前饋和反饋控制在天然氣處理工藝中的設計與應用

王 琪

(中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠渠縣分廠，四川 達州 635200)

目前，對SO2及H2S等酸性廢氣的處理是環(huán)境保護領(lǐng)域的主要課題之一，煙氣脫硫技術(shù)至今已經(jīng)200多種[1]。在天然氣處理工藝中，硫磺等酸性廢氣的回收也是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。筆者以土庫曼斯坦巴格德雷A區(qū)天然氣處理工藝為例，根據(jù)裝置的工藝、原理和設計特點，針對酸性氣的負荷變化和組分變化，分別設計了前饋控制和反饋控制回路，實現(xiàn)了硫磺回收裝置對H2S等氣體的高回收率。

1 硫磺回收裝置的工藝和原理①

從脫硫脫碳裝置出來的酸性氣與從主風機送來的空氣按一定配比，在主燃燒爐內(nèi)進行克勞斯反應，在主燃燒爐內(nèi)約66%的H2S將轉(zhuǎn)化為硫元素。主燃燒爐出來的高溫氣流經(jīng)余熱鍋爐E-1401(Ⅰ)冷卻后進入一級硫磺冷凝冷卻器E-1402(Ⅰ)冷卻；分離出液硫后經(jīng)一級再熱爐H-1402(Ⅰ)加熱至所需的反應溫度，進入一級反應器R-1401(Ⅰ)，在此反應器內(nèi)進行常規(guī)克勞斯反應，并使CS2和COS充分水解。

為便于敘述，假設二級反應器R-1402(Ⅰ)處于再生態(tài)，三級反應器R-1403(Ⅰ)處于吸附態(tài)。

過程氣在進入二級反應器R-1402(Ⅰ)之前需進行冷卻，經(jīng)二級硫磺冷凝冷卻器E-1403(Ⅰ)分離出液硫后的過程氣，再經(jīng)二級再熱爐H-1403(Ⅰ)加熱至催化劑再生所需的溫度后進入二級反應器R-1402(Ⅰ)，在此反應器中，上一周期吸附在催化劑上的液硫逐步汽化，從而使催化劑除硫再生，并進行常規(guī)克勞斯反應。出二級反應器R-1402(Ⅰ)的過程氣經(jīng)三級硫磺冷凝冷卻器E-1404(Ⅰ)冷卻除硫后，不經(jīng)再熱而直接進入三級反應器R-1403(Ⅰ)，在其內(nèi)進行低溫克勞斯反應。出三級反應器R-1403(Ⅰ)的過程氣進入四級硫磺冷凝冷卻器E-1405(Ⅰ)，冷卻分離出液硫后進入液硫捕集器D-1402(Ⅰ)，從捕集器出來的尾氣送入尾氣焚燒爐H-1404(Ⅰ)焚燒，焚燒后的廢氣通過煙囪排放。

主燃燒爐中的主要化學反應如下：

催化反應器中的化學反應如下：

2 裝置的設計特點

土庫曼斯坦巴格德雷A區(qū)天然氣處理工藝中的硫磺回收裝置，應用先進、成熟的低溫克勞斯技術(shù)，最后一級反應器中的過程氣在硫蒸氣露點溫度下進行克勞斯反應，從而使硫回收率得到盡可能的提高；低溫克勞斯反應段催化劑的再生熱源為上游克勞斯反應段經(jīng)分硫和再熱后的過程氣本身，無需單獨設置再生系統(tǒng)和補充再生能量，流程簡單、占地少、操作和維修都比較方便；裝置設置了高精度、高靈敏度的H2S/SO2在線分析儀反饋控制系統(tǒng)，滿足高轉(zhuǎn)化率的要求[2]；裝置進料酸性氣濃度較高，酸性氣全部引入主燃燒爐，主燃燒爐的溫度達1 041℃，既可確保維持穩(wěn)定燃燒，又有利于提高硫回收率；裝置過程氣的再熱采用燃料氣再熱爐，操作控制靈活、可靠；為提高硫回收率并充分利用熱源，該裝置的三、四級硫磺冷凝冷卻器采用預熱鍋爐給水方案，以降低過程氣(尾氣)出口溫度。三、四級硫磺冷凝冷卻器產(chǎn)生的熱水，一部分供給余熱鍋爐和一、二級硫磺冷凝冷卻器上水，其余返回鍋爐房。

3 系統(tǒng)控制原理

在天然氣處理工藝的硫磺回收系統(tǒng)中，設置兩臺流量調(diào)節(jié)閥對進入主燃燒爐的空氣流量進行控制，一臺用于主空氣調(diào)節(jié)回路，使進爐的酸性氣量和空氣量保持一定的比例，確保達到預定的硫磺回收率；另一臺調(diào)節(jié)閥用于H2S/SO2比例反饋控制，通過在回收裝置過程氣管線上設置H2S/SO2比例在線分析儀，將空氣需求量控制系統(tǒng)的輸出信號引入，確保過程氣中H2S∶SO2為2∶1，以便獲得更高的調(diào)節(jié)精度，實現(xiàn)氣/風比例的最佳控制[3]。

4 重要控制回路

天然氣處理硫磺回收控制系統(tǒng)由前饋控制和反饋控制構(gòu)成，前饋控制主要用于酸性氣負荷發(fā)生變化時對空氣量進行補償；反饋控制主要用于酸性氣H2S組分變化時對空氣量進行補償。

