固定床加氫裂化反應器溫度分段控制系統分析與優化

摘 要：通過對加氫裂化反應熱效應、反應器內部的溫度分布進行分析，明確對象特性和控制目標。隨后采用比較的方法，探討兩種不同控制算法的響應特性，提出了固定床加氫裂化反應器溫度分段控制系統的優化措施和工程化方案。

關鍵詞：加氫裂化反應器;最優溫度分布曲線 起點分段溫控策略;微分先行PI-D算法;工程化

0 概述

二十一世紀以來，煉廠加工的原料越來越重，含硫量越來越多，而社會對清潔燃料的要求不斷升級，對石化裂解原料的需求日趨旺盛。這推動了加氫裂化裝置更加普遍的應用于各類煉油工藝中。其核心反應器內高溫高壓臨氫，反應復雜迅速多變。如何既保證反應器的運行安全，又得到滿意的產品，溫度控制至關重要。下面采取分析的方法，從熱效應出發，深入反應過程、了解工藝特性、明確控制目標，并比較不同控制算法，提出反應器溫控系統的優化設計方案。

1 加氫裂化反應的熱效應

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

表1中，序號1-6都屬于加氫處理HT反應，總體熱效應為強放熱反應。序號7，8屬于加氫裂化HC反應，總體熱效應為吸熱反應，但吸熱量遠低于HT反應的放熱量。在加氫裂化過程中，HT+HC反應統稱為加氫裂化反應。故整體上，加氫裂化反應屬于強放熱反應。反應熱在過程參數上表征為溫度。人們通過控制溫度，調節熱量，來實現控制反應速率和方向的目的，即本文討論的主要內容。

根據上表，從反應的可逆性和熱效應來看，加氫裂化反應可分為：

①不可逆放熱反應;

②可逆放熱反應;

③可逆吸熱反應。

這三類反應在反應器內同時進行?，F逐一考察溫度對這三類反應的影響。

1.1 溫度對反應速率的影響

根據阿累尼烏斯方程：

（1）

式中：

K-反應速率常數;

K0-前置指數因子（一定范圍內視為常數）;

E-反應活化能;

R-理想氣體常數;

T-反應的熱力學溫度（絕對溫度）。

當反應機理在某一溫度范圍內不變時，方程兩端取對數：

（2）

對所有反應，隨著溫度升高，反應速率常數增大，反應速率加快。催化劑的加入使得活化能降低，同一溫度下的反應速率提高。隨著反應進行，催化劑逐漸失活，E2>E1 為了維持一定的反應速率，需要同步增加反應溫度來補償，即T2>T1。

對于不可逆反應，則溫度升高，將加快反應速率，有利于反應進行。

對于可逆反應，溫度升高，正、逆反應速率都增大。反應方向還受到平衡常數的制約。

1.2 溫度對反應平衡的影響

根據化學平衡移動原理，當改變平衡體系的外界條件時，平衡向著削弱這一改變的方向移動。

對于可逆吸熱反應，升高溫度時，平衡向吸熱方向移動;即升高溫度促進可逆吸熱反應進行。

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

1.3 溫度對轉化率的影響

整個反應階段氫氣都是過量的，用以進行化學計量的是餾分油組分，本文中也稱之為反應物A。餾分油組分的轉化率xA定義為反應物A經反應消耗的摩爾數-ΔnA與其起始摩爾數nA0之比：

（3）

式中：

nA為反應物A反應后的摩爾數，0≤xA<1。

餾分油組分的轉化率xA也是反應溫度T的函數。根據反應速率式（2）和反應平衡原理分析，溫度變化對三類反應的影響如表2。

可逆反應的xA-T曲線圖如圖4，圖5。

圖中，每條曲線上各點的反應速率都相同，不同曲線的速率不同。對于可逆放熱反應而言，T↑，正反應的平衡常數↓，轉化率xA先升后降。連接每一條等速率曲線的極點（此點對應溫度為TOP，轉化率最高），即得到最優操作溫度線。

