先进控制技术在硫磺回收联合装置的应用

任锦飞，朱书奔，江凤月，金晓明

(1.浙江中控软件技术有限公司，浙江 杭州 310053；2.浙江大学智能系统与控制研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

硫磺回收将全厂收集到的含硫酸性气与空气混合燃烧。通过控制空气进料量(或氧气)，使燃烧产物中硫化氢与二氧化硫气体体积比为2∶1。燃烧后的气体被强制冷却，并将硫磺冷凝回收。剩余气体再经二级、三级反应，可提高回收效率。多数硫磺回收联合装置的硫回收率可达95%～99%以上[1]。

硫磺回收联合装置主要包括硫回收、污水汽提、溶剂再生和产品精制等部分。该装置采用浙江中控的ECS700 集散控制系统来实现基础控制，其保障了装置运行的安全、可靠。常规比例积分微分(proportion integral differential,PID)控制从被控对象的单输入单输出关系实现闭环控制，很难协调解决多变量、有约束、强耦合的复杂过程控制问题。

而采用多变量预测控制技术，可以有效地解耦和抗干扰，使操作更平稳，并改善产品质量。在此基础上实现主要工艺参数“卡边”优化运行，可提高产品收率、降低能源消耗。该系统投运后，减轻了操作人员的工作强度，提高了生产过程的稳定性，取得了满意的控制效果，为流程企业智能工厂在装置层级的应用奠定了基础[2]。

1 工艺流程简介

该硫磺回收联合装置原料为炼厂酸性气，主要来自3#硫磺回收、煤制氢、溶剂再生、3#污水汽提联合装置自身的溶剂再生部分。固体硫磺作为产品装车出厂，同时产生3.5 MPa蒸汽至公用工程管网。

污水汽提装置处理硫磺联合装置和上游装置产生的酸性水，生产的液氨部分至常减压装置和硫磺回收联合装置回用，剩余部分装车出厂；生产的净化水部分至上游装置回用，剩余部分至污水处理厂处理后排放；溶剂再生装置处理来自产品精制和上游装置的富胺液，汽提和再生产生的酸性气至硫磺回收联合装置，再生的贫胺液由产品精制和上游装置进行脱硫。以上装置联合布置、统一管理、联合操作，对全厂酸性气、酸性水进行集中处理[3]。

硫磺回收联合装置工艺流程如图1所示。

图1 硫磺回收联合装置工艺流程简图Fig.1 Simplified diagram of process flow of sulfur recovery combined unit

2 过程控制现状分析

硫磺回收联合装置采用常规PID控制，对温度、压力、流量、液位等各种参数进行控制，各部分构成了相对独立的控制回路。在实际生产过程中，这些控制回路基本上都能取得不错的控制效果，在保证了装置平稳运行的同时，也为实施先进控制创造了条件。

由于硫磺回收联合装置属于炼厂末端装置，酸性气的进料组分无法控制，且来料流量存在较大波动。而常规PID控制主要是从单输入单输出对象的角度来考虑问题，因此，很难解决具有多约束、多变量、强耦合且存在大纯滞后的各类复杂控制问题。其控制品质难以满足装置精确、优化控制的要求。

另外，由于装置部分工艺参数需人工调节，往往调节不够及时；而人工调节存在操作习惯的差异，很难达到完全一致的平稳控制效果。

2.1 进料组成波动的影响

酸性气混合后进入分液罐，分液后进入燃烧炉。在炉内通过控制配风量使硫化氢进行高温Claus反应生成单质硫，剩余硫化氢中又有约1/3转化成SO2，并将酸性气中的烃类和氨气等杂质全部氧化分解。

