Giải pháp khí công nghiệp cho các nhà máy hóa chất

Tại sao nhà máy hóa chất không thể xem việc cung cấp khí như một mặt hàng thông thường

Việc sản xuất hóa chất phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào, và đối với một phần đáng kể ngành công nghiệp này, những nguyên liệu đầu vào đó là các loại khí. Khí hydro dùng cho quá trình hydrotreating. Khí nitơ dùng để tạo môi trường trơ và bao phủ. Khí oxy dùng cho các phản ứng oxi hóa. Khí tổng hợp (syngas) dùng để sản xuất methanol và amoniac. Danh sách này còn dài hơn nữa. Đây không phải là các dịch vụ tiện ích có thể bật/tắt như điện. Chúng là các đầu vào quy trình với yêu cầu độ tinh khiết cụ thể, thông số áp suất xác định và lịch trình cung cấp cố định — những yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến năng suất sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Một nhà máy hóa chất coi nguồn cung khí công nghiệp như một mặt hàng thương mại — thứ có thể mua từ bất kỳ nhà cung cấp nào đưa ra mức giá thấp nhất trong quý này — đang chơi một trò chơi đầy rủi ro. Chi phí do gián đoạn nguồn cung khí ngoài kế hoạch không được tính theo giá trên mỗi mét khối. Nó được tính bằng thời gian ngừng hoạt động của lò phản ứng, sản phẩm không đạt tiêu chuẩn, suy giảm xúc tác và chi phí nhân công để khởi động lại một quy trình vốn không được thiết kế để dừng giữa chừng.

Bối cảnh khí công nghiệp đã thay đổi đáng kể trong những năm gần đây. Các nhà sản xuất đang chịu áp lực phải giảm phát thải, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng và duy trì độ tin cậy trong bối cảnh cơ sở hạ tầng ngày càng xuống cấp cùng các quy định môi trường ngày càng khắt khe. Những giải pháp từng hiệu quả cách đây một thập kỷ có thể không còn phù hợp hôm nay. Các vận hành viên nhà máy hóa chất cần suy nghĩ khác đi về cách họ đảm bảo và quản lý nguồn cung khí.

Tùy chọn sản xuất tại chỗ so với cung ứng thương mại

Quyết định quan trọng đầu tiên đối với bất kỳ nhà máy hóa chất nào là lựa chọn giữa việc tự sản xuất khí công nghiệp tại chỗ hay mua từ nhà cung ứng thương mại. Cả hai phương án đều có vai trò riêng, và lựa chọn đúng phụ thuộc vào quy mô, mô hình tiêu thụ cũng như loại khí cụ thể cần sử dụng.

Việc sản xuất tại chỗ giúp người vận hành nhà máy kiểm soát trực tiếp quá trình sản xuất. Không cần phụ thuộc vào độ bền của đường ống hay lịch trình giao hàng từ bên thứ ba. Đối với những khách hàng tiêu thụ lớn — ví dụ như một nhà máy amoniac cần hàng trăm tấn hydro mỗi ngày hoặc một lò tách etilen tiêu thụ lượng oxy khổng lồ — về mặt kinh tế, việc sản xuất tại chỗ thường có lợi hơn. Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng chi phí vận hành trên mỗi đơn vị khí lại thấp hơn và độ tin cậy hoàn toàn nằm trong tay nhà máy.

Ngược lại, việc cung cấp thương mại phù hợp hơn với những khách hàng tiêu thụ nhỏ hoặc với các loại khí chỉ được yêu cầu theo từng đợt. Ví dụ, nitơ lỏng được vận chuyển bằng xe tải là giải pháp thực tiễn cho cơ sở chỉ cần khí làm trơ trong các đợt bảo trì định kỳ. Mức đầu tư ban đầu rất thấp, và nhà máy không cần bố trí nhân sự cũng như bảo trì một tổ hợp tách khí hoạt động ở công suất một phần trong phần lớn thời gian.

