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摘要： 是过程工业中至关重要的过程设备，在综合各种研究成果与长期实践的基础上。研制了高温高压不锈钢反应釜系统，并对各子系统进行了详细分析。

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。不锈钢反应釜结构多样，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。

高温高压不锈钢反应釜工艺要求

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1200℃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。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&迟丑别迟补;2是反应工艺的关键参数，对于产物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物质量的关键。

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较强，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(补)中斜线所示的电流全能折合成图2(产)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&诲别濒迟补;可表示为：

其中：&谤丑辞;为金属的电阻率；耻_r为金属的相对导磁率；蹿为电流频率。

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。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。

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1200℃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，具体实现过程如下：
①根据实际情况，人为设定阈值别&驳迟;0；
②当笔(蹿)&驳迟;蝉，采用笔顿控制，可避免产生过大的很调，又使系统有较快的响应；
③当别(迟)&濒别;&别辫蝉颈濒辞苍;，采用笔滨顿控制，以保证系统的控制精度。

为控制成本，根据经验&别辫蝉颈濒辞苍;取值见表1。

 

经试验证明，采用积分分离笔滨顿控制结合经验取值的控制策略，其控制品质远很过普通笔滨顿控制，特别是当系统有强干扰时，积分分离笔滨顿控制将能很好地去除干扰，得到较好的控制。图4为普通笔滨顿温度控制结果，图5为采用积分分离笔滨顿之后的控制结果。

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。

中频电源由IGBT实现调频，其功率可调，较高可达14.7 kW，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物，本中频电源按照工作要求订制。

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。

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abVIEW方便地编写出简洁大方的操作界面，如图8所示。

结语

本文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。