高含硫天然气中H2S和CO2含量较高，且通常采用干气集输工艺，因此，对于高含硫天然气而言，需要在管输前脱除其中的游离水，确保集气站到天然气净化厂的管道不被腐蚀，而且还能降低管道压降和清管频率，提高管输效率和安全性[1]。三甘醇（TEG）脱水工艺应用于高含硫天然气已有超过30年的历史，在国内外多个高含硫气田均得到了成功的应用，国外高含硫气田主要分布在加拿大、美国、德国、法国，国内主要应用于川东北气田、元坝气田等高含硫气田，该工艺技术成熟，安全可靠[2-8]。
天然气水露点可以体现出脱水装置的脱水性能，是TEG脱水工艺的核心指标，天然气水露点与装置各工艺参数息息相关[9]。近年来，围绕TEG脱水工艺中各因素对水露点的影响程度，许多学者采用模拟软件进行了分析。王勇等[10]采用HYSYS软件定量分析了页岩气三甘醇脱水工艺中各因素对水露点的影响，并使用现场考核验证了模拟结果的准确性。陈军等[11]分析了在渤海某平台使用的三甘醇脱水工艺的影响因素，根据现场情况给出了相应的解决措施。王飞等[12]对某海上气田三甘醇脱水工艺使用HYSYS软件对多个参数进行模拟优化，得到各自变量与因变量的变化关系，从而优化运行参数。马晨波等[13]使用HYSYS软件，采用单一变量法对现场参数进行模拟计算，得出了三甘醇脱水工艺影响参数的相对敏感度绝对值，并通过逐次调节得到最优运行参数。但在三甘醇脱水工艺中影响水露点的参数较多，不同的参数对水露点的影响程度不同，且各参数还存在相互间的影响关系。常规分析方法多从单一方案进行研究，缺少对高含硫天然气三甘醇脱水工艺水露点影响参数之间的相互作用关系研究，在影响参数的选取上也存在较强的人为因素干扰，所获得的认识与实际生产状况之间存在一定的差异，选取的因素难以用于准确指导后期的工艺措施。
LG区块属于高含硫、中含二氧化碳酸性气藏，H2S质量浓度为80.9~93.78 g/m3，CO2质量浓度为49.98~56.97 g/m3。为找出影响LG区块高含硫天然气三甘醇脱水工艺水露点的敏感参数，对8个工艺参数进行关联分析，直观且定量对比不同参数间影响程度的强弱，以期为高含硫天然气三甘醇脱水工艺参数的优化、脱水效率的提升提供借鉴，同时，加强高含硫天然气的管道安全，达到节能降耗的目的。
LG区块的LG01集气站内设有一套三甘醇脱水装置，该脱水装置设计处理量（20 ℃，101.325 kPa下）为140×104 m3/d，操作弹性为50%~120%，设计原料气入塔压力为8.2~8.6 MPa，入塔温度为22.5 ℃，干气水露点＜−5 ℃。其工艺流程图见图1。
LG01集气站高含硫三甘醇脱水工艺主要由三甘醇吸收单元和三甘醇再生单元组成。分离后的气相进入集气站内的三甘醇脱水装置进行脱水，集气站内设有1套140×104 m3/d的三甘醇脱水装置。含硫湿气分离后再次进行过滤分离，进入吸收塔下部，与从塔上部进入的TEG贫液逆流接触，脱除天然气中大部分饱和水，再与TEG贫液进行换热后，经干气分离器分液后调压进入集输干线。从吸收塔塔底出来的TEG富液经一级TEG贫/富液换热器加热后进入闪蒸罐闪蒸，闪蒸后经过三级过滤器进行过滤，再经二级TEG贫/富液换热器加热后进入重沸器顶部的富液精馏柱，然后在火管式重沸器中被加热，对TEG富液进行提浓和再生。出重沸器的TEG溶液从贫液精馏柱顶部进入，与从底部进入的气提气逆流接触，使用气提气对TEG溶液进一步提浓，经一级TEG贫/富液换热器冷却后进入缓冲罐，由TEG循环泵送至吸收塔顶部，与出吸收塔的干气在干气/贫液换热器换热后进入吸收塔，完成TEG溶液的吸收和再生循环过程。
前期研究结果表明，影响高含硫天然气脱水工艺水露点的参数较多，且各参数之间存在关联性，水露点除受三甘醇溶液的影响外，还会受到包括原料气入塔流量、原料气入塔温度、原料气入塔压力、贫液入塔温度、重沸器温度，TEG循环量、贫液质量分数和TEG溶液pH等多个参数的影响。
1） 原料气入塔流量对脱水效果的影响。原料气入塔流量直接影响吸收塔需要脱除的水量。在吸收塔内，原料气自下而上流经各塔盘，与自塔顶向下流动的TEG溶液逆流接触，在接触的过程中，TEG溶液充分吸收天然气中的水。若原料气流量过大，超出装置设计的操作弹性后，可能会导致水露点不合格[14]。
