硫磺回收裝置酸性氣燃燒爐配風控制方案優(yōu)化

李自皋，楊麗燕，王瑞娥

(玉門油田分公司煉油化工總廠 儀表車間，甘肅 玉門 735200)

硫磺回收裝置酸性氣燃燒爐配風控制方案優(yōu)化

李自皋，楊麗燕，王瑞娥

(玉門油田分公司煉油化工總廠 儀表車間，甘肅 玉門 735200)

結(jié)合硫磺回收裝置酸性氣燃燒爐的工藝流程特點，通過對燃燒爐的燃料氣、酸性氣、H2S以及SO2質(zhì)量濃度比值與預熱空氣燃燒的比值控制方案與鼓風機排空控制回路的詳細介紹，深入分析了它們之間耦合的關(guān)系，提出了通過改進鼓風機出口放空空氣流量控制的計算方式，將該定值控制回路改為隨比率、混合酸性氣、大小配風流量變化而變化的隨動控制回路，有效地解決了鼓風機排空控制回路與燃燒爐大小配風控制回路之間的耦合關(guān)系。實現(xiàn)了鼓風機排空控制回路自動隨動變值設(shè)定的遠程控制，有效地提高了燃燒爐和焚燒爐的燃燒效率，減小了煙氣污染物的排放，整體提高了控制回路的自動投運水平。

制硫燃燒爐配風 比率值串級調(diào)節(jié) 隨動遠程設(shè)定值控制 鼓風機排空控制

1 工藝流程概述

某煉油廠改擴建的酸性水汽提及硫磺回收裝置，是一套環(huán)保隱患治理裝置， 2016年投產(chǎn)運行。該裝置由酸性水汽提、制硫、溶劑再生、尾氣處理、液硫脫氣成型及公用工程等單元組成，其中制硫單元采用部分燃燒，兩級催化轉(zhuǎn)換工藝，尾氣處理單元采用還原吸收工藝。設(shè)置2套制硫燃燒爐，共用液硫脫氣池及排污擴容器。尾氣處理部分設(shè)置1臺尾氣焚燒爐，自設(shè)除氧器，開工用除氧水產(chǎn)生蒸汽，正常后采用凝結(jié)水產(chǎn)生蒸汽。

來自酸性水汽提單元的酸性氣和溶劑再生單元的酸性氣混合后經(jīng)分液罐分液后預熱至160 ℃，經(jīng)流量控制閥均勻分至裝置的2套酸性氣燃燒爐(F101Ⅰ、F101Ⅱ)，進入制硫燃燒器火嘴，在爐膛內(nèi)根據(jù)制硫反應(yīng)需氧量，通過比值調(diào)節(jié)和H2S/SO2比值分析儀反饋數(shù)據(jù)嚴格控制進爐空氣量，使酸性氣與空氣充分混合，完全充分燃燒，達到反應(yīng)平衡，沒有過剩氧，達到低NOx和低噪聲的最佳燃燒效果。

燃燒爐產(chǎn)生的過程氣經(jīng)制硫蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生1.0 MPa飽和蒸汽，然后經(jīng)一級冷凝冷卻器產(chǎn)生0.4 MPa低低壓飽和蒸汽，并使反應(yīng)生成的單質(zhì)硫凝為液態(tài)，液硫經(jīng)分離后進入硫封罐。一級冷凝冷卻器出來的過程氣經(jīng)高溫摻合閥與制硫燃燒爐出口的一部分高溫氣流混合升溫，進入一級反應(yīng)器，在催化劑的作用下，過程氣中的H2S 和SO2進行Claus 反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，反應(yīng)后的高溫過程氣進入二級冷凝冷卻器產(chǎn)生低低壓飽和蒸汽，并使單質(zhì)硫凝為液態(tài)，液硫經(jīng)分離后進入硫封罐。由二級冷凝冷卻器出來的過程氣經(jīng)高溫摻合閥與制硫燃燒爐出口的一部分高溫氣流混合升溫，進入二級反應(yīng)器，使過程氣中剩余的H2S 和SO2進一步發(fā)生催化轉(zhuǎn)化，二級反應(yīng)器出口過程氣經(jīng)三級冷凝冷卻器產(chǎn)生低低壓飽和蒸汽并使單質(zhì)硫凝為液態(tài)，液硫經(jīng)分離進入液硫封罐。三級冷凝冷卻器出來的制硫尾氣經(jīng)尾氣分液罐后進入尾氣處理部分。

