Способ управления работой установки клауса и устройство

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ УСТАНОВКИ КЛАУСА И УСТРОЙСТВО Установка Клауса с множеством параллельных термических ступеней, которые обеспечивают комбинированный выходящий поток в последующие каталитические ступени, включает в себя контроллер, который дает возможность независимо и индивидуально управлять каждой из термических ступеней в зависимости от измеренного химического состава выходящих потоков термических ступеней и выходящего потока каталитической ступени.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЛУОР ТЕКНОЛОДЖИЗ КОРПОРЕЙШН (US) 017036 Данная заявка претендует на приоритет находящейся в процессе одновременного рассмотрения предварительной заявки США 60/945495, поданной 21 июня 2007 года. Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к системе управления для установок Клауса по производству(выделению и регенерации) серы и, в частности, изобретение касается систем управления для установок Клауса с множеством термических ступеней. Предшествующий уровень техники Соединения серы (и особенно сероводород) до выпуска в атмосферу, как правило, удаляют из отработанного газа с использованием одной или нескольких установок Клауса для производства серы, которые включают в себя термическую ступень, за которой последовательно расположены одна или несколько каталитических ступеней. Хотя производство серы с использованием установки Клауса концептуально несложно и хорошо известно специалистам в данной области техники, обеспечение эффективного функционирования установки Клауса является нетривиальной задачей из-за большого количества переменных параметров. Среди прочих факторов химический состав (например, содержание и относительные доли сероводорода, углекислого газа и воды) в потоке, подаваемом в установку Клауса, может существенно изменяться в зависимости от типа оборудования и технологических процессов, используемых перед установкой Клауса. Таким образом, для эффективного функционирования установки Клауса важнейшим моментом является строгий контроль за объемом кислорода для термической ступени. В большинстве известных на сегодняшний день конфигураций с одной термической ступенью предполагается, что при управлении количеством кислорода, необходимым на термической ступени,химический состав подаваемого отработанного газа постоянен. Для учета небольших изменений концентрации сероводорода в поступающих газах и учета погрешностей аппаратуры управления термической ступенью общепринятым на практике является размещение в таких установках устройств управления с обратной связью, обеспечивающих тонкие настройки логического механизма управления требуемым количеством воздуха для термической ступени. В таких системах логический механизм управления с обратной связью, как правило, включает в себя анализ молярного отношения сероводорода к диоксиду серы в остаточном газе, выходящем из конечной каталитической ступени. Затем сигнал управления от анализатора остаточного газа используют для небольших изменений количества воздуха или другого кислородосодержащего газа, который подается в термическую ступень, для достижения желаемого отношения сероводорода к диоксиду серы в вытекающем потоке. Типичный пример указанной конфигурации описан в патенте US 4100266, где поток кислородосодержащего газа регулируют, используя контроллер, который действует на основе измеренной концентрации кислорода в кислородосодержащем газе и измеряет концентрацию различных компонент в остаточном газе и отводимом газовом потоке. ВDE 028864 описана система, в которой управляющий сигнал для регулирования расхода кислорода или кислородосодержащего газа создают исходя из: (а) измеренных концентраций сероводорода и кислорода на впуске термической ступени и скорректированного значения и (b) измеренных концентраций компонент в остаточном газе. В других известных конфигурациях (например, WO 2006/005155 или патенте US 3026184) управление процессом обеспечивается с использованием измерений, выполняемых после термической и каталитической ступеней, для формирования комбинированного управляющего сигнала, который затем используют для непосредственного регулирования расхода кислородосодержащего газа на термической ступени. Комбинированные управляющие сигналы позволяют обеспечить настройку расхода кислорода с повышенной точностью на основе двух точек технологического процесса, однако, как правило, это не позволяет различать расхождения в этих двух точках технологического процесса. В альтернативном варианте для оптимизации всего процесса функционирования установки Клауса можно использовать управление температурой термической ступени, как описано в патенте US 4543245,а также согласно еще одному известному подходу подачей кислорода в термическую ступень можно управлять путем калибровки сигнала, представляющего ответный сигнал углеводорода (а не ответный сигнал сероводорода), который чувствителен к отношению сероводорода к диоксиду серы в остаточном газе установки Клауса, как описано в патенте US 4836999. Хотя указанные известные схемы управления остаточным газом обычно удовлетворительно функционируют в самых разных условиях, все же сохраняются трудности, особенно в относительно больших установках Клауса, которые обрабатывают очень