硫磺装置制硫炉顺控逻辑开发与应用

王福兵

(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

某公司硫磺装置制硫工艺采用Claus工艺，技术成熟，硫回收率高，尾气SO2排放体积分数满足环保要求。该装置分为硫磺回收、液硫脱气、尾气加氢还原、尾气胺液吸收、尾气焚烧5个单元。该装置原料气来源有两部分： 一部分来自上游胺液再生装置和再生塔的再生酸性气(AAG)，另一部分来自上游酸性水汽提装置的汽提酸性气(SWS)，一期、二期制硫部分的产能分别为60 kt/a和240 kt/a。

硫磺回收单元包括： 在制硫燃烧炉内发生的热转化反应，在催化转化器内发生的催化转化反应以及在硫冷凝器内发生的硫磺的气态、液态转化反应。该装置酸性气进料中φ(H2S)>5%，故采用部分燃烧法回收硫磺，即在制硫燃烧炉内通过控制一定量的配风，H2S燃烧转化成Sx(以S2表示)和SO2。

制硫炉仪表顺控逻辑和联锁保护程序与工艺生产过程结合紧密，涉及面广，调试难度大。常规仪表测量控制功能由分散控制系统(DCS)实现，装置停工联锁、设备保护联锁、制硫炉点火顺控逻辑由安全仪表系统(SIS)实现。SIS选用TRICON控制系统，该系统具有数据采集、过程监控、信号记录和安全联锁保护功能。

1 制硫炉顺控逻辑开发难点

因制硫炉顺控逻辑和联锁保护程序与工艺生产过程结合紧密，操作复杂，存在以下技术难点：

1)SIS主要包含工艺联锁停车、制硫炉开工顺控逻辑、设备保护联锁三大功能块，在实际操作中同一个SIS I/O信号和中间变量在三大功能块之间相互交叉引用，关联制约。开发制硫炉顺控逻辑程序不仅要求仪表技术人员熟练掌握SIS I/O信号和中间变量测量控制原理和联锁逻辑，同时需要熟悉装置工艺生产流程和开停工操作过程，熟悉因工艺操作变化导致相应的仪表信号变化，仪表信号的变化触发制硫炉顺控逻辑按照预先设定的操作步骤执行工艺开停工程序，以达到降低劳动强度、消除工艺误操作隐患的目的。通常仪表专业人员不熟悉工艺生产过程，这是一个难点。

2)硫磺装置设计工艺包中没有提供相应的仪表顺控逻辑设计程序，仪表专业需要根据工艺专业开停工方案并结合以往设计经验开发匹配的顺控逻辑程序以及人机界面(HMI)，顺控程序如何做到与工艺生产过程紧密结合，满足工艺要求，安全可靠，这又是一个难点。

3)制硫炉开工操作过程复杂，开工过程分为正常开工和发生紧急停车后的紧急开工，两者工艺操作步骤不一样，但仪表测量和控制信号一样。由于工艺操作步骤较多，SIS I/O信号以及顺控逻辑回路数量较大，程序也较复杂。

4)制硫炉燃烧器和点火枪点火控制模块一般由设备厂家成套供货，成套设备自带的燃烧器和点火控制模块相关仪表联锁和控制信号也需要接入制硫炉顺控逻辑程序中，成套设备联锁控制程序开发经验不足，现场联合调试过程复杂。

2 制硫炉顺控逻辑开发思路

制硫炉开工过程主要有装置联锁逻辑复位、点火枪点火前系统吹扫、点火枪点火、主燃烧器点火、引再生酸性气、燃料气喷嘴停用、引汽提酸性气7个关键步骤，在每个步骤启动前需要确定前一个步骤已经完成且相关仪表信号已经反馈至顺控系统，否则顺控系统将不允许进行下一步操作。

2.1 装置联锁逻辑复位

该步骤要求制硫炉开工前确认仪表信号初始状态，检查判断开车条件，主要确认项有： 制硫炉炉膛压力、制硫炉中压蒸汽汽包液位、点火瓦斯气压力正常、制硫炉火检信号处于熄灭状态、点火枪瓦斯切断阀、燃烧器主瓦斯切断阀、氮气吹扫切断阀、再生酸性气和汽提酸性气切断阀关闭，所有开车条件需要全部满足后方可进行下一步开工操作。

2.2 顺控模式判断和点火枪点火

该制硫炉顺控模式(IMODE)的判断是顺控逻辑正常运行的关键，制硫炉顺控模式逻辑判断流程如图1所示。

图1 制硫炉顺控模式逻辑判断流程示意

工艺人员现场启动制硫炉风机，确认尾气焚烧单元开工正常后，首先进行制硫炉系统吹扫，吹扫完成后开始制硫炉点火，点火操作分为正常开工点火和紧急停工后点火，正常开工点火过程是先点点火枪，点火枪正常点火后顺控程序允许点主瓦斯火嘴，点火成功后停用点火枪。随后制硫炉升温，温度达到设计预定值后再引入再生酸性气伴烧，进料负荷达30%后停主瓦斯火嘴，继续引入汽提酸性气后制硫炉开工操作完成。正常开工顺控逻辑流程如图2所示。