該裝置的2套酸性氣燃燒爐互為“一開一備”。采用“燃燒爐+制硫蒸汽發(fā)生器”的臥式結(jié)構(gòu)，在正常操作情況下，爐膛溫度為1 185 ℃，最高操作溫度1 350 ℃，爐膛表壓為0.06 MPa，但如果操作不當，爐膛溫度可能會更高。因此，為確保安全和爐膛溫度的測量準確，耐火材料最高使用溫度按1 600 ℃設(shè)計，燃燒爐本體上安裝了2套外套管材質(zhì)為雙層剛玉套管的B 型熱電偶和2套在線式紅外溫度測量儀表，確保燃燒爐爐膛溫度測量的準確性。同時也設(shè)置了2套紫外線火焰檢測器，動態(tài)實時檢測爐膛內(nèi)火焰，確保燃燒爐不熄火。硫磺回收裝置其中一套酸性氣燃燒爐配風控制流程示意如圖1所示。

圖1 硫磺回收裝置酸性氣燃燒爐配風控制流程

2套酸性氣燃燒爐分別配置了1組離心式鼓風機組，為“一開一備”方式運行。鼓風機組由離心鼓風機、防爆電機、聯(lián)合底座、進出口和放空消聲器、放空蝶閥等組成。

2 酸性氣燃燒爐燃燒配風控制方案

為了使爐膛的酸性氣與空氣充分混合完全燃燒，達到反應(yīng)平衡，沒有過剩氧，低NOx和低噪聲，助燃空氣的配風量大小必須隨著酸性氣流量的大小和制硫爐尾氣分液罐出口管線上H2S/SO2比值分析儀的結(jié)果，隨時調(diào)節(jié)控制進入燃燒爐的空氣量，確保燃燒爐的爐膛燃燒效果。

進入制硫燃燒爐助燃的空氣分2路進行控制:主路通過含氨酸性氣和清潔酸性氣總流量與空氣流量的比值控制實現(xiàn)燃燒爐進入空氣的粗調(diào);開工正常后，通過H2S/SO2比值分析儀與旁路空氣組成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)微調(diào)進入燃燒爐的空氣流量。

以下以焚燒爐F101—I為例進行控制方案的說明，混合酸性氣進爐流量FIC1401A控制回路，流量測量采用楔式流量計，儀表量程為0～1 000 m3/h,差壓0～14 kPa，正常最大流量為772 m3/h。

主路空氣進爐流量(大風)FIC1403A控制回路，流量測量采用插入式均速管流量計，儀表量程為0～1 600 m3/h, 滿刻度差壓設(shè)計值為0～0.32 kPa，正常最大流量為1 356 m3/h。

旁路空氣進爐流量(小風)FIC1404A控制回路，流量測量采用平衡式一體化差壓變送器方式測量，儀表量程為0～300 m3/h, 滿刻度差壓設(shè)計值為0～2.5 kPa，正常最大流量為271 m3/h。

2.1 混合酸性氣流量與燃燒爐主路空氣進爐流量(大風)比值串級控制

FIC1401A與FIC1403A組成比值串級控制調(diào)節(jié)回路，即通過混合酸性氣的實時流量，乘以比值放大倍數(shù)K，作為主路空氣進爐流量的遠程設(shè)定值，用于實時調(diào)節(jié)改變主路空氣進爐量的大小，從而使爐膛內(nèi)的酸性氣充分完全燃燒，達到反應(yīng)平衡。K值范圍為1～2，可由操作工根據(jù)實際工況進行輸入設(shè)定，最大值不能超過主路空氣流量的最大量程?；旌纤嵝詺饬髁颗c燃燒爐主路空氣進爐流量(大風)比值串級控制如圖2所示。

圖2 混合酸性氣流量與燃燒爐主路空氣進爐流量(大風)比值串級控制原理

2.2 燃燒爐尾氣ρH2S/ρSO2與燃燒爐旁路空氣流量(小風)比值串級控制

燃燒爐尾氣ρH2S/ρSO2控制器AIC1701A、燃料氣流量控制器FIC1407A組成軟切換與燃燒爐旁路空氣流量(小風)FIC1404A組成比值串級控制調(diào)節(jié)回路。在開工初期，工藝使用燃料氣FIC1407A調(diào)節(jié)回路使燃燒爐升溫至850 ℃之前，軟切換開關(guān)FSW1407A切換至FIC1407A作為串級控制的主回路，當混合酸性氣投入后，軟切換開關(guān)FSW1407A切換至ρH2S/ρSO2AIC1701A調(diào)節(jié)回路作為串級控制的主回路。

