蒸汽干度及過剩空氣系數(shù)控制技術

楊立華 張偉 蔡軍 呂洪超 鄧治家

（1.遼河油田公司曙光采油廠；2.遼河油田公司特油公司；3.遼河油田金海采油廠）

隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展越來越快，對石油資源的依賴程度也越來越高。稠油油田廣泛使用注蒸汽的方式進行開采。注汽鍋爐是稠油熱采的專用注汽設備，主要是利用燃料的熱能，把一定量的水加熱成一定壓力、溫度和干度濕飽和或過飽和蒸汽。將合格的蒸汽注入井下，使原油受熱膨脹，黏度降低，從而提高稠油的開采能力。蒸汽干度的合理控制[1]，是保證注汽鍋爐的蒸汽質量重要前提。生產(chǎn)現(xiàn)場受設備性能、注汽井汽竄、井下工具失效及外供燃料經(jīng)常更換等原因影響[2]，造成蒸汽干度波動較大，降低注汽質量，甚至影響注汽鍋爐安全運行?，F(xiàn)場缺少在線蒸汽干度自動測試技術手段[3]，需要員工對蒸汽干度參數(shù)反復進行調整，勞動強度大。目前已有的測試方法存在精度低、人為影響因素大等不足，為了對注汽鍋爐蒸汽干度進行有效的監(jiān)測和控制[4]，提高鍋爐熱效率以滿足生產(chǎn)需要，研發(fā)一種高精度、高穩(wěn)定性的蒸汽干度智能在線監(jiān)測控制系統(tǒng)已刻不容緩。燃燒過?？諝庀禂?shù)太小，燃燒不完全，浪費燃料[5]，而燃燒過?？諝庀禂?shù)太大，入爐空氣太多，會造成爐膛溫度下降，煙氣帶走熱量多，熱損失大，大量浪費燃料，導致注汽鍋爐熱效率下降。通過蒸汽干度及燃燒過剩空氣系數(shù)精確控制技術，實現(xiàn)蒸汽干度及燃燒過?？諝庀禂?shù)連續(xù)在線測量與控制[6]，保證注汽鍋爐運行參數(shù)穩(wěn)定，降低燃料消耗量。

1 現(xiàn)狀

1.1 蒸汽干度控制的現(xiàn)狀及存在的問題

1.1.1 蒸汽干度控制現(xiàn)狀

蒸汽干度是指每千克濕蒸汽中含有干飽和蒸汽的質量百分數(shù)，是油田注汽鍋爐安全運行中的一個重要參數(shù)，直接影響稠油熱采效果。蒸汽干度過低，無法滿足注汽井熱量要求，加熱降黏效果不明顯，不能有效提高地下油層稠油的流動性，不能有效增加地層能量。蒸汽干度過高時，濕飽和蒸汽中水相減少，不能及時帶走鍋爐給水中的結垢物質，導致鍋爐爐管內(nèi)壁結垢，降低鍋爐的熱效率，甚至會危及設備安全運行，發(fā)生爆管事故。目前遼油油田現(xiàn)場在用注汽鍋爐絕大部分采用人工化驗蒸汽干度，部分可實現(xiàn)在線電導率檢測蒸汽干度[7]，兩種方法檢測后均需要人工通過控制火量及水量來調整蒸汽干度。

1.1.2 存在問題

1）人工采用滴定方式進行測定時，存在以下三個方面問題：燒污水時需進行加藥處理，有時無法測出濕蒸汽干度；受藥品質量及人為等因素影響，測定的準確性不能保證；無法時時跟蹤檢測，且檢測結果滯后。

2）通過電導率檢測方法進行檢測時，檢測后在鍋爐觸摸屏上顯示注汽蒸汽干度[8]，崗位員工通過顯示蒸汽干度對鍋爐進行調整。但電導率測量的蒸汽干度值經(jīng)常出現(xiàn)誤差大、易損壞、使用周期短等問題，這樣就造成蒸汽干度顯示不準確，無法保證注汽質量。

