陳健 于忠健 梁建偉

摘 要：中國石油寧夏石化公司500萬t/a煉油裝置的三聯(lián)合硫磺回收裝置原采用美國FOXOBORO的I/A系統(tǒng)，作為DCS系統(tǒng)國產(chǎn)化試點(diǎn)，在2020年煉油裝置停車大檢修期間改為浙江中控的ECS-700系統(tǒng)。ECS-700系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的大規(guī)模聯(lián)合控制系統(tǒng)，其具有開放性好，易學(xué)好用，高可靠性、性價(jià)比高的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，不僅在石化工業(yè)中應(yīng)用較廣，在電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述硫磺回收裝置中浙江中控系統(tǒng)與APC系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：硫磺回收裝置;ECS-700系統(tǒng);APC系統(tǒng)

1 硫磺回收裝置工藝簡述

硫磺回收裝置是煉油裝置的重要組成部分，其作用是將煉油工藝所產(chǎn)生的酸性氣中的硫進(jìn)行回收利用，轉(zhuǎn)化為硫磺，從而減輕或避免其直接排放對(duì)環(huán)境造成的污染。硫磺回收裝置由制硫、尾氣處理、液硫脫氣和成型四部分組成。制硫部分采用部分燃燒法作為主流程的二級(jí)克勞斯硫回收工藝。上游裝置過來的含氨酸性氣和清潔酸性氣進(jìn)入制硫燃燒爐，含氨酸性氣主要成分是H2S、烴類、氨等，清潔酸性氣主要成分是H2S。原料氣中全部有機(jī)雜質(zhì)（包括氨）徹底氧化分解的同時(shí)，百分之六、七十的H2S直接生成元素硫，剩余的H2S約有1/3生成SO2，剩下的H2S再與SO2生成硫蒸氣和水。制硫爐反應(yīng)出來的過程氣依次進(jìn)入一、二級(jí)轉(zhuǎn)化器及冷凝器，在轉(zhuǎn)化器中，過程氣中的H2S和SO2進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為硫。三級(jí)冷凝器出來的制硫尾氣經(jīng)制硫尾氣分液罐后進(jìn)入尾氣處理部分進(jìn)一步處理。

主要反應(yīng)式如下：

從式（3）可以看出：H2S/SO2比值在2/1時(shí)轉(zhuǎn)化率（制成的硫占酸性氣含硫總量的比）的比例最高。轉(zhuǎn)化率越高，尾硫含量越低，越環(huán)保。從式（2）可以看出，要保證H2S/SO2比值為2的一個(gè)穩(wěn)定值，關(guān)鍵是保證進(jìn)入制硫燃燒爐的空氣量恰為所需量。

原設(shè)計(jì)是通過進(jìn)入爐內(nèi)的酸性氣與主風(fēng)量的比值調(diào)節(jié)和H2S/SO2信號(hào)對(duì)副風(fēng)量的微量調(diào)節(jié)（串級(jí)），來嚴(yán)格控制進(jìn)爐空氣量，使過程氣中H2S/SO2趨近2/1，以便獲得最高的轉(zhuǎn)化率。在尾氣分液罐出口過程氣線上設(shè)置H2S/SO2在線分析儀。點(diǎn)火時(shí)，將切換開關(guān)打到燃料氣位置，投入燃料氣與蒸汽及副風(fēng)量比值調(diào)節(jié)。酸性氣進(jìn)爐后將切換開關(guān)打到尾氣位置，投入尾氣成分（H2S/SO2）與副風(fēng)量串級(jí)調(diào)節(jié)。

在實(shí)際操作中，進(jìn)入制硫燃燒爐的空氣量很難控制，主要原因是：上游裝置來的酸性氣流量波動(dòng)大，酸性氣中H2S含量及其他烴類、氨等雜質(zhì)含量的變化無法預(yù)測(cè)，導(dǎo)致配風(fēng)環(huán)節(jié)無法投入自動(dòng)，因此實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)量調(diào)節(jié)一直處于手動(dòng)控制，H2S/SO2比值波動(dòng)范圍大。

對(duì)比值控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，引入硫磺比值先進(jìn)控制系統(tǒng)（以下簡稱APC），APC與DCS之間通過通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，DCS系統(tǒng)將爐膛溫度、酸性氣、主、副配風(fēng)、蒸汽流量、煙氣中氧含量、尾氣組分等現(xiàn)場信號(hào)傳給APC，APC經(jīng)過運(yùn)算將得到優(yōu)化的配風(fēng)輸出數(shù)據(jù)傳給DCS，由DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場主副配風(fēng)調(diào)節(jié)的控制。

