高含硫凈化裝置酸性氣分配控制的優(yōu)化與應(yīng)用

趙景峰 張鋼強(qiáng) 李慶男 張?zhí)K猛 張小龍

(中國(guó)石化達(dá)州天然氣凈化有限公司，四川 達(dá)州 636156)

普光氣田是國(guó)內(nèi)最大的整裝海相高含硫氣田，其高含硫凈化聯(lián)合裝置主要工藝包括脫硫單元、硫磺回收單元和尾氣處理單元。硫磺單元采用克勞斯工藝的部分燃燒法，將脫硫單元再生出的酸性氣引入克勞斯?fàn)t，部分燃燒后進(jìn)入兩級(jí)轉(zhuǎn)化器，最終將H2S轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫。中國(guó)石化達(dá)州天然氣凈化廠共有6個(gè)聯(lián)合12列高含硫天然氣凈化裝置，單列處理能力3×106m3/d，除了上述主要的工藝單元外，還共用一套天然氣脫水和酸水汽提單元[1]。筆者以此裝置為背景，分析影響生產(chǎn)穩(wěn)定的不利因素，介紹酸性氣的控制原理，并針對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，根據(jù)裝置特點(diǎn)，對(duì)兩列酸性氣分配和克勞斯?fàn)t的操作進(jìn)行優(yōu)化。

1 工藝流程簡(jiǎn)介①

高含硫凈化聯(lián)合裝置的工藝流程如圖1所示，硫磺回收采用克勞斯工藝，原料酸性氣來自脫硫后的富胺液再生，再生出的酸性氣經(jīng)塔頂回流罐(D-103)和酸性氣分液罐(D-301)進(jìn)入硫磺回收單元。

圖1 聯(lián)合裝置工藝流程

2 酸性氣控制的技術(shù)特征

2.1 酸性氣生產(chǎn)控制原理

正常生產(chǎn)時(shí)，脫硫單元胺液再生塔產(chǎn)生的酸性氣經(jīng)塔頂回流罐D(zhuǎn)-103和酸性氣分液罐D(zhuǎn)-301進(jìn)入硫磺回收單元?；亓鞴轉(zhuǎn)-103上設(shè)有壓力兩分程控制[2]，用來自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入克勞斯?fàn)t的酸性氣管網(wǎng)壓力。控制器PC11701控制調(diào)節(jié)閥PV11701A閥(以下簡(jiǎn)稱A閥)和PV11701B閥(以下簡(jiǎn)稱B閥)，控制器輸出0%～50%時(shí)B閥開，輸出50%～100%時(shí)A閥開。酸性氣通過B閥進(jìn)入硫磺回收裝置中的克勞斯?fàn)t進(jìn)行燃燒反應(yīng)。酸性氣管網(wǎng)壓力超高時(shí)，通過A閥進(jìn)行放空。經(jīng)分液罐D(zhuǎn)-301分液后的酸性氣在進(jìn)入克勞斯?fàn)t之前，酸性氣控制采用串級(jí)控制，主控為壓力控制，副控為流量控制。

2.2 生產(chǎn)不利因素

在實(shí)際生產(chǎn)中，有兩點(diǎn)不利因素導(dǎo)致生產(chǎn)不能平穩(wěn)進(jìn)行：

a. 由于受上游原料氣量和再生塔底溫度波動(dòng)的影響，胺液再生塔塔頂回流罐D(zhuǎn)-103壓力不穩(wěn)定，壓力PV值會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，那么當(dāng)PV值稍高設(shè)定值SV時(shí)，A閥就會(huì)打開造成酸性氣放空；PV

值稍低于設(shè)定值SV時(shí)，B閥就會(huì)逐漸關(guān)閉，造成克勞斯?fàn)t流量波動(dòng)，燃燒不穩(wěn)定甚至?xí)霈F(xiàn)酸性氣流量低低聯(lián)鎖停車。

b. 當(dāng)天然氣脫硫裝置因事故或其他原因造成停工檢修時(shí)，硫磺回收和后續(xù)所有單元都得停車。因?yàn)榱蚧腔厥胀＼囈?jīng)過吹硫、鈍化、升溫及降溫等及其復(fù)雜的操作工序，需消耗大量的人力物力。

