石油化工過(guò)程控制試題與解析引言石油化工過(guò)程控制是確保生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的核心技術(shù)之一。它涉及到自動(dòng)控制理論、化工工藝知識(shí)、儀器儀表技術(shù)以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域的交叉融合。對(duì)于從事石油化工行業(yè)的工程技術(shù)人員而言，扎實(shí)掌握過(guò)程控制的基本原理、方法及其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用至關(guān)重要。本文通過(guò)若干典型試題的解析，旨在幫助讀者鞏固相關(guān)知識(shí)，提升分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。一、概念辨析與簡(jiǎn)答題1.1題目：請(qǐng)簡(jiǎn)述石油化工過(guò)程控制系統(tǒng)的基本組成部分及其主要作用。解析：石油化工過(guò)程控制系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)基本部分組成，它們相互關(guān)聯(lián)，共同完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制任務(wù)。首先是被控對(duì)象，它是指需要進(jìn)行控制的石油化工生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程，例如反應(yīng)釜、精餾塔、換熱器等。其作用是接受操縱變量的作用，輸出被控變量，是控制的核心對(duì)象。其次是測(cè)量變送單元，該單元的作用是將被控變量或其他重要過(guò)程參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位、成分等）從工藝現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如4-20mADC）或氣壓信號(hào)，送往控制裝置。它是控制系統(tǒng)感知過(guò)程狀態(tài)的“眼睛”。然后是控制器，這是控制系統(tǒng)的“大腦”。它將測(cè)量變送單元送來(lái)的過(guò)程參數(shù)測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)二者之間的偏差，按照預(yù)定的控制算法（如PID控制算法）進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號(hào)。最后是執(zhí)行器，它接收控制器輸出的控制信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作，從而改變操縱變量的大小，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的調(diào)節(jié)。在石油化工過(guò)程中，最常用的執(zhí)行器是控制閥。這四個(gè)基本部分構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，通過(guò)不斷地檢測(cè)、比較、運(yùn)算和調(diào)節(jié)，使被控變量維持在設(shè)定值附近，保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。1.2題目：在石油化工過(guò)程控制中，為何強(qiáng)調(diào)被控變量的選擇？選擇被控變量應(yīng)遵循哪些基本原則？解析：在石油化工過(guò)程控制中，被控變量的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到控制方案的成敗和控制效果的優(yōu)劣。一個(gè)合適的被控變量能夠直接反映生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)、安全約束或經(jīng)濟(jì)效益；反之，若選擇不當(dāng)，則可能導(dǎo)致控制失去意義，甚至引發(fā)生產(chǎn)事故或造成經(jīng)濟(jì)損失。選擇被控變量時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：1.直接性原則：優(yōu)先選擇對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、安全、環(huán)保等具有直接決定性作用的關(guān)鍵工藝參數(shù)作為被控變量。