большие объемы подаваемого серосодержащего материала. Указанные установки часто включают в себя несколько термических ступеней, работающих параллельно, за которыми следуют одна или несколько каталитических ступеней, работающих последовательно. К сожалению, указанные известные конфигурации с параллельными термическими ступенями порождают проблемы при управлении с обратной связью от анализатора остаточного газа (как правило,измеряющего отношение сероводорода к диоксиду серы). Например, желаемое отношение в остаточном газе не может быть достигнуто, когда одна из термических ступеней работает со слишком большим объемом воздуха или кислорода, в то время как другая (другие) термическая ступень работает (работают) с требуемым или слишком маленьким объемом воздуха. Поскольку в указанных установках анализатор остаточного газа расположен после обычной каталитической ступени, такой анализатор оказывается не-1 017036 чувствительным к различиям в независимо работающих термических ступенях. По существу, сигнал управления с обратной связью через анализатор правильно воздействует на одну из термических ступеней, но неправильно воздействует на другую (другие), что потенциально усугубляет указанную проблему. Таким образом, такое управление установкой Клауса может привести к непрерывному колебанию отношения сероводорода к диоксиду серы в остаточном газе от слишком высокого значения к слишком низкому. Для разрешения, по меньшей мере, некоторых проблем, связанных с установками, имеющими множество параллельных термических ступеней, можно реализовать конфигурацию установки Клауса, в которой обеспечивается управление расходом кислорода в дополнительной термической ступени путем измерения расхода горючего газа в дополнительной термической ступени и отношения сероводорода к диоксиду серы в обедненном серой газовом потоке из дополнительной термической ступени, как описано в патенте US 6287535. Хотя указанные конфигурации и способы позволяют значительно увеличить выход горючего кислого газа, тем не менее, остается несколько проблем. Кроме того, любое отклонение желаемого отношения сероводорода к диоксиду серы в остаточном газе может не быть отслежено в конкретной термической ступени, которая создала или внесла свой вклад в создание указанного отклонения. Таким образом, хотя специалистам в данное области техники известны многочисленные способы управления работой установок Клауса, все или почти все из них страдают одним или несколькими недостатками. Поэтому все еще существует потребность в создании улучшенных конфигураций и способов для управления установками Клауса. Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является создание конфигураций и способов управления установкой Клауса, имеющей множество параллельных термических ступеней, где для создания управляющих сигналов, которые позволяют независимо изменять один или несколько рабочих параметров одной или нескольких термических ступеней, используют измерение состава потока, выходящего из термических ступеней и каталитической ступени (ступеней). Согласно одному аспекту изобретения способ управления работой установки Клауса содержит следующие шаги: осуществляют мониторинг химического состава выходящих потоков первой и второй термической ступени, причем первая и вторая термические ступени работают параллельно, и осуществляют мониторинг химического состава выходящего потока каталитической ступени, причем каталитическая ступень связана с первой и второй термической ступенью для приема выходящих потоков первой и второй термических ступеней. На еще одном шаге независимо настраивают рабочий параметр по меньшей мере в одной из термических ступеней (первой и/или второй) на основе результатов, полученных от измерений выходящих потоков термических и каталитических ступеней. Наиболее предпочтительно, чтобы мониторинг химического состава выходящего потока термической и/или каталитической ступени содержал измерения концентраций сероводорода и/или диоксида серы, и, как правило, включал в себя измерение отношения сероводорода к диоксиду серы. На основе измеренных концентраций в общем случае предпочтительно, чтобы осуществляли вычисление первого и/или второго управляющих сигналов и чтобы первый и/или второй управляющие сигналы использовали для регулировки одного или нескольких рабочих параметров по меньшей мере одной из первой и второй термических ступеней. Кроме того, предполагается, что измеряют температуру по меньшей мере в одной из термических (первой и второй) ступеней. Следовательно, подходящие рабочие параметры включат в себя расход воздуха, расход кислородосодержащего газа, расход серосодержащего газа в первой и/или второй термической ступени и/или температуру в первой и/или второй термических ступенях. Таким образом, система управления установкой Клауса имеет первый анализатор выходящего потока, который оперативно связан с первой термической ступенью установки Клауса, и второй анализатор выходящего потока, который оперативно связан со второй термической ступенью установки Клауса,причем первая и вторая термические ступени сконфигурированы для параллельной работы. В указанных установках первый контроллер оперативно связан с первой термической ступенью и сконфигурирован для управления первым рабочим параметром первой термической ступени, а