Nhà máy LNG dạng cụm lắp trên khung (skid-mounted)

Xu hướng chuyển sang LNG theo mô-đun

Mười năm trước, việc xây dựng một nhà máy LNG đồng nghĩa với việc dọn dẹp một khu đất rộng lớn, đổ móng bê tông và dành từ hai đến ba năm để thi công tại hiện trường. Ngày nay, một phân khúc ngày càng mở rộng trong ngành đang thực hiện theo cách khác. Các nhà máy LNG lắp trên bệ trượt—trong đó toàn bộ dây chuyền hóa lỏng được chế tạo tại xưởng, vận chuyển đến hiện trường và lắp đặt cố định—đã chuyển từ giải pháp chuyên biệt thành lựa chọn phổ biến.

Người điều khiển không phức tạp. Các dự án LNG truyền thống được xây dựng tại hiện trường thường đối mặt với tình trạng vượt ngân sách, chậm tiến độ và thiếu hụt lao động. Phương pháp thực hiện theo mô-đun giải quyết cả ba vấn đề này. Bằng cách chuyển công việc chế tạo ra khỏi hiện trường vào các môi trường kiểm soát được, các đội dự án đạt được tính dự báo cao hơn, chất lượng tốt hơn và tiến độ nhanh hơn. Đối với các mỏ khí ở vùng sâu vùng xa, các tài sản bị cô lập và các thị trường cần LNG nhanh chóng, các nhà máy LNG lắp trên bệ (skid-mounted) thường là giải pháp khả thi duy nhất.

Nhà máy LNG lắp trên bệ (skid-mounted) thực tế trông như thế nào

Một nhà máy LNG lắp trên bệ (skid-mounted) không phải là một thiết bị đơn lẻ—mà là một hệ thống tích hợp được đóng gói trên các khung thép cấu trúc nhằm thuận tiện cho vận chuyển. Cấu hình tiêu chuẩn bao gồm xử lý sơ bộ khí đầu vào (xử lý bằng amin, khử nước, loại bỏ thủy ngân), hóa lỏng (thường sử dụng chu trình giãn nở bằng nitơ hoặc chu trình làm lạnh hỗn hợp), lưu trữ và bốc dỡ.

Phương pháp thiết kế theo mô-đun chia nhà máy thành các mô-đun có thể vận chuyển được, mỗi mô-đun được thiết kế kích thước phù hợp với giới hạn vận chuyển—thông thường dài 40 feet, rộng 10 feet và cao 10 feet đối với vận chuyển đường bộ, hoặc lớn hơn đối với vận chuyển đường biển . Các mô-đun được giao đến hiện trường đã được lắp đặt và kiểm tra sẵn hệ thống đường ống, thiết bị đo lường và dây điện. Khối lượng công việc tại hiện trường do đó được thu gọn chỉ còn chuẩn bị nền móng, đặt các mô-đun vào vị trí và kết nối chúng với nhau. Một nhà máy LNG dạng skid có công suất 100.000 Nm³/ngày tại Tứ Xuyên đã được đưa vào vận hành trong vòng chưa đầy sáu tháng kể từ thời điểm giao các mô-đun—một tiến độ mà nếu áp dụng phương pháp xây dựng truyền thống thì hoàn toàn không thể thực hiện được.

Những lợi thế về chi phí và tiến độ thực sự mang ý nghĩa

Con số nói lên tất cả. Việc xây dựng theo mô-đun có thể rút ngắn tổng thời gian thực hiện dự án từ 15 đến 25% so với các phương pháp truyền thống. Đối với một dự án LNG quy mô nhỏ điển hình, điều này tương đương với việc rút ngắn tiến độ từ sáu đến mười hai tháng—điều đó đồng nghĩa với việc tạo ra doanh thu sớm hơn và thời gian huy động vốn ngắn hơn.

Tiết kiệm chi phí đến từ nhiều khía cạnh. Mức lương lao động gia công tại xưởng thường thấp hơn mức lương lao động tại hiện trường, đặc biệt khi tính đến cơ sở hạ tầng cần thiết để hỗ trợ một trại xây dựng ở vùng xa . Năng suất trong môi trường xưởng kiểm soát được cao hơn—không bị chậm tiến độ do thời tiết, không gặp vấn đề về bố trí vật tư, cũng không thiếu lao động chuyên ngành . Chất lượng tốt hơn vì cùng một đội thi công lắp ráp lặp đi lặp lại các mô-đun giống nhau, từ đó phát triển hiệu quả mà các đội thi công tại hiện trường không thể đạt được.

