1      

2       Введение

               1.1  Процесс Клауса
            В промышленности применяются 4 основных способа Клауса для производства элементарной  серы из кислых компонентов природного газа и нефтезаводских газов: прямоточный (пламенный), разветвлённый, разветвлённый с подогревом кислого газа и воздуха, прямое окисление. Наиболее широкое применение нашёл прямой (пламенный) способ Клауса.

            Прямоточный процесс Клауса – (пламенный способ) применяется при концентрации сероводорода в кислых газах выше 50% об. и концентрации углеводородов менее 2% об. По этому способу весь кислый газ подаётся на сжигание в печь-реактор термической ступени установки Клауса, выполненную в одном корпусе с котлом-утилизатором. В топке печи-реактора температура достигает 1100-1300ºС, и выход серы – 70-75%. Дальнейшее превращение сероводорода в серу осуществляется в две-три ступени на катализаторах при температуре 220-260ºС. После каждой ступени пары образовавшейся серы конденсируются в поверхностных конденсаторах. Тепло, выделяющееся при горении сероводорода и конденсации паров серы, используется для получения пара среднего и низкого давления. Выход серы при прямоточном процессе Клауса достигает 96-97%.
1.2        Описание технологического процесса
Установка прямоточного процесса Клауса состоит из двух ступеней получения серы –термической и каталитической.

На рис. 1 показана схема прямого Клаус-процесса, реализованного на Оренбургском газоперерабатывающем заводе. Кислый газ (I) с температурой не выше 55ºС и давлением        0,7 кгс/см² от установок очистки и осушки газа поступает в сепаратор В01, где за счёт снижения скорости и отбойной сетки, установленной в верхней части, от него отделяется капельная влага.

Уровень жидкости в сепараторе поддерживается не более 50% от его объёма.

            Из сепаратора В01 кислый газ направляется в печь-реактор F01. Часть кислого газа (1-2%) по отдельному трубопроводу подаётся в печь подогрева F02. Воздух (II), необходимый для окисления, перед поступлением в зону реакции проходит камеру подогрева вспомогательной печи. Подогрев воздуха (II) необходим для устранения импульсного горения кислого газа в топке котла при низких загрузках установки.

            Продукты реакции камеры сгорания проходят трубный пучок котла F01, где отдают избыточное тепло котловой воде, и далее направляются в конденсатор-коагулятор Е01/В03. Нагретая котловая вода из межтрубного пространства котла-утилизатора реакционной печи F01 за счёт термосифона поднимается в барабан-паросборник В02, откуда выделенный пар среднего давления (III) направляется в заводскую сеть пара среднего давления.

            Технологические газы (IV) из печи F01 с температурой до 370ºС направляются на охлаждение в трубный пучок конденсатора Е01. Сконденсировавшаяся сера отделяется в коагуляторе В03 и через гидрозатворы стекает в яму суточного хранения серы Т01. Полученный за счёт испарения воды в межтрубном пространстве конденсатора Е01 пар низкого давления (IX) направляется в заводскую сеть пара низкого давления.

             Из коагулятора В03 непрореагировавшие продукты реакции с температурой не выше 180ºС направляются в камеру смешения вспомогательной печи F02, где подогреваются до температуры более 220ºС за счёт смешения с продуктами сгорания небольшого количества кислого газа.

             После подогрева в печи F02 технологические газы тремя потоками входят в конвертор В04. Конвертор В04 заполнен катализатором типа «CR» в количестве 80 тонн, уложенном на слой керамических шариков. Технологические газы проходят сверху вниз слой катализатора, на поверхности которого происходят реакции Клауса и гидролиз COS и CS₂ . Так как эти реакции происходят с выделением тепла, то технологические газы на выходе из конвертора имеют температуру на 60-100ºС выше, чем на входе. Для конденсации паров серы и выделения её в жидком виде технологические газы (V) охлаждаются до температуры 170ºС в трубном пучке конденсатора Е02 и коагуляторе В05, откуда поступают в печь подогрева F03. Жидкая сера из коагулятора В05 через гидрозатворы отводится в серную яму Т01.

              Водяной пар низкого давления (IX), полученный то испарения котловой воды в межтрубном пространстве конденсатора Е02, отводится в заводскую сеть пара низкого давления.