второй контроллер оперативно связан со второй термической ступенью и сконфигурирован для управления вторым рабочим параметром второй термической ступени. Третий анализатор выходящего потока оперативно связан с каталитической ступенью установки Клауса, при этом каталитическая ступень сконфигурирована для приема комбинированного выходящего потока из первой и второй термической ступени. Блок управления связан с первым, вторым и третьим анализаторами выходящего потока и запрограммирован или иным образом сконфигурирован, чтобы обеспечить возможность независимой настройки первого и второго рабочих параметров первого и второго контроллеров. Чаще всего первый, второй и/или третий анализаторы выходящего потока сконфигурированы для измерения отношения сероводорода к диоксиду серы, а первый и второй анализаторы температуры могут быть связаны с первым и вторым контроллерами. В специально спроектированных установках блок управления программируют для формирования первого и второго управляющих сигналов первому и второму контроллерам соответственно, чтобы обеспечить тем самым независимую настройку уставок для отношения сероводорода к диоксиду серы для первой и второй термических ступеней. В альтернативном-2 017036 варианте, или дополнительно к указанному варианту блок управления можно также запрограммировать для формирования первого и второго управляющих сигналов первому и второму контроллерам соответственно, чтобы обеспечить тем самым независимую настройку рабочей температуры первой и второй термических ступеней. Если необходимо, блок управления может быть выполнен как единое целое с первым контроллером. Краткое описание чертежа Различные цели, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления со ссылками на сопроводительный чертеж, на котором представлена схематическая иллюстрация примерной конфигурации управления установкой Клауса согласно изобретению. Подробное описание изобретения Заявители установили, что системы управления для установки Клауса, имеющей множество параллельных термических ступеней перед рядом общих каталитических ступеней, могут быть реализованы таким образом, что работой каждой термической ступени можно управлять по отдельности, чтобы обеспечить выходящий поток с желаемым отношением сероводорода к диоксиду серы. Таким образом, в требуемых конфигурациях и способах на выпуске каждой термической ступени установлен газовый анализатор, который предназначен для анализа отношения сероводорода к диоксиду серы в газовом потоке,выходящем из соответствующих ступеней. На основе заранее определенного и требуемого отношения сероводорода к диоксиду серы в остаточном газе в общей каталитической ступени (расположенной после термических ступеней) и на основе действительного отношения сероводорода к диоксиду серы в отдельных термических ступенях установки Клауса блок обработки вычисляет соответствующие требуемые скорректированные отношения для каждого из выпусков предшествующих термических ступеней. Таким образом, вычисленный сигнал управления с обратной связью от анализатора остаточного газа настраивает уставку отношения сероводорода к диоксиду серы в каждом из контроллеров газового анализатора термической ступени. Следовательно, каждый контроллер газового анализатора соответствующей термической ступени используют для того, чтобы добавлять или убавлять небольшое количество воздуха(или другого кислородосодержащего газа), которое доставляют в термическую ступень, чтобы сохранять желаемое отношение сероводорода к диоксиду серы в выходящем потоке данной ступени. Согласно одному примерному аспекту изобретения, как схематически показано на чертеже, установка 100 Клауса включает в себя две термические ступени 110 А и 110 В, работающие параллельно, и две каталитические ступени 120 А и 120 В, которые получают комбинированные выходящие потоки расположенных перед ними термических ступеней 110 А и 110 В и работают последовательно. Выходящие потоки 112 А и 112 В термических ступеней анализируют соответствующими датчиками 130 А и 130 В и связанными с ними анализаторами/контроллерами 132 А и 132 В. Наиболее предпочтительно, чтобы сигналы от анализаторов/контроллеров 132 А и 132 В формировались в зависимости от сигналов, поступающих от соответствующих датчиков, и передавались в анализатор/контроллер 152. Выходящий поток 122 каталитической ступени анализируют соответствующим датчиком 150 и соответствующим анализатором/контроллером 152. Анализатор/контроллер 152 запрограммирован для индивидуальной перенастройки начальных уставок анализаторов/контроллеров 132 А и 132 В на основе сигналов от анализаторов/контроллеров 132 А и 132 В и сигналов от анализатора/контроллера 152, чтобы индивидуально и независимо регулировать состав выходящих потоков 112 А и 112 В, а значит и выходящего потока 122 каталитической ступени. Таким образом, ясно, что между анализатором/контроллером 152 и анализаторами/контроллерами 132 возможен однонаправленный или двунаправленный поток информации. Согласно альтернативным аспектам изобретения индивидуальное управление различными рабочими параметрами можно реализовать по-другому, а не так, как было показано выше на чертеже. Предположим, например, что отдельный блок управления может получать сигналы от всех датчиков и/или анализаторов, где передаваемые