模糊控制在燃煤注汽锅炉控制系统中的应用.pdf

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1、大连海事大学硕士学位论文模糊控制在燃煤注汽锅炉控制系统中的应用姓名：纪春萌申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：孟宪尧20080301中文摘要摘要注汽锅炉是油阳注蒸汽热采的关键设备，是油阳热采工艺过程中能耗最大的设备之一。随着稠油开采规模的不断扩大，如何提高锅炉蒸汽的质量，降低注汽锅炉能耗已成为一个亟待解决的问题。油田注汽锅炉自上世纪8 0 年代引进以来，已逐步实现了国产化，但其控制系统的自动化程度仍停留在原来的技术水平上，并且其控制效率低下。随着先进控制理论和计算机技术的不断发展，将模糊控制等先进控制技术应用于注汽锅炉控制，提高注汽锅炉控制系统的控制效率已成为一种趋势。本论文在

2、系统阐述注汽锅炉工艺流程的基础上，对注汽锅炉控制系统的控制要求进行分析，提出注汽锅炉控制系统目前存在的控制难点。由于蒸汽干度和蒸汽压力是注汽锅炉运行的重要参数和性能指标，也是制约注汽锅炉安全、节能运行的控制瓶颈，因此本文在对模糊控制进行重点研究的基础上，对蒸汽压力、风煤随动，蒸汽干度环节进行了模糊控制器设计。并将模糊控制M a t l a b 仿真结果应用于实际系统。在蒸汽干度控制策略实施过程中，通过检测锅炉给水和炉水电导率测量蒸汽干度。在分析影响蒸汽干度的主要因素基础上，采用了工程实用的前馈一反馈控制复合控制技术，确保了蒸汽干度控制的精度和稳定性。此外，设计了控制系统的模糊控制器并编制了部分

3、监控软件。关键词：注汽锅炉；模糊控制；前馈一反馈控制；蒸汽压力；蒸汽干度英文摘要A b s t r a c tS t e a m i n j e c t i o nb o i l e ri st h ek e ye q u i p m e n to ft h e r m a ld r i v e，a n di ti sa l s ot h ee q u i p m e n tw h o s ee n e r g yc o n s u m p t i o ni st h el a r g e s ti nt h et h e r m a ld r i v ep r o c e s s W i t

4、 ht h ee n l a r g e m e n to fh e a v yo i lr e c o v e r y Ss c a l e，t h ep r o b l e mh o wt oe n h a n c et h ed r y n e s sq u a l i t ya n dd e c r e a s et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fs t e a m i n j e c t i o nb o i l e ri sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t S i n c

5、 es t e a m i n j e c t i o nb o i l e rw a si n t r o d u c e df r o mA m e r i c aa t19 8 0 s，t h em a n u f a c t u r eo fi th a sr e a l i z e di n d u s t r i a l i z a t i o ni n t e r i o r l y B u tt h ec o n t r o ls y s t e mo fs t e a m i n j e c t i o nb o i l e rs t i l ls t a y sa tt h

6、 eq u o n d a mt e c h n o l o g i cl e v e l I t Sc o n t r o le f f i c i e n c yi sn o th i 醢，t o o。A l o n gw i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fa d v a n c e dc o n t r o lt h e o r ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y,t h a ta p p l y i n gt h ea d v a n c e dc o n t r o lt e

7、 c h n o l o g i e ss u c ha sf u z z yc o n t r o lt ot h ec o n t r o lo fs t e a m i n j e c t i o nb o i l e ra n de n h a n c i n gt h ec o n t r o le f f i c i e n c yo fc o n t r o ls y s t e mh a sb e c a m ea ni n e v i t a b l et r e n d B a s e do nt h es y s t e m a t i ce x p a t i a t

8、i o no nt e c h n o l o g i cp r o c e s so fs t e a m i n j e c t i o nb o i l e r,t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o n t r o le f f e c t st h a tt h ec o n t r o ls y s t e mo fs t e a m i n j e c t i o nb o i l e rm u s ta c h i e v ea n dp u t sf o 瓶t h ed i f f i c u l t i e st h a tc o n

9、 t r o ls y s t e mm a ye n c o u n t e r D r y n e s sf r a c t i o na n ds t e a mp r e s s u r ea r et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fs t e a m i n j e c t i o nb o i l e r T h e ya r et h eb o t t l e n e c k st h a th a m p e rt h es a f ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fs

