硫磺回收装置比值控制系统简介.doc

降低SO2排放硫磺回收装置H2S/SO2比值控制系统简介北京华创睿控科技有限公司2013年10月目 录一、华创睿控公司简介2二、硫磺回收装置H2S/SO2比值控制技术简介42.1 硫磺回收装置工艺简介42.2 存在主要问题52.3 系统主要目标62.4 硫磺回收装置H2S/SO2比值控制系统62.4.1 HCHSmartCS控制软件平台简介62.4.2系统实现的典型形式72.4.3硫磺回收装置H2S/SO2比值控制系统方案92.5 实际应用案例简介112.5.1大庆石化公司1800吨/年装置应用情况112.5.2大庆石化公司5000吨/年装置应用情况132.5.3庆阳石化公司装置应用情况162.5.4大港石化公司装置应用情况17一、华创睿控公司简介北京华创睿控科技有限公司是大庆开发区华创电子有限公司的全资子公司，从事先进控制技术研究及应用、控制系统设计和实施业务。公司根据自身条件和优势，对先进控制理论和技术进行了深入研究，在理论上取得了重要成果，在技术上研制出了承载该理论成果的软件应用平台，并付诸实际应用，得到了满意的实际应用效果。公司先进控制技术的主要思路是，一，深入研究工业过程控制中的对象特性，分析其难控的主要原因；二，对现有的经典的或现代的各种控制理论做深入研究，弄清每种理论的应用背景，并对一些理论或方法做出修正或改进；三，对工业过程控制中的典型的包含一个或多个难控对象的复杂系统，从系统的全面的角度，对系统中各环节的性能有所取舍，着眼于系统的总体性能，综合运用各种控制理论和方法，作出相对固定的整体控制方案。按照上述技术思想，我们研制出了“华创HCHSmartCS复杂系统控制软件平台”，应用这个软件平台，可以方便地实现我公司的先进控制思想。公司先进控制的具体实现过程是：针对遇到的新的控制对象类型，集中核心技术力量，按照公司的先进控制技术思想，做出整体控制方案，应用“软件平台”，对系统具体实施。项目完成后，对方案进行总结、定型，一般技术人员按照相对固定的模式，实施类似系统。在工程实践中，我公司成功解决了“硫磺回收装置H2S/SO2比值控制”这个典型控制难题，目前已在国内4套装置成功运用，节能减排效果显著。该项目2009年被工信部列入第一批工业领域节能减排电子信息应用技术导向目录，2010年科技部列为国家火炬计划项目，获得工信部颁发的2011年度中国软件与信息服务产业优秀项目实施奖。公司近年设计实施的部分控制类工程项目如下：大庆石化公司1800吨/年硫磺回收装置先进控制系统；大庆石化公司5000吨/年硫磺回收装置先进控制系统；大港石化公司硫磺回收装置先进控制系统；庆阳石化公司硫磺回收装置先进控制系统；大庆石化公司酸性水汽提装置先进控制系统；大庆石化公司胺液再生装置先进控制系统；大庆石化公司一重催吸收稳定装置先进控制系统大庆石化公司二气分精馏装置先进控制系统；大庆石化公司加氢装置分馏炉先进控制系统；大庆石化公司制氢装置先进控制系统；大庆石化公司化肥厂合成氨装置氢氮比先进控制系统；大庆石化公司酮苯装置先进控制系统；大庆石化公司罐区事故应急控制系统；大庆石油管理局热力站自动监控系统。二、硫磺回收装置H2S/SO2比值控制技术简介2.1 硫磺回收装置工艺简介硫磺回收装置是炼油企业污水处理流程中的一个环节，典型工艺流程如图1所示：图1、硫磺回收装置工艺流程示意图炼油过程中各种脱硫装置产生酸性气，其主要成分是硫化氢(H2S)、氨(NH3)、氮气(N2)等。硫磺回收装置的作用是尽可能多地将酸性气中的硫成分转化为硫磺，尽量降低排入大气的排硫量。硫磺回收装置的工艺流程简介如下：硫化氢和空气进入制硫燃烧炉，主要进行如下3个式子所示的化学反应：2H2S+O22H2O+2S （式1）2H2S+3O22SO2+2H2O （式2）2H2SSO23S2H2O （式3）约三分之二的硫化氢与氧气发生（式1）所示反应，生成硫蒸汽(S)和水(H2O) ；约10的硫化氢与氧气发生（式2）所示反应，生成二氧化硫(SO2)和水(H2O) ；约20的硫化氢与二氧化硫发生（式3）所示反应，生成硫蒸汽(S)和水(H2O)。