TEG脫水裝置運(yùn)行參數(shù)動態(tài)分析在故障診斷中的應(yīng)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(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))、BPCS(基本過程控制系統(tǒng))等自動控制系統(tǒng)在天然氣生產(chǎn)站場的大規(guī)模運(yùn)用。絕大多數(shù)生產(chǎn)工藝參數(shù)如溫度、壓力、液位、閥位等都能實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)記錄、趨勢生成、故障預(yù)警等功能，能夠讓我們精確到秒的觀察特定時間點(diǎn)的參數(shù)狀態(tài)。在天然氣TEG脫水流程是一個有機(jī)的整體，每一項參數(shù)變化都會引起相關(guān)聯(lián)的參數(shù)變化(儀表故障除外)，所以通過生產(chǎn)流程各項參數(shù)整體統(tǒng)一的動態(tài)分析，能夠有效運(yùn)用到生產(chǎn)裝置故障診斷中，通過已生成的變化反向推斷出現(xiàn)故障的原因，并及時的進(jìn)行整改和治理?，F(xiàn)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(jìn)行應(yīng)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(shè)有限公司西南分公司設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化頁巖氣處理站，脫水裝置為常規(guī)型三甘醇脫水裝置[1]。根據(jù)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(shù)為貧液三甘醇入塔溫度、富液三甘醇液位、產(chǎn)品氣露點(diǎn)等，而TEG再生裝置主要參數(shù)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(huán)泵等各個部位的參數(shù)。整個過程TEG吸收塔既是TEG再生的起點(diǎn)，也是TEG再生后的終點(diǎn)，表明三甘醇脫水流程是一個相對封閉的循環(huán)流程，所以整個流程中每一項TEG參數(shù)都存在一定的聯(lián)系。

1.2 TEG再生工藝分解

TEG循環(huán)再生的過程總體可以歸結(jié)為使高壓富液三甘醇經(jīng)歷減壓分離過濾升溫的過程，溫度、液位是運(yùn)行的關(guān)鍵控制參數(shù)，再生流程中所有的PID控制閥均為溫度和液位的聯(lián)鎖閥門。流程中三甘醇經(jīng)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(shè)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(nèi)三甘醇溫度相對穩(wěn)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(shè)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(yùn)行中存在損耗可能的場所。

1.3 工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)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(wěn)定性，吸收塔內(nèi)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(diǎn)差，所以在三甘醇再生流程中吸收塔內(nèi)低溫的富液三甘醇需經(jīng)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(nèi)充分的吸熱再生質(zhì)量，所以三甘醇再生流程的溫度變化與產(chǎn)品氣露點(diǎn)具有一定關(guān)聯(lián)性。三甘醇循環(huán)流程中緩沖罐液位能夠直接反應(yīng)再生流程三甘醇的量，其液位的遞減率能夠反應(yīng)三甘醇損耗情況，是三甘醇異常損耗和嚴(yán)重發(fā)泡最直接的判斷，液位變化與流程三甘醇品質(zhì)具有一定關(guān)聯(lián)性[5]。

2 運(yùn)行參數(shù)動態(tài)分析

2.1 建立運(yùn)行參數(shù)動態(tài)分析趨勢圖

以站控系統(tǒng)為平臺，將TEG脫水裝置運(yùn)行采集到系統(tǒng)的溫度、液位生成實(shí)時趨勢圖像，將溫度參數(shù)、液位產(chǎn)數(shù)擬合在同一坐標(biāo)系中。擬圖坐標(biāo)系中將所有參數(shù)均采用同一時間X軸，設(shè)置時間間隔調(diào)整、歷史調(diào)取、顏色標(biāo)注、標(biāo)尺對比等功能。Y軸將溫度、液位、壓力等不同性質(zhì)的參數(shù)分開設(shè)置，縱向上保留一定空白距離。每一項參數(shù)均有選定顯現(xiàn)和取消隱藏功能，確保圖系界面的整潔性。整個坐標(biāo)圖因各屬性參數(shù)變化幅度存在差異，所以應(yīng)設(shè)置局部縮放功能，便于從細(xì)微處觀察參數(shù)的動態(tài)變化。