10、 t e a m i n j e c t i o nb o i l e r,t o o S oa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fb o i l e rs y s t e m，t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ec o n t r o ls c h e m eb a s e do nf u z z yc o n t r o lt oa d j u s tt h er u np a r a m e t e r so fb o i l e r S t e a mp r e s s u

11、r e，t h es c a l eo fw i n da n dc o a lf u z z yc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ec o l l e c t e dr e a l-t i m ed a t ad u et om a n yv a r i a t i o na n dr a n d o md i s t u r b a n c e s M o r e o v e r,t h es i m u l a t i o nr e s u l to fF u z z yc o n t r

12、 o lb yM a t l a bl a n g u a g eh a sb e e na p p l i e di nt h es y s t e m。D r y n e s sf r a c t i o ni sm e a s u r e db yd e t e c t i n gi n l e tw a t e ra n do u t p u tw a t e rc o n d u c t o ra n a l y s i sd u r i n gt h ei m p l e m e n t a t i o no fd r y n e s sf r a c t i o nc o n t

13、 r o ls t m t e g y F e e d英文摘要f o r w a r d-f e e d b a c kc o n t r o lt e c h n o l o g yt h a ti sg o o df o re n g i n e e r i n gh a sb e e na d a p t e dt ot h es y s t e mb a s e do na n a l y s i so fi t sp r i m a r ye f f e c t G o o dr e s o l u t i o na n ds t a b i l i t yh a sb e e no

14、 b t a i n e d B e s i d e s，t h ew h o l et h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ea c h i e v e da n ds o m eo ft h em o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r eh a sb e e np r o g r a m m e d K e y w o r d s：S t e a m-i n j e c t i o nB o i l e r；F u z z yC o n t r o l；F e e df

15、o r w a r d f e e d b a c kC o n t r o l；S t e a mP r e s s u r e；D r y n e s sF r a c t i o n大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士学位论文=搓糊撞亟9 查懋堪逵遗堡坦控鱼9 丕统虫的廑旦：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：勿

16、另葡2 印孑年乡月细F 1学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密叼(请在以上方框内打。，)论文作者签名：确翩签名：参娩同期：伽扩年罗月；on模糊控制在燃煤注汽锅炉控制系统中的应用第1 章绪论1 1 引言世界原油储量中有相当一部分为稠油和高凝油，因

17、其粘度高，流动性差，采用常规干抽法或注水法开采十分困难，且产量极低。利用注蒸汽加热生产井油层周围的有限区域可以降低原油粘度，进行热力采油。该方法不仅有良好的开采和增产效果，而且对油层具有很好的保护作用。因此，产生高压湿饱和蒸汽的锅炉(称为注汽锅炉)是油田注蒸汽热采的关键设备。目前采用的注汽设备主要是直流式蒸汽发生器即注汽锅炉。在美国、加拿大、委内瑞拉等主要稠油生产国都是采用注蒸汽开采稠油的方式。上世纪8 0 年代我国开始进行稠油开采的研究工作，并从国外引进油田注汽锅炉进行蒸汽驱油的实验性开采，并取得了显著效果。在过去的二十多年里，随着热采规模的不断扩大，越来越多的油田注汽锅炉投入使用，据不完全

18、统计，光新疆克拉玛依油田就有1 7 4 台注汽锅炉。由于中国经济的迅猛发展，对石油的需求越来越旺盛，可以预见，在今后几年注汽锅炉的数量将会不断增加。虽然油田注汽锅炉经历了引进、合作生产、国产化等过程，但其控制系统的自动化程度仍停留在上世纪8 0 年代的技术水平，控制效率较低，从而导致能源的巨大浪费，热采效率难以提高，同时引发严重的环境问题。所以将先进的控制技术运用于注汽锅炉的控制上具有十分重要的意义。1 2 注汽锅炉控制系统的研究现状在注汽锅炉控制系统中，运行参数控制系统是其重要的组成部分，尤其是蒸汽干度控制系绀1 3】更是注汽锅炉控制的难点和提高锅炉蒸汽质量的瓶颈。目前国内外关于注汽锅炉控制

