高溫高壓反應(yīng)釜系統(tǒng)研制

胡學(xué)敏，王昌龍，蔡小磊，李倩雯，成 波

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

反應(yīng)釜是一種過程設(shè)備，在化學(xué)、石油煉制、石油化工、能源、冶金、建材、造紙、食品、核能、生物技術(shù)以及醫(yī)藥衛(wèi)生等工業(yè)領(lǐng)域有著非常重要的作用。反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)多樣，內(nèi)部一般為高溫高壓，有劇烈的化學(xué)物理反應(yīng)。為了滿足科學(xué)研究與實際應(yīng)用的需要，本文研制了一套高溫高壓反應(yīng)釜系統(tǒng)。

1 高溫高壓反應(yīng)釜工藝要求

反應(yīng)釜一般伴隨著各種化學(xué)反應(yīng)，其內(nèi)部狀態(tài)對整個系統(tǒng)的影響非常大。本反應(yīng)釜需要耐100MPa高壓，能承受1 200℃高溫，為其配備相應(yīng)的手動控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對反應(yīng)釜的溫度、壓力進(jìn)行控制［1］。反應(yīng)釜工藝過程如圖1所示。一般分為預(yù)熱、升溫、恒溫和冷卻回收4個階段。其中預(yù)熱溫度θ1根據(jù)實際情況確定，恒溫階段溫度θ2是反應(yīng)工藝的關(guān)鍵參數(shù)，對于產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響，所以提高恒溫階段的控制精度是提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖1 反應(yīng)釜工藝過程

2 電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)

把金屬圓柱體放在通有交流電的線圈中，盡管金屬圓柱不與線圈接觸，線圈本身的溫度也很低，但是圓柱表面卻會被加熱到發(fā)紅，甚至熔化。這是由于電磁感應(yīng)作用，在金屬柱中感生與線圈電流方向相反的渦流，在渦流的焦耳熱作用下，金屬自身發(fā)熱升溫。金屬圓柱中的感生電流表面最強(qiáng)，在徑向從外到里按指數(shù)函數(shù)方式減小，這種電流不均勻分布的現(xiàn)象，隨電流頻率升高而趨顯著，如圖2所示。為簡化電流計算，假定圖2（a）中斜線所示的電流全能折合成圖2（b）所示的按表面電流密度均勻分布的形式，則其電流分布帶的寬度δ可表示為：

其中：ρ為金屬的電阻率；ur為金屬的相對導(dǎo)磁率；f為電流頻率。

圖2 圓柱體的電流分布

基于這樣的理論基礎(chǔ)，經(jīng)過多次試驗，我們采用額定功率為14kW的中頻電源提供電源，再用紫銅管繞制所需要的線圈產(chǎn)生磁場，構(gòu)建電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)。

3 過程控制系統(tǒng)

過程控制系統(tǒng)由被控對象（反應(yīng)釜溫度）、傳感器和變送器（熱電偶、傳感器、儀表）、控制裝置（控制器）、執(zhí)行器（繼電器）和控制閥（繼電器）等幾部分構(gòu)成，如圖3所示。

4 控制策略

由于反應(yīng)釜內(nèi)部條件復(fù)雜，具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果，而且在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，由于受到參數(shù)整定方法復(fù)雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。在調(diào)試過程中，曾經(jīng)多次出現(xiàn)強(qiáng)干擾的現(xiàn)象，當(dāng)溫度在1 200℃附近時，會突然引起很大的振蕩，系統(tǒng)的返回數(shù)據(jù)會突然降到零。這是非常嚴(yán)重的問題，會引起相關(guān)控制系統(tǒng)的誤操作，因而引起系統(tǒng)的振蕩，無法達(dá)到控制的目的?；谶@種情況，如果結(jié)合一定的人工智能做出判斷，將會給程序設(shè)計與策略制定帶來很大的方便，所以考慮引入積分環(huán)節(jié)，其目的主要是為了消除靜差，提高控制精度。即采用一個先進(jìn)的積分分離PID控制策略［3］，具體實現(xiàn)過程如下：①根據(jù)實際情況，人為設(shè)定閾值ε＞0；②當(dāng)e（t）＞ε，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；③當(dāng)e（t）≤ε，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。

