硫磺回收裝置先進控制方案優(yōu)化

趙現(xiàn)鋒，唐輝，蘇記

(1. 昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2. 中石油云南石化有限公司，云南 昆明 650300；3. 云南瑞寶生物科技股份有限公司，云南 昆明 651701)

很多煉化裝置配置了先進控制(APC)系統(tǒng)，多數(shù)因裝置波動大、設(shè)計不合理、儀表不可靠等原因被迫下線，反而大幅增加了操作員的勞動強度。目前國內(nèi)新建的大型煉化項目，無一例外不重視APC系統(tǒng)的建設(shè)，注重培養(yǎng)國內(nèi)煉化行業(yè)設(shè)計和應(yīng)用APC的技術(shù)人才，積極推進APC系統(tǒng)的建設(shè)，為企業(yè)“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運行保駕護行。在加工高硫、劣質(zhì)化、重質(zhì)化原油越來越多的今天，硫磺回收裝置作為煉化企業(yè)重要的配套裝置，肩負(fù)著生產(chǎn)和環(huán)保的兩項重任，由于硫磺回收裝置運行不穩(wěn)，造成全廠生產(chǎn)被動的局面，已經(jīng)屢見不鮮。

北京華創(chuàng)睿控應(yīng)用自主研發(fā)的“HCHSmartCS系統(tǒng)軟件平臺”，成功解決了“硫磺回收裝置H2S和SO2的摩爾比值(nH2S/nSO2)控制”這個典型控制難題，目前已在國內(nèi)4套裝置成功運用，節(jié)能減排效果顯著。本文在合理限定控制目標(biāo)、軟件要求、硬件配置以及安全保障等方面進行分析，完善APC系統(tǒng)的設(shè)計，為硫磺回收裝置APC系統(tǒng)順利投運打好基礎(chǔ)。

1 設(shè)計階段完善APC的措施

1.1 制定合理的控制目標(biāo)

云南某360 kt/a硫磺回收裝置，包含2套120 kt/a和2套60 kt/a裝置，硫回收率要求達到99.98%以上。要達到如此高的回收率，nH2S/nSO2控制是決定性的因素，然而，在實際操作中，配風(fēng)控制很難保持合適，主要原因包括： 隨著原油中含硫量波動和加工量的波動，以及上游裝置的其他波動，不可避免引起酸性氣流量波動；酸性氣中H2S含量波動；酸性氣中烴類雜質(zhì)含量變化。這些變化，都需要配風(fēng)控制隨之改變，常規(guī)控制手段難以實現(xiàn)，大部分裝置雖然在配風(fēng)環(huán)節(jié)設(shè)有自動控制系統(tǒng)，但實際運行中大部分處于手動或部分手動狀態(tài)，造成nH2S/nSO2值大范圍波動。因此，需要制定出APC系統(tǒng)的合理控制目標(biāo)： 系統(tǒng)投用期間，尾氣捕集器出口氣中的nH2S/nSO2值維持在(設(shè)定值±1.0)之間，平穩(wěn)率高于80%，即5 min等間隔取樣，nH2S/nSO2值維持在(設(shè)定值±1.0)之間的數(shù)據(jù)要大于總數(shù)的80%。

1.2 APC控制方案的優(yōu)化

1.2.1經(jīng)典控制方法分析

主配風(fēng)采用比例控制，主配風(fēng)流量與總酸性氣流量成比例調(diào)節(jié)；副配風(fēng)與nH2S/nSO2值分析儀構(gòu)成典型的串級控制回路，最終控制三級冷凝器出口的nH2S/nSO2值。但經(jīng)典控制方法存在以下缺陷：

1)副配風(fēng)調(diào)節(jié)范圍太窄，大多數(shù)裝置的酸性氣中H2S含量變化都超出調(diào)節(jié)范圍，經(jīng)常出現(xiàn)副風(fēng)控制閥全開或全關(guān)，回路開環(huán)的情況，這是大多數(shù)裝置都不能長期投自動的主要原因。

2)不能完全消除酸性氣流量變化引起的波動，只能消除與主副配風(fēng)控制閥量程比大致相當(dāng)?shù)乃嵝詺饬髁孔兓瘮_動。所以，即使在理想情況下，酸性氣流量波動也肯定會引起nH2S/nSO2值的波動，從而影響整個硫磺回收裝置的運行平穩(wěn)性。

1.2.2APC控制方案

硫磺回收裝置配風(fēng)控制的工藝特性，或者說，影響裝置控制性能的最大不利因素可歸納為： 裝置負(fù)荷即酸性氣流量大幅度頻繁波動；酸性氣中H2S含量大幅度頻繁波動，導(dǎo)致作為控制量的配風(fēng)與被控量nH2S/nSO2值的關(guān)系隨時間大幅度變化，系統(tǒng)呈現(xiàn)典型的時變特性。

針對硫磺回收裝置的上述2個工藝特性，理想的硫磺回收裝置配風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下兩項必要性能： 在理想條件下，可完全消除酸性氣流量引起的nH2S/nSO2值的波動；酸性氣H2S含量變化時，控制性能不發(fā)生變化，即系統(tǒng)對酸性氣H2S含量變化有自適應(yīng)能力。為實現(xiàn)該要求，設(shè)計了硫磺回收裝置配風(fēng)APC控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硫磺回收裝置配風(fēng)APC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1)采用多入多出控制算法，以酸性氣流量及nH2S/nSO2值為輸入，主配風(fēng)及副配風(fēng)為輸出，為完全消除酸性氣流量引起的系統(tǒng)波動提供可能；

2)實時辨識計算酸性氣流量、配風(fēng)及nH2S/nSO2值之間的關(guān)系參數(shù)，并據(jù)此修正上述多入多出算法中的參數(shù)，實行系統(tǒng)對酸性氣中H2S含量變化的自適應(yīng)控制。