图2 正常开工顺控逻辑流程示意

制硫炉正常开工时选用燃料气模式，当发生紧急停车后再重新开工时可选用再生酸性气模式，当顺控系统判断炉膛温度大于850 ℃时，允许操作人员直接将再生酸性气引入制硫炉内，实现装置快速开工的目的。当炉膛温度范围在600～850 ℃时，则需先点燃点火枪，再选用AAG模式直接引入再生酸性气实现制硫炉开工，无需再点燃主瓦斯火嘴，也可以更稳妥地选择燃料气模式按照正常开工步骤开工。

3 一期和二期硫磺装置制硫炉顺控差别

1)二期硫磺装置制硫炉顺控系统在开工初期自动旁路制硫炉主风、主瓦斯、再生酸性气流量低低联锁逻辑，是待制硫炉主风、主瓦斯和再生酸性气正常引入后自动取消旁路功能，一期硫磺顺控系统没有该功能。

2)二期硫磺装置顺控系统设定当主瓦斯点火正常随后熄灭点火枪后，不允许再次点燃点火枪，而一期硫磺顺控系统允许再次点燃点火枪。

3)二期硫磺装置顺控系统设定当点火枪正常着火后点主瓦斯火嘴时，主瓦斯切断阀和制硫炉主风切断阀同时打开，而一期硫磺顺控系统点主瓦斯火嘴时设定为两步，先打开制硫炉主风切断阀，再打开主瓦斯切断阀。

4)二期硫磺装置顺控系统主要控制瓦斯、主风和酸性气切断阀的开关动作顺序，而对应的控制阀开度没有限制，由工艺操作人员根据实际工况自行调整；一期硫磺顺控系统不仅控制瓦斯、主风和酸性气切断阀的开关动作顺序，还限制对应的控制阀开度。

5)一期硫磺装置顺控系统有阀门故障检测功能，当发出阀门动作指令后对应的阀门位置回讯信号可及时反馈至顺控系统，否则顺控系统将发出阀门动作故障报警，提醒工艺人员现场检查确认，二期硫磺顺控系统没有设计该功能。

4 制硫炉顺控改进点及注意事项

1)制硫炉瓦斯管线和配风管线切断阀的位置回讯信号参与顺控逻辑判断，在装置正常生产过程中瓦斯线和风线切断阀基本不动作，当发生非计划停车后需要重新开工时，由于现场切断阀回讯开关经常不能及时反馈信号导致装置不能顺利开工，且在日常生产过程中不具备条件测试切断阀位置回讯信号，随着装置长周期运行，该类故障发生的概率逐渐上升，需要利用装置停工检修时机安排测试或提前更换瓦斯线和风线切断阀位置接近开关。

2)一期硫磺装置顺控系统点主瓦斯火嘴时设定为两步，先打开制硫炉主风切断阀，再打开主瓦斯切断阀，主风切断阀的全开回讯信号没有作为顺控系统发出打开主瓦斯切断阀指令的判断条件，后续利用装置停工检修时机完善了该项内容。

3)制硫炉点火枪点火控制模块是由设备厂家成套供货，在点火过程中，现场操作盘内点火继电器需要向顺控系统反馈点火启动的闭合干接点信号，当点火失败后，点火启动信号自动断开。在一次制硫炉开工点火过程中，由于点火继电器故障，在点火枪实际没有点火操作时仍然向顺控系统反馈点火启动信号，导致顺控系统控制逻辑错误无法正常点火，故在装置开工前提醒工艺人员提前检查点火启动信号是否正常。

4)硫磺装置尾气焚烧炉开工顺控逻辑和制硫炉顺控逻辑总体类似。尾气焚烧炉开工吹扫模式的判断条件是尾气焚烧炉联锁复位，尾气焚烧炉开车条件满足，主要开车条件是瓦斯切断阀关闭，火检信号无反馈，为防止因现场阀门位置回讯故障影响尾气焚烧炉正常开车，设计了阀门位置回讯旁路功能。但在一次尾气焚烧炉开工过程中，工艺人员将所有尾气焚烧炉开工阀门位置回讯全部旁路，当尾气焚烧炉进入点火阶段时，相关瓦斯切断阀需要动作，此时应该不能满足开车条件，但由于阀门位置回讯全部处于旁路状态，导致尾气焚烧炉点火枪点火正常后，开车条件仍能满足，然而尾气焚烧炉顺控逻辑出现故障，无法正常进入下一步操作程序。因此，提醒操作人员开工前不能全部旁路阀门位置回讯，至少投用一条阀门位置回讯信号判断条件。

5 结束语

该制硫炉顺控系统投用效果良好，人机画面友善，能有效减少工艺人员误操作的隐患和劳动强度，满足工艺生产要求，装置自动化程度进一步提高，为国内同类装置仪表顺控逻辑开发提供了参考和借鉴。

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