本装置的酸性气来源较多，进料流量存在较大波动，且酸性气中硫化氢含量无法控制，常规控制根据酸性气的高(低)浓度，以一定的比例计算出相对合适的主风量。但是这个比例通常不会调整，除非原料有较大的变化。H2S-2SO2比值与副风构成串级控制。由于串级回路因副风调节不够及时，存在较大滞后，H2S-2SO2比值存在一定的波动。选择合适的控制手段解决配风的问题，以克服进料变化的影响，是先进控制需解决的问题之一。

2.2 尾气处理单元

H2S-2SO2比值对尾气处理单元也有较大的影响。尾气吸收塔设有H2含量在线分析仪，用来实时跟踪检测加氢尾气中的H2含量，并通过H2含量与H2流量调节器串级控制来保证尾气中其他形态的硫完全转化为硫化氢。由于本身存在着大滞后，串级投用效果不好，目前主要采用人工调节H2流量。采用先进控制策略调节H2流量，对于在比值小幅度波动情况下稳定H2含量是比较重要的。

当氧化不完全时，会出现排气中H2S浓度升高的情况，因此需要保证焚烧炉温度和氧气浓度不能过低。目前，燃料气进料采用手动输入，通过中压蒸汽阀调节除氧水来调节过热蒸汽出口温度。而根据中压换热蒸汽温度进行人工调节，往往无法兼顾焚烧炉温度，且因为调节不及时，中压蒸汽温度及焚烧炉温度经常偏低(达不到430 ℃)或偏高(造成燃料气浪费)。

2.3 汽提塔的控制

汽提塔顶部采用二段填料层，填料层温度高低决定填料温差。汽提塔顶温度作为汽提塔操作的主要指标，温度控制偏高，会影响酸性气至硫磺装置质量；长时间塔顶温度偏高，易造成塔顶管线(NH4)2S结晶堵塞。汽提塔常规控制采用了填料温差与塔顶抽出的串级控制，然而实际无法使用[4]。

汽提塔顶压力是衡量汽提塔安全运行的关键指标，压力偏高将引起系统超压，压力偏低或大幅度波动将会使净化水NH3-N和硫化物浓度升高，不利于装置的长周期安全运行。而塔顶压力主要受侧线抽出、塔顶酸性气抽出、重沸器蒸汽流量影响较大。抽出量越大，重沸器蒸汽流量越小，则塔顶压力越小；反之，则塔顶压力越大[4]。

2.4 再生塔的控制

再生塔底温度是控制再生塔质量的主要指标，再生质量的好坏直接决定了溶剂吸收的效果。溶剂吸收用于降低尾气中二氧化硫的排放。如果塔底温度较低，应适当增加塔底重沸器蒸汽耗量，将塔底温度提高至指标范围内[6]。

上述控制问题，很难通过简单PID控制和人工调节来解决。多变量预测控制技术能对产品质量和装置参数波动幅度进行预测，并充分考虑各变量的耦合，从而实现装置平稳控制。因此，可在此基础上提高装置的平稳性，降低能耗，并保证满足操作约束，从而达到提高经济效益的目的。

3 先进控制策略

3.1 多变量预测控制技术

多变量预测控制技术通过数学模型对控制系统未来状态进行预测，并采用反馈校正和在线滚动优化的方法矫正系统行为，实现硫磺回收联合装置的闭环优化控制。

多变量预测控制技术具有以下特点：①在偏差控制的基础上，将数学模型作为控制器内部模型，并充分利用过程信息和知识信息，实现多目标协调优化控制；②保留原有的复杂控制，能有效处理各种过程约束。

以下对预测控制算法作简要介绍[7]：

(1)

式中:k为在未来第j个采样时刻的输出预测；hi为单位脉冲响应序列采样值；u(k+j-i)为在第(k+j-i)个采样时刻的输入；j=1,2,…,P；M为控制时域，P为预测时域，N为建模时域，且M≤P≤N。

由于实际生产过程会出现很多干扰因素，并且具有时滞(大纯滞后等)或非线性等特点，使得过程模型的预测值与实际输出值出现一定的偏差，因此需要对式(1)的预测输出进行修正：