19、系统的研究主要集中在对蒸汽干度控制模型的研究上。1 2 1 国外注汽锅炉控制系统的研究概况美国首先在1 9 5 9 年进行注蒸汽开采稠油试验，发现蒸汽吞吐工艺可以大幅度地增加重质高黏度稠油产量。随后注蒸汽采油技术在加拿大、印度尼西亚和土耳第1 章绪论其等国都得到广泛应用。将先进的控制技术运用到注汽锅炉中，提高锅炉的性价比，提升自身产品的市场竞争力也一直是国外注汽锅炉厂家努力的方向。美国桑特菲能源公司1 9 8 3 年5 月制造了蒸汽干度监控器样机，安装在克恩河油田的S G 1 4 3 锅炉上。用测量湿饱和蒸汽溶解固体总粘度和物料平衡法进行比较，系统起动非常平稳。该控制器通过与串行通讯与实现管理

20、功能的小型计算机联接，能自动或根据操作者命令报告锅炉的工作状况，然后由管理计算机根据接收的数据作出报告，分析数据并画出图表，可自动打印每月每日记录的数据，包括注汽锅炉运转时间、燃料消耗量和产生的蒸汽数量等。操作者在校正处理设定范围以外的变化之后，就能立即看到燃料流量和注汽参数的修正。进入上世纪9 0 年代，美国克恩河(K E R V N)油田、德士古(T E X A C O)石油公司等大型稠油油田采用蒸汽传输过程中的蒸汽驱监测等技术【4】，经过蒸汽驱开采，采收率达到8 0，主要采取了以下控制系统：(1)蒸汽锅炉集中供热和热电联供保证井下较高的蒸汽干度，使注入地层的蒸汽干度达到9 0 左右。可为

21、油田提供5 5 1 t h 蒸汽。运行测试表明，该系统大大减少了蒸汽生产成本，获得了显著的综合效益。(2)计量站和联合管理站高度自动化，随时可以了解每口井、每个站的产油、产水和含水。近年来国外不断将先进的控制技术运用到注汽锅炉中【，其中美国休斯敦热力系统公司等均已提出自己的控制系统模型，美国Z w o r l d 公司生产出C R C G D 2 0 0 1 型油F f l 注汽锅炉蒸汽干度控制仪【引。最具有代表性的是美国博软(S Y B O S O F T)公司提出M F A(M o d d-F r e eA d a p t i v e)注汽锅炉控制模型，已取得较好的控制效果【9】。M F

22、A 实际上是一种人工神经网络模型，该控制器在设计上采用了一个多层感知器结构的人工神经网络(A N N)，有一个输入层、一个具有N 个神经元的隐含层和一个只有一个神经元的输出层。其单输入单输出控制器结构如图1 1 所示。在这个神经网络中有一组可以根据需要而改变的权重因子(W i j 和l l i)，从而2模糊控制在燃煤注汽锅炉控制系统中的应用对控制器的行为进行调整。更新权重因子的算法是以缩小设定值与过程变量之间的偏差为目标。由于其效果与控制目标是一致的，因此，采用权重因子能帮助控制器在过程动态特性发生变化的时候减小偏差。此外，基于人工神经网络的M F A控制器保存了一部分历史数据，为了解过程动态

23、特性提供有价值的信息。M F A 无需过程辨识，是一种基于非参数模型的控制器。该系统可自动调整空气与燃料的比例和给水流量与燃料的比例，将蒸汽干度保持在某一范围内，提高了燃烧效率，出，e(t)8、E o=l1，甲E 1、垫葚曲杂、净吨圈o(t!，k审E，：0笺X、7 u琴f；南h 一弋7 L 图1-1S I S O M F A 控制器结构F i g 1 1T h es t r u c t u r eo fS I S OM F Ac o n t r o l l e r可取得较好的控制效果。一旦配置好后，随时能投运M F A 控制器，并立刻对过程进行控制。可随时将M F A 控制器在自动和手动之间进

24、行切换，无需特殊的无扰动切换步骤。目前，基于M F A 控制模型的注汽锅炉控制系统得到了广泛的应用，在国内，中石油已经在辽河油田的某注汽锅炉上实现了多变量M F A 控制，并取得了较好的控制效果。国外还生产出蒸汽干度的在线检测产品【眦1 2】。加拿大原子能有限公司研制的中子密度计与流量测量装置结合，可确定井口的蒸汽干度和质量流量。美国T u n d r a 公司通过预定质量流量和穿过测流嘴或孔板的压降和焓输出速度确定蒸汽干度。美国T e x a c o 公司通过在蒸汽注入井井口安装孔板临界流量节流器，以控第l 章绪论制蒸汽注入流量，上游增加一个孔板进行二次测量，通过联立求解独立的质量流量方程式

