摘 要：通过对加氢裂化反应热效应、反应器内部的温度分布进行分析，明确对象特性和控制目标。随后采用比较的方法，探讨两种不同控制算法的响应特性，提出了固定床加氢裂化反应器温度分段控制系统的优化措施和工程化方案。

关键词：加氢裂化反应器;最优温度分布曲线 起点分段温控策略;微分先行PI-D算法;工程化

0 概述

二十一世纪以来，炼厂加工的原料越来越重，含硫量越来越多，而社会对清洁燃料的要求不断升级，对石化裂解原料的需求日趋旺盛。这推动了加氢裂化装置更加普遍的应用于各类炼油工艺中。其核心反应器内高温高压临氢，反应复杂迅速多变。如何既保证反应器的运行安全，又得到满意的产品，温度控制至关重要。下面采取分析的方法，从热效应出发，深入反应过程、了解工艺特性、明确控制目标，并比较不同控制算法，提出反应器温控系统的优化设计方案。

1 加氢裂化反应的热效应

本文讨论的加氢裂化反应器是指装填有双功能加氢裂化催化剂的固定床反应器。在催化剂床层上同时进行加氢处理（精制，HT）反应和加氢裂化（HC）两大类反应。典型工况--操作压力：8.0-18.0MPa（g），设计压力<21.0MPa（g），操作温度340-440℃，设计温度<500℃。主要反应详见表1。

表1中，序号1-6都属于加氢处理HT反应，总体热效应为强放热反应。序号7，8属于加氢裂化HC反应，总体热效应为吸热反应，但吸热量远低于HT反应的放热量。在加氢裂化过程中，HT+HC反应统称为加氢裂化反应。故整体上，加氢裂化反应属于强放热反应。反应热在过程参数上表征为温度。人们通过控制温度，调节热量，来实现控制反应速率和方向的目的，即本文讨论的主要内容。

根据上表，从反应的可逆性和热效应来看，加氢裂化反应可分为：

①不可逆放热反应;

②可逆放热反应;

③可逆吸热反应。

这三类反应在反应器内同时进行。现逐一考察温度对这三类反应的影响。

1.1 温度对反应速率的影响

根据阿累尼乌斯方程：

（1）

式中：

K-反应速率常数;

K0-前置指数因子（一定范围内视为常数）;

E-反应活化能;

R-理想气体常数;

T-反应的热力学温度（绝对温度）。

当反应机理在某一温度范围内不变时，方程两端取对数：

（2）

对所有反应，随着温度升高，反应速率常数增大，反应速率加快。催化剂的加入使得活化能降低，同一温度下的反应速率提高。随着反应进行，催化剂逐渐失活，E2>E1 为了维持一定的反应速率，需要同步增加反应温度来补偿，即T2>T1。

对于不可逆反应，则温度升高，将加快反应速率，有利于反應进行。

对于可逆反应，温度升高，正、逆反应速率都增大。反应方向还受到平衡常数的制约。

1.2 温度对反应平衡的影响

根据化学平衡移动原理，当改变平衡体系的外界条件时，平衡向着削弱这一改变的方向移动。

对于可逆吸热反应，升高温度时，平衡向吸热方向移动;即升高温度促进可逆吸热反应进行。

对于可逆放热反应，升高温度能够同时提高正、逆反应速率。但正反应速率r+增加的速度小于逆反应速率r-增加的速度，平衡向着吸热的逆反应方向移动。若温度一直升高，则最终出现r+

1.3 温度对转化率的影响

整个反应阶段氢气都是过量的，用以进行化学计量的是馏分油组分，本文中也称之为反应物A。馏分油组分的转化率xA定义为反应物A经反应消耗的摩尔数-ΔnA与其起始摩尔数nA0之比：

