克勞斯尾氣脫硫中自控系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)用

石中文, 宗學(xué)軍, 陳 斌, 姜雪原, 紀(jì)良漢

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧沈陽 110142)

克勞斯尾氣脫硫中自控系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)用

石中文, 宗學(xué)軍, 陳 斌, 姜雪原, 紀(jì)良漢

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧沈陽 110142)

以化工生產(chǎn)過程的克勞斯尾氣脫硫為背景,針對尾氣脫硫中的微孔過濾器人工操作的高危險性和低效率,采用高效的自動控制邏輯,提高控制效率和操作安全性;在氨水配置中由于擾動大,精確度要求高,手動操作難以滿足工藝要求,因此,采用改進(jìn)型積分分離的雙閉環(huán)比值控制,實現(xiàn)氨水流量的精確控制;針對蒸發(fā)結(jié)晶器 X0301溫度控制中出現(xiàn)的裝置熱熔性強(qiáng)、系統(tǒng)遲滯嚴(yán)重等實際狀況,以自動控制系統(tǒng)為平臺,采用 Smith預(yù)估器進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化控制算法,經(jīng)過現(xiàn)場測試,達(dá)到了預(yù)期效果.控制系統(tǒng)解決了尾氣脫硫中單純通過工藝無法克服的難題,提高了脫硫效率和亞硫酸銨副產(chǎn)品的產(chǎn)出率,降低了出口煙氣硫含量.

克勞斯尾氣脫硫; 積分分離; 順序控制; 雙閉環(huán)比值控制; 史密斯預(yù)估器

硫回收裝置在二硫化碳的生產(chǎn)中既是生產(chǎn)裝置又是環(huán)保裝置,處在一個十分特殊的地位.在氨法脫硫中,微孔過濾器的操作存在高危險性,以及在脫硫工藝的關(guān)鍵部位:氨水的配置上要求精度高,抗擾動能力強(qiáng),溫度控制準(zhǔn)確.而且針對上述問題,以往的控制算法并沒有很好地解決這一問題,本文以此為背景,突破傳統(tǒng)控制技術(shù),采用高效控制邏輯和優(yōu)化的控制技術(shù) (包括利用史密斯預(yù)估器)來實現(xiàn)克勞斯(Claus)尾氣中硫的高效率回收.

1 工藝原理

目前,工業(yè)應(yīng)用的煙氣脫硫技術(shù)可分為干法(含半干法)脫硫和濕法脫硫.干法脫硫是使用固體吸收劑、吸附劑或催化劑除去廢氣中的SO2,常用的方法有活性炭吸附法、分子篩吸附法、氧化法和金屬氧化物吸收法等.干法脫硫的最大優(yōu)點是治理中無廢水、廢酸的排出,減少了二次污染;缺點是脫硫效率低,設(shè)備龐大.濕法脫硫采用液體吸收劑洗滌煙氣以除去 SO2,常用的方法有石灰石/石膏法、鈉堿吸收法、氨吸收法、鋁法、催化氧化和催化還原法等.濕法脫硫所用設(shè)備比較簡單,操作容易,脫硫效率高[1-3].本工藝系統(tǒng)采用氨法脫硫技術(shù),對二硫化碳生產(chǎn)車間的尾氣排放建立一套濕式氨法煙氣脫硫裝置,設(shè)計目標(biāo)在工況下進(jìn)行全氨氣脫硫[4].整個工藝流程系統(tǒng)簡圖如圖 1所示.

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow diagram

2 控制系統(tǒng)

CPU單元采用 S7-300家族中功能強(qiáng)大的317-2DP,I/O模塊選用分布式 ET200M系列, MI153-1接口模塊用于與 PROF IBUS-DP或 PROF INET現(xiàn)場總線的連接 ,通訊采用 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),適用于化工工業(yè)系統(tǒng),傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線[5-6].