制硫燃烧炉反应过后的过程气，再相继进入反应转化炉和冷凝器。在反应转化炉中，大部分硫化氢(H2S)和二氧化硫(SO2)发生（式3）所示反应，生成硫蒸汽(S)和水蒸汽(H2O)。经冷凝器后，硫蒸汽(S)冷凝为液态，进入硫封罐。提取的硫成分占酸性气含硫总量的比例称为转化率。正常情况下，转化率高于95%。含小量硫成分的脱硫过程气进入加氢部分。加氢装置将脱硫过程气中的绝大多数硫成分还原为硫化氢(H2S)并分离，硫化氢返回制硫装置，含微量硫成分的过程气燃烧后排入大气。排空烟气中二氧化硫(SO2)含量越少，对环境污染越轻，国家标准是不大于960mg/Nm3。2.2 存在主要问题在上面介绍的工艺过程中，希望制硫装置尽可能多地提取酸性气中的硫成分，即希望转化率尽可能高，以尽量降低排入大气的排硫量。提高转化率的主要条件是，保证制硫燃烧炉和反应转化炉中硫化氢和二氧化硫的比值(H2S/SO2)稳定在最佳值。由（式3）可见，理论上，此最佳值为2。要保持H2S/SO2比值稳定，关键是保证进入制硫燃烧炉的空气量恰为所需量。空气多了，（式2）所示反应多，SO2偏多，H2S/SO2比值偏低；空气少了，（式2）所示反应少，SO2偏少，H2S/SO2比值偏高；这两种情况都不利于（式3）所示反应。但是，在实际操作中，所加空气量很难保持合适，主要有如下几方面原因：（1） 酸性气流量波动。随着原油中含硫量波动，加工量的波动，以及上游装置的其它波动，不可避免引起酸性气流量波动；（2） 酸性气中硫化氢（H2S）含量波动。由于上述同样原因，酸性气中硫化氢含量波动；（3） 酸性气中烃类杂质含量变化；或对于酸性气中H2S含量低，需额外添加燃料以维持炉温的装置，燃料量的变化；（4） 对于烧氨工艺的装置，氨含量的变化。上述几种变化，都需要所加空气量随之改变，其中（2）、（3）、（4）类原因无从预测，常规控制手段难以控制，大部分装置虽然在配风环节设有自动控制手段，但实际运行中大部分处于手动或部分手动状态， H2S/SO2比值大范围波动。H2S/SO2比值偏离理想值2，即H2S偏少或SO2偏少，实际运行中甚至经常出现末级冷凝器出口H2S或SO2含量为零的情况（见图6），这意味着制硫燃烧炉、一级转化反应器、二级转化反应器中（式3）所示反应不能正常进行，极端情况下一级转化反应器、二级转化反应器根本不起作用，从而降低了转化率，加大了排入大气的二氧化硫(SO2)排放量。2.3 系统主要目标系统的主要目标是实现气风比自动控制，大幅度提高H2S/SO2比值的平稳率，为制硫燃烧炉、反应转化炉提供最佳反应条件，提高转化率，降低尾气中的硫含量，降低尾气加氢部分的负荷，降低吸收塔出口净化尾气中的硫含量，从而降低装置排入大气中的总排硫量。应用本系统，会带来极大的社会效益。另外，也可以延长装置安全运行周期及催化剂的使用寿命，提高硫磺产量和质量，节能降耗，提高装置经济效益。2.4 硫磺回收装置H2S/SO2比值控制系统2.4.1 HCHSmartCS控制软件平台简介HCHSmartCS是我公司自主开发的控制软件平台，采用了我公司的专有技术，并充分吸收了国内外各种控制软件的优点，由HCHSmartCS-Arch、HCHSmartCS-Core、HCHSmartCS-HMI、HCHSmartCS-Sim4部分组成：HCHSmartCS-Arch是软件平台的组态工具和运行主程序；HCHSmartCS-Core是软件平台的核心，由各种运算模块组成；HCHSmartCS-HMI是软件平台的人机界面；HCHSmartCS-Sim是软件平台的仿真包，用于仿真各种控制对象。2.4.2系统实现的典型形式（1） 系统典型硬件形式系统典型硬件形式如图2所示。图2、 HCHSmartCS先进控制系统典型硬件形式HCHSmartCS安装运行在独立的工控机上，形成先进控制器，工控机通过网络与DCS连接。从整个控制系统的结构上看，先进控制器只相当于DCS系统的一个或数个控制模块，操作人员通过DCS的操作站操作整个装置。