Theo số số liệu của nguồn khí đƣa vào bờ trong quí I năm 2015 thì áp suất khí ở giàn khoan thấp và dẫn tới áp suất vào bờ cũng thấp theo, áp suất khí vào Slug Catcher theo thiết là 109 bar nhƣng thực tế áp suất chỉ đạt 71,01 bar, để đảm bảo cho các thiết bị hoạt động bình thƣờng trong quy trình công nghệ hiện tại của nhà máy bố trí thêm máy nén K-100 và thiết bị làm mát E-1011 mục đích của hai thiết bị này là đƣa dòng khí về áp suất 109 bar và nhiệt độ môi trƣờng. Do sự sụt giảm sản lƣợng khí từ giàn khoan nên lƣu lƣợng dòng khí hiện tại của nhà máy là 3,855 triệu m3 khí/ngày, do không có nhu cầu tách C3 và C4 trong hỗn hợp bupro nên tháp C-03 không hoạt động. Trong quá trình mô phỏng chọn hệ nhiệt động Peng Robinson, sử dụng cho các quá trình phân tách khí. Hệ cấu tử trong mô phỏng gồm có hydrocacbon từ C1 đến C10 và một số cấu tử khác nhƣ H2O, CO2, N2.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 44 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
Với mục đích thiết lập giá trị cho một biến quá trình theo một biến khác, biến phụ thuộc gọi là biến mục tiêu (target) và biến độc lập hay biến nguồn (source). Ứng dụng của công cụ tạo nên mối liên hệ các giá trị trong mô phỏng để đáp ứng chính xác nhu cầu trong công nghệ thực tế. Trong thiết kế dầu khí đôi khi các giá trị công nghệ bị phụ thuộc lẫn nhau để đáp ứng yêu cầu của một quá trình thì công cụ Set đƣợc sử dụng là cần thiết.
Bảng 2.2. Danh mục công cụ logic Set
STT Tên công cụ logic Set
Biến nguồn (X) Biến mục tiêu (Y)
Hàm truyền
Thứ nguyên
1 SET-1 To-C05(1) To-C05(2) Y=X+20 kpa
2 SET-2 Q-102 Q-Comp Y=0,9X Hp
3 SET-3 To MIX-100 V06-Dry gas Y=X-150 kpa
4 SET-4 To-V06 V06-Dry gas Y=X-2 oC
- Công cụ logic Adjust:
Làm thay đổi giá trị của biến độc lập (biến nguồn) để đạt đƣợc giá trị của biến mục tiêu trong một dòng khác hay thiết bị khác. Ứng dụng của công cụ khảo sát các sự thay đổi của biến nguồn để tìm một giá trị cụ thể đáp ứng kết quả của biến mục tiêu. Đây là ứng dụng quan trong trong thiết kế dầu khí quá trình khảo sát trong mô phỏng là chia nhỏ các bƣớc lặp để tìm giá trị của biến nguồn với mục đích đạt đƣợc kết quả nhƣ mục tiêu.
Bảng 2.3. Danh mục công cụ logic Adjust
STT Tên công cụ logic Adjust
Biến nguồn Biến mục tiêu Giá trị
mục tiêu
1 ADJ-1 To-C05(1)
(Pressure)
Sale gas (Pressure) 45 bar
2 ADJ-2 C-01 (Spec value
–Ethane)
Bupro (Master comp mole Frac-Ethane)
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 3.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.1.1. Mô phỏng Slug Catcher
Nhƣ đã giới thiệu Slug Catcher là thiết bị tách lỏng khí, trong thực tế là quá trình tách dùng hai hệ thống ống SC-01 và SC-02. Để đơn giản hóa quá trình trong bài mô phỏng này đƣa về một dạng bình tách ba pha thông thƣờng. Các số liệu đầu vào giống nhƣ số liệu thực tế ngoài hiện trƣờng. Áp suất làm việc 71,01 bar, nhiệt độ 28,40C. Sản phẩm khí của bình tách đƣa qua máy nén K-100 để nén lên 109 bar, sản phẩm lỏng đƣợc đƣa qua bình tách V-03 để chế biến sâu. Slug Catcher trong mô phỏng là bình tách ba pha nƣớc, hydrocacbon lỏng, khí.
