thống bơm hóa chất (chất ức chế ăn mòn, chất phá nhũ, chất hạ

điểm chảy…), cẩu và máy phát diesel khần cấp

 Đuốc và đường ống xả khí, hệ thống xả kín tích hợp với bình tách 2 pha, hệ

hệ thống 2 đường ống 6” để vận chuyển sang giàn FPU-DH1, với tổng công suất là

27000 BPD Hệ thống đường ống 6” này được lắp đặt các thiết bị phóng thoi và nhận thoi để làm sạch đường ống vận chuyển Phần khí thu được từ 2 bình tách pha

được thu gom và đưa ra hệ thống đuốc đốt ở áp suất cao Ngoài ra, giàn cũng có

một bình tách 2 pha kiểm tra DH2-V-1040 được lắp đặt song song với bình tách DH2-V-1030 để lấy mẫu

2 PHÁT TRIỂN VÀ MỞ RỘNG KHAI THÁC CỤM MỎ ĐẠI HÙNG

2.1 Mở rộng khai thác

Giàn đầu giếng WHP-DH2 là một phần trong dự án mở rộng khai thác mỏ

Đại Hùng của PVEP Tại thời điển khai thác sản lượng dầu của khu vực giàn

FPU-DH1 là 15000 BPD Dự kiến sau khi mở rộng (giai đoạn 2) sản lượng lớn nhất có thể đạt được là 25000 BPD

Dự án phát triển cụm mỏ Đại Hùng (giai đoạn 2) bao gồm các hạng mục chính sau:

- Xây dựng giàn đầu giếng WHP-DH2 với 12 vị trị khai thác cố định cách FPU-DH1 5 km

- Khoan thêm 3 giếng mới cách 1.5 km và dẫn trực tiếp về FPU-DH1

- Lắp đặt 2 đượng ống 6 inch xuất dầu từ WHP-DH2 về FPU-DH1

- Lắp đặt hệ thống đượng tín hiệu, điện từ FPU-DH1 đến WHP-DH2

- Nâng cấp giàn FPU-DH1 để phù hợp tiếp nhận dầu từ các giếng mới và 2

đướng ống 6 inch

WHP-DH2 là một giàn không người và được điều khiển thông qua DH1

FPU-2.2 Tăng cường thu gom khí

Hiện tại khí đồng hành thu được từ cụm mỏ Đại Hùng đều được đốt ở 2 flare trên giàn FPU-DH1 và WHP-DH2 Việc đốt bỏ khí đồng hành không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn làm lãng phí một lượng lớn khí nhiên liệu có thể tận dung

được

2.2.1 Sản lượng khí dự báo của FPU-DH1

Mỏ Đại Hùng được bắt đầu khai thác với giàn DH-1 và tàu chứa FSO từ tháng 10 năm 1994 cho tới nay, chủ yếu khai thác tại khu vực phía Bắc Các giếng ở khu vực này đang khai thác chủ yếu là dầu, khí đồng hành theo dầu với lưu lượng thấp và đang giảm dần, đến năm 2023 sẽ hết Hệ thống thiết bị khai thác chính hiện

tại của mỏ bao gồm giàn khai thác nửa nổi nửa chìm FPU-DH1, tàu chứa dầu (FSO)

và hệ thống ống mềm cùng với mạng lưới khai thác 11 giếng ngầm

Bảng 2.1 Sản lượng khai thác khí đồng hành mỏ Đại Hùng 1

(Nguồn: PVEP Đại Hùng)

Theo thiết kế thì dự kiến dầu khai thác từ Đại Hùng 2 sẽ được vận chuyển bằng 2 đường ống 6” về Đại Hùng 1, tuy nhiên theo kế hoạch khai thác thì đến năm

2018 sản lượng dầu sẽ giảm, do đó chỉ cần sử dụng 1 đường ống đế vận chuyển dầu

từ Đại Hùng 2 về Đại Hùng 1, đường ống còn lại có thể được cải hoàn để vận chuyển khí đồng hành từ Đại Hùng 2 về Đại Hùng 1 và kết nối vào đường ống Nam Côn Sơn 2 vận chuyển vào bờ, khi đó sản lượng khí Đại Hùng 1 như sau:

