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胡來(lái)貴，王成林
1 裝置簡(jiǎn)介
中國(guó)石化總公司安慶分公司的Ⅲ套硫磺回收聯(lián)合裝置(Ⅲ.S.R.U)是1995年經(jīng)總廠批準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的一項(xiàng)“綠色工程”，其設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)2萬(wàn)噸硫磺。聯(lián)合裝置包括富液再生、硫磺回收、尾氣焚燒、硫磺造粒包裝機(jī)及第Ⅲ套循環(huán)水場(chǎng)。過(guò)程控制儀表選用美國(guó)SMAR公司的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱FCS系統(tǒng)) 。而本裝置的一個(gè)最特殊的、在工藝上與常規(guī)硫磺回收不同之處是增加了超級(jí)克勞斯反應(yīng)，從而保證了硫的回收率達(dá)98.9％。而控制超級(jí)克勞斯(Super clause)反應(yīng)的控制方案就是本文所要討論的先進(jìn)燃燒器控制系統(tǒng)，是本裝置除FCS外的一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，它所使用的控制儀表是日本橫河的YS170可編程調(diào)節(jié)器。
2 工藝概況
主燃燒器是主燃燒爐的一部分，它是和主燃燒爐組合在一起的。主燃燒器是國(guó)外進(jìn)口的專用設(shè)備，是荷蘭達(dá)卡公司的專利產(chǎn)品。主燃燒器中放置一支點(diǎn)火槍，點(diǎn)火時(shí)點(diǎn)火頭進(jìn)入到空氣與燃料氣混合室。
主燃燒器工作原理是空氣從主燃燒器的空氣分配室中通過(guò)，空氣配風(fēng)器中的徑向葉片獲得很強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)空氣從氣鼻中出來(lái)后就能達(dá)到最大風(fēng)速。在這個(gè)點(diǎn)上，燃料和空氣流相混合。主燃燒爐帶有一個(gè)錐形擴(kuò)散器，氣體從這里離開(kāi)。火焰前部分區(qū)域的高等級(jí)湍流大大提高了燃燒效率，這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致有耐火襯里材料的燃燒爐中靠近對(duì)角壁和氣槍的區(qū)域形成強(qiáng)的渦流，這種渦流使火焰較穩(wěn)定并在反應(yīng)室的前部獲得很高的熱強(qiáng)度，在最高溫度下發(fā)生氧化反應(yīng)。在燃燒器中適量空氣和酸性氣或燃料氣強(qiáng)烈混合，在主燃燒爐中進(jìn)行高溫?zé)岱磻?yīng)。主燃燒器所需空氣量是由先進(jìn)的燃燒器控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的。
在常規(guī)克勞斯運(yùn)行模式時(shí)，所需空氣量使得第二級(jí)克勞斯反應(yīng)器出口過(guò)程氣中硫化氫含量與二氧化硫含量比值等于2；在超級(jí)克勞斯運(yùn)行模式時(shí)，使得進(jìn)入超級(jí)克勞斯反應(yīng)器的過(guò)程氣的濃度達(dá)到0.6%～0.9%。工藝是否開(kāi)超級(jí)克勞斯的控制，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)HS007來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在操作方面，空氣與酸性氣的比值控制器QIC001輸出信號(hào)是非常重要的一個(gè)信號(hào)。正常情況下它隨酸性氣對(duì)空氣量的特殊要求在極為狹窄的范圍內(nèi)變化。為避免干擾、如900型硫化氫在線分析儀不正常操作時(shí)，該信號(hào)應(yīng)略超出正常操作量程極限。如控制器QIC001已被切換到手動(dòng)方式，則可使用QIC001手操輸出作為比例設(shè)定值，使空氣與酸性氣流量-流量比例控制仍處于自動(dòng)方式操作，該設(shè)定值非常緩慢而仔細(xì)地調(diào)節(jié)，精確地讀出該信號(hào)是非常重要的。
QIC001的過(guò)程值應(yīng)該是實(shí)際測(cè)量的硫化氫的百分?jǐn)?shù)。若QIC001和FIC008都是手動(dòng)方式，QIC001輸出信號(hào)的跟蹤功能將有效地使切換開(kāi)關(guān)無(wú)擾動(dòng)地切換至自動(dòng)方式。
3 問(wèn)題的提出
3.1 進(jìn)行改造的原因
先進(jìn)燃燒器控制系統(tǒng)(Advance Burner Control System，簡(jiǎn)稱ABC控制系統(tǒng))，是荷蘭達(dá)卡(Comprimo)公司的專利產(chǎn)品。裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，全部引進(jìn)進(jìn)口設(shè)備及其控制系統(tǒng)。由于本裝置的FCS系統(tǒng)是進(jìn)行數(shù)字化通訊的，而ABC系統(tǒng)是模擬量信號(hào)，故設(shè)計(jì)院在引進(jìn)ABC全套產(chǎn)品時(shí)，考慮到應(yīng)用二臺(tái)CD600可編程調(diào)節(jié)器來(lái)為ABC系統(tǒng)服務(wù)，將ABC系統(tǒng)的過(guò)程變量信號(hào)在CD600內(nèi)進(jìn)行處理，而后再將信號(hào)送至ABC系統(tǒng)。ABC系統(tǒng)使用了三臺(tái)YS170可編程調(diào)節(jié)器，在這三臺(tái)調(diào)節(jié)器之間組成YSNET網(wǎng)進(jìn)行通訊，以進(jìn)行其控制的參數(shù)傳遞。
