王軍長(zhǎng)，張列維

(中國(guó)石化上海高橋石油化工有限公司，上海200129)

硫磺回收裝置比值回路的投用及優(yōu)化創(chuàng)新探索

王軍長(zhǎng)，張列維

(中國(guó)石化上海高橋石油化工有限公司，上海200129)

介紹了硫磺回收裝置H2S/SO2比值回路投用對(duì)裝置穩(wěn)定運(yùn)行及尾氣排放的影響。分析了影響比值回路正常投用的因素和相應(yīng)處理措施；并針對(duì)比值回路穩(wěn)定投用的優(yōu)化和創(chuàng)新進(jìn)行了進(jìn)一步探索。隨著硫磺回收技術(shù)的不斷發(fā)展，精度和準(zhǔn)度更高的儀表、設(shè)備的產(chǎn)出和投用，比值回路的穩(wěn)定性和控制精度將進(jìn)一步提高。

硫磺回收 比值控制回路 前饋—反饋控制 配風(fēng)比 優(yōu)化

硫磺回收裝置的克勞斯反應(yīng)是嚴(yán)格按照H2S/SO2體積比的比值為2∶1進(jìn)行的，因此過(guò)程氣中H2S/SO2的比值是裝置最重要的控制參數(shù)，控制好過(guò)程氣中H2S/SO2比值是提高裝置轉(zhuǎn)化率和保障硫磺尾氣排放達(dá)標(biāo)的必要條件。而比值回路作為硫磺裝置最重要的控制回路，可以有效消除原料波動(dòng)和操作人員個(gè)體水平差異對(duì)H2S/SO2比值產(chǎn)生的影響。

GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)硫磺回收裝置尾氣二氧化硫排放限值進(jìn)一步收緊。其中一般地區(qū)要求達(dá)到400 mg/m3以下，重點(diǎn)地區(qū)要求達(dá)到100 mg/m3，且硫磺尾氣SO2排放量也作為環(huán)保部污染物總量核查核算的重要指標(biāo)之一。在此大背景下，精細(xì)化和自動(dòng)化對(duì)硫磺回收裝置操作、通過(guò)比值回路自動(dòng)控制H2S/SO2的比值在最優(yōu)值以提高總硫收率和確保硫磺尾氣穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，已經(jīng)成為了一項(xiàng)刻不容緩的工作。

1 比值回路簡(jiǎn)介

硫磺回收裝置的作用是盡可能多地將酸性氣中的硫成分轉(zhuǎn)化為硫磺，盡量降低排入大氣的硫量。硫化氫和空氣進(jìn)入制硫燃燒爐，主要進(jìn)行如下的化學(xué)反應(yīng)：

(1)

(2)

(3)

由以上反應(yīng)式可以看出，提高轉(zhuǎn)化率的主要條件是保證過(guò)程氣中硫化氫和二氧化硫的比值(H2S/SO2)穩(wěn)定在最佳值。由式(3)可見(jiàn)，理論上最佳值為2。要保持H2S/SO2比值穩(wěn)定，關(guān)鍵是保證進(jìn)入制硫燃燒爐的空氣量恰為所需量，而配風(fēng)量的控制一般是通過(guò)比值控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，克勞斯硫磺回收比值回路控制系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。

圖1 克勞斯硫磺回收比值控制回路示意

圖1顯示了一種比較常見(jiàn)的采用前饋—反饋的比值控制回路。所謂前饋就是通過(guò)測(cè)量進(jìn)入反應(yīng)爐的清潔酸氣量和含氨酸氣量，然后與人工輸入的配比相乘計(jì)算出清潔酸氣和含氨酸氣分別的需風(fēng)量，最后經(jīng)過(guò)加和計(jì)算出反應(yīng)爐所需的總空氣量，并把最終計(jì)算所得空氣流量作為反應(yīng)爐主調(diào)風(fēng)控制閥的設(shè)定值。所謂反饋就是通過(guò)在線分析儀對(duì)克勞斯流程最末端的H2S和SO2含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將檢測(cè)值經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的比例或者減法運(yùn)算后，將計(jì)算所得結(jié)果作為反應(yīng)爐微調(diào)風(fēng)控制閥的設(shè)定值(在組態(tài)中將比值分析儀分析數(shù)據(jù)與微調(diào)風(fēng)量按照線性關(guān)系進(jìn)行一一對(duì)應(yīng))，以確保過(guò)程氣中H2S/SO2的比值接近2∶1或H2S-2SO2的差值接近0。

