固定床加氫裂化反應(yīng)器溫度分段控制系統(tǒng)分析與優(yōu)化

摘 要：通過(guò)對(duì)加氫裂化反應(yīng)熱效應(yīng)、反應(yīng)器內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行分析，明確對(duì)象特性和控制目標(biāo)。隨后采用比較的方法，探討兩種不同控制算法的響應(yīng)特性，提出了固定床加氫裂化反應(yīng)器溫度分段控制系統(tǒng)的優(yōu)化措施和工程化方案。

關(guān)鍵詞：加氫裂化反應(yīng)器;最優(yōu)溫度分布曲線 起點(diǎn)分段溫控策略;微分先行PI-D算法;工程化

0 概述

二十一世紀(jì)以來(lái)，煉廠加工的原料越來(lái)越重，含硫量越來(lái)越多，而社會(huì)對(duì)清潔燃料的要求不斷升級(jí)，對(duì)石化裂解原料的需求日趨旺盛。這推動(dòng)了加氫裂化裝置更加普遍的應(yīng)用于各類煉油工藝中。其核心反應(yīng)器內(nèi)高溫高壓臨氫，反應(yīng)復(fù)雜迅速多變。如何既保證反應(yīng)器的運(yùn)行安全，又得到滿意的產(chǎn)品，溫度控制至關(guān)重要。下面采取分析的方法，從熱效應(yīng)出發(fā)，深入反應(yīng)過(guò)程、了解工藝特性、明確控制目標(biāo)，并比較不同控制算法，提出反應(yīng)器溫控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 加氫裂化反應(yīng)的熱效應(yīng)

本文討論的加氫裂化反應(yīng)器是指裝填有雙功能加氫裂化催化劑的固定床反應(yīng)器。在催化劑床層上同時(shí)進(jìn)行加氫處理（精制，HT）反應(yīng)和加氫裂化（HC）兩大類反應(yīng)。典型工況--操作壓力：8.0-18.0MPa（g），設(shè)計(jì)壓力<21.0MPa（g），操作溫度340-440℃，設(shè)計(jì)溫度<500℃。主要反應(yīng)詳見表1。

表1中，序號(hào)1-6都屬于加氫處理HT反應(yīng)，總體熱效應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)。序號(hào)7，8屬于加氫裂化HC反應(yīng)，總體熱效應(yīng)為吸熱反應(yīng)，但吸熱量遠(yuǎn)低于HT反應(yīng)的放熱量。在加氫裂化過(guò)程中，HT+HC反應(yīng)統(tǒng)稱為加氫裂化反應(yīng)。故整體上，加氫裂化反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)。反應(yīng)熱在過(guò)程參數(shù)上表征為溫度。人們通過(guò)控制溫度，調(diào)節(jié)熱量，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制反應(yīng)速率和方向的目的，即本文討論的主要內(nèi)容。

根據(jù)上表，從反應(yīng)的可逆性和熱效應(yīng)來(lái)看，加氫裂化反應(yīng)可分為：

①不可逆放熱反應(yīng);

②可逆放熱反應(yīng);

③可逆吸熱反應(yīng)。

這三類反應(yīng)在反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。現(xiàn)逐一考察溫度對(duì)這三類反應(yīng)的影響。

1.1 溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響

根據(jù)阿累尼烏斯方程：

（1）

式中：

K-反應(yīng)速率常數(shù);

K0-前置指數(shù)因子（一定范圍內(nèi)視為常數(shù)）;

E-反應(yīng)活化能;

R-理想氣體常數(shù);

T-反應(yīng)的熱力學(xué)溫度（絕對(duì)溫度）。

當(dāng)反應(yīng)機(jī)理在某一溫度范圍內(nèi)不變時(shí)，方程兩端取對(duì)數(shù)：

（2）

對(duì)所有反應(yīng)，隨著溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大，反應(yīng)速率加快。催化劑的加入使得活化能降低，同一溫度下的反應(yīng)速率提高。隨著反應(yīng)進(jìn)行，催化劑逐漸失活，E2>E1 為了維持一定的反應(yīng)速率，需要同步增加反應(yīng)溫度來(lái)補(bǔ)償，即T2>T1。