（3）

式中：

nA为反应物A反应后的摩尔数，0≤xA<1。

馏分油组分的转化率xA也是反应温度T的函数。根据反应速率式（2）和反应平衡原理分析，温度变化对三类反应的影响如表2。

可逆反应的xA-T曲线图如图4，图5。

图中，每条曲线上各点的反应速率都相同，不同曲线的速率不同。对于可逆放热反应而言，T↑，正反应的平衡常数↓，转化率xA先升后降。连接每一条等速率曲线的极点（此点对应温度为TOP，转化率最高），即得到最优操作温度线。

由于加氢裂化反应整体热效应为放热，故人们期望反应过程温度分布基本遵循上图4的最优操作温度曲线走势。

2 加氢裂化反应器内温度分布

2.1 理想温度分布

投运后，气液两相反应物从反应器顶部入口合并向下流动，穿过催化剂床层，直至底部出口;边流动，边反应。温度沿床层轴向递增，逐段分布说明如下：

2.1.1 反应器顶部封头

此处不发生化学反应，该段温度即入口温度，也是反应器温度的基点。

2.1.2 第一床层

当反应物料接触第一床层表面催化剂时，反应开始。随着床层不断加深，反应物料与催化剂接触面积逐渐增大，越来越多的反应物加入反应，放出大量的热，加之与外界绝热，温度迅速提高，反过来又促进反应速率加快，转化率提高。如图4所示，理想操作下，在第一床层出口，温度达到或趋近本阶段反应速率对应的最优操作温度Top，转化率达到顶点。

2.1.3 第一床层出口冷氢段

在第一床层出口，若无减温措施，随着反应物的连续注入，温度将继续升高，转化率反而下降。同时，超温将致使催化剂出现结焦、烧结等工况，导致热量局部累积，产生热点。为防止飞温，特在第一、二床层之间设置冷氢段。一为反应物暂时脱离剧烈反应（不含催化剂，设置内部迟滞反应惯性的瓷球），二为冷氢的注入、混合提供空间。冷氢的注入能实现3个效果：

①冷氢温度仅为60-90℃，起到移去反应热，直接降温的作用;理想操作下，冷氢段出口的反应流出物温度下降至接近反应器入口水平;

②将反应物料分散均匀。加氢裂化反应器属于活塞流反应器，内部连续流动的物料需要混合均匀。为此，反应器内部设置有混合、分散、均布物料的结构，如入口扩散器、分布盘、冷氢箱、出口收集器等。冷氢注入至冷氢箱，与反应物料混合均匀。这里，流体分布均匀程度是通过反应器径向温度分布来评价的。即反应器径向同一横截面内各点的温差越小（理想温差控制在3℃以下），流体分布均匀性越好;

③降低反应物A--馏分油组分的浓度。相比反应器入口，经过反应，第一床层出口的馏分油组分已有所消耗。再通入冷氢，相同体积内馏分油组分的浓度将进一步下降。

2.1.4 第二床層

剧烈反应在此重新开始。相较第一床层入口，此处反应物A的温度近似，但浓度明显下降。根据有效碰撞理论，其他条件不变时，反应物浓度下降，反应速率降低。如图4所示，第二床层的xA-T曲线将向右下方平移。

2.1.5 其他冷氢段和床层

其他床层直至反应器出口，轴向温度将如上所述，周而复始，循环变化。其中，每个冷氢段的出口温度都接近反应器入口温度;由于反应物A浓度不断下降，反应速率逐段递减，下一床层的出口温度较上一床层出口均有所增加。典型工况下，床层之间温升控制在5-10℃，反应器整体温升控制在20-30℃。

综上，得到加氢裂化反应器理想温度分布图如下

（1）实线代表理想轴向温度分布;（2）虚线代表最优轴向温度分布

3 控制策略

为实现上图中理想温度分布曲线，需要设置温度控制系统，来抑制各种干扰影响。对于绝热反应器的每一段床层而言：

本段床层出口热量=本段床层入口热量+本段反应生成热-反应器外壁散热

本段床层入口热量表征为反应入口温度;