Hình 3.1. Giao diện mô phỏng Slug Catcher
Dòng lỏng đi ra từ Slug Catcher đƣợc đƣa ra và giảm áp xuống 60 bar và duy trì ở 200C tại bình tách V-03. Quá trình tách hydrocacbon nhẹ trong Slug Catcher nhờ vào quá trình giảm áp, quá trình giảm áp kéo theo giảm nhiệt độ, để tránh nhiệt độ giảm tháp hơn nhiệt độ hình thành hydrat thì trong bình tách V-03 có bổ sung thiết bị gia nhiệt bổ sung. Dòng lỏng sau khi ra khỏi V-03 đƣợc đƣa tới thiết bị trao đổi nhiệt E-100 để tận dụng nhiệt và làm mát Condensate thƣơng phẩm.Trong thực tế khí ra khỏi Slug Catcher đƣợc đƣa tới bình tách trƣớc khi vào máy nén để tránh hiện tƣợng lỏng hoặc bụi đi vào máy nén sẽ làm hỏng các tầng cánh.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 46 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B Khảo sát ảnh hƣởng của áp suất làm việc đến khả năng thu hồi dòng khí tới máy nén K-100. Khí nguyên liệu là khí đồng hành có giá trị áp suất là biến độc lập điều chỉnh đƣợc, khi thay đổi áp suất có giá trị từ 70 bar đến 90 bar thì lƣu lƣợng khối lƣợng dòng khí cũng thay đổi theo. Áp suất làm việc của Slug Catcher tăng lên thì lƣu lƣợng dòng khí thu đƣợc cũng tăng theo. Áp suất làm việc của Slug catcher phụ thuộc vào áp suất dòng khí đƣa từ biển vào nhà máy, hiện tại áp suất làm việc đang thấp hơn áp suất thiết kế khoảng 20 bar. Khi áp suất thay đổi thì ảnh hƣởng đến khả năng phân tách lỏng khí của dòng khí đầu vào cũng nhƣ ảnh hƣởng đến lƣu lƣợng dòng nguyên liêu cho tháp tách C-05 và C-01.
Ngƣợc lại với lƣu lƣợng dòng khí thì lƣu lƣợng dòng lỏng từ Slug Catcher tới bình tách V-03 giảm theo sự tăng áp suất của làm việc của Slug Catcher. Do lƣu lƣợng khối lƣợng tổng của hydrocacbon ra khỏi Slug Catcher là không đổi nên tổng lƣu lƣợng pha lỏng giảm theo áp suất làm việc bằng tổng lƣu lƣợng pha khí tăng lên.
Hình 3.3. Lưu lượng dòng lỏng thay đổi theo áp suất của Slug Catcher
3.1.2. Mô phỏng bình tách V-03
Chức năng của bình tách V-03 là tiếp nhận dòng lỏng từ Slug Catcher giảm áp qua van LV0131 từ 71,01 bar xuống 60 bar. Sau khi hỗn hợp đƣa vào bình tách V- 03 thì quá trình phân tách đƣợc tiến hành, pha khí V03-vapor thành phần chủ yếu là khí metan và một lƣợng khí etan giảm áp từ 60 bar xuống 28 bar qua van PV-1305 đƣa qua tháp C-01 là tháp tách khí có Reboiler để tiến hành phân tách tiếp. Pha lỏng gồm các hydrocacbon đƣa qua thiết bị trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy tháp C-02, nhiệt độ tăng lên 125,30C van giảm áp qua valve FV-1701 xuống áp suất làm việc của tháp C-01 là từ 60 bar xuống 28 bar. Chức năng của bình tách V-03 nhƣ một quá trình tách sơ bộ để hỗ trợ cho tháp C-01.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 48 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
Hình 3.4. Giao diện mô phỏng bình tách V-03
Công suất của bình tách -33,78 Hp, vậy để đạt đƣợc các thông số công nghệ đầu vào và ra của bình tách thì phải có thiết bị làm mát cho quá trình tách. Trong thực tế vận hành nếu nhiệt độ trong bình tách V-03 nhỏ hơn 200C thì sẽ đƣợc đun nóng lên nhờ trao đổi nhiệt với dòng dầu nóng mang nhiệt từ bên ngoài vào. Quá trình duy trì nhiệt độ cao để tránh hiện tƣợng hydrat hóa gây tắc nghẽn đƣờng ống.