25、，确定蒸汽干度。同时该公司研制了通过检测流动蒸汽的电容和蒸汽温度或压力来计算蒸汽干度。最近，该公司还研制出一种蒸汽干度声监控系统，利用声能能量直接激励加速度计，通过声能频率的振幅依照蒸汽干度变化连续监控注汽井的蒸汽干度。美国桑特菲公司对位于克恩河油田注汽工程的6 7 口连续注汽井装配了Q B a r 蒸汽比重计、流量计和微处理器，可连续测量蒸汽的温度、干度、质量流量和能量。利用这些输入数据计算出蒸汽干度，在1 秒钟内更新干度读数1 5 次。此外还有伽玛射线蒸汽干度控制仪器等。美国P S 公司开发的8 8 0 1型光纤多参数热采井系统基于光学传感器、光纤、先进的高温电子部件，使用内部参考电路及光

26、学补偿的传感系统设计替代了由于多测量对象的交叉感应，蒸汽干度测量精度达1。1 2 2 国内注汽锅炉控制系统的研究概况从2 0 世纪8 0 年代中石油辽河油田高升采油厂引进第一台注汽锅炉以来，注汽锅炉已经实现了国产化，上海四方锅炉厂和中国石油天然气第八建设公司设计和生产了目前国内大多数注汽锅炉。采用传统的仪表监控和手动控制方式【1 3】，控制效率较低，从而导致能源的巨大浪费，热采效率难以提高。同时由于注汽锅炉是一个非线性分布参数、大延时、强耦合的被控对象，传统P I D 控制方式的效果并不理想。目前国内提出的注汽锅炉控制系统主要有以下几类：串级P I D 控制、多变量预测控制、模糊P I D 双

27、模控制器、基于分层遗传算法的智能控制等几种控制方案。(1)串级P I D 控制北京安控科技公司在分析注汽锅炉工艺特点后设计了E C H O5 7 0 6 锅炉蒸汽干度控制系统，该控制系统将蒸汽干度作为主被控变量，水流量作为副被控变量，给水流量为操纵变量组成串级控制。在由副被控变量组成的副回路，采用副环P I D 最优控制算法调整给水泵变频器远端控制信号，改变给水流量大小，大大削弱了给水流量对蒸汽干度的影响。主回路控制器对蒸汽干度进行调节，实现蒸汽干度的自动跟踪控制。其控制算法框图如图1 2 所示。4模糊控制在燃煤注汽锅炉控制系统中的应用图l 一2 串级P I D 控制算法框图F i gl-2t

28、 h ec h a r to fc a s c a d eP I Dc o n t r o l该控制系统虽然能迅速克服进入副回路扰动的影响，但该串级控制系统设计了两个控制器，只有在给水出现偏差之后副控制器才起作用，通过调节变频器频率来消除给水偏差，再加上副控制器是一个慢动作的控制器，所以给水的回复过程比较缓慢；副控制器对主控制器而言构成扰动，受其影响，干度在较长时间内存在余差，控制精度低；另外，主副控制器均采用简单的P I D 调节，对于注汽锅炉蒸汽干度这样一个大惯性、大迟延的复杂对象来说，很难取得较高的控制精度。(2)多变量预测控制文献【1 5】中，清华大学邢远华等学者提出了注汽锅炉蒸汽干度

29、的多变量预测控制方案。其原理如图1 3 所示。该系统设计了一个两输入两输出的预测控制器，当来自外界的干扰(如注汽管网压力的波动等)或内部的干扰(如燃料的成分、燃料压力的改变)蒸汽干度偏离设定值时，预测控制器作用使燃料流量调节和给干度图1 3 注汽锅炉蒸汽干度多变量预测控制原理框图F i g 1-3t h ec h a r to fm u l t i v a r i a b l ep r e d i c t i v ec o n t r o lo fd r y n e s sf o rs t e a m i n j e c t i o nb o i l e r5第1 章绪论水流量调节同时作用，快

30、速消除蒸汽干度偏差，给水流量同时也作为多变量预测控制器的一个输入，通过燃料流量和给水流量的协调，使出口蒸汽的干度保持设定值，锅炉给水也保持原来的数值，而且通过进入炉膛燃料量的改变克服了扰动对蒸汽干度的影响。(3)模糊P I D 双模控制器模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。如图1 4 所示，该控制器由一个选通开关控制，当系统远离稳定时(干度偏差大时)选通模糊控制模块；系统接近稳态后，P I D 调节控制模块被选通，在稳定点附近对系统进行调节。这种控制器提高了时滞系统的动态性能和稳态特