反应生成热取决于反应机理、催化剂、反应温度、压力和反应物浓度。反应机理无法调整，恒压反应器的压力波动较小。干扰主要来自于反应物料入口温度、催化剂失活程度、冷氢注入量等。故根据第2节分析，反应生成热的外部可控因素为反应入口温度和冷氢注入量。

反应器外壁散热取决于外壁表面积和保温材料的效率。除外敷保温材料外，不可控。

本段床层入口热量=上游反应物料所携热量-床层入口冷氢移去的热量

综上，可以认为，控制住床层入口温度，就控制住床层出口热量。故选取每一床层入口温度为被控变量。当上游物料无冷氢注入时，调节上游热负荷，选取热负荷的可控变量为被控变量，如燃料气流量;当上游物料有冷氢注入时，选取上游冷氢流量为被控变量。

反应器整体控制策略为通过分别控制每个反应段的入口温度，来逐段控制床层温升和反应器总温升。根据文献[1]，对于采用单段串联流程和分子筛型裂化剂的HC反应过程，在一定范围内，床层入口温度每增加1℃，其出口温度相应提升约3℃。故，本文简称该策略为“起点分段温控策略”。

3.1 测温点的选择

对于第一床层入口温度，即反应器入口温度，测温点选在入口管线上。根据《石油化工自动化仪表选型设计规范》SH/T3005-2016，参与关键控制的单测温点，推荐选用双支热电偶，以防止单支热电偶测量误差或断偶。两支热电偶元件的信号经高选器送入控制器参与运算。

对于第二及以下床层，每层床层入口的径向横截面上选择3处测量温度--径向近端、径向中心和径向远端，用来代表径向温度分布。由于径向最高温度在三处测量点之间来回移动，故采用高选器始终选择最高值参与控制。同时对此处3点的径向温差进行监视、报警。

3.2 执行器与耦合

此处，调节阀安装在本段床层入口冷氢注入管线上;

冷氢来自同一根总线，为避免耦合，并考虑到事故状态冷氢阀门全开降温的需要，工程一般不采用复杂的“解耦控制”，而采用加粗管径的办法，使得流量足够大，调节各层分支冷氢注入量时不出现相互干扰。一般冷氢总线与支线的管径相同。

3.3 控制器的选择

加氢裂化反应过程机理复杂、数学模型不可知;同时，反应进行迅速、放热效应大，属于非自衡过程。而温度测量又存在一定程度滞后。故温控系统采用鲁棒性好，灵敏度高、能消除余差的PID控制器。

4 分段温控系统的结构

起点分段温控系统由反应器入口温控回路和内部床层入口温控回路组成。

4.1 反应器入口温度控制

不同流程的反应器入口温控回路有两类--直接控制冷氢注入流量和控制加热炉燃料气入口流量。前者采用简单温度回路即可;后者可采用相同结构，或者为提高控制品质，采用以入口温度为主变量的串级控制回路。限于篇幅，本文不再详述。

4.2 内部床层入口温度控制

见图6。

5 控制算法的选择

上文已经明确采用PID控制器，那么标准PID算法能满足需要么？本节将展开具体分析，有两点前提说明如下：

说明1：三点热电偶所测为同一床层高度的径向温度，且每次仅高选1个有效信号进入控制器参与运算。此处等效认为被控对象输出信号为1个，高选器的增益为1。H（s）代表热电偶传递函数。

说明2：根据线性系统叠加原理，内部参考输入和外部干扰同时作用与控制系统时，系统响应为

C（S）=CR（s）+CD（s）（4）

其中：

CR（s）-假设外部扰动量D（s）=0时，参考输入单独作用控制系统的响应;

