硫磺回收裝置先進控制方案優化

趙現鋒，唐輝，蘇記

(1. 昆明理工大學 化學工程學院，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，多數因裝置波動大、設計不合理、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。目前國內新建的大型煉化項目，無一例外不重視APC系統的建設，注重培養國內煉化行業設計和應用APC的技術人才，積極推進APC系統的建設，為企業“安穩長滿優”運行保駕護行。在加工高硫、劣質化、重質化原油越來越多的今天，硫磺回收裝置作為煉化企業重要的配套裝置，肩負著生產和環保的兩項重任，由于硫磺回收裝置運行不穩，造成全廠生產被動的局面，已經屢見不鮮。

北京華創睿控應用自主研發的“HCHSmartCS系統軟件平臺”，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4套裝置成功運用，節能減排效果顯著。本文在合理限定控制目標、軟件要求、硬件配置以及安全保障等方面進行分析，完善APC系統的設計，為硫磺回收裝置APC系統順利投運打好基礎。

1 設計階段完善APC的措施

1.1 制定合理的控制目標

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；酸性氣中烴類雜質含量變化。這些變化，都需要配風控制隨之改變，常規控制手段難以實現，大部分裝置雖然在配風環節設有自動控制系統，但實際運行中大部分處于手動或部分手動狀態，造成nH2S/nSO2值大范圍波動。因此，需要制定出APC系統的合理控制目標： 系統投用期間，尾氣捕集器出口氣中的nH2S/nSO2值維持在(設定值±1.0)之間，平穩率高于80%，即5 min等間隔取樣，nH2S/nSO2值維持在(設定值±1.0)之間的數據要大于總數的80%。

1.2 APC控制方案的優化

1.2.1經典控制方法分析

主配風采用比例控制，主配風流量與總酸性氣流量成比例調節；副配風與nH2S/nSO2值分析儀構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。但經典控制方法存在以下缺陷：

1)副配風調節范圍太窄，大多數裝置的酸性氣中H2S含量變化都超出調節范圍，經常出現副風控制閥全開或全關，回路開環的情況，這是大多數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控制閥量程比大致相當的酸性氣流量變化擾動。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性。

1.2.2APC控制方案

硫磺回收裝置配風控制的工藝特性，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，導致作為控制量的配風與被控量nH2S/nSO2值的關系隨時間大幅度變化，系統呈現典型的時變特性。

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控制系統應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，控制性能不發生變化，即系統對酸性氣H2S含量變化有自適應能力。為實現該要求，設計了硫磺回收裝置配風APC控制系統，結構如圖1所示。

圖1 硫磺回收裝置配風APC控制系統結構示意

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

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

1.3 APC系統硬件

HCHSmartCS系統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服務器與DCS連接。從整個控制系統的結構上看，先進控制器只相當于DCS的一個或數個控制模塊，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的整體要求。APC系統典型硬件結構如圖2所示。

圖2 APC系統典型硬件結構示意

1.4 APC系統軟件

該裝置APC系統是基于HCSmartCS平臺開發的，HCHSmartCS控制系統軟件平臺由Smart-Arch,Smart-Core,Smart-HMI,Smart-Sim共4部分組成：

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

2)Smart-Core是軟件平臺的核心，由控制類運算模塊、動態系統類算模塊、數學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。供系統調試和參數設置使用，當HCHSmartCS為獨立完整的控制系統時，形成操作界面。

b)與外界的數據交換功能。完成與各種DCS及其他系統的數據交換。

c)數據庫功能。大容量、安全、穩定的實時數據庫和歷史數據庫。

4)仿真包Smart-Sim實現對各種控制對象的仿真。

1.5 APC系統安全保障措施

為了保證系統安全平穩運行，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傳送數據信號的同時傳送一聯絡信號DOG，該信號定時變化，DCS對其進行判斷，若在規定時間內該信號沒有發生變化，則認為信號聯絡中斷，自動切回DCS控制。

2)無擾動切換。先進控制器與DCS相互跟蹤，實現無擾動切換。

3)自動切出功能。對先進控制器的設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據，如出現壞值或超量程，即切回DCS。

2 APC系統成功實施的要點

APC系統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備。需重視設備和儀表選型，選擇可靠的儀表和設備。該項目屬于新建煉油項目，有很長的準備期可進行儀表和設備的選型工作，對APC項目的實施有先天優勢。

2)應特別注重常規控制回路的投運工作。提高常規控制回路自控投運率，以滿足APC系統的要求。

3)吸納工藝技術人員和操作人員意見。工藝技術人員和裝置操作人員是優化方案的參謀，如果他們充分理解了APC的理念，制定出合理的調整策略指導操作，將對APC是否能夠真正發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，使其在日常根據生產指令、生產方案執行操作，在確保裝置平穩運行的基礎上，較快領會并接受技術人員制定的生產策略，精心地把APC系統作為穩定裝置操作、提高產量和質量的一個有利工具，否則，會出現操作人員將某些約束指標放得過寬，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不出來。

4)對APC系統進行及時維護。對控制器的性能進行監控，及時維護，保持其精度，對于保持APC的運行來說至關重要。工藝操作人員是最終用戶，日常生產方案的調整，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，控制策略，實施方法，才能針對不同的生產方案和生產優化指標，隨時調整控制參數，充分利用APC技術，提高裝置安全平穩生產率。

3 結束語

APC項目在實施階段要選擇技術先進的系統，在設計階段要結合裝置特點和整體要求制定合理的控制目標，選用優化的APC控制方案，對先進控制系統的軟件、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。APC系統在具體的實施過程中還有很多細節性的工作要做好，要對APC系統進行及時維護、更新，才能讓APC系統創造出更多的經濟效益和安全效益。