先進控制技術在硫磺回收聯合裝置的應用

任錦飛，朱書奔，江鳳月，金曉明

(1.浙江中控軟件技術有限公司，浙江 杭州 310053；2.浙江大學智能系統與控制研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

硫磺回收將全廠收集到的含硫酸性氣與空氣混合燃燒。通過控制空氣進料量(或氧氣)，使燃燒產物中硫化氫與二氧化硫氣體體積比為2∶1。燃燒后的氣體被強制冷卻，并將硫磺冷凝回收。剩余氣體再經二級、三級反應，可提高回收效率。多數硫磺回收聯合裝置的硫回收率可達95%～99%以上[1]。

硫磺回收聯合裝置主要包括硫回收、污水汽提、溶劑再生和產品精制等部分。該裝置采用浙江中控的ECS700 集散控制系統來實現基礎控制，其保障了裝置運行的安全、可靠。常規比例積分微分(proportion integral differential,PID)控制從被控對象的單輸入單輸出關系實現閉環控制，很難協調解決多變量、有約束、強耦合的復雜過程控制問題。

而采用多變量預測控制技術，可以有效地解耦和抗干擾，使操作更平穩，并改善產品質量。在此基礎上實現主要工藝參數“卡邊”優化運行，可提高產品收率、降低能源消耗。該系統投運后，減輕了操作人員的工作強度，提高了生產過程的穩定性，取得了滿意的控制效果，為流程企業智能工廠在裝置層級的應用奠定了基礎[2]。

1 工藝流程簡介

該硫磺回收聯合裝置原料為煉廠酸性氣，主要來自3#硫磺回收、煤制氫、溶劑再生、3#污水汽提聯合裝置自身的溶劑再生部分。固體硫磺作為產品裝車出廠，同時產生3.5 MPa蒸汽至公用工程管網。

污水汽提裝置處理硫磺聯合裝置和上游裝置產生的酸性水，生產的液氨部分至常減壓裝置和硫磺回收聯合裝置回用，剩余部分裝車出廠；生產的凈化水部分至上游裝置回用，剩余部分至污水處理廠處理后排放；溶劑再生裝置處理來自產品精制和上游裝置的富胺液，汽提和再生產生的酸性氣至硫磺回收聯合裝置，再生的貧胺液由產品精制和上游裝置進行脫硫。以上裝置聯合布置、統一管理、聯合操作，對全廠酸性氣、酸性水進行集中處理[3]。

硫磺回收聯合裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 硫磺回收聯合裝置工藝流程簡圖Fig.1 Simplified diagram of process flow of sulfur recovery combined unit

2 過程控制現狀分析

硫磺回收聯合裝置采用常規PID控制，對溫度、壓力、流量、液位等各種參數進行控制，各部分構成了相對獨立的控制回路。在實際生產過程中，這些控制回路基本上都能取得不錯的控制效果，在保證了裝置平穩運行的同時，也為實施先進控制創造了條件。

由于硫磺回收聯合裝置屬于煉廠末端裝置，酸性氣的進料組分無法控制，且來料流量存在較大波動。而常規PID控制主要是從單輸入單輸出對象的角度來考慮問題，因此，很難解決具有多約束、多變量、強耦合且存在大純滯后的各類復雜控制問題。其控制品質難以滿足裝置精確、優化控制的要求。

另外，由于裝置部分工藝參數需人工調節，往往調節不夠及時；而人工調節存在操作習慣的差異，很難達到完全一致的平穩控制效果。

2.1 進料組成波動的影響

酸性氣混合后進入分液罐，分液后進入燃燒爐。在爐內通過控制配風量使硫化氫進行高溫Claus反應生成單質硫，剩余硫化氫中又有約1/3轉化成SO2，并將酸性氣中的烴類和氨氣等雜質全部氧化分解。

本裝置的酸性氣來源較多，進料流量存在較大波動，且酸性氣中硫化氫含量無法控制，常規控制根據酸性氣的高(低)濃度，以一定的比例計算出相對合適的主風量。但是這個比例通常不會調整，除非原料有較大的變化。H2S-2SO2比值與副風構成串級控制。由于串級回路因副風調節不夠及時，存在較大滯后，H2S-2SO2比值存在一定的波動。選擇合適的控制手段解決配風的問題，以克服進料變化的影響，是先進控制需解決的問題之一。

