ZHSR工艺的自动控制

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ZHSR硫回收技术是由镇海石化工程有限责任公司吸收、消化国外技术的基础上，开发出来的硫回收技术。该硫回收技术具有工程设计先进、装置能耗低、设备布置紧凑、占地面积小，装置规模大、操作弹性宽、硫化氢浓度适应范围广、自动控制方案设置合理，达到了国际先进水平。一、前言

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该技术的主要特点是过程控制自动化程度高，装置运行安全可靠。由于硫磺回收装置在炼油厂总体流程中处于尾部，原料的供给点多，因此它的原料（酸性气）流量和组成波动大，而硫磺的生成全靠硫化氢化学反应生成，为了确保高的硫转化率，必须对反应另一物料（氧气）按化学计量供给，因此装置的设计必须采用先进合理的控制方案。另外，其原料、中间产物都含高浓度的硫化氢、二氧化硫、二硫化碳和羰基硫等有毒有害物质，介质一旦泄漏就会发生人身伤亡和环境污染事故；介质有燃料气、硫磺、氢气等易燃易爆物料，同时还有多台不同压力等级的蒸汽锅炉，装置运行危险性大。为了保证装置的安全运行，要求其设计必须具有可靠的开工程序和完善的安全联锁系统。一、前言

32.1酸性气的需氧控制1、控制方案的作用该空气流量的前馈-反馈-再反馈控制方案，是硫磺回收装置始终保持高的硫转化率和长周期平稳的保证。该控制方案在正常生产时，能适应装置原料酸性气流量和组成的变化，可自动调节主空气和微空气流量，并能自动修正空气/酸性气比值误差。在装置开停工和低负荷运行时，可确保燃料气入反应炉自动配风，解决硫磺装置开停工和低负荷运行困难问题。二、先进的控制方案42、工艺要求本装置硫磺生产的原理是使原料气中硫化氢与空气中的氧气反应生成元素硫。氧气过量会生成二氧化硫，氧气过量严重时危及装置安全；氧气不足硫化氢反应不完全，原料中杂质氨和烃燃烧不充分，造成装置停工和硫磺产品不合格。因此氧气过多过少都会对装置造成很大的影响，为此必须通过控制空气/酸性气比例，严格控制过程气中H2S/2SO2为一定值。二、先进的控制方案53、控制方案说明主燃烧室空气流量控制采用前馈-反馈-再反馈控制方案。所谓前馈：通过测量酸性气和燃料气流量，计算出燃烧所需的空气量，把二物料或多物料需要的空气量相加作为主调空气量的设定值；所谓反馈：通过测量过程气中H2S-2SO2值，作为微调空气流量的设定值；所谓再反馈：把微调空气调节情况再传递给主调空气，通过调节主调空气量确保微调空气正常运行。空气流量的前馈控制如下：酸性气体积流量（FT/A）先进行温压补偿转换为质量流量，在主燃烧室的入口燃料气线上的测量得到了主燃烧室燃料气（FT/D1）的质量流量。通过测量燃料气的分子量，计算块（AY/D）计算出燃烧空气对燃料气的完全燃烧质量流量的比值。通过燃料气质量流量与空气/燃料气完全燃烧比的相乘（FY/D2），得到完全燃烧测量燃料气所需的空气的计算质量流量，这个数值与操作人员设定的期望燃烧比值（HIC/D）相乘得到期望的燃料气的所需空气流量（FY/D3）。同时酸性气流量乘以操作人员设定的空气/酸性气燃烧比值（HIC/C），得到期望的燃烧酸性气效果的空气流量（FY/A1）。两者相加（FY/B1），得到期望的燃烧效果的所需空气总量,空气总量作为空气主调控制器（FIC/B）的设定值。二、先进的控制方案6在上述设定的作为期望的空气/酸性气燃烧比值和实际存在的空气/酸性气比值之间存在偏差，同样在燃料气中，计算得到的完全燃烧空气/燃料气比值和实际存在的完全燃烧空气/燃料气比值之间也存在偏差。为了消除这些偏差，实现准确的控制，又引入了反馈控制。将从第三硫冷凝器后管线中过程气的（H2S-2SO2）测量值作为被控变量，（H2S-2SO2）质量控制器（AIC/C）的输出值通过调整微调空气流量控制器（FIC/C）设定值的方式加以反馈控制。当实际H2S-2SO2含量与零之间有偏差时，控制系统会调整微调风线的空气流量控制器（FIC/C）的设定点使H2S-2SO2含量为零（VOL%）。反馈控制可进行正常微调回路和低负荷微调回路的选择（HS/C）。

