高含硫凈化裝置酸性氣分配控制的優化與應用

趙景峰 張鋼強 李慶男 張蘇猛 張小龍

(中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川 達州 636156)

普光氣田是國內最大的整裝海相高含硫氣田，其高含硫凈化聯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爐，部分燃燒后進入兩級轉化器，最終將H2S轉化為單質硫。中國石化達州天然氣凈化廠共有6個聯合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，分析影響生產穩定的不利因素，介紹酸性氣的控制原理，并針對控制系統的設計與組態進行優化。同時，根據裝置特點，對兩列酸性氣分配和克勞斯爐的操作進行優化。

1 工藝流程簡介①

高含硫凈化聯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，再生出的酸性氣經塔頂回流罐(D-103)和酸性氣分液罐(D-301)進入硫磺回收單元。

圖1 聯合裝置工藝流程

2 酸性氣控制的技術特征

2.1 酸性氣生產控制原理

正常生產時，脫硫單元胺液再生塔產生的酸性氣經塔頂回流罐D-103和酸性氣分液罐D-301進入硫磺回收單元。回流罐D-103上設有壓力兩分程控制[2]，用來自動調節進入克勞斯爐的酸性氣管網壓力。控制器PC11701控制調節閥PV11701A閥(以下簡稱A閥)和PV11701B閥(以下簡稱B閥)，控制器輸出0%～50%時B閥開，輸出50%～100%時A閥開。酸性氣通過B閥進入硫磺回收裝置中的克勞斯爐進行燃燒反應。酸性氣管網壓力超高時，通過A閥進行放空。經分液罐D-301分液后的酸性氣在進入克勞斯爐之前，酸性氣控制采用串級控制，主控為壓力控制，副控為流量控制。

2.2 生產不利因素

在實際生產中，有兩點不利因素導致生產不能平穩進行：

a. 由于受上游原料氣量和再生塔底溫度波動的影響，胺液再生塔塔頂回流罐D-103壓力不穩定，壓力PV值會產生波動，那么當PV值稍高設定值SV時，A閥就會打開造成酸性氣放空；PV

值稍低于設定值SV時，B閥就會逐漸關閉，造成克勞斯爐流量波動，燃燒不穩定甚至會出現酸性氣流量低低聯鎖停車。

b. 當天然氣脫硫裝置因事故或其他原因造成停工檢修時，硫磺回收和后續所有單元都得停車。因為硫磺回收停車要經過吹硫、鈍化、升溫及降溫等及其復雜的操作工序，需消耗大量的人力物力。

3 生產控制原理的優化操作

3.1 再生塔塔頂回流罐D-103壓力控制優化

為了實現壓力波動范圍內A閥不放空，在壓力超高時A閥可以快速打開放空的目的，將總控制器PC11701低限位輸出設定為50%，那么B閥的最低開度就是100%。正常生產壓力會在60～80kPa之間波動，可以設PC11701的SV值為90kPa。當PV值超過90kPa時A閥會迅速打開放空；PV值低于90kPa時A閥會關閉，但B閥始終開啟。進入克勞斯爐的酸性氣壓力可通過克勞斯爐前壓力控制PC-30405進行調壓。

3.2 酸性氣管網設計優化

針對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，優化后的工藝流程如圖2所示。

圖2 優化后的酸性氣分配流程

正常操作條件下，每列胺液再生塔產生的酸性氣進入本列硫磺回收單元。當其中一列天然氣脫硫裝置因事故或其他原因停工檢修時，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入兩列硫磺回收裝置，以維持兩列硫磺回收裝置的連續操作。

3.3 酸性氣分配的自控優化

目前，天然氣凈化廠一個聯合兩列裝置同時開工時，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。在上述操作模式下，設定一列硫磺回收裝置的酸性氣進料為定流量控制，而另一列硫磺回收裝置的酸性氣進料為壓力、流量串級控制，以適應上游裝置酸性氣進料的壓力波動，控制流程如圖3所示。第二列硫磺回收裝置酸性氣進料管線上的壓力控制PC-30405與同在酸性氣進料管線上的流量控制FC-30405為串級控制[3]，壓力信號為流量控制的設定值。當酸性氣進料上游壓力升高超過設定值時，PC-30405增加流量控制FC-30405的設定值；反之，當酸性氣進料上游壓力降低低于設定值時，PC-30405減少流量控制FC-30405的設定值。