1.3 APC系統(tǒng)硬件

HCHSmartCS系統(tǒng)安裝運行在獨立的工控機上，形成先進控制器，工控機通過OPC服務(wù)器與DCS連接。從整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，先進控制器只相當(dāng)于DCS的一個或數(shù)個控制模塊，操作人員通過DCS的操作站操作整個裝置。APC系統(tǒng)硬件除了要滿足自身運算的需求外，還要在配置上符合所在企業(yè)的整體要求。APC系統(tǒng)典型硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 APC系統(tǒng)典型硬件結(jié)構(gòu)示意

1.4 APC系統(tǒng)軟件

該裝置APC系統(tǒng)是基于HCSmartCS平臺開發(fā)的，HCHSmartCS控制系統(tǒng)軟件平臺由Smart-Arch,Smart-Core,Smart-HMI,Smart-Sim共4部分組成：

1)Smart-Arch是軟件平臺的組態(tài)工具和運行主程序。組態(tài)工具將Smart-Core中的各種運算模塊連接成APC系統(tǒng)的具體方案，最后生成實現(xiàn)表，供運行主程序使用。主程序根據(jù)實現(xiàn)表調(diào)用Smart-Core中的相應(yīng)模塊，并保護每個調(diào)用的場景，順次運算，實現(xiàn)對過程的控制。

2)Smart-Core是軟件平臺的核心，由控制類運算模塊、動態(tài)系統(tǒng)類算模塊、數(shù)學(xué)類運算模塊以及邏輯類算模塊組成。

3)人機界面Smart-HMI主要有如下3個功能：

a)人機界面功能。供系統(tǒng)調(diào)試和參數(shù)設(shè)置使用，當(dāng)HCHSmartCS為獨立完整的控制系統(tǒng)時，形成操作界面。

b)與外界的數(shù)據(jù)交換功能。完成與各種DCS及其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

c)數(shù)據(jù)庫功能。大容量、安全、穩(wěn)定的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。

4)仿真包Smart-Sim實現(xiàn)對各種控制對象的仿真。

1.5 APC系統(tǒng)安全保障措施

為了保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行，在先進控制器端和DCS端采取以下安全保障措施：

1)信號傳輸中斷安全保障。先進控制器在向DCS傳送數(shù)據(jù)信號的同時傳送一聯(lián)絡(luò)信號DOG，該信號定時變化，DCS對其進行判斷，若在規(guī)定時間內(nèi)該信號沒有發(fā)生變化，則認(rèn)為信號聯(lián)絡(luò)中斷，自動切回DCS控制。

2)無擾動切換。先進控制器與DCS相互跟蹤，實現(xiàn)無擾動切換。

3)自動切出功能。對先進控制器的設(shè)定值施加變化率限制，超過限制，即切回DCS；判斷送到先進控制器的數(shù)據(jù)，如出現(xiàn)壞值或超量程，即切回DCS。

2 APC系統(tǒng)成功實施的要點

APC系統(tǒng)成功實施的要點主要如下：

1)必要的在線分析儀表以及可靠的運行設(shè)備。需重視設(shè)備和儀表選型，選擇可靠的儀表和設(shè)備。該項目屬于新建煉油項目，有很長的準(zhǔn)備期可進行儀表和設(shè)備的選型工作，對APC項目的實施有先天優(yōu)勢。

2)應(yīng)特別注重常規(guī)控制回路的投運工作。提高常規(guī)控制回路自控投運率，以滿足APC系統(tǒng)的要求。

3)吸納工藝技術(shù)人員和操作人員意見。工藝技術(shù)人員和裝置操作人員是優(yōu)化方案的參謀，如果他們充分理解了APC的理念，制定出合理的調(diào)整策略指導(dǎo)操作，將對APC是否能夠真正發(fā)揮作用具有決定性的影響。加強與操作人員的溝通，讓其理解APC的理念，使其在日常根據(jù)生產(chǎn)指令、生產(chǎn)方案執(zhí)行操作，在確保裝置平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)上，較快領(lǐng)會并接受技術(shù)人員制定的生產(chǎn)策略，精心地把APC系統(tǒng)作為穩(wěn)定裝置操作、提高產(chǎn)量和質(zhì)量的一個有利工具，否則，會出現(xiàn)操作人員將某些約束指標(biāo)放得過寬，控制變量放得過窄，控制器的投用率雖然很高，但先進控制的投用效果顯現(xiàn)不出來。

4)對APC系統(tǒng)進行及時維護。對控制器的性能進行監(jiān)控，及時維護，保持其精度，對于保持APC的運行來說至關(guān)重要。工藝操作人員是最終用戶，日常生產(chǎn)方案的調(diào)整，工藝條件的變化只有他們最清楚。只有讓所有操作人員都明確控制目標(biāo)，控制策略，實施方法，才能針對不同的生產(chǎn)方案和生產(chǎn)優(yōu)化指標(biāo)，隨時調(diào)整控制參數(shù)，充分利用APC技術(shù)，提高裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)率。

3 結(jié)束語

APC項目在實施階段要選擇技術(shù)先進的系統(tǒng)，在設(shè)計階段要結(jié)合裝置特點和整體要求制定合理的控制目標(biāo)，選用優(yōu)化的APC控制方案，對先進控制系統(tǒng)的軟件、硬件以及安全措施制定確切的要求，為APC項目的順利實施打好基礎(chǔ)。APC系統(tǒng)在具體的實施過程中還有很多細(xì)節(jié)性的工作要做好，要對APC系統(tǒng)進行及時維護、更新，才能讓APC系統(tǒng)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益和安全效益。