先進控制技術(shù)在硫磺回收聯(lián)合裝置的應(yīng)用

任錦飛，朱書奔，江鳳月，金曉明

(1.浙江中控軟件技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310053；2.浙江大學智能系統(tǒng)與控制研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

硫磺回收將全廠收集到的含硫酸性氣與空氣混合燃燒。通過控制空氣進料量(或氧氣)，使燃燒產(chǎn)物中硫化氫與二氧化硫氣體體積比為2∶1。燃燒后的氣體被強制冷卻，并將硫磺冷凝回收。剩余氣體再經(jīng)二級、三級反應(yīng)，可提高回收效率。多數(shù)硫磺回收聯(lián)合裝置的硫回收率可達95%～99%以上[1]。

硫磺回收聯(lián)合裝置主要包括硫回收、污水汽提、溶劑再生和產(chǎn)品精制等部分。該裝置采用浙江中控的ECS700 集散控制系統(tǒng)來實現(xiàn)基礎(chǔ)控制，其保障了裝置運行的安全、可靠。常規(guī)比例積分微分(proportion integral differential,PID)控制從被控對象的單輸入單輸出關(guān)系實現(xiàn)閉環(huán)控制，很難協(xié)調(diào)解決多變量、有約束、強耦合的復雜過程控制問題。

而采用多變量預測控制技術(shù)，可以有效地解耦和抗干擾，使操作更平穩(wěn)，并改善產(chǎn)品質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)主要工藝參數(shù)“卡邊”優(yōu)化運行，可提高產(chǎn)品收率、降低能源消耗。該系統(tǒng)投運后，減輕了操作人員的工作強度，提高了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，取得了滿意的控制效果，為流程企業(yè)智能工廠在裝置層級的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[2]。

1 工藝流程簡介

該硫磺回收聯(lián)合裝置原料為煉廠酸性氣，主要來自3#硫磺回收、煤制氫、溶劑再生、3#污水汽提聯(lián)合裝置自身的溶劑再生部分。固體硫磺作為產(chǎn)品裝車出廠，同時產(chǎn)生3.5 MPa蒸汽至公用工程管網(wǎng)。

污水汽提裝置處理硫磺聯(lián)合裝置和上游裝置產(chǎn)生的酸性水，生產(chǎn)的液氨部分至常減壓裝置和硫磺回收聯(lián)合裝置回用，剩余部分裝車出廠；生產(chǎn)的凈化水部分至上游裝置回用，剩余部分至污水處理廠處理后排放；溶劑再生裝置處理來自產(chǎn)品精制和上游裝置的富胺液，汽提和再生產(chǎn)生的酸性氣至硫磺回收聯(lián)合裝置，再生的貧胺液由產(chǎn)品精制和上游裝置進行脫硫。以上裝置聯(lián)合布置、統(tǒng)一管理、聯(lián)合操作，對全廠酸性氣、酸性水進行集中處理[3]。

硫磺回收聯(lián)合裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 硫磺回收聯(lián)合裝置工藝流程簡圖Fig.1 Simplified diagram of process flow of sulfur recovery combined unit

2 過程控制現(xiàn)狀分析

硫磺回收聯(lián)合裝置采用常規(guī)PID控制，對溫度、壓力、流量、液位等各種參數(shù)進行控制，各部分構(gòu)成了相對獨立的控制回路。在實際生產(chǎn)過程中，這些控制回路基本上都能取得不錯的控制效果，在保證了裝置平穩(wěn)運行的同時，也為實施先進控制創(chuàng)造了條件。

由于硫磺回收聯(lián)合裝置屬于煉廠末端裝置，酸性氣的進料組分無法控制，且來料流量存在較大波動。而常規(guī)PID控制主要是從單輸入單輸出對象的角度來考慮問題，因此，很難解決具有多約束、多變量、強耦合且存在大純滯后的各類復雜控制問題。其控制品質(zhì)難以滿足裝置精確、優(yōu)化控制的要求。

另外，由于裝置部分工藝參數(shù)需人工調(diào)節(jié)，往往調(diào)節(jié)不夠及時；而人工調(diào)節(jié)存在操作習慣的差異，很難達到完全一致的平穩(wěn)控制效果。

2.1 進料組成波動的影響

酸性氣混合后進入分液罐，分液后進入燃燒爐。在爐內(nèi)通過控制配風量使硫化氫進行高溫Claus反應(yīng)生成單質(zhì)硫，剩余硫化氫中又有約1/3轉(zhuǎn)化成SO2，并將酸性氣中的烴類和氨氣等雜質(zhì)全部氧化分解。

本裝置的酸性氣來源較多，進料流量存在較大波動，且酸性氣中硫化氫含量無法控制，常規(guī)控制根據(jù)酸性氣的高(低)濃度，以一定的比例計算出相對合適的主風量。但是這個比例通常不會調(diào)整，除非原料有較大的變化。H2S-2SO2比值與副風構(gòu)成串級控制。由于串級回路因副風調(diào)節(jié)不夠及時，存在較大滯后，H2S-2SO2比值存在一定的波動。選擇合適的控制手段解決配風的問題，以克服進料變化的影響，是先進控制需解決的問題之一。

