摘要： 不銹鋼反應釜是過程工業中至關重要的過程設備，在綜合各種研究成果與長期實踐的基礎上。研制了高溫高壓不銹鋼反應釜系統，并對各子系統進行了詳細分析。

引言

反應釜是一種過程設備，在化學、石油煉制、石油化工、能源、冶金、建材、造紙、食品、核能、生物技術以及醫藥衛生等工業領域有著非常重要的作用。不銹鋼反應釜結構多樣，內部一般為高溫高壓，有劇烈的化學物理反應。為了滿足科學研究與實際應用的需要，本文研制了一套高溫高壓反應釜系統。

高溫高壓不銹鋼反應釜工藝要求

反應釜一般伴隨著各種化學反應，其內部狀態對 整個系統的影響非常大。本反應釜需要耐100MPa高壓，能承受1200℃高溫，為其配備相應的手動控制系統與遠程控制系統，對反應釜的溫度、壓力進行控 制。反應釜工藝過程如圖1所示。一般分為預熱、 升溫、恒溫和冷卻回收4個階段。其中預熱溫度θ₁根據實際情況確定，恒溫階段溫度θ2是反應工藝的關鍵參數，對于產品質量有著重要的影響，所以提高恒溫階段的控制精度是提高產品質量的關鍵。

電磁感應加熱系統

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紅，甚至熔化。這是由于電磁感應作用，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 函數方式減小，這種電流不均勻分布的現象，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為金屬的相對導磁率；f為電流頻率。

基于這樣的理論基礎，經過多次試驗，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生磁場，構建電磁感應加熱系統。過程控制系統 過程控制系統由被控對象(反應釜溫度)、傳感器和變送器(熱電偶、傳感器、儀表)、控制裝置(控制器)、 執行器(繼電器)和控制閥(繼電器)等幾部分構成，如圖3所示。

控制策略

由于反應釜內部條件復雜，具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的數學模型，應用常規PID控制器不能達到理想的控制效果，而且在實際生產現場，由于受到參數整定方法復雜的困擾，常規PID控制器參數往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性很差。在調試過程中，曾經多次出現強干擾的現象，當溫度在1200℃附近時，會突然引起很大的振蕩，系統的返回數據會突然降到零。這是非常嚴重的問題，會引起相關控制系統的誤操作，因而引起系統的振蕩，無法達到控制的目的?；谶@種情況，如果結合一定的人工智能做出判斷，將會給程序設計與策略制定帶來很大的方便，所以考慮引入積分環節，其目的主要是為了 消除靜差，提高控制精度。即采用一個先進的積分分離PID控制策略，具體實現過程如下：
①根據實際情況，人為設定閾值e>0；
②當P(f)>s，采用PD控制，可避免產生過大的很調，又使系統有較快的響應；
③當e(t)≤ε，采用PID控制，以保證系統的控制精度。

為控制成本，根據經驗ε取值見表1。

 

經試驗證明，采用積分分離PID控制結合經驗取值的控制策略，其控制品質遠很過普通PID控制，特別是當系統有強干擾時，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溫度控制結果，圖5為采用積分分離PID之后的控制結果。

中頻電源與水電安裝

中頻電源在本系統中給電磁感應加熱系統提供高頻電源，其控制面板如圖6所示。

中頻電源由IGBT實現調頻，其功率可調，較高可達14.7 kW，考慮到高溫高壓反應釜的危險性，設計了遠程開關；為了直觀地看到各種參數，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，方便了人工的監控，也增強了整個系統的安全性。由于中頻電源的要求高，研發成本高，而市場上又有成熟的產品，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，反應釜的紫銅管也需要水冷保護，以防止紫銅燒化，整個反應釜的水電系統如圖7所示。

操作界面

高溫高壓反應釜配備遠程上位機專門操作，可對反應釜的實時狀態及期間狀態進行監控與記錄。運用高級語言可以編寫出各種界面，但是在儀器儀表行業， 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。

結語

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