李自皋，楊麗燕，王瑞娥

(玉門油田分公司煉油化工總廠 儀表車間，甘肅 玉門 735200)

硫磺回收裝置酸性氣燃燒爐配風(fēng)控制方案優(yōu)化

李自皋，楊麗燕，王瑞娥

(玉門油田分公司煉油化工總廠 儀表車間，甘肅 玉門 735200)

結(jié)合硫磺回收裝置酸性氣燃燒爐的工藝流程特點(diǎn)，通過對(duì)燃燒爐的燃料氣、酸性氣、H2S以及SO2質(zhì)量濃度比值與預(yù)熱空氣燃燒的比值控制方案與鼓風(fēng)機(jī)排空控制回路的詳細(xì)介紹，深入分析了它們之間耦合的關(guān)系，提出了通過改進(jìn)鼓風(fēng)機(jī)出口放空空氣流量控制的計(jì)算方式，將該定值控制回路改為隨比率、混合酸性氣、大小配風(fēng)流量變化而變化的隨動(dòng)控制回路，有效地解決了鼓風(fēng)機(jī)排空控制回路與燃燒爐大小配風(fēng)控制回路之間的耦合關(guān)系。實(shí)現(xiàn)了鼓風(fēng)機(jī)排空控制回路自動(dòng)隨動(dòng)變值設(shè)定的遠(yuǎn)程控制，有效地提高了燃燒爐和焚燒爐的燃燒效率，減小了煙氣污染物的排放，整體提高了控制回路的自動(dòng)投運(yùn)水平。

制硫燃燒爐配風(fēng) 比率值串級(jí)調(diào)節(jié) 隨動(dòng)遠(yuǎn)程設(shè)定值控制 鼓風(fēng)機(jī)排空控制

1 工藝流程概述

某煉油廠改擴(kuò)建的酸性水汽提及硫磺回收裝置，是一套環(huán)保隱患治理裝置， 2016年投產(chǎn)運(yùn)行。該裝置由酸性水汽提、制硫、溶劑再生、尾氣處理、液硫脫氣成型及公用工程等單元組成，其中制硫單元采用部分燃燒，兩級(jí)催化轉(zhuǎn)換工藝，尾氣處理單元采用還原吸收工藝。設(shè)置2套制硫燃燒爐，共用液硫脫氣池及排污擴(kuò)容器。尾氣處理部分設(shè)置1臺(tái)尾氣焚燒爐，自設(shè)除氧器，開工用除氧水產(chǎn)生蒸汽，正常后采用凝結(jié)水產(chǎn)生蒸汽。

來自酸性水汽提單元的酸性氣和溶劑再生單元的酸性氣混合后經(jīng)分液罐分液后預(yù)熱至160 ℃，經(jīng)流量控制閥均勻分至裝置的2套酸性氣燃燒爐(F101Ⅰ、F101Ⅱ)，進(jìn)入制硫燃燒器火嘴，在爐膛內(nèi)根據(jù)制硫反應(yīng)需氧量，通過比值調(diào)節(jié)和H2S/SO2比值分析儀反饋數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制進(jìn)爐空氣量，使酸性氣與空氣充分混合，完全充分燃燒，達(dá)到反應(yīng)平衡，沒有過剩氧，達(dá)到低NOx和低噪聲的最佳燃燒效果。

燃燒爐產(chǎn)生的過程氣經(jīng)制硫蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生1.0 MPa飽和蒸汽，然后經(jīng)一級(jí)冷凝冷卻器產(chǎn)生0.4 MPa低低壓飽和蒸汽，并使反應(yīng)生成的單質(zhì)硫凝為液態(tài)，液硫經(jīng)分離后進(jìn)入硫封罐。一級(jí)冷凝冷卻器出來的過程氣經(jīng)高溫?fù)胶祥y與制硫燃燒爐出口的一部分高溫氣流混合升溫，進(jìn)入一級(jí)反應(yīng)器，在催化劑的作用下，過程氣中的H2S 和SO2進(jìn)行Claus 反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，反應(yīng)后的高溫過程氣進(jìn)入二級(jí)冷凝冷卻器產(chǎn)生低低壓飽和蒸汽，并使單質(zhì)硫凝為液態(tài)，液硫經(jīng)分離后進(jìn)入硫封罐。由二級(jí)冷凝冷卻器出來的過程氣經(jīng)高溫?fù)胶祥y與制硫燃燒爐出口的一部分高溫氣流混合升溫，進(jìn)入二級(jí)反應(yīng)器，使過程氣中剩余的H2S 和SO2進(jìn)一步發(fā)生催化轉(zhuǎn)化，二級(jí)反應(yīng)器出口過程氣經(jīng)三級(jí)冷凝冷卻器產(chǎn)生低低壓飽和蒸汽并使單質(zhì)硫凝為液態(tài)，液硫經(jīng)分離進(jìn)入液硫封罐。三級(jí)冷凝冷卻器出來的制硫尾氣經(jīng)尾氣分液罐后進(jìn)入尾氣處理部分。