3）在注汽鍋爐工作過程中，當蒸汽干度參數(shù)發(fā)生變化時，由于檢測手段的滯后性以及人工手動調節(jié)參數(shù)的方式存在一定的操作誤差，無法實現(xiàn)蒸汽干度精確調整?，F(xiàn)場所采用的注汽鍋爐是直流鍋爐，具有升溫快的特點，但易發(fā)生瞬時過熱現(xiàn)象，過熱頻繁造成爐管脫碳變形，繼而嚴重影響注汽鍋爐的安全運行。

1.2 過剩空氣系數(shù)控制的現(xiàn)狀及存在的問題

1.2.1 過?？諝庀禂?shù)控制的現(xiàn)狀

注汽鍋爐（油田濕蒸汽發(fā)生器）無論是采用北美燃燒器、利雅路燃燒器、奧林燃燒器還是扎克燃燒器的注汽鍋爐，在運行過程中，注汽鍋爐煙溫每上升10～15℃，鍋爐熱效率下降1%[9]，煙氣僅氧含量每增加1%，鍋爐熱效率就下降0.6%左右。經(jīng)現(xiàn)場實測，大多數(shù)鍋爐運行中氧含量平均在4%～6.7%，過?？諝庀禂?shù)在1.3以上造成煙溫普遍偏高20～35℃。由于油田注汽鍋爐在運行。過程中，風門與燃料閥開度采用了相對固定的聯(lián)動控制方式，燃料與空氣配比難以實現(xiàn)精確實時調整。

1.2.2 存在問題

注汽鍋爐在運行過程中，受燃氣壓力波動或燃油壓力、溫度、成分、霧化壓力、燃料含水率等諸多不確定因素影響，使鍋爐運行過程中煙氣過?？諝庀禂?shù)波動過大，導致鍋爐排煙溫度增加、爐火偏燒、化學不完全燃燒、熱損失增大、熱效率下降等系列問題[10]，增加了熱采成本。燃燒過?？諝庀禂?shù)精確控制技術是注汽鍋爐多年懸而未決的一線生產(chǎn)難題，管理者和現(xiàn)場操作員工都迫切渴望解決這一行業(yè)難題。

2 蒸汽干度及過?？諝庀禂?shù)控制技術研究

2.1 蒸汽干度自動控制研究

1）在線監(jiān)測研究。對現(xiàn)有技術進行檢索分析，蒸汽干度測量方法包括化驗測量法、非熱力學方法、熱力學方法等，現(xiàn)場進行蒸汽干度測量一般使用化驗檢測及電導率法，受操作精細程度、操作熟練程度等因素的影響，蒸汽干度值經(jīng)常出現(xiàn)誤差大。通過對注汽鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽體積流量、鍋爐給水溫度、給水壓力、給水流量的測量分析，利用體積變化與蒸汽干度之間的關系模型，計算得到注汽鍋爐蒸汽干度值，實現(xiàn)注汽鍋爐蒸汽干度的準確在線監(jiān)測。

2）自動控制研究。通過分析發(fā)現(xiàn)，給水流量、天然氣流量、蒸汽壓力、鍋爐熱效率、飽和水焓、汽化潛熱、給水焓和天然氣低位發(fā)熱量等都會影響注汽鍋爐的蒸汽干度，而在蒸汽壓力穩(wěn)定時，蒸汽干度主要受給水流量和天然氣流量的影響。因而將蒸汽干度作為主被控變量，水流量、天然氣流量為副被控流量，組成串級控制，采用PID最優(yōu)控制算法調整給水流量，主回路控制器自動控制蒸汽干度的控制方法。

3）自動控制技術。蒸汽干度控制系統(tǒng)包括以下幾個部分：非線性跟蹤-微分器、前饋模糊控制器、模糊預測控制器、乘法計算器等組成，采用模糊控制方法能夠在注汽鍋爐運行參數(shù)發(fā)生波動時穩(wěn)定蒸汽壓力，將給水流量及其變化率作為前饋控制量，與串級回路構成前饋-反饋控制系統(tǒng)。通過給水流量的控制量與回路控制量相乘，來實現(xiàn)對給水流量的自動監(jiān)控，另外，在模糊預測控制系統(tǒng)中加入非線性跟蹤-微分器來增強系統(tǒng)的抗干擾能力，蒸汽干度控制系統(tǒng)的最終控制量是由前饋模糊控制器輸出量與模糊預測控制器輸出量通過乘法計算器進行乘積后的值來確定的。