3 生產(chǎn)控制原理的優(yōu)化操作

3.1 再生塔塔頂回流罐D(zhuǎn)-103壓力控制優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)壓力波動(dòng)范圍內(nèi)A閥不放空，在壓力超高時(shí)A閥可以快速打開放空的目的，將總控制器PC11701低限位輸出設(shè)定為50%，那么B閥的最低開度就是100%。正常生產(chǎn)壓力會(huì)在60～80kPa之間波動(dòng)，可以設(shè)PC11701的SV值為90kPa。當(dāng)PV值超過90kPa時(shí)A閥會(huì)迅速打開放空；PV值低于90kPa時(shí)A閥會(huì)關(guān)閉，但B閥始終開啟。進(jìn)入克勞斯?fàn)t的酸性氣壓力可通過克勞斯?fàn)t前壓力控制PC-30405進(jìn)行調(diào)壓。

3.2 酸性氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)因上游脫硫單元停車,硫磺回收裝置必須被迫停車的缺陷，在兩列硫磺回收裝置酸性氣管線增加一條DN300mm的連通線，優(yōu)化后的工藝流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的酸性氣分配流程

正常操作條件下，每列胺液再生塔產(chǎn)生的酸性氣進(jìn)入本列硫磺回收單元。當(dāng)其中一列天然氣脫硫裝置因事故或其他原因停工檢修時(shí)，另一列天然氣脫硫裝置的酸性氣可以通過兩列硫磺回收裝置的連通線分別進(jìn)入兩列硫磺回收裝置，以維持兩列硫磺回收裝置的連續(xù)操作。

3.3 酸性氣分配的自控優(yōu)化

目前，天然氣凈化廠一個(gè)聯(lián)合兩列裝置同時(shí)開工時(shí)，為了避免其中一列脫硫裝置突然跳車影響硫磺回收單元，兩列酸性氣連通線處于打開狀態(tài)。在上述操作模式下，設(shè)定一列硫磺回收裝置的酸性氣進(jìn)料為定流量控制，而另一列硫磺回收裝置的酸性氣進(jìn)料為壓力、流量串級(jí)控制，以適應(yīng)上游裝置酸性氣進(jìn)料的壓力波動(dòng)，控制流程如圖3所示。第二列硫磺回收裝置酸性氣進(jìn)料管線上的壓力控制PC-30405與同在酸性氣進(jìn)料管線上的流量控制FC-30405為串級(jí)控制[3]，壓力信號(hào)為流量控制的設(shè)定值。當(dāng)酸性氣進(jìn)料上游壓力升高超過設(shè)定值時(shí)，PC-30405增加流量控制FC-30405的設(shè)定值；反之，當(dāng)酸性氣進(jìn)料上游壓力降低低于設(shè)定值時(shí)，PC-30405減少流量控制FC-30405的設(shè)定值。

4 硫磺回收裝置控制操作優(yōu)化

4.1 酸性氣燃燒自控設(shè)計(jì)

在開工或停工時(shí)，克勞斯?fàn)t燃燒器的進(jìn)料除酸性氣外，還要增加燃料氣伴燒。正常生產(chǎn)時(shí)，燃料氣切斷，酸性氣(表1)單獨(dú)燃燒。其中酸性氣中所含H2S將部分燃燒，燃燒空氣由鼓風(fēng)機(jī)K-301A/B供給?？藙谒?fàn)t自動(dòng)控制流程如圖4所示。

圖3 酸性氣分配自控流程

組分正常工況%最大工況%C10.2200.210CO234.43032.280H2S58.39060.520COS0.0100.007H2O6.9506.970CH4S0.0040.004總流率/kmol·h-11 331.9801 660.770

所需燃燒空氣總量為每股進(jìn)料氣所需的燃燒空氣量的總和，每股進(jìn)料氣的空氣消耗量通過計(jì)算每股進(jìn)料氣中單位摩爾可燃燒物質(zhì)燃燒所需耗氧量乘以進(jìn)料氣中相應(yīng)摩爾流量計(jì)算而得[4]。酸性氣的耗氧量計(jì)算列于表2。