對(duì)于不可逆反應(yīng)，則溫度升高，將加快反應(yīng)速率，有利于反應(yīng)進(jìn)行。

對(duì)于可逆反應(yīng)，溫度升高，正、逆反應(yīng)速率都增大。反應(yīng)方向還受到平衡常數(shù)的制約。

1.2 溫度對(duì)反應(yīng)平衡的影響

根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，當(dāng)改變平衡體系的外界條件時(shí)，平衡向著削弱這一改變的方向移動(dòng)。

對(duì)于可逆吸熱反應(yīng)，升高溫度時(shí)，平衡向吸熱方向移動(dòng);即升高溫度促進(jìn)可逆吸熱反應(yīng)進(jìn)行。

對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，升高溫度能夠同時(shí)提高正、逆反應(yīng)速率。但正反應(yīng)速率r+增加的速度小于逆反應(yīng)速率r-增加的速度，平衡向著吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)。若溫度一直升高，則最終出現(xiàn)r+

1.3 溫度對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

整個(gè)反應(yīng)階段氫氣都是過(guò)量的，用以進(jìn)行化學(xué)計(jì)量的是餾分油組分，本文中也稱之為反應(yīng)物A。餾分油組分的轉(zhuǎn)化率xA定義為反應(yīng)物A經(jīng)反應(yīng)消耗的摩爾數(shù)-ΔnA與其起始摩爾數(shù)nA0之比：

（3）

式中：

nA為反應(yīng)物A反應(yīng)后的摩爾數(shù)，0≤xA<1。

餾分油組分的轉(zhuǎn)化率xA也是反應(yīng)溫度T的函數(shù)。根據(jù)反應(yīng)速率式（2）和反應(yīng)平衡原理分析，溫度變化對(duì)三類反應(yīng)的影響如表2。

可逆反應(yīng)的xA-T曲線圖如圖4，圖5。

圖中，每條曲線上各點(diǎn)的反應(yīng)速率都相同，不同曲線的速率不同。對(duì)于可逆放熱反應(yīng)而言，T↑，正反應(yīng)的平衡常數(shù)↓，轉(zhuǎn)化率xA先升后降。連接每一條等速率曲線的極點(diǎn)（此點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度為TOP，轉(zhuǎn)化率最高），即得到最優(yōu)操作溫度線。

由于加氫裂化反應(yīng)整體熱效應(yīng)為放熱，故人們期望反應(yīng)過(guò)程溫度分布基本遵循上圖4的最優(yōu)操作溫度曲線走勢(shì)。

2 加氫裂化反應(yīng)器內(nèi)溫度分布

2.1 理想溫度分布

投運(yùn)后，氣液兩相反應(yīng)物從反應(yīng)器頂部入口合并向下流動(dòng)，穿過(guò)催化劑床層，直至底部出口;邊流動(dòng)，邊反應(yīng)。溫度沿床層軸向遞增，逐段分布說(shuō)明如下：

2.1.1 反應(yīng)器頂部封頭

此處不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，該段溫度即入口溫度，也是反應(yīng)器溫度的基點(diǎn)。

2.1.2 第一床層

當(dāng)反應(yīng)物料接觸第一床層表面催化劑時(shí)，反應(yīng)開始。隨著床層不斷加深，反應(yīng)物料與催化劑接觸面積逐漸增大，越來(lái)越多的反應(yīng)物加入反應(yīng)，放出大量的熱，加之與外界絕熱，溫度迅速提高，反過(guò)來(lái)又促進(jìn)反應(yīng)速率加快，轉(zhuǎn)化率提高。如圖4所示，理想操作下，在第一床層出口，溫度達(dá)到或趨近本階段反應(yīng)速率對(duì)應(yīng)的最優(yōu)操作溫度Top，轉(zhuǎn)化率達(dá)到頂點(diǎn)。

