尹小菊 孙巍
（1.兖州煤业榆林能化有限公司 陕西榆林 719000；2.中煤陕西能源化工有限公司 陕西榆林 719000）
摘要：在超级克劳斯硫回收的自动控制系统中，其燃烧过程的自动控制较为复杂，在面对多扰动和大滞后的工况下，如何以最大限度降低其滞后性带来的困扰，从而进行较好的控制一直是一难题。本文应用背景为某化工厂硫回收系统，利用串级-分程-变比值PID控制系统来对其燃烧进行控制，采用霍尼韦尔Express PKS200系列的DCS实现，应用效果较为理想。
关键字：主燃烧器；串级-分程-变比值PID控制；硫回收；DCS控制
1引言
超级克劳斯硫回收的酸性气热阶段由主燃烧器组成，主燃烧器由主烧嘴及主燃烧室构成。前工序送来的酸性气体经过预热器被预热到230℃，70%的酸气进入主烧嘴，30%的酸气进入旁通主燃烧室，以此来提高主燃烧室内火焰温度。酸气与一定比例的氧气进行燃烧，生成大部分单质硫。氧气系统送给主燃烧器的氧气流量等于燃烧酸气中H2S专门比率的份量，这对于超级克劳斯工艺的性能是至关重要的。主燃烧器控制系统的设计目的是使硫回收率达到最大化并将SO2排放到最小化，为达到最大可能的硫回收率，使到超级克劳斯反应器的工艺气体H2S浓度在最优值是至关重要的，设计值为0.82 Vol%。
2控制系统结构
2.1主燃烧器串级-分程-变比值PID控制系统结构
2.1.1系统负荷扰动时动态特性分析及控制方案设计
在酸气负荷发生波动偏离现行值的情况下，对应系统所需要的氧气也需要发生变化，需要一个控制方案通过控制氧气流量将酸气变化补偿掉。基于控制要求，采用串级PID控制方案来实现，在串级控制主回路中由H2S 分析仪控制器从第二级克劳斯反应器到超级克劳斯反应器管道中的工艺气对H2S含量进行补偿，但是分析仪的反馈只能校正供气组分中发生的小量波动，若供气中的H2S含量急剧变化，采用变比值控制方案，需要H2S分析仪控制器的输出乘以标称氧含量，通过氧气/酸气比率控制器调节不同的氧气需求量，增大或关小氧气调节阀。
图1 主燃烧系统氧气需求量控制方案方框图
2.1.2氧气总需求量精度控制方案设计
为保证超级克劳斯装置在操作范围内全程精确的可控性，使用两个调节阀控制对主燃烧器供氧，微调氧气阀和主调氧气阀，分别对主燃烧器的“氧气供气总量”和“最优化微调氧气阀”位置进行调节。用这种分程控制方法，将负荷变化补偿掉，先由微调氧气阀的快速反应来实现，后辅以响应相对慢的主氧气阀辅助调节。
由相对负荷FY105B经过微调控制器XC151以调节主氧气阀的位置来控制微调氧气阀的最佳位置，以这种方式，既保证了最大的可控能力，又对氧气需求量始终保持由微调氧气阀作精确的补偿， 假设当系统负荷增加时，副控制器FC155接收到一较高的设定值，而且随之由于它的输出增大而打开微调氧气控制阀，并随后增加主调氧气阀的输出。相对较大的主氧气控制阀的开度会影响控制环的增益。当阀的接近关闭时，阀位的变化有相对大的影响，因为阀两端压差较大。另一方面，在阀门接近打开时，阀位的变化影响较小，因为装置的动态压降决定流量。
为保证微调氧气控制阀能适应随后负荷的增大，阀门的最佳位置应当对全程装置负荷都处于可得到微调氧气流量的最大控制能力。在主调氧气阀输出之前必须经一阶滤波器进行滤波，以防止与所需的总氧气流量控制相互干扰。
2.1.3给气组分发生扰动时动态特性分析及控制方案设计
酸气组份变化会导致对主燃烧器供氧不正确，结果会改变尾气中H2S的含量，假若酸气供气中H2S含量增加时，在供气中H2S的含量增加会使得由分析仪检测到的尾气中H2S含量增加，当测量值增加时，随之此控制器的输出也相应增加控制器的输出增大会导致实际氧气需求量增加，增大氧气调节阀。
图3主燃烧器氧气流量运行曲线
综合，主燃烧器控制方案为串级-分程-变比值PID控制方案，整体方框简图如图1所示。
2.2DCS系统及应用现场结构
某化工厂采用霍尼韦尔Experion PKS DCS控制系统实现对过程数据的高性能采集、控制和监视。根据控制要求，本系统的结构采用冗余控制网络、冗余服务器（工程师站）、以及冗余电源的模式，其中包括2台工程师站、2台操作员站、冗余C200过程控制器和过程I/O接口。其网络结构如下：
3.参数整定
采用工程经验法对其参数进行整定，其方法如下：
①对于P调节器（Ti＝∞，Td= 0），将比例度P放在较大经验数值上，然后逐步减小P，观察被控参数的过渡过程曲线，直到曲线满意为止。
②对于PI调节器（Td= 0），先置Ti＝∞，按比例调节整定比例度P，使过渡过程达到4:1衰减比；然后，将P放大10％～20％，将积分时间由大至小逐步增加，直至获得衰减比为4:1过渡过程。
4.实际应用效果
在系统酸气负荷和酸气组分H2S组分变化扰动情况下，主燃烧器氧气流量的运行曲线。下图5.12中蓝色代表主氧气流量（FT151）与副氧气流量（FT153）之和运行曲线；绿色代表H2S含量（AT16001）的扰动曲线；黄色代表运算结果系统相对负荷（FY105B）的扰动曲线，由于各测点之间量程不一致，趋势图中纵坐标选择量程百分比0~100%。FT151和FT153的量程为0~450 Nm3/h，AT16001的量程为0~1vol%，相对负荷无单位，数值在0~1之间。由图可看出三条曲线基本平稳。
参考文献
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[4] 刘莹.小型集散系统在锅炉控制中的应用[J].北京：测控技术1999
论文作者:尹小菊,孙巍
论文发表刊物:《电力设备》2016年第11期
论文发表时间:2016/8/15
标签：氧气论文; 克劳斯论文; 燃烧器论文; 负荷论文; 控制器论文; 曲线论文; 过程论文; 《电力设备》2016年第11期论文;