Làm sao để tối ưu hóa các tàu FPSO?

Một tàu FPSO của Petrobras. (Ảnh: AFP)

FPSO bắt đầu xuất hiện từ cuối những năm 1970 và trở nên quan trọng khi ngành dầu khí mở rộng khai thác các mỏ sâu, xa bờ, như ở Biển Bắc và ngoài khơi Brazil.

Ngoài việc giúp các mỏ nhỏ và cận biên có hiệu quả kinh tế hơn, FPSO còn có nhiều ưu điểm so với giàn cố định: hoạt động tốt ở vùng nước sâu, có khả năng di chuyển và có thể xử lý, lưu trữ lượng dầu lớn khi không thể xây đường ống từ mỏ vào bờ.

Tuy nhiên, FPSO đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn. Nhiều dự án vượt ngân sách và 41% bị chậm tiến độ đưa vào vận hành, do quá trình đóng tàu phức tạp với nhiều nhà thầu EPC, nguồn cung toàn cầu và các module được chế tạo riêng biệt.

Khi đi vào hoạt động, FPSO phải đối mặt với nhiều thách thức về vận hành, tích hợp hệ thống và an toàn, đặc biệt ở các module trên boong vốn chật chội và phức tạp. Công tác bảo trì cũng rất khắt khe do môi trường biển khắc nghiệt và vị trí xa đất liền.

Trong 5 năm qua, giá dầu dao động khoảng 50-100 USD/thùng, nên thời gian ngừng hoạt động của các FPSO Petrobras - có thể khai thác hơn 200.000 thùng dầu và nén 7,2 triệu m³ khí mỗi ngày - gây thiệt hại rất rõ ràng. Tương tự, việc chậm đóng, hạ thủy, chạy thử và đưa tàu vào vận hành cũng đồng nghĩa với doanh thu bị mất.

Ngoài ra, các nhà vận hành còn phải giải quyết những vấn đề hiện đại như phát triển bền vững, giảm đốt khí do không thể xử lý vật liệu và an ninh mạng, trong bối cảnh các công ty dầu khí đang phải đối mặt với ngày càng nhiều cuộc tấn công mạng.

Giải pháp

Petrobras có 5 FPSO mới - P78, P79, P80, P82 và P83 - đang ở các giai đoạn đóng tàu, thử nghiệm, chạy thử và triển khai khác nhau. Công ty nhận thấy một hệ thống kết nối chặt chẽ hơn, tích hợp tốt hơn và tiêu chuẩn hóa hơn cho vận hành, xử lý và an toàn sẽ mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt khi kinh nghiệm từ một tàu có thể được áp dụng cho tàu tiếp theo.

Việc tiêu chuẩn hóa không chỉ giúp vận hành và xử lý dầu khí tại hiện trường, mà còn có lợi trong toàn bộ vòng đời FPSO: từ thiết kế, kỹ thuật ban đầu đến đóng tàu, thử nghiệm, chạy thử, rồi nâng cấp và cải tiến về sau.

Trong quá trình này, Rockwell Automation và Sensia nhận thấy một hệ thống điều khiển và an toàn tích hợp (ICSS) được thiết kế riêng cho FPSO, dựa trên các giải pháp điều khiển quy trình của Rockwell, có thể giải quyết nhiều vấn đề trong vòng đời FPSO.

Greg Trostel, Giám đốc Phát triển Kinh doanh Toàn cầu của Rockwell Automation, cho biết nghiên cứu dựa trên khái niệm “Con tàu được kết nối” (The Connected Vessel) đã dẫn tới chương trình Vessel Automation and Digital Partner (VADP), tích hợp ICSS dựa trên các giải pháp điều khiển và tự động hóa của Rockwell.

Cách tiếp cận này giúp các công ty dầu khí và nhà thầu EPC tiêu chuẩn hóa trên một kiến trúc ICSS duy nhất, có năng lực cao và dễ triển khai. Nếu được đưa vào dự án đủ sớm, hệ thống còn giúp giải quyết nhiều vấn đề trong quá trình chế tạo, khởi động và chạy thử, từ đó giúp FPSO đi vào tạo giá trị nhanh hơn.