2.1.3 第一床層出口冷氫段

在第一床層出口，若無(wú)減溫措施，隨著反應(yīng)物的連續(xù)注入，溫度將繼續(xù)升高，轉(zhuǎn)化率反而下降。同時(shí)，超溫將致使催化劑出現(xiàn)結(jié)焦、燒結(jié)等工況，導(dǎo)致熱量局部累積，產(chǎn)生熱點(diǎn)。為防止飛溫，特在第一、二床層之間設(shè)置冷氫段。一為反應(yīng)物暫時(shí)脫離劇烈反應(yīng)（不含催化劑，設(shè)置內(nèi)部遲滯反應(yīng)慣性的瓷球），二為冷氫的注入、混合提供空間。冷氫的注入能實(shí)現(xiàn)3個(gè)效果：

①冷氫溫度僅為60-90℃，起到移去反應(yīng)熱，直接降溫的作用;理想操作下，冷氫段出口的反應(yīng)流出物溫度下降至接近反應(yīng)器入口水平;

②將反應(yīng)物料分散均勻。加氫裂化反應(yīng)器屬于活塞流反應(yīng)器，內(nèi)部連續(xù)流動(dòng)的物料需要混合均勻。為此，反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置有混合、分散、均布物料的結(jié)構(gòu)，如入口擴(kuò)散器、分布盤、冷氫箱、出口收集器等。冷氫注入至冷氫箱，與反應(yīng)物料混合均勻。這里，流體分布均勻程度是通過(guò)反應(yīng)器徑向溫度分布來(lái)評(píng)價(jià)的。即反應(yīng)器徑向同一橫截面內(nèi)各點(diǎn)的溫差越?。ɡ硐霚夭羁刂圃?℃以下），流體分布均勻性越好;

③降低反應(yīng)物A--餾分油組分的濃度。相比反應(yīng)器入口，經(jīng)過(guò)反應(yīng)，第一床層出口的餾分油組分已有所消耗。再通入冷氫，相同體積內(nèi)餾分油組分的濃度將進(jìn)一步下降。

2.1.4 第二床層

劇烈反應(yīng)在此重新開始。相較第一床層入口，此處反應(yīng)物A的溫度近似，但濃度明顯下降。根據(jù)有效碰撞理論，其他條件不變時(shí)，反應(yīng)物濃度下降，反應(yīng)速率降低。如圖4所示，第二床層的xA-T曲線將向右下方平移。

2.1.5 其他冷氫段和床層

其他床層直至反應(yīng)器出口，軸向溫度將如上所述，周而復(fù)始，循環(huán)變化。其中，每個(gè)冷氫段的出口溫度都接近反應(yīng)器入口溫度;由于反應(yīng)物A濃度不斷下降，反應(yīng)速率逐段遞減，下一床層的出口溫度較上一床層出口均有所增加。典型工況下，床層之間溫升控制在5-10℃，反應(yīng)器整體溫升控制在20-30℃。

綜上，得到加氫裂化反應(yīng)器理想溫度分布圖如下

（1）實(shí)線代表理想軸向溫度分布;（2）虛線代表最優(yōu)軸向溫度分布

3 控制策略

為實(shí)現(xiàn)上圖中理想溫度分布曲線，需要設(shè)置溫度控制系統(tǒng)，來(lái)抑制各種干擾影響。對(duì)于絕熱反應(yīng)器的每一段床層而言：

本段床層出口熱量=本段床層入口熱量+本段反應(yīng)生成熱-反應(yīng)器外壁散熱

本段床層入口熱量表征為反應(yīng)入口溫度;

反應(yīng)生成熱取決于反應(yīng)機(jī)理、催化劑、反應(yīng)溫度、壓力和反應(yīng)物濃度。反應(yīng)機(jī)理無(wú)法調(diào)整，恒壓反應(yīng)器的壓力波動(dòng)較小。干擾主要來(lái)自于反應(yīng)物料入口溫度、催化劑失活程度、冷氫注入量等。故根據(jù)第2節(jié)分析，反應(yīng)生成熱的外部可控因素為反應(yīng)入口溫度和冷氫注入量。

