TRIZ在提高含硫化氫儲氣庫脫硫硫容中的應用*

趙杰

中國石油華北石油管理局有限公司河北儲氣庫分公司

TRIZ（即發明問題解決理論）是1946 年由前蘇聯發明家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）為首的科研團隊通過全面分析全球范圍內約250 萬份高水平專利，提煉總結出的各種技術發展進化遵循的規律模式及有效解決各種工程技術矛盾的創新原理和法則。主要包括9 大經典理論體系：①技術系統進化法則；②40 條發明原理；③物質-場模型；④發明問題的標準解系統；⑤科學效應知識庫；⑥矛盾矩陣；⑦物理矛盾分析法；⑧最終理想解（FIR）；⑨發明問題解決算法（ARIZ）[1]。TRIZ發展至今，主要有兩層次涵義，表面上強調解決實際問題尤其是解決發明問題，本質上則是通過解決發明問題而最終實現技術和管理持續創新。在過去幾十年的人類各領域實踐中，TRIZ 解決了一系列不同行業的工程技術類問題[2]。利用TRIZ，周科平[3]等解決了我國傳統采礦方法中存在的缺陷問題；趙鋒[4]等創新提出國內城市公共空間應急避難設施的思路；趙昊昱[5]等創新發明滾筒洗衣機柔順劑單個三角棱柱供給裝置；魏奇鋒[6]等設計了生物醫學儀器中呼吸氣體采樣富集裝置；劉志峰[7]等獲取了產品零部件可拆卸的兩種方法；趙文燕[8]等優化了管理流程；李萌[9]進行了產品概念設計；呂桂志[10]則對鋼絲繩電動葫蘆導繩器進行了全面優化設計。綜上表明，TRIZ 理論已逐步被應用于國內的礦山、機械、醫學、管理以及產品等諸多行業中，且正朝著更加廣泛領域延伸發展。本文針對國內X含硫化氫地下儲氣庫脫硫硫容偏低的問題，基于TRIZ 開展綜合創新方案設計并應用實施以提高其安全運行效率。

1 含硫化氫儲氣庫脫硫運行現狀

1.1 硫化氫含量分析

X 儲氣庫為含硫氣藏（含底水、帶油環含硫化氫潛山凝析氣藏）改建而成，原始氣藏硫化氫質量濃度為570～1 300 mg/m3。對該儲氣庫采氣期不同階段采出的天然氣樣品進行組分化驗，證實儲層采出天然氣中仍富存H2S 有毒氣體，尤其是在采氣末期單井采出天然氣中H2S質量濃度仍高達1 100 mg/m3（表1）。注采井采出氣若不脫硫，則給儲氣庫外輸安全和氣質達標（表2）均造成不利影響[11-12]。

表1 X儲氣庫注采井采氣期天然氣中H2S含量Tab.1 H2S content in natural gas in injection and production wells of X Gas Storage during the gas production period mg/m3

表2 外輸天然氣技術指標（GB 17820—2018）Tab.2 Technical index of exporting natural gas（GB 17820—2018）

1.2 存在問題

由于濕法脫硫存在廢水處理問題，早期還具有投資大、運行費用高的特點，因此，X 儲氣庫脫硫工藝采用干法脫硫。該套工藝主要是在儲氣庫地面抗硫集輸管匯的基礎上配備兩套干法脫硫裝置（圖1）[11-12]。目前X 儲氣庫共有兩套脫硫塔裝置，每套塔分為2 組共計8 塔，組與組之間只能并聯運行，每組內2 塔可串可并。單套塔處理天然氣能力為250×104m3/d，當每套塔出口硫化氫質量濃度達到6 mg/m3時，停止運行更換脫硫劑并切換至另一套塔運行。在儲氣庫采氣期前，提前在脫硫塔內籠統裝填氧化鐵脫硫劑，工作原理流程為進入采氣期，注采井采出的含硫化氫天然氣通過脫硫塔進氣口進入脫硫塔，實現常溫下與塔內氧化鐵脫硫劑化學反應（FeXOY+H2S →FeS+H2O），實現采出天然氣脫硫達標后外輸[11-12]。