              В печи подогрева F03 технологические газы вновь подогреваются выше точки росы серы, до 235ºС.  Подогрев технологического  газа в печи F03 осуществляется сжиганием топливного  газа (XI).

              В камере смешения печи F03 происходит подогрев технологических газов за счёт смешивания их с продуктами сгорания топливного газа. Нагретые до температуры 235ºС технологические газы тремя потоками поступают в конвертор второй ступени В06. Устройство конвертора В06 аналогично В04, разница лишь в том, что он заполнен катализатором двух типов: в нижнем слое 60 тонн катализатора «CR», а поверх него уложено 35 тонн катализатора «АМ». Последний имеет ту же характеристику, что и «CR» , но пропитан сульфатом железа для связывания свободного кислорода при ошибке в пропорциональном расходе воздух-топливный газ в печи F03.

              Из конвертора В06 технологические газы (V) поступают в трубное пространство конденсатора (экономайзера) Е03, где происходит их охлаждение для конденсации паров серы.

              Экономайзер Е03 представляет собой трубчатый аппарат, межтрубное пространство которого заполнено водой без паровой подушки. Выделенное тепло используется для подогрева питательной воды (VIII) до температуры 90-115ºС. Из конденсатора Е03 технологические газы с температурой 120-150ºС проходят коагулятор В07 и направляются на установку доочистки хвостовых газов либо, минуя установку доочистки, в печь дожига F04.

               Выделившаяся жидкая сера из конденсатора Е03 и коагулятора В07 через гидрозатворы стекает в серную яму Т01. Жидкая сера из ямы суточного хранения Т01 по мере наполнения откачивается насосами на установку дегазации серы, где жидкая сера с помощью насосов циркулирует, разбрызгиваясь через сопла, что обеспечивает выделение из неё растворённых H₂S и

SO₂.  Отходящий газ после второй каталитической ступени направляется на установку доочистки хвостовых газов «Сульфрен», а затем в печь дожига и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.

2   Характеристика объекта регулирования

               
2.1    Сепарация кислого газа
Кислый газ с температурой не более 55^оС, давлением не более 0,7 кгс/см² поступает во входной сепаратор В01, где за счет уменьшения скорости потока газа, а также отбойной сетки, установ­ленной в верхней части, от него отделяется капельная жидкость (рис. 2).

           Уровень жидкости в сепараторе поддерживается не более 50% от его объёма автоматически, насосом поз. Р04 А, В. При повышении уровня до 80 %  срабатывает контактор высокого уровня и подается сигнал на включение насоса  поз. Р04А,В., а при снижении уровня до 10% срабатывает контактор низкого уровня  и подается сигнал на остановку насоса  50Р04А,В. Уровень кислой воды контролируется по уровнемерам поз. LT-01А,В.

Жидкость (кислая вода), содержащая примеси сероводорода, аминов, гликоля и углеводородов насосом Р04А,В откачивается на установки, например 1,2,3У-70 на орошение ко­лонн, также предусмотрена откачка кислой воды на У-100. Давление в се­параторе В01 контролируется датчиком давления поз.РT-01 и регулируется, регули­рующий клапан РСV-01 установлен на линии сброса кислого газа на факела низкого давления. При превышении установленного максимального давления в В01, происходит открытие клапана РCV-01 и сброс кислого газа на факел низкого давления.  Одно­временно с открытием отсекателя РCV-01 сигнал подается на закрытие клапанов РСV-02 и FСV-01, а также на  открытие клапана FCV-02.  Величина открытия клапана FCV-02  зависит  от объемов сброса кислого газа на факел. При открытии клапана FCV-02 топливный газ поступает из заводского коллектора в  факельный трубопровод. Режим разбавления и подачи топливного газа в факельный трубопровод выбирается оператором.

