高温高压反应釜系统研制

胡学敏，王昌龙，蔡小磊，李倩雯，成 波

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

反应釜是一种过程设备，在化学、石油炼制、石油化工、能源、冶金、建材、造纸、食品、核能、生物技术以及医药卫生等工业领域有着非常重要的作用。反应釜结构多样，内部一般为高温高压，有剧烈的化学物理反应。为了满足科学研究与实际应用的需要，本文研制了一套高温高压反应釜系统。

1 高温高压反应釜工艺要求

反应釜一般伴随着各种化学反应，其内部状态对整个系统的影响非常大。本反应釜需要耐100MPa高压，能承受1 200℃高温，为其配备相应的手动控制系统与远程控制系统，对反应釜的温度、压力进行控制［1］。反应釜工艺过程如图1所示。一般分为预热、升温、恒温和冷却回收4个阶段。其中预热温度θ1根据实际情况确定，恒温阶段温度θ2是反应工艺的关键参数，对于产品质量有着重要的影响，所以提高恒温阶段的控制精度是提高产品质量的关键。

图1 反应釜工艺过程

2 电磁感应加热系统

把金属圆柱体放在通有交流电的线圈中，尽管金属圆柱不与线圈接触，线圈本身的温度也很低，但是圆柱表面却会被加热到发红，甚至熔化。这是由于电磁感应作用，在金属柱中感生与线圈电流方向相反的涡流，在涡流的焦耳热作用下，金属自身发热升温。金属圆柱中的感生电流表面最强，在径向从外到里按指数函数方式减小，这种电流不均匀分布的现象，随电流频率升高而趋显著，如图2所示。为简化电流计算，假定图2（a）中斜线所示的电流全能折合成图2（b）所示的按表面电流密度均匀分布的形式，则其电流分布带的宽度δ可表示为：

其中：ρ为金属的电阻率；ur为金属的相对导磁率；f为电流频率。

图2 圆柱体的电流分布

基于这样的理论基础，经过多次试验，我们采用额定功率为14kW的中频电源提供电源，再用紫铜管绕制所需要的线圈产生磁场，构建电磁感应加热系统。

3 过程控制系统

过程控制系统由被控对象（反应釜温度）、传感器和变送器（热电偶、传感器、仪表）、控制装置（控制器）、执行器（继电器）和控制阀（继电器）等几部分构成，如图3所示。

4 控制策略

由于反应釜内部条件复杂，具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果，而且在实际生产现场，由于受到参数整定方法复杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。在调试过程中，曾经多次出现强干扰的现象，当温度在1 200℃附近时，会突然引起很大的振荡，系统的返回数据会突然降到零。这是非常严重的问题，会引起相关控制系统的误操作，因而引起系统的振荡，无法达到控制的目的。基于这种情况，如果结合一定的人工智能做出判断，将会给程序设计与策略制定带来很大的方便，所以考虑引入积分环节，其目的主要是为了消除静差，提高控制精度。即采用一个先进的积分分离PID控制策略［3］，具体实现过程如下：①根据实际情况，人为设定阈值ε＞0；②当e（t）＞ε，采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；③当e（t）≤ε，采用PID控制，以保证系统的控制精度。

图3 过程控制系统

为控制成本，根据经验ε取值见表1。经试验证明，采用积分分离PID控制结合经验取值的控制策略，其控制品质远超过普通PID控制，特别是当系统有强干扰时，积分分离PID控制将能很好地去除干扰，得到较好的控制。图4为普通PID温度控制结果，图5为采用积分分离PID之后的控制结果。

表1 ε取值

5 中频电源与水电安装

中频电源在本系统中给电磁感应加热系统提供高频电源，其控制面板如图6所示。

图4 普通PID温度控制结果

图5 积分分离PID的控制结果

图6 中频电源控制面板

中频电源由IGBT实现调频，其功率可调，最高可达14．7kW，考虑到高温高压反应釜的危险性，设计了远程开关；为了直观地看到各种参数，中频电源带有LED显示屏，可显示电压、电流和功率；为了保证中频电源的工作条件和安全，设置有10个报警灯及蜂鸣器，只要中频电源的任何一个工作条件不符合，蜂鸣器就报警，方便了人工的监控，也增强了整个系统的安全性。由于中频电源的要求高，研发成本高，而市场上又有成熟的产品，本中频电源按照工作要求订制［5］。

中频电源需要配套水冷系统，反应釜的紫铜管也需要水冷保护，以防止紫铜烧化，整个反应釜的水电系统如图7所示。

图7 整个反应釜的水电系统

6 操作界面

高温高压反应釜配备远程上位机专门操作，可对反应釜的实时状态及期间状态进行监控与记录。运用高级语言可以编写出各种界面，但是在仪器仪表行业，在不需要很高要求的前提下，可以用LabVIEW方便地编写出简洁大方的操作界面，如图8所示。

图8 操作界面

7 结语

本课题在综合了包括压力容器、过程控制以及材料科学等相关研究的成果之上，通过长期实践探索，研制出了一套高温高压反应釜系统。在特种装备的设计中做了一些小的尝试，包括在强干扰环境中采用的先进PID控制策略和在放氧化环境中采用新的结构。这是一个多学科交织在一起的研究，对于高温高压的实践应用是一次非常有效的探索。

［1］ 夏晨，李朴．反应釜设计及其温度控制系统［J］．化工自动化及仪表，2004，31（1）：66－69．

［2］ 廖芳芳，萧建．基于BP神经网络PID参数自整定的研究［J］．系统仿真学报，2005，17（7）：1711－1713．

［3］ 刘喜梅，张茜，郭静．PID控制在反应釜温度控制中的应用［J］．微型机与应用，2010，29（20）：84－86．

［4］ 高印寒，高洪．电磁感应加热温度场建模方法的研究［J］．内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2007，36（1）：54－57．

［5］ 郑津洋，陈志平．特殊压力容器［M］．北京：化学工业出版社，1997．