按烴類完全燃燒和33%的 H2S生成SO2所需空氣量，通過H2S/SO2比值分析儀,可以及時反饋尾氣中未充分燃燒的H2S質(zhì)量濃度，及時校正反應(yīng)所需的空氣量，AIC1701A作為串級調(diào)節(jié)主回路及時輸出信號作為小風FIC1404A空氣調(diào)節(jié)器的給定值，從而少量補充爐膛的空氣含氧量，使爐膛的酸性氣H2S進一步充分完全燃燒，提高燃燒爐的燃燒效率和制硫產(chǎn)率。ρH2S/ρSO2在3以下時，表示燃燒較為充分，不需要進行小風調(diào)節(jié)，當比值大于3時，應(yīng)及時采用小風調(diào)節(jié)。燃燒爐燃料氣與尾氣H2S/SO2比值切換與燃燒爐旁爐空氣流量(小風)比值串級控制如圖3所示。

圖3 燃燒爐燃料氣與尾氣ρH2S/ρSO2切換與燃燒爐旁路空氣流量(小風)比值串級控制原理

2.3 鼓風機組防喘振(排空)控制

2套燃燒爐分別配置了1組離心式鼓風機組,鼓風機出口側(cè)設(shè)置了聯(lián)鎖切斷閥和插入式均速管流量計，測量供風的總量，總風流量FIC1301A/1302A，F(xiàn)IC1301B/1302B量程設(shè)計值為0～1 600 m3/h，差壓量程設(shè)計值為0.267 kPa；總風流量與出口旁路設(shè)置的排空蝶閥組成1個簡單的PID控制調(diào)節(jié)回路，用于鼓風機喘振控制，當風機流量接近喘振點，就需要打開鼓風機出口排大氣的調(diào)節(jié)閥。

3 大小配風與鼓風機喘振控制方案的優(yōu)化與改進

從上述的混合酸性氣流量與主路空氣進爐流量(大風)組成比值串級控制調(diào)節(jié)以及ρH2S/ρSO2與旁路空氣流量(小風)比值串級控制調(diào)節(jié)回路來看，唯一的控制變量為進入燃燒爐的壓縮空氣的空氣流量。而該空氣流量由同1臺鼓風機所提供，鼓風機的出口風量是固定的，同時為了防止憋壓或喘振，鼓風機還需要向大氣排空一部分，如果鼓風機向大氣排空量過多，則不能滿足大小風的配風量；如果向大氣排空過少，則進入燃燒爐的風量過多，導致大小配風控制閥憋壓，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性能變差，易發(fā)生喘振而損壞鼓風機。

同時，隨著進入裝置的混合酸性氣流量的變化和燃燒后ρH2S/ρSO2的大小，要及時調(diào)整燃燒的配風量的大小，以確保完全燃燒，如果鼓風機的出口排風量是1個定值PID控制回路，將無法適應(yīng)該比值控制方案，不能保證大小風配風量增加時爐膛氧氣的需求量，導致燃燒不充分，H2S不能完全燃燒，降低燃燒爐的燃燒效率；反之，如果比值配風方案需求量減小時，鼓風機出口的排空量不能及時增加，導致鼓風機憋壓，配風調(diào)節(jié)性能變差。

因此，使用鼓風機的出口總流量FIC1301A/1321A與出口旁路的排空蝶閥組成的定值單回路PID控制回路，無法解決鼓風機的排空與大小配風控制回路壓縮空氣的需求之間的矛盾。如果將該定值單回路控制方案改為出口剩余流量與出口旁路排空蝶閥組成變值隨動串級PID控制回路，將能有效地解決比值、配風與排空之間的耦合問題。具體優(yōu)化改進步驟如下:

1) 修正FIC1301A/1302A量程為0～2 500 m3/h，滿刻度差壓設(shè)計值為0.467 kPa，確保出口總風流量的準確。同時要滿足:FIC1301A/1302A.PV≥FIC1403A.PVmax(1 600 m3/h)+FIC1404A.PVmax(300 m3/h)。

2) 鼓風機出口排空流量(剩余空氣流量)

FICY1301A/1302A.PV=FT1301A/1302A.