2.2 尾氣處理單元

H2S-2SO2比值對尾氣處理單元也有較大的影響。尾氣吸收塔設(shè)有H2含量在線分析儀，用來實時跟蹤檢測加氫尾氣中的H2含量，并通過H2含量與H2流量調(diào)節(jié)器串級控制來保證尾氣中其他形態(tài)的硫完全轉(zhuǎn)化為硫化氫。由于本身存在著大滯后，串級投用效果不好，目前主要采用人工調(diào)節(jié)H2流量。采用先進控制策略調(diào)節(jié)H2流量，對于在比值小幅度波動情況下穩(wěn)定H2含量是比較重要的。

當氧化不完全時，會出現(xiàn)排氣中H2S濃度升高的情況，因此需要保證焚燒爐溫度和氧氣濃度不能過低。目前，燃料氣進料采用手動輸入，通過中壓蒸汽閥調(diào)節(jié)除氧水來調(diào)節(jié)過熱蒸汽出口溫度。而根據(jù)中壓換熱蒸汽溫度進行人工調(diào)節(jié)，往往無法兼顧焚燒爐溫度，且因為調(diào)節(jié)不及時，中壓蒸汽溫度及焚燒爐溫度經(jīng)常偏低(達不到430 ℃)或偏高(造成燃料氣浪費)。

2.3 汽提塔的控制

汽提塔頂部采用二段填料層，填料層溫度高低決定填料溫差。汽提塔頂溫度作為汽提塔操作的主要指標，溫度控制偏高，會影響酸性氣至硫磺裝置質(zhì)量；長時間塔頂溫度偏高，易造成塔頂管線(NH4)2S結(jié)晶堵塞。汽提塔常規(guī)控制采用了填料溫差與塔頂抽出的串級控制，然而實際無法使用[4]。

汽提塔頂壓力是衡量汽提塔安全運行的關(guān)鍵指標，壓力偏高將引起系統(tǒng)超壓，壓力偏低或大幅度波動將會使凈化水NH3-N和硫化物濃度升高，不利于裝置的長周期安全運行。而塔頂壓力主要受側(cè)線抽出、塔頂酸性氣抽出、重沸器蒸汽流量影響較大。抽出量越大，重沸器蒸汽流量越小，則塔頂壓力越??；反之，則塔頂壓力越大[4]。

2.4 再生塔的控制

再生塔底溫度是控制再生塔質(zhì)量的主要指標，再生質(zhì)量的好壞直接決定了溶劑吸收的效果。溶劑吸收用于降低尾氣中二氧化硫的排放。如果塔底溫度較低，應(yīng)適當增加塔底重沸器蒸汽耗量，將塔底溫度提高至指標范圍內(nèi)[6]。

上述控制問題，很難通過簡單PID控制和人工調(diào)節(jié)來解決。多變量預測控制技術(shù)能對產(chǎn)品質(zhì)量和裝置參數(shù)波動幅度進行預測，并充分考慮各變量的耦合，從而實現(xiàn)裝置平穩(wěn)控制。因此，可在此基礎(chǔ)上提高裝置的平穩(wěn)性，降低能耗，并保證滿足操作約束，從而達到提高經(jīng)濟效益的目的。

3 先進控制策略

3.1 多變量預測控制技術(shù)

多變量預測控制技術(shù)通過數(shù)學模型對控制系統(tǒng)未來狀態(tài)進行預測，并采用反饋校正和在線滾動優(yōu)化的方法矯正系統(tǒng)行為，實現(xiàn)硫磺回收聯(lián)合裝置的閉環(huán)優(yōu)化控制。

多變量預測控制技術(shù)具有以下特點：①在偏差控制的基礎(chǔ)上，將數(shù)學模型作為控制器內(nèi)部模型，并充分利用過程信息和知識信息，實現(xiàn)多目標協(xié)調(diào)優(yōu)化控制；②保留原有的復雜控制，能有效處理各種過程約束。

以下對預測控制算法作簡要介紹[7]：

(1)

式中:k為在未來第j個采樣時刻的輸出預測；hi為單位脈沖響應(yīng)序列采樣值；u(k+j-i)為在第(k+j-i)個采樣時刻的輸入；j=1,2,…,P；M為控制時域，P為預測時域，N為建模時域，且M≤P≤N。

由于實際生產(chǎn)過程會出現(xiàn)很多干擾因素，并且具有時滯(大純滯后等)或非線性等特點，使得過程模型的預測值與實際輸出值出現(xiàn)一定的偏差，因此需要對式(1)的預測輸出進行修正：

(2)

式中:yc(k+j)為校正后第j個時刻的輸出預測；y(k)為當前時刻實際輸出值；βj為誤差修正系數(shù)。

(3)