31、性。图1-4F u z z y-P I D 双模控制原理图F i g 1-4t h ec h a r to ff u z z y-P I Dc o n t r o l这种控制器虽然能极大地提高小时滞系统的动态性能和稳态特性，但对于蒸汽干度这类具有较大时滞的控制对象来说，其控制效果并不理想。其原因在于控制器中所采用的模糊控制规则一般由被控变量偏差、偏差的变化和控制量三个语言变量构成，基于该规则结构的模糊控制和P I D 控制均属“事后控制型”，即仅根据当前可以测量的被控量的偏差信息来确定控制量。对于大滞后对象，由于被控变量的偏差不能及时反映控制量的变化，因而控制效果较差。6模糊控制在燃煤注汽锅炉

32、控制系统中的应用(4)基于T-S 模糊模型的模糊预测控制重庆大学段黎明等学者提出采用蒸汽压力误差及其变化率为输入量的二维模糊控制器调节给水流量，以及基于T-S 模糊模型的燃料量和蒸汽干度的模糊预测控制方梨1 7 1。其控制器结构如图1 5 所示，该系统提高了燃油注汽锅炉的蒸汽质量，具有较好的控制性能。此外我国学者对蒸汽干度检测也做了许多探索1 4】，根据道尔顿(D a l t o n)分压定律，总压力等于各组成气体分压力之和，中油辽河采油院通过在注汽锅炉出口处管道安装一只孔根(或长颈喷嘴)、差压变送器，测量湿蒸汽的差压信号，在注汽锅炉入口流量气信号处安装气电转换器，提取流量信号，将流量、压力、

33、差压信号一起送入测控仪进行处理，经整理后配合数据库进行数学分析，产生当前状图1 5 蒸汽干度控制器结构图F i g 1-5T h es t r u c t u r eo ft h ed r y n e s sf r a c t i o nc o n t r o l l e r况下蒸汽干度值。此外还有利用水平直管段静压等相关参数计算注汽干度方法。文献【1 6 J 中，大连理工大学冯林等学者在孔板计量法的基础上，经过大量的实验，运用分层遗传算法对蒸汽干度模型进行辨识的研究，给出辩识结果中最大适应曲线和误差曲线，优化了蒸汽干度模型的结构和参数，提高了注汽锅炉蒸汽干度的控制精度。使提高蒸汽干度控制性能

34、与维持锅炉负荷相对稳定两者之间实现了较好的协调和有效的配合。文献【2 2 J 中，西安交通大学通过孔板流量计等测量相关参7第1 章绪论数计算蒸汽干度，文献【2 3 1 中，大连理工大学通过操作站、工程师站组成的小型局域网，建立了湿蒸汽干度的软测量模型，并采用遗传算法进行优化计算。文献【2 4】中，苏州大学运用光纤传感器技术研制的干度测量仪，通过水汽两相流在光学界面上不同折射率具有的不同反应，直接得出干度变化的响应值。以上各种试验方法都取得了一定的成果，但生产出应用产品还需大量的研究工作。1 3 选题意义随着我国对石油需求的日益增加，稠油的开采规模也不断的扩大。据统计，2 0 0 3 年新疆油田

35、的石油开采量中有4 0 是重油，因此注汽锅炉的数量也不断增加，仅胜利油田、辽河油田就有注汽锅炉1 0 0 余台。这些锅炉多采用原油或天然气为燃料，每开采十吨稠油，需消耗一吨原油，注汽锅炉已经成为油田热采中的主要耗能设型2”6】。据统计我国目前每年有百分之五十的原油需要进口。一方面石油资源不足，而另一方面煤炭资源丰富，是石油储量的四十倍。为此我国提出注汽锅炉燃料“以煤代油 计划，所以实现对燃油注汽锅炉的燃煤化改造具有广阔的市场前景和良好的社会效益。由于注汽锅炉在各油f f l 得到了广泛应用，对注汽锅炉自动控制系统进行改造，将先进的控制技术运用到注汽锅炉控制系统中，提高蒸汽质量，提高油层的吸热效