4.1 前饋控制回路

主空氣回路控制流程如圖1所示。支路空氣回路控制流程如圖2所示。圖1、2中，F(xiàn)Q1405為溫壓補償后的酸性氣流量；FQ1408為溫壓補償后的主路空氣流量；FQ1410為溫壓補償后的支路空氣流量；HC1416為設定初次理論支路空氣流量(次當量燃燒理論空氣流量)，范圍為0～3 000m3/h，缺省值2 349m3/h，可參考FY1407；HC1405為理論酸空比(賦值范圍設計為0.0～2.5，為防止操作錯誤進行限幅輸入1.0～2.2)，設定可參考KI1410；KI1410為實際空酸比；FY1416=FQ1405×HC1405-HC1416=主路空氣調(diào)節(jié)器設定值SP；FY1407=FQ1408+FQ1410=總空氣流量；FY1405=FQ1405×HC1405-FQ1408=理論支路空氣需求值，可看作HC1416。

圖1 主空氣回路控制流程

圖2 支路空氣回路控制流程

以酸性氣負荷增加為例：酸性氣負荷FQ1405增加，由于酸性氣成分未變，即HC1405、HC1416未變化，F(xiàn)Y1416=FQ1405×HC1405-HC1416=主路空氣調(diào)節(jié)器FIC1408設定值SP增加，SP與PV偏差增大，F(xiàn)IC1408輸出增加，F(xiàn)V1408開度增大，F(xiàn)Q1408增加直至SP值達到新的平衡。同時支路空氣需求值FY1405=FQ1405×HC1405-FQ1408增加，由于組分未變化，AIC1401保持不變，且HC1406_1處于自動狀態(tài)，輸出FIC1410_1D的SP值增加，F(xiàn)V1410_1閥位開大，支路空氣量增加，此變化再由支路調(diào)節(jié)回路進行調(diào)整。空氣量的調(diào)整由酸性氣負荷變化通過酸空比的運算以及主路、支路空氣調(diào)整，實現(xiàn)對空氣量的實時控制，保證主爐的酸性氣轉(zhuǎn)化率。

4.2 反饋控制回路

反饋控制回路控制流程如圖3所示，其中AI1401_1為2∶1分析儀信號；T1401為酸性氣進主爐到分析儀檢測口的時間段，設定范圍0～400s，缺省值120s；K1401為增益系數(shù)，設定范圍0.0%～2.0%；B1401為設定過程氣H2S/SO2的正常范圍，工況要求過程氣H2S/SO2比例變化范圍在-B～+B(與DCS的設置對應即可)間；HC1406為AIC1401分析儀調(diào)節(jié)器輸出投入/切除選擇，HC1406投手動時HC1406.OP=FY1405.OP，HC1406投自動時HC1406.OP=FY1405.OP+AIC1401.OP。

圖3 反饋控制回路控制流程

以過程氣H2S/SO2比例發(fā)生變化為例：實際酸性氣中H2S組分隨時可能變化，即使酸性氣總量不變，只是H2S成分變化，也會導致進入主燃燒爐的空氣量波動。該裝置對工藝燃燒的過程氣的要求是檢測輸出為50%，也就是盡可能地實現(xiàn)H2S和SO2的2∶1比例混合反應生成單質(zhì)硫。

過程氣分析儀AIC1401檢測到H2S/SO2比例發(fā)生變化，AIC1401的AI1401.PV值>B1401，則AIC1401.OP等于前次AIC1401.OP+HC1405×K1401×0.01，支路空氣調(diào)節(jié)器設定值HC1406.OP=FY1405.OP+AIC1401.OP增加，等待T1401時間后將變化后的值輸出給FIC1410，支路空氣調(diào)節(jié)器PV與SP偏差減小，F(xiàn)IC1410輸出增大，F(xiàn)V1410開度增加，支路空氣流量FQ1410增加至SP值后到達新的穩(wěn)定，調(diào)整的結(jié)果是使AIC1401對過程氣的檢測結(jié)果輸出為50%，實現(xiàn)反饋控制；T1401為酸性氣進爐燃燒再通過管道到達分析儀的時間，受流量、溫度以及回壓等因素影響，實際使用時需要根據(jù)具體工況調(diào)整，默認值為120s。

同樣，當過程氣分析儀AIC1401檢測到AIC1401的AI1401.PV值

5 結(jié)束語

筆者針對天然氣處理工藝硫磺回收系統(tǒng)的酸性氣負荷變化設計了前饋控制，對酸性氣組分變化設計了反饋控制，實現(xiàn)了對H2S氣體的高回收率。在國家能源引進項目土庫曼斯坦天然氣凈化硫磺回收裝置中的實際運行結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便，而且H2S的回收率也大幅提高，繼而推廣到該項目中大量運用。

[1] 余蘭蘭,鄭凱,陳穎,等.剩余污泥改性制備煙氣脫硫吸附劑的研究[J].化工機械,2011,38(6):700～703,724.

[2] 鄭利武,張進偉,陳生龍,顧海濤.在線分析系統(tǒng)在硫磺回收工藝的應用[J].化工自動化及儀表,2012,39(10):1343～1346,1355.

[3] 李雪梅,王國榮,任禮道.H2S/SO2比值控制系統(tǒng)在硫磺回收裝置的應用[J].化工自動化及儀表,2013,40(2):280～282.