例如，精餾塔的塔頂或塔底產(chǎn)品純度直接決定產(chǎn)品質(zhì)量，是理想的被控變量。2.可測(cè)性原則：所選被控變量必須能夠被快速、準(zhǔn)確、可靠地測(cè)量。如果某個(gè)直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的參數(shù)難以在線(xiàn)測(cè)量（如某些成分），則需要選擇與該參數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系且易于測(cè)量的間接參數(shù)作為被控變量。3.靈敏性原則：被控變量應(yīng)對(duì)操縱變量的變化具有足夠的靈敏度，以便控制器能夠及時(shí)感知并進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，也應(yīng)能靈敏地反映生產(chǎn)過(guò)程中干擾的影響。4.獨(dú)立性原則：所選被控變量之間應(yīng)盡可能避免強(qiáng)耦合，以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。若過(guò)程存在嚴(yán)重耦合，則需考慮解耦控制或選擇其他獨(dú)立變量。5.工藝合理性與經(jīng)濟(jì)性原則：選擇被控變量時(shí)需考慮工藝操作的合理性和控制方案的經(jīng)濟(jì)性。有時(shí)，雖然某個(gè)參數(shù)重要，但控制成本過(guò)高或?qū)崿F(xiàn)困難，也需要權(quán)衡利弊。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要對(duì)多個(gè)候選變量進(jìn)行綜合評(píng)估和篩選，必要時(shí)還需進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，以確定最佳的被控變量。二、分析與計(jì)算題2.1題目：某石油化工生產(chǎn)過(guò)程中的反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制器。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)定值發(fā)生階躍變化后，系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大超調(diào)，且回復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。請(qǐng)分析可能的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。解析：當(dāng)PID控制器在階躍設(shè)定值變化下出現(xiàn)較大超調(diào)和較長(zhǎng)回復(fù)時(shí)間，通常表明控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能欠佳?？赡艿脑蚣跋鄳?yīng)改進(jìn)措施如下：可能原因分析：1.PID參數(shù)整定不當(dāng)：這是最常見(jiàn)的原因。*比例度過(guò)小（比例增益過(guò)大）：會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度過(guò)高，容易產(chǎn)生超調(diào)。*積分時(shí)間過(guò)短：積分作用過(guò)強(qiáng)，會(huì)加劇系統(tǒng)的振蕩和超調(diào)，延長(zhǎng)回復(fù)時(shí)間。*微分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或微分作用過(guò)強(qiáng)：雖然微分作用能抑制超調(diào)，但在設(shè)定值階躍變化時(shí)，若微分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致控制器輸出出現(xiàn)較大的初始跳變，反而引起被控變量的超調(diào)。2.被控對(duì)象特性的影響：若反應(yīng)釜溫度對(duì)象具有較大的滯后特性（如純滯后或容量滯后），或者時(shí)間常數(shù)較大，本身就容易導(dǎo)致超調(diào)和回復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。3.