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1、过程控制与信息管理超级克劳斯硫磺回收装置控制及特点介绍陈国森 陈永 西南油气田分公司重庆天然气净化总厂渠县分厂635200摘要t：渠县净化厂新建超级克劳斯硫磺回收装置是从雅克布斯荷兰公司成套引进的，工艺先进、成熟，操作简便、系统平稳，其装置的控制特点突出，有很高的控制水平，实际运行非常平稳可靠。j关键词t硫磺回收 超级克劳斯 负反馈1、工艺流程简介工艺流程图 图1酸气和空气在主燃烧炉F-101中按约低于酸气总量的三分之一燃烧，以保证三级克劳斯反应器出口过程 气中H。S为045(v)，温度保持1113(950一1400)，燃烧后的过程气经主燃烧室M一101(969) 进入废热锅炉，部分硫冷凝下来
2、，出废热锅炉的过程气(172。C)经一级在线炉F一102力H热至245。C，进入一 级克劳斯反应器R-101，反应后的过程气(319。C)在一级硫冷凝器E一102中冷却，其液硫流至液硫池，过程 气(173)再进入二级在线炉F-103，加热至204，进入二级反应器R一103，反应后出口过程气(225) 进入二级硫冷凝器E-103中，液硫也流至液硫池；出口过程气(163)进入三级在线炉F一104中，加热至186，再进入三级克劳斯反应器R-103中反应，出口过程气(189。C)直接进入超级克劳斯燃烧炉加热至213，在静态混合器中与氧化空气(130)混合，混合后的过程气(210)进入超级克劳斯反应器R
3、一104 反应，其出口过程气(240)经超克冷凝器冷却，液硫至液硫池，出口过程气(125)经硫磺捕集器V一103 进入尾气炉燃烧，经100米烟囟排至大气中。说明：为保证酸气在主炉中能完全燃烧，则要求燃烧温度高于950。C，如果主炉低于此温度，则将部分 酸气绕过主炉直接进入主燃烧室的后部。第四届全国石油和化学工业仪表及自动化技术交流研讨会论文集2、本回收装置工艺特点 (1)前三级为克劳斯反应，第四级为超级克劳斯反应。 (2)此克劳斯反应与常规克劳斯反应不同之处：反应始终在富H。s环境中进行，要求第三级克劳斯反应器出口过程气中H。s维持045(v)；而超级克劳斯反应始终处于富0：环境中，要求超级克
4、劳斯反应器中出口过程气中0。的含量维持在011(v)。(3)为保持各反应器的进口温度，不是用常规的过程气换热器来控制反应器进口温度，而是采用在线 燃烧炉燃烧燃料气来控制反应器进口温度。(4)超克冷凝器采用风冷方式冷却，用控制冷凝器内蒸汽压力来达到控制出口温度的目的，可以将温度稳定地控制在125。C，以保证过程气中硫蒸汽尽量少，提高回收率。 (5)使用多种类型的催化剂，以达到提高回收率的目的。一级反应器 上部：活性催化剂CRS一3S200ram高； 下部：水解催化剂CRS一3 1 600ram高；二、三级反应器：上部：除氧催化剂AM165ram高； 下部：活性氧催化剂CRS一3S 635mm高超
5、克反应器：Hzs选择性氧化催化剂D一1631E1 700mm高(6)部分重要设备组合在同一壳体内废热锅炉、一、二级冷凝器组合在同一壳体内；3个克劳斯反应器和1个超级克劳斯反应器组合在同一壳体内。3、本装置整体控制思路(1)为保证前三级克劳斯在富H。S环境中反应(三级反应器出口过程气Hzs为045)，设计了主燃烧炉 空气先进燃烧控制即ABC控制系统，ABC系统分为前馈和反馈两个控制部分，控制水平非常先进。(2)为保证主燃烧炉温度设计了支路酸气配比控制回路。(3)各在线炉用燃料气燃烧来加热过程气，反应器进口温度作为此燃料气流量控制的串级给定值。 (4)超克冷凝器出口温度的控制是采用控制冷凝器内的蒸
6、汽压力来实现的，此压力回路的输出值作为现场风机转速的给定值。 (5)为保证超级克劳斯在富0z环境中反应(尾气0z含量为05)，设计了氧气空气控制系统(0AC)。 (6)联锁系统 联锁控制系统主要用于重要工艺条件异常时的紧急自动停车控制系统，目的是保护装置和设备，联锁时酸气通过火炬放空。本回收装置有以下几个重要联锁信号：现场和中控手动停车、酸气分离器高液位、废热锅炉低液位、系统回压高、主炉火检、酸气和空气低流量。 (7)风机PLC控制 风机PLC控制包括两部份：一是联锁保护系统，有喘振停车、超负荷停车、轴承(内、外)超温停车保护；二是风机出口压力控制系统。 (8)主炉及各级在线燃烧炉程控点火系统