Bảng 2.2 Sản lượng khai thác khí đồng hành mỏ Đại Hùng 1

là dự báo sản lượng khí từ năm 2013 tới năm 2033

Bảng 2.3 Sản lượng khí dự báo của mỏ Đại Hùng – không bơm ép vỉa

Year

TOTAL GAS ĐH1 + ĐH2 (m3/day)

Associated

Gas

(m3/day)

associated Gas (m3/day)

No-Total gas from ĐH2 (m3/day)

Associated Gas (m3/day)

Total gas from ĐH1 (m3/day)

Bảng 2.4 Sản lượng khí dự báo của mỏ Đại Hùng - có bơm ép vỉa

Year

TOTAL GAS ĐH1 + ĐH2 (m3/day)

Associated

Gas

(m3/day)

associated Gas (m3/day)

No-Total gas from ĐH2 (m3/day)

Associated Gas (m3/day)

Total gas from ĐH1 (m3/day)

Hình 2.1 Biểu đồ sản lượng khí dự báo của mỏ Đại Hùng

Nguồn: PVEP Đại Hùng

Dựa vào biểu đồ sản lượng khai thác của mỏ Đại Hùng, có thể nhận thấy mỏ

Đại Hùng có thể cung cấp khí đồng hành cho đường ống vận chuyển khí từ mỏ tới đường ống NCS2 trong khoảng trên 20 năm với sản lượng lớn nhất khoảng 0,4 triệu

m3 khí đồng hành/ngày và thấp nhất khoảng 0,2 triệu m3 khí/ngày

No-3 TỔNG QUAN TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ

3.1 Mô phỏng công nghệ

Mô phỏng (simulation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc thiết lập

mô hình số và sử dụng phương pháp số để tìm ra lời giải với sự trợ giúp của máy tình Ứng dụng mô phỏng trong công nghiệp không còn là một vấn đề xa lạ đối với chúng ta hiện nay Mô phỏng đặc biệt hiệu quả cho thiết kế và tối ưu hóa thiết bị, nhà xưởng, hệ thống công nghệ… Việc áp dụng mô phỏng sẽ làm giảm thời gian thiết kế sản phẩm, tăng hiệu quả phân tích và độ chính xác của sản phẩm tạo ra

Tất nhiên một quá trình trong thực tế là một tập hợp gồm rất nhiều yếu tố phức tạp mà không thể có một mô tả toán học nào có thể cho kết quả chính xác tuyệt đối Độ phức tạp của quá trình tăng lên, đồng nghĩa với số lượng các thông số liên quan, biến số, phương trình, ràng buộc tăng lên Giải quyết cùng lúc cả 3 bước trên đòi hỏi một khối lương tính toán cực kì lớn, và như vậy mô phỏng với sự trợ giúp của máy vi tính là tất yếu Trong ngành công nghệ hóa học nói chung và công nghệ lọc hóa dầu nói riêng, mô phỏng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc thiết kế, phân tích, vận hành và tối ưu hoá hệ thống

Quá trình mô phỏng thông thường được chia làm 2 phần:

 Mô phỏng tĩnh (Steady Stage): mô phỏng quá trình ở trạng thái tĩnh, không

có thông số nào biến thiên theo thời gian thực Ứng dụng của mô phỏng tĩnh:

 Thiết kế (Design) tính toán cho mộ quá trình mới

 Kiểm tra, thử lại hoạt động của một chu trình

 Hiệu chỉnh một quá trình đa vận hành

 Tối ưu hóa (Otimization) các quá trình

 Mô phỏng động (Dynamic Stage): là mô phỏng thiết bị, quá trình ở trạng thái hoạt động liên tục, cho phép người dùng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến

hệ thông theo thời gian và phương pháp xử lý tình huống giả lập trong quá trình thiết kế và vận hành quá trình một cách hiệu quả và an toàn nhất