由于加氫裂化反應整體熱效應為放熱，故人們期望反應過程溫度分布基本遵循上圖4的最優操作溫度曲線走勢。

2 加氫裂化反應器內溫度分布

2.1 理想溫度分布

投運后，氣液兩相反應物從反應器頂部入口合并向下流動，穿過催化劑床層，直至底部出口;邊流動，邊反應。溫度沿床層軸向遞增，逐段分布說明如下：

2.1.1 反應器頂部封頭

此處不發生化學反應，該段溫度即入口溫度，也是反應器溫度的基點。

2.1.2 第一床層

當反應物料接觸第一床層表面催化劑時，反應開始。隨著床層不斷加深，反應物料與催化劑接觸面積逐漸增大，越來越多的反應物加入反應，放出大量的熱，加之與外界絕熱，溫度迅速提高，反過來又促進反應速率加快，轉化率提高。如圖4所示，理想操作下，在第一床層出口，溫度達到或趨近本階段反應速率對應的最優操作溫度Top，轉化率達到頂點。

2.1.3 第一床層出口冷氫段

在第一床層出口，若無減溫措施，隨著反應物的連續注入，溫度將繼續升高，轉化率反而下降。同時，超溫將致使催化劑出現結焦、燒結等工況，導致熱量局部累積，產生熱點。為防止飛溫，特在第一、二床層之間設置冷氫段。一為反應物暫時脫離劇烈反應（不含催化劑，設置內部遲滯反應慣性的瓷球），二為冷氫的注入、混合提供空間。冷氫的注入能實現3個效果：

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

②將反應物料分散均勻。加氫裂化反應器屬于活塞流反應器，內部連續流動的物料需要混合均勻。為此，反應器內部設置有混合、分散、均布物料的結構，如入口擴散器、分布盤、冷氫箱、出口收集器等。冷氫注入至冷氫箱，與反應物料混合均勻。這里，流體分布均勻程度是通過反應器徑向溫度分布來評價的。即反應器徑向同一橫截面內各點的溫差越?。ɡ硐霚夭羁刂圃?℃以下），流體分布均勻性越好;

③降低反應物A--餾分油組分的濃度。相比反應器入口，經過反應，第一床層出口的餾分油組分已有所消耗。再通入冷氫，相同體積內餾分油組分的濃度將進一步下降。

2.1.4 第二床層

劇烈反應在此重新開始。相較第一床層入口，此處反應物A的溫度近似，但濃度明顯下降。根據有效碰撞理論，其他條件不變時，反應物濃度下降，反應速率降低。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

其他床層直至反應器出口，軸向溫度將如上所述，周而復始，循環變化。其中，每個冷氫段的出口溫度都接近反應器入口溫度;由于反應物A濃度不斷下降，反應速率逐段遞減，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℃，反應器整體溫升控制在20-30℃。

綜上，得到加氫裂化反應器理想溫度分布圖如下

（1）實線代表理想軸向溫度分布;（2）虛線代表最優軸向溫度分布

3 控制策略

為實現上圖中理想溫度分布曲線，需要設置溫度控制系統，來抑制各種干擾影響。對于絕熱反應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+本段反應生成熱-反應器外壁散熱

本段床層入口熱量表征為反應入口溫度;

反應生成熱取決于反應機理、催化劑、反應溫度、壓力和反應物濃度。反應機理無法調整，恒壓反應器的壓力波動較小。干擾主要來自于反應物料入口溫度、催化劑失活程度、冷氫注入量等。故根據第2節分析，反應生成熱的外部可控因素為反應入口溫度和冷氫注入量。

反應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=上游反應物料所攜熱量-床層入口冷氫移去的熱量

綜上，可以認為，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。當上游物料無冷氫注入時，調節上游熱負荷，選取熱負荷的可控變量為被控變量，如燃料氣流量;當上游物料有冷氫注入時，選取上游冷氫流量為被控變量。

反應器整體控制策略為通過分別控制每個反應段的入口溫度，來逐段控制床層溫升和反應器總溫升。根據文獻[1]，對于采用單段串聯流程和分子篩型裂化劑的HC反應過程，在一定范圍內，床層入口溫度每增加1℃，其出口溫度相應提升約3℃。故，本文簡稱該策略為“起點分段溫控策略”。

3.1 測溫點的選擇

對于第一床層入口溫度，即反應器入口溫度，測溫點選在入口管線上。根據《石油化工自動化儀表選型設計規范》SH/T3005-2016，參與關鍵控制的單測溫點，推薦選用雙支熱電偶，以防止單支熱電偶測量誤差或斷偶。兩支熱電偶元件的信號經高選器送入控制器參與運算。