反應(yīng)器外壁散熱取決于外壁表面積和保溫材料的效率。除外敷保溫材料外，不可控。

本段床層入口熱量=上游反應(yīng)物料所攜熱量-床層入口冷氫移去的熱量

綜上，可以認(rèn)為，控制住床層入口溫度，就控制住床層出口熱量。故選取每一床層入口溫度為被控變量。當(dāng)上游物料無(wú)冷氫注入時(shí)，調(diào)節(jié)上游熱負(fù)荷，選取熱負(fù)荷的可控變量為被控變量，如燃料氣流量;當(dāng)上游物料有冷氫注入時(shí)，選取上游冷氫流量為被控變量。

反應(yīng)器整體控制策略為通過(guò)分別控制每個(gè)反應(yīng)段的入口溫度，來(lái)逐段控制床層溫升和反應(yīng)器總溫升。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，對(duì)于采用單段串聯(lián)流程和分子篩型裂化劑的HC反應(yīng)過(guò)程，在一定范圍內(nèi)，床層入口溫度每增加1℃，其出口溫度相應(yīng)提升約3℃。故，本文簡(jiǎn)稱該策略為“起點(diǎn)分段溫控策略”。

3.1 測(cè)溫點(diǎn)的選擇

對(duì)于第一床層入口溫度，即反應(yīng)器入口溫度，測(cè)溫點(diǎn)選在入口管線上。根據(jù)《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T3005-2016，參與關(guān)鍵控制的單測(cè)溫點(diǎn)，推薦選用雙支熱電偶，以防止單支熱電偶測(cè)量誤差或斷偶。兩支熱電偶元件的信號(hào)經(jīng)高選器送入控制器參與運(yùn)算。

對(duì)于第二及以下床層，每層床層入口的徑向橫截面上選擇3處測(cè)量溫度--徑向近端、徑向中心和徑向遠(yuǎn)端，用來(lái)代表徑向溫度分布。由于徑向最高溫度在三處測(cè)量點(diǎn)之間來(lái)回移動(dòng)，故采用高選器始終選擇最高值參與控制。同時(shí)對(duì)此處3點(diǎn)的徑向溫差進(jìn)行監(jiān)視、報(bào)警。

3.2 執(zhí)行器與耦合

此處，調(diào)節(jié)閥安裝在本段床層入口冷氫注入管線上;

冷氫來(lái)自同一根總線，為避免耦合，并考慮到事故狀態(tài)冷氫閥門全開降溫的需要，工程一般不采用復(fù)雜的“解耦控制”，而采用加粗管徑的辦法，使得流量足夠大，調(diào)節(jié)各層分支冷氫注入量時(shí)不出現(xiàn)相互干擾。一般冷氫總線與支線的管徑相同。

3.3 控制器的選擇

加氫裂化反應(yīng)過(guò)程機(jī)理復(fù)雜、數(shù)學(xué)模型不可知;同時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行迅速、放熱效應(yīng)大，屬于非自衡過(guò)程。而溫度測(cè)量又存在一定程度滯后。故溫控系統(tǒng)采用魯棒性好，靈敏度高、能消除余差的PID控制器。

4 分段溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

起點(diǎn)分段溫控系統(tǒng)由反應(yīng)器入口溫控回路和內(nèi)部床層入口溫控回路組成。

4.1 反應(yīng)器入口溫度控制

不同流程的反應(yīng)器入口溫控回路有兩類--直接控制冷氫注入流量和控制加熱爐燃料氣入口流量。前者采用簡(jiǎn)單溫度回路即可;后者可采用相同結(jié)構(gòu)，或者為提高控制品質(zhì)，采用以入口溫度為主變量的串級(jí)控制回路。限于篇幅，本文不再詳述。

4.2 內(nèi)部床層入口溫度控制

見圖6。

5 控制算法的選擇

上文已經(jīng)明確采用PID控制器，那么標(biāo)準(zhǔn)PID算法能滿足需要么？本節(jié)將展開具體分析，有兩點(diǎn)前提說(shuō)明如下：

