湿法脱硫真空皮带机运行控制分析与改进_刘向东

湿法脱硫真空皮带机运行控制分析与改进Analysis and improvement of vacuum belt running control system of wet desulfurization

刘向东

（武汉凯迪电力环保有限公司，湖北武汉430223）

摘要：介绍了真空皮带机脱水过程的基本原理及其在石灰石—石膏湿法脱硫系统中的应用情况，分析了PID控制真空皮带机运行的原理。由于真空皮带机常规PID控制系统的滞后严重，采用模糊控制后系统的响应得到了较好的改善，实际应用结果证明了理论的正确性。

关键词：真空皮带机；PID控制；变频；模糊

Abstract：The basic principle of vacuum belt dewatering process was illustrated and its application in a wet lime-stone－gypsum FGD system was introduced．The moving principle of vacuum belt dewatering process of wet limestoregypsum flue gas desulfurization system through PID controller was analyzed．It had been successful to be deal with through fuzzy control due to a great lag between action and feedback．The practice results were in-cluded to show the effectiveness of fuzzy control for FGD system．

Key words：vacuum belt dewatering；PID control；inverter；fuzzy

中图分类号：X701．3文献标识码：B文章编号：1674－8069（2011）06－030－03

完整的石灰石—石膏湿法脱硫系统由烟气系统、吸收塔系统、石膏脱水系统、石灰石浆液制备系统和废水处理系统五个部分组成。由于石膏脱水后以干粉状态进行处置是石灰石—石膏湿法烟气脱硫装置的副产品最主要的处置方式，因此石膏脱水系统的重要性已明显提高。对真空皮带机的稳定运行、可靠性要求也越来越高，对真空皮带机的运行控制进行分析十分必要。

1石膏脱水系统概述

石膏脱水系统主要包括：水力旋流器、石膏浆液缓冲箱、真空皮带脱水机、气液分离器、真空泵、滤布冲洗泵、滤饼冲洗泵、滤液水箱、石膏仓等设备。

吸收塔内石膏浆液达到一定浓度后，由石膏排出泵排出至浆液旋流站，在旋流站内实现浆液的浓缩分离，旋流站底流自流至浆液缓冲箱，再到真空皮带机脱水，溢流进入滤液水箱。含水的石膏均匀排放到真空皮带机滤布上，依靠真空泵的吸力和重力在运转的滤布上形成石膏饼［1］，石膏中的水分沿程被逐渐抽出，脱水石膏由运转的滤布输送到皮带机尾部，在皮带通过卸料滚子时，滤布与石膏滤饼分离，石膏在重力作用下落入石膏仓中，脱除的水分则进入滤液水箱。在真空皮带机尾部，输送完石膏饼的滤布由冲洗水进行清洗，并转回到皮带机入口，开始新的脱水循环工作。为除去石膏中的可溶性成份，在脱水机的中前部设有滤饼冲洗水，不断冲洗石膏饼，使石膏品质满足要求。从脱水机吸来的空气经气液分离器被排入大气中。

2真空皮带机脱水工艺原理

石膏脱水系统采用真空皮带脱水机对浆液进行浓缩。石膏浆液由真空皮带机的给料和配料系统均匀地分布在滤布表面，形成滤饼。与真空箱相通的真空凹槽提供压差推动力，在真空压差推动力的作用下，石膏浆中的液体透过滤布进入真空槽并进一步收集，随着皮带运行，石膏滤饼中的含水率逐渐下降，最终在皮带机的落料端形成副产品———石膏。真空皮带机脱水过程实质上属于过滤过程。将需要分离的液体（或气体）混合物置于具有细微孔道过滤介质的一侧，在压差推动力作用下，流体通过过滤介质的细孔道流到介质的另一侧，流体中的固体颗粒则被截留，从而实现液体与固体颗粒的分离。