CD（s）-假设参考输入R（s）=0时，外部扰动单独作用于控制系统的响应。

5.1 标准PID算法

5.1.1 采用标准PID算法的系统结构

5.1.2 标准PID控制系统的传递函数

①标准PID控制系统的扰动输入响应CD（s）为：

（5）

②标准PID控制系统的参考输入响应CR（s）为：

（6）

③标准PID控制器输出信号U（s）表示为：

（7）

5.1.3 分析与结论

①干扰输入响应CD（s）其分母分别包含比例、积分和微分环节，当︱KpH（s）Gp（s）︱>1或︱KpH（s）︱>1时，扰动通道的传递函数CD（s）/D（s）趋近于零，扰动对输出的影响被明显抑制。由于热电偶传递函数H（s）一定，据式（5）得出，适当增大比例放大倍数和微分时间、减小积分时间有助于对干扰的抑制作用;

②参考输入响应CR（s）和控制器输出信号U（s）的微分环节Tds均作用于参考信号R（s）上。在反应器运行周期内，操作人员需要多次调整设定值，这种调整大多是阶跃变化的。当阶跃变化乘积作用于微分环节，将导致微分输出产生极大的冲击。如式（6）、（7）所示，一方面引起控制系统的输出突变，即被控变量出现超调;另一方面，导致控制器的输出信号突变，调节阀剧烈震荡。这对于需要稳定控温的加氢裂化反应过程是不允许的。

结论：标准PID算法不适合本工况的温度控制。

5.2 改进型PID算法

为避免冲击现象，我们把微分环节放在反馈通路中。这样微分作用就只发生在连续变化的温度反馈信号上，从而避免引入参考信号的阶跃变化，简称“微分先行PI-D控制”。

5.2.1 采用微分先行PI-D算法的系统结构

5.2.2 微分先行PI-D控制系统传递函数

①微分先行PI-D控制系统的扰动输入响应CD（s）：

（10）

②微分先行PI-D控制系统的参考输入响应CR（s）：

（11）

③控制器输出信号U（s）为：

（12）

5.2.3 分析与结论

①微分先行PI-D控制系统的外部扰动输入响应CD（s）与标准PID系统相同。当参数设置合理时，对扰动具有同样良好的抑制作用;

②参考输入响应CR（s）和控制器输出信号U（s）去除了微分环节Tds，参考输入的阶跃变化对控制系统造成的冲击已经消除。而微分作用只发生在连续变化的反馈信号B（s）上，这对于因热惯性而存在一定滞后的温度反馈恰恰是所需要的。

结论：微分先行PI-D控制算法适合加氢裂化反应器的温度控制。

6 温控系统的工程化实现

实际工程应用中，采用DCS、PLC等计算机控制系统，系统结构图如上。

6.1 测量仪表

测温仪表选用K型热电偶，管线上安装热电偶较为常规，限于篇幅，下文主要介绍三点热电偶的选型特点。

反应器内部高温、高压，介质易燃易爆，且反应迅速，故床层入口热电偶需要兼顾安全性和响应快速性，响应时间一般要求小于15s。为缩短传热时间，可设置横贯整个反应器的T型梁，热电偶的3支测温元件的套管分别焊接于T型梁的上方和两侧，直接与介质接触。与常规热电偶相比，结构特点如下：

①仍然采用铠装护套外装配保护套管的结构形式，但外保护套管紧贴铠装护套本体。典型工况下，套管内径约为6mm（NPT1/4″），铠装护套外径为4.5mm。与常规锥形整体钻孔式套管不同，此处套管采用X加强级不锈钢无缝钢管;

②护套末端与套管内底之间安装有快速导热元件（如压紧弹簧），以保证二者密切接触，减小导热滞后。护套与套管材质一致，一般推荐选用321或347不锈钢;

③铠装护套内仍紧密填充矿物绝缘材料。但感温端部与金属铠装护套直接焊接，形成接地型连接，缩短响应时间;

④加粗热电偶偶丝线径，最小线径≥0.8mm（AWG20），以增加强度，降低电阻;