таким образом сигналы соответствуют измеренному значению одного или нескольких рабочих параметров термической ступени (ступней) и/или каталитической ступени. Затем указанный центральный блок управления можно использовать для управления рабочими параметрами всех термических и каталитических ступеней. С другой стороны, и когда это требуется, предполагается,что каждый из анализаторов/контроллеров может также включать в себя по меньшей мере часть блока управления, что позволяет исключить центральный блок управления. Тогда такие анализаторы/контроллеры конфигурируют так, чтобы обеспечить возможность связывания по меньшей мере двух других анализаторов/контроллеров для осуществления однонаправленной и, что более предпочтительно,двунаправленной связи между ними. Что касается типа датчиков и анализаторов/контроллеров, то следует понимать, что здесь подходят для использования все известные датчики и анализаторы/контроллеры. Однако наиболее предпочтительно, чтобы датчики предоставляли информацию о составе в режиме реального времени или близком к нему режиме (например, со временем запаздывания менее 10 мин, но более предпочтительно менее 5 мин) по меньшей мере для одной компоненты в выходящем потоке. Таким образом, чаще всего датчик содержит оптическую компоненту (например, спектроскопический датчик) и согласно менее предпочтительным аспектам (например, когда флуктуации относительно невелики) хроматографическую компо-3 017036 ненту. Кроме того, следует понимать, что датчик может годиться для измерения одной компоненты (например, сероводорода) или множества компонент (например, сероводорода и диоксида серы) либо их суррогатных маркеров. С другой стороны, также предполагается, что для измерения множества компонент можно использовать множество датчиков. В общем случае предпочтительно, чтобы датчик термической ступени располагался до места ввода объединенных выходящих потоков в каталитическую ступень. Например, когда термическая ступень имеет конденсатор серы, расположенный ниже по потоку, предполагается, что датчик располагается на или около выпуска конденсатора. С другой стороны, при отсутствии конденсатора серы датчик, как правило, размещают вблизи выпуска термической ступени. Согласно дополнительным аспектам изобретения предполагается, что дополнительный датчик может быть расположен так, чтобы он измерял концентрацию по меньшей мере одной компоненты в комбинированном выходящем потоке термических ступеней, что может дать особые преимущества, когда объединяют выходящие потоки трех или более термических ступеней. Тогда этот дополнительный датчик можно связать с блоком управления для обеспечения дополнительной информации о возможных стехиометрических расхождениях. Аналогично, можно обеспечить множество датчиков в ряду каталитических ступеней, когда используют две, три или даже больше каталитических ступеней. Что касается подходящих анализаторов и/или котроллеров, то предполагается, что здесь подойдут для использования все известные анализаторы и технологические контроллеры для регулировки подачи воздуха и/или кислорода, подачи серосодержащего газа и/или температуры в термической ступени. Таким образом, указанные анализаторы и/или контроллеры могут быть объединены в единое устройство или использоваться в виде отдельных блоков. Как было указано выше, контроллер может включать в себя по меньшей мере часть блока управления, который модифицирует контроллер термической ступени. Таким образом, предложено точное управление количеством воздуха или другого кислородосодержащего газа, доставляемого в термическую ступень, что является решающим для правильной работы установки Клауса. В противоположность этому, известные на сегодняшний день стратегии управления с обратной связью по остаточному газу не могут обеспечить указанную регулировку, когда перед каталитической ступенью предусмотрено множество параллельных термических ступеней. Таким образом, здесь раскрыты конкретные варианты и применения систем управления для установок для производства серы. Однако специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что кроме вышеописанных возможно много других модификаций, не выходящих за рамки предложенных в изобретении концепций. Потому предмет изобретения не должен ограничиваться, если он не противоречит существу раскрытого здесь изобретения. Кроме того, при интерпретации описания и предложенной формулы изобретения все термины следует трактовать как можно шире в соответствии с контекстом. В частности, термины "содержит" и "содержащий" следует интерпретировать как относящиеся к элементам, компонентам или шагам в неисключительном смысле, указывающие, что рассматриваемые элементы, компоненты или шаги могут присутствовать, использоваться или объединяться с другими элементами, компонентами или шагами, на которые нет явных ссылок. Кроме того, когда определение или использование термина, который включен по ссылке, не согласуется или противоречит приведенному здесь определению термина, используют приведенное здесь определение этого термина, а определение термина в ссылке не используют. