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先进燃烧器控制系统的改造
jiang_0514 发表于 2009/4/2 16:19:52 1075 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 装置简介
中国石化总公司安庆分公司的Ⅲ套硫磺回收联合装置(Ⅲ.S.R.U)是1995年经总厂批准进行设计的一项“绿色工程”，其设计能力为年产2万吨硫磺。联合装置包括富液再生、硫磺回收、尾气焚烧、硫磺造粒包装机及第Ⅲ套循环水场。过程控制仪表选用美国SMAR公司的现场总线控制系统(简称FCS系统) 。而本装置的一个最特殊的、在工艺上与常规硫磺回收不同之处是增加了超级克劳斯反应，从而保证了硫的回收率达98.9％。而控制超级克劳斯(Super clause)反应的控制方案就是本文所要讨论的先进燃烧器控制系统，是本装置除FCS外的一个独立的控制系统，它所使用的控制仪表是日本横河的YS170可编程调节器。
2 工艺概况
主燃烧器是主燃烧炉的一部分，它是和主燃烧炉组合在一起的。主燃烧器是国外进口的专用设备，是荷兰达卡公司的专利产品。主燃烧器中放置一支点火枪，点火时点火头进入到空气与燃料气混合室。
主燃烧器工作原理是空气从主燃烧器的空气分配室中通过，空气配风器中的径向叶片获得很强的旋转速度。当空气从气鼻中出来后就能达到最大风速。在这个点上，燃料和空气流相混合。主燃烧炉带有一个锥形扩散器，气体从这里离开。火焰前部分区域的高等级湍流大大提高了燃烧效率，这种设计导致有耐火衬里材料的燃烧炉中靠近对角壁和气枪的区域形成强的涡流，这种涡流使火焰较稳定并在反应室的前部获得很高的热强度，在最高温度下发生氧化反应。在燃烧器中适量空气和酸性气或燃料气强烈混合，在主燃烧炉中进行高温热反应。主燃烧器所需空气量是由先进的燃烧器控制系统进行控制的。
在常规克劳斯运行模式时，所需空气量使得第二级克劳斯反应器出口过程气中硫化氢含量与二氧化硫含量比值等于2；在超级克劳斯运行模式时，使得进入超级克劳斯反应器的过程气的浓度达到0.6%～0.9%。工艺是否开超级克劳斯的控制，通过切换开关HS007来实现。
在操作方面，空气与酸性气的比值控制器QIC001输出信号是非常重要的一个信号。正常情况下它随酸性气对空气量的特殊要求在极为狭窄的范围内变化。为避免干扰、如900型硫化氢在线分析仪不正常操作时，该信号应略超出正常操作量程极限。如控制器QIC001已被切换到手动方式，则可使用QIC001手操输出作为比例设定值，使空气与酸性气流量-流量比例控制仍处于自动方式操作，该设定值非常缓慢而仔细地调节，精确地读出该信号是非常重要的。
QIC001的过程值应该是实际测量的硫化氢的百分数。若QIC001和FIC008都是手动方式，QIC001输出信号的跟踪功能将有效地使切换开关无扰动地切换至自动方式。
3 问题的提出
3.1 进行改造的原因
先进燃烧器控制系统(Advance Burner Control System，简称ABC控制系统)，是荷兰达卡(Comprimo)公司的专利产品。装置在设计时，全部引进进口设备及其控制系统。由于本装置的FCS系统是进行数字化通讯的，而ABC系统是模拟量信号，故设计院在引进ABC全套产品时，考虑到应用二台CD600可编程调节器来为ABC系统服务，将ABC系统的过程变量信号在CD600内进行处理，而后再将信号送至ABC系统。ABC系统使用了三台YS170可编程调节器，在这三台调节器之间组成YSNET网进行通讯，以进行其控制的参数传递。