(2)

式中:yc(k+j)为校正后第j个时刻的输出预测；y(k)为当前时刻实际输出值；βj为误差修正系数。

(3)

式中:ySP(k+j)为第j个时刻的参考轨迹设定；Q为预测误差加权系数；R为控制量加权系数。

在过程对象约束条件下，对式(3)所示的目标函数进行求解，可以同时计算出从第k个至第(k+M-1)个采样时刻的M个控制量，但只执行当前时刻的控制作用u(k)，下一时刻的控制量u(k+1)再按式(3)递推计算。这样就实现了闭环控制算法[8]。

3.2 硫磺回收联合装置先进控制策略

硫磺回收联合装置先进控制的主要任务是通过合理地动态调节各操作变量，降低H2S-2SO2比值，平稳各关键工艺指标，提高产品质量与降低装置能耗。根据硫磺回收联合装置的实际生产特点，设计了适合硫磺回收联合装置的先进控制器。

在取得有效的试验数据后，利用辨识软件进行数据处理，辨识得到相应的动态模型。再根据工艺特点、技术指标和要求，选取合理的约束条件、参考轨迹及控制结构以得到高性能的控制器，构成闭环的多变量预测控制系统[9]。

①H2S-2SO2比值先进控制保留了副风的串级控制，通过调节高(低)浓度酸性气/空气比例来克服原料酸性气的波动，减小H2S-2SO2比值波动，从而使副风在小幅度范围内微调，保证H2S-2SO2比值的稳定。

②H2含量受到反应部分影响较大，当H2S-2SO2比值测量值稳定时，H2含量也较为稳定，小幅度通过先控调节H2流量来实现H2含量稳定。

③中压蒸汽温度及焚烧炉温度先进控制，采用燃料气进料阀及中压蒸汽调节阀作为先控的调节手段。中压蒸汽温度采用设定值控制，优先保证中压蒸汽温度在430 ℃以上。焚烧炉温度采用区间控制，当温度过低时，可调节燃料气进料量，以避免焚烧炉温度过低，并保证焚烧炉氧含量在合适的范围内。

④选择汽提塔上部温度TI10411C与下部温度TI10412B去控制填料温差。塔顶上部温度和塔顶温度相比更为灵敏，保证上部温度在合适的范围内，即可防止冲塔情况的发生；保证下部温度在合适的范围内，即可防止温差大幅降低情况的出现，并兼顾塔顶压力。

⑤溶剂再生塔底温度通过控制蒸汽流量阀开度来实现。该方法相较人工调节更为及时有效，保证了再生胺液的质量[10-11]。

4 先进控制应用效果

先进控制系统投运后，取得良好的控制效果，抗干扰能力强，并能协调各个过程控制变量，使装置更加平稳。同时，该控制系统减轻了操作工劳动强度，实现装置优化控制，降低了操作成本。

(1)实现了常规PID控制和先进控制的无扰切换，提高了装置平稳性。

(2)降低操作人员劳动强度，得到了操作人员的认可。

(3)降低了7.3%的SO2排放量。

以H2S-2SO2比值、中压蒸汽温度、汽提塔填料温差三个被控变量为例，对比先进控制投运前后效果，其效果图分别如图2～图4所示。

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

图3 中压蒸汽温度先控投用效果图Fig.3 Effect of medium pressure steam temperature advanced control

图4 汽提塔填料温差先控投用效果图Fig.4 Effect of stripper temperature difference advanced control

生产数据表明，装置关键变量的标准偏差平均降低了30%以上，有效提高了装置平稳性。

5 结束语

在硫磺回收联合装置上应用先进控制技术，取得了良好的应用效果和示范作用。从本文可以看出，硫磺回收联合装置先进控制系统能有效克服外界干扰，实现装置主要工艺参数自动调整，使操作更加平稳。在此基础上，对各主要工艺参数实行“卡边”优化控制，可产生显著的经济效益。