蒸汽干度控制在注汽鍋爐上的應(yīng)用

王 紅

（遼河油田經(jīng)濟(jì)貿(mào)易置業(yè)總公司， 遼寧 盤(pán)錦 124010）

1 注汽鍋爐蒸汽干度控制的現(xiàn)存問(wèn)題

在熱力開(kāi)采稠油中，需要向稠油層注入高壓高溫的濕蒸汽，而這種蒸汽的干度對(duì)稠油開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響，因此蒸汽干度需要實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。在化工、食品加工、制藥等很多工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中，干度檢測(cè)和控制也是非常重要的[1]。所以注汽鍋爐蒸汽干度的先進(jìn)自動(dòng)控制顯得格外重要，并且提高注汽鍋爐蒸汽干度控制的先進(jìn)自動(dòng)控制能力已成為我國(guó)采油事業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。根據(jù)對(duì)采油廠的注汽采油進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)干度控制存在以下不足：

（1）無(wú)法及時(shí)掌握注汽鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)狀況, 如蒸汽溫度、蒸汽壓力、質(zhì)量流量變化趨勢(shì)等歷史曲線,進(jìn)而無(wú)法對(duì)蒸汽干度進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和控制。

（2）蒸汽干度的測(cè)量需要人工進(jìn)行化驗(yàn)，通過(guò)酸堿中和滴定。該測(cè)量方法有兩點(diǎn)不足，即滯后的時(shí)間太長(zhǎng)和蒸汽干度的精確度與操作精細(xì)程度、操作熟練程度等人為因素有關(guān)。

（3）干度的控制基本上處于手動(dòng)狀態(tài)，注汽鍋爐處的蒸汽干度測(cè)量與控制受人為因素的影響很大，不但對(duì)注汽系統(tǒng)的安全運(yùn)行受到威脅，而且還對(duì)采油的經(jīng)濟(jì)利益有關(guān)[2]。

（4）現(xiàn)場(chǎng)蒸汽壓力的波動(dòng)，對(duì)蒸汽干度產(chǎn)生了一定的影響。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的蒸汽干注汽鍋爐度控制系統(tǒng)既要滿足生產(chǎn)自動(dòng)化控制又要滿足“分散控制，集中管理，數(shù)據(jù)共享”的要求。在人機(jī)接口方面，利用上位計(jì)算機(jī)所支持的豐富的應(yīng)用軟件，可實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)接口及完善的監(jiān)控管理功能，所有的報(bào)警故障信息及系統(tǒng)參數(shù)都可通過(guò)上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控。為操作簡(jiǎn)化、減少故障發(fā)生率，只設(shè)計(jì)幾個(gè)重要的按鈕，如急停按鈕、停止按鈕、啟動(dòng)按鈕、電源開(kāi)關(guān)等幾個(gè)按鈕，這樣不但減少了外部元器件，而且使系統(tǒng)趨于簡(jiǎn)單化，提高了系統(tǒng)可靠性和集成度，操作人員在控制室就可以判斷現(xiàn)場(chǎng)的情況，并且能及時(shí)做出反應(yīng)，確保注采安全自動(dòng)運(yùn)行。

針對(duì)目前注汽鍋爐蒸汽干度控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題和不足，提出以下更改和設(shè)計(jì)方案：

（1）在控制環(huán)節(jié)中增加控制點(diǎn)，提高控制效果。更改原先不合理的控制設(shè)計(jì)；更新淘汰不適合新應(yīng)用的現(xiàn)有線路及元器件。從而使控制系統(tǒng)更先進(jìn)、安全、可靠。

（2）針對(duì)注汽鍋爐蒸汽干度控制采用預(yù)測(cè)函數(shù)(PFC)算法對(duì)其控制，解決延遲性，提高控制精度。

（3）系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制功能。當(dāng)控制柜上的手動(dòng)/自動(dòng)選擇按鈕在手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工操作控制按鈕進(jìn)行控制，用以實(shí)現(xiàn)單爐運(yùn)行或現(xiàn)場(chǎng)維修；當(dāng)控制柜上的手/自動(dòng)按鈕在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，以通訊方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制。

