基于PC的加氢反应器材料步冷试验控制系统

2013-08-26于占威

机械与电子 2013年10期

于占威，孙杰

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001）

0 引言

在石油化学和石油炼制工业中，加氢装置的加氢反应器是关键设备，由于它在高温、高压、临氢条件下操作，因而其材料的选用均按目前世界上通用的纳尔森曲线运行选取，均采用Cr-Mo钢，而2.25Cr-1Mo钢由于在该工艺条件下有较好的综合性能，而被广泛采用。但其在375～575℃长时间使用过程中会产生回火脆化［1］。为了评定2.25Cr-1Mo钢的回火脆化程度，在脆化温度范围内进行长时间的等温回火脆化是一种传统的方法，但一般至少几千小时，甚至几万小时，在工程上不是一种理想的方法，而步冷试验方法是一种加速回火脆化试验方法，这种方法全部过程为300h左右，就能达到材料回火脆化的效果，具有快速的优点，因而在工程上得到广泛应用。

步冷试验方法是一种在短时间内进行快速回火脆化的方法，又称为阶梯冷却法［2］。步冷试验是在步冷试验装置系统内完成的，步冷试验的结果与步冷试验装置的精度有很大关系。基于以往步冷试验控制系统控制能力、控制精度较低的情况，这里提出一种智能控制系统，利用PC机、智能温度控制仪和电阻加热炉等组建了一个步冷试验控制系统。

1 系统总体方案设计

1.1 系统原理及组成

系统的控制对象为2台电阻炉，控温范围为0～1200℃，利用现代微机控制技术和接口技术，并采用了目前比较流行的DCS（分散控制系统）开发，具有升级、扩充容易等优点。系统结构如图1所示。系统采用热电偶作为温度传感器，整个系统上层由PC机控制，下层由智能仪表控制，智能仪表通过温度传感器采集温度信息，通过控制固态继电器的导通角实现对电阻炉的温度控制；智能仪表通过RS485串口实现与上位PC机的通信，接收并执行上位PC机的命令。

图1 系统结构

1.2 系统各个部分的结构设计及选型

1.2.1 被控对象的设计

系统的被控对象为电阻加热炉，结合步冷试验的要求需要专门设计一种电阻加热炉，来完成试验。由于箱式电阻炉的使用范围广，不同温度下可采用不同的电热元件，且制品的烧成范围也比较广，适用于的烧成范围也比较广，可根据具体要求定做不同的规格，所以这里选用箱式电阻炉。

综合考虑箱式电炉等温度场的分布及温度的均匀性，这里所设计的箱式电炉的炉膛主体结构［3-4］主要包括炉膛底板、炉膛后板、炉膛侧板、炉口板及炉门组成的封闭工作空间。其中，内腔两侧各布置几根硅碳棒作为发热元件，炉膛底板放置有承烧板。承烧板即为有效工作空间，工件置于其上进行热处理。硅碳棒加热元件的连接方式采用热处理设备通用的星型方式。

1.2.2 测量元件的选择

温度传感器既可分为接触式和非接触式，也可分为电器式和非电器式。为了实现热处理自动控制，热处理测温优先选用能自动检测并能发出电信号的温度传感器。

结合试验的要求，这里应采用热电偶传感器［5］。热电偶是应用最广的接触式温度传感器，它由2根不同成分的均匀金属丝组成。它们一端焊接在一起，称测量端（热端）；另一端分别接到测量仪表电路上，称参比端（冷端）。测量端随温度变化产生不同的热电势，以mV信号输出，其值正比于测量端与参比端的温差。mV值与电偶丝的材料有关，与丝的直径和长度无关。综合考虑试验的要求，选用WRN-130K型K热电偶［6］，能够将采集的模拟信号直接转换为数字信号传送给仪表仪器。

1.2.3 温度显示与调节仪表

温度显示与调节仪表根据输出形式，可以分成数字量和模拟量2种方式。结合实际工厂和实验室中的情况，应选用智能温度调节仪［7］。智能温度调节仪采用具有运算能力的微处理机为核心，能够实现各种控制算法，因此具有一定的判断能力。特别适合于流量调节、阀门开度调节、开关控制和温度控制等，既可以与工控软件配合使用，也可以在上位机进行简单编程控制。综合考虑试验选用日本理化RKC的温控仪，该产品能够选用多种算法来控制电阻炉的温度，带有RS485串口通信，能够和上位机实现通信，并且能够独立完成对电阻炉的控制，完成步冷试验［8］。这里选用RKC-CB100带有和上位机通信的产品。

1.2.4 执行机构的选择

系统的研究对象是电阻炉，通过控制加热元件（硅碳棒）的通断来实现温度的控制。执行机构采用三相交流固态继电器［9］，取代了以往的接触器。主要原因是，接触器控制精度较低，一般在±5%之间，而且噪音大、耗能高，对电网有干扰。然而固态继电器不仅噪音低、耗能少，而且对电网没有干扰。考虑试验电阻炉采用硅碳棒为加热元件，为了使控制性能优越，硅碳棒采用星型连接的方法。因此固态继电器选用三相交流固态继电器。固态继电器种类繁多，考虑性价比，这里采用了美格尔三相固态继电器MGR-30323840Z，直流控交流40A。

1.3 温度控制及原理

系统的温度由上位PC机、智能仪表和电阻炉共同控制。上位PC机根据用户设置的步冷试验温度曲线与智能仪表通信，控制智能仪表的预设温度SV值，智能仪表采集热电偶温度信号，并将其与预设温度SV信号比较，得出偏差，采用智能仪表内部自带的控制算法，对此偏差进行修正，求得对应的控制量，控制固态继电器的输出，从而控制控制柜的控制电路，使电炉丝导通或关断，实现对电阻炉温度的控制。其控制过程如图2所示。

图2 温度控制过程

2 系统的软件设计

根据要求，步冷试验控制系统需要实现：一是通过智能仪表对温度进行采集和控制；二是对采集的温度数据进行记录、处理、管理和分析。因此，系统的需求可以从以上2个方面来分析考虑。系统在C++Builder6.0平台下开发实现，具有算法可扩展性、温度可视化、用户界面友好、控制方案视工艺要求灵活组合等优点［10］。提出了多温度连续可调的计算机控制方法，以满足复杂步冷试验工艺要求，具体功能如图3所示。

图3 步冷试验控制系统软件功能

为了达到工艺要求的目的，电阻炉温度控制时结合多种控制算法，如P、PI、PID、模糊控制算法和智能控制算法等，这些算法均做成模块，视工艺要求采用相应的算法，以获得好的控制效果。试验控制系统采用RKC智能仪表进行控制，仪表内部已经包含有自己的控制算法，因此，可以采用智能仪表本身的算法对电阻炉进行控制，同时还可以对仪表的算法参数进行修改设置，以此达到试验的控制要求。

3 实用效果

步冷试验是一种非常重要的工艺环节，对加氢反应器装置的设计具有重要意义。计算机监控系统在试验过程中的使用，不仅提高了自动化及监控水平，也提高了设备运行的可靠性，同时降低了劳动强度，明显地提高了实用效益。

根据步冷试验的实际情况，采用这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足了试验的实际需要、系统运行平稳、各项指标符合设计要求。从上位计算机监控系统的使用效果来看，系统不仅降低劳动强度，提高设备运行效率，同时提高了电阻炉的控温精度，极大地改善了步冷试验控温现场的情况，提升了步冷技术、管理的自动化程度。