對于第二及以下床層，每層床層入口的徑向橫截面上選擇3處測量溫度--徑向近端、徑向中心和徑向遠端，用來代表徑向溫度分布。由于徑向最高溫度在三處測量點之間來回移動，故采用高選器始終選擇最高值參與控制。同時對此處3點的徑向溫差進行監視、報警。

3.2 執行器與耦合

此處，調節閥安裝在本段床層入口冷氫注入管線上;

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

3.3 控制器的選擇

加氫裂化反應過程機理復雜、數學模型不可知;同時，反應進行迅速、放熱效應大，屬于非自衡過程。而溫度測量又存在一定程度滯后。故溫控系統采用魯棒性好，靈敏度高、能消除余差的PID控制器。

4 分段溫控系統的結構

起點分段溫控系統由反應器入口溫控回路和內部床層入口溫控回路組成。

4.1 反應器入口溫度控制

不同流程的反應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。前者采用簡單溫度回路即可;后者可采用相同結構，或者為提高控制品質，采用以入口溫度為主變量的串級控制回路。限于篇幅，本文不再詳述。

4.2 內部床層入口溫度控制

見圖6。

5 控制算法的選擇

上文已經明確采用PID控制器，那么標準PID算法能滿足需要么？本節將展開具體分析，有兩點前提說明如下：

說明1：三點熱電偶所測為同一床層高度的徑向溫度，且每次僅高選1個有效信號進入控制器參與運算。此處等效認為被控對象輸出信號為1個，高選器的增益為1。H（s）代表熱電偶傳遞函數。

說明2：根據線性系統疊加原理，內部參考輸入和外部干擾同時作用與控制系統時，系統響應為

C（S）=CR（s）+CD（s）（4）

其中：

CR（s）-假設外部擾動量D（s）=0時，參考輸入單獨作用控制系統的響應;

CD（s）-假設參考輸入R（s）=0時，外部擾動單獨作用于控制系統的響應。

5.1 標準PID算法

5.1.1 采用標準PID算法的系統結構

5.1.2 標準PID控制系統的傳遞函數

①標準PID控制系統的擾動輸入響應CD（s）為：

（5）

②標準PID控制系統的參考輸入響應CR（s）為：

（6）

③標準PID控制器輸出信號U（s）表示為：

（7）

5.1.3 分析與結論

①干擾輸入響應CD（s）其分母分別包含比例、積分和微分環節，當︱KpH（s）Gp（s）︱>1或︱KpH（s）︱>1時，擾動通道的傳遞函數CD（s）/D（s）趨近于零，擾動對輸出的影響被明顯抑制。由于熱電偶傳遞函數H（s）一定，據式（5）得出，適當增大比例放大倍數和微分時間、減小積分時間有助于對干擾的抑制作用;

②參考輸入響應CR（s）和控制器輸出信號U（s）的微分環節Tds均作用于參考信號R（s）上。在反應器運行周期內，操作人員需要多次調整設定值，這種調整大多是階躍變化的。當階躍變化乘積作用于微分環節，將導致微分輸出產生極大的沖擊。如式（6）、（7）所示，一方面引起控制系統的輸出突變，即被控變量出現超調;另一方面，導致控制器的輸出信號突變，調節閥劇烈震蕩。這對于需要穩定控溫的加氫裂化反應過程是不允許的。

結論：標準PID算法不適合本工況的溫度控制。

5.2 改進型PID算法

為避免沖擊現象，我們把微分環節放在反饋通路中。這樣微分作用就只發生在連續變化的溫度反饋信號上，從而避免引入參考信號的階躍變化，簡稱“微分先行PI-D控制”。

5.2.1 采用微分先行PI-D算法的系統結構

5.2.2 微分先行PI-D控制系統傳遞函數

①微分先行PI-D控制系統的擾動輸入響應CD（s）：

（10）

②微分先行PI-D控制系統的參考輸入響應CR（s）：

（11）

③控制器輸出信號U（s）為：

（12）

5.2.3 分析與結論

①微分先行PI-D控制系統的外部擾動輸入響應CD（s）與標準PID系統相同。當參數設置合理時，對擾動具有同樣良好的抑制作用;