（4）利用上位計(jì)算機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線建立站間級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，完成生產(chǎn)設(shè)備的在線控制、動(dòng)態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警及維護(hù)功能。同時(shí)考慮到企業(yè)發(fā)展對(duì)信息集成度要求越來(lái)越高，建立下面采油站與機(jī)關(guān)管理層建立網(wǎng)絡(luò)連接，將采油數(shù)據(jù)信息集成到機(jī)關(guān)管理層。這樣能夠及時(shí)上傳現(xiàn)場(chǎng)采油信息和向下送達(dá)控制采油信息，完成采油站與機(jī)關(guān)間的管理和調(diào)度，能夠促進(jìn)采油量大幅度提高。

3 注汽鍋爐蒸汽干度系統(tǒng)的組成

為了更好的控制注汽鍋爐蒸汽干度，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要克服調(diào)節(jié)執(zhí)行器的阻尼現(xiàn)象，以保證蒸注汽鍋爐汽干度控制系統(tǒng)的安全高效精確的控制蒸汽干度。注汽工藝參數(shù)控制指標(biāo)要求，根據(jù)注汽爐的條件和狀態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)注汽爐更好的監(jiān)督、控制和管理，控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)、執(zhí)行器和傳感器組成。下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽干度控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)對(duì)該系統(tǒng)的各控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并對(duì)報(bào)警信號(hào)做出反應(yīng)。上位機(jī)主要對(duì)蒸汽干度控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)注蒸汽干度控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視。預(yù)測(cè)函數(shù)(PFC)算法在VB中運(yùn)算得出控制量，通過(guò)DDE通訊和組態(tài)王進(jìn)行實(shí)時(shí)地?cái)?shù)據(jù)交換，把控制量實(shí)時(shí)的傳給 PLC, 這樣可以保證蒸汽干度控制的實(shí)時(shí)性。PLC和組態(tài)王之間的數(shù)據(jù)傳遞用通訊方式實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。注汽鍋爐蒸汽干度控制系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間很長(zhǎng)，要求控制系統(tǒng)的可靠性非常高。因此，在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了下位機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)和開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)、上位機(jī)自動(dòng)控制三種控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)。這幾種方式相互轉(zhuǎn)換可以通過(guò)控制柜上的手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和操作界面上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度、蒸汽壓力、壓差、給水流量等數(shù)據(jù)的采集，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。并對(duì)其采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后送給D/A模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的控制。下位機(jī)把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，這樣上位機(jī)就可以反映系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并且可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的狀況，設(shè)置參數(shù)的初始值。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Block diagram of control system hardware

4 建立算法模型

4.1 蒸汽干度PFC控制器的設(shè)計(jì)

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,生產(chǎn)過(guò)程一般都可以近似表示為一階加純滯后模型

式中： Km— 預(yù)測(cè)模型的穩(wěn)態(tài)增益；

Tm— 時(shí)間常數(shù)；

τm— 純滯后時(shí)間。

當(dāng)設(shè)定值在被控區(qū)間里其變化率小于或等于某一閾值θ時(shí),控制輸入取階躍函數(shù)這樣一個(gè)基函數(shù)即可,在本文設(shè)計(jì)的蒸汽干度控制系統(tǒng)中,就符合這樣的條件。根據(jù)階躍函數(shù)和預(yù)測(cè)函數(shù)結(jié)構(gòu)化控制變量的特點(diǎn)可得［4］:

先考慮 i = 0的情況，即預(yù)測(cè)模型無(wú)純滯后的情況［3］。在加入一個(gè)零階保持器進(jìn)行離散化后,可求得模型的差分方程為:

式中 am= exp(- Ts/ Tm)，下面用遞推法和數(shù)學(xué)歸納法來(lái)推導(dǎo)模型的第P步預(yù)測(cè)值。

又因 u (n + i ) = u(n)，則有：

同理可得：

為了求取控制量，令 ?J /?u (n )=0即

由式（2）代入式（4）可得：

再由式（4）可得n時(shí)刻的控制量為：

當(dāng)tm≠0 時(shí),參考Smith預(yù)估控制的思想,預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法仍采用tm=0 的模型，對(duì)系統(tǒng)對(duì)象的輸出進(jìn)行修正，設(shè)D = tm/ Ts(取整數(shù)部分)，修正后的過(guò)程輸出值為ypav( n)。則有：