ABC系统专为超级克劳斯工艺而设计的主燃烧炉F401控制方案。其主要的控制目的是控制最佳的空气量，以达到使酸性气中的硫元素能最大限度地转化为硫，提高硫磺的回收率。充分燃烧是硫磺回收装置获得最佳操作和最佳转化率的关键因素之一。主燃烧炉是硫磺回收装置的核心设备，它对保证硫回收转化率98.9％，乃至对整个联合装置安全平稳生产都起着举足轻重的作用。
装置在开工之初，出现了制约ABC系统正常投用的三个问题：首先是三台YS170有其中一台的通讯模板坏了，ABC系统的YSNET不能进行正常的通讯，过程变量的参数不能进行传递；其次是在工艺生产上是否开超级克劳斯的控制器选择不能很好地切换，ABC系统的工艺过程参数不能在FCS的CRT上指示，严重影响了操作员的正常操作；另外，没有充分发挥具有先进技术的FCS的功能，重复投资。通过分析ABC系统控制原理后发现它将简单的操作复杂化了，需将其组态编程简化。
针对以上所提三个问题，加上本装置使用的是先进的现场总线控制系统，有能力用现场总线仪表的所有功能，来实现用YS170所实现的控制方案。
3.2 ABC系统控制原理
主燃烧器的工艺控制流程图如图1所示。
当主燃烧器的空气太少时，过量的硫化氢将进入超级克劳斯段，这将使超级克劳斯转化器的温度失去控制而引起催化剂中毒。控制系统包括两个控制回路：
(1) 空气与酸性气的比例控制回路（前馈流量控制回路）；
(2) 硫化氢分析仪控制回路（反馈流量控制回路）。
在第一个控制回路中，所需的空气流量通过测量酸性气流量(FT001)和燃料气流量(FT010)使各自的流量信号乘以各自的空气与酸性气比值（由Y002和Y001表示）计算得出，结果即为各自所需的空气量。两股空气量相加(Y007)，就是所需的空气流量信号，这用来决定流量调节器FIC008的设定值。调节器(FIC008)的测量值为实际的总空气量，即主燃烧空气和旁路空气流量之和。FIC008控制旁路流量（微空气）调节阀。由于设定复位时间短，该回路保证快速而又准确地随进料气流量变化而变化。
FIC008输出信号控制旁路空气调节阀，同时也是调节器FIC009的测量值。调节器FIC009的输出信号控制主空气调节阀。短时间内，调节器FIC009的设定值决定该系统缓慢地使旁路空气调节阀回到其初始设定位置。通常情况下（除去装置负荷非常低的情况），旁路空气流量的最佳位置为额定量程的50%，由于调节阀的压降为实际装置负荷的一个功能函数，阀的最佳位置也是实际装置负载一个功能函数，该功能函数由Y009决定。为避免多余的相互干扰，该功能函数必须提供一个低流量的过滤器。
尾气分析仪的输出信号(H2S%)代表尾气中硫化氢的浓度，为了获得所需求的自动增益，该阀与设定值(H2S SP)之间的偏差必须乘以实际酸性气流量信号。QIC001减去实际H2S测量信号得出的设定值(HIC003)，再加上设定值信号，即为修正的过程值。部分仪表系统不能执行负信号，这种情况下必须应用不同的算法来执行同一功能，但要避免负信号，调节器QIC001的输出信号表示空气与酸性气的比值要求，也就是调节器FIC008的设定值。实际空气总量，即Y008的输出信号是调节器FIC008的测量值。
如上所述流量-流量比值控制回路必须尽可能地快速而准确。控制器必须适当调整，尽量趋于平衡，只有在超出整个操作量程的情况下控制增益才有可能为常数。大多数情况下主空气控制阀的控制功能需线性化，以获得恒定不变的控制回路增益，这种功能函数由Y010完成。
当超级克劳斯工艺部分没有运行。硫化氢减2倍二氧化硫的信号应经过切换开关HS007与QIC001的输入信号相连接，除去QIC001的设定值最终需要修订外，不再有别的改动。
