TEG脫水裝置運行參數動態分析在故障診斷中的應用

方超 石海龍 葛鵬飛 馬驥 牛軍帥 柳毅

(中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司西南采氣廠，四川 宜賓 644000)

0 引言

得益于SCADA(數據采集與監視控制系統)、BPCS(基本過程控制系統)等自動控制系統在天然氣生產站場的大規模運用。絕大多數生產工藝參數如溫度、壓力、液位、閥位等都能實現實時動態記錄、趨勢生成、故障預警等功能，能夠讓我們精確到秒的觀察特定時間點的參數狀態。在天然氣TEG脫水流程是一個有機的整體，每一項參數變化都會引起相關聯的參數變化(儀表故障除外)，所以通過生產流程各項參數整體統一的動態分析，能夠有效運用到生產裝置故障診斷中，通過已生成的變化反向推斷出現故障的原因，并及時的進行整改和治理。現以浙江油田分公司西南采氣廠紫金壩集氣增壓脫水站(采用三甘醇工藝脫水)為驗證對象，進行應用工作的開展。

1 TEG脫水裝置工藝分析

1.1 工藝流程分解

紫金壩集氣增壓脫水站是中國石油工程建設有限公司西南分公司設計的標準化頁巖氣處理站，脫水裝置為常規型三甘醇脫水裝置[1]。根據其工藝原理和功能可將分為以TEG吸收塔為主的天然氣脫水裝置和以TEG再生器為主的TEG再生裝置[2]。天然氣脫水裝置主要參數為貧液三甘醇入塔溫度、富液三甘醇液位、產品氣露點等，而TEG再生裝置主要參數則是三甘醇再生過程中閃蒸罐、TEG過濾器、板式換熱器、重沸器、緩沖罐、TEG循環泵等各個部位的參數。整個過程TEG吸收塔既是TEG再生的起點，也是TEG再生后的終點，表明三甘醇脫水流程是一個相對封閉的循環流程，所以整個流程中每一項TEG參數都存在一定的聯系。

1.2 TEG再生工藝分解

TEG循環再生的過程總體可以歸結為使高壓富液三甘醇經歷減壓分離過濾升溫的過程，溫度、液位是運行的關鍵控制參數，再生流程中所有的PID控制閥均為溫度和液位的聯鎖閥門。流程中三甘醇經歷了富液精餾柱盤管、貧富液板式換熱器、三甘醇緩沖罐、管殼式干氣貧液換熱器等四處主要換熱設備，重沸器一處直燃式火管加熱[3]。重沸器燃料氣控制采用PID控制，爐內三甘醇溫度相對穩定。整個三甘醇再生流程中TEG吸收塔、閃蒸罐、富液精餾柱等三處設備是三甘醇與其他流程存在的連通的通道，即三甘醇在正常運行中存在損耗可能的場所。

1.3 工藝參數的關聯性

天然氣脫水工藝采用三甘醇主要因素是因其良好的親水性、穩定性，吸收塔內再生后貧液三甘醇含水率越低，其脫水效果將越好[4]。三甘醇主要的再生原理是利用甘醇與水的沸點差，所以在三甘醇再生流程中吸收塔內低溫的富液三甘醇需經過富液精餾柱盤管、貧富液板式換熱器、三甘醇緩沖罐三處換熱升溫，重沸器直接加熱，以確保流動的三甘醇內充分的吸熱再生質量，所以三甘醇再生流程的溫度變化與產品氣露點具有一定關聯性。三甘醇循環流程中緩沖罐液位能夠直接反應再生流程三甘醇的量，其液位的遞減率能夠反應三甘醇損耗情況，是三甘醇異常損耗和嚴重發泡最直接的判斷，液位變化與流程三甘醇品質具有一定關聯性[5]。

2 運行參數動態分析

2.1 建立運行參數動態分析趨勢圖

以站控系統為平臺，將TEG脫水裝置運行采集到系統的溫度、液位生成實時趨勢圖像，將溫度參數、液位產數擬合在同一坐標系中。擬圖坐標系中將所有參數均采用同一時間X軸，設置時間間隔調整、歷史調取、顏色標注、標尺對比等功能。Y軸將溫度、液位、壓力等不同性質的參數分開設置，縱向上保留一定空白距離。每一項參數均有選定顯現和取消隱藏功能，確保圖系界面的整潔性。整個坐標圖因各屬性參數變化幅度存在差異，所以應設置局部縮放功能，便于從細微處觀察參數的動態變化。

