TRIZ在提高含硫化氢储气库脱硫硫容中的应用*

赵杰

中国石油华北石油管理局有限公司河北储气库分公司

TRIZ（即发明问题解决理论）是1946 年由前苏联发明家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）为首的科研团队通过全面分析全球范围内约250 万份高水平专利，提炼总结出的各种技术发展进化遵循的规律模式及有效解决各种工程技术矛盾的创新原理和法则。主要包括9 大经典理论体系：①技术系统进化法则；②40 条发明原理；③物质-场模型；④发明问题的标准解系统；⑤科学效应知识库；⑥矛盾矩阵；⑦物理矛盾分析法；⑧最终理想解（FIR）；⑨发明问题解决算法（ARIZ）[1]。TRIZ发展至今，主要有两层次涵义，表面上强调解决实际问题尤其是解决发明问题，本质上则是通过解决发明问题而最终实现技术和管理持续创新。在过去几十年的人类各领域实践中，TRIZ 解决了一系列不同行业的工程技术类问题[2]。利用TRIZ，周科平[3]等解决了我国传统采矿方法中存在的缺陷问题；赵锋[4]等创新提出国内城市公共空间应急避难设施的思路；赵昊昱[5]等创新发明滚筒洗衣机柔顺剂单个三角棱柱供给装置；魏奇锋[6]等设计了生物医学仪器中呼吸气体采样富集装置；刘志峰[7]等获取了产品零部件可拆卸的两种方法；赵文燕[8]等优化了管理流程；李萌[9]进行了产品概念设计；吕桂志[10]则对钢丝绳电动葫芦导绳器进行了全面优化设计。综上表明，TRIZ 理论已逐步被应用于国内的矿山、机械、医学、管理以及产品等诸多行业中，且正朝着更加广泛领域延伸发展。本文针对国内X含硫化氢地下储气库脱硫硫容偏低的问题，基于TRIZ 开展综合创新方案设计并应用实施以提高其安全运行效率。

1 含硫化氢储气库脱硫运行现状

1.1 硫化氢含量分析

X 储气库为含硫气藏（含底水、带油环含硫化氢潜山凝析气藏）改建而成，原始气藏硫化氢质量浓度为570～1 300 mg/m3。对该储气库采气期不同阶段采出的天然气样品进行组分化验，证实储层采出天然气中仍富存H2S 有毒气体，尤其是在采气末期单井采出天然气中H2S质量浓度仍高达1 100 mg/m3（表1）。注采井采出气若不脱硫，则给储气库外输安全和气质达标（表2）均造成不利影响[11-12]。

表1 X储气库注采井采气期天然气中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 外输天然气技术指标（GB 17820—2018）Tab.2 Technical index of exporting natural gas（GB 17820—2018）

1.2 存在问题

由于湿法脱硫存在废水处理问题，早期还具有投资大、运行费用高的特点，因此，X 储气库脱硫工艺采用干法脱硫。该套工艺主要是在储气库地面抗硫集输管汇的基础上配备两套干法脱硫装置（图1）[11-12]。目前X 储气库共有两套脱硫塔装置，每套塔分为2 组共计8 塔，组与组之间只能并联运行，每组内2 塔可串可并。单套塔处理天然气能力为250×104m3/d，当每套塔出口硫化氢质量浓度达到6 mg/m3时，停止运行更换脱硫剂并切换至另一套塔运行。在储气库采气期前，提前在脱硫塔内笼统装填氧化铁脱硫剂，工作原理流程为进入采气期，注采井采出的含硫化氢天然气通过脱硫塔进气口进入脱硫塔，实现常温下与塔内氧化铁脱硫剂化学反应（FeXOY+H2S →FeS+H2O），实现采出天然气脱硫达标后外输[11-12]。

图1 X储气库脱硫塔装置Fig.1 Desulfurization tower device in X Gas Storage

在储气库采气期（每年11 月15 日～次年3 月14 日）调峰保供气量需求较大。在整个采出天然气中硫化氢处理过程中，X 储气库作为含底水带油环的凝析气藏，由于从凝析气藏中采出的含硫化氢天然气在经三相分离器分离后还会残留一部分的水与凝析油，这部分油水混合物进入脱硫塔内对脱硫剂产生污染，容易产生脱硫剂的板结和泥化等反应不充分问题，造成脱硫硫容（硫容=脱除含硫化氢天然气中的硫化氢质量/塔内装填的原始脱硫剂质量×100%）降低[11-12]，降低了脱硫剂的使用寿命。同时，储气库高速采气过程中脱硫塔内脱硫剂还遭受采出气量波动急剧偏流而导致反应不充分，也制约了脱硫剂反应效率。