說(shuō)明1：三點(diǎn)熱電偶所測(cè)為同一床層高度的徑向溫度，且每次僅高選1個(gè)有效信號(hào)進(jìn)入控制器參與運(yùn)算。此處等效認(rèn)為被控對(duì)象輸出信號(hào)為1個(gè)，高選器的增益為1。H（s）代表熱電偶傳遞函數(shù)。

說(shuō)明2：根據(jù)線性系統(tǒng)疊加原理，內(nèi)部參考輸入和外部干擾同時(shí)作用與控制系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)為

C（S）=CR（s）+CD（s）（4）

其中：

CR（s）-假設(shè)外部擾動(dòng)量D（s）=0時(shí)，參考輸入單獨(dú)作用控制系統(tǒng)的響應(yīng);

CD（s）-假設(shè)參考輸入R（s）=0時(shí)，外部擾動(dòng)單獨(dú)作用于控制系統(tǒng)的響應(yīng)。

5.1 標(biāo)準(zhǔn)PID算法

5.1.1 采用標(biāo)準(zhǔn)PID算法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.1.2 標(biāo)準(zhǔn)PID控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

①標(biāo)準(zhǔn)PID控制系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入響應(yīng)CD（s）為：

（5）

②標(biāo)準(zhǔn)PID控制系統(tǒng)的參考輸入響應(yīng)CR（s）為：

（6）

③標(biāo)準(zhǔn)PID控制器輸出信號(hào)U（s）表示為：

（7）

5.1.3 分析與結(jié)論

①干擾輸入響應(yīng)CD（s）其分母分別包含比例、積分和微分環(huán)節(jié)，當(dāng)︱KpH（s）Gp（s）︱>1或︱KpH（s）︱>1時(shí)，擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)CD（s）/D（s）趨近于零，擾動(dòng)對(duì)輸出的影響被明顯抑制。由于熱電偶傳遞函數(shù)H（s）一定，據(jù)式（5）得出，適當(dāng)增大比例放大倍數(shù)和微分時(shí)間、減小積分時(shí)間有助于對(duì)干擾的抑制作用;

②參考輸入響應(yīng)CR（s）和控制器輸出信號(hào)U（s）的微分環(huán)節(jié)Tds均作用于參考信號(hào)R（s）上。在反應(yīng)器運(yùn)行周期內(nèi)，操作人員需要多次調(diào)整設(shè)定值，這種調(diào)整大多是階躍變化的。當(dāng)階躍變化乘積作用于微分環(huán)節(jié)，將導(dǎo)致微分輸出產(chǎn)生極大的沖擊。如式（6）、（7）所示，一方面引起控制系統(tǒng)的輸出突變，即被控變量出現(xiàn)超調(diào);另一方面，導(dǎo)致控制器的輸出信號(hào)突變，調(diào)節(jié)閥劇烈震蕩。這對(duì)于需要穩(wěn)定控溫的加氫裂化反應(yīng)過(guò)程是不允許的。

結(jié)論：標(biāo)準(zhǔn)PID算法不適合本工況的溫度控制。

5.2 改進(jìn)型PID算法

為避免沖擊現(xiàn)象，我們把微分環(huán)節(jié)放在反饋通路中。這樣微分作用就只發(fā)生在連續(xù)變化的溫度反饋信號(hào)上，從而避免引入?yún)⒖夹盘?hào)的階躍變化，簡(jiǎn)稱“微分先行PI-D控制”。

5.2.1 采用微分先行PI-D算法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.2.2 微分先行PI-D控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)

①微分先行PI-D控制系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入響應(yīng)CD（s）：

（10）

②微分先行PI-D控制系統(tǒng)的參考輸入響應(yīng)CR（s）：

（11）

③控制器輸出信號(hào)U（s）為：

（12）

5.2.3 分析與結(jié)論

①微分先行PI-D控制系統(tǒng)的外部擾動(dòng)輸入響應(yīng)CD（s）與標(biāo)準(zhǔn)PID系統(tǒng)相同。當(dāng)參數(shù)設(shè)置合理時(shí)，對(duì)擾動(dòng)具有同樣良好的抑制作用;

