硫磺回收裝置反應(yīng)爐燃燒控制設(shè)計(jì)

袁國(guó)利，張文玥

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司 九江分公司，江西 九江 332004 ；2. 北京信息科技大學(xué)，北京 100192)

硫磺回收裝置反應(yīng)爐燃燒控制設(shè)計(jì)

袁國(guó)利1，張文玥2

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司 九江分公司，江西 九江 332004 ；2. 北京信息科技大學(xué)，北京 100192)

針對(duì)硫磺回收裝置反應(yīng)爐的工藝特點(diǎn)，采用配風(fēng)前饋-反饋控制方案，通過(guò)調(diào)節(jié)主燃燒室風(fēng)量的大小，確保了酸性氣和空氣達(dá)到合適的比例，進(jìn)而控制反應(yīng)爐爐膛溫度，有效地提高了硫的轉(zhuǎn)化率。闡述了硫磺反應(yīng)爐的主風(fēng)控制和次風(fēng)控制方案的實(shí)現(xiàn)方式，硫磺反應(yīng)爐燃燒控制確保了酸性氣反應(yīng)爐溫度控制的穩(wěn)定，提高了酸性氣中硫化氫的轉(zhuǎn)化率，實(shí)際應(yīng)用表明： 硫磺反應(yīng)爐配風(fēng)控制方案比較合理，控制效果良好。

硫磺回收 控制方案 前饋反饋 轉(zhuǎn)化率

硫磺回收裝置反應(yīng)爐燃燒控制是硫磺反應(yīng)的關(guān)鍵，通過(guò)控制主燃燒室風(fēng)量的大小可確保酸性氣和空氣達(dá)到理想的比例，控制反應(yīng)爐爐膛溫度，有效地提高硫的轉(zhuǎn)化率。如果主燃燒室空氣不足或者空氣過(guò)量都將導(dǎo)致Claus工段硫回收減少。

某硫磺回收裝置采用部分燃燒法，使酸性氣在燃燒爐內(nèi)燃燒，其中的NH3和烴類組分被完全分解，而H2S不完全燃燒，約60%～65%直接轉(zhuǎn)化成單質(zhì)S，其余的H2S約有33%轉(zhuǎn)化為SO2，H2S和SO2在催化劑條件下發(fā)生低溫Claus反應(yīng)。

1 硫磺反應(yīng)爐配風(fēng)控制方案

基于環(huán)保排放的要求，硫磺回收裝置煙氣中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)受到嚴(yán)格控制，這就要求硫磺回收裝置反應(yīng)爐的配風(fēng)控制更加精確和穩(wěn)定。硫磺回收裝置酸性氣的來(lái)源主要有3號(hào)硫磺連通線(煉油老區(qū))、煤制氫、3號(hào)污水汽提、1號(hào)溶劑再生、2號(hào)溶劑再生和硫磺回收自身溶劑再生等裝置。由于酸性氣來(lái)源較為復(fù)雜，受上游裝置波動(dòng)影響較大，造成進(jìn)入硫磺回收裝置的酸性氣流量波動(dòng)，普通PID控制無(wú)法精確地控制空氣流量，因而引入前饋-反饋控制。

燃燒空氣由酸性氣反應(yīng)爐鼓風(fēng)機(jī)供給，進(jìn)入主燃燒器的全部燃燒空氣被分成2路： 主風(fēng)和次風(fēng)。主風(fēng)管路設(shè)置流量控制閥，根據(jù)酸性氣流量前饋比例調(diào)節(jié)主空氣流量，次風(fēng)管路也設(shè)置流量控制閥，根據(jù)設(shè)置在尾氣捕集器出口過(guò)程氣管線上的H2S/2SO2在線比值分析儀調(diào)節(jié)次風(fēng)流量控制閥的開度?？刂频哪繕?biāo)是使捕集器出口過(guò)程氣中φH2S-2φSO2=0。

1.1硫磺反應(yīng)爐的次風(fēng)控制

1.1.1次風(fēng)控制原理

反應(yīng)爐次風(fēng)控制主要是對(duì)反應(yīng)爐的配風(fēng)量控制起到微調(diào)作用，保證反應(yīng)爐內(nèi)H2S/2SO2摩爾比的值達(dá)到最佳比例。控制原理如圖1所示，采用串級(jí)控制，其中尾氣捕集器后H2S/2SO2比值控制為主回路，控制器為AIC60601；H2S/2SO2比值分析儀的測(cè)量值A(chǔ)T60601作為主回路的反饋。次風(fēng)流量調(diào)節(jié)為副回路，控制器為FIC60203A；次風(fēng)流量經(jīng)過(guò)溫度和壓力補(bǔ)償后作為副回路的反饋。