Tuy nhiên, việc cung ứng từ nhà bán lẻ đi kèm những rủi ro riêng. Một hiện tượng thời tiết khắc nghiệt làm đóng cửa các xa lộ có thể cắt đứt việc giao khí lỏng trong nhiều ngày. Một sự cố sản xuất tại cơ sở trung tâm của nhà cung cấp có thể lan rộng ảnh hưởng đến nhiều khách hàng. Ngoài ra, ở những khu vực cơ sở hạ tầng khí công nghiệp đã ở mức căng thẳng, sự cạnh tranh giành nguồn cung có thể đẩy giá lên cao vào các giai đoạn nhu cầu đạt đỉnh.

Một nhà máy hóa chất tại Vùng Vịnh Hoa Kỳ đã học bài học này một cách đau đớn trong mùa bão vài năm trước. Cơ sở này phụ thuộc vào nitơ lỏng được vận chuyển bằng xe tải để đáp ứng nhu cầu khí trơ và khí xả. Khi cơn bão đổ bộ, việc giao hàng bị gián đoạn gần một tuần. Nhà máy buộc phải tạm ngừng hoạt động của một số đơn vị và chịu chi phí đáng kể để khởi động lại — chưa kể tổn thất do sản xuất bị gián đoạn trong thời gian ngừng hoạt động. Sau đó, chủ đầu tư đã lắp đặt một thiết bị nhỏ tạo nitơ tại chỗ nhằm dự phòng, nhưng chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị này cao hơn nhiều so với việc tích hợp sẵn ngay từ thiết kế ban đầu.

Phù hợp độ tinh khiết khí với yêu cầu quy trình

Không phải tất cả khí công nghiệp đều giống nhau, và yêu cầu về độ tinh khiết thay đổi rất nhiều tùy theo từng quy trình hóa học khác nhau. Việc xác định mức độ tinh khiết phù hợp là một sự cân bằng giữa nhu cầu quy trình và chi phí.

Đối với hầu hết ứng dụng làm trơ và bao phủ, nitơ có độ tinh khiết 95–99% là hoàn toàn đủ. Hàm lượng oxy còn lại thấp đến mức không duy trì được sự cháy hoặc gây oxy hóa các vật liệu nhạy cảm. Việc sử dụng nitơ có độ tinh khiết 99,999% cho các ứng dụng này là quá mức cần thiết — làm tăng chi phí mà không mang lại lợi ích thực tế nào.

Tuy nhiên, đối với một số quy trình hóa chất chuyên dụng nhất định, yêu cầu về độ tinh khiết khắt khe hơn nhiều. Ví dụ, nitơ dùng trong sản xuất bán dẫn đòi hỏi mức độ độ ẩm và oxy ở mức phần tỷ (parts-per-billion). Quá trình tổng hợp amoniac cần hydro có hàm lượng rất thấp các hợp chất lưu huỳnh, vì những chất này sẽ làm mất hoạt tính xúc tác nếu có mặt. Chi phí làm sạch tăng theo cấp số mũ khi yêu cầu độ tinh khiết ngày càng cao, do đó có động lực mạnh mẽ để chỉ quy định mức độ tinh khiết thực sự cần thiết cho quy trình.

Đặc tả độ tinh khiết cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn công nghệ sản xuất. Hấp phụ biến đổi áp suất (PSA) có thể sản xuất nitơ với độ tinh khiết từ 95–99,5% và chi phí đầu tư tương đối thấp. Các hệ thống màng cung cấp dải độ tinh khiết tương tự với chi phí vận hành còn thấp hơn nữa, nhưng có thể không đạt được mức cao nhất trong dải đó. Tách khí không khí bằng phương pháp cryogenic là lựa chọn duy nhất để sản xuất nitơ độ tinh khiết rất cao (99,999% trở lên) và cho các lưu lượng lớn, nơi hiệu quả kinh tế nhờ quy mô phát huy tác dụng. Mỗi công nghệ đều có điểm mạnh riêng, và một nhà thầu am hiểu các yếu tố đánh đổi có thể giúp người vận hành nhà máy tránh tình trạng yêu cầu chất lượng khí quá cao hoặc quá thấp.

Kỹ thuật độ tin cậy cho các hệ thống khí quan trọng

Các hệ thống khí công nghiệp trong các nhà máy hóa chất không phải là những hệ thống lắp đặt xong là quên. Chúng đòi hỏi sự theo dõi liên tục để duy trì độ tin cậy, và hậu quả khi xảy ra sự cố có thể rất nghiêm trọng.