2） 原料气入塔温度对脱水效果的影响。在压力一定的条件下，入塔温度越高，进塔原料气中水含量也就越高，故在温度较高的情况下，TEG溶液需要脱除更多水量才能达到要求，进而会增加TEG溶液消耗量及系统负荷。但若入塔温度过低，会使TEG溶液黏度增大，从而影响脱水效果[15]。
3） 原料气入塔压力对脱水效果的影响。在相同的温度下，原料气入塔压力越高，天然气中饱和水含量越少；原料气入塔压力越低，吸收塔要脱除的气体中的水含量就越大，吸收塔负荷也会越大[16]。
4） 贫液入塔温度对脱水效果的影响。贫液入塔温度过高，容易导致TEG溶液的损失增加及脱水效果降低；贫液入塔温度过低，虽有利于降低TEG溶液的损失，但会使TEG溶液的黏度增大，影响脱水效果，部分重烃将在吸收塔内冷凝，导致TEG溶液发泡。
5） 重沸器温度对脱水效果的影响。重沸器温度对TEG溶液再生的影响较大，重沸器温度与TEG贫液质量分数呈正相关，但重沸器温度也不是越高越好，随着重沸器温度的升高，能耗增加，当重沸器温度高于204 ℃时，TEG溶液的分解速率也明显加快。
6） TEG循环量对脱水效果的影响。TEG循环量取决于脱水负荷，而脱水负荷由原料气中水含量决定。当脱水负荷及贫液质量分数一定时，如果增加TEG循环量，可获得更低的水露点。但TEG循环量过大会增加重沸器的负荷，当TEG循环量达到一定数值后，水露点降低的幅度并不明显。故TEG循环量应维持在能满足脱水效果的范围内[17]。
7） 贫液质量分数对脱水效果的影响。贫液质量分数与重沸器温度呈正相关。贫液质量分数越大，溶液中水含量越低，水分在气液两相间传质的推动力增大，有利于更好地进行气液传质，增大吸收速率，其脱水效果就越好，但过高的贫液质量分数会造成再生负荷的增加。
8） TEG溶液pH对脱水效果的影响。高含硫天然气中的H2S会与TEG溶液发生化学反应，生成的化合物具有一定的腐蚀性，也会造成TEG溶液pH下降和溶液变质。当TEG溶液pH＜5时，常伴有固体颗粒和焦质烃类的沉积，溶液腐蚀性会显著增加；当TEG溶液pH＞9时，溶液发泡性增加，溶剂损失会明显增多[18]。
综上所述，不同参数对高含硫天然气三甘醇脱水效果的影响程度不同，其对水露点的影响是多个参数相互作用的共同结果。因此，本研究使用数据挖掘的技术手段，通过关联分析，确定多个参数交互作用下的高含硫天然气三甘醇脱水工艺水露点的敏感参数。
使用关联分析的方法进行数据挖掘，评价各影响参数与水露点之间的关联程度。
选取高含硫天然气脱水工艺水露点影响参数中的原料气入塔流量、原料气入塔温度、原料气入塔压力、贫液入塔温度、重沸器温度、TEG循环量、贫液质量分数、TEG溶液pH共8个参数进行研究，统计脱水装置在2023年1月—2024年4月的现场监测数据，剔除异常数据后，得到447组数据。通过关联分析的方法，确定高含硫天然气三甘醇脱水工艺水露点敏感参数。
Pearson相关系数法通过对两个指标之间进行线性回归分析衡量二者的关系紧密程度，分析得到的两个指标间的系数即为相关系数[19]。只有当两个指标对连续变量、正态分布或接近正态标准分布、彼此对应、线性相关这4个条件同时满足时才能使用该方法。对于得到的多组数据记为（xi,yi）（i=1,2,…,n），相关系数（r）的计算见式（1）[20]。
式中：r为相关系数；n为变量个数，个；xi为变量x对应的不同数值；$\overline x $为变量x的平均数；yi为变量y对应的不同数值；$\overline y $为变量y的平均数。
相关系数（r）的取值范围为[−1，1]，r在（0，1]范围内表明两个指标正相关，r在[−1，0）范围内表明两个指标负相关。相关系数的取值与两个指标间的关系程度如表1所列[21]。
Pearson相关系数法方便运行和理解，但该种方法只能解决简单的线性关系，当两个变量间可能有更复杂的相关关系时，Pearson系数也可能为0。在Pearson相关系数法中，显著性水平P值是最重要的。在进行相关性分析时，先要对P值的大小进行判断，当P值过高时，即使相关系数也很高，也不能说明两指标的关系程度很高，因为二者的相关性有可能只是偶然性的因素所导致的。只有在P值＜0.05时，相关系数才有意义。