2 基于TRIZ的问题研究

TRIZ 作为发明问题解决问题的先进理论，其通用原理流程为：寻找并提出问题—分析问题（功能分析、因果分析、冲突分析、理想解分析、可用资源分析5 点分析法）工具选择并提出初步解决方案—方案细化（结构、造型、物质材料等）—解决方案的评价—实施。该流程遵循TRIZ 解决工程问题的一般步骤，从产品分析入手发现问题，问题分析寻求最优理想解，逐层深入最终产生可行的解决方案。结合现有技术系统工作状况，明确出该问题所在技术系统为天然气中硫化氢处理系统。该技术系统的主要功能为分离天然气中的硫化氢。实现该功能的约束条件主要包括安全性和可靠性。

2.1 功能分析的应用

基于TRIZ 功能分析的设计原则，通过系统总结现有天然气中硫化氢处理系统设计中功能的基本状态，划分出超系统元件—脱硫塔装置、系统元件以及制品—天然气（表3）。在此基础上精细化分析系统各元件之间作用关系（表4），确定出天然气中硫化氢处理系统各功能、功能类型，对不同功能性能水平进行评价（不足、正常、有害等）（表5），建立出已有系统的功能模型（图2）。

图2 已有系统的功能模型Fig.2 Functional models of existing systems

表3 天然气中硫化氢处理系统分析Tab.3 System analysis of hydrogen sulfide treatment system in natural gas

表4 天然气中硫化氢处理系统各组件作用关系分析Tab.4 Action relationship analysis of components of hydrogen sulfide treatment system in natural gas

表5 天然气中硫化氢处理系统功能Tab.5 Function of hydrogen sulfide treatment system in natural gas

基于TRIZ，通过功能模型分析描述了系统元件及其之间的相互关系，并得出导致硫容降低的10条功能模型问题详细描述（表6）。

表6 系统中已有的功能模型中问题统计Tab.6 Problem statistics of existing functional models in the system

2.2 因果分析与冲突区域确定的应用

基于TRIZ 中的因果链分析法分析导致天然气中硫化氢处理系统脱硫硫容低的间接原因、关键原因（图3），通过因果关系分析推导确定产生问题的冲突区域关键原因有2 个：凝析油和水造成脱硫剂泥化、板结脱硫剂表面与硫化氢接触面积小（表7）。

图3 因果链分析流程Fig.3 Causal chain analysis process

表7 因果链分析法关键原因统计Tab.7 Key cause statistics of causal chain analysis method

2.3 理想解与可用资源的应用

为长期满足下游用气客户使用清洁安全纯净的天然气需求，结合X储气库目前实际运行状态即储气库注采井采出天然气中含有杂质和硫化氢，采出天然气不脱硫就很难满足客户清洁安全的天然气需求。实现理想解的过程是必须脱硫除硫化氢和杂质，否则就不能满足客户清洁安全的天然气需求。依据理想解分析初步得到问题的解决思路为优化脱硫装填工艺。TRIZ 中关于可用资源分析过程，主要是系统内部资源和系统外部资源分析。主要围绕系统的物质资源、场资源开展综合分析对系统的资源名称、可用属性参数、方案及可用性评估评价（表8），为问题有效解决提供资源评价依据。

表8 系统资源分析Tab.8 System resource analysis

3 冲突解决理论和物场模型的应用

冲突解决理论和物场模型作为TRIZ 问题创新求解两大核心工具，在各类工程技术创新中应用极为广泛。冲突解决理论其类型划分为技术冲突和物理冲突。TRIZ 借助39 个通用技术参数来将一个具体的技术冲突问题转化为标准的TRIZ 问题，然后通过发明原理来解决该技术冲突问题。物理冲突则是采用四大分离原理（空间、时间、条件、整体与部分上进行分离）解决[13]。TRIZ 中的另一种重要的问题分析方法是物场模型分析，是将系统功能分解为两种物质（S1，S2）以及一种场（F）的三元素构成，物质之间通过场相互作用实现某种特定的功能。关于物—场分析模型的类型主要包含4 类：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有用但过度的相互作用模型；④有害的相互作用模型。物场分析流程是在建立涉及系统的物场模型基础上，然后根据物场模型的作用类型并应用TRIZ 提供的76 个标准解来解决问题。物场模型能够客观清晰地表达系统的功能模型，摸清各功能部件之间的联系以及系统所存在的问题[13]。生产实践应用中人们往往将TRIZ 冲突解决理论和物场模型两者综合应用以提高获取问题解的效率和质量。