該裝置的2套酸性氣燃燒爐互為“一開一備”。采用“燃燒爐+制硫蒸汽發(fā)生器”的臥式結(jié)構(gòu)，在正常操作情況下，爐膛溫度為1 185 ℃，最高操作溫度1 350 ℃，爐膛表壓為0.06 MPa，但如果操作不當(dāng)，爐膛溫度可能會(huì)更高。因此，為確保安全和爐膛溫度的測量準(zhǔn)確，耐火材料最高使用溫度按1 600 ℃設(shè)計(jì)，燃燒爐本體上安裝了2套外套管材質(zhì)為雙層剛玉套管的B 型熱電偶和2套在線式紅外溫度測量儀表，確保燃燒爐爐膛溫度測量的準(zhǔn)確性。同時(shí)也設(shè)置了2套紫外線火焰檢測器，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測爐膛內(nèi)火焰，確保燃燒爐不熄火。硫磺回收裝置其中一套酸性氣燃燒爐配風(fēng)控制流程示意如圖1所示。

圖1 硫磺回收裝置酸性氣燃燒爐配風(fēng)控制流程

2套酸性氣燃燒爐分別配置了1組離心式鼓風(fēng)機(jī)組，為“一開一備”方式運(yùn)行。鼓風(fēng)機(jī)組由離心鼓風(fēng)機(jī)、防爆電機(jī)、聯(lián)合底座、進(jìn)出口和放空消聲器、放空蝶閥等組成。

2 酸性氣燃燒爐燃燒配風(fēng)控制方案

為了使?fàn)t膛的酸性氣與空氣充分混合完全燃燒，達(dá)到反應(yīng)平衡，沒有過剩氧，低NOx和低噪聲，助燃空氣的配風(fēng)量大小必須隨著酸性氣流量的大小和制硫爐尾氣分液罐出口管線上H2S/SO2比值分析儀的結(jié)果，隨時(shí)調(diào)節(jié)控制進(jìn)入燃燒爐的空氣量，確保燃燒爐的爐膛燃燒效果。

進(jìn)入制硫燃燒爐助燃的空氣分2路進(jìn)行控制:主路通過含氨酸性氣和清潔酸性氣總流量與空氣流量的比值控制實(shí)現(xiàn)燃燒爐進(jìn)入空氣的粗調(diào);開工正常后，通過H2S/SO2比值分析儀與旁路空氣組成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)微調(diào)進(jìn)入燃燒爐的空氣流量。

以下以焚燒爐F101—I為例進(jìn)行控制方案的說明，混合酸性氣進(jìn)爐流量FIC1401A控制回路，流量測量采用楔式流量計(jì)，儀表量程為0～1 000 m3/h,差壓0～14 kPa，正常最大流量為772 m3/h。

主路空氣進(jìn)爐流量(大風(fēng))FIC1403A控制回路，流量測量采用插入式均速管流量計(jì)，儀表量程為0～1 600 m3/h, 滿刻度差壓設(shè)計(jì)值為0～0.32 kPa，正常最大流量為1 356 m3/h。

旁路空氣進(jìn)爐流量(小風(fēng))FIC1404A控制回路，流量測量采用平衡式一體化差壓變送器方式測量，儀表量程為0～300 m3/h, 滿刻度差壓設(shè)計(jì)值為0～2.5 kPa，正常最大流量為271 m3/h。