修正后的預(yù)測(cè)誤差為：

再由式（5）代入式（6）可得到一階慣性純滯后過(guò)程的預(yù)測(cè)函數(shù)控制器輸出為：

在實(shí)際的運(yùn)用中，常常要考慮約束條件，如控制量幅值限制：

再如控制量變化率限制：

式中，umax和Vmax分別是控制量最大幅值和控制量最大變化率限制值。

4.2 蒸汽干度模型的建立

經(jīng)過(guò)分析大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得出蒸注汽鍋爐汽干度模型為：

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,根據(jù)管道長(zhǎng)度、水流量、蒸汽流速可測(cè)得穩(wěn)態(tài)增益Km=0.6～0.9；時(shí)間常數(shù)Tm= 270～500 s；tm=300～480 s。

表1為SAGD2#56號(hào)爐現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 SAGD2#61號(hào)爐現(xiàn)場(chǎng)部分?jǐn)?shù)據(jù)Table 1 Field data

5 注汽鍋爐蒸汽干度PFC控制器實(shí)現(xiàn)

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，純滯后被控對(duì)象采用常規(guī)PID控制時(shí)，為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性以及魯棒性，必須對(duì)控制系統(tǒng)的作用整定得很弱。因而，難以得到滿意的控制效果［5］。采用PFC算法，可以很好的解決上述問(wèn)題。但是，預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法涉及到大型矩陣的乘除、求逆等運(yùn)算，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的控制器 PLC一般也不具備矩陣的運(yùn)算能力，而又上位機(jī)組態(tài)軟件也計(jì)算能力有限，這就使PFC算法的工程實(shí)際運(yùn)用受到了極大的限制。本文采用PLC負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，把這些采來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理和轉(zhuǎn)換通過(guò) RS-232串口傳到上位機(jī)組態(tài)軟件，然后組態(tài)軟件通過(guò)DDE通訊與VB進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回來(lái)的數(shù)據(jù)把預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法在VB中計(jì)算并且得出當(dāng)前時(shí)刻的控制量，然后再把這個(gè)當(dāng)前時(shí)刻的控制量返回給組態(tài)軟件，組態(tài)軟件送給PLC，PLC通過(guò)模擬量輸出模塊來(lái)控制執(zhí)行器這樣的設(shè)計(jì)方案。

然而這種方案一旦上位機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題不能和下位機(jī)PLC通訊，先進(jìn)控制就不起作用，整個(gè)系統(tǒng)崩潰，為了防止出現(xiàn)這種情況，在PLC中嵌入PID常規(guī)控制方法［6］。

當(dāng)上位機(jī)與PLC通訊不正常時(shí)，PLC根據(jù)通訊中斷標(biāo)志自動(dòng)切斷先進(jìn)控制該為常規(guī)PID控制，并且把通訊中斷前的蒸汽干度設(shè)定值、控制量等自動(dòng)取過(guò)來(lái)進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換，這樣使該系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)注汽鍋爐蒸汽干度控制器進(jìn)行分析與研究，并設(shè)計(jì)了干度PFC控制器，并根據(jù)采油廠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)工人多年的經(jīng)驗(yàn)得出蒸汽注汽鍋爐干度控制系統(tǒng)的模型。并通過(guò)蒸汽干度PFC控制器和PID控制器進(jìn)行比較，其控制效果比PID效果好，更優(yōu)越于PID控制。

［1］ 張銳. 稠油熱采技術(shù)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1999.

［2］卞永釗. 注汽鍋爐控制系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)[D]. 沈陽(yáng): 東北大學(xué),2003.

［3］劉峙飛, 金曉明, 王樹(shù)青. 雙值預(yù)測(cè)函數(shù)控制[J]. 控制與決策,1999(14) (增刊): 553-556.

［4］ 王國(guó)玉, 韓璞, 王東風(fēng)，等. PFC-PDI串級(jí)控制在主汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2002，22(12): 50-55.

［5］ Xin jiangli, Pei liang. A new method for measuring the steam quality［J］.Proceeding of Spie, 2002, 21(10): 492-495.

［6］ 樓史進(jìn). 預(yù)測(cè)函數(shù)控制、參數(shù)預(yù)測(cè)控制及透明控制[D]. 杭州：浙江大學(xué), 1998.