3真空皮带机运行控制及优化

在脱水系统中，每套真空皮带脱水子系统配置1个就地控制柜，控制柜上设有皮带电机手动/远程、启动/停机、增速/减速、运行/跳闸和用于检查其

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性能状况指示灯测试开关或按钮。皮带机的两侧各

设计有1个皮带跑偏、

滤布跑偏、拉索安全开关，在真空箱密封水管道和皮带润滑水管道上装设有3个

流量开关，这些开关信号均作为在DCS 系统中启动或停机的联锁条件。如果运行过程中，任何一个开关动作，并且一直保持存在着动作的状态，则控制回路设计时间延时5s 皮带机的保护回路动作，DCS 回路送出跳闸信号，停脱水皮带机。石灰石—石膏湿法脱硫系统中，真空皮带机的滤布上还装有由气动控制器实现皮带校准的装置，气动控制器利用机械式传感器以防止皮带跑偏。在带式脱水皮带的正上方装有用于测量石膏饼厚度的超声波测厚仪，将4 20mA 石膏饼厚度测量信号送入就地控制柜和DCS 系统机柜，用于实际厚度显示和控制就地控制柜PID 调节器，从而控制带式脱水机的运行速度信号，脱水机的运行速度由就地控制柜的变频器驱动，可连续调节速度，以控制石膏饼的厚度，皮带速度信号反馈到DCS 系统。速度控制器设为手动模式，可在就地由操作员来控制速度，一旦所有系统处于运行状态，操作员可在显示器上将速度控制器切换到自动模式。真空皮带机运行PID 控制如图1所示

。

图1真空皮带机运行PID 控制

在真空皮带机运行启动前应确保各设备的状态

及各开关信号的状态处于正确位置，即启动前拉索安全开关、皮带、滤布跑偏开关必须处于正常复位状态，同时变频器不能处于故障状态以及皮带润滑油/真空箱密封水流量必须高于“低”设定点，当DCS 操作员在远程模式启动皮带程序时，脱水机驱动电机将自动启动。在真空脱水皮带机控制系统中，一般的真空脱水变频控制思路是：现场操作人员可从DCS 操作站给真空皮带机变频传动控制下达石膏厚度设定值，同时超声波测厚仪向DCS 反馈实际值，这样就形成了一个自动闭环控制调节回路。在真空皮带机正常运行时，皮带脱水机速度可连续调整以

维持皮带上方石膏饼的厚度，石膏饼厚度减少，则速度降低，厚度增大则速度提高

［2］

。结果发现，系统

实际运行中存在着严重的滞后，采用常规的PID 控

制，

其效果并不理想。本文设计出了模糊控制器，使系统的稳定性得到了改进。

3．1基于常规PID 控制的真空皮带机运行

PID 控制作为传统的控制方法，由于其简单有效，

广泛应用于各种工业过程控制中，尽管现今提出了各种现代控制理论，其理论效果很完美，但却很难普遍应用于实际脱硫工程中。PID 控制是根据测量值与设定值之间的偏差经过比例、积分、微分计算来得到输出值，并将该值输出到执行器上。PID 控制的算法可以表示为：

u （t ）=K p 〔e （t ）+1T i 〕∫

t

e （t ）dt +T d de （t ）

dt 〕

式中：u （t ）为PID 算法的输出；e （t ）为输入偏差；K p 为比例系数；T i 为积分时间常数；T d 为微分时间

常数。

在计算机控制系统里，

PID 算法的实现形式主要有位置式和增量式两种。将上式离散化可得到在计算机控制系统中使用的PID 位置式算法：

u （kT ）=K p e （kT ）+K i ∑k

j =1

e （kT ）+

K d 〔e （kT ）+e （kT －T ）〕

式中：K i 为积分系数；K d 为微分系数。

将第k 个采样周期的算法输出与第k －1个采样周期输出相减，经整理后便得到：

Δu （kT ）=K p Δe （kT ）+K i e （kT ）+

K d 〔Δe （kT ）－Δe （kT －T ）〕

增量式算法与位置算法本质上无大区别，但却带来不少的优点：算式中不需要累加，控制增量Δu （k ）的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；手动/自动切换时冲击小，当控制从手动向自动切换时，可以作到无忧切换。由于厚度测量仪安装在脱水皮带的下料处，反馈严重滞后。实际运行的PID 控制只采用了比例控制，因为若加入积分和微分项，系统会变得不稳定，出现振荡发散的现象。纯比例控制系统无法消除稳态误差，只能达到临界振荡状态。此时系统若发生较大的波动变化，可能会导致失稳，不能保证收敛与调节速度都能达到满意的效果。