2.1 混合酸性氣流量與燃燒爐主路空氣進(jìn)爐流量(大風(fēng))比值串級(jí)控制

FIC1401A與FIC1403A組成比值串級(jí)控制調(diào)節(jié)回路，即通過混合酸性氣的實(shí)時(shí)流量，乘以比值放大倍數(shù)K，作為主路空氣進(jìn)爐流量的遠(yuǎn)程設(shè)定值，用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)改變主路空氣進(jìn)爐量的大小，從而使?fàn)t膛內(nèi)的酸性氣充分完全燃燒，達(dá)到反應(yīng)平衡。K值范圍為1～2，可由操作工根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行輸入設(shè)定，最大值不能超過主路空氣流量的最大量程?；旌纤嵝詺饬髁颗c燃燒爐主路空氣進(jìn)爐流量(大風(fēng))比值串級(jí)控制如圖2所示。

圖2 混合酸性氣流量與燃燒爐主路空氣進(jìn)爐流量(大風(fēng))比值串級(jí)控制原理

2.2 燃燒爐尾氣ρH2S/ρSO2與燃燒爐旁路空氣流量(小風(fēng))比值串級(jí)控制

燃燒爐尾氣ρH2S/ρSO2控制器AIC1701A、燃料氣流量控制器FIC1407A組成軟切換與燃燒爐旁路空氣流量(小風(fēng))FIC1404A組成比值串級(jí)控制調(diào)節(jié)回路。在開工初期，工藝使用燃料氣FIC1407A調(diào)節(jié)回路使燃燒爐升溫至850 ℃之前，軟切換開關(guān)FSW1407A切換至FIC1407A作為串級(jí)控制的主回路，當(dāng)混合酸性氣投入后，軟切換開關(guān)FSW1407A切換至ρH2S/ρSO2AIC1701A調(diào)節(jié)回路作為串級(jí)控制的主回路。

按烴類完全燃燒和33%的 H2S生成SO2所需空氣量，通過H2S/SO2比值分析儀,可以及時(shí)反饋尾氣中未充分燃燒的H2S質(zhì)量濃度，及時(shí)校正反應(yīng)所需的空氣量，AIC1701A作為串級(jí)調(diào)節(jié)主回路及時(shí)輸出信號(hào)作為小風(fēng)FIC1404A空氣調(diào)節(jié)器的給定值，從而少量補(bǔ)充爐膛的空氣含氧量，使?fàn)t膛的酸性氣H2S進(jìn)一步充分完全燃燒，提高燃燒爐的燃燒效率和制硫產(chǎn)率。ρH2S/ρSO2在3以下時(shí)，表示燃燒較為充分，不需要進(jìn)行小風(fēng)調(diào)節(jié)，當(dāng)比值大于3時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用小風(fēng)調(diào)節(jié)。燃燒爐燃料氣與尾氣H2S/SO2比值切換與燃燒爐旁爐空氣流量(小風(fēng))比值串級(jí)控制如圖3所示。

圖3 燃燒爐燃料氣與尾氣ρH2S/ρSO2切換與燃燒爐旁路空氣流量(小風(fēng))比值串級(jí)控制原理

2.3 鼓風(fēng)機(jī)組防喘振(排空)控制

2套燃燒爐分別配置了1組離心式鼓風(fēng)機(jī)組,鼓風(fēng)機(jī)出口側(cè)設(shè)置了聯(lián)鎖切斷閥和插入式均速管流量計(jì)，測量供風(fēng)的總量，總風(fēng)流量FIC1301A/1302A，F(xiàn)IC1301B/1302B量程設(shè)計(jì)值為0～1 600 m3/h，差壓量程設(shè)計(jì)值為0.267 kPa；總風(fēng)流量與出口旁路設(shè)置的排空蝶閥組成1個(gè)簡單的PID控制調(diào)節(jié)回路，用于鼓風(fēng)機(jī)喘振控制，當(dāng)風(fēng)機(jī)流量接近喘振點(diǎn)，就需要打開鼓風(fēng)機(jī)出口排大氣的調(diào)節(jié)閥。

3 大小配風(fēng)與鼓風(fēng)機(jī)喘振控制方案的優(yōu)化與改進(jìn)

從上述的混合酸性氣流量與主路空氣進(jìn)爐流量(大風(fēng))組成比值串級(jí)控制調(diào)節(jié)以及ρH2S/ρSO2與旁路空氣流量(小風(fēng))比值串級(jí)控制調(diào)節(jié)回路來看，唯一的控制變量為進(jìn)入燃燒爐的壓縮空氣的空氣流量。而該空氣流量由同1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)所提供，鼓風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)量是固定的，同時(shí)為了防止憋壓或喘振，鼓風(fēng)機(jī)還需要向大氣排空一部分，如果鼓風(fēng)機(jī)向大氣排空量過多，則不能滿足大小風(fēng)的配風(fēng)量；如果向大氣排空過少，則進(jìn)入燃燒爐的風(fēng)量過多，導(dǎo)致大小配風(fēng)控制閥憋壓，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性能變差，易發(fā)生喘振而損壞鼓風(fēng)機(jī)。