通過以上分析和研究，基于模糊預測控制的蒸汽干度控制方法，是通過模糊前饋-后饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，該系統(tǒng)在預測控制原理和模糊控制原理的基礎上形成的，將前饋模糊控制器、模糊預測控制器、非線性跟蹤-微分器、計算器等部分組成。該控制方法同構對給水流量、天然氣流量、蒸汽壓力的有效控制，實現(xiàn)了蒸汽干度的有效控制，能夠大大降低噪聲的干擾，具備較強的抗干擾能力，實現(xiàn)了油田注汽鍋爐蒸汽干度的自動化控制。

2.2 過?？諝庀禂?shù)精準控制研究

過剩空氣系數(shù)精確控制系統(tǒng)見圖1，通過反復調整鼓風機風門以及頻率，實現(xiàn)建立燃燒過?？諝庀禂?shù)精確控制數(shù)學模型的目標，確保燃料的充分燃燒，過?？諝庀禂?shù)一般控制在1.1～1.25。

圖1 過?？諝庀禂?shù)精確控制系統(tǒng)Fig.1 The accurate control system of excess air coefficient

1）煙氣過?？諝庀禂?shù)與熱效率。熱效率是鍋爐的綜合指標，體現(xiàn)了鍋爐作為一個能源轉換設備的綜合性能。在標準規(guī)定的監(jiān)測項目中，對排煙溫度和空氣系數(shù)的監(jiān)測，其本質是對排煙熱損失的控制。不同類型的鍋爐，都有一個最佳過量空氣系數(shù)，但實際上幾乎所有的爐子都超過設計值。過量空氣系數(shù)過大或過小都會產(chǎn)生不良后果，過大會導致煙氣體積增大，爐膛溫度降低，增加排煙熱損失，熱效率降低。過小會使天然氣燃燒不充分，產(chǎn)生大量CO，污染環(huán)境，同時也增大了不完全燃燒熱損失?？梢哉f過量空氣系數(shù)的大小直接影響天然氣鍋爐的熱工性能，即鍋爐熱效率。

2）鼓風機風門開度與過剩空氣系數(shù)。注汽鍋爐的鼓風機風門開度與燃料閥的開度是聯(lián)動的，通過在燃氣流量控制閥和風門傳動軸上，安裝高精度大扭力電動比例執(zhí)行器，可以有效克服原鍋爐連桿控制系統(tǒng)機械滯后性大、調節(jié)燃氣量精度低的問題。采用先進的比例調節(jié)控制程序，可以確保火量在從小火到大火之間的控制達到最佳的燃料空氣比。實現(xiàn)精確燃燒、提高了燃燒效率、克服了機械聯(lián)桿裝置帶來的磨損和漂移。高精度的方法克服了動態(tài)控制錯誤，智能化、自檢和補償功能克服了人為操作的缺點，同時也提高了安全性。

3）鼓風機轉速與過剩空氣系數(shù)。當鼓風機采用轉速調節(jié)時，其風量和風壓可用比例定律計算，在確定調速范圍時應兼顧風量和風壓的要求，一般這時將風門開到最大，僅用轉速來調節(jié)風量，并留有一定的風壓裕量。所以一定要知道生產(chǎn)工藝所要求的最小風壓，作為確定最低轉速的根據(jù)。當然，當最小風壓要求低于最小風量要求時，可以以風量要求為準。計算時應以中心調節(jié)頻率為準，中心調節(jié)頻率則為最低頻率和額定頻率（50 Hz）的中心值。如最低調速頻率為30 Hz，則中心調節(jié)頻率為40 Hz，為額定轉速的80%。