Một số phần mềm mô phỏng thông dụng:

 ASPEN HYSYS

Hysys là một trong những phần mềm mô phỏng hiệu quả và được ứng dụng nhiều nhất trong công nghệ dầu khí Hysys được phát triền đầu tiên bởi công ty Hyprotech Ltd (Canada), sau này được AspenTech mua lại và phát triển thành Aspen Hysys Với sự đầu tư về mặt công nghệ cũng như tích hợp nhiều module giúp thuận tiện hơn trong việc tính toán công nghệ và mô phỏng quá trình hóa học, Aspen Hysys đã phát triển đến phiên bản 8.3 với nhiều thay đổi về cấu trúc giao diện Tuy có nhiều thay đổi so với các phiên bản trước nhưng về mặt cốt lõi, Aspen Hysys vẫn duy trì các tính năng cũ cũng như các thuật toán

Aspen Hysys bao gồm cả mô phỏng tĩnh và mô phỏng động của quá trình Ngoài ra phần mềm còn được tích hợp các module giúp tính toán đường ống, van

điều khiển, tối ưu quá trình công nghệ…

Hiện nay ngoài Aspen Hysys còn có các phần mềm mô phỏng tương tự về cấu trúc với Hysys cũ (được phát triển bởi Hyprotech) như Unisim của Honeywell, Petro-Sim của KBC Advanced Technologies plc

Trong giới hạn luận văn này sẽ sử dụng phần mêm Aspen Hysys phiên bản mới nhất là 8.3 để mô phỏng công nghệ trên giàn

PRO/II vận hành theo các module liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ và lần lượt tính cho từng thiết bị Nó bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú: thư viện

các cấu tử hóa học, các phương pháp xác định các tính chất nhiệt động, trợ giúp rất mạnh trong việc tính toán các thiết bị trong sơ đồ công nghệ

PRO/II là công cụ mô phỏng tĩnh, được sử dụng nhằm 2 mục đích chính:

 Thiết kế một phân xưởng mới (Sizing)

 Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng trong thực tế để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của nó (Rating) như: thay đổi nguồn nguyên liệu, điều kiện vận hành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm…

 DYNSIM

Dynsim cũng là một sản phẩm của Invensys SIMSCI, là phần mềm mô phỏng động được sử dụng cho kỹ sư thiết kế và vận hành, với nhiều ứng dụng đa dạng trong các quá trình công nghiệp gồm lọc dầu, chế biến khí, hóa dầu và một số quá trình hóa học khác Dynsim có một cơ sở dữ liệu rất lớn các cấu tử, các mô hình nhiệt động học và các thiết bị Nó cho phép thực hiện nhiều ứng dụng như nghiên cứu thiết kế quá trình, khảo sát quá trình điều khiển, huấn luyện vận hành, phân tích

hệ thống và tối ưu hóa thời gian thực Hiện nay, phiên bản mới nhất là Dynsim 4.2

Dynsim có nhiều tính năng vượt trội trong việc mô phỏng động như:

 Cho kết quả tính toán rất nhanh và chính xác trong quá trình mô phỏng động

 Các thiết bị chính trong sơ đồ công nghệ, thiết bị điều khiển, vận hành và khả năng đáp ứng của chúng rất thật

 Có thể lấy kết quả thiết kế ở trạng thái ổn định trực tiếp từ PRO/II của một quá trình có sẵn

 Có thể kết nối dữ liệu với các phần mềm khác như Excel, OLGA, Hysys, Simcontrol

 Có nhiều chức năng đặc biệt cho mô phỏng động như các biểu đồ (Trend), đồ thị (Plot), các giả lập sự cố (Malfunctions) và khả năng biên tập các thao tác

điều khiển theo thời gian trong quá trình vận hành (Scenarios)