3.1.3. Mô phỏng thiết bị hấp phụ sấy khí bằng công cụ phân tách Component Splitter Splitter
Component Splitter là công cụ toán học mục đích phân tách thành phần các cấu tử trong dòng, đây là công cụ tính toán không tiêu chuẩn chỉ có trong UNISIM, còn trong thực tế tại nhà xử lý khí Dinh Cố là tháp hấp phụ nƣớc bằng rây phân tử. Khí sau khi đƣợc tách nƣớc bởi Component Splitter đƣa qua bộ chia TEE-100, To E-14 với lƣu lƣợng 37% mol dòng tổng, phần lƣu lƣợng còn lại qua máy giãn CC01- Exp. Dòng To-CC01 đƣa qua máy giảm áp CC-01 Exp áp suất giảm từ 108,3 bar xuống 33,5 bar là áp suất làm việc của tháp C-05. Năng lƣợng của CC-01 Exp sinh ra dùng vận hành máy nén CC01-comp. Dòng To-E14 đƣa qua thiết bị trao đổi nhiệt E-14 để giảm nhiệt độ từ 38,780C xuống -41,710C. Sau đó qua van giảm áp FV-1001 giảm áp xuống 33,3 bar và đƣa vào đỉnh tháp tách khí C-05. Vậy hai dòng sản phẩm khí khô sau khi ra khỏi thiết bị loại nƣớc sẽ đƣợc đƣa vào đỉnh và đáy tháp C-05. Bản chất của các quá trình thay đổi nhiệt độ và áp suất các dòng trƣớc
khi vào tháp C-05 để hỗ trợ cho quá trình tiếp xúc pha và phân tách trong tháp.
Nguyên lý tính toán:
Component Splitter thoả mãn cân bằng vật liệu với mỗi cấu tử: fi= ai + bi
Trong đó:
- fi là lƣợng mol cấu tử i trong dòng nguyên liệu - ai là lƣợng mol cấu tử i trong sản phẩm đỉnh - bi là lƣợng mol cấu tử i trong sản phẩm đáy.