3.1 入手点的冲突解决理论和物场模型

3.1.1 技术冲突解决过程

（1）冲突描述。为了减少被凝析油和水泥化、板结的脱硫剂的质量，通过在脱硫塔进气口前端加装一套三相分离器装置对原三相分离器分离出的残余凝析油和水再次分离进一步降低凝析油和水进塔含量，但这样做将导致脱硫系统装置结构复杂。

（2）转换成TRIZ 标准冲突。基于TRIZ 冲突解决理论和技术冲突矩阵图谱中涉及的39 个通用技术参数与技术冲突过程分析认为，能解决该问题改善的参数为39 个工程参数中的No.1 项参数—运动物体的重量；恶化的参数为39 个工程参数中的No.36 项参数—装置的复杂性。经过分析查阅冲突矩阵，得到如下发明原理见表9。依据No.26 项参数—复制发明原理第（1）条用简单的、低廉的复制品代替复杂的、昂贵的、易碎的或不易操作的物体，得到方案一：通过对原三相分离器气相出口安装廉价的氯化钙干燥剂盒子，利用氯化钙除湿干燥性降低天然气中残余油和水的含量。

表9 冲突矩阵参数与对应发明原理Tab.9 Conflict matrix parameters and corresponding invention principles

3.1.2 物理冲突解决过程

（1）冲突描述。为“进一步降低凝析油和水进塔含量”，需要“脱硫工艺装置”为“有”，但又为了“降低装置复杂程度”，需要“脱硫工艺装置”为“无”，即脱硫工艺装置既要“有”又要“无”。

（2）参数考虑“脱硫工艺装置数量”在不同的“条件”（空间上、时间段、不同条件下、系统层次上）具有不同的特性，因此该冲突可以从“条件”（空间、时间、条件、整体与部分）上进行分离。选用4 条分离原理（空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分分离）当中的“基于条件分离”原理，依据No.35 参数变化发明原理中第（2）条改变物体的浓度或黏度得到解决方案一：在脱硫塔进气口前端加装前置传感器（配备活性炭模块），依据信号识别输出残余油和水的含量参数，灵活调整活性炭使用量降低进塔前含硫化氢天然气中残余油和水的浓度。

3.1.3 物场分析及76个标准解应用

首先建立问题的物质—场模型（图4），即残余油和水对脱硫剂黏结力，为一种有害作用过程；根据所建问题的物质—场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为：No.63 项参数—引入物质，即假如环境不允许大量使用某种材料，使用对环境无影响的东西。依据选定的标准解，得到问题的解决方案一：为了减少脱硫塔内被凝析油和水泥化、板结的脱硫剂的质量，引入与脱硫塔内径匹配的抗硫化氢腐蚀的铁网支架，并在该支架上铺设新物质活性炭，吸附掉残余油和水。改进之后的物质—场模型如图5所示。

图4 残余油和水对脱硫剂黏结的改进前物质—场模型Fig.4 Substance-field model of the adhesion of residual oil and water to desulfurizers(before improvement)

图5 残余油和水对脱硫剂黏结的改进后物质—场模型Fig.5 Substance-field model of the adhesion of residual oil and water to desulfurizers(after improvement)

3.2 脱硫剂表面与硫化氢接触面积小的冲突解决理论和物场模型

3.2.1 技术冲突解决过程

（1）冲突描述。为提高脱硫剂表面与硫化氢接触面积，通过在脱硫塔内改装小粒径脱硫剂增加颗粒之间空隙，但这样做会加剧脱硫塔内残余油和水造成脱硫剂板结程度变化，脱硫剂强度降低。

（2）转换成TRIZ 标准冲突。基于TRIZ 冲突解决理论和技术冲突矩阵图谱中涉及的39 个通用技术参数与技术冲突过程分析认为，能解决该问题改善的参数为39 个工程参数中的No.5 项参数—运动物体的面积；恶化的参数为39 个工程参数中的No.14 项参数—强度。依据No.3 项参数九—局部质量发明原理中第（1）条将物体或环境的均匀结构变成不均匀结构；第（2）条使组成物体的不同部分完成不同的功能；第（3）条使组成物体的每一部分都最大限度地发挥作用。经过分析查阅冲突矩阵，得到如下发明原理（表10）。得到方案一：改变塔内单装脱硫剂的笼统装填方式，优选出“惰性瓷球+活性炭+脱硫剂”分层交替装填的方式。其中，惰性瓷球降低了气体偏流造成的脱硫剂反应面积小现象发生；活性炭对天然气油、水吸附效果明显，基本解决了脱硫剂板结情况；脱硫剂与硫化氢接触反应；实现采气期，脱硫塔内脱硫剂、活性炭与惰性瓷球完成不同脱硫功能。依据No.40 项参数—复合材料发明原理，第（1）条：将材质单一的材料改为复合材料得到方案二：活性炭脱硫剂一体化结构。