PV-(FIC1403A.PV大風+ FIC1404A.PV小風(瞬時流量))。

3) 鼓風機出口排PID控制回路的變值隨動遠程設(shè)定值

FICY1301A/1302A.SP=FT1301A/1302A.PV-(FIC1403A.SP大風+ FIC1404A.SP小風)。

4) 大風遠程比值設(shè)定值(大風配風量)

FIC1403A.SP=K·FIC1401A.PV(瞬時流量)

5) 小風遠程比值切換設(shè)定值(小風配風量)

FIC1404A.SP=K·FIC1407A.PV(瞬時流量)

當FSW1407A為0時，選擇比值控制小風配風量；為1時選擇用ρH2S/ρSO2為小風的配風量，ρH2S/ρSO2的目標值為3。

6) 最后，由鼓風機出口排空流量FICY1301A/1302A與鼓風機出口排空控制閥組成1個PID控制回路，當該回路處于遠程給定狀態(tài)時，其遠程設(shè)定值為

FICY1301A/1302A.SP=FT1301A/1302A.PV-(FIC1403A.SP+FIC1404A.SP)。

這樣鼓風機出口的排空流量的設(shè)定值將隨著大風、小風的配風需求量的變化而變化，大、小風的量設(shè)定值也隨混合酸性氣流量和ρH2S/ρSO2的變化而變化，整個燃燒爐的配風控制達到了1個隨動的平衡狀態(tài)，所有混合酸性氣、比率、ρH2S/ρSO2、鼓風機排空控制回路，都可以投入自動，減少了人為操作的影響，使燃燒爐的燃燒更加完全充分，燃燒效率更高。該方法用的尾氣焚燒爐，環(huán)保效果更加明顯。

4 結(jié)束語

酸性水汽提及硫磺回收裝置的制硫燃燒爐，是該裝置的核心和關(guān)鍵設(shè)備，提高其自動控制水平，是確保燃燒爐充分、平衡、高效率燃燒和操作平穩(wěn)率的前提，不僅是制硫的關(guān)鍵要素，也是尾氣環(huán)保達標排放的源頭所在。通過對該爐的燃料氣、酸性氣、ρH2S/ρSO2與預熱空氣燃燒的比值控制方案與鼓風機排空控制閥控制回路(防喘振)的控制方案和儀表自控參數(shù)進行了詳盡闡述，深入地分析了它們之間的相互耦合聯(lián)動關(guān)系，提出通過改進鼓風機出口排空控制回路的(喘振)放空空氣流量的計算方式，將該定值控制回路改為由比值、混合酸性氣、大小配風流量變化而變化的隨動PID控制回路，有效地解決了鼓風機排空控制回路與燃燒爐大小配風控制回路之間的相互影響及耦合聯(lián)動的關(guān)系，實現(xiàn)了鼓風機排空控制回路自動隨動變值設(shè)定的遠程控制，有效地提高了燃燒爐和焚燒爐的燃燒效率，減小了煙氣污染物的排放，整體提高了控制回路的自動投運水平。

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OptimizationofAirDistributionControlSchemeforAcidicGasFurnaceinSulfurRecoveryUnit

Li Zigao,Yang Liyan,Wang Ruie

(Refining & Chemical Plant of Yumen Oilfield Company Instrument Workshop, Yumen, 735200, China)

s：Combining with process characteristics of acid gas furnace for sulfur recovery unit, through detailed introduction on furnace fuel gas, acid gas, ratio control scheme of ρH2S/ρSO2and preheated air combustion, and blower evacuation control loop (anti-surge), coupled relationship among them are discussed deeply.Calculation mode through improving blower export venting air flow control is proposed.The constant value control loop is changed to follow-up loop changing with change of ratio, mixed acid gas, wind distribution flow, coupling relationship linkage between blower evacuation control loop and furnace air distribution control system is effectively solved.control loop automatic follow-up servo variable values of blower set by the remote control is realized, the combustion furnace and incinerator combustion efficiency is effectively improved.Emission of flue gas pollutants is reduced.The level of control circuit of automatic operation is improved as a whole.

sulfur furnace air distribution;ratio cascade regulation;follow-up remote set-point control;blower evacuation control

稿件收到日期：2017-07-24，修改稿收到日期2017-09-15。

李自皋 (1969―) 男，甘肅慶陽人，1993年畢業(yè)于西北師范大學計算機應(yīng)用專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)就職于玉門油田分公司煉油化工總廠儀表車間，主要從事生產(chǎn)過程自動化儀表控制方面的專業(yè)技術(shù)管理工作，已發(fā)表論文10余篇，任副主任、高級工程師。

TP273+.1

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1007-7324(2017)06-0033-04