因設(shè)計理念因素，三甘醇循環(huán)流程部分參數(shù)量值只設(shè)置就地顯示功能，無法使用站控系統(tǒng)生成相應(yīng)的趨勢圖和實(shí)時數(shù)據(jù)變化值，此類數(shù)據(jù)場站管理人員應(yīng)編制專用的記錄本，安排巡檢記錄人員按一定周期現(xiàn)場錄取，錄取中應(yīng)按儀表顯示量程規(guī)范錄取。場站管理和技術(shù)人員在利用坐標(biāo)圖做動態(tài)分析時，應(yīng)合理的選用一些參數(shù)錄入電子表格中生產(chǎn)曲線，輔助分析。

2.2 多點(diǎn)位運(yùn)行參數(shù)變化的故障判斷

三甘醇脫水系統(tǒng)是一個相對封閉的循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)部存在著動態(tài)的物料平衡[6]。當(dāng)一定量外部物料介入就會動搖或者打破這種平衡，相應(yīng)參數(shù)動態(tài)趨勢就會出現(xiàn)以下變化。例如當(dāng)天然氣管輸流量出現(xiàn)大幅度上漲，攜帶過量的液體進(jìn)入吸收塔，吸收塔液位趨勢圖將出現(xiàn)一個明顯的波峰，相應(yīng)的閃蒸罐液位也會因吸收塔富液出口調(diào)節(jié)閥閥位開度的增加而瞬間性上漲，趨勢圖出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，進(jìn)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(tǒng)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(tǒng)多參數(shù)擬合的坐標(biāo)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(xiàn)拐點(diǎn)，整個循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)同時出現(xiàn)波動，表明正常生產(chǎn)運(yùn)行的動態(tài)平衡收到外來物料的破壞，而瞬間恢復(fù)則是因為外來物料數(shù)量在系統(tǒng)處理能力內(nèi)，若重沸器溫度和緩沖罐液位均持續(xù)性變化，則表示外來物料對三甘醇循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大破壞，需要場站管理人員采取相應(yīng)措施，阻止外來物料的跡象進(jìn)入和輔助循環(huán)系統(tǒng)恢復(fù)。因此值班人員應(yīng)在第一時間切斷外來物料進(jìn)入三甘醇再生系統(tǒng)通道，防止整個再生系統(tǒng)癱瘓和三甘醇大量污染。

2.3 單點(diǎn)位運(yùn)行參數(shù)變化的故障判斷

三甘醇循環(huán)流程為PID控制模式，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備出現(xiàn)故障后往往反映在局部，整個系統(tǒng)將不會出現(xiàn)同時間大幅度波動，在多參數(shù)擬合坐標(biāo)圖出現(xiàn)單一參數(shù)波動拐點(diǎn)，則需要從三甘醇循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部分析。

2.3.1 吸收塔液位

吸收塔液位出現(xiàn)瞬間下拐點(diǎn)然后恢復(fù)，表面吸收塔內(nèi)部甘醇總量瞬間減少了，這表面甘醇因發(fā)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(xiàn)瞬間上拐點(diǎn)然后恢復(fù)，則可能是天然氣攜帶少量液體進(jìn)入，由富液出口PID調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了控制。若吸收塔液位持續(xù)性下降或上升，則為富液富液出口PID調(diào)節(jié)閥故障或吸收塔本身故障，需采取脫水單元盡快停產(chǎn)處置。

2.3.2 閃蒸罐液位

閃蒸罐液位單一的出現(xiàn)持續(xù)性上升或間斷性上升均表明下游流程存在堵塞，應(yīng)盡快檢查TEG過濾器是否堵塞；閃蒸罐液位液位出現(xiàn)瞬間下拐點(diǎn)然后恢復(fù)，則反映吸收塔來液可能進(jìn)入閃蒸氣流程排出，三甘醇應(yīng)發(fā)泡較嚴(yán)重；若閃蒸罐液位持續(xù)性下降，則可能是下游PID調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障或調(diào)節(jié)閥旁通閥意外開啟。