2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖 2為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖.網(wǎng)絡(luò)圖為尾氣脫硫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊圖,其中 PROF IBUS(1)用 317-2DP的DP網(wǎng)絡(luò)接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,在 PROFIBUS(1)上的設(shè)備有觸摸屏 OP177B,2個 ET200分布式 I/O,以及 CPU317-2DP.PROF IBUS(1)功能為實現(xiàn)CPU317-2DP控制站與2個分布式 I/O即 153-1以及觸摸屏OP177B實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換.

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 順序控制系統(tǒng)及連鎖保護(hù)

(1)順序控制系統(tǒng)

在硫酸銨分離工藝系統(tǒng)中,由于副產(chǎn)品硫酸銨中含有少量的單質(zhì)硫磺顆粒,為提高產(chǎn)品質(zhì)量,獲得純度高的硫酸銨晶體,需要微孔過濾器進(jìn)行硫酸銨晶體過濾,整個過濾過程靠人工進(jìn)行操作,工藝要求苛刻,這一過程危險性高且效率低.基于此對過濾采取高效控制邏輯算法,不需要人的干預(yù).在控制流程中,嵌入當(dāng)生產(chǎn)意外發(fā)生時的微孔過濾器緊急切斷系統(tǒng),以保護(hù)生產(chǎn)設(shè)

圖 2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Control system network

2.1 控制系統(tǒng)硬件簡介備和人身安全;當(dāng)系統(tǒng)任何一階段在運行過程中出現(xiàn)異常,系統(tǒng)自動報警,操作人員收到信息可立即操作緊急停止按鈕,實現(xiàn)保護(hù)人身安全及生產(chǎn)安全.其控制流程如圖 3所示.

圖 3 順序控制流程框圖Fig.3 Sequencing control flow diagram

(2)連鎖保護(hù)

(一)在煙氣工藝系統(tǒng)中,脫硫原煙氣(15 000 m3/h)從原混凝土煙道經(jīng)擋板門(F0101)、增壓風(fēng)機(jī) (C0101)進(jìn)入濃縮塔(T0102),最后通過脫硫塔將干凈煙氣排入大氣.由于煙道是否暢通對設(shè)備和人的安全有很大影響,必須要有連鎖保護(hù),正常情況下,煙氣走循環(huán)處理系統(tǒng),但一旦出現(xiàn)通道故障,則由控制系統(tǒng)檢測后自動切換到安全通道,整個過程不需要人的干預(yù),控制系統(tǒng)通過繼電器輸出控制旁路擋板門(F0102)(執(zhí)行機(jī)構(gòu):電動蝶閥)去執(zhí)行打開動作,以便煙氣順利排入大氣,對設(shè)備和人身安全起到保護(hù)作用.

(二)增壓風(fēng)機(jī)連鎖保護(hù):在煙氣系統(tǒng)中,為使增壓風(fēng)機(jī)確保煙氣克服煙道阻力的影響,順利進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng),需要對其進(jìn)行連鎖保護(hù).在增壓風(fēng)機(jī)啟動不起來,或增壓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障時,則由控制系統(tǒng)檢測出增壓風(fēng)機(jī) C0101的關(guān)反饋或故障反饋信號,自動由系統(tǒng)通過繼電器輸出控制旁路擋板門 (F0102)(執(zhí)行機(jī)構(gòu):電動蝶閥)去執(zhí)行打開動作,以便煙氣順利排入大氣.

(三)垂直除霧器的連鎖保護(hù):在煙氣由濃縮塔進(jìn)入脫硫塔中時,煙氣溫度是一個非常重要的工藝參數(shù).溫度有一個正常的范圍,溫度過高則會對除霧器造成損害,而且對下一步的二氧化硫吸收也產(chǎn)生負(fù)面效果.在溫度控制中,由于實際設(shè)備安裝位置問題,工作人員無法對其控制,只能監(jiān)測.因此,基于這種狀況,由溫度變送器測量其通過垂直除霧器的溫度值,控制器通過設(shè)定值與實際值比較,去打開或者關(guān)閉繼電器,以實現(xiàn)垂直除霧器氣動切斷閥 S0102的開/關(guān),從而有效實現(xiàn)垂直除霧器的合理控制與保護(hù).

