ZHSR工藝的自動控制

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ZHSR硫回收技術(shù)是由鎮(zhèn)海石化工程有限責(zé)任公司吸收、消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出來的硫回收技術(shù)。該硫回收技術(shù)具有工程設(shè)計先進、裝置能耗低、設(shè)備布置緊湊、占地面積小，裝置規(guī)模大、操作彈性寬、硫化氫濃度適應(yīng)范圍廣、自動控制方案設(shè)置合理，達到了國際先進水平。一、前言

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該技術(shù)的主要特點是過程控制自動化程度高，裝置運行安全可靠。由于硫磺回收裝置在煉油廠總體流程中處于尾部，原料的供給點多，因此它的原料（酸性氣）流量和組成波動大，而硫磺的生成全靠硫化氫化學(xué)反應(yīng)生成，為了確保高的硫轉(zhuǎn)化率，必須對反應(yīng)另一物料（氧氣）按化學(xué)計量供給，因此裝置的設(shè)計必須采用先進合理的控制方案。另外，其原料、中間產(chǎn)物都含高濃度的硫化氫、二氧化硫、二硫化碳和羰基硫等有毒有害物質(zhì)，介質(zhì)一旦泄漏就會發(fā)生人身傷亡和環(huán)境污染事故；介質(zhì)有燃料氣、硫磺、氫氣等易燃易爆物料，同時還有多臺不同壓力等級的蒸汽鍋爐，裝置運行危險性大。為了保證裝置的安全運行，要求其設(shè)計必須具有可靠的開工程序和完善的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。一、前言

32.1酸性氣的需氧控制1、控制方案的作用該空氣流量的前饋-反饋-再反饋控制方案，是硫磺回收裝置始終保持高的硫轉(zhuǎn)化率和長周期平穩(wěn)的保證。該控制方案在正常生產(chǎn)時，能適應(yīng)裝置原料酸性氣流量和組成的變化，可自動調(diào)節(jié)主空氣和微空氣流量，并能自動修正空氣/酸性氣比值誤差。在裝置開停工和低負荷運行時，可確保燃料氣入反應(yīng)爐自動配風(fēng)，解決硫磺裝置開停工和低負荷運行困難問題。二、先進的控制方案42、工藝要求本裝置硫磺生產(chǎn)的原理是使原料氣中硫化氫與空氣中的氧氣反應(yīng)生成元素硫。氧氣過量會生成二氧化硫，氧氣過量嚴重時危及裝置安全；氧氣不足硫化氫反應(yīng)不完全，原料中雜質(zhì)氨和烴燃燒不充分，造成裝置停工和硫磺產(chǎn)品不合格。因此氧氣過多過少都會對裝置造成很大的影響，為此必須通過控制空氣/酸性氣比例，嚴格控制過程氣中H2S/2SO2為一定值。二、先進的控制方案53、控制方案說明主燃燒室空氣流量控制采用前饋-反饋-再反饋控制方案。所謂前饋：通過測量酸性氣和燃料氣流量，計算出燃燒所需的空氣量，把二物料或多物料需要的空氣量相加作為主調(diào)空氣量的設(shè)定值；所謂反饋：通過測量過程氣中H2S-2SO2值，作為微調(diào)空氣流量的設(shè)定值；所謂再反饋：把微調(diào)空氣調(diào)節(jié)情況再傳遞給主調(diào)空氣，通過調(diào)節(jié)主調(diào)空氣量確保微調(diào)空氣正常運行。空氣流量的前饋控制如下：酸性氣體積流量（FT/A）先進行溫壓補償轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量，在主燃燒室的入口燃料氣線上的測量得到了主燃燒室燃料氣（FT/D1）的質(zhì)量流量。通過測量燃料氣的分子量，計算塊（AY/D）計算出燃燒空氣對燃料氣的完全燃燒質(zhì)量流量的比值。通過燃料氣質(zhì)量流量與空氣/燃料氣完全燃燒比的相乘（FY/D2），得到完全燃燒測量燃料氣所需的空氣的計算質(zhì)量流量，這個數(shù)值與操作人員設(shè)定的期望燃燒比值（HIC/D）相乘得到期望的燃料氣的所需空氣流量（FY/D3）。同時酸性氣流量乘以操作人員設(shè)定的空氣/酸性氣燃燒比值（HIC/C），得到期望的燃燒酸性氣效果的空氣流量（FY/A1）。兩者相加（FY/B1），得到期望的燃燒效果的所需空氣總量,空氣總量作為空氣主調(diào)控制器（FIC/B）的設(shè)定值。二、先進的控制方案6在上述設(shè)定的作為期望的空氣/酸性氣燃燒比值和實際存在的空氣/酸性氣比值之間存在偏差，同樣在燃料氣中，計算得到的完全燃燒空氣/燃料氣比值和實際存在的完全燃燒空氣/燃料氣比值之間也存在偏差。為了消除這些偏差，實現(xiàn)準確的控制，又引入了反饋控制。將從第三硫冷凝器后管線中過程氣的（H2S-2SO2）測量值作為被控變量，（H2S-2SO2）質(zhì)量控制器（AIC/C）的輸出值通過調(diào)整微調(diào)空氣流量控制器（FIC/C）設(shè)定值的方式加以反饋控制。當實際H2S-2SO2含量與零之間有偏差時，控制系統(tǒng)會調(diào)整微調(diào)風(fēng)線的空氣流量控制器（FIC/C）的設(shè)定點使H2S-2SO2含量為零（VOL%）。反饋控制可進行正常微調(diào)回路和低負荷微調(diào)回路的選擇（HS/C）。

