石中文, 宗学军, 陈 斌, 姜雪原, 纪良汉

(沈阳化工大学信息工程学院,辽宁沈阳 110142)

克劳斯尾气脱硫中自控系统的优化与应用

石中文, 宗学军, 陈 斌, 姜雪原, 纪良汉

(沈阳化工大学信息工程学院,辽宁沈阳 110142)

以化工生产过程的克劳斯尾气脱硫为背景,针对尾气脱硫中的微孔过滤器人工操作的高危险性和低效率,采用高效的自动控制逻辑,提高控制效率和操作安全性;在氨水配置中由于扰动大,精确度要求高,手动操作难以满足工艺要求,因此,采用改进型积分分离的双闭环比值控制,实现氨水流量的精确控制;针对蒸发结晶器 X0301温度控制中出现的装置热熔性强、系统迟滞严重等实际状况,以自动控制系统为平台,采用 Smith预估器进行改进,优化控制算法,经过现场测试,达到了预期效果.控制系统解决了尾气脱硫中单纯通过工艺无法克服的难题,提高了脱硫效率和亚硫酸铵副产品的产出率,降低了出口烟气硫含量.

克劳斯尾气脱硫; 积分分离; 顺序控制; 双闭环比值控制; 史密斯预估器

硫回收装置在二硫化碳的生产中既是生产装置又是环保装置,处在一个十分特殊的地位.在氨法脱硫中,微孔过滤器的操作存在高危险性,以及在脱硫工艺的关键部位:氨水的配置上要求精度高,抗扰动能力强,温度控制准确.而且针对上述问题,以往的控制算法并没有很好地解决这一问题,本文以此为背景,突破传统控制技术,采用高效控制逻辑和优化的控制技术 (包括利用史密斯预估器)来实现克劳斯(Claus)尾气中硫的高效率回收.

1 工艺原理

目前,工业应用的烟气脱硫技术可分为干法(含半干法)脱硫和湿法脱硫.干法脱硫是使用固体吸收剂、吸附剂或催化剂除去废气中的SO2,常用的方法有活性炭吸附法、分子筛吸附法、氧化法和金属氧化物吸收法等.干法脱硫的最大优点是治理中无废水、废酸的排出,减少了二次污染;缺点是脱硫效率低,设备庞大.湿法脱硫采用液体吸收剂洗涤烟气以除去 SO2,常用的方法有石灰石/石膏法、钠碱吸收法、氨吸收法、铝法、催化氧化和催化还原法等.湿法脱硫所用设备比较简单,操作容易,脱硫效率高[1-3].本工艺系统采用氨法脱硫技术,对二硫化碳生产车间的尾气排放建立一套湿式氨法烟气脱硫装置,设计目标在工况下进行全氨气脱硫[4].整个工艺流程系统简图如图 1所示.

图1 工艺流程Fig.1 Process flow diagram

2 控制系统

CPU单元采用 S7-300家族中功能强大的317-2DP,I/O模块选用分布式 ET200M系列, MI153-1接口模块用于与 PROF IBUS-DP或 PROF INET现场总线的连接 ,通讯采用 PROFIBUS-DP网络,网络可靠性高,抗干扰能力强,适用于化工工业系统,传输介质为屏蔽双绞线[5-6].

2.2 控制系统网络图

图 2为控制系统网络图.网络图为尾气脱硫系统的网络通讯图,其中 PROF IBUS(1)用 317-2DP的DP网络接口来实现数据传输,在 PROFIBUS(1)上的设备有触摸屏 OP177B,2个 ET200分布式 I/O,以及 CPU317-2DP.PROF IBUS(1)功能为实现CPU317-2DP控制站与2个分布式 I/O即 153-1以及触摸屏OP177B实现数据交换.

2.3 控制系统软件设计

2.3.1 顺序控制系统及连锁保护

(1)顺序控制系统

在硫酸铵分离工艺系统中,由于副产品硫酸铵中含有少量的单质硫磺颗粒,为提高产品质量,获得纯度高的硫酸铵晶体,需要微孔过滤器进行硫酸铵晶体过滤,整个过滤过程靠人工进行操作,工艺要求苛刻,这一过程危险性高且效率低.基于此对过滤采取高效控制逻辑算法,不需要人的干预.在控制流程中,嵌入当生产意外发生时的微孔过滤器紧急切断系统,以保护生产设

图 2 控制系统网络Fig.2 Control system network

2.1 控制系统硬件简介备和人身安全;当系统任何一阶段在运行过程中出现异常,系统自动报警,操作人员收到信息可立即操作紧急停止按钮,实现保护人身安全及生产安全.其控制流程如图 3所示.