Một người vận hành tại khu vực đá phiến sét Eagle Ford đã đánh giá cả hai phương án cho nhà máy LNG có công suất 50.000 gallon/ngày. Phương án mô-đun giúp giảm tổng chi phí lắp đặt 18% và đưa nhà máy vào vận hành sớm hơn sáu tháng. Quyết định là hoàn toàn rõ ràng.

Những nơi nhà máy dạng bệ trượt (Skid-Mounted) phát huy thế mạnh—và những nơi chúng không phù hợp

Các nhà máy lắp đặt trên khung trượt (skid-mounted) nổi bật trong các tình huống cụ thể. Các địa điểm xa xôi với cơ sở hạ tầng hạn chế là lựa chọn lý tưởng—không cần xây dựng và duy trì một đội thi công quy mô lớn trong hai năm. Các tài sản khí bị cô lập, vốn sẽ bị đốt bỏ nếu không xử lý, nay có thể được khai thác tạo doanh thu. Các dự án tạm thời hoặc thí điểm hưởng lợi từ khả năng di chuyển nhà máy đến địa điểm khác khi dự án đầu tiên kết thúc. .

Tuy nhiên, giải pháp mô-đun không phải lúc nào cũng là lựa chọn tối ưu. Đối với các cơ sở LNG cung cấp ổn định quy mô rất lớn—ví dụ như từ 5 triệu tấn/năm trở lên—lợi thế kinh tế nhờ quy mô lại nghiêng về phương thức xây dựng tại hiện trường (stick-built). Khi đó, các mô-đun sẽ quá lớn để vận chuyển, và lợi thế chi phí lao động tại hiện trường của một dự án quy mô khổng lồ sẽ vượt trội hơn so với lợi ích về năng suất từ việc gia công tại xưởng.

Ngoài ra còn có ràng buộc về vận chuyển. Các module phải vừa với kích thước tối đa cho phép khi vận chuyển. Điều này có nghĩa là một số thiết bị—đặc biệt là các cột chưng cất phân đoạn lớn hoặc các cụm làm lạnh cryogenic—có thể cần được chia thành nhiều module và lắp ráp lại tại hiện trường, từ đó làm tăng độ phức tạp. Một đội dự án ở Tây Úc đã rút ra bài học này khi một module cụm làm lạnh cryogenic đến nơi rộng hơn hành lang vận chuyển cho phép tới 6 inch. Giải pháp đưa ra bao gồm việc đóng đường, hộ tống bởi cảnh sát và chi phí vượt ngân sách lên tới sáu chữ số.

Các lựa chọn công nghệ trong lĩnh vực LNG quy mô nhỏ

Quy trình hóa lỏng bản thân nó thay đổi tùy theo từng nhà máy dạng skid, nhưng hai chu trình chiếm ưu thế trong phân khúc quy mô nhỏ.

Chu trình giãn nở bằng nitơ được ưa chuộng nhờ tính đơn giản và khả năng linh hoạt trong vận hành . Nitơ được nén, làm lạnh, giãn nở để tạo hiệu ứng làm lạnh và được tái sử dụng trong chu trình. Chu trình này không cháy được, nhờ đó đơn giản hóa các hệ thống an toàn và thích ứng tốt với những thay đổi về thành phần khí đầu vào. Nhược điểm? Hiệu suất. Các chu trình dùng bộ giãn nở nitơ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn trên mỗi đơn vị LNG sản xuất so với các hệ thống làm lạnh bằng hỗn hợp chất làm lạnh.

Các chu trình làm lạnh bằng hỗn hợp chất làm lạnh —đặc biệt là chu trình làm lạnh bằng hỗn hợp chất làm lạnh đơn (SMR)—có hiệu suất nhiệt động học cao hơn . Bằng cách sử dụng một hỗn hợp gồm các hydrocarbon và nitơ, chất làm lạnh có thể bám sát hơn đường cong làm lạnh của khí tự nhiên, từ đó giảm tổn thất exergy. Tuy nhiên, điều này đi kèm với độ phức tạp cao hơn: thành phần chất làm lạnh phải được kiểm soát cẩn thận và hệ thống kém chịu đựng hơn trước các biến động về thành phần khí đầu vào.

