注汽鍋爐蒸汽干度模糊-預(yù)測(cè)控制的應(yīng)用研究

郝志旭，肖 軍，李亮亮

（遼寧石油化工大學(xué) 遼寧 撫順 113001）

目前，注汽鍋爐是油田熱采工藝過程當(dāng)中能耗最大的設(shè)備[1]，也是油田注汽熱采的關(guān)鍵設(shè)備之一。我國稠油資源比較豐富，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，稠油開采的規(guī)模在不斷擴(kuò)大。如何提高注汽鍋爐蒸汽干度的自動(dòng)化檢測(cè)精度和控制質(zhì)量一直是亟待解決的問題。

僅遼河油田現(xiàn)在投入使用的注汽鍋爐就有400多臺(tái)，而這些注汽鍋爐的自動(dòng)化控制水平很低，大多是先依靠人工化驗(yàn)測(cè)量蒸汽干度，再通過人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)給水量、燃料量以及風(fēng)流量來控制蒸汽干度。這一過程需要耗費(fèi)大量的人力，控制效率很低。而且控制精度不高，誤差很大。從人工測(cè)得蒸汽干度到調(diào)節(jié)相應(yīng)控制變量需要很長的時(shí)間，滯后現(xiàn)象十分嚴(yán)重。如果能夠通過先進(jìn)的控制算法實(shí)現(xiàn)蒸汽干度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與控制，不但可以節(jié)省大量的人力，而且能夠提高蒸汽質(zhì)量，帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。

筆者多次對(duì)遼河油田錦州采油廠和曙光采油廠的注汽鍋爐現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。在了解現(xiàn)有注汽鍋爐蒸汽干度控制現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上[2]，結(jié)合模糊控制與預(yù)測(cè)控制的特點(diǎn)[3]，提出了注汽鍋爐蒸汽干度模糊-預(yù)測(cè)控制策略。

1 注汽鍋爐蒸汽干度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊控制最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型[4]，而且能夠快速的調(diào)整被控變量，使被控對(duì)象穩(wěn)定在設(shè)定值附近。但是模糊控制也有其固有的缺點(diǎn)，其控制精度不是很高，因此，更加適合在注汽鍋爐蒸汽干度與設(shè)定值偏差較大的情況下使用。而預(yù)測(cè)控制則具有較高的控制精度，但是，因?yàn)闈L動(dòng)優(yōu)化和反饋校正所需時(shí)間較長，所以預(yù)測(cè)控制響應(yīng)速度相對(duì)較慢，因此，在注汽鍋爐蒸汽干度偏差較小的情況下使用預(yù)測(cè)控制會(huì)取得更好的控制效果。

針對(duì)注汽鍋爐蒸汽干度具有多變量、大滯后、非線性以及時(shí)變等特性，結(jié)合模糊控制與預(yù)測(cè)控制的特點(diǎn)[5]，提出了注汽鍋爐蒸汽干度模糊-預(yù)測(cè)控制方法。通過調(diào)節(jié)給水流量、風(fēng)流量以及燃料的流量，調(diào)整蒸汽干度，使其穩(wěn)定在設(shè)定值附近。模糊-預(yù)測(cè)控制器可以根據(jù)蒸汽干度的偏差范圍，能夠自動(dòng)選取采用最優(yōu)控制器（模糊控制器和預(yù)測(cè)控制器中的一種控制器）對(duì)注汽鍋爐蒸汽干度進(jìn)行控制。在蒸汽干度值偏差較大時(shí)，選取模糊控制器，充分利用模糊控制響應(yīng)快的特點(diǎn)，快速調(diào)整給水流量、風(fēng)流量和燃料流量；而在蒸汽干度值偏差較小的情況下，則選取預(yù)測(cè)控制器對(duì)注汽鍋爐蒸汽干度進(jìn)行控制，在保持給水流量不變的情況下，根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)節(jié)燃料量和風(fēng)流量。