2.2 尾氣處理單元

H2S-2SO2比值對尾氣處理單元也有較大的影響。尾氣吸收塔設有H2含量在線分析儀，用來實時跟蹤檢測加氫尾氣中的H2含量，并通過H2含量與H2流量調節器串級控制來保證尾氣中其他形態的硫完全轉化為硫化氫。由于本身存在著大滯后，串級投用效果不好，目前主要采用人工調節H2流量。采用先進控制策略調節H2流量，對于在比值小幅度波動情況下穩定H2含量是比較重要的。

當氧化不完全時，會出現排氣中H2S濃度升高的情況，因此需要保證焚燒爐溫度和氧氣濃度不能過低。目前，燃料氣進料采用手動輸入，通過中壓蒸汽閥調節除氧水來調節過熱蒸汽出口溫度。而根據中壓換熱蒸汽溫度進行人工調節，往往無法兼顧焚燒爐溫度，且因為調節不及時，中壓蒸汽溫度及焚燒爐溫度經常偏低(達不到430 ℃)或偏高(造成燃料氣浪費)。

2.3 汽提塔的控制

汽提塔頂部采用二段填料層，填料層溫度高低決定填料溫差。汽提塔頂溫度作為汽提塔操作的主要指標，溫度控制偏高，會影響酸性氣至硫磺裝置質量；長時間塔頂溫度偏高，易造成塔頂管線(NH4)2S結晶堵塞。汽提塔常規控制采用了填料溫差與塔頂抽出的串級控制，然而實際無法使用[4]。

汽提塔頂壓力是衡量汽提塔安全運行的關鍵指標，壓力偏高將引起系統超壓，壓力偏低或大幅度波動將會使凈化水NH3-N和硫化物濃度升高，不利于裝置的長周期安全運行。而塔頂壓力主要受側線抽出、塔頂酸性氣抽出、重沸器蒸汽流量影響較大。抽出量越大，重沸器蒸汽流量越小，則塔頂壓力越小；反之，則塔頂壓力越大[4]。

2.4 再生塔的控制

再生塔底溫度是控制再生塔質量的主要指標，再生質量的好壞直接決定了溶劑吸收的效果。溶劑吸收用于降低尾氣中二氧化硫的排放。如果塔底溫度較低，應適當增加塔底重沸器蒸汽耗量，將塔底溫度提高至指標范圍內[6]。

上述控制問題，很難通過簡單PID控制和人工調節來解決。多變量預測控制技術能對產品質量和裝置參數波動幅度進行預測，并充分考慮各變量的耦合，從而實現裝置平穩控制。因此，可在此基礎上提高裝置的平穩性，降低能耗，并保證滿足操作約束，從而達到提高經濟效益的目的。

3 先進控制策略

3.1 多變量預測控制技術

多變量預測控制技術通過數學模型對控制系統未來狀態進行預測，并采用反饋校正和在線滾動優化的方法矯正系統行為，實現硫磺回收聯合裝置的閉環優化控制。

多變量預測控制技術具有以下特點：①在偏差控制的基礎上，將數學模型作為控制器內部模型，并充分利用過程信息和知識信息，實現多目標協調優化控制；②保留原有的復雜控制，能有效處理各種過程約束。

以下對預測控制算法作簡要介紹[7]：

(1)

式中:k為在未來第j個采樣時刻的輸出預測；hi為單位脈沖響應序列采樣值；u(k+j-i)為在第(k+j-i)個采樣時刻的輸入；j=1,2,…,P；M為控制時域，P為預測時域，N為建模時域，且M≤P≤N。

由于實際生產過程會出現很多干擾因素，并且具有時滯(大純滯后等)或非線性等特點，使得過程模型的預測值與實際輸出值出現一定的偏差，因此需要對式(1)的預測輸出進行修正：

(2)

式中:yc(k+j)為校正后第j個時刻的輸出預測；y(k)為當前時刻實際輸出值；βj為誤差修正系數。

(3)