 В нижней части сепаратора В01 смонтирован змеевик, обогреваемый паром, он предназначен для  отпарки  кис­лых  газов из жидкой фазы. Кислый газ из сепаратора В01 подается к горелкам печи реакции F01, на У-55, а также к  горелкам вспомогательных печей F02, F03. Температура кислого газа контролируется датчиком ТТ-01. Общий расход кислого газа  (диафрагма FE-01), контролируется расходомером  поз.FТ-01 и регулируется клапаном FСV -01, установленным на трубопроводе подачи кислого газа в печь реакции F01.
       2.2  Составление математической модели объекта
        Составление математического описания  начинают с нахождения уравнений его материального или энергетического балансов (за бесконечно малый промежуток времени dt).      В полученных уравнениях раскрывают значения неизвестных и исключают промежуточные переменные. Нелинейные дифференциальные уравнения линеаризуют. Далее в линейной модели объекта от абсолютных значений переходят к их приращениям, которые в свою очередь заменяют безразмерными величинами – отношением абсолютных приращений к  их произвольно выбранным базисным значениям. В качестве таковых обычно используют значение величины при равновесном состоянии,  т.е. до нанесения возмущающего воздействия. Базисные значения обозначают теми же буквами, что и сами переменные, но с индексом  ноль.             Полученные  уравнения приводят к общепринятой форме, путем группирования в левой части всех членов содержащих выходную величину объекта и ее производные, а в правой – всех членов, содержащих входную величину и ее производные.

       Регулирование технологического процесса в сепараторе можно производить по разным параметрам, например по давлению, расходу по входу, уровню и т.д. Определим зависимость давления газа внутри сепаратора от расхода кислого газа на входе и  расхода кислого газа на выходе.

       Пусть V-объём аппарата, F₁  и  F₂ –расходы на входе и выходе соответственно. Тогда давление Р = const  в аппарате если F₁  =  F₂. Тогда уравнение материального баланса газа протекающего за время dt имеет вид:
                                                              F₁dt - F₂dt  = Vdr = 0                                                      (2.2.1)
      так как Р = const, то изменение r = 0.           

Таким образом, количество газа поступившее в сепаратор за время dt равно количеству газа находящегося в данном объеме и количеству газа вышедшему из сепаратора за время dt.

Т.к. dr =1/RT×dP, то уравнение (2.2.1) примет вид:

                                              

                                                     V/RT× dP = F₁ dt - F₂ dt                                                      (2.2.2)
Выражение (2.2.2) показывает нам о том, что изменение разности расходов приводит к изменению давления.

Рассмотрим случай истечения газа в дросселирующем органе. Пусть в аппарате  Р_вх.= const, Р_вых.= const, F₁= const. Меняется  проходное сечение клапана на выходе, следовательно меняется расход F₂ и следовательно давление в аппарате также меняется.

 Допустим, что изменение состояния газа изотермическое, а его истечение является адиабатическим.  Тогда имеем:                         

                                                        F₂ = А×Р₂ × К/( RT)^0,5  

                                                             F₁ = S × Р₁ × К/( RT)^0,5                                                                                (2.2.3)

 Где:

           А –площадь проходного сечения регулирующего органа

           Р₂ –давление после регулирующего органа

           Р₁ - давление до регулирующего органа

           S - площадь проходного сечения газопровода

           К –коэффициент, зависящий от показателя адиабаты газа .
 Подставив (2.2.3) в (2.2.2) и перейдя от переменных величин к их конечным приращениям, отнесенным к базисным значениям, получим:
Р_2.0×V/RT × (dP/Р_2.0)/ dt = S × Р_1.0 × К/( RT)^0,5 × ( Р/Р_1.0) -  А× Р_2.0× К/(RT)^0,5 × (Р/Р_2.0) +

                                                        + А₀× Р_2.0× К/( RT)^0,5 × (А/А₀)                                                 (2.2.4)
Разделим обе части уравнения на величину  Р_1.0 × К/( RT)^0,5  = Р_2.0× К/( RT)^0,5  (при стационарном положении), получим уравнение вида :
                              V/К × (RT)^-0,5  × (dP/Р_2.0)/ dt = S × (Р/Р_1.0) -  А× (Р/Р_2.0) + А₀ × (А/А₀)            (2.2.5)

Введем обозначения:

                                      dP/Р_2.0 = У - изменение давления после регулирующего органа;

                                      Р/Р_1.0 = Z -  изменение давления до регулирующего органа;    

                                     А/А₀ = Х - изменение площади проходного сечения клапана;