3.3 ABC系统的控制方案
ABC系统使用三台调节器，仪表位号分别是QIC001、FIC008、FIC009，由于其应用的是内部YSNET网通讯，因此，系统在设计时将进该系统的模拟信号全部加在调节器QIC001和FIC008上。
因为FCS系统是数字通讯的，而ABC系统是模拟量信号，所以，设计院在进行该系统控制方案时，使用了两台CD600(Y008、FI001)可编程调节器来将现场的酸性气流量、主空气流量、旁路空气流量及燃料气流量进行初步的温压补偿处理后，再送至ABC系统。另外，自分析仪器900型硫化氢在线分析仪来的H2S-2SO2或H2S信号，600型氧含量在线分析仪来的尾气中氧含量信号分两路进ABC系统。ABC系统所需要的空气与燃料气的比值HIC001和酸性气与燃料气的比值HIC002由CD600提供进ABC系统。两路空气在ABC系统外部调节器CD600之Y008经过温压补偿后相加再乘以HIC001给定的比值，送至QIC001，酸性气在ABC系统的外部调节器CD600之FI001经过温度压力补偿再乘以HIC002给定的比值，送至QIC001。
在QIC001调节器中，通过组态来完成选择控制，即在工艺上是否过程气进超级克劳斯，也就是选择H2S或H2S-2SO2信号来进行控制。
前文已提过，装置在设计时，全套引进其进口设备及其控制系统，所以，ABC系统内的调节器组态就成了一个“黑匣子”，ABC系统的控制方案是荷兰达卡公司的专利技术，从这一点，严重制约了装置的安全运行及仪表专业的工作。
由于ABC系统为外国专利，在系统引进时荷兰达卡公司没有详细介绍其内部的组态问题，而我们又全搬照抄，不仅没有充分利用先进的FCS技术，而且给以后的仪表维护造成很多困难。针对这一点，笔者解剖了这个“黑匣子”。
4 ABC系统控制方案的解析
通过应用YSS100软件，用PC机与ABC系统的YS170调节器通讯，调出其内部组态程序，再应用反编译技术，将其经编译后的程序反编译成YS170调节器的源程序代码。再仔细地分析其源程序，根据源程序，解出其实现先进的燃烧器控制系统的控制方案特殊性能。
主要控制分为三个部分，如图2所示。
(1) 标准空气需求量 CD600通过对采集来的FT010（燃料气流量）、FT001（酸性气流量）、HIC001（空气与燃料气比率）、HIC002（空气与酸性气比率）计算，向H2S控制器输入Y001、Y002，在H2S控制器由Y007计算，即为标准空气需求量。
(2) 实际空气需求量 为了自动补偿原料气组分波动时的标准空气需求量，通过QZA-001（900型在线分析仪）对二级克劳斯阶段的尾气测定来调整空气与酸性气的比值。
在超级克劳斯操作时，测定H2S值；克劳斯操作时，测定H2S-SO2值。
(3) 供空气有准确性 FIC008、FIC009两个控制器控制供至主燃烧器的燃烧空气量，确保整个装置过程的准确性。FIC008控制空气总量，FIC009控制最佳微调空气阀位。主空气与微调控制阀的阀位通常是非线性化的。对于相同的空气流量变化，阀门的动作幅度在高负荷下比在低负荷下要大，其灵敏度不高、控制动作速度慢、精度低、回收率下降，因此，ABC系统提供了一个线性化的空气控制回路，安装了一个定制的线性化模块(Y010)，此模块根据其装置的相关数据，通过专门计算机程序进行计算，先使微调空气阀动作以保证空气流量控制的精度更高。
主空气量与酸性气量是流量-流量比例控制。在ABC系统中则是首先控制微调空气阀，直接给出总燃烧空气流量中的合适变化，总空气流量的变化几乎随酸性气流量瞬时改变（1-2秒）。在常规系统中，微调空气流量仅通过维持在中间量程点来调整空气/酸性气比例系统。
