王曉顏

(銅陵市華興化工有限公司，安徽銅陵244000)

基于PID控制的超重力脫硫設(shè)備動(dòng)態(tài)脫硫方法的研究

王曉顏

(銅陵市華興化工有限公司，安徽銅陵244000)

針對(duì)硫酸生產(chǎn)尾氣采用超重力脫硫系統(tǒng)進(jìn)行脫硫存在動(dòng)態(tài)適應(yīng)性不強(qiáng)的問題，提出一種基于PID控制的超重力脫硫設(shè)備的動(dòng)態(tài)脫硫方法，并詳細(xì)說明了其控制原理。經(jīng)過仿真，改進(jìn)后的超重力脫硫設(shè)備在PID控制器的有效作用下能夠依據(jù)SO2的濃度變化及時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，在減速及傳動(dòng)裝置的作用下最終有效調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而脫除尾氣中SO2，達(dá)到預(yù)期的處理效果。

硫酸尾氣 超重力脫硫 PID控制 動(dòng)態(tài)脫硫 適應(yīng)性 仿真

銅陵市華興化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱華興化工)現(xiàn)有3套200 kt/a硫酸生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)w(H2SO4)98%酸用于化肥生產(chǎn)，近年來通過技術(shù)改造，還可以生產(chǎn)發(fā)煙硫酸、鐵粉、硫酸銨、液體SO2、過硫酸鈉、過硫酸銨等產(chǎn)品。

華興化工硫酸生產(chǎn)采用的是二轉(zhuǎn)二吸工藝，主要流程為：沸騰焙燒—干法除塵—酸洗凈化—轉(zhuǎn)化干吸制酸。通過采用DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和重要的設(shè)備安裝有雙工作線，并能實(shí)現(xiàn)人工操作和電子操作雙向自動(dòng)切換。硫利用率和生產(chǎn)可靠性高，操作靈活，能在80%～110%的額定負(fù)荷下運(yùn)行，單套裝置的最大年產(chǎn)量可達(dá)240 kt。3套硫酸裝置的尾氣均經(jīng)過超重力反應(yīng)器處理，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)后經(jīng)直徑為1.6 m、高70 m的排氣筒排放。根據(jù)銅陵市環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的要求，SO2氣體排放使用了24 h連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)施，其檢測(cè)數(shù)據(jù)直接接入當(dāng)?shù)丨h(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在廠區(qū)大門設(shè)置了公示裝置，公示污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境友好。

1 超重力脫硫

尾氣脫硫是硫酸生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響著尾氣的達(dá)標(biāo)排放。脫硫方法有很多種，各有優(yōu)缺點(diǎn)，在眾多脫硫方法中，超重力脫硫技術(shù)較為先進(jìn)且脫硫效果好。

超重力是在比地球重力加速度(9.8 m/s2)大得多的環(huán)境下物質(zhì)所受到的力。研究超重力環(huán)境下的物理和化學(xué)變化過程的科學(xué)稱為超重力科學(xué)，利用超重力科學(xué)原理而創(chuàng)制的應(yīng)用技術(shù)稱為超重力技術(shù)[1]。在地球上，實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境的簡(jiǎn)便方法是通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力而模擬實(shí)現(xiàn)的。

在硫鐵礦制酸過程中，尾氣的主要成分是SO2，此外還含有少量的N2、O2、水蒸氣等氣體和粉塵。SO2脫除的過程實(shí)際上是一種多相分離過程，在超重力作用下，填料的高剪切作用把液體分割成具有線速度的極薄的液膜和極小的液滴，當(dāng)含塵氣體通過高速旋轉(zhuǎn)、充滿著極薄液膜和液滴的填料層中的空隙時(shí)，粉塵的慣性沉降力增強(qiáng)，粉塵與液體、填料都形成了急速的碰撞接觸，令分離過程得到實(shí)現(xiàn)。超重力脫硫裝置具有設(shè)備簡(jiǎn)單、副產(chǎn)品可二次利用、占地面積小的特點(diǎn)，但它的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性不夠，主要體現(xiàn)在以下方面：