同時(shí)，隨著進(jìn)入裝置的混合酸性氣流量的變化和燃燒后ρH2S/ρSO2的大小，要及時(shí)調(diào)整燃燒的配風(fēng)量的大小，以確保完全燃燒，如果鼓風(fēng)機(jī)的出口排風(fēng)量是1個(gè)定值PID控制回路，將無法適應(yīng)該比值控制方案，不能保證大小風(fēng)配風(fēng)量增加時(shí)爐膛氧氣的需求量，導(dǎo)致燃燒不充分，H2S不能完全燃燒，降低燃燒爐的燃燒效率；反之，如果比值配風(fēng)方案需求量減小時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)出口的排空量不能及時(shí)增加，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)憋壓，配風(fēng)調(diào)節(jié)性能變差。

因此，使用鼓風(fēng)機(jī)的出口總流量FIC1301A/1321A與出口旁路的排空蝶閥組成的定值單回路PID控制回路，無法解決鼓風(fēng)機(jī)的排空與大小配風(fēng)控制回路壓縮空氣的需求之間的矛盾。如果將該定值單回路控制方案改為出口剩余流量與出口旁路排空蝶閥組成變值隨動(dòng)串級(jí)PID控制回路，將能有效地解決比值、配風(fēng)與排空之間的耦合問題。具體優(yōu)化改進(jìn)步驟如下:

1) 修正FIC1301A/1302A量程為0～2 500 m3/h，滿刻度差壓設(shè)計(jì)值為0.467 kPa，確保出口總風(fēng)流量的準(zhǔn)確。同時(shí)要滿足:FIC1301A/1302A.PV≥FIC1403A.PVmax(1 600 m3/h)+FIC1404A.PVmax(300 m3/h)。

2) 鼓風(fēng)機(jī)出口排空流量(剩余空氣流量)

FICY1301A/1302A.PV=FT1301A/1302A.

PV-(FIC1403A.PV大風(fēng)+ FIC1404A.PV小風(fēng)(瞬時(shí)流量))。

3) 鼓風(fēng)機(jī)出口排PID控制回路的變值隨動(dòng)遠(yuǎn)程設(shè)定值

FICY1301A/1302A.SP=FT1301A/1302A.PV-(FIC1403A.SP大風(fēng)+ FIC1404A.SP小風(fēng))。

4) 大風(fēng)遠(yuǎn)程比值設(shè)定值(大風(fēng)配風(fēng)量)

FIC1403A.SP=K·FIC1401A.PV(瞬時(shí)流量)

5) 小風(fēng)遠(yuǎn)程比值切換設(shè)定值(小風(fēng)配風(fēng)量)

FIC1404A.SP=K·FIC1407A.PV(瞬時(shí)流量)

當(dāng)FSW1407A為0時(shí)，選擇比值控制小風(fēng)配風(fēng)量；為1時(shí)選擇用ρH2S/ρSO2為小風(fēng)的配風(fēng)量，ρH2S/ρSO2的目標(biāo)值為3。

6) 最后，由鼓風(fēng)機(jī)出口排空流量FICY1301A/1302A與鼓風(fēng)機(jī)出口排空控制閥組成1個(gè)PID控制回路，當(dāng)該回路處于遠(yuǎn)程給定狀態(tài)時(shí)，其遠(yuǎn)程設(shè)定值為

FICY1301A/1302A.SP=FT1301A/1302A.PV-(FIC1403A.SP+FIC1404A.SP)。

這樣鼓風(fēng)機(jī)出口的排空流量的設(shè)定值將隨著大風(fēng)、小風(fēng)的配風(fēng)需求量的變化而變化，大、小風(fēng)的量設(shè)定值也隨混合酸性氣流量和ρH2S/ρSO2的變化而變化，整個(gè)燃燒爐的配風(fēng)控制達(dá)到了1個(gè)隨動(dòng)的平衡狀態(tài)，所有混合酸性氣、比率、ρH2S/ρSO2、鼓風(fēng)機(jī)排空控制回路，都可以投入自動(dòng)，減少了人為操作的影響，使燃燒爐的燃燒更加完全充分，燃燒效率更高。該方法用的尾氣焚燒爐，環(huán)保效果更加明顯。