36、率，降低热采成本，项目本身就具有重要的实际意义，可产生重大的经济效益。同时，注汽锅炉是一个典型的非线性时变多变量耦合系统，用常规的控制手段很难得到理想的控制效果，对其控制算法进行研究，也具有重要的理论意义。1 4 本文的主要工作本文以课题“旋风流渣式燃煤注汽锅炉计算机监控系统研制”为背景，结合旋风流渣式燃煤注汽锅炉(以下简称燃煤注汽锅炉)在j=河油田注汽站的注汽试验，进行了大量研究和模拟实验工作，对燃煤注汽锅炉自动控制技术进行了深入的研究。主要研究了以下内容：(I)在充分调研基础上，深入分析了国内外注汽锅炉控制系统的研究现状，说明了本课题的提出的背景、研究的主要内容和意义。模糊控制在燃煤注汽锅

37、炉控制系统中的应用(2)介绍了注汽锅炉的生产工艺流程，针对蒸汽干度对象特征和影响蒸汽干度的因素之间的关系提出了燃煤注汽锅炉控制系统的参数要求和控制目标值。(3)提出了燃煤注汽锅炉自动控制系统总体方案，该系统采用分层结构，由上、下位机组成。实现全部的硬件系统构成并编制了部分监控软件。(4)设计了风煤随动、炉膛负压控制系统，并将模糊控制思想应用于蒸汽压力及蒸汽干度控制环节，设计了相关模糊控制器。(5)在模拟现场环境中，基于燃煤注汽锅炉蒸汽干度对象特征分析，提出了恒压力和恒流量两种控制策略，给出了控制器结构及其具体算法。设计了基于给水流量前馈和蒸汽干度反馈的蒸汽干度复合控制系统。1 5 本章小结本章

38、概述了燃煤注汽锅炉控制系统的研究背景，分析了国内外注汽锅炉控制系统的研究现状，介绍了本课题研究的目的、意义和内容。9第2 章燃煤注汽锅炉，l：艺基础及控制要求第2 章燃煤注汽锅炉工艺基础及控制要求2 1 注汽锅炉系统流程简介油田注汽锅炉是8 0 年代从国外引进的油田开发专用设备，是随着重油热采技术的发展而出现的一种新型工业锅炉2 7 1。因注汽锅炉必须将它产生的蒸汽强制送入地下油层，所以它的设计工作压力在1 1 M p a 以上。锅炉给水泵就是油田注汽锅炉产生高压的设备，一般为柱塞泵。在注塞泵的作用下从水处理来的软化脱氧水被强制一次性通过预热器、对流段、辐射段各受热面达到要求的蒸汽质量注入地下

39、油层。从工作原理上讲注汽锅炉是一种高压直流锅炉【2 8】。直流锅炉要求很高的给水品质，为了尽量降低对给水的要求，从而简化注汽锅炉配套的水处理设备，注汽锅炉一般生产干度为8 0 的湿饱和蒸汽，在蒸汽出口中至少有2 0 的炉水可溶解各种残余盐分。这样既能最大限度地提高送入地下的每公斤蒸汽的热量，又最大限度地在廉价的水处理设备基础上保证锅炉的安全运行。在蒸汽驱开采过程中，注入油藏的蒸汽将油层加热，使地层中原油温度升高，产、，翌卫4。，雩_-7 等等 兰兰圃趟d 至：!r；一j么哇二_：)毛4 垒三：二图2 1蒸汽驱采油机理F i g 2-1T h ep r i n c i p l eo fs t e

40、 a md r i v eo 订r e c o v e r y1 0模糊控制在燃煤注汽锅炉控制系统中的应用粘度大幅度降低而容易流动，如图2 1 所示，由注入井推向生产井过程中形成蒸汽区、凝结热水区、油带及冷水带以及原始油层带几个不同的温度区及油饱和度区(事实上这些区带之间并无明显的界限)。注入蒸汽压力成为促使原油流动的驱动力，原油中的轻质成分汽化，受到蒸汽的蒸馏作用，在蒸汽带前面形成溶剂油带或轻馏分油带，成为原油在油层里流动的驱动力；蒸汽凝结后变成水，与注水同样转化为原油的驱动力。油层和原油被加热后产生热膨胀，起到将原油挤出油层空隙的作用，同时清除油层污染和疏通油层，起到解堵作用。在注入井周围