在上述空氣前饋和反饋控制時，如果操作人員操作人員設(shè)定的空氣/酸性氣燃燒比值（HIC/C）或燃料氣期望燃燒比值（HIC/D）不當，微調(diào)空氣流量可能太大或太少，影響前饋和反饋控制的正常運行。再反饋的作用是，把微調(diào)空氣調(diào)節(jié)情況再傳遞給主調(diào)空氣，使主調(diào)空氣的設(shè)定發(fā)生改變，從使微調(diào)空氣得到有效調(diào)節(jié)。微調(diào)空氣流量控制器（FIC/C）的輸出通過平衡調(diào)整回路，用特殊的運算塊（FY/B2）通過選擇器（HS/B）去修正主空氣量（FY/B1），防止微調(diào)風(fēng)線空氣流量超過大或過小。具體見下圖：二、先進的控制方案74、控制回路投用辦法

首先，調(diào)整好主調(diào)空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/B）、微調(diào)空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/C）、燃料氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/D）的PID參數(shù)，調(diào)節(jié)器投“自動”。其次，把空氣/酸性氣燃燒比值（HIC/C）或燃料氣期望燃燒比值（HIC/D）設(shè)定合適的值，調(diào)整主調(diào)空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/B）的設(shè)定值與計算值（FY/B1）相近，主調(diào)空氣流量調(diào)節(jié)器投“串級”，裝置前饋控制投用。接著，微調(diào)空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/C）的設(shè)定值與計算值（FY/C1）相近，微調(diào)空氣流量調(diào)節(jié)器投“串級”，裝置反饋控制投用。最后，如果有必要投用再反饋，則把選擇器（HS/B）切至平衡調(diào)整回路，再反饋系統(tǒng)投用。如果裝置負荷低，主調(diào)空氣調(diào)整困難，把選擇器（HS/C）切至小流量微調(diào)回路，把前饋和反饋全部引入微調(diào)空氣流量調(diào)節(jié)器。二、先進的控制方案8二、先進的控制方案9

2.2在線爐交叉限位控制

1、控制方案的作用

該擴展雙比率交叉限位控制方案是ZHSR的專利技術(shù)，是鎮(zhèn)海石化工程公司采用在線爐工藝流程的保證。該控制方案很好地解決了，由于燃料氣和空氣調(diào)整不同步而發(fā)生的燃燒氣體中過氧和產(chǎn)生碳黑問題。