Nhờ năng lực của chương trình VADP cùng kinh nghiệm và độ tin cậy của các sản phẩm Rockwell, công ty đã được các nhà thầu EPC do Petrobras lựa chọn trao hợp đồng ICSS cho cả 5 FPSO.

Ngoài hệ thống ICSS và các giải pháp điều khiển, tự động hóa tổng thể, kiến trúc Rockwell còn được triển khai tại phần lớn trong số hơn 50 module trên boong, giúp tăng hiệu quả và rút ngắn thời gian kết nối, tích hợp và chạy thử.

Mỗi FPSO có hàng chục nghìn điểm I/O, kết nối với nhiều tủ điều khiển có cấu hình bộ điều khiển dự phòng. Dữ liệu và thông tin được cung cấp thông qua các máy trạm vận hành và kỹ thuật (OWS/EWS), HMI và máy tính, cùng nhiều máy chủ chạy hệ thống ICSS, quản lý tài sản, FactoryTalk Historian và hệ thống báo cáo.

Gabriel da Silva Albuquerque, quản lý thiết kế tự động hóa và thiết bị đo tại Petrobras, cho biết: “Danh sách nhà cung cấp được lựa chọn dựa trên năng lực kỹ thuật và phần cứng. Trong quá trình đánh giá kỹ thuật, các nhà thầu EPC cũng xem xét khả năng của từng giải pháp trong việc tích hợp với các hệ thống trên tàu, các module xử lý và thiết bị của bên thứ ba”.

Alexandre Maia, kỹ sư tự động hóa và thiết bị phụ trách dự án P-78, nói thêm: “Trên tàu có khoảng 25 hệ thống lớn, gồm máy nén, máy phát điện, bơm bơm ép và chuyển tải, hệ thống thủy lực, cùng các hệ thống thiết yếu như máy tạo nước, hệ thống HVAC quy mô lớn và toàn bộ hệ thống điện. Tất cả phải tích hợp chặt chẽ với ICSS, đồng thời tuân theo triết lý vận hành của chúng tôi để thiết bị hoạt động nhất quán, dễ dự đoán và an toàn”.

Chuyên gia Trostel giải thích: “Được thiết kế cho thời đại số, các giải pháp điều khiển quy trình và tự động hóa của chúng tôi rất phù hợp với FPSO. Đóng vai trò xương sống cho nhiều module và hệ thống điều khiển khác, Rockwell giúp Petrobras và các nhà thầu EPC tích hợp thiết bị dễ dàng hơn, đồng thời quản lý phiên bản sạch sẽ và an toàn hơn. Kiến trúc số hiện đại cũng tạo nền tảng cho vận hành tự chủ hơn, vốn đang là mục tiêu của nhiều khách hàng dầu khí, trong đó có Petrobras”.

Về an ninh mạng, hệ thống ICSS của Rockwell tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế. Khách hàng cũng có thể sử dụng đội ngũ tư vấn, triển khai và chuyên môn an ninh mạng nội bộ của Rockwell cho toàn bộ FPSO, bao gồm cả hệ thống của bên thứ ba.

Các lợi ích chính của giải pháp điều khiển và tự động hóa Rockwell cho FPSO gồm: Giảm chi phí nhờ giảm đáng kể chi phí đầu tư và vận hành. Tăng hiệu quả nhờ một nền tảng thống nhất, giúp đơn giản hóa và tối ưu vận hành. Tăng khả năng tương tác giữa các module và hệ thống. Tăng tính nhất quán và độ tin cậy, đồng thời giảm nguy cơ sai sót. Đơn giản hóa bảo trì và nâng cấp. Thống nhất dữ liệu, giúp quan sát tốt hơn và hỗ trợ ra quyết định. Tăng an toàn và khả năng tuân thủ nhờ giám sát, điều khiển dễ dàng hơn. Tăng cường an ninh mạng và đánh giá rủi ro, giảm nguy cơ bị tấn công mạng.

