Quy trình tái khí hóa LNG

Bước cuối cùng trong chuỗi cung ứng LNG

Khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) di chuyển hàng nghìn dặm qua các đại dương trên những tàu chở chuyên dụng, được giữ ở nhiệt độ -162°C trong các bồn cryogenic. Tuy nhiên, phần lớn người tiêu thụ khí tự nhiên không đốt khí ở dạng lỏng—mà đốt khí ở dạng khí. Ở đâu đó giữa tàu chở LNG và đầu đốt, chất lỏng này phải chuyển trở lại thành hơi. Đó chính là quá trình tái khí hóa, và đây là bước cuối cùng nhưng vô cùng quan trọng trong chuỗi cung ứng LNG.

Quy mô thật ấn tượng. Một trạm tái khí hóa lớn có thể xử lý hơn 1 tỷ feet khối khí tự nhiên mỗi ngày—đủ để cung cấp cho vài triệu hộ gia đình. Thiết bị có kích thước khổng lồ, các yêu cầu về nhiệt động lực học rất khắt khe, và yếu tố kinh tế mang tính quyết định cao. Mỗi giờ ngừng hoạt động tại một trạm tái khí hóa khiến chủ đầu tư thiệt hại hàng trăm nghìn đô la Mỹ do phí mất công suất.

Quá trình cốt lõi: Từ dạng lỏng sang dạng khí

Quá trình hóa khí bản thân về mặt khái niệm là đơn giản, nhưng về mặt vận hành lại rất phức tạp. Khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) đến cảng nhập khẩu ở nhiệt độ khoảng -162°C và gần bằng áp suất khí quyển. Để chuyển LNG thành khí đạt tiêu chuẩn đường ống, nhà điều hành phải thực hiện hai việc: tăng áp suất và cung cấp nhiệt .

Việc tăng áp suất được thực hiện trước tiên. LNG được bơm từ các bồn chứa thông qua một loạt máy bơm—đầu tiên là các máy bơm áp suất thấp để cấp liệu cho các máy bơm cryogenic chính, sau đó là các máy bơm áp suất cao nhằm nâng áp suất lên mức phù hợp với đường ống, thường vào khoảng 80–100 bar . Ở các áp suất này, LNG vẫn duy trì trạng thái lỏng miễn là nó được giữ ở nhiệt độ thấp. Việc bơm LNG ở nhiệt độ cryogenic đòi hỏi thiết bị chuyên dụng: các máy bơm được ngâm chìm trong chất lỏng để giữ lạnh, và các phớt làm kín phải chịu được cả nhiệt độ cực thấp lẫn áp suất cao.

Việc cung cấp nhiệt được thực hiện sau đó. LNG có áp suất cao đi qua các bộ hóa hơi, nơi nó được làm ấm lên khoảng 5–10°C, chuyển trở lại thành dạng khí . Sau đó, khí đi qua trạm đo lưu lượng, quá trình khử mùi (nếu cần thiết) và vào đường ống dẫn truyền.

Công nghệ hóa hơi: Trung tâm của trạm tái hóa khí

Bộ hóa hơi là thiết bị quan trọng nhất trong một trạm tái hóa khí. Ba công nghệ chính chiếm ưu thế trên thị trường, mỗi loại có các đặc tính vận hành khác nhau.

Bộ hóa hơi kiểu giàn hở (ORV) sử dụng nước biển làm nguồn nhiệt. Nước biển được bơm qua một dàn ống có cánh tản nhiệt, bên trong chứa LNG áp suất cao. Nước biển làm ấm LNG, khiến nó hóa hơi và thoát ra khỏi các ống dưới dạng khí. Các bộ hóa hơi kiểu giàn hở có cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao và chi phí vận hành thấp do nước biển miễn phí. Nhược điểm? Chúng đòi hỏi lượng nước biển lấy vào và xả ra rất lớn, dẫn đến những yêu cầu về cấp phép môi trường. Ngoài ra, chúng chỉ hoạt động hiệu quả ở những khu vực có nhiệt độ nước biển đủ ấm—thường trên 5°C.