式中:ySP(k+j)為第j個時刻的參考軌跡設定；Q為預測誤差加權系數；R為控制量加權系數。

在過程對象約束條件下，對式(3)所示的目標函數進行求解，可以同時計算出從第k個至第(k+M-1)個采樣時刻的M個控制量，但只執行當前時刻的控制作用u(k)，下一時刻的控制量u(k+1)再按式(3)遞推計算。這樣就實現了閉環控制算法[8]。

3.2 硫磺回收聯合裝置先進控制策略

硫磺回收聯合裝置先進控制的主要任務是通過合理地動態調節各操作變量，降低H2S-2SO2比值，平穩各關鍵工藝指標，提高產品質量與降低裝置能耗。根據硫磺回收聯合裝置的實際生產特點，設計了適合硫磺回收聯合裝置的先進控制器。

在取得有效的試驗數據后，利用辨識軟件進行數據處理，辨識得到相應的動態模型。再根據工藝特點、技術指標和要求，選取合理的約束條件、參考軌跡及控制結構以得到高性能的控制器，構成閉環的多變量預測控制系統[9]。

①H2S-2SO2比值先進控制保留了副風的串級控制，通過調節高(低)濃度酸性氣/空氣比例來克服原料酸性氣的波動，減小H2S-2SO2比值波動，從而使副風在小幅度范圍內微調，保證H2S-2SO2比值的穩定。

②H2含量受到反應部分影響較大，當H2S-2SO2比值測量值穩定時，H2含量也較為穩定，小幅度通過先控調節H2流量來實現H2含量穩定。

③中壓蒸汽溫度及焚燒爐溫度先進控制，采用燃料氣進料閥及中壓蒸汽調節閥作為先控的調節手段。中壓蒸汽溫度采用設定值控制，優先保證中壓蒸汽溫度在430 ℃以上。焚燒爐溫度采用區間控制，當溫度過低時，可調節燃料氣進料量，以避免焚燒爐溫度過低，并保證焚燒爐氧含量在合適的范圍內。

④選擇汽提塔上部溫度TI10411C與下部溫度TI10412B去控制填料溫差。塔頂上部溫度和塔頂溫度相比更為靈敏，保證上部溫度在合適的范圍內，即可防止沖塔情況的發生；保證下部溫度在合適的范圍內，即可防止溫差大幅降低情況的出現，并兼顧塔頂壓力。

⑤溶劑再生塔底溫度通過控制蒸汽流量閥開度來實現。該方法相較人工調節更為及時有效，保證了再生胺液的質量[10-11]。

4 先進控制應用效果

先進控制系統投運后，取得良好的控制效果，抗干擾能力強，并能協調各個過程控制變量，使裝置更加平穩。同時，該控制系統減輕了操作工勞動強度，實現裝置優化控制，降低了操作成本。

(1)實現了常規PID控制和先進控制的無擾切換，提高了裝置平穩性。

(2)降低操作人員勞動強度，得到了操作人員的認可。

(3)降低了7.3%的SO2排放量。

以H2S-2SO2比值、中壓蒸汽溫度、汽提塔填料溫差三個被控變量為例，對比先進控制投運前后效果，其效果圖分別如圖2～圖4所示。

圖2 H2S-2SO2比值先控投用效果圖Fig.2 Effect of H2S-2SO2 ratio advanced control

圖3 中壓蒸汽溫度先控投用效果圖Fig.3 Effect of medium pressure steam temperature advanced control

圖4 汽提塔填料溫差先控投用效果圖Fig.4 Effect of stripper temperature difference advanced control

生產數據表明，裝置關鍵變量的標準偏差平均降低了30%以上，有效提高了裝置平穩性。

5 結束語

在硫磺回收聯合裝置上應用先進控制技術，取得了良好的應用效果和示范作用。從本文可以看出，硫磺回收聯合裝置先進控制系統能有效克服外界干擾，實現裝置主要工藝參數自動調整，使操作更加平穩。在此基礎上，對各主要工藝參數實行“卡邊”優化控制，可產生顯著的經濟效益。