表10 参数与对应发明原理Tab.10 Parameters and corresponding invention principles

3.2.2 物理冲突解决过程

（1）冲突描述。为了“在脱硫塔内改装小粒径脱硫剂增加颗粒之间空隙”，需要“脱硫剂体积”参数为“小”，但又为了“保证脱硫剂的抗板结强度”，需要“脱硫剂体积”为参数“大”，即：脱硫剂体积既要“大”又要“小”。

（2）参数考虑“脱硫剂体积”在不同的“条件上”（空间上、时间段、不同条件下、系统层次上）具有不同的特性，因此该冲突可以从“条件”（空间、时间、条件、整体与部分）上进行分离。选用第4 条分离原理（空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分分离）当中的“基于条件的分离”原理，依据No.28 项参数—机械系统的替代发明原理中第（3）条将固定场变为移动场，将静态场变为动态场，将随机场变为确定场。得到解决方案一：在塔内加上一根电动循环搅拌杆装置，工作间隙让脱硫剂流动起来，减少脱硫剂与硫化氢反应过程中残余油和水干扰造成的脱硫剂板结，提高脱硫剂与硫化氢接触面积和反应程度。

3.2.3 物场分析及76个标准解应用

首先建立问题的物质—场模型（图6），即脱硫剂对硫化氢化学反应不充分，为一种不足作用过程。根据所建问题的物质—场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为No.63 项参数—引入物质，假如环境因素不允许大量使用某种材料，即使用对环境无影响的东西。依据选定的标准解，得到问题的解决方案一：为了提高脱硫剂表面与硫化氢接触面积，引入新物质惰性瓷球和硅胶吸附剂，惰性瓷球降低了气体偏流造成的脱硫剂反应面积小现象发生，硅胶则吸附掉天然气残余油和水。改进之后的物质—场模型如右图7所示。

图6 改进前物质—场模型Fig.6 Substance-field model before improvement

图7 改进后物质—场模型Fig.7 Substance-field model after improvement

4 解决方案

基于TRIZ 中的冲突解决理论和物场模型两大核心工具综合分析应用，初步获取问题的解决方案7 个（表11）。进一步与含硫化氢储气库实际情况相结合得到了1个最优的方案4（表11），即最终解优化塔内单装脱硫剂的笼统装填方式，创新提出“瓷球+活性炭+脱硫剂”分层交替装填的方式（表12）。该装填方式为国内首家研究并使用，主要填充参数如下：①瓷球铺垫塔顶与塔底部，用量为1∶2；②活性炭与脱硫剂呈现交替装填，用量为1∶4；③累计装填物高度达到9 694 mm（表12）。

表11 解决方案汇总Tab.11 Summary of solutions

表12 塔内填充物情况Tab.12 Filling condition in the tower

5 效果评价

通过应用创新脱硫工艺方式前后硫容参数对比表明，脱硫剂硫容较之前有明显提高（由8%提高至16%）（图8），单套塔处理含硫化氢天然气量由3 000×104m3/d提升至5 500×104m3/d。X含硫化氢储气库工作气量和季节调峰能力大幅提高，2020—2021 年采气周期日均采气量达由120×104m3/d（2019—2020 年采气周期）提高到180×104m3，且装填脱硫剂作业批次减少，由6 次减少为4 次，有效地发挥了储气库自身储采功能，极大地保障了经济社会发展能源安全供应。

图8 运行周期硫容对比Fig.8 Sulfur capacity comparison during operation period

6 结论

本文基于TRIZ 对天然气中硫化氢处理系统进行创新方案设计，主要采用TRIZ 中的冲突解决、物场模型两大核心工具进行方案优选，与含硫化氢储气库实际运行情况相结合最终应用创新原理No.3项参数—局部质量，得到最优方案，即脱硫塔内“惰性瓷球+活性炭+脱硫剂”分层交替装填的干法脱硫工艺方式，基本解决了脱硫剂板结泥化情况，降低了脱硫剂偏流现象发生的可能性，脱硫剂硫容明显提高。考虑我国储气库建设处于初级发展阶段，国内一些大型油气田因采出流体中含有H2S 气体，在改建储气库库址筛选及运行方面存在安全隐患而面临选库困难的问题，本工艺则对国内含硫型油气藏改建储气库运行提供一定参考。