在以上控制方案中，需要人工輸入清潔酸氣和含氨酸氣的配風(fēng)比例，此比例通過(guò)計(jì)算或者經(jīng)驗(yàn)值得出。而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于理論與實(shí)際的偏差及酸性氣組成的波動(dòng)，會(huì)造成理論配風(fēng)較實(shí)際配風(fēng)出現(xiàn)偏差，使過(guò)程氣中H2S/SO2的比值偏離期望值。引入反饋控制系統(tǒng)后，微調(diào)風(fēng)可以撇開(kāi)前饋的影響，只針對(duì)在線分析儀分析出的實(shí)際H2S/SO2的比值偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使總配風(fēng)量接近期望值。

2 比值回路的投用及影響因素

2.1 比值回路的正常投用

在裝置進(jìn)料前儀表調(diào)試階段，應(yīng)該完成比值回路中各控制閥的調(diào)試和控制器的正反作用檢驗(yàn)；在風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后系統(tǒng)吹掃階段，整定好比值回路中主調(diào)風(fēng)流量調(diào)節(jié)器和微調(diào)風(fēng)流量調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)，并盡量使兩個(gè)控制器處于單流量回路控制狀態(tài)；在實(shí)際運(yùn)行中檢驗(yàn)主調(diào)風(fēng)流量控制回路和微調(diào)風(fēng)流量控制回路的穩(wěn)定性。進(jìn)料前可以結(jié)合原料氣預(yù)估流量和試驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)，計(jì)算出所需設(shè)置的比例，并在DCS系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)設(shè)，配風(fēng)比計(jì)算公式見(jiàn)式(4)[1]。

(4)

式中：Q酸——進(jìn)爐酸性氣氣量，m3/h；

Q風(fēng)——進(jìn)爐風(fēng)量，m3/h；

H2S%——酸性氣中硫化氫體積分?jǐn)?shù)，%；

CnH2n+2%——酸性氣中CnH2n+2體積分?jǐn)?shù)，%；

NH3%——酸性氣中硫化氫體積分?jǐn)?shù)，%；

n——烷烴的種類(lèi)；

21%——空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)，如果采用富氧工藝那么按實(shí)際氧濃度計(jì)算。

需要注意的是式(4)中所需風(fēng)量為克勞斯系統(tǒng)全部需風(fēng)量總和，在計(jì)算比值回路的配風(fēng)比時(shí)，應(yīng)該將其他干擾項(xiàng)進(jìn)行剔除。如反應(yīng)爐爐頭儀表視鏡等保護(hù)風(fēng)如果使用的是壓縮空氣，那么應(yīng)該查明總量并從總需風(fēng)量中剔除；液硫脫氣如果使用空氣脫氣且脫氣氣進(jìn)反應(yīng)爐，那么也應(yīng)該查明脫氣氣中空氣總量，并從總需風(fēng)量中剔除。

裝置進(jìn)料后應(yīng)該盡快投用比值回路串級(jí)控制，通過(guò)觀察進(jìn)料后系統(tǒng)實(shí)際需風(fēng)量和原料酸氣量對(duì)DCS中預(yù)設(shè)的配風(fēng)比進(jìn)行計(jì)算校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后主調(diào)風(fēng)控制回路投用串級(jí)控制，比值回路前饋控制系統(tǒng)投用。然后通過(guò)觀察比值分析儀實(shí)際分析情況，對(duì)DCS中設(shè)置的配風(fēng)比繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化，使微調(diào)風(fēng)控制閥在20%～80%開(kāi)度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。接下來(lái)投用微調(diào)風(fēng)調(diào)節(jié)器和比值分析儀串級(jí)控制，并繼續(xù)觀察微調(diào)風(fēng)控制閥開(kāi)度，如果微調(diào)風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間處于開(kāi)足或者關(guān)閉的狀態(tài)，那么需要操作人員及時(shí)調(diào)高或降低DCS中配風(fēng)比設(shè)置。完成以上工作后比值回路前饋和反饋系統(tǒng)均投用完畢，裝置還需在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中對(duì)微調(diào)風(fēng)串級(jí)回路控制器進(jìn)行PID整定，使回路穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 影響比值回路正常投用的因素

