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備動態(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)

針對硫酸生產尾氣采用超重力脫硫系統(tǒng)進行脫硫存在動態(tài)適應性不強的問題，提出一種基于PID控制的超重力脫硫設備的動態(tài)脫硫方法，并詳細說明了其控制原理。經過仿真，改進后的超重力脫硫設備在PID控制器的有效作用下能夠依據SO2的濃度變化及時調整驅動電機的旋轉速度，在減速及傳動裝置的作用下最終有效調節(jié)旋轉轉子的旋轉速度，進而脫除尾氣中SO2，達到預期的處理效果。

硫酸尾氣 超重力脫硫 PID控制 動態(tài)脫硫 適應性 仿真

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

華興化工硫酸生產采用的是二轉二吸工藝，主要流程為：沸騰焙燒—干法除塵—酸洗凈化—轉化干吸制酸。通過采用DCS自動控制系統(tǒng)，對連續(xù)運轉和重要的設備安裝有雙工作線，并能實現(xiàn)人工操作和電子操作雙向自動切換。硫利用率和生產可靠性高，操作靈活，能在80%～110%的額定負荷下運行，單套裝置的最大年產量可達240 kt。3套硫酸裝置的尾氣均經過超重力反應器處理，達到國家標準后經直徑為1.6 m、高70 m的排氣筒排放。根據銅陵市環(huán)境保護重點監(jiān)測點的要求，SO2氣體排放使用了24 h連續(xù)動態(tài)監(jiān)測設施，其檢測數(shù)據直接接入當?shù)丨h(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)，并在廠區(qū)大門設置了公示裝置，公示污染物實時監(jiān)測數(shù)據，確保當?shù)氐沫h(huán)境友好。

1 超重力脫硫

尾氣脫硫是硫酸生產的一個重要環(huán)節(jié)，直接影響著尾氣的達標排放。脫硫方法有很多種，各有優(yōu)缺點，在眾多脫硫方法中，超重力脫硫技術較為先進且脫硫效果好。

超重力是在比地球重力加速度(9.8 m/s2)大得多的環(huán)境下物質所受到的力。研究超重力環(huán)境下的物理和化學變化過程的科學稱為超重力科學，利用超重力科學原理而創(chuàng)制的應用技術稱為超重力技術[1]。在地球上，實現(xiàn)超重力環(huán)境的簡便方法是通過旋轉產生離心力而模擬實現(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，當含塵氣體通過高速旋轉、充滿著極薄液膜和液滴的填料層中的空隙時，粉塵的慣性沉降力增強，粉塵與液體、填料都形成了急速的碰撞接觸，令分離過程得到實現(xiàn)。超重力脫硫裝置具有設備簡單、副產品可二次利用、占地面積小的特點，但它的動態(tài)適應性不夠，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，其生產負荷在80%～110%之間波動，這直接造成了進入超重力裝置的總氣量發(fā)生變化。比如，在100%負荷情況下進氣量為78 000 m3/h，110%為最大負荷狀態(tài)時進氣量為85 800 m3/h，80%為最小負荷狀態(tài)時進氣量為62 400 m3/h，最大負荷與最小負荷兩種狀態(tài)之間的進氣量差距達到了23 400 m3/h。超重力脫硫設備的缺陷就在于不能夠根據實時變化的進氣量的大小實時調節(jié)設備運行的相關參數(shù)，以實現(xiàn)超重力脫硫設備的運行狀態(tài)和進氣量的動態(tài)適應。

2)硫酸生產過程受到許多因素的影響，尾氣中SO2的含量也會以無規(guī)律的狀態(tài)進行變化，這些影響因素主要分為三大類，分別是原料、生產工藝及生產環(huán)境。原料影響主要指硫酸生產原料中硫元素含量的高低以及原料中其他相關的能夠影響尾氣中SO2含量的雜質；生產工藝影響主要指生產過程中溫度、濕度等直接影響化學反應的因素；環(huán)境影響主要指由于生產裝置密閉性不夠，外部的風量、風向、氣壓都會影響尾氣SO2的濃度。在各類因素的綜合作用下，最終造成進入超重力脫硫設備的氣體中SO2濃度的差異，從而影響脫硫效果，嚴重時甚至可能造成排放尾氣不達標。通過查閱該公司2015年12月的硫酸三系統(tǒng)生產報表，并對其數(shù)據進行匯總后，得到原料含硫量、轉化率及二吸塔尾氣SO2濃度的對照如表1所示。