 Có thể mô phỏng một sơ đồ công nghệ lớn trong nhà máy với nhiều phân xưởng, trong đó mỗi phân xưởng có thể mô phỏng trên một Flow-sheet và kết nối với nhau

 Giao diện rất thân thiện với người dùng

Dynsim là một công cụ hỗ trợ rất mạnh trong việc mô phỏng động các quá trình trong công nghệ hóa học nói chung và lọc hóa dầu nói riêng Với khả năng kết nối dữ liệu thiết kế với PRO/II, nó tạo ra bộ đôi phần mềm mô phỏng cực kì hiệu quả và chính xác, đáp ứng yêu cầu trong nghiên cứu, giảng dạy trong các trường đại học, viện nghiên cứu Hơn nữa, nếu làm một phép so sánh kinh tế, rõ ràng giá thành khi thuê hoặc mua phần mềm cực kỳ nhỏ so với giá của một pilot, mặc dù kết quả của chúng đưa ra có thể nói là rất khớp nhau

3.2 Nguyên lý tính toán tối ưu thiết bị tách pha

Thiết bị tách pha đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả thu hồi dầu, khí của một giàn Thiết bị tách pha thường được sử dụng đối với các giàn đầu giếng hoặc các giàn nhỏ chỉ yêu cầu tách sơ bộ dòng từ dưới vỉa lên và sản phẩm được xuất đến các khu vực thu gom để đưa vào bờ hoặc tàu chứa Do được lắp đặt trên các giàn nên yêu cầu phải nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo được hiệu quả phân tách Các yếu tố

đầu ra của thiết bị tách như nhiệt độ, áp suất, thành phần dòng sẽ ảnh hưởng rất

nhiều đến các đường ống xuất sản phẩm, khả năng lắp đặt các thiết bị xử lý, bơm hay máy nén tiếp theo

Ba nguyên lý thường được sử dụng cho quá trình tách vật lý khí và lỏng hoặc rắn đó là động lượng (momentum), lắng trọng lực (gravity settling) và kết tụ (coalescing) Bất kỳ thiết bị tách nào thì có thể sử dụng một hoặc kết hợp nhiều

nguyên lý khác nhau, tuy nhiên các pha của dòng thì không được tan lẫn và phải có

sự chênh lệch về tỷ trong thì quá trình tách mới có thể diễn ra được

Một số dạng thiết bị tách thường gặp:

 Thiết bị tách (thông thường): có thể là thiết bị tách 2 pha (khí/lỏng hoặc lỏng/lỏng) hoặc tách 3 pha (khí/lỏng/lỏng)

 Thiết bị lọc tách (Filter Separator): Thiết bị lọc tách thường có 2 phần Phần

đầu tiên chứa các bộ phận lọc kết tụ Khi dòng khí đi qua bộ phận này, các

hạt lỏng kết tụ thành hạt lớn hơn và khi các hạt này đạt đến kích thước đủ lớn, chúng sẽ bị mắc lại bên ngoài bộ lọc Dòng khí sẽ tiếp tục đi qua bộ lọc vào tâm của ống lọc để qua phần thứ 2 của thiết bị (chứa một bộ phận có dạng cánh hoặc lưới tách), tại đây các hạt lớn sẽ bị tách ra khỏi dòng khí Thiết bị này thường có một thùng chứa đặt ở vị trí thấp nhất để chứa lỏng bị phân tách ra khỏi dòng khí

 Thiết bị tách nhanh (Flash Tank/Flash Drum): bình tách này thường được dùng để tách khí sinh ra từ dòng lỏng do áp suất giảm đột ngột từ cao xuống thấp

 Dòng nhỏ giọt (Line Drip): thường được sử dụng trong các đường ống với dòng có tỷ lệ thành phần khí/lỏng rất cao để tách loại lỏng tự do ra khỏi dòng khí, và không yêu cầu phải tách triệt để Thiết bị này cung cấp một nơi để dòng lỏng tự do phân tách và tích tụ