影響比值回路正常投用的因素和相應(yīng)處理措施見(jiàn)表1。

表1 影響比值回路正常投用的因素和相應(yīng)處理措施

3 比值控制回路投用的重要性及優(yōu)化

3.1 比值回路投用的重要性

投用比值回路后，在酸性氣出現(xiàn)小范圍波動(dòng)時(shí)，比值回路中前饋系統(tǒng)會(huì)及時(shí)按照操作人員所設(shè)置的配風(fēng)比例自動(dòng)調(diào)節(jié)跟進(jìn)需風(fēng)量，來(lái)抵消原料波動(dòng)帶來(lái)的影響。同時(shí)反饋回路會(huì)將系統(tǒng)中H2S/SO2比例穩(wěn)定在2∶1，這樣裝置就能有效抵御原料酸氣波動(dòng)帶來(lái)的影響。比值回路投用裝置和不投用裝置的在線比值分析儀顯示H2S-2SO2趨勢(shì)比較見(jiàn)圖2和圖3。

圖2和圖3選取了同一單位不同硫磺裝置同一時(shí)期內(nèi)在線比值分析儀記錄的H2S-2SO2趨勢(shì)。兩套裝置原料來(lái)自同一個(gè)酸性氣管網(wǎng)，兩套裝置設(shè)計(jì)處理量相差8%(A>B)，在截取趨勢(shì)期間兩套實(shí)際負(fù)荷為：A 85%，B 75%。通過(guò)對(duì)比圖2和圖3可見(jiàn)：比值回路投用的裝置在線比值分析儀顯示波動(dòng)幅度為-0.75～0.5，明顯低于比值回路未投用的裝置-1～1.5。在線比值分析儀波動(dòng)幅度大，預(yù)示著克勞斯系統(tǒng)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化率較低，進(jìn)入加氫系統(tǒng)的總硫含量波動(dòng)幅度較大，對(duì)加氫和溶劑系統(tǒng)的沖擊較大。也表明比值回路的投用對(duì)確保裝置保持高轉(zhuǎn)化率，使硫磺尾氣排放穩(wěn)定在較低值起到了關(guān)鍵作用。

圖2 比值回路投用裝置(A)

圖3 比值回路未投用裝置(B)

3.2 比值回路的優(yōu)化

3.2.1 增加原料酸氣流量選擇開(kāi)關(guān)

根據(jù)上文討論內(nèi)容可以看出比值回路投用對(duì)裝置的重要影響，因此保障比值回路投用率成為一項(xiàng)重要工作內(nèi)容。在裝置實(shí)際運(yùn)行中因?yàn)樵纤嵝詺獾臐崈舫潭群土髁孔兓驾^大，因此用于計(jì)算主調(diào)風(fēng)的酸氣流量計(jì)容易出現(xiàn)故障，這也直接影響比值回路投用。為確保比值回路穩(wěn)定投用，建議增加選擇控制器，增加原料酸性氣流程上其他流量計(jì)作為選擇條件，一旦比值回路中原酸氣流量計(jì)出現(xiàn)故障，可以用選擇開(kāi)控制器進(jìn)行切換，不影響比值回路投用，具體示意如圖4。

圖4 比值回路增加選擇控制器示意

如圖4所示：增加選擇控制器后，比值回路可以自由在酸氣流量計(jì)1和酸氣流量計(jì)2之間選擇較準(zhǔn)的或者趨勢(shì)較平穩(wěn)的酸氣流量計(jì)作為比值回路前饋控制條件。在正常運(yùn)行過(guò)程中，其中任何一個(gè)流量計(jì)故障或者失靈都可以通過(guò)選擇控制器第一時(shí)間在線切換至另一個(gè)流量計(jì)，提高比值回路高投用率。

3.2.2 控制器中增加限位和報(bào)警提醒模塊

在比值回路實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)影響最大的是滯后引起的過(guò)調(diào)問(wèn)題，從風(fēng)量變化到最終尾氣分析儀表給出分析數(shù)值存在2～4 min的滯后，在裝置流速固定的情況下影響滯后的原因主要是流程長(zhǎng)度和比值分析儀分析周期。

滯后造成的過(guò)調(diào)問(wèn)題主要存在于反饋系統(tǒng)，即微調(diào)風(fēng)控制回路。為消除過(guò)調(diào)問(wèn)題，除了在微調(diào)風(fēng)串級(jí)回路PID參數(shù)中設(shè)置積分參數(shù)外，更有效的措施是控制器增加限位模塊。限位模塊可以將微調(diào)風(fēng)控制在一定區(qū)間范圍內(nèi)，比如較常見(jiàn)的通過(guò)限位控制模塊，使微調(diào)風(fēng)控制閥在20%～80%內(nèi)調(diào)節(jié)。并通過(guò)報(bào)警提醒，使操作人員能及時(shí)根據(jù)微調(diào)風(fēng)閥門(mén)開(kāi)度趨勢(shì)進(jìn)一步優(yōu)化配風(fēng)比輸入，使微調(diào)風(fēng)控制器調(diào)節(jié)范圍進(jìn)一步縮小，達(dá)到比值分析儀分析數(shù)據(jù)穩(wěn)定的操作結(jié)果。