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3．2

基于模糊控制的真空皮带机运行

采用模糊控制算法进行真空皮带机运行控制能

较好地克服控制对象的纯滞后问题，

提高控制精度。真空皮带机运行模糊控制系统一般由模糊控制器、

输入/输出接口、真空皮带机变频器、被控对象、超声波测厚仪传感器五个部分组成，如图2所示。模糊控制器是各类自动控制系统中的核心部分。模糊控制器通过输入/输出接口从被控制对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，然后送给被控对象。

在I /O 接口装置中，除A /D 、D /A 转换外，还包括必要的电平转换电路。真空皮带机变频器主要是用来

调节真空皮带机电动机转速。真空皮带机的运行难以建立精确数学模型，

更适宜采用模糊控制。超声波测厚仪传感器是将被控对象或过程的被控量转换

为电信号的一类装置

。

图2

真空皮带机运行模糊控制

针对真空皮带机脱水的特性，选择对控制过程

中影响最大的厚度偏差e 及偏差变化率de 作为输入，构成二维模糊控制。以厚度偏差作为输入：

e =r －y 式中：r 表示参考输入石膏厚度，

y 表示系统输出实际石膏厚度。以偏差变化率作为输入：de =e t －e t －1

式中：e t 为t 时刻的输出误差，

e t －1为t －1时刻的输出误差。输出为真空皮带机的频率u ，刻划偏差e 与偏

差变化de 和输出u 的语言项有：e 或de 为｛负，

零，正｝=｛Negative ，Zero ，Positive ｝；u 为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝=｛ZB ，

ZM ，ZS ，ZO ，PS ，PM ，PB ｝。真空皮带的厚度调节为了防止系统在自动控制方式下出现振荡发散的失控现象，当厚度偏差的绝对值超过20mm 时，系统控制切换到手动调

节方式下，并发出声音报警

［3－4］

。因此厚度偏差e 的基本论域可选中［－8，8］，厚度变化率de 的基本

论域为［－2，2］。输出变量u 为真空皮带频率，其

基本论域为［15，40］。隶属函数都取三角形，解模糊采用工业控制中广泛使用的加权平均法。依据模糊控制系统特性与运行经验可以得到真

空皮带机的控制规则，

如下所示：（1）当e 为负时，若de 为负，控制量u 为正大，迅

速提高真空皮带机的运行速度；若de 为零，控制量u 为正中，提高真空皮带机的运行速度；若de 为正，控制量u 为零，真空皮带机的运行速度不变。（2）当e 为零时，若de 为负，控制量u 为正小，缓慢提高真空皮带机的运行速度；若de 为零，控制量u 为零，真空皮带机的运行速度不变；若de 为正，控制量u 为负小，缓慢降低真空皮带机的运行速度。（3）当e 为正时，若de 为负，控制量u 为零，真空皮带机的运行速度不变；若de 为零，控制量u 为负小，

缓慢降低真空皮带机的运行速度；若de 为正，控制量u 为负大，

迅速降低真空皮带机的运行速度。为了说明问题，分别对真空皮带机运行常规

PID 控制方案和模糊控制方案进行了仿真研究。在各自整定到最佳的情况下，真空皮带机采用PID 控制时，不能保证收敛与调节速度都能达到满意的效果；而采用模糊控制时，效果得到了明显改善。

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结语

石膏脱水系统是湿法脱硫系统重要的组成部

分，关系到石膏的品质、废水的排放以及脱硫综合成本的高低，

真空脱水皮带机的稳定运行是石膏脱水系统的有力保障。采用常规PID 控制时，不能保证收敛与调节速度都能达到满意的效果，实际应用系

统的调节速度缓慢，

有时出现振荡失稳。采用模糊控制时，效果得到了明显的改善，对于较大的波动都

能够较快的稳定下来，稳定性大为提高。

参考文献：

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2006，（7）：116－118．［4］刘向东．模糊PID 在湿法脱硫pH 控制中的应用［

J ］．电力环境保护，

2009，25（3）：15－18．收稿日期：2011-08-10；修回日期：2011-10-17

作者简介：刘向东（1979-），男，湖北咸宁人，工程师，主要从事电力施工管理及过程控制方面研究工作。E －mail ：lw2008－12@163．com

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