在上述空气前馈和反馈控制时，如果操作人员操作人员设定的空气/酸性气燃烧比值（HIC/C）或燃料气期望燃烧比值（HIC/D）不当，微调空气流量可能太大或太少，影响前馈和反馈控制的正常运行。再反馈的作用是，把微调空气调节情况再传递给主调空气，使主调空气的设定发生改变，从使微调空气得到有效调节。微调空气流量控制器（FIC/C）的输出通过平衡调整回路，用特殊的运算块（FY/B2）通过选择器（HS/B）去修正主空气量（FY/B1），防止微调风线空气流量超过大或过小。具体见下图：二、先进的控制方案74、控制回路投用办法

首先，调整好主调空气流量调节器（FIC/B）、微调空气流量调节器（FIC/C）、燃料气流量调节器（FIC/D）的PID参数，调节器投“自动”。其次，把空气/酸性气燃烧比值（HIC/C）或燃料气期望燃烧比值（HIC/D）设定合适的值，调整主调空气流量调节器（FIC/B）的设定值与计算值（FY/B1）相近，主调空气流量调节器投“串级”，装置前馈控制投用。接着，微调空气流量调节器（FIC/C）的设定值与计算值（FY/C1）相近，微调空气流量调节器投“串级”，装置反馈控制投用。最后，如果有必要投用再反馈，则把选择器（HS/B）切至平衡调整回路，再反馈系统投用。如果装置负荷低，主调空气调整困难，把选择器（HS/C）切至小流量微调回路，把前馈和反馈全部引入微调空气流量调节器。二、先进的控制方案8二、先进的控制方案9

2.2在线炉交叉限位控制

1、控制方案的作用

该扩展双比率交叉限位控制方案是ZHSR的专利技术，是镇海石化工程公司采用在线炉工艺流程的保证。该控制方案很好地解决了，由于燃料气和空气调整不同步而发生的燃烧气体中过氧和产生碳黑问题。

2、工艺要求

在线炉的作用是通过燃料气在低于化学计量下燃烧，给反应器入口过程气或尾气提供热量，使反应器获得最大的硫转化率，同时为反应提供一定量的还原气体（H2、CO）。重点避免：在燃料气组份发生变化、燃料气和空气调节系统发生故障、在线炉出口温度波动大等情况时，发生由于燃料气和空气调整不同步而发生的燃烧气体中过氧和产生碳黑。二、先进的控制方案103、控制方案说明

为了达到上述目的，设计了一个扩展双比率交叉限位控制方案，该控制方案完全可满足工艺的要求。该方案中通过反应器入口温度调节器（TIC）来控制空气流量控制器（FIC/B1）和燃料气流量控制器（FIC/A4）的设定值的方法来实现。

这个控制方案可以防止燃烧配比低于一个设定的低配比限（HC1可能产生碳黑的化学计量）以下，或燃烧配比高于一个设定的高配比限（HC2可能产生漏氧的化学计量）以上。在这个控制方案中有3个控制器，每个都有不同的作用。主控制器是反应器入口温度控制器（TIC），它通过交叉系统给出空气流量控制器（FIC/B1）和燃料气控制器（FIC/A4）的设定值。在交叉限位系统中，将所有控制器的控制运算量都转化为“空气需要量”来参与比较和运算，这个“空气需要量”表示按完全燃烧配比烧掉燃料气所需的空气量。燃料气控制器（FIC/A4）的测量值和设定值也是燃烧燃料气所需空气量的公斤数。交叉限位方案的理想配比（HC3）决定了燃料气控制器（FIC/A4）与空气流量控制器（FIC/B1）的设定值的差。

当交叉限位系统（FY/B3、FY/B4、FY/C3、FY/C4）检测到设定配比在最大配比（HC2）和最小配比（HC1）之间移动时，燃料气控制器和空气流量控制器的设定值不受交叉限位的制约同时变化。交叉限位系统通过允许设定配比在最大配比（HC2）和最小配比（HC1）间变化，可以获得快速的控制动作。