當(dāng)蒸汽干度值偏差e＞e0時(shí) （e0表示蒸汽干度偏差切換率），采用模糊控制方法對(duì)注汽鍋爐蒸汽干度進(jìn)行控制，利用蒸汽壓力偏差及其變化率調(diào)節(jié)給水流量，同時(shí)，根據(jù)蒸汽干度偏差及其變化率來調(diào)節(jié)燃料流量和風(fēng)流量。在調(diào)節(jié)給水流量、燃料流量以及風(fēng)流量之后，蒸汽干度會(huì)迅速的調(diào)整到設(shè)定值附近，但其在設(shè)定值附近的波動(dòng)范圍會(huì)比較大，不能達(dá)到穩(wěn)定控制蒸汽干度的目的，但是蒸汽干度偏差會(huì)變小，此時(shí)的蒸汽干度偏差小于e0；當(dāng)e≤e0時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選取預(yù)測(cè)控制器對(duì)注汽鍋爐蒸汽干度進(jìn)行控制。在切換的過程中，一定要保持模糊控制時(shí)的給水流量、燃料流量和風(fēng)流量不變，做到無擾動(dòng)切換。在預(yù)測(cè)控制器起作用時(shí)，需要在保持給水流量不變的前提下，利用預(yù)測(cè)控制調(diào)整燃料流量和風(fēng)流量，通過不斷的在線調(diào)整預(yù)測(cè)模型，利用滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，對(duì)蒸汽干度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整，使蒸汽干度逐漸趨近蒸汽干度設(shè)定值。通過在不同蒸汽干度偏差下采用不同的控制策略，達(dá)到穩(wěn)定控制蒸汽干度的目的。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 模糊-預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure of the fuzzy predictive control system block diagram

2 模糊-預(yù)測(cè)控制算法的工程實(shí)現(xiàn)方法

將V錐流量計(jì)運(yùn)用到注汽鍋爐蒸汽干度測(cè)量中[6]，不但可以降低人工化驗(yàn)蒸汽干度帶來的誤差，而且為注汽鍋爐蒸汽干度的模糊-預(yù)測(cè)控制提供了技術(shù)保障。通過V錐流量計(jì)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)溫度和蒸汽壓力等相關(guān)參數(shù)的變化，按照相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，可以得出實(shí)時(shí)的蒸汽干度，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)蒸汽干度的在線連續(xù)測(cè)量。

通過德國西門子公司S7-300系列的PLC[7-8]實(shí)現(xiàn)本文所用到的模糊控制算法，通過VB語言實(shí)現(xiàn)多變量預(yù)測(cè)控制算法。采用北京亞控公司的組態(tài)王6.55作為上位機(jī)組態(tài)軟件。

本文所述的預(yù)測(cè)控制算法是通過PLC采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后將這些采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和處理，再通過RS-232串口通訊方式將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)組態(tài)軟件，之后通過DDE通訊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)組態(tài)軟件與VB的數(shù)據(jù)交換，在VB程序里實(shí)現(xiàn)多變量預(yù)測(cè)控制算法，經(jīng)過計(jì)算得出當(dāng)前時(shí)刻的控制量，再通過DDE通訊將這些當(dāng)前時(shí)刻的控制量傳遞給上位機(jī)組態(tài)軟件，PLC從上位機(jī)組態(tài)軟件獲取這些控制量，PLC通過模擬量輸出模塊對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)的控制?？墒?，如果這種方案一旦出現(xiàn)通訊問題，這種控制算法就會(huì)不起作用，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓。為了防止這種情況的發(fā)生，我們?cè)赑LC中嵌入了PID常規(guī)控制算法。如果出現(xiàn)上位機(jī)與PLC通訊不正?；蛘叱霈F(xiàn)上位機(jī)與VB通訊不正常的情況，PLC根據(jù)通訊中斷標(biāo)志就會(huì)自動(dòng)切斷先進(jìn)控制，將常規(guī)PID控制作為當(dāng)前控制算法，并且保持通訊中斷前的蒸汽干度設(shè)定值、控制量等參數(shù)不變，對(duì)其進(jìn)行無擾動(dòng)切換，這樣一來，該控制系統(tǒng)會(huì)更加可靠、更加安全，該系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of system