式中:ySP(k+j)為第j個時刻的參考軌跡設(shè)定；Q為預測誤差加權(quán)系數(shù)；R為控制量加權(quán)系數(shù)。

在過程對象約束條件下，對式(3)所示的目標函數(shù)進行求解，可以同時計算出從第k個至第(k+M-1)個采樣時刻的M個控制量，但只執(zhí)行當前時刻的控制作用u(k)，下一時刻的控制量u(k+1)再按式(3)遞推計算。這樣就實現(xiàn)了閉環(huán)控制算法[8]。

3.2 硫磺回收聯(lián)合裝置先進控制策略

硫磺回收聯(lián)合裝置先進控制的主要任務(wù)是通過合理地動態(tài)調(diào)節(jié)各操作變量，降低H2S-2SO2比值，平穩(wěn)各關(guān)鍵工藝指標，提高產(chǎn)品質(zhì)量與降低裝置能耗。根據(jù)硫磺回收聯(lián)合裝置的實際生產(chǎn)特點，設(shè)計了適合硫磺回收聯(lián)合裝置的先進控制器。

在取得有效的試驗數(shù)據(jù)后，利用辨識軟件進行數(shù)據(jù)處理，辨識得到相應(yīng)的動態(tài)模型。再根據(jù)工藝特點、技術(shù)指標和要求，選取合理的約束條件、參考軌跡及控制結(jié)構(gòu)以得到高性能的控制器，構(gòu)成閉環(huán)的多變量預測控制系統(tǒng)[9]。

①H2S-2SO2比值先進控制保留了副風的串級控制，通過調(diào)節(jié)高(低)濃度酸性氣/空氣比例來克服原料酸性氣的波動，減小H2S-2SO2比值波動，從而使副風在小幅度范圍內(nèi)微調(diào)，保證H2S-2SO2比值的穩(wěn)定。

②H2含量受到反應(yīng)部分影響較大，當H2S-2SO2比值測量值穩(wěn)定時，H2含量也較為穩(wěn)定，小幅度通過先控調(diào)節(jié)H2流量來實現(xiàn)H2含量穩(wěn)定。

③中壓蒸汽溫度及焚燒爐溫度先進控制，采用燃料氣進料閥及中壓蒸汽調(diào)節(jié)閥作為先控的調(diào)節(jié)手段。中壓蒸汽溫度采用設(shè)定值控制，優(yōu)先保證中壓蒸汽溫度在430 ℃以上。焚燒爐溫度采用區(qū)間控制，當溫度過低時，可調(diào)節(jié)燃料氣進料量，以避免焚燒爐溫度過低，并保證焚燒爐氧含量在合適的范圍內(nèi)。

④選擇汽提塔上部溫度TI10411C與下部溫度TI10412B去控制填料溫差。塔頂上部溫度和塔頂溫度相比更為靈敏，保證上部溫度在合適的范圍內(nèi)，即可防止沖塔情況的發(fā)生；保證下部溫度在合適的范圍內(nèi)，即可防止溫差大幅降低情況的出現(xiàn)，并兼顧塔頂壓力。

⑤溶劑再生塔底溫度通過控制蒸汽流量閥開度來實現(xiàn)。該方法相較人工調(diào)節(jié)更為及時有效，保證了再生胺液的質(zhì)量[10-11]。

4 先進控制應(yīng)用效果

先進控制系統(tǒng)投運后，取得良好的控制效果，抗干擾能力強，并能協(xié)調(diào)各個過程控制變量，使裝置更加平穩(wěn)。同時，該控制系統(tǒng)減輕了操作工勞動強度，實現(xiàn)裝置優(yōu)化控制，降低了操作成本。

(1)實現(xiàn)了常規(guī)PID控制和先進控制的無擾切換，提高了裝置平穩(wěn)性。

(2)降低操作人員勞動強度，得到了操作人員的認可。

(3)降低了7.3%的SO2排放量。

以H2S-2SO2比值、中壓蒸汽溫度、汽提塔填料溫差三個被控變量為例，對比先進控制投運前后效果，其效果圖分別如圖2～圖4所示。

圖2 H2S-2SO2比值先控投用效果圖Fig.2 Effect of H2S-2SO2 ratio advanced control

圖3 中壓蒸汽溫度先控投用效果圖Fig.3 Effect of medium pressure steam temperature advanced control

圖4 汽提塔填料溫差先控投用效果圖Fig.4 Effect of stripper temperature difference advanced control

生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，裝置關(guān)鍵變量的標準偏差平均降低了30%以上，有效提高了裝置平穩(wěn)性。

5 結(jié)束語

在硫磺回收聯(lián)合裝置上應(yīng)用先進控制技術(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果和示范作用。從本文可以看出，硫磺回收聯(lián)合裝置先進控制系統(tǒng)能有效克服外界干擾，實現(xiàn)裝置主要工藝參數(shù)自動調(diào)整，使操作更加平穩(wěn)。在此基礎(chǔ)上，對各主要工藝參數(shù)實行“卡邊”優(yōu)化控制，可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。