 Thiết bị tách lỏng – lỏng: 2 dòng lỏng không tan lẫn có thể được tách ra khỏi nhau với cùng một nguyên lý như thiết bị tách khí – lỏng Tuy nhiên do sự chênh lệch về tỷ trọng của 2 pha lỏng – lỏng nhỏ hơn so với 2 pha khí – lỏng nên việc phân tách sẽ khó hơn và vận tốc dòng phải thấp hơn

 Scrubber / Knock-out Drum: Dạng thiết bị này được thiết kế để phân tách dòng mà có tỷ lệ thành phần khí/lỏng cao Dòng lỏng thường được đưa vào ở dạng sương mù trong khí hoặc dạng lỏng tự do bám theo thành ống Các bình tách này thường có khu vực chứa lỏng nhỏ

 Slug Catcher: một dạng thiết bị tách được thiết kế để hấp thụ một lượng lỏng lớn tồn tại lâu trong đường ống Thường thấy thiết bị này trong các hệ thống thu gom khí hoặc hệ thống đường ống 2 pha Slug catcher cũng có thể có dạng là một bình tách lớn hoặc là một hệ thống các ống được nối với nhau

Nguyên lý tính toán quá trình lắng trọng lực:

Các hạt lỏng sẽ lắng thoát ra khỏi pha khí khi mà trọng lực của các hạt lớn hơn lực cản của dòng khí xung quanh hạt (hình 3.1) Các lực này có thể được mô tả toán học bằng cách sử dụng thiết bị đầu cuối hoặc tính toán vận tốc lắng hữu hạn, phương trình 3.1

Hình 3.1 Các lực tác dụng lên hạt lỏng trong dòng khí

Vận tốc dòng khí thích hợp để hạt lỏng có đường kính Dp rơi ra khỏi dòng sẽ

được xác định bằng phương trình:

(3.1) Trong đó:

- Vt: vận tốc dòng khí tới hạn (hoặc đầu cuối) thích hợp để các hạt có kích thước Dp rơi hoặc lắng ra ngoài dòng khí, ft/s

- Mp: khối lượng của hạt, lb

- g: gia tốc rơi tự do, 32.2 ft/s2

- µ: độ nhớt của pha liên tục, cP

Hệ số cản C’ là hàm của hình dạng hạt và trị số Reynolds của dòng khí Để tính toán hệ số này thì hình dạng hạt có thể coi là hạt rắn, tròn Trị số Reynols được xác định bởi công thức:

(3.2) Mối quan hệ giữa hệ số cản C’ và trị số Reynolds cho các hạt tròn sẽ được thể hiện ở đồ thị hình 3.2:

Hình 3.2 Đồ thị mối quan hệ giữa hệ số cản C’ và Re cho hạt tròn

Ở dạng này, phương pháp thử là cực kỳ phức tạp do vẫn còn cả 2 biến là vận

tốc dòng khí Vt và kích thước hạt Dp Để tránh phải sử dụng phương pháp thử, các giá trị của hệ số cản sẽ được đưa ra ở sơ đồ hình 3.3 như là một hàm của C’(Re)2 Phương pháp này sẽ giúp loại bỏ vận tốc khỏi biểu thức Tọa độ của đồ thị hình 3.3

được cho bởi phương trình 3.3

(3.3) Cũng như đối với các hiện tượng dòng khác, hệ số cản lắng trọng lực sẽ đạt

được giá trị giới hạn tại trị số Reynolds cao

Hình 3.3 Đồ thị hệ số cản của hạt tròn

Một phương pháp khác cũng thường được sử dụng để thay thế cho việc sử dụng phương trình 3.3 và đồ thị 3.3 để tính toán vận tốc dòng khí Vt đó là phương pháp gần đúng

Đường cong ở đồ thị hình 3.2 có thể được đơn giản hóa thành 3 phần mà từ

đó có thể dẫn tới đường cong gần đúng tương ứng với phần đường cong trên đồ thì

C’ – Re hình 3.2 Dựa vào đó xây dựng mối quan hệ gần đúng giữa C’ – Re ứng với