ABC系統(tǒng)專為超級(jí)克勞斯工藝而設(shè)計(jì)的主燃燒爐F401控制方案。其主要的控制目的是控制最佳的空氣量，以達(dá)到使酸性氣中的硫元素能最大限度地轉(zhuǎn)化為硫，提高硫磺的回收率。充分燃燒是硫磺回收裝置獲得最佳操作和最佳轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵因素之一。主燃燒爐是硫磺回收裝置的核心設(shè)備，它對(duì)保證硫回收轉(zhuǎn)化率98.9％，乃至對(duì)整個(gè)聯(lián)合裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)都起著舉足輕重的作用。
裝置在開(kāi)工之初，出現(xiàn)了制約ABC系統(tǒng)正常投用的三個(gè)問(wèn)題：首先是三臺(tái)YS170有其中一臺(tái)的通訊模板壞了，ABC系統(tǒng)的YSNET不能進(jìn)行正常的通訊，過(guò)程變量的參數(shù)不能進(jìn)行傳遞；其次是在工藝生產(chǎn)上是否開(kāi)超級(jí)克勞斯的控制器選擇不能很好地切換，ABC系統(tǒng)的工藝過(guò)程參數(shù)不能在FCS的CRT上指示，嚴(yán)重影響了操作員的正常操作；另外，沒(méi)有充分發(fā)揮具有先進(jìn)技術(shù)的FCS的功能，重復(fù)投資。通過(guò)分析ABC系統(tǒng)控制原理后發(fā)現(xiàn)它將簡(jiǎn)單的操作復(fù)雜化了，需將其組態(tài)編程簡(jiǎn)化。
針對(duì)以上所提三個(gè)問(wèn)題，加上本裝置使用的是先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，有能力用現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的所有功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)用YS170所實(shí)現(xiàn)的控制方案。
3.2 ABC系統(tǒng)控制原理
主燃燒器的工藝控制流程圖如圖1所示。
當(dāng)主燃燒器的空氣太少時(shí)，過(guò)量的硫化氫將進(jìn)入超級(jí)克勞斯段，這將使超級(jí)克勞斯轉(zhuǎn)化器的溫度失去控制而引起催化劑中毒。控制系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路：
(1) 空氣與酸性氣的比例控制回路（前饋流量控制回路）；
(2) 硫化氫分析儀控制回路（反饋流量控制回路）。
在第一個(gè)控制回路中，所需的空氣流量通過(guò)測(cè)量酸性氣流量(FT001)和燃料氣流量(FT010)使各自的流量信號(hào)乘以各自的空氣與酸性氣比值（由Y002和Y001表示）計(jì)算得出，結(jié)果即為各自所需的空氣量。兩股空氣量相加(Y007)，就是所需的空氣流量信號(hào)，這用來(lái)決定流量調(diào)節(jié)器FIC008的設(shè)定值。調(diào)節(jié)器(FIC008)的測(cè)量值為實(shí)際的總空氣量，即主燃燒空氣和旁路空氣流量之和。FIC008控制旁路流量（微空氣）調(diào)節(jié)閥。由于設(shè)定復(fù)位時(shí)間短，該回路保證快速而又準(zhǔn)確地隨進(jìn)料氣流量變化而變化。
FIC008輸出信號(hào)控制旁路空氣調(diào)節(jié)閥，同時(shí)也是調(diào)節(jié)器FIC009的測(cè)量值。調(diào)節(jié)器FIC009的輸出信號(hào)控制主空氣調(diào)節(jié)閥。短時(shí)間內(nèi)，調(diào)節(jié)器FIC009的設(shè)定值決定該系統(tǒng)緩慢地使旁路空氣調(diào)節(jié)閥回到其初始設(shè)定位置。通常情況下（除去裝置負(fù)荷非常低的情況），旁路空氣流量的最佳位置為額定量程的50%，由于調(diào)節(jié)閥的壓降為實(shí)際裝置負(fù)荷的一個(gè)功能函數(shù)，閥的最佳位置也是實(shí)際裝置負(fù)載一個(gè)功能函數(shù)，該功能函數(shù)由Y009決定。為避免多余的相互干擾，該功能函數(shù)必須提供一個(gè)低流量的過(guò)濾器。
尾氣分析儀的輸出信號(hào)(H2S%)代表尾氣中硫化氫的濃度，為了獲得所需求的自動(dòng)增益，該閥與設(shè)定值(H2S SP)之間的偏差必須乘以實(shí)際酸性氣流量信號(hào)。QIC001減去實(shí)際H2S測(cè)量信號(hào)得出的設(shè)定值(HIC003)，再加上設(shè)定值信號(hào)，即為修正的過(guò)程值。部分儀表系統(tǒng)不能執(zhí)行負(fù)信號(hào)，這種情況下必須應(yīng)用不同的算法來(lái)執(zhí)行同一功能，但要避免負(fù)信號(hào)，調(diào)節(jié)器QIC001的輸出信號(hào)表示空氣與酸性氣的比值要求，也就是調(diào)節(jié)器FIC008的設(shè)定值。實(shí)際空氣總量，即Y008的輸出信號(hào)是調(diào)節(jié)器FIC008的測(cè)量值。
如上所述流量
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