TEG脱水装置运行参数动态分析在故障诊断中的应用

方超 石海龙 葛鹏飞 马骥 牛军帅 柳毅

(中国石油天然气股份有限公司浙江油田分公司西南采气厂，四川 宜宾 644000)

0 引言

得益于SCADA(数据采集与监视控制系统)、BPCS(基本过程控制系统)等自动控制系统在天然气生产站场的大规模运用。绝大多数生产工艺参数如温度、压力、液位、阀位等都能实现实时动态记录、趋势生成、故障预警等功能，能够让我们精确到秒的观察特定时间点的参数状态。在天然气TEG脱水流程是一个有机的整体，每一项参数变化都会引起相关联的参数变化(仪表故障除外)，所以通过生产流程各项参数整体统一的动态分析，能够有效运用到生产装置故障诊断中，通过已生成的变化反向推断出现故障的原因，并及时的进行整改和治理。现以浙江油田分公司西南采气厂紫金坝集气增压脱水站(采用三甘醇工艺脱水)为验证对象，进行应用工作的开展。

1 TEG脱水装置工艺分析

1.1 工艺流程分解

紫金坝集气增压脱水站是中国石油工程建设有限公司西南分公司设计的标准化页岩气处理站，脱水装置为常规型三甘醇脱水装置[1]。根据其工艺原理和功能可将分为以TEG吸收塔为主的天然气脱水装置和以TEG再生器为主的TEG再生装置[2]。天然气脱水装置主要参数为贫液三甘醇入塔温度、富液三甘醇液位、产品气露点等，而TEG再生装置主要参数则是三甘醇再生过程中闪蒸罐、TEG过滤器、板式换热器、重沸器、缓冲罐、TEG循环泵等各个部位的参数。整个过程TEG吸收塔既是TEG再生的起点，也是TEG再生后的终点，表明三甘醇脱水流程是一个相对封闭的循环流程，所以整个流程中每一项TEG参数都存在一定的联系。

1.2 TEG再生工艺分解

TEG循环再生的过程总体可以归结为使高压富液三甘醇经历减压分离过滤升温的过程，温度、液位是运行的关键控制参数，再生流程中所有的PID控制阀均为温度和液位的联锁阀门。流程中三甘醇经历了富液精馏柱盘管、贫富液板式换热器、三甘醇缓冲罐、管壳式干气贫液换热器等四处主要换热设备，重沸器一处直燃式火管加热[3]。重沸器燃料气控制采用PID控制，炉内三甘醇温度相对稳定。整个三甘醇再生流程中TEG吸收塔、闪蒸罐、富液精馏柱等三处设备是三甘醇与其他流程存在的连通的通道，即三甘醇在正常运行中存在损耗可能的场所。

1.3 工艺参数的关联性

天然气脱水工艺采用三甘醇主要因素是因其良好的亲水性、稳定性，吸收塔内再生后贫液三甘醇含水率越低，其脱水效果将越好[4]。三甘醇主要的再生原理是利用甘醇与水的沸点差，所以在三甘醇再生流程中吸收塔内低温的富液三甘醇需经过富液精馏柱盘管、贫富液板式换热器、三甘醇缓冲罐三处换热升温，重沸器直接加热，以确保流动的三甘醇内充分的吸热再生质量，所以三甘醇再生流程的温度变化与产品气露点具有一定关联性。三甘醇循环流程中缓冲罐液位能够直接反应再生流程三甘醇的量，其液位的递减率能够反应三甘醇损耗情况，是三甘醇异常损耗和严重发泡最直接的判断，液位变化与流程三甘醇品质具有一定关联性[5]。

2 运行参数动态分析

2.1 建立运行参数动态分析趋势图

以站控系统为平台，将TEG脱水装置运行采集到系统的温度、液位生成实时趋势图像，将温度参数、液位产数拟合在同一坐标系中。拟图坐标系中将所有参数均采用同一时间X轴，设置时间间隔调整、历史调取、颜色标注、标尺对比等功能。Y轴将温度、液位、压力等不同性质的参数分开设置，纵向上保留一定空白距离。每一项参数均有选定显现和取消隐藏功能，确保图系界面的整洁性。整个坐标图因各属性参数变化幅度存在差异，所以应设置局部缩放功能，便于从细微处观察参数的动态变化。