表2 酸性氣的耗氧量計(jì)算

圖4 克勞斯?fàn)t自動(dòng)控制流程

正常操作時(shí)，HC-30409中的比例系數(shù)應(yīng)保證通過主燃燒空氣調(diào)節(jié)閥FV-30410調(diào)節(jié)空氣流量為所需燃燒空氣總流量的90%～95%，剩余部分燃燒空氣通過微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥FV-30416，比例系數(shù)的設(shè)定有效范圍為0.7～1.4。通過上述復(fù)雜控制回路，酸性氣和燃料氣的流量變化將會(huì)直接反饋到主燃燒空氣流量控制系統(tǒng)，酸性氣和燃料氣的組成變化和測(cè)量元件的誤差將會(huì)通過尾氣在線分析儀反饋至微調(diào)燃燒空氣控制系統(tǒng)[5]。

4.2 自控操作優(yōu)化

如果反應(yīng)爐燃燒器的每股進(jìn)料組分恒定且各個(gè)測(cè)量元件和調(diào)節(jié)閥運(yùn)行正常，控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地控制所需燃燒空氣流量。但實(shí)際生產(chǎn)情況并非如此，為了保證尾氣中H2S與SO2的比例[6,7]為4∶1，以便裝置能夠達(dá)到最大的硫回收率，設(shè)置了微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥FV-30416。微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥FV-30416與主燃燒空氣調(diào)節(jié)閥FV-30410為并聯(lián)操作，微調(diào)空氣流量由FT-304016測(cè)量，微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值由設(shè)置在尾氣出裝置管線上的在線分析儀AT/AC-31001給定，在線分析儀測(cè)定尾氣中的H2S與SO2的含量，作為至調(diào)節(jié)閥的給定值，對(duì)微調(diào)空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持裝置過程氣中H2S與SO2的比例為4∶1。

組態(tài)時(shí)設(shè)定HC-30409為酸性氣耗氧量的比例調(diào)節(jié)器，如果尾氣分析儀AT/AC-31001的給定設(shè)定值使微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥開度大于70%，調(diào)節(jié)閥閥位指示FZAH-30416報(bào)警，表示微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥己經(jīng)接近流量調(diào)節(jié)上限。操作人員此時(shí)應(yīng)通過HC-30409調(diào)整比例設(shè)定系數(shù)，使主燃燒空氣的調(diào)節(jié)閥門增加開度，從而使微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥在合適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。如果尾氣分析儀AT/AC-31001的給定設(shè)定值使微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥開度小于30%，調(diào)節(jié)閥閥位指示FZAL-30416報(bào)警，表示微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥已經(jīng)接近流量調(diào)節(jié)下限。操作人員此時(shí)應(yīng)通過HC-30409調(diào)整比例設(shè)定系數(shù)，使主燃燒空氣的調(diào)節(jié)閥門減小開度，從而使微調(diào)空氣調(diào)節(jié)閥在合適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

5 應(yīng)用效果

再生塔頂回流罐(D-103)出口酸性氣壓力正常生產(chǎn)時(shí)控制在70kPa左右，當(dāng)酸性氣壓力緩慢波動(dòng)時(shí)，下游硫磺回收裝置酸性氣進(jìn)料管線上的壓力控制PC-30405會(huì)自動(dòng)調(diào)整壓力。當(dāng)下游一列硫磺回收單元出現(xiàn)異常造成酸性氣管網(wǎng)壓力上升至90kPa后，兩列PV11701A閥同時(shí)打開，將酸性氣放至火炬系統(tǒng)，保證另一列裝置正常生產(chǎn)。有一回，四聯(lián)合二列脫硫單元跳車，操作人員迅速調(diào)整，將一列酸性氣定流量分配至二列硫磺回收單元，兩列硫磺回收裝置生產(chǎn)穩(wěn)定。脫硫單元排除故障恢復(fù)生產(chǎn)后，直接將產(chǎn)生的酸性氣進(jìn)入硫磺回收單元，避免了硫磺單元再次開車帶來的麻煩。

6 結(jié)束語

聯(lián)合裝置再生塔回流罐頂兩分程控制的優(yōu)化，解決了由于受上游因素導(dǎo)致壓力不穩(wěn)，酸性氣時(shí)常放空的現(xiàn)象，減少了劇毒氣體的外排，避免了大氣污染。兩列酸性氣串聯(lián)后硫磺回收的自控系統(tǒng)改造，從根本上解決了一列脫硫裝置停車后，兩列硫磺回收單元能夠正常穩(wěn)定控制，保持了正常的生產(chǎn)狀態(tài)，從而縮短了裝置開停工的時(shí)間，節(jié)省了大量的人力物力。