控制閥等執(zhí)行器特性不佳：例如，控制閥的口徑選擇不當(dāng)、存在嚴(yán)重的非線(xiàn)性（如等百分比、線(xiàn)性、快開(kāi)特性選擇不合適）或卡澀現(xiàn)象，會(huì)影響控制作用的及時(shí)和準(zhǔn)確施加。4.測(cè)量環(huán)節(jié)問(wèn)題：測(cè)量變送信號(hào)存在較大的純滯后或噪聲干擾，會(huì)使控制器接收到的信號(hào)失真或延遲，導(dǎo)致控制動(dòng)作滯后，從而產(chǎn)生超調(diào)。改進(jìn)措施：1.重新整定PID控制器參數(shù)：*適當(dāng)增大比例度（減小比例增益），以降低系統(tǒng)的靈敏度，減小超調(diào)。*適當(dāng)增大積分時(shí)間，減弱積分作用，避免積分飽和導(dǎo)致的超調(diào)和振蕩加劇。*合理設(shè)置微分時(shí)間，對(duì)于設(shè)定值階躍變化，可考慮使用微分先行PID控制方案，以避免微分沖擊。可采用經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例度法或衰減曲線(xiàn)法等進(jìn)行參數(shù)整定。2.針對(duì)對(duì)象特性進(jìn)行補(bǔ)償：*若對(duì)象滯后較大，可考慮引入Smith預(yù)估控制、自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制策略，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。*優(yōu)化工藝操作，盡可能減小對(duì)象的等效滯后和時(shí)間常數(shù)。3.檢查和改進(jìn)執(zhí)行器：*檢查控制閥的工作狀態(tài)，確保其動(dòng)作靈活無(wú)卡澀。*根據(jù)對(duì)象特性和控制要求，選擇合適流量特性的控制閥，并確保其口徑匹配。必要時(shí)進(jìn)行閥門(mén)定位器的調(diào)?；蚋鼡Q。4.優(yōu)化測(cè)量環(huán)節(jié)：*檢查測(cè)溫元件的安裝位置是否合理，避免安裝在死角或存在嚴(yán)重滯后的區(qū)域。*對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波處理，減小噪聲干擾。選擇響應(yīng)速度更快的測(cè)量?jī)x表。在實(shí)際調(diào)試中，應(yīng)首先從最簡(jiǎn)單的參數(shù)整定入手，逐步排查其他可能因素，通過(guò)對(duì)比調(diào)試前后的響應(yīng)曲線(xiàn)，確定最有效的改進(jìn)措施。2.2題目：在一個(gè)典型的煉油廠常減壓蒸餾裝置中，常壓塔塔頂溫度是一個(gè)重要的被控變量。請(qǐng)分析影響塔頂溫度的主要干擾因素有哪些？并簡(jiǎn)述如何選擇操縱變量來(lái)構(gòu)成有效的溫度控制系統(tǒng)。解析：常壓塔塔頂溫度直接影響塔頂產(chǎn)品（如汽油）的質(zhì)量和收率，是常減壓蒸餾裝置中的關(guān)鍵控制參數(shù)之一。影響塔頂溫度的主要干擾因素：1.進(jìn)料流量波動(dòng)：進(jìn)料量的增加或減少，會(huì)改變塔內(nèi)的氣液負(fù)荷，進(jìn)而影響塔頂溫度。通常，進(jìn)料流量由上游裝置控制，但仍可能存在不可避免的波動(dòng)。2.進(jìn)料溫度變化：進(jìn)料溫度升高，會(huì)使塔內(nèi)上升蒸汽量增加，導(dǎo)致塔頂溫度上升；反之則下降。3.進(jìn)料組成變化：進(jìn)料中輕組分含量增加，塔頂易揮發(fā)組分增多，塔頂溫度會(huì)下降；重組分含量增加則塔頂溫度上升。4.回流流量與溫度變化：回流是控制塔頂溫度最常用的手段?；亓髁髁吭黾?，取走的熱量增多，塔頂溫度下降；回流溫度升高，冷卻效果減弱，塔頂溫度上升。5.塔底加熱蒸汽量（或再沸器熱負(fù)荷）波動(dòng)：加熱蒸汽量增加，塔底上升蒸汽量增多，塔頂溫度上升；反之則下降。6.塔頂壓力變化：在塔頂產(chǎn)品組成一定的情況下，壓力升高，對(duì)應(yīng)組分的泡點(diǎn)升高，塔頂溫度也會(huì)隨之升高；壓力降低，塔頂溫度降低。7.冷凝器冷卻效果變化：如冷卻水量、水溫的變化，會(huì)影響塔頂蒸汽的冷凝效果，從而影響塔頂溫度和壓力。操縱變量的選擇：選擇操縱變量的核心原則是：該變量應(yīng)能有效地影響被控變量（塔頂溫度），具有較好的可控性，對(duì)被控變量的影響靈敏，且在工藝上是合理可行的，不會(huì)對(duì)其他重要工藝參數(shù)產(chǎn)生過(guò)大的不利影響。對(duì)于常壓塔塔頂溫度控制，最常用的操縱變量是塔頂回流量。選擇回流量作為操縱變量的原因：1.