3 模糊-預(yù)測(cè)控制實(shí)際應(yīng)用分析

在2012年9月對(duì)遼河油田曙光采油廠和錦州采油廠某注汽鍋爐進(jìn)行了多次實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì)注汽鍋爐蒸汽干度分別進(jìn)行了PID控制與模糊-預(yù)測(cè)控制的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模糊-預(yù)測(cè)控制算法控制效果相對(duì)較好，

曙光采油廠某注汽鍋爐工況參數(shù)如下：蒸汽壓力12.96 MPa，給水流量18.02 t/h，蒸汽溫度321.3℃。在其它工況條件不變的情況下，改變蒸汽干度設(shè)定值，12：44開始測(cè)試，干度值 75.6%，設(shè)定干度值為 72%，12：51時(shí)，干度值為72.1%；此時(shí)設(shè)定干度值為75%，12：58時(shí)，干度值為75.0%。干度響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 干度響應(yīng)曲線圖Fig.3 Dry degree of the response curve

錦州采油廠某注汽鍋爐工況參數(shù)如下：蒸汽壓力12.82 MPa，給水流量18.30 t/h，蒸汽溫度318.3℃。在其它工況條件不變，切換率為5%，改變蒸汽干度值，11:30開始測(cè)試，干度值70.0%，設(shè)定干度值為75%，11:42時(shí)，干度值為75.0%。干度響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 干度響應(yīng)曲線圖Fig.4 Dry degree of the response curve

在其它工況條件不變，切換率為10%，改變蒸汽干度設(shè)定值，12:24開始測(cè)試，干度值70.0%，設(shè)定干度值為75%，12:23時(shí)，干度值為75.1%。干度響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 干度響應(yīng)曲線圖Fig.5 Dry degree of the response curve

在其它工況條件不變，切換率為15%時(shí)，改變蒸汽干度設(shè)定值，13:14開始測(cè)試，干度值69.8%，設(shè)定干度值為75%，13:22時(shí)，干度值為79.5%。干度響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 干度響應(yīng)曲線圖Fig.6 Dry degree of the response curve

對(duì)比圖4、5和圖6不難發(fā)現(xiàn)，切換率在10%時(shí)，對(duì)于遼河油田錦州采油廠某注汽鍋爐來說控制效果更好。對(duì)于不同采油廠的不同注汽鍋爐，其最佳切換率是不同的，為使其達(dá)到最佳控制效果，需要花費(fèi)一些時(shí)間去尋找最佳切換率。雖然尋找最佳切換率的時(shí)間較長，但從經(jīng)濟(jì)效益上來看，這種投入是值得的。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的注汽鍋爐蒸汽干度模糊-預(yù)測(cè)控制方法，已經(jīng)成功的應(yīng)用在遼河油田曙光采油廠和錦州采油廠的一些注汽鍋爐上。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該控制策略能夠保證注汽鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，較大程度的提高了蒸汽質(zhì)量，抗干擾能力較強(qiáng)。較好的解決了注汽鍋爐蒸汽干度難以實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的問題，并且為其它非線性、時(shí)變、大滯后、多變量的被控對(duì)象的控制提供了參考。此控制策略不但提高了注汽鍋爐蒸汽干度控制的自動(dòng)化水平，而且能夠節(jié)能減排以及降低環(huán)境污染，同時(shí)，提高了注汽鍋爐的熱采效率，降低了注汽鍋爐的運(yùn)行能耗，具有很好的控制性能，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，此控制策略具有較好的實(shí)際應(yīng)用前景。

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