因設計理念因素，三甘醇循環流程部分參數量值只設置就地顯示功能，無法使用站控系統生成相應的趨勢圖和實時數據變化值，此類數據場站管理人員應編制專用的記錄本，安排巡檢記錄人員按一定周期現場錄取，錄取中應按儀表顯示量程規范錄取。場站管理和技術人員在利用坐標圖做動態分析時，應合理的選用一些參數錄入電子表格中生產曲線，輔助分析。

2.2 多點位運行參數變化的故障判斷

三甘醇脫水系統是一個相對封閉的循環系統，內部存在著動態的物料平衡[6]。當一定量外部物料介入就會動搖或者打破這種平衡，相應參數動態趨勢就會出現以下變化。例如當天然氣管輸流量出現大幅度上漲，攜帶過量的液體進入吸收塔，吸收塔液位趨勢圖將出現一個明顯的波峰，相應的閃蒸罐液位也會因吸收塔富液出口調節閥閥位開度的增加而瞬間性上漲，趨勢圖出現明顯拐點，進入三甘醇再生流程的液體會極快的與三甘醇相溶，造成重沸器溫度瞬間下降。若天然氣攜液過多超過再生系統凈化量時還會在同時間造成緩沖罐液位的瞬間上升。從系統多參數擬合的坐標圖可以很明顯的觀察到吸收塔液位、閃蒸罐液位、重沸器溫度、緩沖罐液位在同一時間出現拐點，整個循環系統參數同時出現波動，表明正常生產運行的動態平衡收到外來物料的破壞，而瞬間恢復則是因為外來物料數量在系統處理能力內，若重沸器溫度和緩沖罐液位均持續性變化，則表示外來物料對三甘醇循環系統產生了巨大破壞，需要場站管理人員采取相應措施，阻止外來物料的跡象進入和輔助循環系統恢復。因此值班人員應在第一時間切斷外來物料進入三甘醇再生系統通道，防止整個再生系統癱瘓和三甘醇大量污染。

2.3 單點位運行參數變化的故障判斷

三甘醇循環流程為PID控制模式，系統內部設備出現故障后往往反映在局部，整個系統將不會出現同時間大幅度波動，在多參數擬合坐標圖出現單一參數波動拐點，則需要從三甘醇循環系統內部分析。

2.3.1 吸收塔液位

吸收塔液位出現瞬間下拐點然后恢復，表面吸收塔內部甘醇總量瞬間減少了，這表面甘醇因發泡或天然氣流速瞬間變大被攜帶至外輸管線； 吸收塔液位出現瞬間上拐點然后恢復，則可能是天然氣攜帶少量液體進入，由富液出口PID調節閥進行了控制。若吸收塔液位持續性下降或上升，則為富液富液出口PID調節閥故障或吸收塔本身故障，需采取脫水單元盡快停產處置。

2.3.2 閃蒸罐液位

閃蒸罐液位單一的出現持續性上升或間斷性上升均表明下游流程存在堵塞，應盡快檢查TEG過濾器是否堵塞；閃蒸罐液位液位出現瞬間下拐點然后恢復，則反映吸收塔來液可能進入閃蒸氣流程排出，三甘醇應發泡較嚴重；若閃蒸罐液位持續性下降，則可能是下游PID調節閥出現故障或調節閥旁通閥意外開啟。

2.3.3 重沸器溫度

重沸器溫度出現了持續性或短暫下降因素為進入甘醇含水過高或者供熱不足，兩方面因素都為設備本身問題，需對設備進行檢查。

2.3.4 緩沖罐液位

緩沖罐液位為三甘醇循環系統總量的體現，若以天為單位出現緩慢持續性下降則為甘醇損耗，需對流程三甘醇進行化驗檢查。若短時間下降則有可能是罐內發生氣堵現象或汽提柱鹽結晶，需立刻排氣驗證或檢查重沸器液位，若短時間迅速上升則需要檢查重沸器參數和設備是否正常[7]。