2.3.3 重沸器溫度

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

2.3.4 緩沖罐液位

緩沖罐液位為三甘醇循環(huán)系統(tǒng)總量的體現(xiàn)，若以天為單位出現(xiàn)緩慢持續(xù)性下降則為甘醇損耗，需對流程三甘醇進(jìn)行化驗檢查。若短時間下降則有可能是罐內(nèi)發(fā)生氣堵現(xiàn)象或汽提柱鹽結(jié)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(shù)和設(shè)備是否正常[7]。

2.4 換熱器運(yùn)行參數(shù)故障判斷

貧液、富液進(jìn)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(tài)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(yùn)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(nèi)可能存在活性炭濾芯的濾渣、油泥、鹽結(jié)晶等雜質(zhì)，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(xiàn)穿孔現(xiàn)象，可通過后續(xù)重沸器溫度、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥閥開度變化趨勢和換熱器試壓進(jìn)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(nèi)部盤管換熱效率降低，可能是盤管表面有雜質(zhì)、鹽結(jié)晶、碳化物等附著降低換熱效率[9]。

3 運(yùn)行參數(shù)動態(tài)分析在故障診斷應(yīng)用

3.1 重沸器溫度持續(xù)下降實(shí)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(xù)下降，截止18:23溫度由192℃降至168℃，站內(nèi)管理人員在檢查燃?xì)鈮毫烷y位開度無異常后認(rèn)為有水進(jìn)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(fù)至185℃，但是汽提一停溫度將會持續(xù)下降，管理人員認(rèn)為進(jìn)入水分較多，于是停止了最近的YS112H7兩口井泡排，持續(xù)進(jìn)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(yè)區(qū)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(chǎn)品氣露點(diǎn)、貧富液換熱前后溫度等參數(shù)十天內(nèi)的動態(tài)曲線擬合在坐標(biāo)系內(nèi)，顯示吸收塔和閃蒸罐液位十天內(nèi)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(jìn)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(chǎn)品氣露點(diǎn)在重沸器溫度下降時段內(nèi)露點(diǎn)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(jìn)入吸收塔內(nèi)貧液甘醇含水率上升，品質(zhì)下降。

分析認(rèn)為重沸器溫度下降為TEG再生流程設(shè)備故障，排除外來因素，主要故障點(diǎn)應(yīng)在重沸器內(nèi)部，對重沸器流程分析可知精餾柱頂部盤管內(nèi)介質(zhì)為低溫甘醇，有可能盤管泄漏導(dǎo)致重沸器低溫，現(xiàn)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(nèi)由169℃上漲至193℃，溫度恢復(fù)正常。詢問現(xiàn)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(guān)以提升整個系統(tǒng)溫度，溫度下降原因得出。

后面再次關(guān)閉精餾柱旁通閥門，重沸器溫度仍舊持續(xù)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(dǎo)致溫度驟降無法恢復(fù)。

4 結(jié)語

(1)在天然氣脫水站中三甘醇脫水裝置是一個處于動態(tài)平衡的系統(tǒng)，每一項參數(shù)變化都存在著相應(yīng)的聯(lián)系，應(yīng)對各個參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行認(rèn)真的分析，形成相應(yīng)材料用于培訓(xùn)和值班人員處置指導(dǎo)。

(2)對三甘醇循環(huán)流程各項關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)分析是了解整個裝置運(yùn)行狀況較好的手段，應(yīng)建立合理的分析制度和分析時段，形成站隊、班組、作業(yè)區(qū)等不同層級的分析，提前對潛在異常及時發(fā)現(xiàn)，為停產(chǎn)檢修項目確定提供依據(jù)。

(3)建立三甘醇脫水裝置重要工藝參數(shù)全擬合的坐標(biāo)動態(tài)曲線有利于監(jiān)控人員提早的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常，為故障處理爭取時間，對安全生產(chǎn)意義重大

(4)三甘醇脫水裝置內(nèi)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)能夠反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和功效，所以在設(shè)計階段應(yīng)更多的考慮數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程接入站控系統(tǒng)，建立豐富的數(shù)據(jù)庫。