圖1 X儲氣庫脫硫塔裝置Fig.1 Desulfurization tower device in X Gas Storage

在儲氣庫采氣期（每年11 月15 日～次年3 月14 日）調峰保供氣量需求較大。在整個采出天然氣中硫化氫處理過程中，X 儲氣庫作為含底水帶油環的凝析氣藏，由于從凝析氣藏中采出的含硫化氫天然氣在經三相分離器分離后還會殘留一部分的水與凝析油，這部分油水混合物進入脫硫塔內對脫硫劑產生污染，容易產生脫硫劑的板結和泥化等反應不充分問題，造成脫硫硫容（硫容=脫除含硫化氫天然氣中的硫化氫質量/塔內裝填的原始脫硫劑質量×100%）降低[11-12]，降低了脫硫劑的使用壽命。同時，儲氣庫高速采氣過程中脫硫塔內脫硫劑還遭受采出氣量波動急劇偏流而導致反應不充分，也制約了脫硫劑反應效率。

2 基于TRIZ的問題研究

TRIZ 作為發明問題解決問題的先進理論，其通用原理流程為：尋找并提出問題—分析問題（功能分析、因果分析、沖突分析、理想解分析、可用資源分析5 點分析法）工具選擇并提出初步解決方案—方案細化（結構、造型、物質材料等）—解決方案的評價—實施。該流程遵循TRIZ 解決工程問題的一般步驟，從產品分析入手發現問題，問題分析尋求最優理想解，逐層深入最終產生可行的解決方案。結合現有技術系統工作狀況，明確出該問題所在技術系統為天然氣中硫化氫處理系統。該技術系統的主要功能為分離天然氣中的硫化氫。實現該功能的約束條件主要包括安全性和可靠性。

2.1 功能分析的應用

基于TRIZ 功能分析的設計原則，通過系統總結現有天然氣中硫化氫處理系統設計中功能的基本狀態，劃分出超系統元件—脫硫塔裝置、系統元件以及制品—天然氣（表3）。在此基礎上精細化分析系統各元件之間作用關系（表4），確定出天然氣中硫化氫處理系統各功能、功能類型，對不同功能性能水平進行評價（不足、正常、有害等）（表5），建立出已有系統的功能模型（圖2）。

圖2 已有系統的功能模型Fig.2 Functional models of existing systems

表3 天然氣中硫化氫處理系統分析Tab.3 System analysis of hydrogen sulfide treatment system in natural gas

表4 天然氣中硫化氫處理系統各組件作用關系分析Tab.4 Action relationship analysis of components of hydrogen sulfide treatment system in natural gas

表5 天然氣中硫化氫處理系統功能Tab.5 Function of hydrogen sulfide treatment system in natural gas

基于TRIZ，通過功能模型分析描述了系統元件及其之間的相互關系，并得出導致硫容降低的10條功能模型問題詳細描述（表6）。

表6 系統中已有的功能模型中問題統計Tab.6 Problem statistics of existing functional models in the system

2.2 因果分析與沖突區域確定的應用

基于TRIZ 中的因果鏈分析法分析導致天然氣中硫化氫處理系統脫硫硫容低的間接原因、關鍵原因（圖3），通過因果關系分析推導確定產生問題的沖突區域關鍵原因有2 個：凝析油和水造成脫硫劑泥化、板結脫硫劑表面與硫化氫接觸面積?。ū?）。

