風油調節系統和燃油加熱系統的設計

印 濤YIN Tao

（遼河油田總機械廠 自動控制研究所，盤錦 124209）

0 引言

目前，我國油田使用的產生濕飽和蒸汽的設備是直流式蒸汽發生器，即：注汽鍋爐。通過注汽鍋爐產生高壓、高溫的濕飽和蒸汽，注入到生產油井的油層區域內，將油層溫度提高到200℃以上，這樣可以降低原油的粘度，提高原油的流動性，增加油氣的驅動力，從而提高生產油井的稠油產收率，增加原油的產量[3]。由此可見注汽鍋爐是稠油熱采工藝中的重要設備。目前注汽鍋爐發展趨勢正朝著安全、節能、大注氣量方向發展，本文針對遼河油田總機械廠生產的50t/h注汽鍋爐，設計出一套鍋爐的風油比例自動調節系統和燃油加熱系統，來保證鍋爐在滿足油田生產工藝要求的情況下，安全運行，始終處于最佳燃燒狀態，提高鍋爐熱效率。

1 風油調節系統的設計方法及原理

1.1 風油調節系統的設計思想

傳統的經典控制理論和現代控制理論設計出的控制系統都是事先知道被控對象（或過程）精確的數學模型，然后根據數學模型以及給定的性能指標，選擇適當的控制規律，進行控制系統設計。在許多情況下，被控對象很難建立精確的數學模型，對這類對象和過程就很難進行自動控制，而對于這些較難控制的一些生產過程中，有經驗的操作人員進行手動控制，憑借其豐富的經驗，卻可以收到令人滿意的效果。這就是人腦的重要特點之一就是有能力對模糊事物進行識別與判決，看起來不確切的模糊手段常常可以達到精確的目的[7]。

依據上訴思想設計了總機械廠風油調節系統，我們取燃油流量為系統的輸入值，將燃油流量所能達到的允許取值范圍分成十段，在每一段內分別對應一個風門開度值，這個值是通過有經驗的操作人員人工設定的。系統運行時首先判定燃油流量輸入值屬于哪一段，然后向風門控制器輸出這一段所對應的風門開度值，這就是我們對風油自動調節系統設計的基礎。為了達到更好的控制效果，我們又增加了帶有PID控制器的閉環控制環節，對風門的開度進行修正使其達到最優的風油比。在工程中我們取鍋爐排放煙氣中的含氧量作為反饋量，與我們所設定的值求差輸入到PID控制器中，得出風門開度的調節值。最后我們將這個調節值和之前確定的風門開度值相加后得出風門的最終開度值。如圖1所示。

圖1 風油調節原理框圖

1.2 程序的實現

根據上訴控制原理我們完成了相應的程序編制，這里我們給出某一段風門開度程序控制圖具體如圖2所示。

圖2 風油調節程序圖

1.3 本風油調節系統的優點

1）系統響應快速。本系統采用人工經驗控制為基礎，當然后有燃油輸入量后，輸出風門值直接達到了最優控制點處，上下誤差很小，直接達到了較好的控制效果。對比傳統的PID控制系統，減少了尋找最優點，和調節震蕩的過程，所以說響應速度快。

2）穩定性好。本系統以人工經驗數據為基礎，傳統的PID控制量只起調節作用，減少了傳統的PID控制系統用氧化鋯測量含氧量不準，和氧化鋯使用壽命短從而影響系統穩定性的問題。即使系統不啟用PID調節，依靠人工數據也可以達到較好的控制效果。

3）精度高，實現無靜差控制。風油調節本身就是一個純滯后、大慣性和時不確定性的復雜控制對象，本系統中PID調節量中我們特意將比例環節作用調低，將積分環節作用調大，減少系統擾動對PID控制器的影響，是系統輸出始終處于最佳狀態。

4）程序簡化，簡化硬件。本控制系統結構簡單，所以所需硬件及編程語句也都簡化，減少了開發人員的勞動強度。簡化硬件，簡化程序的同時，也減少了成本，減少了系統因硬件損壞而失效的概率，增加了系統的穩定性。

2 燃油加熱控制系統

注汽鍋爐燃油一般是渣油或重油，這些油的粘度高，流動性差。使用前要經過預熱，才能降低燃料油的粘度，以便達到易于泵送、易于控制、易于霧化的目的。在鍋爐處于點火啟爐階段時我們采用電加熱器的方式加熱燃油，當燃油溫度小于70℃時啟動電加熱器，把燃油加熱到85℃后電加熱器停止工作。電加熱器由PLC控制啟停，具體梯形圖見圖3。圖3為電加熱器動作梯形圖。

圖3 電加熱器動作梯形圖

當注汽鍋爐鍋爐正常運行后，鍋爐可以產生高溫、高壓的蒸汽，為節約電能，我們引出小部分蒸汽對燃油加熱，即：采用蒸汽伴熱的方式對燃油進行加熱。通過控制燃油蒸汽伴熱電動閥門的開度來控制加熱燃油的蒸汽量，當燃油溫度過低時，我們增加燃油蒸汽伴熱電動閥的開度增加加熱燃油的蒸汽量，使燃油溫度慢慢升高；當燃油溫度過高時，減少燃油蒸汽電動閥門開度即可。總之我們通過調節加熱燃油的蒸汽量，能夠很好的保證燃油溫度在我們需要的范圍內[1]。燃油溫度自動調節系統采用采用閉環控制方式，將燃油溫度經溫度傳感器檢測出來，與我們設定好的值求差，把此值經PID調節器運算后得出電動閥的開度輸出值，從而達到了我們控制燃油溫度的目的。具體見圖4燃油溫度控制結構框圖。

圖4 燃油溫度控制結構框圖

3 結束語

這兩套控制系統在遼河油田生產的50t/h燃油注汽鍋爐上得到應用，控制效果良好，完全可以保障注汽鍋爐安全、可靠、優質的運行，滿足油田生產的需要。

[1]卓娜,李素華,魏永捷,等.油田燃油注汽鍋爐自動控制系統的設計與實現[J].制造業自動化,2009,7：124-127.

[2]Parts,M.Effect of steam injection into two nearby layers.Journal Of Petroleum Science and Engineering,2003：117-124.

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[4]宋伯生.PLC編程理論、算法與技巧[M].北京：機械工業出版社,2006：311-325.

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[6]陳在平.可編程控制器技術(PLC)系統設計[M].北京：電子工業出版社,2007.

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