摘要： 不銹鋼反應(yīng)釜是過程工業(yè)中至關(guān)重要的過程設(shè)備，在綜合各種研究成果與長期實踐的基礎(chǔ)上。研制了高溫高壓不銹鋼反應(yīng)釜系統(tǒng)，并對各子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

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。不銹鋼反應(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)。

高溫高壓不銹鋼反應(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1200℃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。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。

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較強，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；u_r為金屬的相對導(dǎo)磁率；f為電流頻率。

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)。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。

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)強干擾的現(xiàn)象，當(dāng)溫度在1200℃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，具體實現(xiàn)過程如下：
①根據(jù)實際情況，人為設(shè)定閾值e>0；
②當(dāng)P(f)>s，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過大的很調(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。

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)很過普通PID控制，特別是當(dāng)系統(tǒng)有強干擾時，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。

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。

中頻電源由IGBT實現(xiàn)調(diào)頻，其功率可調(diào)，較高可達(dá)14.7 kW，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。

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。

操作界面

高溫高壓反應(yīng)釜配備遠(yuǎn)程上位機專門操作，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abVIEW方便地編寫出簡潔大方的操作界面，如圖8所示。

結(jié)語

本文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。