APC系統(tǒng)采用HCHSmartCS的先進(jìn)控制器，HCHSmartCS

軟件安裝在工控機(jī)上，應(yīng)用先進(jìn)控制策略的算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。該算法模型主要思路是主、副配風(fēng)都參與對(duì)酸性氣流量的跟蹤，但側(cè)重點(diǎn)不同，互為配合，副配風(fēng)主要應(yīng)對(duì)其他干擾，如酸性氣中H2S、烴類雜質(zhì)、氨等含量波動(dòng)的干擾，這些干擾均會(huì)引起所消耗空氣量變化。該模型根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，自動(dòng)調(diào)整主配風(fēng)對(duì)酸性氣流量的跟蹤比例，從而使副配風(fēng)發(fā)揮最佳作用。

2 浙江中控系統(tǒng)編程

2.1 保留原控制方案，在DCS系統(tǒng)上對(duì)原控制方案采用FBD功能塊圖編程。

比值控制需要RATIO功能塊和PIDEX功能塊的搭接。串級(jí)控制需要兩個(gè)PIDEX功能塊的串接：①RATIO：比值控制功能塊。該功能塊的操作輸出值跟隨PV乘以比值設(shè)定值的變化而變化;②PIDEX：擴(kuò)展PID功能塊。

以上功能塊均有BKIN、BKINERR輸入引腳和BKOUT、

BKOUTERR輸出引腳。功能塊的反饋值輸入BKIN（REAL型）須接下游功能塊的反饋值輸出BKOUT（REAL型），反饋狀態(tài)輸入BKINERR（BOOL型）須接下游功能塊的反饋狀態(tài)輸出BKOUTERR，功能塊的BKOUT須接上游功能塊的BKIN，BKOUTERR須接上游功能塊的BKINERR，進(jìn)行輸出反演計(jì)算。從而達(dá)到無擾動(dòng)切換。對(duì)于單回路，下游功能塊即AO位號(hào)。

以串級(jí)回路為例，主副回路之間進(jìn)行輸出反演運(yùn)算，主回路的輸出連副回路的CSV（串級(jí)輸入/外給定）。當(dāng)副回路投串級(jí)時(shí)，副回路的BKOUTERR=OFF，主回路的輸出作為副回路的設(shè)定。當(dāng)副回路未投串級(jí)時(shí)，副回路的BKOUTERR=ON，副回路單獨(dú)控制，副回路的BKOUT默認(rèn)等于副回路設(shè)定值SV，此時(shí)主回路的BKINERR=ON，主回路進(jìn)入初始化IMAN狀態(tài)，主回路的輸出等于BIKIN。因主回路的BKIN=副回路的BKOUT=副回路的設(shè)定，所以主回路的輸出跟蹤副回路的設(shè)定，從而保證了副回路進(jìn)行串級(jí)投切操作時(shí)的無擾動(dòng)切換。

酸性氣與主風(fēng)量的比值程序如圖1：（FIC1001A為清潔酸性氣流量，F(xiàn)IC1002A為含氨酸性氣流量，F(xiàn)IC1003為主風(fēng)流量）

燃料氣、蒸汽及副配風(fēng)流量比值控制，需要分成兩部分：燃料氣與蒸汽的比值及燃料氣與副風(fēng)量的比值控制，均采用單閉環(huán)比值控制。（方法同上）

H2S/SO2（AIC1001）與副配風(fēng)流量（FIC1004）串級(jí)調(diào)節(jié)。此回路跟燃料氣與副風(fēng)量的比值控制為同一個(gè)副回路，需要一個(gè)切換開關(guān)進(jìn)行切換，此開關(guān)需增加BKIN、BKOUT、BKERR、BKOUTERR引腳，進(jìn)行輸出反演運(yùn)算，做到切換開關(guān)的無擾動(dòng)切換。故新建一個(gè)用戶功能塊，用ST語言編程。編程如下（此功能塊命名為1O2I），從而達(dá)到切換開關(guān)的無擾動(dòng)切換：

若輸入引腳SW=OFF，則輸出MV=IN1;若SW=OFF，則輸出MV=IN2。

2.2 APC與DCS之間的軟硬件組態(tài)

APC和DCS是各自獨(dú)立的系統(tǒng)，需要運(yùn)用通訊方式才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.1 硬件組態(tài)