Bộ hóa hơi kiểu đốt chìm (SCV) đốt một phần khí tự nhiên để tạo nhiệt, sau đó truyền nhiệt này cho LNG thông qua bồn nước. Các bộ hóa hơi chìm (SCV) có kích thước nhỏ gọn và có thể hoạt động trong mọi điều kiện khí hậu—chúng không phụ thuộc vào nhiệt độ nước biển. Tuy nhiên, nhược điểm là tiêu thụ nhiên liệu: SCV đốt khoảng 1,5–2% lượng khí mà chúng hóa hơi. Đây là sản phẩm không được bán ra.

Bộ hóa hơi chất lỏng trung gian (IFV) sử dụng một chất lỏng trung gian để truyền nhiệt—thường là propane hoặc hỗn hợp glycol-nước—từ nguồn nhiệt (nước biển hoặc quá trình đốt cháy) sang LNG. Phương pháp này mang lại tính linh hoạt trong vận hành và bảo vệ LNG khỏi tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt, nhưng đồng thời làm tăng độ phức tạp và chi phí.

Sự trỗi dậy của các Đơn vị Lưu trữ và Khí hóa nổi (FSRU)

Không phải toàn bộ quá trình khí hóa đều diễn ra trên đất liền. Các Đơn vị Lưu trữ và Khí hóa nổi (FSRU) đã làm thay đổi thị trường nhập khẩu LNG trong thập kỷ qua . Một FSRU về cơ bản là một trạm khí hóa được xây dựng trên tàu — bao gồm các bể chứa LNG, thiết bị hóa khí và hệ thống xuất khí, tất cả đều được lắp đặt trên thân tàu nổi .

Con số nói lên tất cả. Đến cuối năm 2023, toàn cầu có 51 FSRU đang vận hành, tăng từ 30 đơn vị vào năm 2020 — mức tăng 70% trong vòng ba năm . Thị trường FSRU toàn cầu có giá trị 903 triệu USD vào năm 2024 và dự kiến sẽ đạt 1,78 tỷ USD vào năm 2033 .

Điều gì thúc đẩy sự tăng trưởng này? Tốc độ và chi phí. Một trạm khí hóa trên đất liền truyền thống cần từ năm đến bảy năm để hoàn tất thủ tục cấp phép và xây dựng. Trong khi đó, một FSRU có thể đi vào hoạt động trong vòng 18–24 tháng . Kinh nghiệm của Đức năm 2022 là một minh chứng điển hình: sau khi nguồn cung khí đốt từ đường ống Nga bị cắt đứt, quốc gia này đã đưa vào vận hành năm tàu FSRU trong vòng 18 tháng, tránh được khoảng thời gian kéo dài nhiều năm để xây dựng các trạm tiếp nhận trên bờ. .

FSRU cũng không thiếu những hạn chế. Chi phí vận hành FSRU cao hơn so với các trạm tiếp nhận trên bờ—lượng nhiên liệu tiêu thụ cho việc đẩy tàu và chi phí bảo trì thân tàu cộng dồn lại khá lớn. Ngoài ra, dung tích chứa của FSRU còn hạn chế hơn nhiều so với các bồn chứa lớn trên bờ. Tuy nhiên, đối với những thị trường cần LNG nhanh chóng hoặc nơi quỹ đất khan hiếm hay việc thu hồi đất gặp trở ngại về mặt chính trị, FSRU thường là giải pháp khả thi duy nhất.

Hồi phục năng lượng lạnh: Cơ hội chưa được khai thác

Dưới đây là một vấn đề ít được thảo luận: LNG chứa một lượng lớn "năng lượng lạnh"—tức là năng lượng làm lạnh đã được đưa vào trong quá trình hóa lỏng tại nhà máy. Khi LNG được hóa khí, phần năng lượng lạnh này thường bị lãng phí ra nước biển hoặc khí quyển. Nhưng điều đó hoàn toàn có thể tránh được.

Một số trạm tiếp nhận trên toàn thế giới đã bắt đầu khai thác lại năng lượng lạnh này cho các mục đích sử dụng khác. Tại Nhật Bản, nơi nhập khẩu LNG với khối lượng rất lớn, năng lượng lạnh được sử dụng trong tách khí không khí (sản xuất oxy lỏng và nitơ lỏng), thu giữ CO₂ ở nhiệt độ thấp, thậm chí làm mát trung tâm dữ liệu. Về mặt kinh tế, việc khai thác năng lượng lạnh từ LNG rất hấp dẫn: năng lượng lạnh trong LNG có giá trị khoảng 2–5 USD mỗi MMBtu, tùy thuộc vào giá điện địa phương và ứng dụng cụ thể.