41、形成一个饱和蒸汽带，连续注入的蒸汽使蒸汽带向前推进。不断注入的蒸汽，推进热水带并将蒸汽带前缘的热量加热距注入井更远的冷油区，凝结热水加热油层损失热量后，它的温度逐渐降到原始油层温度，未加热的油层保持原始温度。随着蒸汽带及热水带不断向前推进，将可动原油驱扫向前，热水带前面形成了原油饱和度高于原始值的油带及冷水带。此处的驱油形式和水驱相同。2 2 燃煤注汽锅炉总体结构组成图2 2 注汽锅炉水汽系统流程图F i g 2-2t h ef l o wc h a r to f w a t e rv a p o rs y s t e mo fs t e a m-i n j e c t i o nb o i

42、l e r第2 章燃煤注汽锅炉工艺基础及控制要求根据注汽锅炉流程，可以将注汽锅炉分为水汽系统和燃烧系统两部分【2 9 1。2 2 1 水汽系统水汽系统如图2 2 所示，从水处理来的软化脱氧水，经气囊式减震器进入柱塞泵，防止在吸水时抽空，形成气穴引起震动。同时当进口水压力低于进口水压低报警设定值(0 1 M P a)时注汽锅炉将会自动停炉。在柱塞泵出口安装安全阀以保护给水泵免受超压损坏。由于给水泵是容积泵，其排量与电机转速成正比，所以新型号的注汽锅炉都采用变频器调节给水流量。同时，在变频器出现故障时可以采用旁路回水调节阀调节给水流量，此时，给水泵排量保持不变，锅炉给水量通过调节回水调节阀调节，将

43、多余部分的水送回泵进口上游2 5 米以外的地方。在进口管线上采用孔板差压流量计检测给水流量，当给水流量低于系统设定给水流量低报警值时，系统发出停炉信号。经过计量的软化水进入预热器，其温度被提高到露点以上，以避免烟气中的硫酸蒸汽凝结在对流段的翅片管上造成低温腐蚀。预热器出口温度的控制可人工手动调节也可以自动调节旁通阀来实现。预热后的水进入对流段翅片管和光管，在这里吸收约4 0 的热量，使水温升高，再进入预热器加热刚进入的软化水，失掉部分热量，然后进入辐射段。水在辐射段流经全部串联炉管，吸收约6 0 的热量，其温度达到在设定压力下的相对应的饱和温度，压力为设定压力，干度为8 0 的饱和蒸汽。在炉管

44、穿出辐射段炉壁的附近焊接有管壁温度热电偶用来测量炉管的温度，当温度达到设定值时系统将发出自动报警停炉信号，以保护炉管不被烧坏。锅炉出口装有两只安全阀，一个整定在设定压力，另一个整定在高于设定压力3 处，经安全阀后饱和蒸汽进入蒸汽出口汽水分离器，分离出来的炉水经过滤器到取样冷却器冷却降温后，取样分析检测干度；分离出来的蒸汽经蒸汽出口截止阀送入注汽管网。在汽水分离器的下部安装有蒸汽温度热电偶。检测蒸汽出口温度，当温度达到设定值即发出报警停炉信号，以防止锅炉烧过热蒸汽而加速结垢引起爆管。1 2模糊控制在燃煤注汽锅炉控制系统中的应用2 2 2 燃烧系统本体部分：卧式风扇磨、旋风流渣式燃煤器(一级燃烧)

45、、燃尽室和液态渣清除系统组成。原煤经筛分、破碎、磁选后提升至储煤仓中，由定量给料器供给煤量。经磨煤机粉碎成粒度为1 4 0 目至2 0 0 目(7 0 u r n 至ll O u m)的煤粉，在流化状态下通过喷粉管端部的稳焰器，被磨煤机产生的一次风喷入燃煤器内。煤粉喷入燃煤器内，在喷口附近回流区形成驻涡，点燃煤粉使驻涡中建立一个恒定的温度场，而中间保持高温。煤中的灰份在高温下形成流渣沿燃煤器内壁滑落，文献例中指出此时的排渣率达8 0 -8 5。然后将相对洁净的尚未充分燃烧的高温烟气送入燃尽室腔内进行更充分燃烧，并进行二次液态排渣，使排渣率达8 5 -9 5。积聚的液态流渣通过自动除渣机从流渣口