①用RS485通信電纜將APC系統(tǒng)網(wǎng)卡端與DCS系統(tǒng)COM741-S通訊模塊接線端相聯(lián);②在控制組態(tài)中添加COM741-S串行通信模塊的硬件配置;③點(diǎn)COM741-S右鍵菜單中的“通信組態(tài)”，對(duì)模塊所連接的通道（串口）、設(shè)備等進(jìn)行配置。

2.2.2 編程

2.2.2.1 需要用到的功能塊

①M(fèi)OVE塊。將輸入賦給輸出;②ASW模擬量開關(guān)功能塊。當(dāng)SW=ON時(shí)，OUT=IN2;當(dāng)SW=OFF時(shí)，OUT=IN1;

③TIMEREX擴(kuò)展定時(shí)器功能塊。當(dāng)SET從OFF變到ON時(shí)，經(jīng)過計(jì)時(shí)時(shí)間DT后，輸出OUT置位并保持TLAG時(shí)間后復(fù)位。當(dāng)復(fù)位信號(hào)RST從OFF變到ON時(shí)，計(jì)時(shí)器中止并且使輸出信號(hào)OUT復(fù)位，定時(shí)器等待下一個(gè)開始信號(hào);④DS數(shù)字開關(guān)功能塊。當(dāng)SW=ON時(shí)，OUT=IN2;當(dāng)SW=OFF時(shí)，OUT=IN1。

2.2.2.2 編寫程序步驟

在控制組態(tài)位號(hào)表里增加通訊位號(hào)，對(duì)其參數(shù)組態(tài)。

使用MOVE功能塊賦值。將DCS輸入信號(hào)賦給所對(duì)應(yīng)的通訊位號(hào)。

使用ASW功能塊進(jìn)行DCS控制與APC控制切換。ASW_DCS_APC為APC與DCS切換按鈕，當(dāng)為1時(shí)，APC控制，APC系統(tǒng)的主、副風(fēng)設(shè)定值作為DCS主、副風(fēng)回路的給定，自動(dòng)切為串級(jí)控制。此外，還要避免它們連接后在運(yùn)行過程中可能發(fā)生各種故障對(duì)生產(chǎn)的影響，存在以下兩種故障：

①比值分析儀故障，導(dǎo)致APC運(yùn)算的數(shù)據(jù)異常。故需給AIC_1001（PID功能塊）的PV值設(shè)定上、下限，在上、下限范圍內(nèi)為正常值。當(dāng)比值分析儀故障或數(shù)據(jù)異常，H2S/

SO2值超限;②APC系統(tǒng)通訊異常，不能與DCS通訊。

當(dāng)沒有以上故障時(shí)，可從DCS手動(dòng)切到APC。在APC控制下，若發(fā)生以上任何一種情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切到DCS控制，此時(shí)主、副風(fēng)為手動(dòng)控制。

故障判斷程序如圖2：通訊信號(hào)正常時(shí)，ON和OFF信號(hào)是交替的（判斷時(shí)間為30s），采用TIMEREX功能塊。當(dāng)有以上任何一種故障時(shí)，APC_GZ值為1，自動(dòng)切為DCS手動(dòng)控制。

在主、副配風(fēng)比值調(diào)節(jié)的程序里加入ASW及DS功能塊，實(shí)現(xiàn)APC和DCS控制的切換。以副配風(fēng)控制回路為例（圖3），當(dāng)無故障時(shí)，手動(dòng)切至APC控制（TRIG為下降沿），APC系統(tǒng)的副配風(fēng)量設(shè)定值作為副配風(fēng)控制回路的給定，進(jìn)行串級(jí)控制。

此次改造，增加了一套比值分析儀（AT2001A），在AIC_1001功能塊前加一ASW開關(guān)（如上圖），當(dāng)一比值分析儀出現(xiàn)故障，可及時(shí)手動(dòng)切到另一分析儀，避免了對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響。

3 結(jié)束語

APC是建立在DCS上的采用先進(jìn)控制策略的氣風(fēng)比控制器，通過APC實(shí)現(xiàn)氣風(fēng)比自動(dòng)控制，從而節(jié)約調(diào)節(jié)氣風(fēng)比的時(shí)間和人力，提高調(diào)節(jié)和控制精度;優(yōu)化工藝參數(shù)，利于工況穩(wěn)定，為環(huán)保達(dá)標(biāo)創(chuàng)造基礎(chǔ)。