Chuyên gia Da Silva nói Petrobras đã quen thuộc với Rockwell qua nhiều dự án trước đây nên biết rõ những gì có thể kỳ vọng. Với các dự án quy mô lớn như vậy, việc tránh những bất ngờ là rất quan trọng. Rockwell cũng phù hợp với nhà thầu EPC vì họ muốn xây dựng mối quan hệ đối tác, thay vì chỉ đơn thuần là quan hệ với một nhà cung cấp.

Ông nhấn mạnh: “Tích hợp là chìa khóa. Khả năng của kiến trúc điều khiển và tự động hóa trong việc kết nối với rất nhiều hệ thống khác là yếu tố thiết yếu. Mỗi tàu có nhiều thiết bị do các nhà cung cấp bên thứ ba cung cấp, và kiến trúc Rockwell cho phép tích hợp chúng rất chặt chẽ. Điều này vừa giúp tiêu chuẩn hóa, vừa đảm bảo các hệ thống có thể nói cùng một ngôn ngữ”.

Petrobras cũng triển khai hệ thống mô phỏng để phục vụ thử nghiệm, đóng tàu, chạy thử và vận hành. ICSS là một module quan trọng của hệ thống mô phỏng, và Rockwell phối hợp chặt chẽ với nhà cung cấp mô phỏng để đạt kết quả tốt nhất.

Ông Maia cũng cho biết: “Mô phỏng động giúp chúng tôi kết nối và tương tác với các hệ thống điều khiển số để phát hiện vấn đề trước khi ra hiện trường, thậm chí trước cả FAT (kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy). Chúng tôi cũng có thể phát hiện cơ hội cải tiến và áp dụng cho tàu tiếp theo. Mô phỏng còn được sử dụng rộng rãi để đào tạo và làm quen với hệ thống”.

Cách tiếp cận tiêu chuẩn hóa và tích hợp của Rockwell đã cho thấy hiệu quả, góp phần giúp Petrobras đưa P79 neo đậu và triển khai trong thời gian kỷ lục.

Ông Maia kết luận: “Chúng tôi học được rất nhiều từ P78 và có thể dễ dàng chia sẻ, áp dụng những kinh nghiệm đó cho P79. Khi tàu rời Singapore và Hàn Quốc, chúng tôi thực hiện nhiều thử nghiệm và điều chỉnh để tàu không chỉ hoạt động tốt hơn mà còn tinh gọn hơn. Với cả P78 và P79, chúng tôi đã thiết lập hệ thống điện cùng các hệ thống điều khiển và an toàn ban đầu ngay khi tàu còn ở xưởng đóng tàu. Nhờ vậy, tàu có thể rời xưởng với thủy thủ đoàn trên tàu. Thật ấn tượng khi có thể tích hợp hơn 30.000 điểm I/O trước 60 ngày so với thời điểm dự kiến rời cảng. Giải pháp của Rockwell đã giúp điều đó trở thành hiện thực”.

Trong tương lai, hợp đồng còn bao gồm gói hỗ trợ toàn diện 5 năm cho tất cả các FPSO, giúp Petrobras tối ưu sản lượng và tối đa hóa thời gian vận hành.

Theo triết lý VADP, Rockwell muốn trở thành đối tác lâu dài của Petrobras, không chỉ trong thiết kế, kỹ thuật và khởi động dự án mà trong toàn bộ vòng đời vận hành.

Hiện P78 đã bắt đầu vận hành, còn P79 đang trong quá trình chạy thử. Các kết quả từ hai FPSO đầu tiên sẽ cho thấy dữ liệu và khả năng số hóa có thể tiếp tục giúp Petrobras đơn giản hóa và tối ưu vòng đời của ba tàu còn lại.