操作站的操作画面作少量修改，增加所涉及回路的切换开关。供操作人员在DCS和先进控制器间切换。先进控制器与DCS的切换原理如图3所示。图3、先进控制器与DCS切换原理示意图切换信号传送给先进控制器，供先进控制器无扰切换用。先进控制器正常运行时，发送给DCS一看门狗信号，供DCS判断先进控制器的死机、掉电等意外情况。如果出现此类情况，系统自动切回DCS控制，维持基本的运行状态。（2）系统典型软件结构HCHSmartCS先进控制系统的典型软件结构如图4所示。图4、 HCHSmartCS先进控制系统典型软件结构运用HCHSmartCS-Arch，实现两个目的明显不同的层次，共同实现卡边控制目标。过程参数控制层和优化控制层使用同一个HCHSmartCS-Core中的运算模块，但实现的目标却各不相同。过程参数控制层是整个先进控制系统的基础，创造优化控制层所需的条件。优化控制层纵观全系统，计算出不同约束条件所对应的系统运行状态，实现优化控制或卡边控制。2.4.3硫磺回收装置H2S/SO2比值控制系统方案具体方案如图5所示。方案的核心是应用HCHSmartCS软件平台构成采用先进控制策略的气风比控制器。图5、硫磺装置H2S/SO2比值控制系统结构框图利用DCS系统中的OPC或其它数据通讯方式实现控制器与DCS之间的数据交换，控制器从DCS中接收过程参数，经过运算，得到控制数据，送给DCS，由DCS实现对过程的控制。气风比控制器的目标是：控制进入制硫燃烧炉的风量，使三级冷凝冷却器出口过程气中的H2S/SO22/1。实现这个目标，则燃烧炉出口、一级二级转化器内的H2S/SO2比都是2/1，这是制硫燃烧炉、一级转化器、二级转化器的最佳反应条件。达到这个条件，可使制硫尾气中的硫含量最低，从而降低后续尾气加氢处理部分的负荷，最终降低装置排空烟气的含硫量，有显著的经济效益和社会效益。从控制器的外部表现特征看，对H2S/SO2比的控制主要由副配风量实现，主配风量主要实现对酸性气流量的跟踪，但跟踪比例依据系统对装置运行状况的判断实时调整。主、副配风相互配合，又各有侧重，共同应对引起H2S/SO2比变化的各种干扰。控制算法的关键有如下4点：（1） 主、副配风都参与对酸性气流量的跟踪很多控制方案仅由主配风实现对酸性气流量的跟踪，这是一个很大的缺陷，远远超过H2S/SO2比值对配风的不敏感范围。在理论上以及从实际运行操作看，即使主副配风量程比为10/1，副配风的跟踪也远远不能忽略。（2） 副配风应对其它干扰从酸性气中硫化氢含量变化、烃类杂质含量变化、氨含量变化等干扰对H2S/SO2比值的影响的机理看，这些干扰可以归结为一类。这些干扰都引起所消耗氧气量变化。这些干扰很难预先检测，只能对H2S/SO2比值产生影响后，才能给予调整。由副配风及时应对这类干扰。（3） 随时、自动调整主配风跟踪比例随时、自动调整主配风跟踪比例，实现两个目的，一是力图使副配风运行在40-60%量程范围内，保证副配风发挥最佳作用，二是自适应装置工况的漂移，例如酸性气中硫化氢含量、烃类杂质含量等的缓慢变化。（4） 高鲁棒性、高投用率算法有很高的鲁棒性，一经调试投用，就能适应装置的绝大多数工况。整套算法由多个性能次优、但鲁棒性高的算法组成。这也保证了系统的高投用率。以上4点，保证了系统的高投用率，以及整体高性能。2.5 实际应用案例简介2007年以来，系统在国内4套硫磺回收装置投入实际运行。分别为：2007年11月大庆石化公司1800吨/年装置、2010年7月大庆石化公司5000吨/年装置、2010年11月庆阳石化公司3000吨/年装置、2011年7月大港石化公司5000吨/年装置。上述各装置运行条件有一定差异，从实际运行的情况看，系统投用后，装置的各项运行指标都有明显提高，应用效果简介如下。2.5.1大庆石化公司1800吨/年装置应用情况系统在大庆石化公司1800吨/年装置的应用项目于2007年11月通过验收。