图 3 顺序控制流程框图Fig.3 Sequencing control flow diagram

(2)连锁保护

(一)在烟气工艺系统中,脱硫原烟气(15 000 m3/h)从原混凝土烟道经挡板门(F0101)、增压风机 (C0101)进入浓缩塔(T0102),最后通过脱硫塔将干净烟气排入大气.由于烟道是否畅通对设备和人的安全有很大影响,必须要有连锁保护,正常情况下,烟气走循环处理系统,但一旦出现通道故障,则由控制系统检测后自动切换到安全通道,整个过程不需要人的干预,控制系统通过继电器输出控制旁路挡板门(F0102)(执行机构:电动蝶阀)去执行打开动作,以便烟气顺利排入大气,对设备和人身安全起到保护作用.

(二)增压风机连锁保护:在烟气系统中,为使增压风机确保烟气克服烟道阻力的影响,顺利进入反应系统,需要对其进行连锁保护.在增压风机启动不起来,或增压风机出现机械故障时,则由控制系统检测出增压风机 C0101的关反馈或故障反馈信号,自动由系统通过继电器输出控制旁路挡板门 (F0102)(执行机构:电动蝶阀)去执行打开动作,以便烟气顺利排入大气.

(三)垂直除雾器的连锁保护:在烟气由浓缩塔进入脱硫塔中时,烟气温度是一个非常重要的工艺参数.温度有一个正常的范围,温度过高则会对除雾器造成损害,而且对下一步的二氧化硫吸收也产生负面效果.在温度控制中,由于实际设备安装位置问题,工作人员无法对其控制,只能监测.因此,基于这种状况,由温度变送器测量其通过垂直除雾器的温度值,控制器通过设定值与实际值比较,去打开或者关闭继电器,以实现垂直除雾器气动切断阀 S0102的开/关,从而有效实现垂直除雾器的合理控制与保护.

2.3.2 改进型积分分离的双闭环比值控制系统

在氨水制备工艺系统中,配置氨水溶液作为二氧化硫吸收剂时,氨水的配置是由液氨与厂区的工艺水根据工艺要求设计为比例系数为一定值,即K=1/4,配置成体积分数为 20%的氨水.而且液氨的流量是动态变化的,是一个随时间变化的函数,且随机性特别高,人工无法预测.由于氨水的流量控制在整个尾气脱硫装置中都具有极其重要的地位,必需要对氨水流量进行精准控制.流量的过大或者过小,都会影响对二氧化硫的吸收率.基于这种工艺要求的前提下,采用双闭环比值控制系统,最终目的是保证进入脱硫塔的氨水流量为一定值.其控制框图如图 4所示.

图 4 比值控制系统框图Fig.4 Ratio control system diagram

改进型积分分离的双闭环比值控制系统中,控制器用积分项改进的数字 P ID控制器.

改进原因:虽然双闭环比值控制系统克服了单闭环比值控制系统中主控量的自发振荡不能消除的缺点,但当有较大的扰动或大幅度改变给定值时,存在较大的偏差,且系统有惯性和滞后,在积分项的作用下,会产生较大的超调和长时间的波动.

改进思路:当被控量和给定值偏差大时,取消积分控制,以免超调量过大;当被控量和给定值接近时,积分控制投入,消除静差.

在此双闭环比值调节回路中,给定值由于扰动变化幅度频繁,而且变化值时大时小,实际调试中单纯采取的常规 P ID控制效果不理想.根据现场实际情况,对先前的常规 P ID进行改进,采取积分项分离的数字 P ID控制:当偏差较大时,不施加积分控制;当偏差较小时,施加积分控制,即:

当 |e(t)|≥β采用 PD控制;当 |e(t)|≤β采用P ID控制.

式中:β为积分分离值,它可根据具体对象及系统设计要求来确定.实际中的β值选择要适宜,若过大,则达不到积分分离的目的;若过小,一旦被控量无法跳出积分分离区,只进行 PD控制,将会出现残差.在双闭环比值控制回路中,选取的β值为设定值 0.1,经过现场实际调试运行,控制效果比较理想,基本达到了工艺要求[7].