2.3.2 改進(jìn)型積分分離的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

在氨水制備工藝系統(tǒng)中,配置氨水溶液作為二氧化硫吸收劑時,氨水的配置是由液氨與廠區(qū)的工藝水根據(jù)工藝要求設(shè)計為比例系數(shù)為一定值,即K=1/4,配置成體積分?jǐn)?shù)為 20%的氨水.而且液氨的流量是動態(tài)變化的,是一個隨時間變化的函數(shù),且隨機(jī)性特別高,人工無法預(yù)測.由于氨水的流量控制在整個尾氣脫硫裝置中都具有極其重要的地位,必需要對氨水流量進(jìn)行精準(zhǔn)控制.流量的過大或者過小,都會影響對二氧化硫的吸收率.基于這種工藝要求的前提下,采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng),最終目的是保證進(jìn)入脫硫塔的氨水流量為一定值.其控制框圖如圖 4所示.

圖 4 比值控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Ratio control system diagram

改進(jìn)型積分分離的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中,控制器用積分項改進(jìn)的數(shù)字 P ID控制器.

改進(jìn)原因:雖然雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)克服了單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主控量的自發(fā)振蕩不能消除的缺點,但當(dāng)有較大的擾動或大幅度改變給定值時,存在較大的偏差,且系統(tǒng)有慣性和滯后,在積分項的作用下,會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動.

改進(jìn)思路:當(dāng)被控量和給定值偏差大時,取消積分控制,以免超調(diào)量過大;當(dāng)被控量和給定值接近時,積分控制投入,消除靜差.

在此雙閉環(huán)比值調(diào)節(jié)回路中,給定值由于擾動變化幅度頻繁,而且變化值時大時小,實際調(diào)試中單純采取的常規(guī) P ID控制效果不理想.根據(jù)現(xiàn)場實際情況,對先前的常規(guī) P ID進(jìn)行改進(jìn),采取積分項分離的數(shù)字 P ID控制:當(dāng)偏差較大時,不施加積分控制;當(dāng)偏差較小時,施加積分控制,即:

當(dāng) |e(t)|≥β采用 PD控制;當(dāng) |e(t)|≤β采用P ID控制.

式中:β為積分分離值,它可根據(jù)具體對象及系統(tǒng)設(shè)計要求來確定.實際中的β值選擇要適宜,若過大,則達(dá)不到積分分離的目的;若過小,一旦被控量無法跳出積分分離區(qū),只進(jìn)行 PD控制,將會出現(xiàn)殘差.在雙閉環(huán)比值控制回路中,選取的β值為設(shè)定值 0.1,經(jīng)過現(xiàn)場實際調(diào)試運行,控制效果比較理想,基本達(dá)到了工藝要求[7].

2.3.3 控制對象為純滯后的單回路溫度調(diào)節(jié)

在蒸發(fā)結(jié)晶器 X0301溫度的控制中,由于蒸發(fā)結(jié)晶器本身為一熱容系統(tǒng),延遲比較大,而且測量變送單元也存在一定的時間純延遲,在調(diào)試過程中,使用常規(guī) P ID調(diào)節(jié),導(dǎo)致被調(diào)參數(shù)的最大偏差增大,甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)下降,達(dá)不到工藝要求的效果.同時蒸發(fā)結(jié)晶器 X0301溫度的工藝要求比較苛刻,溫度控制的不及時在很大程度上影響硫酸銨晶體的質(zhì)量.因此,采用史密斯預(yù)估控制.控制框圖如圖 5所示.其基本公式如下:

圖 5 史密斯預(yù)估控制框圖Fig.5 Smith prediction control diagram

Smith預(yù)估補(bǔ)償方法的特點是以預(yù)先估計出過程在基本擾動下的動態(tài)特性,然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償,力圖使被延遲了τ的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器,使調(diào)節(jié)器提前動作,從而明顯地減少超調(diào)量,且加速調(diào)節(jié)過程,使控制質(zhì)量得到很大的改善.補(bǔ)償后,消除了純滯后部分的影響,而系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響,e-τs將控制作用推移了τ時間,系統(tǒng)特性與對象符合.將其應(yīng)用于蒸發(fā)結(jié)晶器X0301溫度的回路控制后,系統(tǒng)的動態(tài)性能和控制指標(biāo)得到改善,大大提高了控制效果,控制指標(biāo)基本上滿足了工藝要求.采用改進(jìn)算法前后的歷史數(shù)據(jù)趨勢圖如圖 6和圖 7所示.

圖 6 改進(jìn)前歷史數(shù)據(jù)趨勢圖Fig.6 Historical data diagram before modification

圖 7 改進(jìn)后歷史數(shù)據(jù)趨勢圖Fig.7 Historical data diagram aftermodification

3 運行結(jié)果

在系統(tǒng)投入運行且正常開車后,運行狀況良好.以自動控制系統(tǒng)為平臺,在自動控制系統(tǒng)的充分協(xié)調(diào)控制下,工藝設(shè)計基本達(dá)到設(shè)計的理想目標(biāo).控制系統(tǒng)優(yōu)化算法和高效控制邏輯的實施應(yīng)用,克服了尾氣脫硫中的微孔過濾器人工操作的危險性和低效率,改變了氨水配置精確度低、手動操作難以滿足實時的工藝要求的現(xiàn)狀,解決了溫度控制中出現(xiàn)的裝置熱熔性強(qiáng)、系統(tǒng)遲滯嚴(yán)重等工藝狀況;各種連鎖的投入,使得生產(chǎn)安全性和效率大大提高,節(jié)省了人力和物力.克勞斯尾氣中的二氧化硫含量已順利達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)濟(jì)效益和社會效益得到明顯提高.

[1] 唐達(dá)高.尾氣脫硫工藝技術(shù)方案的選擇[J].化工技術(shù)經(jīng)濟(jì),2006,24(6):42-46.

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[7] 俞金壽,蔣慰孫.過程控制工程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:62-69,106-108.

Optim ization and Application ofAutomatic Control System in Klaus ExhaustDesulfurization

SHI Zhong-wen, ZONG Xue-jun, CHEN B in, JIANG Xue-yuan, JIL iang-han

(Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang110142,China)

B ased on the background of chem ical process for the exhaust gas desulfurization confronted with low efficiency and high risk of m anual operation form icroporous filter,an efficient control logic is adopted to enhance the control efficiency and operation safety.In the configuration of Amm onia,strong disturbance,high accuracy,and m anual operation being not adaptively satisfied with the technological requirem ents,double closed loop ratio controlwith Integral separation is adopted,w hich has achieved precise control of amm onia w ater flow.A nd even for the bad tim e delay of crystallizer x0301temperature control system,taking advantage of autom atic control system as the platform,opt im izing the algorithm.Sm ith guesstim atio is employed to optim ize the algorithm.Through the testing in the field the expected results are attained.The control system is getting through the untackled chem ical puzzles.It improves desulfurized efficiency and the output of amm onium sulfate as by-product,and reduces the sulfur content of exported flue gas.

flue gas desulfurization; integral separation; sequence control; double closed loop ratio control; sm ith guesstim atio

TP273+.5

A

1004-4639(2010)04-0360-05

2010-07-08

石中文(1985-),男,山東滕州人,碩士研究生在讀,主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置的研究.

宗學(xué)軍(1970-),男,陜西西安人,副教授,碩士,主要從事機(jī)電一體化、過程控制與優(yōu)化的研究與應(yīng)用.