4 結(jié)束語

酸性水汽提及硫磺回收裝置的制硫燃燒爐，是該裝置的核心和關(guān)鍵設(shè)備，提高其自動(dòng)控制水平，是確保燃燒爐充分、平衡、高效率燃燒和操作平穩(wěn)率的前提，不僅是制硫的關(guān)鍵要素，也是尾氣環(huán)保達(dá)標(biāo)排放的源頭所在。通過對(duì)該爐的燃料氣、酸性氣、ρH2S/ρSO2與預(yù)熱空氣燃燒的比值控制方案與鼓風(fēng)機(jī)排空控制閥控制回路(防喘振)的控制方案和儀表自控參數(shù)進(jìn)行了詳盡闡述，深入地分析了它們之間的相互耦合聯(lián)動(dòng)關(guān)系，提出通過改進(jìn)鼓風(fēng)機(jī)出口排空控制回路的(喘振)放空空氣流量的計(jì)算方式，將該定值控制回路改為由比值、混合酸性氣、大小配風(fēng)流量變化而變化的隨動(dòng)PID控制回路，有效地解決了鼓風(fēng)機(jī)排空控制回路與燃燒爐大小配風(fēng)控制回路之間的相互影響及耦合聯(lián)動(dòng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了鼓風(fēng)機(jī)排空控制回路自動(dòng)隨動(dòng)變值設(shè)定的遠(yuǎn)程控制，有效地提高了燃燒爐和焚燒爐的燃燒效率，減小了煙氣污染物的排放，整體提高了控制回路的自動(dòng)投運(yùn)水平。

[1] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[2] 蔣慰孫，俞金壽.過程控制工程[M].2版.北京:中國石化出版社，1999.

[3] 蔡武昌，孫淮清.流量測量方法和儀表的選用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[4] 樂嘉謙.儀表工手冊(cè)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5] 《石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程》修訂編制委員會(huì).《石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程》第七冊(cè) 儀表[M].北京:中國石化出版社，2004.

[6] 張廷堂，馬青峰，王濤.利用流量計(jì)信號(hào)對(duì)加熱器進(jìn)行控制[J].石油化工自動(dòng)化，2016,52(05)：44-46.

[7] 周建紅，李自皋.吹氣法在硫磺回收裝置液硫池液位測量中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2017,53(03)：70-73.

[8] 李濱.先進(jìn)控制系統(tǒng)在常減壓裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2017,53(04)：75-76.

OptimizationofAirDistributionControlSchemeforAcidicGasFurnaceinSulfurRecoveryUnit

Li Zigao,Yang Liyan,Wang Ruie

(Refining & Chemical Plant of Yumen Oilfield Company Instrument Workshop, Yumen, 735200, China)

s：Combining with process characteristics of acid gas furnace for sulfur recovery unit, through detailed introduction on furnace fuel gas, acid gas, ratio control scheme of ρH2S/ρSO2and preheated air combustion, and blower evacuation control loop (anti-surge), coupled relationship among them are discussed deeply.Calculation mode through improving blower export venting air flow control is proposed.The constant value control loop is changed to follow-up loop changing with change of ratio, mixed acid gas, wind distribution flow, coupling relationship linkage between blower evacuation control loop and furnace air distribution control system is effectively solved.control loop automatic follow-up servo variable values of blower set by the remote control is realized, the combustion furnace and incinerator combustion efficiency is effectively improved.Emission of flue gas pollutants is reduced.The level of control circuit of automatic operation is improved as a whole.

sulfur furnace air distribution;ratio cascade regulation;follow-up remote set-point control;blower evacuation control

稿件收到日期：2017-07-24，修改稿收到日期2017-09-15。

李自皋 (1969―) 男，甘肅慶陽人，1993年畢業(yè)于西北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于玉門油田分公司煉油化工總廠儀表車間，主要從事生產(chǎn)過程自動(dòng)化儀表控制方面的專業(yè)技術(shù)管理工作，已發(fā)表論文10余篇，任副主任、高級(jí)工程師。

TP273+.1

B

1007-7324(2017)06-0033-04