2.3.3 控制对象为纯滞后的单回路温度调节

在蒸发结晶器 X0301温度的控制中,由于蒸发结晶器本身为一热容系统,延迟比较大,而且测量变送单元也存在一定的时间纯延迟,在调试过程中,使用常规 P ID调节,导致被调参数的最大偏差增大,甚至出现发散振荡,调节系统的动态品质下降,达不到工艺要求的效果.同时蒸发结晶器 X0301温度的工艺要求比较苛刻,温度控制的不及时在很大程度上影响硫酸铵晶体的质量.因此,采用史密斯预估控制.控制框图如图 5所示.其基本公式如下:

图 5 史密斯预估控制框图Fig.5 Smith prediction control diagram

Smith预估补偿方法的特点是以预先估计出过程在基本扰动下的动态特性,然后由预估器进行补偿,力图使被延迟了τ的被调量超前反映到调节器,使调节器提前动作,从而明显地减少超调量,且加速调节过程,使控制质量得到很大的改善.补偿后,消除了纯滞后部分的影响,而系统的稳定性无影响,e-τs将控制作用推移了τ时间,系统特性与对象符合.将其应用于蒸发结晶器X0301温度的回路控制后,系统的动态性能和控制指标得到改善,大大提高了控制效果,控制指标基本上满足了工艺要求.采用改进算法前后的历史数据趋势图如图 6和图 7所示.

图 6 改进前历史数据趋势图Fig.6 Historical data diagram before modification

图 7 改进后历史数据趋势图Fig.7 Historical data diagram aftermodification

3 运行结果

在系统投入运行且正常开车后,运行状况良好.以自动控制系统为平台,在自动控制系统的充分协调控制下,工艺设计基本达到设计的理想目标.控制系统优化算法和高效控制逻辑的实施应用,克服了尾气脱硫中的微孔过滤器人工操作的危险性和低效率,改变了氨水配置精确度低、手动操作难以满足实时的工艺要求的现状,解决了温度控制中出现的装置热熔性强、系统迟滞严重等工艺状况;各种连锁的投入,使得生产安全性和效率大大提高,节省了人力和物力.克劳斯尾气中的二氧化硫含量已顺利达到环保排放标准,经济效益和社会效益得到明显提高.

[1] 唐达高.尾气脱硫工艺技术方案的选择[J].化工技术经济,2006,24(6):42-46.

[2] 赵毅,许勇毅,赵翠仙.几种常见的烟气脱硫技术[J].山西化工,2006,26(1):53-55.

[3] 陈新学,李照杰,马学军.烟气脱硫技术的应用研究进展[J].平顶山工学院学报,2005,14(3):34-36.

[4] 闫晓光,熊理想,马宏金,等.FCL氨法烟气脱硫技术特点及应用 [J].电力环境保护,2008,24(2): 11-12.

[5] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子 S7-300PLC[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社,2006:199-205.

[6] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子W incc V6[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社,2006:69-75.

[7] 俞金寿,蒋慰孙.过程控制工程[M].北京:电子工业出版社,2007:62-69,106-108.

Optim ization and Application ofAutomatic Control System in Klaus ExhaustDesulfurization

SHI Zhong-wen, ZONG Xue-jun, CHEN B in, JIANG Xue-yuan, JIL iang-han

(Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang110142,China)

B ased on the background of chem ical process for the exhaust gas desulfurization confronted with low efficiency and high risk of m anual operation form icroporous filter,an efficient control logic is adopted to enhance the control efficiency and operation safety.In the configuration of Amm onia,strong disturbance,high accuracy,and m anual operation being not adaptively satisfied with the technological requirem ents,double closed loop ratio controlwith Integral separation is adopted,w hich has achieved precise control of amm onia w ater flow.A nd even for the bad tim e delay of crystallizer x0301temperature control system,taking advantage of autom atic control system as the platform,opt im izing the algorithm.Sm ith guesstim atio is employed to optim ize the algorithm.Through the testing in the field the expected results are attained.The control system is getting through the untackled chem ical puzzles.It improves desulfurized efficiency and the output of amm onium sulfate as by-product,and reduces the sulfur content of exported flue gas.

flue gas desulfurization; integral separation; sequence control; double closed loop ratio control; sm ith guesstim atio

TP273+.5

A

1004-4639(2010)04-0360-05

2010-07-08

石中文(1985-),男,山东滕州人,硕士研究生在读,主要从事检测技术与自动化装置的研究.

宗学军(1970-),男,陕西西安人,副教授,硕士,主要从事机电一体化、过程控制与优化的研究与应用.