反應(yīng)爐次風(fēng)控制是典型的串級(jí)控制回路，主回路和副回路均為PID控制。根據(jù)工藝特性分析，確定主回路控制器為正作用，副回路控制器為反作用，風(fēng)量控制蝶閥為氣開閥(FC)。主回路控制器AIC60601的輸出作為副回路FIC60203A的給定，即副回路FIC60203A的輸入由AIC60601的輸出決定，通過(guò)控制器FIC60203A的輸出實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)次風(fēng)控制蝶閥FV60203A。

現(xiàn)場(chǎng)φH2S/2φSO2比值高于理想設(shè)定值1時(shí)，反饋信號(hào)AT60601增大，控制器PV值增加，正作用控制器AIC60601的輸出增大，副控制器FIC60203A的給定值變大，測(cè)量值減去給定值的偏差變小，反作用副控制器的輸出增大，F(xiàn)V60203A 開大。反之，現(xiàn)場(chǎng)φH2S/2φSO2測(cè)量值變小時(shí)，反饋信號(hào)AT60601的PV值減小，反作用控制器AIC60601的輸出減小，則副控制器FIC60203的給定值減小，測(cè)量值與給定值的偏差增大，反作用副控制器輸出減少，F(xiàn)V60203A關(guān)小，造成風(fēng)量減少，φH2S/2φSO2比值增大，通過(guò)PID控制達(dá)到新的平衡狀態(tài)，滿足工藝控制要求。

由于φH2S/2φSO2的比值是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比值分析儀測(cè)量并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)送到DCS參與顯示及控制的，可通過(guò)φH2S-2φSO2來(lái)替代φH2S/2φSO2比值。原有的控制方案采用φH2S/2φSO2的比值直接控制次風(fēng)量，由于φH2S/2φSO2的比值有時(shí)會(huì)很大，工藝參數(shù)波動(dòng)較大，控制效果不好，改成φH2S-2φSO2的差值后，一般要求設(shè)定值為零，控制器給定值幅度較小，控制效果得到了明顯提升。

圖1 硫磺反應(yīng)爐次風(fēng)控制原理示意

1.1.2次風(fēng)控制方案的實(shí)現(xiàn)

該公司2套70kt/a硫磺回收裝置控制系統(tǒng)均為ECS-700系統(tǒng)，反應(yīng)爐燃燒控制是通過(guò)PID控制模塊實(shí)現(xiàn)，具體程序如圖2所示。

如圖2所示，次風(fēng)流量FT60203A/B分別經(jīng)過(guò)溫度和壓力補(bǔ)償運(yùn)算后，通過(guò)1個(gè)選擇模塊0256_SEL_FT60203AB，進(jìn)行選擇流量FT60203A/FT60203B控制，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，方便操作人員進(jìn)行FT60203A/B 2路儀表的切換，確保生產(chǎn)操作穩(wěn)定。選擇后的流量變量為FY60203A/B，作為副回路FIC60203A的測(cè)量反饋值；AIC60601控制器的MV值與FIC60203A的串級(jí)引腳CSV相連，作為副控制器FIC60203A的給定值。同時(shí)程序還與硫磺裝置SIS相關(guān)聯(lián)，當(dāng)Claus單元聯(lián)鎖停車時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)給DCS，接至FIC60203A控制模塊的SWTR引腳，該引腳為PID控制的跟蹤引腳，當(dāng)變量觸發(fā)變?yōu)椤?”的時(shí)候會(huì)使控制器輸出為零，關(guān)閉次風(fēng)控制蝶閥FV60203A，確保反應(yīng)爐F601的安全和硫磺裝置的安全。

1.2硫磺反應(yīng)爐主風(fēng)控制

1.2.1主風(fēng)控制原理

主燃燒空氣控制是根據(jù)硫磺回收裝置設(shè)計(jì)的要求，提供酸性氣燃燒所需足夠的氧，確保其中的NH3和烴類組分被完全分解，部分H2S不完全燃燒，約60%～65%直接轉(zhuǎn)化成單質(zhì)S，其余的H2S約有33%轉(zhuǎn)化為SO2。