1)硫鐵礦制酸裝置有一定的靈活性，其生產(chǎn)負(fù)荷在80%～110%之間波動(dòng)，這直接造成了進(jìn)入超重力裝置的總氣量發(fā)生變化。比如，在100%負(fù)荷情況下進(jìn)氣量為78 000 m3/h，110%為最大負(fù)荷狀態(tài)時(shí)進(jìn)氣量為85 800 m3/h，80%為最小負(fù)荷狀態(tài)時(shí)進(jìn)氣量為62 400 m3/h，最大負(fù)荷與最小負(fù)荷兩種狀態(tài)之間的進(jìn)氣量差距達(dá)到了23 400 m3/h。超重力脫硫設(shè)備的缺陷就在于不能夠根據(jù)實(shí)時(shí)變化的進(jìn)氣量的大小實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)超重力脫硫設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)氣量的動(dòng)態(tài)適應(yīng)。

2)硫酸生產(chǎn)過程受到許多因素的影響，尾氣中SO2的含量也會(huì)以無規(guī)律的狀態(tài)進(jìn)行變化，這些影響因素主要分為三大類，分別是原料、生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)環(huán)境。原料影響主要指硫酸生產(chǎn)原料中硫元素含量的高低以及原料中其他相關(guān)的能夠影響尾氣中SO2含量的雜質(zhì)；生產(chǎn)工藝影響主要指生產(chǎn)過程中溫度、濕度等直接影響化學(xué)反應(yīng)的因素；環(huán)境影響主要指由于生產(chǎn)裝置密閉性不夠，外部的風(fēng)量、風(fēng)向、氣壓都會(huì)影響尾氣SO2的濃度。在各類因素的綜合作用下，最終造成進(jìn)入超重力脫硫設(shè)備的氣體中SO2濃度的差異，從而影響脫硫效果，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成排放尾氣不達(dá)標(biāo)。通過查閱該公司2015年12月的硫酸三系統(tǒng)生產(chǎn)報(bào)表，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后，得到原料含硫量、轉(zhuǎn)化率及二吸塔尾氣SO2濃度的對(duì)照如表1所示。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，SO2濃度是一個(gè)變化的數(shù)值，這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不規(guī)律性，且受到生產(chǎn)負(fù)荷的影響。為此，必須考慮超重力脫硫設(shè)備對(duì)待處理氣體SO2濃度動(dòng)態(tài)變化的適應(yīng)能力，即提高超重力脫硫設(shè)備系統(tǒng)的脫硫能力，讓其能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)的SO2濃度實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的脫硫能力，保持SO2吸收量的最大化，進(jìn)而保持總排放量的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)更大范圍的可調(diào)節(jié)性。目前使用狀態(tài)中的超重力脫硫設(shè)備不具備依據(jù)氣體中的SO2含量的變化實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)脫硫能力的調(diào)節(jié)。

表1 原料含硫量、轉(zhuǎn)化率及SO2濃度的對(duì)照

2 基于PID控制的超重力脫硫設(shè)備動(dòng)態(tài)脫硫方法的研究

目前使用的超重力脫硫設(shè)備主要是通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)超重力脫硫設(shè)備軸的旋轉(zhuǎn)，通過離心作用達(dá)到脫除SO2的目的。該超重力脫硫設(shè)備轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，無論設(shè)備進(jìn)氣中SO2的濃度發(fā)生怎樣的變化，該裝置的轉(zhuǎn)子始終以該轉(zhuǎn)速運(yùn)行，當(dāng)進(jìn)氣中SO2濃度較高時(shí)，很容易造成SO2吸收不完全，最終導(dǎo)致排放不達(dá)標(biāo)情況的發(fā)生。根據(jù)以上對(duì)影響尾氣中SO2含量的因素以及對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行中超重力脫硫設(shè)備缺陷的分析，提出一種基于PID控制的超重力脫硫設(shè)備的動(dòng)態(tài)脫硫方法。這種方法的核心思想就是建立一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在PID控制器的作用下，通過進(jìn)氣SO2濃度變化實(shí)時(shí)調(diào)整超重力脫硫設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的變化，從而對(duì)超重力脫硫設(shè)備轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到對(duì)進(jìn)氣中的SO2實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的處理效果。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)超重力脫硫設(shè)備根據(jù)SO2的含量變化不斷調(diào)整脫硫效果，并且脫硫之后的檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)反饋，不斷調(diào)整脫硫裝置的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，從而始終高效保證排放尾氣的達(dá)標(biāo)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率公式為：

n=60f/p

(1)