2、工藝要求

在線爐的作用是通過燃料氣在低于化學(xué)計量下燃燒，給反應(yīng)器入口過程氣或尾氣提供熱量，使反應(yīng)器獲得最大的硫轉(zhuǎn)化率，同時為反應(yīng)提供一定量的還原氣體（H2、CO）。重點避免：在燃料氣組份發(fā)生變化、燃料氣和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障、在線爐出口溫度波動大等情況時，發(fā)生由于燃料氣和空氣調(diào)整不同步而發(fā)生的燃燒氣體中過氧和產(chǎn)生碳黑。二、先進的控制方案103、控制方案說明

為了達到上述目的，設(shè)計了一個擴展雙比率交叉限位控制方案，該控制方案完全可滿足工藝的要求。該方案中通過反應(yīng)器入口溫度調(diào)節(jié)器（TIC）來控制空氣流量控制器（FIC/B1）和燃料氣流量控制器（FIC/A4）的設(shè)定值的方法來實現(xiàn)。

這個控制方案可以防止燃燒配比低于一個設(shè)定的低配比限（HC1可能產(chǎn)生碳黑的化學(xué)計量）以下，或燃燒配比高于一個設(shè)定的高配比限（HC2可能產(chǎn)生漏氧的化學(xué)計量）以上。在這個控制方案中有3個控制器，每個都有不同的作用。主控制器是反應(yīng)器入口溫度控制器（TIC），它通過交叉系統(tǒng)給出空氣流量控制器（FIC/B1）和燃料氣控制器（FIC/A4）的設(shè)定值。在交叉限位系統(tǒng)中，將所有控制器的控制運算量都轉(zhuǎn)化為“空氣需要量”來參與比較和運算，這個“空氣需要量”表示按完全燃燒配比燒掉燃料氣所需的空氣量。燃料氣控制器（FIC/A4）的測量值和設(shè)定值也是燃燒燃料氣所需空氣量的公斤數(shù)。交叉限位方案的理想配比（HC3）決定了燃料氣控制器（FIC/A4）與空氣流量控制器（FIC/B1）的設(shè)定值的差。

當交叉限位系統(tǒng)（FY/B3、FY/B4、FY/C3、FY/C4）檢測到設(shè)定配比在最大配比（HC2）和最小配比（HC1）之間移動時，燃料氣控制器和空氣流量控制器的設(shè)定值不受交叉限位的制約同時變化。交叉限位系統(tǒng)通過允許設(shè)定配比在最大配比（HC2）和最小配比（HC1）間變化，可以獲得快速的控制動作。

二、先進的控制方案11然而，當反應(yīng)器入口溫度控制器（空氣需要量）的輸出下降時，交叉控制系統(tǒng)會限制燃料氣控制器的設(shè)定值，使其不至于太低，以免燃料氣流量設(shè)定值與空氣流量實測值之比大于操作人員設(shè)定的最高配比值（HC1），這個限制動作在高選塊（FY/A5）中進行。與此同時，當反應(yīng)器入口溫度控制器（空氣需要量）的輸出下降時，交叉控制系統(tǒng)會限制空氣流量控制器的設(shè)定值太低，以免空氣流量設(shè)定值與燃料氣流量實測值之比小于操作人員設(shè)定的最低配比值（HC2），這個限制動作在高選塊（FY/B4）中進行。

同樣，當反應(yīng)器入口溫度控制器（空氣需要量）的輸出上升時，交叉控制系統(tǒng)會限制燃料氣控制器的設(shè)定值，使其不至于太高，以免燃料氣流量設(shè)定值與空氣流量實測值之比小于操作人員設(shè)定的最低配比值（HC2），這個限制操作在低選塊（FY/A6）中進行。與此同時，當反應(yīng)器入口溫度控制器（空氣需要量）的輸出上升時，交叉控制系統(tǒng)會限制空氣流量控制器的設(shè)定值太高，以免空氣流量設(shè)定值與燃料氣流量實測值之比大于操作人員設(shè)定的最高配比值（HC1）。這個限制動作在低選塊（FY/B3）中進行。