                                     V/К × (RT)^-0,5 = Т;

  тогда получаем:  

                                                      Т × dУ/ dt + А × У = S × Z + А₀×Х                                           (2.2.6)      
        В данных расчётах не будет рассматриваться изменение входного давления из–за изменения выходного, т.е. будем считаем, что Z = 0 и получаем конечное дифференциальное уравнение  динамики:

                                                          Т × dУ/ dt + А × У =  А₀ ×Х                                                  (2.2.7)

        Разделим обе части уравнения (6) на А и переходя к преобразованию Лапласа получим:

      

                                                              Т_{0 *} Р +1 = А₀/ А                                                                (2.2.8)

Из выражения (7) передаточная функция будет иметь вид:        
                                                              W(P) = К/(Т₀ × Р + 1)                                                        (2.2.9)

         Найдем численное значение Т₀ и К_, для этого зададим значения параметров объекта в виде таблицы 1.

                                                                                                                                                Таблица 1

Параметры	Их значения
Давление в газопроводе, Р	0,7 кгс/см2
Диаметр газопровода, D	600мм = 600 × 10-3 м
Площадь поперечного сечения газопровода, S	S = 3.14 × D2 / 4  = 0,283 м2
Длина  клапана, L (строительная длинна)	L = 850мм = 0,85м
Объем газа находящегося в клапане, V	V = S×L×Р = 0,283 × 0,85 × 0,7 = 0,168 м3
Газовая постоянная, R	R = 8,31   Дж/кг×Кельвин
Температура газа, Т	Т = 328,16 К
Площадь проходного сечения, Амах	Амах = 0,18 м2
Площадь проходного сечения, А0 (при равновесном состоянии)	А0 = 0,14 м2
Показатель адиабаты для кислого газа, К	К = 1,4
К1= А0/ Амах	К1=0,14 / 0,18 = 0,778
Т0 = V/(К* Амах) * (RT)-0,5	Т0 = 0,0063с

             Итак, передаточная функция объекта имеет вид:
                                                         W(P) = 0,778/( 0,0063 × Р + 1)
        2.3  Расчет параметров регулятора
        Для расчета параметров регулятора надо вывести уравнение передаточной функции расширенного объекта, который включает в себя объект, датчик, исполнительное устройство и звено запаздывания т.е.

                                  W_{р. об.}(P)= W_об(P) ×W_д(P) × W_им(P) × EXP(-Pt )                                (2.3.1)
        Теперь найдем коэффициент усиления  исполнительного устройства и датчика. В качестве исполнительного устройства выберем пневматический ИМ:
                                           К_ИМ = (выходной диапазон)/ (входной диапазон)

Следовательно:

                                           К_ИМ = (( 39500 - 12000)/25750)/(( 0,1 - 0,02 )/0,06) = 0,801           (2.3.1)
        В качестве датчика давления выберем манометр – преобразователь:  
                                           К_д =  (выходной диапазон)/ (входной диапазон)

Следовательно:

                                           К_д = (( 1-0,2 )/ 0,6) / ((2,5 - 0)/ 1,25) = 0,667                                    (2.3.3)
        Исходя из выше представленных расчётов коэффициентов усиления исполнительного механизма и датчика-преобразователя давления, а также передаточной функции объекта составляем и рассчитываем  передаточную функцию расширенного объекта:

 

                                      W_{р. об.}(P) = 0,778 / (0,0063 × Р + 1 ) × К_ИМ  × К_д × EXP(-Pt )
                                                 W_{р. об.}(P) = 0,416 /(0,0063 × Р + 1) ×EXP(-0,1P )                      (2.3.4)
Подставим значение передаточной функции в программу расчета одноконтурной САР по методу Циглера – Николса и получим значения параметров для регуляторов 
Выберем  ПИ – регулятор с параметрами  П1=2,4079 и П2=2,14463.  И подставим их значения  в программу расчета переходного процесса одноконтурной САР.
         2.4   Расчет регулирующего органа
          Пропускная способность К_v регулирующего органа для до критического режима течения,

находится по формуле:

 

                                                    К_v = (G_max / 535) × ( Т₁ / r_н × ΔР_р.о × Р₂ )^0,5                             (2.4.1)                                                                            