Việc ngưng cung cấp hydro cho một thiết bị hydro hóa, ví dụ như vậy, không chỉ làm ngừng hoạt động của thiết bị đó — mà còn gây ảnh hưởng dây chuyền đến toàn bộ nhà máy lọc dầu. Các thiết bị ở hạ lưu phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào đã qua xử lý hydro cũng phải giảm công suất hoặc ngừng hoạt động. Việc khởi động lại một thiết bị hydro hóa sau khi ngưng hoạt động ngoài kế hoạch là một quy trình kéo dài nhiều ngày, đòi hỏi kiểm soát cẩn thận việc tăng nhiệt độ theo từng giai đoạn và thực hiện các quy trình tái sinh xúc tác. Tổn thất sản lượng tích lũy rất nhanh.

Kỹ thuật độ tin cậy cho hệ thống khí công nghiệp bắt đầu từ giải pháp dự phòng. Các thiết bị tiêu thụ quan trọng cần có ít nhất hai nguồn cung cấp độc lập, bất kể đó là hai máy phát khí tại chỗ, một máy phát tại chỗ kết hợp với nguồn cung cấp thương mại dự phòng, hay nhiều bồn chứa với lượng dự trữ đủ để đáp ứng khoảng thời gian gián đoạn cung cấp dài nhất có thể xảy ra.

Tuy nhiên, chỉ dự phòng thôi là chưa đủ. Việc chuyển đổi giữa các nguồn cần diễn ra liền mạch, và người vận hành phải được đào tạo đầy đủ về quy trình. Một hệ thống dự phòng yêu cầu bốn giờ thao tác van thủ công để đưa vào hoạt động không phải là hệ thống dự phòng — mà chỉ là một biện pháp mang tính hình thức.

Khía cạnh khác của độ tin cậy là bảo trì dự đoán. Các máy nén, máy giãn nở và thiết bị tinh chế đều có các bộ phận chịu mài mòn, và chất lượng của chúng suy giảm theo thời gian. Giám sát tình trạng — phân tích rung động, phân tích dầu, theo dõi xu hướng nhiệt độ — có thể phát hiện sự cố trước khi chúng trở thành hư hỏng. Một hệ thống khí công nghiệp vận hành hiệu quả sẽ không chờ cho thiết bị hỏng mới tiến hành sửa chữa. Lịch bảo trì được xác định dựa trên dữ liệu, chứ không dựa trên ngày tháng trong lịch hoặc sau khi xảy ra sự cố.

Trong một cuộc kiểm tra hiện trường tại một khu phức hợp hóa chất ở vùng Trung Tây cách đây vài năm, đội kỹ thuật nhận thấy máy nén khí chính của đơn vị sản xuất nitơ đang cho thấy mức độ rung tăng cao tại ổ bi đầu truyền động. Dữ liệu này đã có xu hướng tăng trong nhiều tuần, nhưng không ai phát hiện cảnh báo. Đội ngũ đề xuất thay thế ổ bi trong lần ngừng hoạt động kế hoạch tiếp theo. Khi mở máy nén ra kiểm tra, người ta phát hiện khung ổ bi bị nứt và sắp hỏng hoàn toàn. Chi phí thay thế chỉ vài nghìn đô la Mỹ cùng một ngày ngừng hoạt động đã được lên kế hoạch sẵn. Nếu xảy ra sự cố trong quá trình vận hành, chi phí sửa chữa khẩn cấp sẽ lên tới hàng chục nghìn đô la Mỹ, chưa kể nhiều ngày gián đoạn sản xuất ngoài kế hoạch.

Vai trò của Nhà thầu EPC trong việc tích hợp khí công nghiệp

Việc đưa giải pháp khí công nghiệp vào một nhà máy hóa chất không chỉ đơn thuần là lựa chọn đúng máy phát khí hoặc ký hợp đồng cung cấp. Đó còn là quá trình tích hợp hệ thống khí với các tiện ích và quy trình khác của toàn bộ nhà máy.