7、 点火是按程控逻辑一步一步地自动进行。主炉点燃后才能进行各级在线炉点火；在线炉点火无先后顺序，也不影响进酸气。4、重要控制回路介绍(1)先进的燃烧控制即ABC控制系统介绍过程控制与信息管理a、 控制流程图主燃烧炉控制流程图图2HCIOI：空气酸气比率FYl01A：补偿后总酸气量FYl01B：总酸气量与比率的乘积FYIOIB=HC一101FYl01AHC201：空气燃料气比率FR203：补偿后进主炉燃烧气量FY20IB：燃烧器量与比率的乘积FY201B=HC一201FR203FYl06：理论总空气量FYl06=FYIOIB+FY20IBHSl54：选择开关，用于选择AC一150(H。S)或AC-
8、151(H。S-2S0。)的输出FYl50A：实际所需总空气量FYl50A=FYl062HSl54FYl50B：相对负荷FYl50B=FYl062760FYl55：补偿后实际进主炉总空气量FYl50C：自动设定值计算INPUT0000 0440 0552 0664 0720 0776 0832 0888 0916OUTPUT155 155 164 177 188 202 209 229 1 249()INPUT0944 0961 0972 0978 0983 0989 0994 1000OUTPUT282 314 344 364 390 420 461 518()FYl50D：延时器(6分钟)
9、XYl51：主炉空气调节阀特性的线性化第四届全国石油和化学工业仪表及自动化技术交流研讨会论文集、INPUT00 440 552 664 720 776 832 888 916OUTPUT00 228 290 338 365 398 432 482 512()INPUT944 961 972 978 983 989 994 1000OUTPUT547 583 626 660 704 741 818 997()FCl55：支路空气调节器PID控制器反作用XCl51：主路空气调节器PID控制器 正作用ACl50：尾气H。S反馈调节器(正常时输出为50)PID控制器 正作用ACl51：尾气中H。S一2
10、S0：反馈调节器(正常时输出为50)PID控制器正作用 b、控制说明 ABC系统由前馈和后馈两部分控制系统构成，前馈控制主要用于调节酸气负荷变化时空气量的补偿；反馈主要用于调节酸气HzS组份变化时空气量的补偿。酸气负荷变化时，IBC系统的响应(前馈控制)酸气负荷变化必然要求空气量变化，从而保证三级反应器出口过程气中Hzs为045，此部分功能是由 ABC系统的前馈部分来完成空气流量补偿的，以酸气负荷增加为例：酸气负荷FYl01A增加，由于酸气成份未 变一一FYl01B增加，正常生产时无燃料气燃烧，FY20lB=0一一理论空气量FYl06增加，又因酸气Hzs组成未 变，所以AICl50输出不变一一
11、实际空气量FYl50A增加一支路空气调节器FCl55给定值增加，因为FCl55控 制器是反作用一一FCl55输出增加一一FVl55开大一一在6分钟时间内主炉空气调节器xcN量值增加，因 XCl51控制器是正作用一XCl51输出增加一一XVl51开大一一总空气量FYl55增加来实现负荷增加后的快速响 应，此时FV一155不是最佳开度，6分钟后新的相对负荷经FYl50C转换后作为XCl51新的给定值输入Nxcl51， 经XCl51自动调节，使XCl51的测量值也就是FCl55的输出值FVl55慢慢回到一个新的与此相对负荷相对应的 最佳开度值。酸气112S组份变化时，ABC系统的响应(反馈控制) 酸