二、先进的控制方案11然而，当反应器入口温度控制器（空气需要量）的输出下降时，交叉控制系统会限制燃料气控制器的设定值，使其不至于太低，以免燃料气流量设定值与空气流量实测值之比大于操作人员设定的最高配比值（HC1），这个限制动作在高选块（FY/A5）中进行。与此同时，当反应器入口温度控制器（空气需要量）的输出下降时，交叉控制系统会限制空气流量控制器的设定值太低，以免空气流量设定值与燃料气流量实测值之比小于操作人员设定的最低配比值（HC2），这个限制动作在高选块（FY/B4）中进行。

同样，当反应器入口温度控制器（空气需要量）的输出上升时，交叉控制系统会限制燃料气控制器的设定值，使其不至于太高，以免燃料气流量设定值与空气流量实测值之比小于操作人员设定的最低配比值（HC2），这个限制操作在低选块（FY/A6）中进行。与此同时，当反应器入口温度控制器（空气需要量）的输出上升时，交叉控制系统会限制空气流量控制器的设定值太高，以免空气流量设定值与燃料气流量实测值之比大于操作人员设定的最高配比值（HC1）。这个限制动作在低选块（FY/B3）中进行。

当空气或燃料气控制器的设定值被某一个选择器限制时，限制值在不断的变化以适应当时实际测量的空气流量值和所需的空气量。这样就构成一个动态系统，保持设定配比在操作人员设定的最大配比值（HC1）和最小配比值（HC2）之间移动并稳定地向操作人员设定的理想配比（HC3）靠拢。二、先进的控制方案124、控制回路投用办法

首先，设定好的最大配比值（HC1）、最小配比值（HC2）和理想配比（HC3）值。其次，调整好空气流量调节器（FIC/B1）、燃料气流量调节器（FIC/A4）的PID参数，调节器投“自动”，并把二调节器的设定值调至合适值。接着，把反应器入口温度控制器（TIC）投“手动”，调整调节器输出使该值与空气流量基本相同，空气流量调节器（FIC/B1）和燃料气流量调节器（FIC/A4）直接切至“串级”。最后，把反应器入口温度控制器（TIC）投“自动”，给调节器合适的设定值，控制系统投用完成。二、先进的控制方案13二、先进的控制方案142.3焚烧炉复杂控制

1、控制方案的作用和工艺要求

焚烧炉的作用是通过燃料气在高于化学计量下燃烧，给尾气提供热量，使尾气中硫化氢完全燃烧。为达到上述目标，要求把尾气加热至足够高温度、尾气中有一定的残余氧。另外还要求烟道气不产生碳黑，燃料气燃烧时产生的NOX尽能低，燃料气消耗尽可能低。二、先进的控制方案152、控制方案说明

为了实现工艺上述要求，本复杂控制通过低配比控制器、三段空气流量、燃料气流量、氧含量反馈来实现。

焚烧炉温度控制器（TIC）的输出采用分程方案。当焚烧炉温度控制器（TIC）的输出较大时，通过高分程（A~100%）使输出值作为燃料气流量调节器（FIC/A）和一段空气流量调节器（FIC/B）设定值，此时焚烧炉温度由燃料气和一段空气来控制；如果当焚烧炉温度控制器（TIC）的输出较小时，通过低分程（0~A）使输出值作为三段空气流量调节器（FIC/D）设定值，此时燃料气和一段空气流量控制阀已关至最小位置。在这种情况下，焚烧炉温度控制器（TIC）输出通过分程控制系统进入高选器（FY/D），由于它是一个高选器，通过比较使三段空气流量调节器（FIC/D）有可能被焚烧炉温度控制器所控制，结果三段空气流量增加，焚烧炉被冷却下来。另外，如果O2含量控制器（AIC）输出值比焚烧炉温度控制器（TIC）的输出大，则O2含量控制器（AIC）就取得了三段空气流量控制器（FIC/D）的控制权。

二、先进的控制方案16为了使烟气NOx的排放最小，低NOx烧嘴的火焰区分为前区和后区，前区燃烧空气叫一段空气，后区的燃烧空气叫二段空气，一段空气流量为总空气流量的85%，二段空气流量为总空气流量的35%，这样燃料气燃烧后保证还有20%的残余量。另外，通过一个低限位（HC1）控制方案来改变一段空气流量控制器（FIC/B）和燃料气流量控制器（FIC/A）的设定值，防止燃料气由于空气不足产生碳黑。

3、控制回路投用办法

首先，设定好的总风量配比值（HC3）、主风量配比值（HC2）和最小值配比（HC1）值。其次，调整好一段空气流量调节器（FIC/B）、二段空气流量调节