圖3 因果鏈分析流程Fig.3 Causal chain analysis process

表7 因果鏈分析法關鍵原因統計Tab.7 Key cause statistics of causal chain analysis method

2.3 理想解與可用資源的應用

為長期滿足下游用氣客戶使用清潔安全純凈的天然氣需求，結合X儲氣庫目前實際運行狀態即儲氣庫注采井采出天然氣中含有雜質和硫化氫，采出天然氣不脫硫就很難滿足客戶清潔安全的天然氣需求。實現理想解的過程是必須脫硫除硫化氫和雜質，否則就不能滿足客戶清潔安全的天然氣需求。依據理想解分析初步得到問題的解決思路為優化脫硫裝填工藝。TRIZ 中關于可用資源分析過程，主要是系統內部資源和系統外部資源分析。主要圍繞系統的物質資源、場資源開展綜合分析對系統的資源名稱、可用屬性參數、方案及可用性評估評價（表8），為問題有效解決提供資源評價依據。

表8 系統資源分析Tab.8 System resource analysis

3 沖突解決理論和物場模型的應用

沖突解決理論和物場模型作為TRIZ 問題創新求解兩大核心工具，在各類工程技術創新中應用極為廣泛。沖突解決理論其類型劃分為技術沖突和物理沖突。TRIZ 借助39 個通用技術參數來將一個具體的技術沖突問題轉化為標準的TRIZ 問題，然后通過發明原理來解決該技術沖突問題。物理沖突則是采用四大分離原理（空間、時間、條件、整體與部分上進行分離）解決[13]。TRIZ 中的另一種重要的問題分析方法是物場模型分析，是將系統功能分解為兩種物質（S1，S2）以及一種場（F）的三元素構成，物質之間通過場相互作用實現某種特定的功能。關于物—場分析模型的類型主要包含4 類：①有用并且充分的相互作用模型；②有用但不充分的相互作用模型；③有用但過度的相互作用模型；④有害的相互作用模型。物場分析流程是在建立涉及系統的物場模型基礎上，然后根據物場模型的作用類型并應用TRIZ 提供的76 個標準解來解決問題。物場模型能夠客觀清晰地表達系統的功能模型，摸清各功能部件之間的聯系以及系統所存在的問題[13]。生產實踐應用中人們往往將TRIZ 沖突解決理論和物場模型兩者綜合應用以提高獲取問題解的效率和質量。

3.1 入手點的沖突解決理論和物場模型

3.1.1 技術沖突解決過程

（1）沖突描述。為了減少被凝析油和水泥化、板結的脫硫劑的質量，通過在脫硫塔進氣口前端加裝一套三相分離器裝置對原三相分離器分離出的殘余凝析油和水再次分離進一步降低凝析油和水進塔含量，但這樣做將導致脫硫系統裝置結構復雜。

（2）轉換成TRIZ 標準沖突?；赥RIZ 沖突解決理論和技術沖突矩陣圖譜中涉及的39 個通用技術參數與技術沖突過程分析認為，能解決該問題改善的參數為39 個工程參數中的No.1 項參數—運動物體的重量；惡化的參數為39 個工程參數中的No.36 項參數—裝置的復雜性。經過分析查閱沖突矩陣，得到如下發明原理見表9。依據No.26 項參數—復制發明原理第（1）條用簡單的、低廉的復制品代替復雜的、昂貴的、易碎的或不易操作的物體，得到方案一：通過對原三相分離器氣相出口安裝廉價的氯化鈣干燥劑盒子，利用氯化鈣除濕干燥性降低天然氣中殘余油和水的含量。

表9 沖突矩陣參數與對應發明原理Tab.9 Conflict matrix parameters and corresponding invention principles

3.1.2 物理沖突解決過程

（1）沖突描述。為“進一步降低凝析油和水進塔含量”，需要“脫硫工藝裝置”為“有”，但又為了“降低裝置復雜程度”，需要“脫硫工藝裝置”為“無”，即脫硫工藝裝置既要“有”又要“無”。