12、气的H。s组份分析，是每天定时分析，中控人员根据分析结果再通过理论计算重新给定新的HCl01比率。而实际酸气中H。s是随时可能变化的，即使酸气总量不变，只是H。s成份变化，也会引起进主燃烧炉的空 气量不适应，从而改变尾气中H。S含量，这将由ABC系统的反馈部分来进行补偿，以酸气中HzS组份增加为例， ABC系统作如下响应：酸气中HzS组份增加，导致AT一351检测出三级反应器出口过程气Hzs含量增高。 AICl50钡U量值升高，由于AICl50是正作用，所以AICl50输出增大。 AICl50输出增大，由于酸气负荷未变，所以FCl55的设定值增大。 结果支路和主路空气流量都增大。由于酸气负荷未
13、变，所以主路空气调节器XCl51给定值就不变，经过调节器测量值也不会变化，所以支 路空气调节阀的开度会自动回到以前的开度。说明：为保护超克催化剂，设计了H。s高值联锁控制，当三级出OHzs大于2(V)超过2分钟时，超克立 即转入旁路，同时主炉转为2：1控制。待H。s控制平稳后，超克投入正线，并同时控制三级出口HzS为045(V)。相对负荷对反馈调节器Acl50151调节灵敏度的影响207过程控制与信息管理酸气量越大，相对负荷越高，则过程气在系统中停留的时间越短，相应要求ACl50151的调节更加灵敏； 反之，相对负荷越低，要求ACl50151的调节灵敏度低一些。为实现此功能，ABC控制系统采取
14、：将ACl50151 的设定比例带除相对负荷作为ACl50151实际比例带。相对负荷作为ACl50151的输入只是用于修正PID中的 比例带，而不是作为测量值。ACl50的测量值输入为AT351的H2s信号，AICl51的测量值则为AT351的Hzs一2S0。 信号。c、ABC控制系统特点酸气负荷变化而组份不变化时，先由支路空气调节器来快速响应以提供实际需要的空气量，经过6 分钟延时后，再由主路调节器来慢速调节、支路调节阀的开度自动调整到与此相对负荷相对应的最佳开度。 这是ABC控制系统的前馈部分在起作用，而反馈输出保持不变，未起作用。酸气负荷不变而组份变化时，通过反馈控制回路AICl5015
15、1的输出变化来修正理论空气量，使支路空气FCl55给定值变化，从而自动调整空气量。注意：反馈调节器只能修正酸气Hzs组份的较小波动，如果出现酸气HzS组份的大幅变化，只能通过修 改HCl01来完成。ABC控制系统充分考虑了整个系统的响应时间问题，不同的酸气负荷其过程气时间不一样，也就是从 空气量变化开始，至UAT351的输出出现变化的时间不一样，这就要求不同的酸气负荷其反馈调节控制有不同 的灵敏度，此ABC系统是通过用酸气负荷修正反馈控制器的比例带来完成的。d、ABc系统中负反馈调节器AICISO的参数整定后和投运 QAICISO纯比例带理论计算由于AICl50反馈控制回路滞后时间较长，且空气
16、量较小的变化，就会引起过程气中Hzs含量的变化， 所以用普通控制通常用的比例带来调试，很难将此控制回路整定好，为此必须先计算一个近似理论比例带 值，然后再根据此比例带值整定回路，就可以很快地整定好此回路。在AT351取样处，过程气质量流量w=4606kgh，密度P=0842kgm3，温度t=189。C，压力P=O16bar工况体积：vT翔：堕垦唑：54703m3h“0842 kg|m：标况体积：v坛：竖：坐堕丝竖翌!呈坐：4025怀m 3hP标TI1 X(27315+189)过程气中Hzs每偏离设定值01，则过程气中H2s多出的体积为： VH2s=4025m3h01=4025m3h 又由反应式
17、：2H2S+3022S02+2H20所以空气增加量为：Q空=4025寻石去百=982 m 3 l h其质量流量W空=982m3h12041kgm3=1182kgh 又支路空气调节阀是线性的，且量程为：O-l lOOkgh 所以相应支路空气调节阀增加：第四届全国石油和化学工业仪表及自动化技术交流研讨会论文集v音：!：!兰里：生100：10745又1100kgh所以AICl50的输出变化为： 又AICl50输入的Hzs信号量程为02 所以过程气中H2s每出现01的偏差，其AICl50输入信号的变化为： 又由于正常时AICl50输出为50，所以AICl50的计算纯比例带为：P斗=二二x气i00=93