4 硫磺回收裝置控制操作優化

4.1 酸性氣燃燒自控設計

在開工或停工時，克勞斯爐燃燒器的進料除酸性氣外，還要增加燃料氣伴燒。正常生產時，燃料氣切斷，酸性氣(表1)單獨燃燒。其中酸性氣中所含H2S將部分燃燒，燃燒空氣由鼓風機K-301A/B供給。克勞斯爐自動控制流程如圖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料氣所需的燃燒空氣量的總和，每股進料氣的空氣消耗量通過計算每股進料氣中單位摩爾可燃燒物質燃燒所需耗氧量乘以進料氣中相應摩爾流量計算而得[4]。酸性氣的耗氧量計算列于表2。

表2 酸性氣的耗氧量計算

圖4 克勞斯爐自動控制流程

正常操作時，HC-30409中的比例系數應保證通過主燃燒空氣調節閥FV-30410調節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空氣調節閥FV-30416，比例系數的設定有效范圍為0.7～1.4。通過上述復雜控制回路，酸性氣和燃料氣的流量變化將會直接反饋到主燃燒空氣流量控制系統，酸性氣和燃料氣的組成變化和測量元件的誤差將會通過尾氣在線分析儀反饋至微調燃燒空氣控制系統[5]。

4.2 自控操作優化

如果反應爐燃燒器的每股進料組分恒定且各個測量元件和調節閥運行正常，控制系統可以準確地控制所需燃燒空氣流量。但實際生產情況并非如此，為了保證尾氣中H2S與SO2的比例[6,7]為4∶1，以便裝置能夠達到最大的硫回收率，設置了微調空氣調節閥FV-30416。微調空氣調節閥FV-30416與主燃燒空氣調節閥FV-30410為并聯操作，微調空氣流量由FT-304016測量，微調空氣調節閥的設定值由設置在尾氣出裝置管線上的在線分析儀AT/AC-31001給定，在線分析儀測定尾氣中的H2S與SO2的含量，作為至調節閥的給定值，對微調空氣流量進行調節，維持裝置過程氣中H2S與SO2的比例為4∶1。

組態時設定HC-30409為酸性氣耗氧量的比例調節器，如果尾氣分析儀AT/AC-31001的給定設定值使微調空氣調節閥開度大于70%，調節閥閥位指示FZAH-30416報警，表示微調空氣調節閥己經接近流量調節上限。操作人員此時應通過HC-30409調整比例設定系數，使主燃燒空氣的調節閥門增加開度，從而使微調空氣調節閥在合適調節范圍內。如果尾氣分析儀AT/AC-31001的給定設定值使微調空氣調節閥開度小于30%，調節閥閥位指示FZAL-30416報警，表示微調空氣調節閥已經接近流量調節下限。操作人員此時應通過HC-30409調整比例設定系數，使主燃燒空氣的調節閥門減小開度，從而使微調空氣調節閥在合適的調節范圍內。

5 應用效果

再生塔頂回流罐(D-103)出口酸性氣壓力正常生產時控制在70kPa左右，當酸性氣壓力緩慢波動時，下游硫磺回收裝置酸性氣進料管線上的壓力控制PC-30405會自動調整壓力。當下游一列硫磺回收單元出現異常造成酸性氣管網壓力上升至90kPa后，兩列PV11701A閥同時打開，將酸性氣放至火炬系統，保證另一列裝置正常生產。有一回，四聯合二列脫硫單元跳車，操作人員迅速調整，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穩定。脫硫單元排除故障恢復生產后，直接將產生的酸性氣進入硫磺回收單元，避免了硫磺單元再次開車帶來的麻煩。

6 結束語

聯合裝置再生塔回流罐頂兩分程控制的優化，解決了由于受上游因素導致壓力不穩，酸性氣時常放空的現象，減少了劇毒氣體的外排，避免了大氣污染。兩列酸性氣串聯后硫磺回收的自控系統改造，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定控制，保持了正常的生產狀態，從而縮短了裝置開停工的時間，節省了大量的人力物力。