4 比值回路控制的擴(kuò)展及創(chuàng)新

4.1 增加微調(diào)風(fēng)和主調(diào)風(fēng)遞歸控制

在比值回路正常投用過(guò)程中，操作人員需要關(guān)注微調(diào)風(fēng)控制閥開(kāi)度，通過(guò)閥門(mén)開(kāi)度趨勢(shì)進(jìn)行比值回路配風(fēng)比調(diào)節(jié)，以使微調(diào)風(fēng)控制閥在期望的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，這樣對(duì)操作人員的水平和責(zé)任心要求較高。比值回路微調(diào)風(fēng)控制閥開(kāi)度趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 比值回路微調(diào)風(fēng)控制閥開(kāi)度趨勢(shì)

由圖5可見(jiàn)：微調(diào)風(fēng)控制閥一般處于一個(gè)可控的正常調(diào)節(jié)區(qū)間，為避免控制閥過(guò)調(diào)可以設(shè)置控制閥限位。當(dāng)出現(xiàn)圖中微調(diào)風(fēng)控制閥開(kāi)度突破正常區(qū)間緊貼控制閥限位時(shí)，操作人員將及時(shí)調(diào)節(jié)比值回路中配風(fēng)比設(shè)定值，改變主調(diào)風(fēng)量，以達(dá)到使微調(diào)風(fēng)控制閥開(kāi)度回歸至正常調(diào)節(jié)區(qū)間的調(diào)節(jié)效果。

為盡量減少人為因素的干擾，提高比值回路調(diào)節(jié)精度，可以創(chuàng)新性的在比值回路中引入計(jì)時(shí)器，經(jīng)簡(jiǎn)單判斷對(duì)比后將微調(diào)風(fēng)向主調(diào)風(fēng)遞歸。當(dāng)出現(xiàn)圖5中微調(diào)風(fēng)控制閥達(dá)到限制開(kāi)度時(shí)計(jì)時(shí)器啟動(dòng)，如果計(jì)時(shí)T超過(guò)預(yù)先設(shè)定時(shí)間，那么控制回路自動(dòng)調(diào)節(jié)配風(fēng)比設(shè)定值，以達(dá)到微調(diào)風(fēng)向主調(diào)風(fēng)遞歸的效果，消除人為因素的影響。系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的比較時(shí)間t由前文所述的滯后時(shí)間決定，在裝置中由流程長(zhǎng)度和比值分析儀分析周期決定。

遞歸控制投用后將達(dá)到如下效果：當(dāng)微調(diào)風(fēng)控制閥開(kāi)度達(dá)到控制閥限位時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，如果時(shí)間大于系統(tǒng)中預(yù)設(shè)比較時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)將比值回路中配風(fēng)比設(shè)置值提高或降低一個(gè)基礎(chǔ)單位，在自動(dòng)提高配風(fēng)比設(shè)置值后計(jì)時(shí)器歸零且暫停1～2 min給反饋控制系統(tǒng)以檢測(cè)時(shí)間。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)風(fēng)控制閥開(kāi)度應(yīng)該會(huì)有所改變，如果控制閥開(kāi)度沒(méi)有變化，那么計(jì)時(shí)器進(jìn)入下一個(gè)調(diào)節(jié)周期。在遞歸控制系統(tǒng)中還建議設(shè)置報(bào)警功能，如果遞歸系統(tǒng)連續(xù)三次作出同向調(diào)整操作，微調(diào)風(fēng)控制閥開(kāi)度仍然沒(méi)有變化，遞歸控制器發(fā)出報(bào)警并自動(dòng)解除配風(fēng)比遞歸控制回路，比值回路中配風(fēng)比輸入交由操作人員手動(dòng)控制。

4.2 增加焚燒爐出口壓力穩(wěn)定控制

硫磺裝置主風(fēng)通常由風(fēng)機(jī)提供，典型風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)見(jiàn)圖6。