在ABC系统中，微调空气流量阀自动的维持在最佳点（通常为刻度的50%）由定位器来完成主空气控制阀的控制点。该方法中主空气阀控制点决定微调空气的流量，应使微调空气流量的刻度为50%。FIC008的给定值由Y005计算，而FIC009的给定值由Y009计算出。后者平衡调节阀门，使得微调空气控制阀始终处于最佳位置。
以下是通过分析源程序而得出的控制原理方框图。
5 ABC系统控制方案改造
从解剖ABC系统的源程序到根据源程序而解析出其控制原理，再画出控制原理方框图，可以得出，ABC系统可以使用新型的现场总线控制系统来实现。
图3、图4和图5中，该系统所使用的功能模块有乘法模块、除法模块、PID控制模块、线性化模块、选择模块、加减模块等，都能应用总线仪表的功能模块来实现。
5.1 软件组态
使用FCS系统SMAR总线仪表的组态软件可方便地进行总线仪表的组态，将挂在总线上的总线仪表分配地址号就能在一个通道内进行通讯。如测量主空气流量的现场一次总线仪表FT004，将它的地址号分配为ADDRESS 5，PCI卡的通道号分配为CHANNEL 0。
在使用组态软件SYSCON时，可将总线仪表的功能模块“读”出而形象地挂在仪表上，如测量酸性气压力的现场总线仪表PT014，它包含的有输入模块(AIBLOCK)，属性模块(CHAR BLOCK)，计算模块(ARTH BLOCK)，控制PID模块Y007、Y007A、Y008、Y009、Y010都可以用总线仪表的ARTH模块通过组态出实现。
组态时不需要将每一台总线仪表设备用线一一对应地连接，只需将它们的信号流向连接起来，就可完成它们的内部通讯。从而减少了仪表设备的线连接。将ABC系统复杂的组态简化。
5.2 设备硬件配置
为ABC系统服务的两台CD600调节器取消，三台YS170控制器取消，现场仪表将现在的301 SMAR系列仪表改成302 SMAR系列总线仪表，增加一台IF302总线仪表（将模拟信号转化为数字信号，900型在线分析仪送出的是模拟信号，将其挂到改造后ABC系统的总线上，进行通讯）。增加两台FP302总线仪表（将数字信号转化为气信号，分别将控制气信号输出到主空气控制阀FV009和微调空气控制阀FV008）。将HS007切换开关的硬操作改成“软”操作，总体上不改变ABC系统的控制原理，仅将其用YS170控制器的控制改造成FCS控制。
现场仪表投资费用低，其组态简便易行。所有数据挂在总线上，控制方案及功能所需的参数调用方便。同是一样的仪表设备，在备品备件上可以随时将坏的设备更换。增加了装置运行的安全性。
302系列总线仪表的ARTH模块，具有强大的运算功能，几乎所有的计算都可以实现。
FCS系统的硫磺回收操作站已配置了两块PCI卡，其中2#卡多出了一个通道，正好供ABC系统改造使用。
6 结语
通过将ABC系统的专利技术的破译，消化吸收其先进的控制方案，并加以改造，大大地提高了中国石化总公司安庆分公司仪表专业的技术能力，进口的“黑匣子”也并不是那么神秘不可测。
ABC系统的改造投资费用低，约3万元。改造后的ABC系统，不再受控制器的通讯卡故障的制约，充分发挥FCS系统的功能，增强了整个装置仪表设备的一致性，因SMAR 302系列总线仪表性能稳定，故障率小，减少仪表维护、维修的工作量，同时也保证了工艺的“安、稳、长、满、优”生产。改造后的ABC系统，其工艺过程参数可在操作站上保存其历史趋势，给操作员提供一个最佳操作的参考。控制精度也同时得以大大地提高，从而保证工艺超级克劳斯部分能正常运行，提高装置负荷能力，提高对酸性气中硫的回收率，减少对大气的污染。