石油化工過程控制試題與解析引言石油化工過程控制是確保生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定、高效運行的核心技術(shù)之一。它涉及到自動控制理論、化工工藝知識、儀器儀表技術(shù)以及計算機應(yīng)用等多個領(lǐng)域的交叉融合。對于從事石油化工行業(yè)的工程技術(shù)人員而言，扎實掌握過程控制的基本原理、方法及其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用至關(guān)重要。本文通過若干典型試題的解析，旨在幫助讀者鞏固相關(guān)知識，提升分析和解決實際工程問題的能力。一、概念辨析與簡答題1.1題目：請簡述石油化工過程控制系統(tǒng)的基本組成部分及其主要作用。解析：石油化工過程控制系統(tǒng)通常由以下幾個基本部分組成，它們相互關(guān)聯(lián)，共同完成對生產(chǎn)過程的自動控制任務(wù)。首先是被控對象，它是指需要進(jìn)行控制的石油化工生產(chǎn)設(shè)備或過程，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，是控制的核心對象。其次是測量變送單元，該單元的作用是將被控變量或其他重要過程參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位、成分等）從工藝現(xiàn)場檢測出來，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號（如4-20mADC）或氣壓信號，送往控制裝置。它是控制系統(tǒng)感知過程狀態(tài)的“眼睛”。然后是控制器，這是控制系統(tǒng)的“大腦”。它將測量變送單元送來的過程參數(shù)測量值與設(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)行運算，輸出控制信號。最后是執(zhí)行器，它接收控制器輸出的控制信號，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機械動作，從而改變操縱變量的大小，以實現(xiàn)對被控變量的調(diào)節(jié)。在石油化工過程中，最常用的執(zhí)行器是控制閥。這四個基本部分構(gòu)成了一個閉環(huán)的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，通過不斷地檢測、比較、運算和調(diào)節(jié)，使被控變量維持在設(shè)定值附近，保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定進(jìn)行。1.2題目：在石油化工過程控制中，為何強調(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：在石油化工過程控制中，被控變量的選擇至關(guān)重要，因為它直接關(guān)系到控制方案的成敗和控制效果的優(yōu)劣。一個合適的被控變量能夠直接反映生產(chǎn)過程的關(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，應(yīng)遵循以下基本原則：1.直接性原則：優(yōu)先選擇對產(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.可測性原則：所選被控變量必須能夠被快速、準(zhǔn)確、可靠地測量。如果某個直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的參數(shù)難以在線測量（如某些成分），則需要選擇與該參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系且易于測量的間接參數(shù)作為被控變量。3.靈敏性原則：被控變量應(yīng)對操縱變量的變化具有足夠的靈敏度，以便控制器能夠及時感知并進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時，也應(yīng)能靈敏地反映生產(chǎn)過程中干擾的影響。4.獨立性原則：所選被控變量之間應(yīng)盡可能避免強耦合，以簡化控制系統(tǒng)設(shè)計。若過程存在嚴(yán)重耦合，則需考慮解耦控制或選擇其他獨立變量。5.工藝合理性與經(jīng)濟(jì)性原則：選擇被控變量時需考慮工藝操作的合理性和控制方案的經(jīng)濟(jì)性。有時，雖然某個參數(shù)重要，但控制成本過高或?qū)崿F(xiàn)困難，也需要權(quán)衡利弊。在實際應(yīng)用中，往往需要對多個候選變量進(jìn)行綜合評估和篩選，必要時還需進(jìn)行動態(tài)特性測試，以確定最佳的被控變量。二、分析與計算題2.1題目：某石油化工生產(chǎn)過程中的反應(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)時間較長。請分析可能的原因，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)和較長回復(fù)時間，通常表明控制系統(tǒng)的動態(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)：這是最常見的原因。*比例度過?。ū壤鲆孢^大）：會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度過高，容易產(chǎn)生超調(diào)。*積分時間過短：積分作用過強，會加劇系統(tǒng)的振蕩和超調(diào)，延長回復(fù)時間。*微分時間過長或微分作用過強：雖然微分作用能抑制超調(diào)，但在設(shè)定值階躍變化時，若微分時間過長，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.被控對象特性的影響：若反應(yīng)釜溫度對象具有較大的滯后特性（如純滯后或容量滯后），或者時間常數(shù)較大，本身就容易導(dǎo)致超調(diào)和回復(fù)時間長。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)重的非線性（如等百分比、線性、快開特性選擇不合適）或卡澀現(xiàn)象，會影響控制作用的及時和準(zhǔn)確施加。4.測量環(huán)節(jié)問題：測量變送信號存在較大的純滯后或噪聲干擾，會使控制器接收到的信號失真或延遲，導(dǎo)致控制動作滯后，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)置微分時間，對于設(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)驗湊試法、臨界比例度法或衰減曲線法等進(jìn)行參數(shù)整定。2.針對對象特性進(jìn)行補償：*若對象滯后較大，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)的動態(tài)性能。*優(yōu)化工藝操作，盡可能減小對象的等效滯后和時間常數(shù)。3.檢查和改進(jìn)執(zhí)行器：*檢查控制閥的工作狀態(tài)，確保其動作靈活無卡澀。*根據(jù)對象特性和控制要求，選擇合適流量特性的控制閥，并確保其口徑匹配。必要時進(jìn)行閥門定位器的調(diào)?；蚋鼡Q。4.