Lƣợng mol cấu tử trong dòng sản phẩm đỉnh và đáy đƣợc tính toán theo các biểu thức sau:
- ai= xi×fi - bi= (1-xi)×fi
Trong đó:
Biến số xi là phần cấu tử i trong sản phẩm đỉnh từng cấu tử, phân đoạn hơi và áp suất dòng ra khỏi thiết bị đã biết, còn P-VF tách đƣợc tính toán theo các giá trị nhiệt độ và nhiệt lƣợng của các dòng. Cân bằng nhiệt lƣợng tổng cộng trong thiết bị đƣợc tính toán theo nhiệt lƣợng của dòng:
hE = hF – hO – hB
Trong đó:
hE : Enthalpy của dòng năng lƣợng chƣa biết giá trị hF : Enthalpy của dòng nguyên liệu
hO : Enthalpy của sản phẩm đỉnh hB : Enthalpy của sản phẩm đáy
Bảng 3.3. Số liệu mô phỏng Component Splitter V-06
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 50 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
là không thể tách tuyệt đối nhƣ công cụ mô phỏng toán học Component Splitter. Dòng khí trƣớc và sau khi ra khỏi thiết bị tách nƣớc Component Splitter phải đảm bảo nhiệt độ và áp suất, nhiệt độ không đƣợc giảm quá nhiều tránh hiện tƣợng ngƣng tụ và áp suất phải đủ lớn trƣớc khi vào máy giảm áp CC01-Exp, CC01-Exp đóng vai trò nhƣ một tubin chuyển năng lƣợng của dòng khí khô từ áp suất cao xuống áp suất thấp hơn để sinh công để chạy máy nén CC01-Comp, độ chuyển hóa năng lƣợng từ tubin qua máy nén là 90%, trong mô phỏng dùng công cụ SET-2 để xác định hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng. Đây là quá trình tận dụng năng lƣợng hiệu quả cho nhà máy để giảm chi phí điện năng khi chạy máy nén cũng nhƣ giảm yếu tố phụ thuộc vào năng lƣợng bên ngoài. Để đảm bảo nhiệt độ cho dòng khí khô V06-Dry gas trong mô phỏng dùng công cụ Set. Nhiệt độ dòng ra khỏi tháp tách nƣớc giảm 20
C và áp suất giảm 150 kpa.
Hình 3.5. Giao diện công cụ Set nhiệt độ và áp suất
3.1.4. Mô phỏng tháp tách khí C-05
Tháp C-05 có chức năng tách metan ra khỏi hỗn hợp, điều kiện làm việc của tháp tại áp suất 33,34 bar đến 33,44 bar, nhiệt độ đáy tháp -16,630C, nhiệt độ đỉnh tháp -46,030C. Tháp có 12 đĩa van bản chất nhƣ tháp hấp thụ, đƣờng kính tháp 2,14 m, thể tích truyền khối trên mỗi đĩa là 2,194 m3, có hai dòng nguyên liệu vào, dòng có thành phần khí lớn là To-C05(2) đi vào phía dƣới đáy tháp và dòng có thành phần lỏng lớn To-C05(1) đi vào đỉnh tháp. Lỏng và khí chuyển động trong tháp tạo nên quá trình chuyển pha. Sản phẩm đỉnh thành phần chủ yếu là các cấu tử nhẹ thành phần chính khí metan, etan đƣợc nén lên áp suất 45 bar làm khí thƣơng phẩm
cung cấp cho nhà máy điện, đạm, và một phần làm nhiên liệu đốt nóng dầu làm chất tải nhiệt cho các quá trình đun nóng. Sản phẩm đáy tháp C-05 đƣa qua van FV-1201 và giảm áp xuống 28 bar trƣớc khi đƣa vào tháp tách C-01 có Reboiler hồi lƣu sản phẩm đáy tháp. Nhiệt cung cấp cho Reboiler là năng lƣợng của dòng dầu nóng đƣợc đun nóng từ bên ngoài bởi Fuel gas trích từ sản phẩm Sale gas của nhà máy. Tháp C-05 hoạt động hiệu quả nhờ các quá trình tăng nhiệt của dòng lỏngvào đỉnh tháp bằng cách tận dụng nhiệt của dòng sản phẩm đỉnh tháp. Ngoài ra dòng khí vào đáy tháp đƣợc giảm áp hiệu quả bởi Expander cũng ảnh hƣởng đến khả năng truyền khối trong tháp.
