油田臥式水套加熱爐水溫恒溫控制方法研究

秦昀亮，王國江，程雪濤，徐向前

（1.中國石油長慶油田分公司技術監測中心，陜西西安710018；2.西安石油大學，陜西西安710065）

1 現 狀

現在廣泛應用在油、氣田行業的加熱爐，稱之為油田加熱爐，是油氣集輸系統中應用最多的油田專用設備之一[1-3]。油田加熱爐是通過火焰加熱原油、天然氣、水及其混合物等介質的專用加熱設備。僅長慶油田目前就有各類加熱爐超過5 000臺，且80%為以上為臥式水套加熱爐。

油田臥式水套加熱爐的熱效率較低，為了提高熱效率，對爐體進行了結構優化。比如根據油田臥式水套加熱爐的排煙溫度還比較高[4-5]，安裝了熱管對煙氣余熱。安裝熱管后的臥式水套加熱爐見圖1所示。

圖1 臥式水套加熱爐的結構示意圖

由圖1 可知臥式水套加熱爐的結構，主要有燃燒器、火筒、防爆門、盤管、爐體、漲水箱、煙囪、回煙室等部件構成。臥式水套加熱爐采用經典的兩回程結構，火筒采用E型結構。燃燒器安裝在火筒左側出口，防爆門與火筒的右側直通。爐體內充滿水，盤管浸在水中，燃燒器工作時，將燃料燃燒產生的熱量通過火筒傳遞給水，水通過盤管加熱介質。為了提高熱效率，火筒采用了波形火筒，煙管采用了螺紋煙管，選用了良好的保溫材料和較為先進的施工工藝，確保熱量損失最小。根據熱管的工作原理和結構，將熱管安裝在回煙室與爐體分隔的隔板上，一端位于高溫煙氣側，一端位于水浴側，起到對煙氣余熱回收，降低排煙溫度，達到提高加熱爐熱效率的目的。

加熱爐的結構優化在提高熱效率的同時給水溫恒溫控制帶來了新問題。波形火筒、螺紋煙道、熱管和優質保溫材料對于水溫提升速度有著積極的作用。盤管中的被加熱介質中含水量和含氣量會發生變化，同時盤管的入口壓力和流量也會變化，那么加熱爐水溫的恒溫控制就比較困難。加熱爐水溫溫度過高，增加燃料消耗，溫度過低，會影響被加熱介質的正常輸送。加熱爐的水溫控制是一個典型的大慣性、純滯后的控制，因此提出單神經元SVM-Smith預估水溫控制。

2 加熱爐的單神經元Smith預估水溫控制

根據以上油田加熱爐的結構，為了提高熱效率，需要對水溫進行嚴格的控制，同時降低燃料的消耗。加熱爐的水溫控制屬于一個具有大慣性、純滯后的非線性過程控制，再由于加熱爐結構的優化，特別是熱管的應用以及被加熱介質的流量的不確定性等，所以采用常規的PID算法進行控制，會出現較大的超調量，控制效果不佳。在此提出采用Smith預估補償，采用單神經元PID算法進行改進，減少超調量，準確控制水溫，提高熱效率。

油田加熱爐的水溫控制是一個大滯后的控制。油田加熱爐內的水溫上升過程需要一定的時間，也就是在水溫的控制過程中是存在純滯后的，這樣控制過程中就會出現超調或者較長時間進行調節。根據油田水套加熱爐的結構，可以看出除了溫度控制是個滯后系統外，被加熱介質的流量的變化和熱管的使用都會給溫度控制帶來一定的影響。為了提高加熱爐的熱效率，需要對水溫進行較為準確的控制。

通常采用的PID控制，對于大滯后系統，控制效果不理想[6]，需要進行另外的補償。使用Smith預估補償可以有效的減小超調加快響應[7-9]，但是需要與控制模型精確匹配。這樣在油田加熱爐上很難做到。Smith 預估算法與模型失配時，控制效果就會不理想。因此對Smith 模型進行了改進，把自適應控制與Smith 預估器有機的結合起來，對控制系統的參數進行整定，如圖2所示。采用Smith 預估補償減小PID 控制的超調量，應用單神經元對PID進行參數整定，使得Smith預估補償與控制模型匹配，見圖3。

圖2 單神經元Smith預估控制系統結構示意圖

圖3 增益可調的單神經元PID控制算法

圖3中，yr和y0是系統的設定值和輸出值，則

則神經元控制器輸出可寫成：

采用Hebb學習規則，進行規范化處理后可得

式中：ηI、ηp、ηD分別是積分、比例、微分的學習速率。

對于增益K的調整，采用將PSD 算法與單神經元PID控制相結合，構成一個增益可自動調整的控制器。調整算法如下：式中：0.025≤c≤0.05，0.05≤L*≤0.1。該增益K 的調整算法不需要精確的數學模型，其自調整是通過檢測輸出、給定值，從而形成增益自調整。比如，當偏差一直同號時，即上一時刻偏差與當前偏差同號，此時輸出值偏離給定值，K(k)的值將會自動增大，使系統輸出盡可能快地接近給定值，其增大的速度與Tv 成反比。當系統偏差異號時，即上一時刻偏差與當前偏差異號，此時輸出值在給定值附近上下波動，K(k)值將下降到上一時刻值的75%，減小增益，使系統輸出向給定值靠近。

根據圖2和圖3以及以上的公式，在matlab中進行了仿真。仿真中應用Smith 預估器，通過改進的單神經元PID算法計算出當前控制量，傳送給控制對象。其中對比了常規PID 與單神經元Smith 的控制效果，如圖4所示?？梢姼倪M后的PID算法能夠保持系統的穩定，減少振蕩次數，提高收斂速度。

圖4 單神經元Smith-PID與常規PID仿真控制比較

3 結 論

臥式水套加熱爐是油田的主要能耗設備，對其水套水溫恒溫控制，有利于熱效率的提高。由于加熱輸送介質的變化、加熱爐爐體結構的優化以及環境的影響，現實水套水溫的恒溫控制有一定困難。針對以上問題，在常規PID控制的基礎上，應用單神經元對PID參數進行整定，采用Smith 預測補償水溫控制的滯后性，構成了單神經元Smith-PID 控制。對該控制算法進行了計算機仿真，仿真結果證明了其有效性。