（2）參數考慮“脫硫工藝裝置數量”在不同的“條件”（空間上、時間段、不同條件下、系統層次上）具有不同的特性，因此該沖突可以從“條件”（空間、時間、條件、整體與部分）上進行分離。選用4 條分離原理（空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分分離）當中的“基于條件分離”原理，依據No.35 參數變化發明原理中第（2）條改變物體的濃度或黏度得到解決方案一：在脫硫塔進氣口前端加裝前置傳感器（配備活性炭模塊），依據信號識別輸出殘余油和水的含量參數，靈活調整活性炭使用量降低進塔前含硫化氫天然氣中殘余油和水的濃度。

3.1.3 物場分析及76個標準解應用

首先建立問題的物質—場模型（圖4），即殘余油和水對脫硫劑黏結力，為一種有害作用過程；根據所建問題的物質—場模型，應用標準解解決流程，得到標準解為：No.63 項參數—引入物質，即假如環境不允許大量使用某種材料，使用對環境無影響的東西。依據選定的標準解，得到問題的解決方案一：為了減少脫硫塔內被凝析油和水泥化、板結的脫硫劑的質量，引入與脫硫塔內徑匹配的抗硫化氫腐蝕的鐵網支架，并在該支架上鋪設新物質活性炭，吸附掉殘余油和水。改進之后的物質—場模型如圖5所示。

圖4 殘余油和水對脫硫劑黏結的改進前物質—場模型Fig.4 Substance-field model of the adhesion of residual oil and water to desulfurizers(before improvement)

圖5 殘余油和水對脫硫劑黏結的改進后物質—場模型Fig.5 Substance-field model of the adhesion of residual oil and water to desulfurizers(after improvement)

3.2 脫硫劑表面與硫化氫接觸面積小的沖突解決理論和物場模型

3.2.1 技術沖突解決過程

（1）沖突描述。為提高脫硫劑表面與硫化氫接觸面積，通過在脫硫塔內改裝小粒徑脫硫劑增加顆粒之間空隙，但這樣做會加劇脫硫塔內殘余油和水造成脫硫劑板結程度變化，脫硫劑強度降低。

（2）轉換成TRIZ 標準沖突?；赥RIZ 沖突解決理論和技術沖突矩陣圖譜中涉及的39 個通用技術參數與技術沖突過程分析認為，能解決該問題改善的參數為39 個工程參數中的No.5 項參數—運動物體的面積；惡化的參數為39 個工程參數中的No.14 項參數—強度。依據No.3 項參數九—局部質量發明原理中第（1）條將物體或環境的均勻結構變成不均勻結構；第（2）條使組成物體的不同部分完成不同的功能；第（3）條使組成物體的每一部分都最大限度地發揮作用。經過分析查閱沖突矩陣，得到如下發明原理（表10）。得到方案一：改變塔內單裝脫硫劑的籠統裝填方式，優選出“惰性瓷球+活性炭+脫硫劑”分層交替裝填的方式。其中，惰性瓷球降低了氣體偏流造成的脫硫劑反應面積小現象發生；活性炭對天然氣油、水吸附效果明顯，基本解決了脫硫劑板結情況；脫硫劑與硫化氫接觸反應；實現采氣期，脫硫塔內脫硫劑、活性炭與惰性瓷球完成不同脫硫功能。依據No.40 項參數—復合材料發明原理，第（1）條：將材質單一的材料改為復合材料得到方案二：活性炭脫硫劑一體化結構。

表10 參數與對應發明原理Tab.10 Parameters and corresponding invention principles

3.2.2 物理沖突解決過程

（1）沖突描述。為了“在脫硫塔內改裝小粒徑脫硫劑增加顆粒之間空隙”，需要“脫硫劑體積”參數為“小”，但又為了“保證脫硫劑的抗板結強度”，需要“脫硫劑體積”為參數“大”，即：脫硫劑體積既要“大”又要“小”。