圖3 過程控制系統(tǒng)

為控制成本，根據(jù)經(jīng)驗ε取值見表1。經(jīng)試驗證明，采用積分分離PID控制結(jié)合經(jīng)驗取值的控制策略，其控制品質(zhì)遠(yuǎn)超過普通PID控制，特別是當(dāng)系統(tǒng)有強(qiáng)干擾時，積分分離PID控制將能很好地去除干擾，得到較好的控制。圖4為普通PID溫度控制結(jié)果，圖5為采用積分分離PID之后的控制結(jié)果。

表1 ε取值

5 中頻電源與水電安裝

中頻電源在本系統(tǒng)中給電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)提供高頻電源，其控制面板如圖6所示。

圖4 普通PID溫度控制結(jié)果

圖5 積分分離PID的控制結(jié)果

圖6 中頻電源控制面板

中頻電源由IGBT實現(xiàn)調(diào)頻，其功率可調(diào)，最高可達(dá)14．7kW，考慮到高溫高壓反應(yīng)釜的危險性，設(shè)計了遠(yuǎn)程開關(guān)；為了直觀地看到各種參數(shù)，中頻電源帶有LED顯示屏，可顯示電壓、電流和功率；為了保證中頻電源的工作條件和安全，設(shè)置有10個報警燈及蜂鳴器，只要中頻電源的任何一個工作條件不符合，蜂鳴器就報警，方便了人工的監(jiān)控，也增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的安全性。由于中頻電源的要求高，研發(fā)成本高，而市場上又有成熟的產(chǎn)品，本中頻電源按照工作要求訂制［5］。

中頻電源需要配套水冷系統(tǒng)，反應(yīng)釜的紫銅管也需要水冷保護(hù)，以防止紫銅燒化，整個反應(yīng)釜的水電系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 整個反應(yīng)釜的水電系統(tǒng)

6 操作界面

高溫高壓反應(yīng)釜配備遠(yuǎn)程上位機(jī)專門操作，可對反應(yīng)釜的實時狀態(tài)及期間狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與記錄。運(yùn)用高級語言可以編寫出各種界面，但是在儀器儀表行業(yè)，在不需要很高要求的前提下，可以用LabVIEW方便地編寫出簡潔大方的操作界面，如圖8所示。

圖8 操作界面

7 結(jié)語

本課題在綜合了包括壓力容器、過程控制以及材料科學(xué)等相關(guān)研究的成果之上，通過長期實踐探索，研制出了一套高溫高壓反應(yīng)釜系統(tǒng)。在特種裝備的設(shè)計中做了一些小的嘗試，包括在強(qiáng)干擾環(huán)境中采用的先進(jìn)PID控制策略和在放氧化環(huán)境中采用新的結(jié)構(gòu)。這是一個多學(xué)科交織在一起的研究，對于高溫高壓的實踐應(yīng)用是一次非常有效的探索。

［1］ 夏晨，李樸．反應(yīng)釜設(shè)計及其溫度控制系統(tǒng)［J］．化工自動化及儀表，2004，31（1）：66－69．

［2］ 廖芳芳，蕭建．基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID參數(shù)自整定的研究［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005，17（7）：1711－1713．

［3］ 劉喜梅，張茜，郭靜．PID控制在反應(yīng)釜溫度控制中的應(yīng)用［J］．微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（20）：84－86．

［4］ 高印寒，高洪．電磁感應(yīng)加熱溫度場建模方法的研究［J］．內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)漢文版），2007，36（1）：54－57．

［5］ 鄭津洋，陳志平．特殊壓力容器［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997．