          Где:  

G_max – максимальный массовый расход при давлении 0,1 МПа  и температуре 0^о С [кг/ч]

r_н – плотность газа при давлении 0,1 МПа  и температуре 0^о С [кг/м³]

Т₁ – абсолютная температура газа перед регулирующим органом [К]

ΔР_р.о – перепад давления на регулирующем органе [кгс/см²]

Р₁  -абсолютное давление до регулирующего органа [кгс/см²]

Р₂  -абсолютное давление после регулирующего органа [кгс/см²] 

 

       Под критическим режимом понимают максимальную скорость истечения, равная местной скорости звука, которая может быть достигнута в регулирующем органе при критических отношениях давлений до и после регулирующего органа.

        Проверим критический режим  (ΔР_р.о < 0,5 × Р₁ ):
                                                                     Р₁ = 0,7 кгс/см²           Р₂  = 0,42 кгс/см²   

                                                                                                       ΔР_р.о = 0,28 < 0,5 × 0,7       (0,28 < 0,35)

                                                                       

              G_max = 39500 × 10³ кг /ч 

              r_н =1,56 кг/м³  

                    Т₁ = 328,16 К   

              Р₂ =0,42 кгс/см²      

             ΔР_р.о = 0,28 кгс/см² 

        

  Следовательно:                                     

                    К_{v мах} = (39500 × 10³/ 535) ×  (328,16 / 1,56 × 0,28 × 0,42)^0,5  = 3123 кг/ч               (2.4.2)
        Произведём перевод массовых единиц условной пропускной способности в объёмные единицы и из перечня типоразмеров дроссельных регулирующих органов по ГОСТ или по данным, приведённым в справочниках и каталогах, выбираем регулирующий орган с условной пропускной способностью К_vу , большей расчётного значения К_{v мах} на 20%:

   

                                                             К_vу ≥ К_{v мах}  × 1,2                                                                (2.4.3)
         Проверка влияния вязкости на пропускную способность производится после его выбора, так как увеличение вязкости протекающей через регулирующий орган среды выше некоторого предела вызывает, как правило, уменьшение пропускной способности.  Поправочный коэффициент  на влияние вязкости зависит от вида регулирующего органа и числа Рейнольдса  протекающего потока.

         Число Рейнольдса Re_у, отнесённое к условному проходу предварительно выбранного регулирующего органа, определяют по формуле:
                                                         Re_у = 0,354 × Q / ν × D    ,или

                                                         Re_у = 0,354 × G / ρ × ν  × D                                                   (2.4.4)
         Если число Re_у ≥ 2000, то принимают регулирующий орган с ранее определённой пропускной способностью К_vу , если же число Re_у < 2000, то определяют поправочный коэффициент ψ на влияние вязкости по графику из справочной литературе:
                                                       К_vу ≥ 1,2 × ψ × К_{v мах}                                                                (2.4.5)

 
        2.5  Выбор средств автоматизации и регулирующего органа
         В качестве исполнительного устройства  выбираем регулирующий орган заслоночный с пропускной способностью 6000 м³/ч, с условным проходом 500 мм.   

        В качестве датчика давления выберем манометрический преобразователь сильфонный типа МС-П с пневматическим преобразователем типа сопло – заслонка. Манометрический преобразователь сильфонный  формирует на выходе унифицированный пневматический сигнал 0,02 –0,1 Мпа. Класс точности  0,6; 1; 1,5. Верхний предел измерения 0,25 Мпа.
3  Литература
1        «Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами». Справочное пособие. Под ред. А.С.Клюева. Москва, «Энергия», 1977г.

2        «Исполнительные устройства регуляторов». Справочное руководство. М.С.Слободкин, П.Ф.Смирнов, Ю.Я.Казинер. Москва, «Недра», 1972г.

3        «Технология переработки природного газа и газового конденсата». Н.В.Бусыгина, И.Г.Бусыгин. Оренбург, ИПК «Газпромпечать», 2002г.

4        «Преобразователи давления измерительные пневматические с силовой компенсацией ГСП и преобразователи пневмосиловые». Технологическое описание и инструкция по эксплуатации. Москва, «ГОСИНТИ», 1976г.