使用SPSS统计分析软件对8项水露点影响参数，即：原料气入塔流量、原料气入塔温度、原料气入塔压力、重沸器温度、贫液质量分数、TEG循环量、贫液入塔温度、TEG溶液pH进行Pearson相关系数法分析，具体结果见表2。
从表2可以看出，贫液质量分数的显著性水平P值为0.518，大于0.05，不具有统计学意义，表明贫液质量分数与水露点之间的关系结果可能是偶然因素所导致的。原料气入塔温度和贫液入塔温度的相关系数均较大，且显著性水平P值均为0，表明这两个参数与水露点之间存在一定的线性相关关系。
灰色关联法通过对影响因素间的相似程度进行衡量，进而对因素间的关联程度进行判断，适用于探究多因素、非线性影响因素的相关性分析[22]。由于高含硫天然气水露点影响参数之间存在非常复杂的关联关系，以待评估的水露点影响参数为自变量，以水露点为因变量，进行灰色关联分析计算，得到每个水露点影响参数对水露点的影响程度。步骤如下：
步骤一：确定分析数列。
将水露点的数据序列作为母序列，水露点影响参数的数据序列作为子序列。
步骤二：对数据进行无量纲化处理。
由于子序列和母序列的量纲差异可能会对结果造成影响，为了得到准确的关联度结果，通常需要在进行灰色关联分析前对子序列和母序列进行无量纲化处理[23]。
本研究选择均值化方法进行无量纲化处理，见式（2）。
式中：$x'_i $表示原始数据无量纲化后的值；xi表示原始数据；$ \overline{{x}} _{i}$表示该影响因素所有数据的平均值。
步骤三：进行关联系数的计算。
对x0（k）与xi（k）的关联系数进行计算，见式（3）。
式中：ζi（k）为关联系数[24]；ρ为分辨系数，其取值范围为（0，∞），当ρ＜0.563时，分辨力最好，通常取ρ=0.5。
步骤四：对关联度进行计算。
关联系数可以表示不同情况下关联程度的值，但得到的信息较为分散。因此，为了获得整体结果，需要对关联系数求平均值，得到的结果即为关联度，关联度可以对子序列和母序列之间的关联程度进行衡量[25]。
步骤五：将得到的关联度按数值大小进行排序。
根据得到的关联度大小衡量各工艺参数对水露点的影响程度，关联度的值与对水露点的影响程度成正比。
关联度值的取值范围为[0，1]，其值越大，代表评价项与“母序列”的关联程度越强。一般认为，关联度值大于0.7才有影响。如果某评价项与“母序列”的关联度值大于0.9，则表明该评价项与“母序列”的相关性大。
对收集到的高含硫天然气三甘醇脱水工艺水露点影响参数和水露点数据进行灰色关联分析，计算结果见表3。由表3可知，影响LG01集气站高含硫天然气三甘醇脱水工艺水露点的参数依次排序为：TEG溶液pH（0.988）＞原料气入塔温度（0.987）＞贫液入塔温度（0.940）＞原料气入塔压力（0.926）＞原料气入塔流量（0.842）＞贫液质量分数（0.840）＞重沸器温度（0.725）＞TEG循环量（0.370）。可以看出，TEG溶液pH、原料气入塔温度、贫液入塔温度、原料气入塔压力、原料气入塔流量、贫液质量分数6个参数的关联度值均大于0.8，表明这6个参数对水露点存在较大的影响。其中，TEG溶液pH、原料气入塔温度、贫液入塔温度、原料气入塔压力与水露点的关联度值均大于0.9，是影响水露点的敏感参数。
由于LG01集气站原料气中H2S含量较高，且存在井筒返排液、药剂、气田水等杂质的影响，造成三甘醇的黏度、脱水性能、发泡性能等性质受到改变，从而导致三甘醇溶液中的有效成分降低，使得三甘醇循环量对水露点的影响较小。LG01集气站三甘醇发泡情况见图2。
1） 针对高含硫天然气三甘醇脱水工艺水露点问题，建立了综合考虑原料气入塔流量、原料气入塔温度、原料气入塔压力、贫液入塔温度、重沸器温度、TEG循环量、贫液质量分数、TEG溶液pH与水露点关联程度的关联分析方法，找出了高含硫天然气三甘醇脱水工艺在复杂环境下的水露点敏感参数，为高含硫天然气的管道安全、地面系统的完整性管理提供了依据。
2） 关联分析结果表明，影响高含硫天然气三甘醇脱水工艺水露点的敏感参数为TEG溶液pH、原料气入塔温度、贫液入塔温度和原料气入塔压力，针对此结果对高含硫天然气三甘醇脱水工艺参数进行优化，可为提高脱水效率、达到节能降耗的目的提供依据。
2025, Vol. 54 Issue (2): 23-28 2025, Vol. 54 Issue (2): 23-28