圖2 硫磺反應(yīng)爐F601次風(fēng)控制程序

為了使空氣流量對(duì)酸性氣的流量變化快速反應(yīng)，采用前饋-反饋控制方案。前饋-反饋控制是按擾動(dòng)進(jìn)行控制的前饋與按偏差進(jìn)行控制的反饋相結(jié)合，達(dá)到理想的控制品質(zhì)。根據(jù)進(jìn)入反應(yīng)爐的每種酸性氣的介質(zhì)特性，通過(guò)計(jì)算確定某種酸性氣所需空氣量，將每種介質(zhì)所需的空氣量相加得出進(jìn)入反應(yīng)爐總的空氣量，作為主燃燒空氣控制回路的設(shè)定值。具體控制原理如圖3所示。

進(jìn)入反應(yīng)器的介質(zhì)主要為高濃度酸性氣、低濃度酸性氣、燃料氣，根據(jù)每種工藝介質(zhì)的特點(diǎn)，計(jì)算出適當(dāng)?shù)呐滹L(fēng)比例。高濃度酸性氣、低濃度酸性氣、燃料氣各介質(zhì)流量乘以相應(yīng)的期望比例，可得到燃燒各類酸性氣所需空氣的流量。將各類酸性氣所需空氣量相加的值作為控制器的設(shè)定值。同時(shí)燃料氣只在正常開工烘爐期間使用，引入酸性氣正常運(yùn)行階段燃料氣的流量為零。

1.2.2主風(fēng)控制方案的實(shí)現(xiàn)

反應(yīng)爐主風(fēng)控制也是通過(guò)PID控制模塊實(shí)現(xiàn)的，具體程序如圖4、圖5所示。

圖5中首先得到中間變量，然后減去根據(jù)工藝修訂的補(bǔ)償值后，得到最終變量作為控制器FIC60202A的給定值。FT60202A/B的主要流量通過(guò)溫壓補(bǔ)償后得出計(jì)算變量作為控制器FIC60202A的反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。同時(shí)程序還與硫磺裝置SIS相關(guān)聯(lián)，當(dāng)Claus單元聯(lián)鎖停車時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)給DCS，接至FIC60202A控制模塊的SWTR引腳，此引腳為PID控制的跟蹤引腳，當(dāng)變量觸發(fā)變?yōu)椤?”的時(shí)候會(huì)使控制器輸出為零，關(guān)閉主風(fēng)閥FV60202A，確保反應(yīng)爐的安全和硫磺裝置的安全。

圖3 硫磺反應(yīng)爐F601主風(fēng)控制原理示意

圖4 主風(fēng)控制程序塊示意

圖5 主風(fēng)流量計(jì)算塊示意

2 控制參數(shù)的整定

為了獲得良好的控制品質(zhì)，該工藝在開工正常后會(huì)及時(shí)將主風(fēng)控制和次風(fēng)控制投到串級(jí)控制，確保工藝操作及時(shí)準(zhǔn)確，因而存在PID控制器的整定問(wèn)題。主風(fēng)和次風(fēng)控制器均為串級(jí)控制。對(duì)于串級(jí)控制的PID整定，一般先對(duì)副回路進(jìn)行整定，副回路的響應(yīng)在可接受的穩(wěn)定范圍內(nèi)越快越好，一般采用曲線法和試湊法相結(jié)合的方法進(jìn)行整定，先調(diào)穩(wěn)副回路后，再調(diào)主回路。

1) 首先進(jìn)行主風(fēng)參數(shù)的整定。根據(jù)反應(yīng)爐的運(yùn)行工藝狀況，通過(guò)計(jì)算與工況結(jié)合確定相應(yīng)的配風(fēng)系數(shù)： 高濃度酸性氣配風(fēng)系數(shù)HIC60101為1.33，HIC60102為1.02，HIC60204為零。通過(guò)不斷整定優(yōu)化確定的PID參數(shù)： P為300，I為10。

2) 主風(fēng)控制器參數(shù)整定完成正常投用到串級(jí)控制后，可對(duì)次風(fēng)控制器進(jìn)行整定。先整定副回路FIC60203A的參數(shù)，通過(guò)多次試湊整定后確定副控制器PID參數(shù)： P為300，I為40；主控制器AIC60101控制器PID參數(shù)： P為100，I為700。PID控制曲線如圖6和圖7所示。通過(guò)曲線可看出，經(jīng)過(guò)短時(shí)間震蕩后，控制參數(shù)逐步穩(wěn)定，超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間都比較理想，經(jīng)過(guò)工藝操作不斷優(yōu)化調(diào)整，能夠很好地滿足控制品質(zhì)的要求。