可控性好：回流量可以通過(guò)控制閥方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.響應(yīng)迅速：回流量的變化直接影響塔頂?shù)娜幔瑢?duì)塔頂溫度的調(diào)節(jié)作用較快。3.影響顯著：回流是控制塔頂溫度最直接和有效的手段，通過(guò)改變回流量可以靈敏地改變塔頂溫度。4.工藝合理性：在精餾操作中，回流是維持塔內(nèi)汽液平衡、保證分離效果的關(guān)鍵因素，通過(guò)調(diào)節(jié)回流量控制塔頂溫度符合精餾原理。在某些情況下，也可能采用塔頂產(chǎn)品采出量作為操縱變量，但這通常會(huì)影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和后續(xù)裝置的進(jìn)料，一般不作為首選。若塔頂壓力控制采用熱旁路等方式，塔頂壓力相對(duì)穩(wěn)定，則主要通過(guò)回流量控制塔頂溫度。若塔頂冷凝器為全凝器，且塔頂壓力通過(guò)不凝氣或冷凝器液位等方式控制，則回流量是控制塔頂溫度的主導(dǎo)手段。此外，還需考慮操縱變量對(duì)系統(tǒng)其他部分的影響，例如，回流量的改變可能會(huì)影響塔的壓力、塔內(nèi)其他板的溫度分布等，但通過(guò)合理的控制方案設(shè)計(jì)（如串級(jí)控制，以塔頂溫度為主控變量，回流量為副控變量），可以有效地克服這些影響，提高控制質(zhì)量。三、綜合應(yīng)用題3.1題目：某石化廠新建一套丙烯聚合反應(yīng)裝置，反應(yīng)器的溫度控制對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和反應(yīng)安全性至關(guān)重要。已知該反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，且反應(yīng)物進(jìn)料流量和催化劑活性波動(dòng)較大。請(qǐng)你為該反應(yīng)器的溫度控制設(shè)計(jì)一個(gè)初步的控制方案，并說(shuō)明選擇該方案的理由、系統(tǒng)的組成及各部分的作用。解析：針對(duì)丙烯聚合這類(lèi)強(qiáng)放熱反應(yīng)，且存在進(jìn)料流量和催化劑活性等較大干擾的反應(yīng)器溫度控制，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠有效克服內(nèi)外干擾、快速響應(yīng)、保證溫度穩(wěn)定的控制方案。考慮到反應(yīng)過(guò)程的復(fù)雜性和強(qiáng)放熱特性，單一的控制方案可能難以滿(mǎn)足要求，因此推薦采用串級(jí)控制方案，并輔以必要的前饋控制或超馳（選擇性）控制以提高系統(tǒng)的控制性能和安全性。推薦控制方案：反應(yīng)器溫度-冷卻水（或熱油）流量串級(jí)控制系統(tǒng)+進(jìn)料流量前饋補(bǔ)償方案理由：1.串級(jí)控制的優(yōu)勢(shì)：*快速克服二次干擾：對(duì)于丙烯聚合反應(yīng)，撤熱介質(zhì)（如冷卻水）的壓力、溫度波動(dòng)是常見(jiàn)的二次干擾。串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路（冷卻水流量或溫度控制）能夠快速檢測(cè)并克服這些干擾，減少其對(duì)主被控變量（反應(yīng)器溫度）的影響。*改善對(duì)象特性：副回路的存在可以等效地減小主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)和滯后，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。*適應(yīng)負(fù)荷和操作條件變化：當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷或催化劑活性發(fā)生變化時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的自適應(yīng)能力和魯棒性。2.前饋控制的必要性：*進(jìn)料流量是一個(gè)可測(cè)但不可控的主要干擾，其波動(dòng)會(huì)直接影響反應(yīng)熱的生成。引入進(jìn)料流量前饋控制，可以根據(jù)進(jìn)料流量的變化預(yù)先調(diào)節(jié)冷卻水量，在干擾尚未影響到反應(yīng)器溫度之前就施加控制作用，從而有效減小干擾對(duì)被控變量的影響，彌補(bǔ)反饋控制的滯后性。系統(tǒng)組成及各部分作用：1.