（2）參數考慮“脫硫劑體積”在不同的“條件上”（空間上、時間段、不同條件下、系統層次上）具有不同的特性，因此該沖突可以從“條件”（空間、時間、條件、整體與部分）上進行分離。選用第4 條分離原理（空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分分離）當中的“基于條件的分離”原理，依據No.28 項參數—機械系統的替代發明原理中第（3）條將固定場變為移動場，將靜態場變為動態場，將隨機場變為確定場。得到解決方案一：在塔內加上一根電動循環攪拌桿裝置，工作間隙讓脫硫劑流動起來，減少脫硫劑與硫化氫反應過程中殘余油和水干擾造成的脫硫劑板結，提高脫硫劑與硫化氫接觸面積和反應程度。

3.2.3 物場分析及76個標準解應用

首先建立問題的物質—場模型（圖6），即脫硫劑對硫化氫化學反應不充分，為一種不足作用過程。根據所建問題的物質—場模型，應用標準解解決流程，得到標準解為No.63 項參數—引入物質，假如環境因素不允許大量使用某種材料，即使用對環境無影響的東西。依據選定的標準解，得到問題的解決方案一：為了提高脫硫劑表面與硫化氫接觸面積，引入新物質惰性瓷球和硅膠吸附劑，惰性瓷球降低了氣體偏流造成的脫硫劑反應面積小現象發生，硅膠則吸附掉天然氣殘余油和水。改進之后的物質—場模型如右圖7所示。

圖6 改進前物質—場模型Fig.6 Substance-field model before improvement

圖7 改進后物質—場模型Fig.7 Substance-field model after improvement

4 解決方案

基于TRIZ 中的沖突解決理論和物場模型兩大核心工具綜合分析應用，初步獲取問題的解決方案7 個（表11）。進一步與含硫化氫儲氣庫實際情況相結合得到了1個最優的方案4（表11），即最終解優化塔內單裝脫硫劑的籠統裝填方式，創新提出“瓷球+活性炭+脫硫劑”分層交替裝填的方式（表12）。該裝填方式為國內首家研究并使用，主要填充參數如下：①瓷球鋪墊塔頂與塔底部，用量為1∶2；②活性炭與脫硫劑呈現交替裝填，用量為1∶4；③累計裝填物高度達到9 694 mm（表12）。

表11 解決方案匯總Tab.11 Summary of solutions

表12 塔內填充物情況Tab.12 Filling condition in the tower

5 效果評價

通過應用創新脫硫工藝方式前后硫容參數對比表明，脫硫劑硫容較之前有明顯提高（由8%提高至16%）（圖8），單套塔處理含硫化氫天然氣量由3 000×104m3/d提升至5 500×104m3/d。X含硫化氫儲氣庫工作氣量和季節調峰能力大幅提高，2020—2021 年采氣周期日均采氣量達由120×104m3/d（2019—2020 年采氣周期）提高到180×104m3，且裝填脫硫劑作業批次減少，由6 次減少為4 次，有效地發揮了儲氣庫自身儲采功能，極大地保障了經濟社會發展能源安全供應。

圖8 運行周期硫容對比Fig.8 Sulfur capacity comparison during operation period

6 結論

本文基于TRIZ 對天然氣中硫化氫處理系統進行創新方案設計，主要采用TRIZ 中的沖突解決、物場模型兩大核心工具進行方案優選，與含硫化氫儲氣庫實際運行情況相結合最終應用創新原理No.3項參數—局部質量，得到最優方案，即脫硫塔內“惰性瓷球+活性炭+脫硫劑”分層交替裝填的干法脫硫工藝方式，基本解決了脫硫劑板結泥化情況，降低了脫硫劑偏流現象發生的可能性，脫硫劑硫容明顯提高?？紤]我國儲氣庫建設處于初級發展階段，國內一些大型油氣田因采出流體中含有H2S 氣體，在改建儲氣庫庫址篩選及運行方面存在安全隱患而面臨選庫困難的問題，本工藝則對國內含硫型油氣藏改建儲氣庫運行提供一定參考。