Đối với hầu hết các ứng dụng lắp trên cụm thiết bị (skid-mounted) trong dải công suất từ 10.000 đến 100.000 Nm³/ngày, các chu trình dùng bộ giãn nở nitơ là lựa chọn mặc định. Chúng đơn giản hơn trong vận hành, dễ điều khiển hơn và linh hoạt hơn trước những thực tế vận hành thường gặp tại các địa điểm xa xôi cũng như khi đội ngũ vận hành chưa có nhiều kinh nghiệm.

Thiết kế và chế tạo bệ đỡ (skid): Những chi tiết nhỏ quyết định thành bại

Đây là nơi mà lốp xe tiếp xúc với mặt đường. Một nhà máy LNG lắp trên bệ đỡ (skid-mounted) chỉ tốt chừng nào tùy thuộc vào chất lượng chế tạo. Phân tích ứng suất đường ống phải tính đến tải trọng trong quá trình vận chuyển, chứ không chỉ các điều kiện vận hành. Hệ thống đo lường và điều khiển phải chịu được rung động khi vận chuyển bằng đường bộ. Dây điện phải được đi dây sao cho tránh được hư hại trong quá trình nâng hạ và đặt thiết bị.

Các nhà chế tạo bệ đỡ (skid) hàng đầu thiết kế ngay từ đầu để đáp ứng yêu cầu vận chuyển. Điều này có nghĩa là cần xem xét phân bố trọng lượng mô-đun nhằm thuận tiện cho việc nâng hạ bằng cần cẩu, gia cố kết cấu để đảm bảo an toàn khi vận chuyển đường bộ, cũng như bố trí các điểm tiếp cận để kết nối tại hiện trường. Việc chạy thử nghiệm (pre-commissioning) tại xưởng cũng là một yếu tố khác biệt—một bệ đỡ (skid) đến hiện trường với các thiết bị đo đã được hiệu chuẩn và các vòng điều khiển (loops) đã được kiểm tra sẽ giúp tiết kiệm hàng tuần thời gian chạy thử nghiệm tại hiện trường.

Một dự án tại Bồn địa Permian đã sử dụng hai nhà thầu chế tạo khác nhau để sản xuất các cụm thiết bị (skid) giống hệt nhau. Một cụm được giao với toàn bộ hệ thống đo lường đã được hiệu chuẩn và tài liệu hóa đầy đủ; cụm còn lại được giao với các dây dẫn rời rạc, cáp không nhãn và các thiết bị đo cần hiệu chuẩn lại toàn bộ. Nhà máy đầu tiên khởi động thành công trong vòng ba tuần; nhà máy thứ hai mất tới mười tuần. Chênh lệch chi phí chế tạo chỉ dưới 5%, nhưng chênh lệch về thời gian khởi động lại vô cùng lớn.

Tại sao Chất lượng Chế tạo Quyết định Thành công của Dự án

Các nhà máy LNG lắp trên cụm thiết bị (skid-mounted) giúp rút ngắn tiến độ dự án bằng cách chuyển khối lượng công việc ra ngoài hiện trường, nhưng việc rút ngắn này chỉ phát huy hiệu quả nếu công việc thực hiện ngoài hiện trường được thực hiện đúng cách. Một mô-đun yêu cầu phải sửa chữa, điều chỉnh đáng kể tại hiện trường sẽ làm mất đi toàn bộ lợi ích vốn có của phương pháp lắp ráp theo mô-đun. Việc hàn kém chất lượng, mặt bích lắp lệch hoặc đấu dây thiết bị đo sai không chỉ gây tốn kém chi phí—mà còn làm tiêu tan chính khoảng thời gian tiết kiệm được—điều vốn là lý do khiến phương pháp lắp ráp theo mô-đun trở nên hấp dẫn ngay từ đầu.

Đối với chủ đầu tư đang đánh giá các giải pháp dạng cụm thiết bị (skid-mounted), uy tín của nhà chế tạo quan trọng hơn tên tuổi của nhà cấp phép công nghệ. Một nhà chế tạo đã được kiểm chứng với quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, đội ngũ quản lý dự án giàu kinh nghiệm và lịch sử giao hàng đúng hạn sẽ giảm thiểu rủi ro dự án theo cách mà bất kỳ nỗ lực kỹ thuật nào cũng không thể thay thế được. Các công ty như GreenFir đã xây dựng danh tiếng của mình chính nhờ khả năng thực thi đáng tin cậy như vậy—cung cấp thiết bị xử lý khí dạng cụm (skid-mounted) sẵn sàng vận hành ngay khi đến hiện trường, yêu cầu tối thiểu việc lắp đặt, hiệu chỉnh tại chỗ và đảm bảo tiến độ khởi động dự kiến.