主控制器（TC主）：*被控變量：反應(yīng)器內(nèi)的溫度（通常取反應(yīng)床層熱點(diǎn)溫度或具有代表性的多點(diǎn)平均溫度）。*設(shè)定值：根據(jù)工藝要求設(shè)定的反應(yīng)器目標(biāo)溫度。*作用：接收來(lái)自主測(cè)量變送單元的反應(yīng)器溫度信號(hào)，與設(shè)定值比較后，按照預(yù)定的控制規(guī)律（通常為PID）運(yùn)算，其輸出作為副控制器的設(shè)定值。2.副控制器（FC副或TC副）：*被控變量：冷卻水量（或入口/出口溫度，若水溫波動(dòng)大則可選溫度）。此處以冷卻水量為例。*設(shè)定值：由主控制器的輸出提供。*作用：接收來(lái)自副測(cè)量變送單元的冷卻水量信號(hào)，與主控制器給出的設(shè)定值比較后，運(yùn)算輸出控制信號(hào)至執(zhí)行器。其主要任務(wù)是快速響應(yīng)主控制器的指令和克服作用于副回路的干擾。3.執(zhí)行器：通常為控制冷卻水量的調(diào)節(jié)閥。*作用：接收副控制器的輸出信號(hào)，改變閥門(mén)開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)器夾套或內(nèi)冷盤(pán)管的冷卻水量，以控制反應(yīng)放出的熱量，維持反應(yīng)器溫度穩(wěn)定。4.測(cè)量變送單元：*主測(cè)量：反應(yīng)器溫度測(cè)量，采用高精度、高穩(wěn)定性的熱電偶或熱電阻，安裝在反應(yīng)溫度最具代表性的位置（如熱點(diǎn)）。*副測(cè)量：冷卻水量測(cè)量，采用合適的流量計(jì)（如孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)等）。*前饋測(cè)量：進(jìn)料流量測(cè)量，同樣采用高精度流量計(jì)。5.前饋補(bǔ)償器：*作用：接收進(jìn)料流量測(cè)量信號(hào)，根據(jù)進(jìn)料流量與所需冷卻水量之間的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系（可通過(guò)工藝計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得），產(chǎn)生一個(gè)前饋補(bǔ)償信號(hào)，疊加到主控制器的輸出或直接作為副控制器設(shè)定值的一部分。當(dāng)進(jìn)料流量增加時(shí)，前饋補(bǔ)償器提前增大冷卻水量；反之則減少，從而及時(shí)抵消進(jìn)料流量變化對(duì)反應(yīng)溫度的影響。方案工作流程簡(jiǎn)述：正常工況下，主控制器根據(jù)反應(yīng)器實(shí)際溫度與設(shè)定值的偏差，輸出信號(hào)調(diào)整副控制器的設(shè)定值。副控制器則根據(jù)冷卻水量的實(shí)際值與新設(shè)定值的偏差，快速調(diào)節(jié)控制閥開(kāi)度，改變冷卻水量。當(dāng)進(jìn)料流量增加（或催化劑活性增強(qiáng)導(dǎo)致反應(yīng)放熱增加）時(shí)，前饋補(bǔ)償器檢測(cè)到進(jìn)料流量的變化，立即計(jì)算并輸出一個(gè)增加冷卻水量的信號(hào)，提前進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止反應(yīng)器溫度上升過(guò)高。若冷卻水壓力發(fā)生波動(dòng)導(dǎo)致冷卻水量變化，副控制器能迅速感知并糾正，避免其對(duì)反應(yīng)器溫度造成顯著影響。補(bǔ)充說(shuō)明與安全性考慮：*超馳控制：為確保反應(yīng)安全，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置超馳控制（選擇性控制）。例如，當(dāng)冷卻水量達(dá)到最大仍無(wú)法控制溫度上升，或反應(yīng)器溫度超過(guò)某一危險(xiǎn)上限值時(shí)，超馳邏輯應(yīng)立即切斷進(jìn)料或啟動(dòng)緊急停車(chē)系統(tǒng)（ESD），以防止“飛溫”等惡性事故。*閥門(mén)特性選擇：考慮到聚合反應(yīng)放熱的非線(xiàn)性特性，冷卻水量控制閥宜選擇等百分比特性，以在不同負(fù)荷下均能獲得較好的調(diào)節(jié)性能。*報(bào)警系統(tǒng)：設(shè)置反應(yīng)器溫度高/低限報(bào)警，冷卻水量低限報(bào)警等，提醒操作人員及時(shí)干預(yù)。*復(fù)雜情況應(yīng)對(duì)：若干擾因素更為復(fù)雜或控制精度