因设计理念因素，三甘醇循环流程部分参数量值只设置就地显示功能，无法使用站控系统生成相应的趋势图和实时数据变化值，此类数据场站管理人员应编制专用的记录本，安排巡检记录人员按一定周期现场录取，录取中应按仪表显示量程规范录取。场站管理和技术人员在利用坐标图做动态分析时，应合理的选用一些参数录入电子表格中生产曲线，辅助分析。

2.2 多点位运行参数变化的故障判断

三甘醇脱水系统是一个相对封闭的循环系统，内部存在着动态的物料平衡[6]。当一定量外部物料介入就会动摇或者打破这种平衡，相应参数动态趋势就会出现以下变化。例如当天然气管输流量出现大幅度上涨，携带过量的液体进入吸收塔，吸收塔液位趋势图将出现一个明显的波峰，相应的闪蒸罐液位也会因吸收塔富液出口调节阀阀位开度的增加而瞬间性上涨，趋势图出现明显拐点，进入三甘醇再生流程的液体会极快的与三甘醇相溶，造成重沸器温度瞬间下降。若天然气携液过多超过再生系统净化量时还会在同时间造成缓冲罐液位的瞬间上升。从系统多参数拟合的坐标图可以很明显的观察到吸收塔液位、闪蒸罐液位、重沸器温度、缓冲罐液位在同一时间出现拐点，整个循环系统参数同时出现波动，表明正常生产运行的动态平衡收到外来物料的破坏，而瞬间恢复则是因为外来物料数量在系统处理能力内，若重沸器温度和缓冲罐液位均持续性变化，则表示外来物料对三甘醇循环系统产生了巨大破坏，需要场站管理人员采取相应措施，阻止外来物料的迹象进入和辅助循环系统恢复。因此值班人员应在第一时间切断外来物料进入三甘醇再生系统通道，防止整个再生系统瘫痪和三甘醇大量污染。

2.3 单点位运行参数变化的故障判断

三甘醇循环流程为PID控制模式，系统内部设备出现故障后往往反映在局部，整个系统将不会出现同时间大幅度波动，在多参数拟合坐标图出现单一参数波动拐点，则需要从三甘醇循环系统内部分析。

2.3.1 吸收塔液位

吸收塔液位出现瞬间下拐点然后恢复，表面吸收塔内部甘醇总量瞬间减少了，这表面甘醇因发泡或天然气流速瞬间变大被携带至外输管线； 吸收塔液位出现瞬间上拐点然后恢复，则可能是天然气携带少量液体进入，由富液出口PID调节阀进行了控制。若吸收塔液位持续性下降或上升，则为富液富液出口PID调节阀故障或吸收塔本身故障，需采取脱水单元尽快停产处置。

2.3.2 闪蒸罐液位

闪蒸罐液位单一的出现持续性上升或间断性上升均表明下游流程存在堵塞，应尽快检查TEG过滤器是否堵塞；闪蒸罐液位液位出现瞬间下拐点然后恢复，则反映吸收塔来液可能进入闪蒸气流程排出，三甘醇应发泡较严重；若闪蒸罐液位持续性下降，则可能是下游PID调节阀出现故障或调节阀旁通阀意外开启。

2.3.3 重沸器温度

重沸器温度出现了持续性或短暂下降因素为进入甘醇含水过高或者供热不足，两方面因素都为设备本身问题，需对设备进行检查。

2.3.4 缓冲罐液位

缓冲罐液位为三甘醇循环系统总量的体现，若以天为单位出现缓慢持续性下降则为甘醇损耗，需对流程三甘醇进行化验检查。若短时间下降则有可能是罐内发生气堵现象或汽提柱盐结晶，需立刻排气验证或检查重沸器液位，若短时间迅速上升则需要检查重沸器参数和设备是否正常[7]。