式中：n——電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;f——電源頻率,Hz;p——電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。

當(dāng)電機(jī)制造成型后，極對(duì)數(shù)就不變，在工程實(shí)際中，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過改變電機(jī)的頻率來實(shí)現(xiàn)。我國電壓標(biāo)準(zhǔn)工頻為50 Hz，用變頻器改變頻率從而改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，在超重力設(shè)備的應(yīng)用中，這樣就可以改變超重力脫硫設(shè)備轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

基于PID控制的超重力脫硫設(shè)備的動(dòng)態(tài)脫硫方法系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 基于PID控制的超重力脫硫設(shè)備的動(dòng)態(tài)脫硫

根據(jù)圖1，系統(tǒng)在硬件配置上主要包含檢測(cè)模塊、控制模塊及超重力脫硫設(shè)備這三大部分。這三大部分連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 三大部分的連接關(guān)系

超重力脫硫設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)脫硫的核心部件。檢測(cè)模塊主要用以檢測(cè)氣體中SO2濃度的大小，在整套脫硫系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)及位置分布上，存在兩套SO2檢測(cè)裝置，這兩套檢測(cè)裝置分別設(shè)置在超重力脫硫設(shè)備的控制模塊的前端以及超重力脫硫設(shè)備的尾氣排放口尾端。前端的檢測(cè)裝置用以檢測(cè)進(jìn)氣中的SO2含量數(shù)值，為超重力脫硫設(shè)備的控制模塊提供分析和計(jì)算的數(shù)據(jù)；尾端的檢測(cè)裝置用以檢測(cè)出氣中的SO2含量數(shù)值，并將檢測(cè)到的數(shù)值實(shí)時(shí)反饋給控制模塊，不斷調(diào)節(jié)控制器的控制參數(shù)，從而對(duì)超重力脫硫設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

控制模塊的主要組成部件有PID控制器、電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置等。主要功能是依據(jù)檢測(cè)模塊檢測(cè)到的SO2的濃度數(shù)值對(duì)超重力脫硫設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)行控制，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化帶動(dòng)超重力脫硫設(shè)備轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)的脫硫效果。

3 PID控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述，超重力脫硫裝置的缺陷和不足中存在進(jìn)氣量變化因素以及SO2含量變化因素，因進(jìn)氣量變化最直接的體現(xiàn)也就是進(jìn)氣量中SO2含量的變化，因此將進(jìn)氣量變化因素和SO2濃度變化因素統(tǒng)一按一個(gè)因素來考慮，即SO2濃度變化因素。將檢測(cè)模塊檢測(cè)到的SO2的濃度作為控制器的輸入量，將超重力脫硫裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)為控制器的輸出，設(shè)計(jì)出的PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 超重力裝置的PID控制器結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PID控制器和一個(gè)PID參數(shù)調(diào)節(jié)器組成。PID控制器的閉環(huán)誤差e(t)=R(t)-Y(t)產(chǎn)生控制信號(hào)，參數(shù)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)[1]。

(2)

式中：Kp——比例系數(shù)；Ti——積分時(shí)間常數(shù)；Td——微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制器的參數(shù)整定。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在應(yīng)用較多的是臨界比例法，利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：①首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；②僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；③在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。

如果反饋達(dá)到給定值后，歷經(jīng)多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不能穩(wěn)定，則可能比例增益過大，積分時(shí)間過短，調(diào)整時(shí)應(yīng)當(dāng)首先減小比例增益，然后增大積分時(shí)間。如果增大積分時(shí)間后，反應(yīng)過于遲緩，則不宜再增大積分時(shí)間，而應(yīng)繼續(xù)調(diào)整比例增益，同時(shí)可以適當(dāng)增大微分時(shí)間。

