风油调节系统和燃油加热系统的设计

印 涛YIN Tao

（辽河油田总机械厂 自动控制研究所，盘锦 124209）

0 引言

目前，我国油田使用的产生湿饱和蒸汽的设备是直流式蒸汽发生器，即：注汽锅炉。通过注汽锅炉产生高压、高温的湿饱和蒸汽，注入到生产油井的油层区域内，将油层温度提高到200℃以上，这样可以降低原油的粘度，提高原油的流动性，增加油气的驱动力，从而提高生产油井的稠油产收率，增加原油的产量[3]。由此可见注汽锅炉是稠油热采工艺中的重要设备。目前注汽锅炉发展趋势正朝着安全、节能、大注气量方向发展，本文针对辽河油田总机械厂生产的50t/h注汽锅炉，设计出一套锅炉的风油比例自动调节系统和燃油加热系统，来保证锅炉在满足油田生产工艺要求的情况下，安全运行，始终处于最佳燃烧状态，提高锅炉热效率。

1 风油调节系统的设计方法及原理

1.1 风油调节系统的设计思想

传统的经典控制理论和现代控制理论设计出的控制系统都是事先知道被控对象（或过程）精确的数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计。在许多情况下，被控对象很难建立精确的数学模型，对这类对象和过程就很难进行自动控制，而对于这些较难控制的一些生产过程中，有经验的操作人员进行手动控制，凭借其丰富的经验，却可以收到令人满意的效果。这就是人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别与判决，看起来不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的[7]。

依据上诉思想设计了总机械厂风油调节系统，我们取燃油流量为系统的输入值，将燃油流量所能达到的允许取值范围分成十段，在每一段内分别对应一个风门开度值，这个值是通过有经验的操作人员人工设定的。系统运行时首先判定燃油流量输入值属于哪一段，然后向风门控制器输出这一段所对应的风门开度值，这就是我们对风油自动调节系统设计的基础。为了达到更好的控制效果，我们又增加了带有PID控制器的闭环控制环节，对风门的开度进行修正使其达到最优的风油比。在工程中我们取锅炉排放烟气中的含氧量作为反馈量，与我们所设定的值求差输入到PID控制器中，得出风门开度的调节值。最后我们将这个调节值和之前确定的风门开度值相加后得出风门的最终开度值。如图1所示。

图1 风油调节原理框图

1.2 程序的实现

根据上诉控制原理我们完成了相应的程序编制，这里我们给出某一段风门开度程序控制图具体如图2所示。

图2 风油调节程序图

1.3 本风油调节系统的优点

1）系统响应快速。本系统采用人工经验控制为基础，当然后有燃油输入量后，输出风门值直接达到了最优控制点处，上下误差很小，直接达到了较好的控制效果。对比传统的PID控制系统，减少了寻找最优点，和调节震荡的过程，所以说响应速度快。

2）稳定性好。本系统以人工经验数据为基础，传统的PID控制量只起调节作用，减少了传统的PID控制系统用氧化锆测量含氧量不准，和氧化锆使用寿命短从而影响系统稳定性的问题。即使系统不启用PID调节，依靠人工数据也可以达到较好的控制效果。

3）精度高，实现无静差控制。风油调节本身就是一个纯滞后、大惯性和时不确定性的复杂控制对象，本系统中PID调节量中我们特意将比例环节作用调低，将积分环节作用调大，减少系统扰动对PID控制器的影响，是系统输出始终处于最佳状态。

4）程序简化，简化硬件。本控制系统结构简单，所以所需硬件及编程语句也都简化，减少了开发人员的劳动强度。简化硬件，简化程序的同时，也减少了成本，减少了系统因硬件损坏而失效的概率，增加了系统的稳定性。

2 燃油加热控制系统

注汽锅炉燃油一般是渣油或重油，这些油的粘度高，流动性差。使用前要经过预热，才能降低燃料油的粘度，以便达到易于泵送、易于控制、易于雾化的目的。在锅炉处于点火启炉阶段时我们采用电加热器的方式加热燃油，当燃油温度小于70℃时启动电加热器，把燃油加热到85℃后电加热器停止工作。电加热器由PLC控制启停，具体梯形图见图3。图3为电加热器动作梯形图。

图3 电加热器动作梯形图

当注汽锅炉锅炉正常运行后，锅炉可以产生高温、高压的蒸汽，为节约电能，我们引出小部分蒸汽对燃油加热，即：采用蒸汽伴热的方式对燃油进行加热。通过控制燃油蒸汽伴热电动阀门的开度来控制加热燃油的蒸汽量，当燃油温度过低时，我们增加燃油蒸汽伴热电动阀的开度增加加热燃油的蒸汽量，使燃油温度慢慢升高；当燃油温度过高时，减少燃油蒸汽电动阀门开度即可。总之我们通过调节加热燃油的蒸汽量，能够很好的保证燃油温度在我们需要的范围内[1]。燃油温度自动调节系统采用采用闭环控制方式，将燃油温度经温度传感器检测出来，与我们设定好的值求差，把此值经PID调节器运算后得出电动阀的开度输出值，从而达到了我们控制燃油温度的目的。具体见图4燃油温度控制结构框图。

图4 燃油温度控制结构框图

3 结束语

这两套控制系统在辽河油田生产的50t/h燃油注汽锅炉上得到应用，控制效果良好，完全可以保障注汽锅炉安全、可靠、优质的运行，满足油田生产的需要。

[1]卓娜,李素华,魏永捷,等.油田燃油注汽锅炉自动控制系统的设计与实现[J].制造业自动化,2009,7：124-127.

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

[3]刘继和,孙素凤.注汽锅炉[M].北京：石油工业出版社,2007：113-122.

[4]宋伯生.PLC编程理论、算法与技巧[M].北京：机械工业出版社,2006：311-325.

[5]杨公源.可编程控制器(PLC)原理与应用[M].北京：电子工业出版社,2004.

[6]陈在平.可编程控制器技术(PLC)系统设计[M].北京：电子工业出版社,2007.

[7]纪春萌.模糊控制在燃煤注汽锅炉控制系统中的应用[D].大连：大连海事大学,2008.