由以上數(shù)據可以看出，SO2濃度是一個變化的數(shù)值，這些數(shù)據呈現(xiàn)不規(guī)律性，且受到生產負荷的影響。為此，必須考慮超重力脫硫設備對待處理氣體SO2濃度動態(tài)變化的適應能力，即提高超重力脫硫設備系統(tǒng)的脫硫能力，讓其能夠根據動態(tài)的SO2濃度實現(xiàn)動態(tài)的脫硫能力，保持SO2吸收量的最大化，進而保持總排放量的穩(wěn)定，實現(xiàn)更大范圍的可調節(jié)性。目前使用狀態(tài)中的超重力脫硫設備不具備依據氣體中的SO2含量的變化實現(xiàn)動態(tài)脫硫能力的調節(jié)。

表1 原料含硫量、轉化率及SO2濃度的對照

2 基于PID控制的超重力脫硫設備動態(tài)脫硫方法的研究

目前使用的超重力脫硫設備主要是通過電機旋轉帶動超重力脫硫設備軸的旋轉，通過離心作用達到脫除SO2的目的。該超重力脫硫設備轉子的額定轉速為2 000 r/min，無論設備進氣中SO2的濃度發(fā)生怎樣的變化，該裝置的轉子始終以該轉速運行，當進氣中SO2濃度較高時，很容易造成SO2吸收不完全，最終導致排放不達標情況的發(fā)生。根據以上對影響尾氣中SO2含量的因素以及對現(xiàn)有運行中超重力脫硫設備缺陷的分析，提出一種基于PID控制的超重力脫硫設備的動態(tài)脫硫方法。這種方法的核心思想就是建立一個動態(tài)調節(jié)系統(tǒng)，在PID控制器的作用下，通過進氣SO2濃度變化實時調整超重力脫硫設備驅動電機運行轉速的變化，從而對超重力脫硫設備轉子的旋轉轉速進行調整，達到對進氣中的SO2實現(xiàn)動態(tài)的處理效果。該方法能夠實現(xiàn)超重力脫硫設備根據SO2的含量變化不斷調整脫硫效果，并且脫硫之后的檢測數(shù)據能夠及時反饋給控制器，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據反饋，不斷調整脫硫裝置的運行轉速，從而始終高效保證排放尾氣的達標。

電機轉速與頻率公式為：

n=60f/p

(1)

式中：n——電機的轉速，r/min;f——電源頻率,Hz;p——電機旋轉磁場的極對數(shù)。

當電機制造成型后，極對數(shù)就不變，在工程實際中，改變電機轉速可以通過改變電機的頻率來實現(xiàn)。我國電壓標準工頻為50 Hz，用變頻器改變頻率從而改變電機的旋轉速度，在超重力設備的應用中，這樣就可以改變超重力脫硫設備轉子的轉速。

基于PID控制的超重力脫硫設備的動態(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備的動態(tài)脫硫

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

圖2 三大部分的連接關系

超重力脫硫設備是整個系統(tǒng)脫硫的核心部件。檢測模塊主要用以檢測氣體中SO2濃度的大小，在整套脫硫系統(tǒng)裝置的結構及位置分布上，存在兩套SO2檢測裝置，這兩套檢測裝置分別設置在超重力脫硫設備的控制模塊的前端以及超重力脫硫設備的尾氣排放口尾端。前端的檢測裝置用以檢測進氣中的SO2含量數(shù)值，為超重力脫硫設備的控制模塊提供分析和計算的數(shù)據；尾端的檢測裝置用以檢測出氣中的SO2含量數(shù)值，并將檢測到的數(shù)值實時反饋給控制模塊，不斷調節(jié)控制器的控制參數(shù)，從而對超重力脫硫設備實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)。

控制模塊的主要組成部件有PID控制器、電機調速驅動裝置等。主要功能是依據檢測模塊檢測到的SO2的濃度數(shù)值對超重力脫硫設備的驅動電機的轉速進行動態(tài)運行控制，通過驅動電機轉速的變化帶動超重力脫硫設備轉子旋轉轉速的變化，從而達到動態(tài)的脫硫效果。