4）過?？諝庀禂?shù)與火焰輪廓、火焰長度。調整燃氣閥與風門開度控制實現(xiàn)對燃氣閥和風門的精確控制，保證空氣過剩系數(shù)和鍋爐的火焰輪廓、火焰長度始終在最佳狀態(tài)，從小火到大火全程跟蹤調節(jié)，始終處于最佳燃燒狀態(tài)，達到精確燃燒的效果。

5）過?？諝庀禂?shù)精準控制技術。通過分析蒸汽干度的影響因素，摸索出天然氣（燃油）流量與給水流量的比值關系，確定了使用計算噸氣單耗，通過調整燃料調節(jié)閥來調控蒸汽干度，加之反饋系統(tǒng)的蒸汽干度自動調節(jié)方法。這種方法既能了解燃燒狀況，又能很好的掌控蒸汽干度的變化，使蒸汽質量得到較大提高，鍋爐運行更加平穩(wěn)。同時減輕勞動力，實現(xiàn)了油田注汽鍋爐蒸汽干度的自動化控制。

通過安裝煙氣連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)了氧含量在線實時跟蹤監(jiān)測，調節(jié)鼓風機頻率，控制爐膛進風量來優(yōu)化燃燒，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。煙氣連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)操作直觀、方便，操作人員通過人機界面即可進行觀測及操作。當系統(tǒng)選擇自動時，僅需要對目標煙氣氧含量的數(shù)值進行設定，煙氣連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)會根據(jù)設定的氧含量自動調節(jié)鼓風機頻率。控制調整鍋爐進風量及空燃比，在保證火焰輪廓的同時，使燃料在低氧條件下充分燃燒，建立天然氣流量、鍋爐風量、煙氣含氧量的數(shù)學模型，形成燃燒參數(shù)的對應關系，實現(xiàn)火量、風量、氧量自適應閉環(huán)控制系統(tǒng)。

將煙氣參數(shù)通過檢測儀表轉換后送入鍋爐PLC，來改變控制風門連桿的執(zhí)行器輸入信號，達到風門連桿根據(jù)過剩空氣系數(shù)自動調節(jié)。通過自動改變鼓風機送氣量，達到精確控制過?？諝庀禂?shù)的目的。風機配套安裝變頻器、鍋爐具有蒸汽干度在線監(jiān)測系統(tǒng)，將煙氣參數(shù)通過檢測儀表轉換后送入鍋爐PLC，來改變鼓風機變頻器輸入信號，達到送氣量根據(jù)過?？諝庀禂?shù)自動調節(jié)。依托現(xiàn)場注汽鍋爐，鼓風機風門開度比例調整與變頻器精細調整，三位一體精準控制。實現(xiàn)真實工況的連續(xù)模擬，不斷修正蒸汽干度測量計算模型，并對壓力、溫度、差壓進行修正等測量方法，建立計算模型，加之系統(tǒng)自適應、自學習技術，實現(xiàn)精準控制技術，確保蒸汽干度及過?？諝庀禂?shù)精確控制的實現(xiàn)。

3 現(xiàn)場應用

2021年5—11月，在曙光采油廠熱注作業(yè)一區(qū)32+49站進行了項目實施。在注汽鍋爐對流段安裝了一體化煙氣含氧分析儀，在控制盤安裝一臺風機變頻控制與數(shù)據(jù)采集運算器，研發(fā)了一套蒸汽干度及過?？諝庀禂?shù)控制操作系統(tǒng)，項目實施后效果明顯，實現(xiàn)蒸汽干度及過剩空氣系數(shù)連續(xù)在線測量與控制，保證鍋爐全天候運行過程中，鍋爐出口壓力、溫度及蒸汽干度穩(wěn)定，在確保蒸汽干度、給水流量不變的前提下，將鍋爐過?？諝庀禂?shù)量精確控制到1.2以下，鍋爐熱效率可提高2%以上，燃料消耗下降2%以上。將原系統(tǒng)升級為煙氣連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)，以實現(xiàn)煙氣含氧量在線連續(xù)的監(jiān)視和控制。確保燃料的充分燃燒，燃油煙氣中的氧含量在3%～5%，燃氣煙氣中的氧含量在2%～4%。