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

結論：微分先行PI-D控制算法適合加氫裂化反應器的溫度控制。

6 溫控系統的工程化實現

實際工程應用中，采用DCS、PLC等計算機控制系統，系統結構圖如上。

6.1 測量儀表

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

反應器內部高溫、高壓，介質易燃易爆，且反應迅速，故床層入口熱電偶需要兼顧安全性和響應快速性，響應時間一般要求小于15s。為縮短傳熱時間，可設置橫貫整個反應器的T型梁，熱電偶的3支測溫元件的套管分別焊接于T型梁的上方和兩側，直接與介質接觸。與常規熱電偶相比，結構特點如下：

①仍然采用鎧裝護套外裝配保護套管的結構形式，但外保護套管緊貼鎧裝護套本體。典型工況下，套管內徑約為6mm（NPT1/4″），鎧裝護套外徑為4.5mm。與常規錐形整體鉆孔式套管不同，此處套管采用X加強級不銹鋼無縫鋼管;

②護套末端與套管內底之間安裝有快速導熱元件（如壓緊彈簧），以保證二者密切接觸，減小導熱滯后。護套與套管材質一致，一般推薦選用321或347不銹鋼;

③鎧裝護套內仍緊密填充礦物絕緣材料。但感溫端部與金屬鎧裝護套直接焊接，形成接地型連接，縮短響應時間;

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

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

最終，能保證內部床層入口三點熱電偶的響應時間縮短至4～7s。

詳細設計過程中，設計文件除提供溫度、壓力等參數，交付制造商核算外，還應附上反應器內件圖紙和要求，以保證兼容性;并向制造商核實上述具體結構配置和尺寸、響應時間等參數。

6.2 數字控制器

圖9中，數字控制器包括了輸入信號的采樣、A/D轉換、濾波環節，設定值給定環節、數字PID控制器和輸出信號的D/A轉換環節。由于DCS、PLC等計算機控制系統已經預置好AI/AO通道，控制器單元等硬件平臺，故工程化時只需進行外圍接口元件和算法的設計。

6.2.1 外圍接口元件--安全柵

由于控制系統的信號往來于爆炸性危險場所，需在機柜室內機柜側加裝輸入、輸出安全柵，以構成本安回路，防爆等級均為ExiaIICT6。熱電偶的冷端補償，優先選擇在集成溫變的安全柵實現，其次在mV卡件上實現。

6.2.2 算法

算法包括采樣周期的確定、數字濾波和數字PID控制器算法。

6.2.2.1 采樣周期

采樣頻率選擇固定頻率。溫度信號采樣周期的經驗值為15-20秒，適于反應器入口溫控回路。對于反應器內部床層出口，反應進行很快，加之熱電偶選用快速響應型，采樣周期相應減小。實際經過現場調試后確定。

6.2.2.2 數字濾波

采用限幅濾波法。

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

特別的，內部床層入口熱電偶采用接地型連接，在提高響應速度的同時，引入了接地回路干擾和電氣噪聲，數字濾波尤為重要。優先選用限幅濾波，也可以在調試中結合其他算法。

6.2.2.3 數字PID控制器算法

工程上多采用增量型PID算式。對照式（12）和圖9，微分現行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 調節閥

為滿足事故緊急降溫和日常控溫需要，該閥門特點如下：

①調節閥流道為直通式，盡量減小壓降。同時，閥門故障位置為F.O;

②計算Cv值時，應保證正常流量下，反應末期的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Cv選定，一般都會縮徑;

③流量特性選擇等百分比。

7 結束語

加氫裂化與加氫精制反應相比，前者存在吸熱的裂化反應，并和放熱反應相互促進，形成熱效應的正循環，反應更加劇烈、徹底。餾分油組分遵循加氫脫雜原子--飽和--裂化的反應路徑。產物中輕質化組分更多。所以，加氫裂化反應對溫度控制的要求更加嚴格。實踐證明，采用起點分段溫控策略的控制系統兼具魯棒性、成熟性和靈活性。但加氫裂化過程包含多種工藝路線、經歷多個生產階段，控制目標不盡相同。本文僅對采用雙功能催化劑的反應器，在運行階段如何控溫進行了闡述。其他情況下如何成功應用，取決于控制系統結構的優化、參數整定。本文推薦“分析設計”的方法，以實際工況和需求的分析為基礎，在各類成熟可靠的儀表設備和控制方案中比選，從而設計出滿足實際生產需要的自動控制系統。

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作者簡介：

張祺超（1984- ），男，漢族，湖南岳陽人，本科，工程師，研究方向：主要從事石油化工自動控制專業工程設計。