该系统的特点是装置负荷严重超设计，设计负荷为1800吨/年，实际处理量为接近3000吨/年，导致装置的多个运行指标超标。应用本系统后，效果显著，各项指标如下：（1）H2S/SO2比值平稳率分析2007年1月1日7月25日，制硫尾气H2S/SO2比值AIC5101.PV在1.53.5区间的平稳率在14.7%49.6%之间，平均为30.4%。2008年13月， AIC5101.PV在1.53.5区间的平稳率在96.91% 99.03%之间，平均为98.2%。图6和图7所示分别是应用本系统前后三级冷凝冷却器出口过程气H2S/SO2比值典型历史趋势。图6、 硫磺回收装置过程气H2S/SO2比值典型历史趋势图7、应用本系统后过程气H2S/SO2比值典型历史趋势（2）排空烟气SO2含量为制硫燃烧炉、反应转化炉转化提供了最佳反应条件，提高了转化率，降低了尾气中的硫含量，降低了尾气加氢部分的负荷，保证了尾气排放达到国家标准GB/T16297-1996的要求，减少环境污染。项目实施前后排空烟气SO2含量对比总结见表1。表1：项目实施前后烟气SO2含量数据对比分析月平均2007年数据2008年数据SO2含量（mg/m3）SO2含量（mg/m3）1月31827632月48467553月67917994月63387255月89814626月57625237月21738月24489月707210月2276平均4987671将表1的数据总结如下：2007年110月，排空烟气SO2含量的月平均值在2173 8981 mg/m3之间，10个月的平均值为4987mg/m3；2008年16月，排空烟气SO2含量的月平均值在462 799 mg/m3之间，6个月的平均值为671mg/m3。即实施本项目后，排空烟气SO2含量相当于项目实施前的13.5%，或者说项目实施前的排硫量大约是现在的7.4倍。2.5.2大庆石化公司5000吨/年装置应用情况（1）H2S/SO2比值平稳率分析自2010年7月20日，系统投入运行。以1小时间隔，采集装置的2010年7月24日10:00至10月24日10:00，连续3个月，共2209个数据，H2S/SO2的比值在设定值1.0范围内的共1575个，占71.3。图8和图9所示分别是应用本系统前后三级冷凝冷却器出口过程气H2S/SO2比值典型历史趋势。图8、应用本系统前过程气H2S/SO2比值典型历史趋势图9、应用本系统后过程气H2S/SO2比值典型历史趋势（2）排空烟气SO2含量2009年9月2010年5月项目实施前排空烟气SO2含量的实际数据见表2。表2：项目实施前排空烟气SO2含量采样日期采样值（mg/m3）2009.9.4915 9.11746 846 9.25301 9.2741 10.22779 10.29596 11.13576 11.19436 11.24 510 2009.12.17590 12.24636 12.28542 2010.1.7642 1.10 564 1.21492 1.28546 2010.2.3576 2.11475 2.26626 2010.3.4684 3.8596 3.19721 3.23614 2010.4.2815 4.8746 4.15874 4.23766 4.26 793 2010.5.4736 5.14710 5.20 729 5.28642 平均值6512010年89月项目实施后排空烟气SO2含量的实际数据见表3。表3：项目实施后烟气SO2含量采样日期采样值（mg/m3）2010.8.5469 8.11521 8.20 569 8.31490 9.8577 9.10 544 9.20 504 9.29510 平均值523根据表2、表3，分析结果总结如下：2009年9月2010年5月，排空烟气SO2含量共采样33个，其中2009年9月27日采样值为41，明显不合理，剔除后，其余32个样平均值为651mg/m3；2010年89月，排空烟气SO2含量共采样8个，平均值为523mg/m3。即实施本项目后，排空烟气SO2含量降低了651