3 PID控制器的設計

根據前文所述，超重力脫硫裝置的缺陷和不足中存在進氣量變化因素以及SO2含量變化因素，因進氣量變化最直接的體現(xiàn)也就是進氣量中SO2含量的變化，因此將進氣量變化因素和SO2濃度變化因素統(tǒng)一按一個因素來考慮，即SO2濃度變化因素。將檢測模塊檢測到的SO2的濃度作為控制器的輸入量，將超重力脫硫裝置驅動電機的轉速設為控制器的輸出，設計出的PID控制器的結構如圖3所示。

圖3 超重力裝置的PID控制器結構

該系統(tǒng)由一個標準的PID控制器和一個PID參數(shù)調節(jié)器組成。PID控制器的閉環(huán)誤差e(t)=R(t)-Y(t)產生控制信號，參數(shù)調節(jié)器調節(jié)PID控制器的參數(shù)[1]。

(2)

式中：Kp——比例系數(shù)；Ti——積分時間常數(shù)；Td——微分時間常數(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)設計的重要內容，它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。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)，都需要在實際運行中進行最后調整與完善?，F(xiàn)在應用較多的是臨界比例法，利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：①首先預選擇一個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)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；③在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

如果反饋達到給定值后，歷經多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不能穩(wěn)定，則可能比例增益過大，積分時間過短，調整時應當首先減小比例增益，然后增大積分時間。如果增大積分時間后，反應過于遲緩，則不宜再增大積分時間，而應繼續(xù)調整比例增益，同時可以適當增大微分時間。

本文采用的是更實用的試湊法。按照先比例、再積分、最后微分的順序進行試湊。設置積分時間Ti為無窮大，微分時間Td為0，在比例系數(shù)Kp按經驗設置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運行，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(此時應將上述比例系數(shù)設置為5/6Kp)。將Ti由大到小進行整定。然后將Td按經驗值或按Td=(1/3～1/4)設置，并由小到大進行設置。

4 仿真分析

該單位實際硫酸生產尾氣處理系統(tǒng)中，目前超重力脫硫裝置轉子的轉速固定為2 000 r/min,ρ(SO2)在200 mg/m3基準線上下波動。根據此實際生產情況，現(xiàn)對PID控制器的實時調控能力進行仿真。對SO2的濃度分別設定2種不同的隨機變化的情況(如圖4和圖5所示)，在控制器的作用下，測試系統(tǒng)對SO2的濃度變化情況的動態(tài)調節(jié)能力。

(a) 測試系統(tǒng)對SO2的濃度變化曲線 (b)脫硫裝置轉子轉速變化曲線

(a)測試系統(tǒng)對SO2的濃度變化曲線 (b)脫硫裝置轉子轉速變化曲線

從圖4和圖5這兩組不同的響應曲線可以看出：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時調節(jié)超重力脫硫設備驅動電機的轉速，使脫硫裝置轉子轉速能夠在一定范圍內隨SO2濃度的動態(tài)變化而變化，動態(tài)響應過程平滑柔和，響應速度及時高效。在超重力脫硫設備驅動電機的轉速實時調整的情況下，超重力脫硫設備旋轉轉子對應產生實時動態(tài)變化的旋轉，既能高效脫除尾氣中SO2，保證排放尾氣的達標，又能有效的節(jié)約電能，降低整套設備的損耗。

5 結論

針對超重力脫硫設備的缺陷進行了基于PID控制的超重力脫硫設備的動態(tài)脫硫方法的研究，通過設計的PID控制器實時調整設備在SO2濃度發(fā)生變化的情況下的動態(tài)響應能力，即系統(tǒng)的有效的脫硫能力。通過仿真，改進后的超重力脫硫設備在PID控制器的有效作用下能夠依據SO2的濃度變化及時調整驅動電機的旋轉速度，在減速及傳動裝置的作用下最終有效調節(jié)旋轉轉子的旋轉速度，進而脫除尾氣中SO2，做到排放達標。

[1] 劉金琨. 先進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，主要從事硫酸生產管理工作，電話：13385621152；E-mail：273153783@qq.com。

TQ111.16

B

1002-1507(2017)06-0047-04