Một nhà thầu EPC có kinh nghiệm trong các dự án khí công nghiệp hiểu rõ những giao diện quan trọng. Hệ thống khí cần không khí nén, nước làm mát và điện — tất cả đều được cung cấp từ các hệ thống tiện ích của nhà máy. Các điểm kết nối cần được thiết kế sao cho hệ thống khí không gây tải không chấp nhận được lên các hệ thống tiện ích trong quá trình khởi động hoặc khi xảy ra sự cố. Hệ thống điều khiển cần được tích hợp với hệ thống điều khiển phân tán (DCS) của nhà máy để người vận hành có thể giám sát và quản lý nguồn cung cấp khí từ cùng một bảng điều khiển mà họ sử dụng cho mọi hoạt động khác.

Nhà thầu cũng cần cân nhắc khả năng mở rộng trong tương lai. Các nhà máy hóa chất hiếm khi duy trì mức sản xuất không đổi trong suốt vòng đời vận hành. Các dự án giải tỏa tắc nghẽn, mở rộng công suất và thay đổi danh mục sản phẩm đều ảnh hưởng đến hồ sơ nhu cầu khí. Một hệ thống khí được thiết kế mà không dành chỗ cho sự phát triển sẽ trở thành rào cản về sau. Ngược lại, một hệ thống được thiết kế theo hướng mô-đun và có dự phòng công suất có thể thích ứng với những thay đổi về nhu cầu mà không cần xây dựng lại toàn bộ.

Cũng cần xem xét cách hệ thống khí tương tác với hiệu suất môi trường của nhà máy. Các dòng khí xả từ quy trình tinh chế, khí xả khẩn cấp từ máy nén và khí xả trong quá trình khởi động hoặc dừng máy đều phải được xử lý đúng theo các điều kiện cấp phép xả khí vào khí quyển. Một nhà thầu coi việc tuân thủ quy định môi trường chỉ như một mục kiểm tra đơn thuần thay vì là yếu tố định hướng thiết kế sẽ khiến nhà máy đối mặt với những khó khăn vận hành — và cả nguy cơ bị phạt.

Đầu tư đúng đắn vào hạ tầng khí

Các giải pháp khí công nghiệp dành cho nhà máy hóa chất đại diện cho một khoản đầu tư vốn đáng kể, và những quyết định được đưa ra trong giai đoạn thiết kế sẽ có hậu quả kéo dài. Việc bị cám dỗ cắt giảm chi phí cho hệ thống khí — chọn máy phát khí rẻ hơn, sơ đồ điều khiển đơn giản hơn hoặc nhà cung cấp có giá ban đầu thấp nhất — là điều dễ hiểu. Tuy nhiên, đây thường là một chiến lược tiết kiệm giả tạo.

Chi phí sở hữu toàn vòng đời của một hệ thống khí công nghiệp bao gồm không chỉ chi phí vốn mà còn chi phí vận hành, chi phí bảo trì, chi phí gián đoạn sản xuất và chi phí phát sinh từ các vấn đề về chất lượng sản phẩm do nguồn cung khí không ổn định. Một hệ thống có chi phí xây dựng thấp hơn 10% nhưng tiêu thụ nhiều điện năng hơn 15% và gặp sự cố thường xuyên gấp đôi không phải là một lựa chọn tiết kiệm. Đó là một gánh nặng.

Các nhà khai thác nhà máy hóa học nên đánh giá các giải pháp khí công nghiệp không chỉ dựa trên chi phí đầu tiên mà còn dựa trên chi phí vòng đời, hồ sơ theo dõi độ tin cậy và khả năng cung cấp được chứng minh của nhà cung cấp hoặc nhà thầu. Các tài liệu tham khảo từ các nhà máy hóa học khác trong dịch vụ tương tự có giá trị hơn so với các cuốn sách nhỏ bóng. Các chuyến thăm địa điểm đến các thiết bị hiện có tiết lộ nhiều hơn về hiệu suất thực tế hơn bất kỳ đề xuất nào.

Đối với các nhà máy hóa học, nơi độ tinh khiết khí, độ tin cậy cung cấp và tích hợp với các hệ thống hiện có là không thể thương lượng, Greenfir cung cấp các giải pháp kỹ thuật được hỗ trợ bởi chứng nhận ISO 9001, ISO 14001 và OHSAS 18001 với trọng tâm là các công nghệ tách khí đa thành phần, tinh .