②參考輸入響應(yīng)CR（s）和控制器輸出信號(hào)U（s）去除了微分環(huán)節(jié)Tds，參考輸入的階躍變化對(duì)控制系統(tǒng)造成的沖擊已經(jīng)消除。而微分作用只發(fā)生在連續(xù)變化的反饋信號(hào)B（s）上，這對(duì)于因熱慣性而存在一定滯后的溫度反饋恰恰是所需要的。

結(jié)論：微分先行PI-D控制算法適合加氫裂化反應(yīng)器的溫度控制。

6 溫控系統(tǒng)的工程化實(shí)現(xiàn)

實(shí)際工程應(yīng)用中，采用DCS、PLC等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如上。

6.1 測(cè)量?jī)x表

測(cè)溫儀表選用K型熱電偶，管線上安裝熱電偶較為常規(guī)，限于篇幅，下文主要介紹三點(diǎn)熱電偶的選型特點(diǎn)。

反應(yīng)器內(nèi)部高溫、高壓，介質(zhì)易燃易爆，且反應(yīng)迅速，故床層入口熱電偶需要兼顧安全性和響應(yīng)快速性，響應(yīng)時(shí)間一般要求小于15s。為縮短傳熱時(shí)間，可設(shè)置橫貫整個(gè)反應(yīng)器的T型梁，熱電偶的3支測(cè)溫元件的套管分別焊接于T型梁的上方和兩側(cè)，直接與介質(zhì)接觸。與常規(guī)熱電偶相比，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

①仍然采用鎧裝護(hù)套外裝配保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)形式，但外保護(hù)套管緊貼鎧裝護(hù)套本體。典型工況下，套管內(nèi)徑約為6mm（NPT1/4″），鎧裝護(hù)套外徑為4.5mm。與常規(guī)錐形整體鉆孔式套管不同，此處套管采用X加強(qiáng)級(jí)不銹鋼無(wú)縫鋼管;

②護(hù)套末端與套管內(nèi)底之間安裝有快速導(dǎo)熱元件（如壓緊彈簧），以保證二者密切接觸，減小導(dǎo)熱滯后。護(hù)套與套管材質(zhì)一致，一般推薦選用321或347不銹鋼;

③鎧裝護(hù)套內(nèi)仍緊密填充礦物絕緣材料。但感溫端部與金屬鎧裝護(hù)套直接焊接，形成接地型連接，縮短響應(yīng)時(shí)間;

④加粗熱電偶偶絲線徑，最小線徑≥0.8mm（AWG20），以增加強(qiáng)度，降低電阻;

⑤測(cè)溫元件裝配特殊適配器后，通過(guò)螺紋鉆孔穿出法蘭，并在開孔處使用特殊密封劑。對(duì)于特別惡劣的工況，在法蘭外側(cè)設(shè)置二次密封腔，以隔絕高壓;密封腔上設(shè)壓力表或壓力變送器，用于泄露指示。

最終，能保證內(nèi)部床層入口三點(diǎn)熱電偶的響應(yīng)時(shí)間縮短至4～7s。

詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)文件除提供溫度、壓力等參數(shù)，交付制造商核算外，還應(yīng)附上反應(yīng)器內(nèi)件圖紙和要求，以保證兼容性;并向制造商核實(shí)上述具體結(jié)構(gòu)配置和尺寸、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)。

6.2 數(shù)字控制器

圖9中，數(shù)字控制器包括了輸入信號(hào)的采樣、A/D轉(zhuǎn)換、濾波環(huán)節(jié)，設(shè)定值給定環(huán)節(jié)、數(shù)字PID控制器和輸出信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。由于DCS、PLC等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)預(yù)置好AI/AO通道，控制器單元等硬件平臺(tái)，故工程化時(shí)只需進(jìn)行外圍接口元件和算法的設(shè)計(jì)。

6.2.1 外圍接口元件--安全柵

由于控制系統(tǒng)的信號(hào)往來(lái)于爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所，需在機(jī)柜室內(nèi)機(jī)柜側(cè)加裝輸入、輸出安全柵，以構(gòu)成本安回路，防爆等級(jí)均為ExiaIICT6。熱電偶的冷端補(bǔ)償，優(yōu)先選擇在集成溫變的安全柵實(shí)現(xiàn)，其次在mV卡件上實(shí)現(xiàn)。