2.4 換熱器運行參數故障判斷

貧液、富液進入換熱器前溫度和流程換熱器溫度的差值代表著換熱器的效率。

2.4.1 貧富液換熱器

通過貧富液換熱前后4項溫度動態曲線對比，高溫和低溫曲線跨度明顯，富液流程壓力高于貧液流程壓力，若高溫和低溫在長時間的運行中跨度有越來越小的趨勢，則表明換熱效率降低，換熱器內可能存在活性炭濾芯的濾渣、油泥、鹽結晶等雜質，需將清洗換熱器納入檢修計劃[8]。若換熱后貧液溫度突然下降、換熱后富液溫度突然上升，則可能是換熱板出現穿孔現象，可通過后續重沸器溫度、燃氣調節閥閥開度變化趨勢和換熱器試壓進行驗證。

2.4.2 三甘醇緩沖罐

緩沖罐至重沸器溫度下降表面內部盤管換熱效率降低，可能是盤管表面有雜質、鹽結晶、碳化物等附著降低換熱效率[9]。

3 運行參數動態分析在故障診斷應用

3.1 重沸器溫度持續下降實例

2020年4月11日，紫金壩集氣增壓脫水站重沸器溫度在14:12時刻持續下降，截止18:23溫度由192℃降至168℃，站內管理人員在檢查燃氣壓力和閥位開度無異常后認為有水進入重沸器，打開重沸器壓力表排放口有較多水蒸氣排查，此原因分析得到驗證。

夜間20:30通過汽提作用將溫度恢復至185℃，但是汽提一停溫度將會持續下降，管理人員認為進入水分較多，于是停止了最近的YS112H7兩口井泡排，持續進行汽提排水升溫，截止4月14日，重沸溫度在汽提停下后下降至165℃。作業區管理人員將脫水流程吸收塔液位、閃蒸罐液位、重沸器溫度、緩沖罐液位、產品氣露點、貧富液換熱前后溫度等參數十天內的動態曲線擬合在坐標系內，顯示吸收塔和閃蒸罐液位十天內無異常變化，重沸器溫度不是瞬間下降可以判斷不是天然氣攜液進入；貧富液換熱后溫度無異常變化，貧液換熱前溫度有所下降；緩沖罐至重沸器溫度下降2～3℃；產品氣露點在重沸器溫度下降時段內露點值有小幅度上升趨勢，曲線趨勢和重沸器溫度變化趨勢大致一樣，表面進入吸收塔內貧液甘醇含水率上升，品質下降。

分析認為重沸器溫度下降為TEG再生流程設備故障，排除外來因素，主要故障點應在重沸器內部，對重沸器流程分析可知精餾柱頂部盤管內介質為低溫甘醇，有可能盤管泄漏導致重沸器低溫，現場人員打開精餾柱頂部盤管旁通閥門后重沸器溫度在2小時之內由169℃上漲至193℃，溫度恢復正常。詢問現場值班人員可知，因4月11日前天氣降溫較大，貧液入泵下降較多，2:10操作人員將精餾柱旁通閥門全關以提升整個系統溫度，溫度下降原因得出。

后面再次關閉精餾柱旁通閥門，重沸器溫度仍舊持續下降，判斷精餾柱頂部盤管泄漏，低溫富液三甘醇直接流入重沸器導致溫度驟降無法恢復。

4 結語

(1)在天然氣脫水站中三甘醇脫水裝置是一個處于動態平衡的系統，每一項參數變化都存在著相應的聯系，應對各個參數的內在聯系進行認真的分析，形成相應材料用于培訓和值班人員處置指導。

(2)對三甘醇循環流程各項關鍵參數的動態分析是了解整個裝置運行狀況較好的手段，應建立合理的分析制度和分析時段，形成站隊、班組、作業區等不同層級的分析，提前對潛在異常及時發現，為停產檢修項目確定提供依據。

(3)建立三甘醇脫水裝置重要工藝參數全擬合的坐標動態曲線有利于監控人員提早的發現生產異常，為故障處理爭取時間，對安全生產意義重大

(4)三甘醇脫水裝置內設備運行參數能夠反應設備運行狀態和功效，所以在設計階段應更多的考慮數據遠程接入站控系統，建立豐富的數據庫。