圖6 硫磺回收主風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

由圖6可見(jiàn)：主風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)控制狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉和放空控制閥開(kāi)度，使風(fēng)機(jī)出口壓力滿(mǎn)足工況要求；當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，只要在設(shè)定值中輸入期望得到的風(fēng)機(jī)出口壓力，那么導(dǎo)葉自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口壓力，同時(shí)喘振控制器會(huì)調(diào)節(jié)放空閥開(kāi)度，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在性能曲線內(nèi)，避免風(fēng)機(jī)喘振。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，處理量的變化引起比值回路需風(fēng)量的變化，雖然主風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)投用后可以很好的穩(wěn)定風(fēng)機(jī)出口壓力，但是處理量的變化往往對(duì)應(yīng)著裝置系統(tǒng)壓力即反應(yīng)爐爐頭壓力的變化。在風(fēng)機(jī)出口壓力處于自動(dòng)控制的條件下，反應(yīng)爐爐頭壓力的變化則會(huì)影響比值回路中主風(fēng)和微調(diào)風(fēng)控制閥的開(kāi)度，例如：當(dāng)原料量忽然升高，隨著酸氣和進(jìn)風(fēng)量同比增加，克勞斯系統(tǒng)壓力將相應(yīng)升高，當(dāng)反應(yīng)爐爐頭壓力與主風(fēng)機(jī)出口壓力差值縮小時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)困難，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)主調(diào)風(fēng)和微調(diào)風(fēng)搶量甚至無(wú)法正常進(jìn)入系統(tǒng)的情況。

針對(duì)以上問(wèn)題，創(chuàng)新性的提出以下處理方案，具體控制邏輯見(jiàn)圖7。

圖7中紅色內(nèi)容為主風(fēng)機(jī)出口壓力控制器新增控制條件，其中輸入壓力由操作人員人工輸入，其值有2個(gè)來(lái)源：①操作人員在正常運(yùn)行過(guò)程中觀察所得風(fēng)機(jī)出口壓力和反應(yīng)爐爐頭壓力之差；②通過(guò)計(jì)算得出的風(fēng)機(jī)出口至反應(yīng)爐入口管線和各設(shè)備壓降的累計(jì)值。

圖7 主風(fēng)機(jī)出口壓力控制系統(tǒng)優(yōu)化后邏輯

新增的控制邏輯將反應(yīng)爐爐頭實(shí)測(cè)壓力與操作人員輸入壓差值相加，用所得值代替原風(fēng)機(jī)出口壓力作為主風(fēng)機(jī)壓力控制器的設(shè)定值。這樣系統(tǒng)可以有效避免在處理量大幅波動(dòng)時(shí)，因風(fēng)機(jī)出口壓力調(diào)節(jié)不及時(shí)而造成的系統(tǒng)波動(dòng)問(wèn)題?？梢杂行Х€(wěn)定比值回路，使相關(guān)控制閥始終處于最優(yōu)的調(diào)節(jié)狀態(tài)。

5 總結(jié)與展望

裝置自控率的高低是一套裝置設(shè)計(jì)水平、操作水平、儀表維護(hù)水平的綜合體現(xiàn)，比值回路作為硫磺回收裝置的核心回路，順利穩(wěn)定的投用對(duì)裝置操作有著重要的影響。同時(shí)隨著環(huán)保法規(guī)的不斷嚴(yán)格，硫磺裝置的自動(dòng)化和精細(xì)化操作在有效降低和穩(wěn)定尾氣排放方面顯示出了重要的作用。相信隨著克勞斯硫磺回收技術(shù)的不斷發(fā)展，精度和準(zhǔn)度更高的儀表、設(shè)備的產(chǎn)出和投用，硫磺裝置比值回路的穩(wěn)定性和控制精度將進(jìn)一步提高。

[1] 李菁菁，閆振乾.硫磺回收技術(shù)與工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010：278.

Study of the application and optimization of the ratio loop of the sulphur recovery unit

WANGJunzhang,ZHANGLiewei

(SINOPEC Shanghai Gaoqiao Petrochemical Co.,Ltd., Shanghai, 200137,China)

The influence of the application of the (H2S/SO2) ratio loop in the sulphur recovery unit on the stable operation and tail gas emission was discussed. The factors influencing the normal application of the ratio loop were analyzed. The corresponding responses were introduced and the optimization and innovation of the ratio loop for stable operation were further explored. With the rapid development of sulphur recovery technologies and the availability and application of high-accuracy and high-resolution instruments and equipment, the stability of ratio loop and the precise control can be further improved.

sulphur recovery；ratio control loop; feedforward and feedback control；the feed-air ratio；optimization

2017-04-28。

王軍長(zhǎng)，中國(guó)石化上海高橋石油化工有限公司煉油四部#4硫磺裝置主任，高級(jí)工程師。主要從事硫磺裝置秤管理工作。電話：15921615991；E-mail：wangjunzhang.gqsh@sinopec.com。

TQ111.16

B

1002-1507(2017)06-0042-05