當空氣或燃料氣控制器的設(shè)定值被某一個選擇器限制時，限制值在不斷的變化以適應(yīng)當時實際測量的空氣流量值和所需的空氣量。這樣就構(gòu)成一個動態(tài)系統(tǒng)，保持設(shè)定配比在操作人員設(shè)定的最大配比值（HC1）和最小配比值（HC2）之間移動并穩(wěn)定地向操作人員設(shè)定的理想配比（HC3）靠攏。二、先進的控制方案124、控制回路投用辦法

首先，設(shè)定好的最大配比值（HC1）、最小配比值（HC2）和理想配比（HC3）值。其次，調(diào)整好空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/B1）、燃料氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/A4）的PID參數(shù)，調(diào)節(jié)器投“自動”，并把二調(diào)節(jié)器的設(shè)定值調(diào)至合適值。接著，把反應(yīng)器入口溫度控制器（TIC）投“手動”，調(diào)整調(diào)節(jié)器輸出使該值與空氣流量基本相同，空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/B1）和燃料氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/A4）直接切至“串級”。最后，把反應(yīng)器入口溫度控制器（TIC）投“自動”，給調(diào)節(jié)器合適的設(shè)定值，控制系統(tǒng)投用完成。二、先進的控制方案13二、先進的控制方案142.3焚燒爐復(fù)雜控制

1、控制方案的作用和工藝要求

焚燒爐的作用是通過燃料氣在高于化學(xué)計量下燃燒，給尾氣提供熱量，使尾氣中硫化氫完全燃燒。為達到上述目標，要求把尾氣加熱至足夠高溫度、尾氣中有一定的殘余氧。另外還要求煙道氣不產(chǎn)生碳黑，燃料氣燃燒時產(chǎn)生的NOX盡能低，燃料氣消耗盡可能低。二、先進的控制方案152、控制方案說明

為了實現(xiàn)工藝上述要求，本復(fù)雜控制通過低配比控制器、三段空氣流量、燃料氣流量、氧含量反饋來實現(xiàn)。

焚燒爐溫度控制器（TIC）的輸出采用分程方案。當焚燒爐溫度控制器（TIC）的輸出較大時，通過高分程（A~100%）使輸出值作為燃料氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/A）和一段空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/B）設(shè)定值，此時焚燒爐溫度由燃料氣和一段空氣來控制；如果當焚燒爐溫度控制器（TIC）的輸出較小時，通過低分程（0~A）使輸出值作為三段空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/D）設(shè)定值，此時燃料氣和一段空氣流量控制閥已關(guān)至最小位置。在這種情況下，焚燒爐溫度控制器（TIC）輸出通過分程控制系統(tǒng)進入高選器（FY/D），由于它是一個高選器，通過比較使三段空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/D）有可能被焚燒爐溫度控制器所控制，結(jié)果三段空氣流量增加，焚燒爐被冷卻下來。另外，如果O2含量控制器（AIC）輸出值比焚燒爐溫度控制器（TIC）的輸出大，則O2含量控制器（AIC）就取得了三段空氣流量控制器（FIC/D）的控制權(quán)。

二、先進的控制方案16為了使煙氣NOx的排放最小，低NOx燒嘴的火焰區(qū)分為前區(qū)和后區(qū)，前區(qū)燃燒空氣叫一段空氣，后區(qū)的燃燒空氣叫二段空氣，一段空氣流量為總空氣流量的85%，二段空氣流量為總空氣流量的35%，這樣燃料氣燃燒后保證還有20%的殘余量。另外，通過一個低限位（HC1）控制方案來改變一段空氣流量控制器（FIC/B）和燃料氣流量控制器（FIC/A）的設(shè)定值，防止燃料氣由于空氣不足產(chǎn)生碳黑。

3、控制回路投用辦法

首先，設(shè)定好的總風(fēng)量配比值（HC3）、主風(fēng)量配比值（HC2）和最小值配比（HC1）值。其次，調(diào)整好一段空氣流量調(diào)節(jié)器（FIC/B）、二段空氣流量調(diào)節(jié)