為了驗證該項目的節(jié)能效果，由中國石油天然氣股份有限公司油田節(jié)能監(jiān)測中心于2021年8月進行工況對比測試，并出具了《注汽鍋爐燃燒過剩空氣系數(shù)精確控制節(jié)能效果測試報告》。通過對鍋爐控制系統(tǒng)應用前后的正常運行負荷工況的正反平衡熱效率對比測試計算，實施前后測試數(shù)據(jù)對比見表1。測試結論為32-49站32#注汽鍋爐應用前平均熱效率為89.62%，應用后平均熱效率為91.12%，節(jié)能率為1.98%。

表1 實施前后測試數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of test data before and after implementation

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

以目前遼河油田運行注汽鍋爐共376臺，其中固定鍋爐231臺，活動鍋爐145臺。工業(yè)燃氣價格1.806元/m3，注汽單耗67 Nm3/t，節(jié)能率為1.98%。在用注汽鍋爐按23 t注汽鍋爐每小時注汽量18 t，每日注汽24 h，年注汽運行時間320 d。9.2 t注汽鍋爐每小時注汽量8 t，每日注汽24 h，年注汽運行時間330 d，實施前后對比見表2。

表2 實施前后對比Tab.2 Comparison before and after implementation

4.2 社會效益

降低環(huán)境污染，注汽鍋爐蒸汽干度自動控制及過剩空氣系數(shù)精確控制實施應用后，避免了注汽鍋爐因蒸汽干度過高導致水垢、懸浮物等雜質在爐管內(nèi)壁的沉積，有效減少因爐管化學清洗帶來的環(huán)境污染。燃料消耗量下降2%以上，因燃燒產(chǎn)生的溫室氣體相應同比下降，減少了大氣污染。

節(jié)約運行成本，現(xiàn)場實施后，降低了注汽鍋爐燃料消耗，減輕工人勞動強度，可解決當前注汽一線操作工人年齡偏大，員工逐年減少帶來的生產(chǎn)瓶頸問題。節(jié)約生產(chǎn)運行成本，減少稠油開采成本，提高油田注汽鍋爐運行管理水平，提質增效有利于油田可持續(xù)發(fā)展。

5 結論

1）通過注汽鍋爐蒸汽干度及燃燒過?？諝庀禂?shù)精確控制，實現(xiàn)了蒸汽干度的準確、迅速監(jiān)控及自動調整，蒸汽干度測量誤差±2%，蒸汽干度波動率小于±5%，更好的保證注汽質量，因蒸汽干度過熱導致鍋爐爆管事故為零。最大程度上防止因鍋爐運行參數(shù)變化而產(chǎn)生的過熱、超壓等事故的發(fā)生，實現(xiàn)了鍋爐優(yōu)質、安全、平穩(wěn)運行。

2）鍋爐燃燒控制方式技術升級應用，實現(xiàn)了通過對鍋爐煙氣過剩空氣系數(shù)連續(xù)在線檢測，實施閉環(huán)精確控制，使鍋爐燃氣量、進風量實現(xiàn)精確配比，過?？諝庀禂?shù)控制精度達到0.5，將鍋爐過?？諝庀禂?shù)控制在1.15以下，且含氧量在2%以下，燃料消耗量下降2%以上的控制目標，鍋爐熱效率明顯提高。

3）煙氣過?？諝庀禂?shù)變化后，注汽鍋爐蒸汽干度自動跟蹤調節(jié)。降低注汽鍋爐燃料消耗，燃料消耗量下降大于2%，減少稠油開采成本，減輕工人勞動強度，減員增效，節(jié)約生產(chǎn)運行成本，提高油田注汽鍋爐運行管理水平，提質增效有利于油田可持續(xù)發(fā)展。

4）各油田在用各型噸位、型號的注汽鍋爐，均可應用。在實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的同時，杜絕了因蒸汽干度過熱導致爆管事故造成的不必要經(jīng)濟損失。節(jié)能效果明顯，達到減員增效，提高了鍋爐熱效率，可在各油田注汽鍋爐上推廣應用。