石中文, 宗學軍, 陳 斌, 姜雪原, 紀良漢

(沈陽化工大學信息工程學院,遼寧沈陽 110142)

克勞斯尾氣脫硫中自控系統(tǒng)的優(yōu)化與應用

石中文, 宗學軍, 陳 斌, 姜雪原, 紀良漢

(沈陽化工大學信息工程學院,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)結晶器 X0301溫度控制中出現(xiàn)的裝置熱熔性強、系統(tǒng)遲滯嚴重等實際狀況,以自動控制系統(tǒng)為平臺,采用 Smith預估器進行改進,優(yōu)化控制算法,經(jīng)過現(xiàn)場測試,達到了預期效果.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鍵部位:氨水的配置上要求精度高,抗擾動能力強,溫度控制準確.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,采用高效控制邏輯和優(yōu)化的控制技術 (包括利用史密斯預估器)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)應用的煙氣脫硫技術可分為干法(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,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,設計目標在工況下進行全氨氣脫硫[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,網(wǎng)絡可靠性高,抗干擾能力強,適用于化工工業(yè)系統(tǒng),傳輸介質為屏蔽雙絞線[5-6].

2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡圖

圖 2為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡圖.網(wǎng)絡圖為尾氣脫硫系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊圖,其中 PROF IBUS(1)用 317-2DP的DP網(wǎng)絡接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,在 PROFIBUS(1)上的設備有觸摸屏 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)軟件設計

2.3.1 順序控制系統(tǒng)及連鎖保護

(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硫磺顆粒,為提高產(chǎn)品質量,獲得純度高的硫酸銨晶體,需要微孔過濾器進行硫酸銨晶體過濾,整個過濾過程靠人工進行操作,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.在控制流程中,嵌入當生產(chǎn)意外發(fā)生時的微孔過濾器緊急切斷系統(tǒng),以保護生產(chǎn)設

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

2.1 控制系統(tǒng)硬件簡介備和人身安全;當系統(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

(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)、增壓風機 (C0101)進入濃縮塔(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備和人的安全有很大影響,必須要有連鎖保護,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,控制系統(tǒng)通過繼電器輸出控制旁路擋板門(F0102)(執(zhí)行機構:電動蝶閥)去執(zhí)行打開動作,以便煙氣順利排入大氣,對設備和人身安全起到保護作用.

(二)增壓風機連鎖保護:在煙氣系統(tǒng)中,為使增壓風機確保煙氣克服煙道阻力的影響,順利進入反應系統(tǒng),需要對其進行連鎖保護.在增壓風機啟動不起來,或增壓風機出現(xiàn)機械故障時,則由控制系統(tǒng)檢測出增壓風機 C0101的關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)行機構: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:在煙氣由濃縮塔進入脫硫塔中時,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)生負面效果.在溫度控制中,由于實際設備安裝位置問題,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,控制器通過設定值與實際值比較,去打開或者關閉繼電器,以實現(xiàn)垂直除霧器氣動切斷閥 S0102的開/關,從而有效實現(xiàn)垂直除霧器的合理控制與保護.

2.3.2 改進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)工藝要求設計為比例系數(shù)為一定值,即K=1/4,配置成體積分數(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),且隨機性特別高,人工無法預測.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行精準控制.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的數(shù)字 P ID控制器.

改進原因: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)生較大的超調和長時間的波動.

改進思路:當被控量和給定值偏差大時,取消積分控制,以免超調量過大;當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進行改進,采取積分項分離的數(shù)字 P ID控制:當偏差較大時,不施加積分控制;當偏差較小時,施加積分控制,即:

當 |e(t)|≥β采用 PD控制;當 |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)設計要求來確定.實際中的β值選擇要適宜,若過大,則達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值為設定值 0.1,經(jīng)過現(xiàn)場實際調試運行,控制效果比較理想,基本達到了工藝要求[7].

2.3.3 控制對象為純滯后的單回路溫度調節(jié)

在蒸發(fā)結晶器 X0301溫度的控制中,由于蒸發(fā)結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,在調試過程中,使用常規(guī) P ID調節(jié),導致被調參數(shù)的最大偏差增大,甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩,調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質下降,達不到工藝要求的效果.同時蒸發(fā)結晶器 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量.因此,采用史密斯預估控制.控制框圖如圖 5所示.其基本公式如下:

圖 5 史密斯預估控制框圖Fig.5 Smith prediction control diagram

Smith預估補償方法的特點是以預先估計出過程在基本擾動下的動態(tài)特性,然后由預估器進行補償,力圖使被延遲了τ的被調量超前反映到調節(jié)器,使調節(jié)器提前動作,從而明顯地減少超調量,且加速調節(jié)過程,使控制質量得到很大的改善.補償后,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.將其應用于蒸發(fā)結晶器X0301溫度的回路控制后,系統(tǒng)的動態(tài)性能和控制指標得到改善,大大提高了控制效果,控制指標基本上滿足了工藝要求.采用改進算法前后的歷史數(shù)據(jù)趨勢圖如圖 6和圖 7所示.

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

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

3 運行結果

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)調控制下,工藝設計基本達到設計的理想目標.控制系統(tǒng)優(yōu)化算法和高效控制邏輯的實施應用,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、系統(tǒng)遲滯嚴重等工藝狀況;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到環(huán)保排放標準,經(jīng)濟效益和社會效益得到明顯提高.

[1] 唐達高.尾氣脫硫工藝技術方案的選擇[J].化工技術經(jīng)濟,2006,24(6):42-46.

[2] 趙毅,許勇毅,趙翠仙.幾種常見的煙氣脫硫技術[J].山西化工,2006,26(1):53-55.

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[6] 西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子W incc V6[M].2版.北京:北京航空航天大學出版社,2006:69-75.

[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,主要從事檢測技術與自動化裝置的研究.

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