優(yōu)化測量環(huán)節(jié)：*檢查測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。*對測量信號進(jìn)行濾波處理，減小噪聲干擾。選擇響應(yīng)速度更快的測量儀表。在實際調(diào)試中，應(yīng)首先從最簡單的參數(shù)整定入手，逐步排查其他可能因素，通過對比調(diào)試前后的響應(yīng)曲線，確定最有效的改進(jìn)措施。2.2題目：在一個典型的煉油廠常減壓蒸餾裝置中，常壓塔塔頂溫度是一個重要的被控變量。請分析影響塔頂溫度的主要干擾因素有哪些？并簡述如何選擇操縱變量來構(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：進(jìn)料量的增加或減少，會改變塔內(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。2.進(jìn)料溫度變化：進(jìn)料溫度升高，會使塔內(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：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，對應(yīng)組分的泡點升高，塔頂溫度也會隨之升高；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，對被控變量的影響靈敏，且在工藝上是合理可行的，不會對其他重要工藝參數(shù)產(chǎn)生過大的不利影響。對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?，對塔頂溫度的調(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，塔頂壓力相對穩(wěn)定，則主要通過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系統(tǒng)其他部分的影響，例如，回流量的改變可能會影響塔的壓力、塔內(nèi)其他板的溫度分布等，但通過合理的控制方案設(shè)計（如串級控制，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)為強放熱反應(yīng)，且反應(yīng)物進(jìn)料流量和催化劑活性波動較大。請你為該反應(yīng)器的溫度控制設(shè)計一個初步的控制方案，并說明選擇該方案的理由、系統(tǒng)的組成及各部分的作用。解析：針對丙烯聚合這類強放熱反應(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)計一個能夠有效克服內(nèi)外干擾、快速響應(yīng)、保證溫度穩(wěn)定的控制方案?？紤]到反應(yīng)過程的復(fù)雜性和強放熱特性，單一的控制方案可能難以滿足要求，因此推薦采用串級控制方案，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）流量串級控制系統(tǒng)+進(jìn)料流量前饋補償方案理由：1.串級控制的優(yōu)勢：*快速克服二次干擾：對于丙烯聚合反應(yīng)，撤熱介質(zhì)（如冷卻水）的壓力、溫度波動是常見的二次干擾。串級控制系統(tǒng)中的副回路（冷卻水流量或溫度控制）能夠快速檢測并克服這些干擾，減少其對主被控變量（反應(yīng)器溫度）的影響。*改善對象特性：副回路的存在可以等效地減小主對象的時間常數(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，串級控制系統(tǒng)比簡單控制系統(tǒng)具有更強的自適應(yīng)能力和魯棒性。2.前饋控制的必要性：*進(jìn)料流量是一個可測但不可控的主要干擾，其波動會直接影響反應(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被控變量的影響，彌補反饋控制的滯后性。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)床層熱點溫度或具有代表性的多點平均溫度）。*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：接收來自主測量變送單元的反應(yīng)器溫度信號，與設(shè)定值比較后，按照預(yù)定的控制規(guī)律（通常為PID）運算，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：接收來自副測量變送單元的冷卻水量信號，與主控制器給出的設(shè)定值比較后，運算輸出控制信號至執(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，改變閥門開度，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)器夾套或內(nèi)冷盤管的冷卻水量，以控制反應(yīng)放出的熱量，維持反應(yīng)器溫度穩(wěn)定。4.測量變送單元：*主測量：反應(yīng)器溫度測量，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）。*副測量：冷卻水量測量，采用合適的流量計（如孔板流量計、渦街流量計等）。*前饋測量：進(jìn)料流量測量，同樣采用高精度流量計。5.前饋補償器：*作用：接收進(jìn)料流量測量信號，根據(jù)進(jìn)料流量與所需冷卻水量之間的動態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系（可通過工藝計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得），產(chǎn)生一個前饋補償信號，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，前饋補償器提前增大冷卻水量；反之則減少，從而及時抵消進(jìn)料流量變化對反應(yīng)溫度的影響。方案工作流程簡述：正常工況下，主控制器根據(jù)反應(yīng)器實際溫度與設(shè)定值的偏差，輸出信號調(diào)整副控制器的設(shè)定值。副控制器則根據(jù)冷卻水量的實際值與新設(shè)定值的偏差，快速調(diào)節(jié)控制閥開度，改變冷卻水量。當(dāng)進(jìn)料流量增加（或催化劑活性增強導(dǎo)致反應(yīng)放熱增加）時，前饋補償器檢測到進(jìn)料流量的變化，立即計算并輸出一個增加冷卻水量的信號，提前進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止反應(yīng)器溫度上升過高。若冷卻水壓力發(fā)生波動導(dǎo)致冷卻水量變化，副控制器能迅速感知并糾正，避免其對反應(yīng)器溫度造成顯著影響。補充說明與安全性考慮：*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)到最大仍無法控制溫度上升，或反應(yīng)器溫度超過某一危險上限值時，超馳邏輯應(yīng)立即切斷進(jìn)料或啟動緊急停車系統(tǒng)（ESD），以防止“飛溫”等惡性事故。*閥門特性選擇：考慮到聚合反應(yīng)放熱的非線性特性，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。*報警系統(tǒng)：設(shè)置反應(yīng)器溫度高/低限報警，冷卻水量低限報警等，提醒操作人員及時干預(yù)。*復(fù)雜情況應(yīng)對：若干擾因素更為復(fù)雜或控制精度