18、1”0537AICl50控制回路PID参数整定 前面已计算出纯比例带值，再此基础上用临界比例度法来整定此控制回路 经多次调试，当取临界比例带PBx=1000，积分时间T。=2000，微分T。=0时，出现了等幅振荡，其振荡周期Tt为470秒。 由临界比例度法可知，实际比例PB=I7PBK=171000=1700 积分时间：T。=05Tx=05470秒=235秒 微分时间：T。=0125Tt=0125470秒=59秒其中取Kd=2T=295秒 此反馈控制回路从2002年10月14日投运至今，效果一直很好。 e、ABC控制系统实际操作中的调整及运用 方法一。用AICl50输出的偏离值计算出需调整的酸
19、气空气比率HCl01 由于酸气H2S组份分析是每天两次，HCIOI就是根据这分析结果进行手动给定的，这就出现了在两次分析之间如果酸气浓度变化了，如何用现有的数据对HCl01随时进行调整，下面就介绍此方法： 正常MAICl50输出为50，而当浓度变化时AICl50的输出就会偏离50，若偏离到x，贝UHCl01的变化值H为：蛐=攀装藩等菩若X50，说明空气不够，则需增大HCl01，增大量为IH l。 若Xo2，则分几次调整，每调整一次必须间隔15分钟。 方法二：快速法调整酸气空气比率Hcl01 经观察，装置满负荷时，一般酸气量在2550kgh-2650kgh，取中间值2600kgh，所以兰圣!丝荃
20、!QQ堑尘：o0082600 kgh也就是AICl50输出每偏离1，其HCl01就需调整0008 此法较粗，但很实用。 方法三t用HCl01的值来推算酸气璐含量用此法的前提条件：AICl50控制回路工作正常，且输出已提前调整好，工作在50左右过程控制与信息管理设酸气中H。s浓度为C“zS(v)经计算，其酸气空气比率HC一101为：2874x CH 2s+19831781330413CH 2s注：此公式的推算过程在此不详述。酸气中H2S组份与HCl01对应关系表 表lCH2s45 46 47 48495051 52HC一1010823 0843 0863 0884 0904 0925 0946
21、0967CH2s5354 5556 57585960HC-：101 0988 1009 1030 105l 1073 1094 1116 1137从表1数据可以看出，酸气浓度为50时，HCl01为0925，且浓度每变化1时，HCl01就变化002左右， 由此可很快推算当时的酸气浓度而不必等化验分析结果，同时也可核实化验数据。例：HCl01=0985，则可 大致推算出当时的酸气浓度为：59+Q：2璺三二Q：堕：53002与表1基本相符。 (2)风机PLc控制方案修改及防喘振、超负荷停车措施 本回收装置所用风机是法国Hibon公司的产品，风机是离心风机，额定功率为90kwh。其控制全部由PLC完成
22、，包括两部分控制：一是联锁保护系统，有喘振停车、超负荷停车、轴承(内、外)超温停车保护； 二是风机出口空气控制系统。下面就介绍空气控制系统：a、风机出口空气出厂时的控制方案出厂时风机只有流量控制，面板上可以设定空气流量，其流量的设定范围为2150-3700m3h(25894455kgh)；放空阀始终关闭，通过调节进口阀来调节流量。 此控制方案在9月21日现场调试时出现了以下问题： 当装置刚开车或用空气量小于2150m3h时，风机出口压力上升很快，启动45秒后就出现喘振停车。 b、风机空气控制方案第一次修改 为解决上述存在的问题，我厂提出必须加入压力控制。厂家于9月23日对风机PLC程序进行了第
23、一次修改，修改后的控制方案为：当风量小于2000m3h时，风机运行是压力控制模式，压力设定值可以在面板上修改，设定范围为550-650mbar；放空阀处于关闭位置，出口阀全开，通过调节进口阀位来控制风机出口压力。当风量大于2000m3h时，风机运行由风机流量控制，面板上可以修改流量设定值，流量设定范围为：2150-3700m3h：放空阀处于全关位置，出口阀全开，通过调节进口阀位来控制流量。一旦装置出现停车，装置马上进入压力控制模式，以达到最小的流量。风机必须在压力控制模式下启动。设定一个新的喘振保护，当出口压力高于750mbar时，风机放空阀立即开到50，如果压力降至700mbar以下，则重新