Thách thức nằm ở việc tích hợp. Việc thu hồi năng lượng lạnh đòi hỏi phải có người dùng công nghiệp gần đó có thể tận dụng nguồn lạnh, hoặc một hệ thống phát điện có khả năng chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ thành điện năng. Không phải mọi trạm tiếp nhận đều có lựa chọn này. Tuy nhiên, đối với những trạm đáp ứng được điều kiện trên, việc thu hồi năng lượng lạnh có thể bù đắp một phần đáng kể chi phí vận hành của trạm.

Các rủi ro vận hành và các yếu tố liên quan đến độ tin cậy

Các trạm tái khí hóa là những cơ sở có độ tin cậy cao—đây là yêu cầu bắt buộc. Một trạm không thể cung cấp khí đốt khi lưới điện cần sẽ phải đối mặt không chỉ với các hình phạt tài chính mà còn với sự giám sát của cơ quan quản lý và tổn hại đến danh tiếng.

Rủi ro vận hành lớn nhất là hiện tượng đóng băng bộ hóa hơi. Nếu lưu lượng LNG quá cao so với lượng nhiệt đầu vào, bộ hóa hơi có thể bị đóng băng, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt và thậm chí có thể gây tắc ống. Các nhà vận hành kiểm soát rủi ro này bằng cách điều chỉnh lưu lượng LNG, theo dõi nhiệt độ đầu ra của bộ hóa hơi và trong một số trường hợp, sử dụng các chất phụ gia chống đóng băng.

Một rủi ro khác là sốc nhiệt. Sự chênh lệch nhiệt độ từ -162°C lên 5°C tạo ra ứng suất nhiệt đáng kể trong đường ống và thiết bị. Việc tuân thủ đúng quy trình làm nóng và làm nguội là yếu tố then chốt. Một trạm ở Tây Ban Nha đã rút ra bài học này khi mở quá nhanh một đường ống LNG lạnh trong quá trình khởi động, dẫn đến gãy giá đỡ ống do giãn nở nhiệt không đồng đều. Việc sửa chữa kéo dài hai tuần và tốn hơn 1 triệu USD.

Vai trò của chất lượng gia công đối với độ tin cậy của trạm hóa khí lại

Thiết bị tại một trạm hóa khí lại hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt—nhiệt độ cryogenic ở một phía, áp suất cao ở phía kia và những thay đổi nhiệt độ nhanh chóng trong quá trình khởi động và dừng hoạt động. Đó là một môi trường đầy thách thức đối với bất kỳ thiết bị nào, và chất lượng gia công đóng vai trò vô cùng quan trọng.

Việc hàn kém chất lượng trên đường ống cryogenic có thể dẫn đến gãy giòn. Việc cách nhiệt không đầy đủ trên các đường ống lạnh có thể gây ra hiện tượng đóng băng và ăn mòn. Thiết bị đo lường được lắp đặt không đúng cách có thể đưa ra các chỉ số sai lệch, khiến người vận hành đưa ra những quyết định sai lầm. Đây không phải là những mối lo mang tính lý thuyết—chúng thực sự xuất hiện tại hiện trường và gây tốn kém chi phí.

Đối với chủ đầu tư và người vận hành dự án, việc hợp tác với nhà gia công có kinh nghiệm sâu rộng trong các ứng dụng cryogenic và áp suất cao giúp giảm thiểu những rủi ro này. Các công ty như GreenFir – vốn đã xây dựng được danh tiếng về chất lượng gia công vượt trội và kiểm tra nghiêm ngặt trên toàn bộ chuỗi giá trị xử lý khí – cũng áp dụng cùng tiêu chuẩn đó đối với thiết bị hóa khí. Khi các bộ hóa hơi được giao đến hiện trường ở trạng thái sẵn sàng vận hành và hệ thống đường ống giữ được áp suất mà không rò rỉ, cảng đầu cuối sẽ khởi động đúng tiến độ và duy trì hoạt động ổn định khi điều đó là quan trọng nhất.