⑤测温元件装配特殊适配器后，通过螺纹钻孔穿出法兰，并在开孔处使用特殊密封剂。对于特别恶劣的工况，在法兰外侧设置二次密封腔，以隔绝高压;密封腔上设压力表或压力变送器，用于泄露指示。

最终，能保证内部床层入口三点热电偶的响应时间缩短至4～7s。

详细设计过程中，设计文件除提供温度、压力等参数，交付制造商核算外，还应附上反应器内件图纸和要求，以保证兼容性;并向制造商核实上述具體结构配置和尺寸、响应时间等参数。

6.2 数字控制器

图9中，数字控制器包括了输入信号的采样、A/D转换、滤波环节，设定值给定环节、数字PID控制器和输出信号的D/A转换环节。由于DCS、PLC等计算机控制系统已经预置好AI/AO通道，控制器单元等硬件平台，故工程化时只需进行外围接口元件和算法的设计。

6.2.1 外围接口元件--安全栅

由于控制系统的信号往来于爆炸性危险场所，需在机柜室内机柜侧加装输入、输出安全栅，以构成本安回路，防爆等级均为ExiaIICT6。热电偶的冷端补偿，优先选择在集成温变的安全栅实现，其次在mV卡件上实现。

6.2.2 算法

算法包括采样周期的确定、数字滤波和数字PID控制器算法。

6.2.2.1 采样周期

采样频率选择固定频率。温度信号采样周期的经验值为15-20秒，适于反应器入口温控回路。对于反应器内部床层出口，反应进行很快，加之热电偶选用快速响应型，采样周期相应减小。实际经过现场调试后确定。

6.2.2.2 数字滤波

采用限幅滤波法。

原理：温度变化具有热惯性，需要一定时间才能体现，而滞后时间远大于采样周期T。因此当相邻两次采样值之差大于某一阈值时，可以判断测量值受到干扰失真，应该把该次采样信号去除，而用上一次的采样值来代表本次采样值。

特别的，内部床层入口热电偶采用接地型连接，在提高响应速度的同时，引入了接地回路干扰和电气噪声，数字滤波尤为重要。优先选用限幅滤波，也可以在调试中结合其他算法。

6.2.2.3 数字PID控制器算法

工程上多采用增量型PID算式。对照式（12）和图9，微分现行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 调节阀

为满足事故紧急降温和日常控温需要，该阀门特点如下：

①调节阀流道为直通式，尽量减小压降。同时，阀门故障位置为F.O;

②计算Cv值时，应保证正常流量下，反应末期的Cv值约为额定Cv值的1/3及以下;且最大流量下，反应初期的Cv值约为额定Cv值的60%。额定Cv值宜大不宜小，阀门口径根据Cv选定，一般都会缩径;

③流量特性选择等百分比。

7 结束语

加氢裂化与加氢精制反应相比，前者存在吸热的裂化反应，并和放热反应相互促进，形成热效应的正循环，反应更加剧烈、彻底。馏分油组分遵循加氢脱杂原子--饱和--裂化的反应路径。产物中轻质化组分更多。所以，加氢裂化反应对温度控制的要求更加严格。实践证明，采用起点分段温控策略的控制系统兼具鲁棒性、成熟性和灵活性。但加氢裂化过程包含多种工艺路线、经历多个生产阶段，控制目标不尽相同。本文仅对采用双功能催化剂的反应器，在运行阶段如何控温进行了阐述。其他情况下如何成功应用，取决于控制系统结构的优化、参数整定。本文推荐“分析设计”的方法，以实际工况和需求的分析为基础，在各类成熟可靠的仪表设备和控制方案中比选，从而设计出满足实际生产需要的自动控制系统。

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[10]SH/T3005-2016.石油化工自动化仪表选型设计规范[S].中华人民共和国工业和信息化部，2016.

作者简介：

张祺超（1984- ），男，汉族，湖南岳阳人，本科，工程师，研究方向：主要从事石油化工自动控制专业工程设计。