Hình 3.6. Giao diện mô phỏng tháp C-05
Bảng 3.4. Điều kiện nhiệt độ và áp suất các dòng của tháp C-05
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 52 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B Để đảm bảo cho tháp C-05 hoạt động bình thƣờng thì áp suất dòng vào đáy tháp To C-05 (2) phải lớn hơn áp suất dòng vào đỉnh tháp To C-05(1) 20 kpa. Áp suất dòng khí khí vào tháp cũng đƣợc điều chỉnh để đảm bảo áp dòng Sale gas là 45 bar, lúc này phần phía trên tháp C-05 hoạt động nhƣ bình tách lỏng hơi. Trong UNISIM dùng công cụ Adjust để điều chỉnh áp suất dòng khí vào tháp C-05 để có đƣợc áp suất dòng Sale gas nhƣ yêu cầu, sử dụng công cụ Set để điều chỉnh áp suất dòng nguyên liệu vào đáy tháp theo dòng nguyên liệu vào đỉnh tháp. Trong khi đó dòng lỏng ở sản phẩm đáy tháp cũng đƣợc điều chỉnh dòng và áp suất bởi van FV-1201. Vậy tháp C-05 bản chất là một tháp hấp thụ không có sự hỗ trợ bởi Reboiler, quá trình phân tách trong tháp là sự di chuyển các cấu tự nhẹ từ pha lỏng sang pha khí và các cấu tử nặng sẽ di chuyển ngƣợc lại từ pha khí sang pha lỏng. Quá trình phân tách trên phụ thuộc vào bản chất hai pha lỏng khí, nhiệt độ, áp suất…
Hình 3.8. Sự thay đổi áp suất theo vị trí đĩa
Theo đồ thị hình 3.8. Từ đĩa số 2 đến đĩa số 11 tính từ đỉnh tháp thì áp suất tăng dần đều, do trở lực qua các đĩa hầu nhƣ không đổi, tại vị trí nạp liệu đỉnh tháp tới đĩa số 2 thì áp suất có sự thay đổi nhiều và chuyển sang vùng làm việc ổn định. Cũng tƣơng tự tại đĩa nạp liệu đáy tháp áp suất giảm đột ngột từ 34,58 bar xuống 33,44 bar. Vậy do ảnh hƣởng của quá trình dòng sản phẩm đỉnh và đáy tháp đƣợc lấy ra liên tục nên áp suất ở các đĩa trên đỉnh và đáy tháp bị giảm đột ngột. Qua số liệu nhƣ trên cho thấy trở lực trên các đĩa trong tháp rất thấp không ảnh hƣởng nhiều đến quá trình phân tách trong tháp.
Hình 3.9. Sự thay đổi nhiệt độ theo vị trí đĩa tháp C-05
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 54 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
nhanh của metan và etan là các cấu tử nhẹ trên đỉnh tháp làm cho nhiệt độ các đĩa trên đỉnh tháp giảm nhanh so với các đĩa phía dƣới. Từ đĩa số 3 xuống đáy tháp nhiệt độ có sự tăng dần đều theo các đĩa do sự truyền khối giữa pha lỏng và pha khí xảy ra đồng đều trên các đĩa.
Hình 3.10. Sự thay đổi thành phần các cấu tử trong tháp C-05
Theo đồ thị hình 3.10, thành phần các cấu tử chính là metan, etan, propan trong tháp C-05 cũng thay đổi theo vị trí đĩa trong tháp. Thành phần metan và etan trong tháp tăng từ đáy tháp tới đĩa số 3 trên đỉnh tháp, từ vị trí đĩa số 3 lên đỉnh tháp nồng độ metan tăng nhanh và etan lại bị giảm lại lúc này trên các đĩa phía đỉnh tháp chủ yếu xảy ra quá trình bay hơi và ngƣng tự của metan và etan. Ngƣợc lại với metan và etan thì propan là cấu tử nặng trong tháp nên từ đĩa số 11 lên đỉnh tháp thành phần giảm dần, do ảnh hƣởng của quá trình tháo sản phẩm đáy nên thành phần propan tại đáy tháp thấp hơn đĩa số 11 ngay đáy tháp nhƣng không nhiều. Sản phẩm của quá trình tách trong tháp C-05 là sản phẩm đỉnh tháp thành phần chính là metan đƣa tới