46、排出。辅助部分：配风与供气系统它提供燃料燃烧时所需的空气并排出燃烧后的烟气。虽经二次液态排渣，进入炉膛的高温烟气中仍会有少量烟灰并落在换热管道表面而影响热效率，吹灰系统是采用压缩空气或高压蒸汽将受热面的积灰吹走。烟气经除尘器除尘，达到国家烟尘排放标准后排空。供气系统主要由空气压缩机和干燥器等设备组成。空气压缩机为各种气动仪表、气动阀门和气动执行机构提供气源。空气干燥器清除空气中的油、水和灰尘等杂质。2 3 注汽锅炉控制系统分析注汽锅炉控制系统包括两部分：锅炉时序控制系统和运行参数控制系统。时序控制系统主要是对注汽锅炉的点火程序进行控制，要求较高的实时性；运行参数控制系统主要是对注汽锅炉的运行参

47、数(蒸汽压力、蒸汽干度)进行控制。2 3 1 注汽锅炉时序控制系统燃烧时序控制系统主要实现锅炉点火、吹扫、停炉、升温【3 1】等子系统，要求较高的实时性。注汽锅炉的自动点火过程是保证注汽锅炉能否安全、可靠运行的关键部分，主要完成自动点火过程和安全报警停炉的控制。(1)点火启炉第2 章燃煤注汽锅炉工艺基础及控制要求按照注汽锅炉操作规程做完点火启炉前的准备工作后，按点火启炉按钮。如果所有报警输出处于低电平时，运行联锁得电，则后吹扫计数器被复位。3 秒钟后柱塞泵泵交流接触器线圈得电启动柱塞泵变频器，延时5 秒钟后鼓风机变频器启动，前吹扫电磁阀通电，鼓风机变频器设定频率为5 0 H Z，柱塞泵变频器设

48、定频率为5 0 H Z，水量保持最大。同时前吹扫计数器开始计数，5 分钟后进入点火程序器控制的点火过程，同时前吹扫电磁阀失电，鼓风机变频器设定频率设定值为最小值5 H Z。准备点火，柱塞泵变频器处于调水状态。(2)停炉非正常停炉过程主要是将注汽锅炉的报警信号分为高、低两种不同的报警级别，当高级别报警出现后，系统立即停炉并报警；而低级别报警出现后，系统仅作报警提示而锅炉照常运行。在正常运行中发生任何一种停炉信号，则运行联锁断开，注汽锅炉进入后吹扫阶段，同时给煤机变频器停止工作，报警电铃响。2 0分钟后，给水泵、鼓风机停运前吹扫计数器复位。2 3 2 注汽锅炉运行参数控制系统表征注汽锅炉基本特征的

49、参数包括蒸汽的数量、质量和锅炉运行的经济性。蒸汽的数量指锅炉的蒸发量，也叫锅炉的出力，即锅炉每小时内所产生的蒸汽数量，对整个注汽过程而言，单台锅炉的蒸发量由整个注汽管网的负荷决定。蒸汽质量用蒸汽压力和蒸汽干度两个参数来表示。由于注汽锅炉产生的蒸汽需要被强制送入地下油层，因而蒸汽压力比较高。蒸汽驱时保持合理的注汽速度(单位时间内注入井底的蒸汽量)推动原油前进，过大或过小都不适宜。首先要保持合理的注汽速度推动原油前进，过大或过小都不适宜。注汽速度是指单位时间内注入油井蒸汽的水当量(单位为t h)。因此首先需保持一定的蒸汽压力和蒸汽流量。为保护注汽锅炉，蒸汽压力不能超过额定蒸汽压力。其次要提供高质量

50、的湿饱和蒸汽。由于直流锅炉出口干度最高允许为8 0，如果采用汽水分离器，注汽站出口干度可达9 0 0 o-9 5，考虑注汽管线的热损失，井口蒸汽干度最高可达8 0 0 0 9 0。如采用优质隔热管柱及环空注入氮气等井筒隔热技术，总传热系数可达4 6 5 w(m K)。对每个具体油藏进行蒸汽驱开采，要将蒸1 4模糊控制在燃煤注汽锅炉控制系统中的应用汽干度和蒸汽压力等综合考虑以达到油汽比(吞吐井在一个周期中采出的原油量与注入蒸汽量的比值)及采收率最好【3 2】。因此，需保证蒸汽干度的精度和稳定性。同时要保证注汽锅炉的安全经济运行，实现必要的报警和联锁保护。对蒸汽温度过高、蒸汽管温过高、烟温过高、蒸