本文采用的是更實(shí)用的試湊法。按照先比例、再積分、最后微分的順序進(jìn)行試湊。設(shè)置積分時(shí)間Ti為無窮大，微分時(shí)間Td為0，在比例系數(shù)Kp按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，由小到大整定比例系數(shù)Kp。求得滿意的1/4衰減度過渡過程曲線。引入積分作用(此時(shí)應(yīng)將上述比例系數(shù)設(shè)置為5/6Kp)。將Ti由大到小進(jìn)行整定。然后將Td按經(jīng)驗(yàn)值或按Td=(1/3～1/4)設(shè)置，并由小到大進(jìn)行設(shè)置。

4 仿真分析

該單位實(shí)際硫酸生產(chǎn)尾氣處理系統(tǒng)中，目前超重力脫硫裝置轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速固定為2 000 r/min,ρ(SO2)在200 mg/m3基準(zhǔn)線上下波動(dòng)。根據(jù)此實(shí)際生產(chǎn)情況，現(xiàn)對(duì)PID控制器的實(shí)時(shí)調(diào)控能力進(jìn)行仿真。對(duì)SO2的濃度分別設(shè)定2種不同的隨機(jī)變化的情況(如圖4和圖5所示)，在控制器的作用下，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)SO2的濃度變化情況的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。

(a) 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)SO2的濃度變化曲線 (b)脫硫裝置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化曲線

(a)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)SO2的濃度變化曲線 (b)脫硫裝置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖4和圖5這兩組不同的響應(yīng)曲線可以看出：在SO2的濃度呈不規(guī)則形態(tài)變化的情況下，控制器能夠有效的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)超重力脫硫設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使脫硫裝置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能夠在一定范圍內(nèi)隨SO2濃度的動(dòng)態(tài)變化而變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程平滑柔和，響應(yīng)速度及時(shí)高效。在超重力脫硫設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)整的情況下，超重力脫硫設(shè)備旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)產(chǎn)生實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的旋轉(zhuǎn)，既能高效脫除尾氣中SO2，保證排放尾氣的達(dá)標(biāo)，又能有效的節(jié)約電能，降低整套設(shè)備的損耗。

5 結(jié)論

針對(duì)超重力脫硫設(shè)備的缺陷進(jìn)行了基于PID控制的超重力脫硫設(shè)備的動(dòng)態(tài)脫硫方法的研究，通過設(shè)計(jì)的PID控制器實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備在SO2濃度發(fā)生變化的情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，即系統(tǒng)的有效的脫硫能力。通過仿真，改進(jìn)后的超重力脫硫設(shè)備在PID控制器的有效作用下能夠依據(jù)SO2的濃度變化及時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，在減速及傳動(dòng)裝置的作用下最終有效調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而脫除尾氣中SO2，做到排放達(dá)標(biāo)。

[1] 劉金琨. 先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].第2版.北京: 電子工業(yè)出版社，2004：2-12.

Research on the dynamic desulphurization method of the PID controlled high-gravity equipment

WANGXiaoyan

(Tongling Huaxing Chemical Co., Ltd., Tongling, Anhui, 244000, China)

The dynamic desulphurization method using a PID controlled high-gravity equipment is proposed to solve the problem of the high-gravity equipment’s poor dynamic adaptability in the sulphuric acid tail gas desulphurization process. The control principle is described in detail. With the simulation, the retrofitted high-gravity desulphurization equipment, under the effective PID control, can rapidly change the rotation speed of the driving motor with SO2concentration, and eventually adjust the rotation speed of the rotor with the response to the deceleration and transmission device, to remove SO2from the tail gas, and achieve the desired treatment.

sulphuric acid tail gas; high-gravity desulphurization; PID control; dynamic desulphurization; adaptability; simulation

2017-04-22。

王曉顏，女，銅陵市華興化工有限公司工程師，主要從事硫酸生產(chǎn)管理工作，電話：13385621152；E-mail：273153783@qq.com。

TQ111.16

B

1002-1507(2017)06-0047-04