圖6 主風(fēng)流量控制PID控制曲線示意

圖7 次風(fēng)流量控制PID控制曲線示意

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)正常工況下工藝原料酸性氣進(jìn)料量、配風(fēng)

量、反應(yīng)爐溫度等指標(biāo)，主、次風(fēng)配風(fēng)控制方案基本能滿足生產(chǎn)負(fù)荷的要求。

綜上所述，由于硫磺回收工藝的特點(diǎn)，酸性氣進(jìn)料流量波動(dòng)頻繁，幅度較大，如果依靠操作人員手動(dòng)控制，對(duì)人員的操作經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平、工作責(zé)任心有很高的要求，稍有不當(dāng)就有可能造成裝置的大幅波動(dòng)，導(dǎo)致煙氣SO2排放濃度超標(biāo)。

采用主、次風(fēng)配風(fēng)控制設(shè)計(jì)，系統(tǒng)能夠快速地反應(yīng)到控制回路中，調(diào)節(jié)空氣流量時(shí)響應(yīng)速度快，投用后效果良好，能夠滿足不同工況下參與燃燒反應(yīng)的多路酸性氣和燃料氣有合理的配風(fēng)比例，確保了系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，提高了產(chǎn)品收率和質(zhì)量，同時(shí)能夠有效防止人為誤操作，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了生產(chǎn)效率。

[1] 吳勤勤.控制儀表及裝置[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京： 科學(xué)出版社,2007.

[3] 俞華軍.前饋-反饋控制在硫磺回收裝置反應(yīng)爐中的應(yīng)用[J].河南化工，2016(06)： 32.

[4] 李菲.硫磺回收裝置低負(fù)荷運(yùn)行存在問(wèn)題及解決方法[J].現(xiàn)代化工,2013(02)： 83-84.

[5] 張?chǎng)?，仇廣金，李勝利.富氧燃燒硫磺回收裝置重要控制方案探討[J].石油化工自動(dòng)化工,2017，53(01)： 30-33.

[6] 王坤.基于SIS與DCS聯(lián)合控制加熱爐燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用[J].工程技術(shù)，2016(09)： 210.

[7] 劉文廣.Claus硫磺回收裝置再熱爐流動(dòng)燃燒模擬研究[J].石油與天然氣化,2014(06)： 590-594.

[8] 陶濤.硫磺回收裝置制硫系統(tǒng)堵塞原因及解決措施[J].煉油技術(shù)與工程，2017(03)： 7-10.

[9] 馬恒亮.硫磺回收裝置燒氨過(guò)程分析及條件優(yōu)化[J].石油煉制與化工，2012(05)： 33-35.

[10] 彭宛.硫磺回收用新型高效燃燒爐[J].石油科技論壇，2015(B10)： 92-94.

CombustionControlDesignofReactorFurnaceinSulfurRecoveryUnit

Yuan Guoli1, Zhang Wenyue2

(1. Sinopec Jiujiang Branch, Jiujiang, 332004, China; 2. Beijing Information Science &Technology University, Beijing, 100192, China)

s： According to the process characteristics of sulfur recovery unit reactor furnace, air distribution feedforward-feedback control scheme was applied. Through adjustment of air flow in main combustion chamber, the proper ratio of acidic gas and air can be ensured. The firepot temperature of reactor furnace can be controlled and sulfur conversion is improved efficiently. The realization way of the main air control scheme and the secondary air control scheme is expounded. The stability of temperature control of acidic gas reactor furnace is ensured by sulfur reactor furnace combustion control.The conversion of H2S in acidic gas is improved. The actual application shows that air distribution control scheme of sulfur reactor furnace is rational, control performance is good.

sulfur recovery; control scheme; feedforward-feedback; conversion

TP273

B

1007-7324(2017)05-0015-05

稿件收到日期： 2017-07-13，修改稿收到日期2017-08-01。

袁國(guó)利(1982—)，男，內(nèi)蒙赤峰人，2011年畢業(yè)于北京交通大學(xué)電氣工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國(guó)石油化工股份有限公司九江分公司，從事儀表技術(shù)工作。