2.4 换热器运行参数故障判断

贫液、富液进入换热器前温度和流程换热器温度的差值代表着换热器的效率。

2.4.1 贫富液换热器

通过贫富液换热前后4项温度动态曲线对比，高温和低温曲线跨度明显，富液流程压力高于贫液流程压力，若高温和低温在长时间的运行中跨度有越来越小的趋势，则表明换热效率降低，换热器内可能存在活性炭滤芯的滤渣、油泥、盐结晶等杂质，需将清洗换热器纳入检修计划[8]。若换热后贫液温度突然下降、换热后富液温度突然上升，则可能是换热板出现穿孔现象，可通过后续重沸器温度、燃气调节阀阀开度变化趋势和换热器试压进行验证。

2.4.2 三甘醇缓冲罐

缓冲罐至重沸器温度下降表面内部盘管换热效率降低，可能是盘管表面有杂质、盐结晶、碳化物等附着降低换热效率[9]。

3 运行参数动态分析在故障诊断应用

3.1 重沸器温度持续下降实例

2020年4月11日，紫金坝集气增压脱水站重沸器温度在14:12时刻持续下降，截止18:23温度由192℃降至168℃，站内管理人员在检查燃气压力和阀位开度无异常后认为有水进入重沸器，打开重沸器压力表排放口有较多水蒸气排查，此原因分析得到验证。

夜间20:30通过汽提作用将温度恢复至185℃，但是汽提一停温度将会持续下降，管理人员认为进入水分较多，于是停止了最近的YS112H7两口井泡排，持续进行汽提排水升温，截止4月14日，重沸温度在汽提停下后下降至165℃。作业区管理人员将脱水流程吸收塔液位、闪蒸罐液位、重沸器温度、缓冲罐液位、产品气露点、贫富液换热前后温度等参数十天内的动态曲线拟合在坐标系内，显示吸收塔和闪蒸罐液位十天内无异常变化，重沸器温度不是瞬间下降可以判断不是天然气携液进入；贫富液换热后温度无异常变化，贫液换热前温度有所下降；缓冲罐至重沸器温度下降2～3℃；产品气露点在重沸器温度下降时段内露点值有小幅度上升趋势，曲线趋势和重沸器温度变化趋势大致一样，表面进入吸收塔内贫液甘醇含水率上升，品质下降。

分析认为重沸器温度下降为TEG再生流程设备故障，排除外来因素，主要故障点应在重沸器内部，对重沸器流程分析可知精馏柱顶部盘管内介质为低温甘醇，有可能盘管泄漏导致重沸器低温，现场人员打开精馏柱顶部盘管旁通阀门后重沸器温度在2小时之内由169℃上涨至193℃，温度恢复正常。询问现场值班人员可知，因4月11日前天气降温较大，贫液入泵下降较多，2:10操作人员将精馏柱旁通阀门全关以提升整个系统温度，温度下降原因得出。

后面再次关闭精馏柱旁通阀门，重沸器温度仍旧持续下降，判断精馏柱顶部盘管泄漏，低温富液三甘醇直接流入重沸器导致温度骤降无法恢复。

4 结语

(1)在天然气脱水站中三甘醇脱水装置是一个处于动态平衡的系统，每一项参数变化都存在着相应的联系，应对各个参数的内在联系进行认真的分析，形成相应材料用于培训和值班人员处置指导。

(2)对三甘醇循环流程各项关键参数的动态分析是了解整个装置运行状况较好的手段，应建立合理的分析制度和分析时段，形成站队、班组、作业区等不同层级的分析，提前对潜在异常及时发现，为停产检修项目确定提供依据。

(3)建立三甘醇脱水装置重要工艺参数全拟合的坐标动态曲线有利于监控人员提早的发现生产异常，为故障处理争取时间，对安全生产意义重大

(4)三甘醇脱水装置内设备运行参数能够反应设备运行状态和功效，所以在设计阶段应更多的考虑数据远程接入站控系统，建立丰富的数据库。