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ управления работой установки Клауса, содержащий следующие шаги:a) осуществляют мониторинг химического состава выходящих потоков первой и второй термической ступени, причем первая и вторая термические ступени работают параллельно;b) осуществляют мониторинг химического состава выходящего потока каталитической ступени, которая связана с первой и второй термической ступенью для приема выходящих потоков первой и второй термической ступени; иc) осуществляют независимое регулирование рабочего параметра по меньшей мере в одной из первой и второй термических ступеней на основе результатов, полученных на шагах (а) и (b), причем рабочий параметр выбирают из группы, состоящей из расхода воздуха, расхода кислородосодержащего газа,расхода серосодержащего газа по меньшей мере в одной из первой и второй термических ступеней и температуры по меньшей мере в одной из первой и второй термических ступеней. 2. Способ по п.1, в котором мониторинг химического состава по меньшей мере на одном из шагов(а) и (b) содержит измерение концентрации по меньшей мере одного из сероводорода и/или диоксида серы. 3. Способ по п.1, в котором мониторинг химического состава на шагах (а) и (b) содержит измерение отношения сероводорода к диоксиду серы. 4. Способ по п.2 или 3, дополнительно содержащий шаг, на котором вычисляют первый и второй управляющие сигналы и используют по меньшей мере один из первого и второго сигналов для соответ-4 017036 ствующего регулирования рабочего параметра по меньшей мере одной из первой и второй термических ступеней, для чего вычисляют соответствующие требуемые скорректированные отношения для каждого из выпусков предшествующих термических ступеней на основе заранее определенного и требуемого отношения сероводорода к диоксиду серы в остаточном газе в общей каталитической ступени, расположенной после термических ступеней, и на основе действительного отношения сероводорода к диоксиду серы в отдельных термических ступенях установки Клауса блоком обработки, при этом вычисление основано на двунаправленной связи между отдельными анализаторами/контроллерами. 5. Способ по п.1, дополнительно содержащий шаг, на котором осуществляют мониторинг температуры по меньшей мере в одной из первой и второй термических ступеней. 6. Устройство управления установкой Клауса, содержащее первый анализатор выходящего потока, оперативно связанный с первой термической ступенью установки Клауса, и второй анализатор выходящего потока, оперативно связанный со второй термической ступенью установки Клауса, причем первая и вторая термические ступени сконфигурированы для параллельной работы; первый контроллер, оперативно связанный с первой термической ступенью, причем первый контроллер сконфигурирован для управления первым рабочим параметром первой термической ступени; второй контроллер, оперативно связанный со второй термической ступенью, причем второй контроллер сконфигурирован для управления вторым рабочим параметром второй термической ступени; третий анализатор выходящего потока, оперативно связанный с каталитической ступенью установки Клауса, причем каталитическая ступень установки Клауса сконфигурирована для приема объединенного потока, выходящего из первой и второй термической ступени; и блок управления, связанный с первым, вторым и третьим анализаторами выходящего потока и запрограммированный для обеспечения возможности независимого регулирования первого и второго рабочих параметров первого и второго контроллеров, при этом рабочий параметр выбран из группы, состоящей из расхода воздуха, расхода кислородосодержащего газа, расхода серосодержащего газа по меньшей мере в одной из первой и второй термических ступеней и температуры по меньшей мере в одной из первой и второй термических ступеней. 7. Устройство управления по п.6, в котором первый и второй анализаторы выходящего потока сконфигурированы для измерения отношения сероводорода к диоксиду серы. 8. Устройство управления по п.6, в котором третий анализатор выходящего потока сконфигурирован для измерения отношения сероводорода к диоксиду серы. 9. Устройство управления по п.6, дополнительно содержащее первый и второй анализаторы температуры, связанные с первым и вторым контроллерами. 10. Устройство управления по п.6, в котором блок управления запрограммирован для подачи первого и второго управляющих сигналов первому и второму контроллерам соответственно, чтобы обеспечить независимое регулирование уставок для отношения сероводорода к диоксиду серы для первой и второй термических ступеней, для чего вычисляются соответствующие требуемые скорректированные отношения для каждого из выпусков предшествующих термических ступеней на основе заранее определенного и требуемого отношения сероводорода к диоксиду серы в остаточном газе в общей каталитической ступени, расположенной после термических ступеней, и на основе действительного отношения сероводорода к диоксиду серы в отдельных термических ступенях установки Клауса блоком обработки, при этом вычисление основано на двунаправленной связи между отдельными анализаторами/контроллерами. 11. Устройство управления по п.6, в котором блок управления запрограммирован для подачи первого и второго управляющих сигналов первому и второму контроллерам соответственно, чтобы обеспечить независимое регулирование рабочей температуры первой и второй термических ступеней. 12. Устройство управления по п.6, в котором блок управления выполнен как единое целое с первым контроллером.