6.2.2 算法

算法包括采樣周期的確定、數(shù)字濾波和數(shù)字PID控制器算法。

6.2.2.1 采樣周期

采樣頻率選擇固定頻率。溫度信號(hào)采樣周期的經(jīng)驗(yàn)值為15-20秒，適于反應(yīng)器入口溫控回路。對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)部床層出口，反應(yīng)進(jìn)行很快，加之熱電偶選用快速響應(yīng)型，采樣周期相應(yīng)減小。實(shí)際經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后確定。

6.2.2.2 數(shù)字濾波

采用限幅濾波法。

原理：溫度變化具有熱慣性，需要一定時(shí)間才能體現(xiàn)，而滯后時(shí)間遠(yuǎn)大于采樣周期T。因此當(dāng)相鄰兩次采樣值之差大于某一閾值時(shí)，可以判斷測(cè)量值受到干擾失真，應(yīng)該把該次采樣信號(hào)去除，而用上一次的采樣值來(lái)代表本次采樣值。

特別的，內(nèi)部床層入口熱電偶采用接地型連接，在提高響應(yīng)速度的同時(shí)，引入了接地回路干擾和電氣噪聲，數(shù)字濾波尤為重要。優(yōu)先選用限幅濾波，也可以在調(diào)試中結(jié)合其他算法。

6.2.2.3 數(shù)字PID控制器算法

工程上多采用增量型PID算式。對(duì)照式（12）和圖9，微分現(xiàn)行PI-D算法的算式如下：

（13）

t≈iT，i=0，1，2...

u（t）=u（iT）ui;ui=u（i）-u（i-1）

e（t）=e（iT）ei;b（t）=b（iT）bi

6.3 調(diào)節(jié)閥

為滿足事故緊急降溫和日?？販匦枰?，該閥門特點(diǎn)如下：

①調(diào)節(jié)閥流道為直通式，盡量減小壓降。同時(shí)，閥門故障位置為F.O;

②計(jì)算Cv值時(shí)，應(yīng)保證正常流量下，反應(yīng)末期的Cv值約為額定Cv值的1/3及以下;且最大流量下，反應(yīng)初期的Cv值約為額定Cv值的60%。額定Cv值宜大不宜小，閥門口徑根據(jù)Cv選定，一般都會(huì)縮徑;

③流量特性選擇等百分比。

7 結(jié)束語(yǔ)

加氫裂化與加氫精制反應(yīng)相比，前者存在吸熱的裂化反應(yīng)，并和放熱反應(yīng)相互促進(jìn)，形成熱效應(yīng)的正循環(huán)，反應(yīng)更加劇烈、徹底。餾分油組分遵循加氫脫雜原子--飽和--裂化的反應(yīng)路徑。產(chǎn)物中輕質(zhì)化組分更多。所以，加氫裂化反應(yīng)對(duì)溫度控制的要求更加嚴(yán)格。實(shí)踐證明，采用起點(diǎn)分段溫控策略的控制系統(tǒng)兼具魯棒性、成熟性和靈活性。但加氫裂化過(guò)程包含多種工藝路線、經(jīng)歷多個(gè)生產(chǎn)階段，控制目標(biāo)不盡相同。本文僅對(duì)采用雙功能催化劑的反應(yīng)器，在運(yùn)行階段如何控溫進(jìn)行了闡述。其他情況下如何成功應(yīng)用，取決于控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、參數(shù)整定。本文推薦“分析設(shè)計(jì)”的方法，以實(shí)際工況和需求的分析為基礎(chǔ)，在各類成熟可靠的儀表設(shè)備和控制方案中比選，從而設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：

張祺超（1984- ），男，漢族，湖南岳陽(yáng)人，本科，工程師，研究方向：主要從事石油化工自動(dòng)控制專業(yè)工程設(shè)計(jì)。