油田注汽鍋爐蒸汽干度控制方法研究

摘要：注汽鍋爐是用于在稠油開采過程中向稠油層注入高壓蒸汽的注蒸汽稠油熱采的關鍵設備，而蒸汽干度是檢測油田注汽鍋爐的重要指標，直接影響稠油熱采的效果。注汽鍋爐的蒸汽干度控制影響因素中最主要的就是人為因素，對油田注汽鍋爐的運行產生不利影響，同時，直接影響了稠油熱采的效果。因此，對油田注汽鍋爐蒸汽干度控制方法研究正向著自動化控制的方向邁進。本文簡單介紹了油田注汽鍋爐蒸汽干度控制的現狀，重點分析了注汽鍋爐蒸汽干度控制的重要指標，提出了干度控制的方法，即模糊控制方法和預測控制方法。

關鍵詞：油田，注汽鍋爐，蒸汽干度，模糊控制，預測控制

前言：我國社會經濟發展越來越快，對石油資源的依賴程度也越來越高。我國大部分地區勘明的石油資源為高粘度重質石油，也叫做稠油，顧名思義，稠油的粘度和密度都很高，這就給石油開采技術提出了更高的要求。因此，為提高油田稠油開采能力，必須采用注汽鍋爐往井下注入適當干度蒸氣的方法，這樣能夠使油層加熱，原油受熱膨脹，粘度就會降低，大大提高了稠油的開采能力，往井下注入的蒸汽必須是溫飽和蒸汽，不能是過熱的蒸汽，采用蒸汽干度來檢測蒸汽狀態。蒸汽干度指的是單位質量濕蒸汽中含有的飽和蒸汽的質量。只有提高蒸汽干度的控制，才能保證注汽鍋爐的蒸汽質量。

1.油田注汽鍋爐蒸汽干度控制系統現狀

傳統的油田注汽鍋爐控制系統采用的是儀表監控和手動控制的方式，控制效率低，能源浪費嚴重，稠油開采效率較低。國內外加快了對油田注汽鍋爐控制方法的研究，目前主要有：串級PID控制方法、模糊-PID雙模控制方法、多變量預測控制方法等幾種控制方法。串聯PID控制方法是將蒸汽干度作為主被控變量，水流量為副被控流量，給水流量作為控制變量，組成串級控制。采用PID最優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。模糊-PID雙模控制器，是將模糊控制模塊與PID控制模塊相結合，對系統進行調節和控制。多變量預測控制方法通過兩輸入-兩輸出的預測控制器，對蒸汽干度進行控制。

2.蒸汽干度概述

油田注汽鍋爐控制系統中最重要最關鍵的部分是蒸汽干度控制系統，油田熱采生產工藝要求蒸汽干度控制在75%-80%之間，若蒸汽干度過低，將無法滿足注井的熱量要求；若蒸汽干度太大，將導致蒸汽中的雜質附著在鍋爐壁上，造成鍋爐結垢，鍋爐的效率隨之降低，并且鍋爐的安全運行受到不利影響。

蒸汽干度指的是單位時間內在固定蒸汽壓力和固定蒸汽溫度下蒸汽占總量的百分數。蒸汽干度直接關系到注汽鍋爐的運行參數，且蒸汽干度的檢測產生的噪音很大，結果的準確度低。傳統的蒸汽干度檢測方法有人工檢測法和濕蒸汽雙相流蒸汽干度檢測法，人工檢測法，通過人工進行蒸汽干度的檢測工作，這種方法主觀因素大，誤差大，工作強度大，工作效率較低。蒸汽干度檢測方法還有一種叫做濕蒸汽雙相流蒸汽干度檢測法，這種方法在蒸汽鍋爐的輸出端加設孔板，差壓變送器檢測蒸汽流經孔板時的濕度和蒸汽壓力的差壓信號。

蒸汽干度的影響因素很多，要實現對蒸汽干度的控制，必須掌握影響蒸汽干度的主要因素。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熱量等都關系到注汽鍋爐的蒸汽干度。鍋爐熱效率、飽和水焓、汽化潛熱、給水焓和天然氣低位發熱量這幾項因素的波動不會引起蒸汽干度的劇烈變化，因此，要實現蒸汽干度的控制，需要關注給水流量、天然氣流量和蒸汽壓力的變化，因為它們會使蒸汽干度出現時滯特性。而在蒸汽壓力穩定時，蒸汽干度只受給水流量和天然氣流量的影響。

3.基于模糊預測控制的蒸汽干度控制方法

要實現對油田注汽鍋爐的有效控制，必須保證蒸汽壓力和蒸汽干度的穩定，控制系統結構圖如圖1所示，一方面用蒸汽壓力的參數調節給水流量，另一方面用蒸汽干度的參數調節天然氣流量，兩者共同構成蒸汽干度的控制系統，實現油田注汽鍋爐蒸汽干度自動化控制。

3.1.蒸汽壓力的控制

油田注汽鍋爐的重要參數之一就是蒸汽壓力，在往井下注入蒸汽時，對蒸汽壓力的要求不是特別的高，可以允許的可波動范圍較大，另外調節給水流量實現對蒸汽壓力的控制，這一控制過程的時滯時間較小，因此影響蒸汽壓力的因素較少，我們可以采用單回路的蒸汽壓力模糊控制器，控制給水流量，就能夠實現蒸汽壓力控制，我們將蒸汽壓力誤差及其變化率來調節給水流量，模糊控制器的輸入語言變量為蒸汽壓力誤差及變化率，模糊控制器的輸出語言變量采用變頻器頻率增量。

3.2.模糊前饋-反饋控制

由蒸汽干度的影響因素可知，給水流量、天然氣流量為主要影響因素，因此，我們將蒸汽干度作為主被控變量， 天然氣流量為副被控變量，形成串級控制回路，在串級控制回路中我們采用模糊預測控制器來實現對串級回路的控制。蒸汽干度控制系統包括以下幾個部分：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發生波動時穩定蒸汽壓力，我們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。通過給水流量的控制量與回路控制量相乘，來實現對給水流量的自動監控，另外，在模糊預測控制系統中加入非線性跟蹤-微分器來增強系統的抗干擾能力，蒸汽干度控制系統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。

4.結束語

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-后饋控制系統實現的，該系統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， 實現了油田注汽鍋爐蒸汽干度的自動化控制。

參考文獻：

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[2]羅金恒，白真權，覃海濤，趙新偉，鄺獻任.注汽管道承壓能力評估和實物試驗驗證[J].管道技術與設備.2005年01期.

[3]岳峰.注汽鍋爐調節系統[J].自動化與儀器儀表.2003年04期.

作者簡介：

董瑾 （1983.10-）男，民族：漢族，籍貫：黑龍江省明水縣，學歷：大學本科，職稱：助理工程師，研究方向：機械制造。

曲波（1984.07-）男，漢族，籍貫：山東省臨沂市，學歷：大學本科，職稱：助理工程師，研究方向：機械制造。