24、进入控制。 此控制方案在23日调试时出现了以下问题：当用风量很小时，由于进口阀位很小，风机出现喘振停车。210第四届全国石油和化学工业仪表及自动化技术交流研讨会论文集当在用风机需要维护保养时，必须完全停下来才能启动备用风机，这势必造成整个回收装置停车，然后再重新开产。 c、风机空气控制的最终控制方案 为解决以上问题，23日召开了专题会，我厂提出取消流量控制，完全改为压力控制，超压时，通过放空阀部分放空，Hibon公司同意了此方案，24日对PLC程序进行了修改，控制方案为：风机一直运行在压力模式下，风机压力通过控制面板设定，设定范围为550-650mbar，当时设定值为550mbar。刚开始启动
25、风机时，PLC自动设定进口阀位置：K一101为45，K101S为42，放空阀位都为100，然 后逐步自动关小放空阀，以达到设定压力。当正常生产用风量较大，而放空阀关完仍不能达到设定压力时，贝IJPLC自动开大进口阀。 此控制方案调试非常成功，从9月24日开始正式投运。 从9月24日至10月21日风机压力控制一直很好，但出现了新的问题：一是当风机出口压力超过550mbar时，不管装置用风量是多少，放空阀都有一定开度，这就造成进装置风量不够、主燃烧炉配风不足，火检 信号很弱，导致装置联锁停车；二是当装置用风量较大时，由于放空阀有一定开度，风机出现超负荷停车， 或喘振停车。经认真分析和总结，找到了放
26、空阀始终有一定开度的原因：风机出口压力始终高于设定压力(550mbar)， 由于是压力控制，放空阀自然要打开一些。10月22日我们将压力设定值从原设定压力550mbar改为650mbar 后，运行至今再未出现此类问题。(3)超级克劳斯反应器的氧化空气控制系统(0Ac)a、控制流程图氧化空气控制流程图图3FYl50E延时器(5秒)HC405超级克劳斯尾气中0。含量设定值0卜10(v)，设计值为05(v)。AY402氧气空气设定值AY 402：FY 150 B17362869坠堑Q：堕兰塑兰!12042一HC 405FC404氧化空气调节器PID控制 反作用b、控制说明211过程控制与信息管理为了
27、维持超级克劳斯出口最佳0z含量，需要控制氧化空气的流量，氧化空气流量由一个没有反馈修正 的前馈控制回路来控制，正常为串级模式。设计此控制的主要目的：维持超克氧化环境；维持最佳0z含量，保证尾气中0z含量为05，使超克转化率最高：阻止S氧化为SOz。 c、负荷和酸气组份变化时，氧化空气控制系统的响应负荷变化时的响应 以酸气量增加为例： 酸气量增大一一ABC系统将增大去主炉的空气量一一尾气流量增大一一尾气中0z总量增大一一FC404设定值增大一一FV404开大一一氧化Oz量增加。酸气H2s组份变化时的响应 以酸气中H。s增加为例： 酸气中H。s含量增加一一当相对负荷(尾气流量)保持不变时，尾气中H
28、zs含量增大一一氧化空气流量增大一一在ABC系统修正之后，尾气中H。s含量再次回到它的设定值一一氧化空气也再次降至原来的值。5、主要控制特点 (1)为保证前三级克劳斯反应器出口过程气中HzS为045，设计了具有很高控制水平的ABC控制系统。 在ABC控制系统的前馈控制部分，始终保持支路空气调节阀FV一155处于与相对负荷相对应的最佳开度，这与常规克劳斯控制有显著区别。在ABC控制系统的反馈控制部分，除正常的H。S反馈控制支路空气外，还特别引入了灵敏度控制，即AICl50151的比例带随酸气相对负荷而变化，这是常规克劳斯控制中没有的。(2)为提高超级克劳斯反应器的收率，保证超克在过氧环境中反应(过氧量为0210)，本回收装置设计了氧化空气控制系统(OAC)。(3)联锁控制分为两部分，一是系统联锁控制，由DCS控制；二是风机自身联锁控制，由风机PLC单独控制。212
