注汽鍋爐控制系統(tǒng)的改造與設計

趙晶晶

(中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司,遼寧 盤錦 124209 )

注汽鍋爐總共由三部分共同控制，包括爐膛負壓、燃燒最優(yōu)、蒸汽壓力三個控制器。通過三個控制器的協(xié)調(diào)管理，能夠為鍋爐控制提供穩(wěn)定與高效的鍋爐控制能力。其中爐膛負壓利用鼓風量調(diào)整引風量，從而確保爐膛負壓保持在穩(wěn)定的壓力范圍內(nèi)。燃燒最優(yōu)則是根據(jù)給煤量調(diào)整鼓風量，充分利用燃燒熱能，最大化發(fā)揮燃燒價值。蒸汽壓力利用了給粉機轉(zhuǎn)速調(diào)整控制送煤量，達到注汽鍋爐內(nèi)部壓力恒定的目的。

1 注汽鍋爐的應用

國內(nèi)大部分油田均為低滲透油田，在開采此類油田時，我們通常并不能使用常規(guī)干抽方式開采。采用常規(guī)開采方式往往獲取的開采量極低，且很容易出現(xiàn)開采投入大于開采獲得利潤問題。而注入蒸汽加熱油層的方式，則能夠有效改變低滲透油田的高粘度原油的粘度，大大提高油田開采能力。此外通過注汽鍋爐注入蒸汽的方式，還能夠幫助施工人員清除油管的瀝青沉淀物、泥漿堵塞物以及油層黏土，提升井底滲透率。現(xiàn)如今適用于注汽鍋爐熱蒸汽處理的油井種類包括：產(chǎn)量較大的油井、油層剖面過厚的油井、沒有受到污染物阻隔的油井、產(chǎn)能較低的高粘度油井等。

2 注汽鍋爐使用方式

（1）間歇法。這種方式為通過連續(xù)注入蒸汽的方式，使油井的油層面溫度逐漸上升，直到油層溫度達到開采需求時，才停止蒸汽注入。此時關井并等待一定時間，待油層表面溫度不會影響到采油生產(chǎn)效率時，進行采油作業(yè)，直到油井的單井采油量降低時，再次開始油井蒸汽吞吐。利用這種方式進行循環(huán)注汽與采油，能夠逐漸提升油井的開采面，從而形成油井開采中心圈。當這個油井的開采面積達到一定程度，注汽效果便達到了其所能夠達到的注氣極限。

（2）連續(xù)法。這種注汽方式為從多個相連的采油井中，選擇一口井作為蒸汽注汽井，通過向該井連續(xù)注汽的方式，達到油井連續(xù)采油的目的。也就是說這種方式所利用到的注汽方法與常規(guī)采油作業(yè)所選擇的注水方式相似，均為油驅(qū)動方式。可以說受蒸氣擠壓的熱水驅(qū)動效果要比吞吐法好得多。

3 注汽鍋爐控制系統(tǒng)概述

鍋爐在工業(yè)中的應用非常廣泛，據(jù)不完全資料統(tǒng)計，當前國內(nèi)中小型鍋爐約有40萬臺，年耗煤量約占國內(nèi)原煤產(chǎn)量的三分之一。多數(shù)鍋爐存在自控水平較低的問題，燃煤效率明顯低于對鍋爐自控水平和效率的規(guī)定標準。許多鍋爐都有著環(huán)境污染嚴重、耗能高的特征，每年因熱效率低而多消耗的標準煤達到近2000萬噸。此外鍋爐在消耗燃煤的同時，也需要消耗大量電能。據(jù)了解，國內(nèi)多數(shù)中小型鍋爐均將擋風板的引風量與鼓風量應用，作為調(diào)節(jié)鍋爐燃燒效率的依據(jù)，這會需要大量電能用于擋風板能量消耗。此外，在鍋爐運行中其安全性也隨時會受到外在和內(nèi)在的威脅。鍋爐蒸汽壓力控制將直接決定鍋爐能否安全正常的運行。在鍋爐控制系統(tǒng)中，蒸汽壓力時常會受到外在環(huán)境因素的干擾，因此在鍋爐控制系統(tǒng)中蒸汽壓力扮演滯后角色。當然鍋爐燃燒也是一個多變量、非線性的過程，很容易受到內(nèi)部因素，即鼓風量、給煤量和煤質(zhì)的影響。雖說國內(nèi)在鍋爐系統(tǒng)控制上的研究和技術(shù)已經(jīng)比較成熟，不過在實際應用中卻很容易受到各種因素的干擾，從而影響到實際的理論應用。對此選用更加嚴謹合理的鍋爐管理控制系統(tǒng)便顯得極為關鍵。過去人們一直使用PID調(diào)節(jié)方式作為鍋爐系統(tǒng)控制，不過在鍋爐技術(shù)不斷發(fā)展的過程中傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)方式顯然已經(jīng)不再具備滿足鍋爐使用的實際需求。與之相對應的則是模糊控制，這種模式具有魯棒性好、反應速度快等優(yōu)勢。不過這種方式并不具備積分作用，因此模糊控制又缺乏良好的穩(wěn)態(tài)性能。基于對上述兩種方式的了解，近些年又出現(xiàn)了許多新興的注汽鍋爐控制系統(tǒng)，包括模糊—PID雙模控制，以及模糊Smith預估控制等。這些控制系統(tǒng)的出現(xiàn)為注汽鍋爐的發(fā)展提供了良好的技術(shù)支持，是實現(xiàn)鍋爐技術(shù)和技能進一步發(fā)展的必要性前提。

4 注汽鍋爐硬件配置

過去鍋爐一直依靠的是人力方式控制，即司爐工管理鍋爐。不過在計算機與電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時，越來越多的自控系統(tǒng)出現(xiàn)。許多鍋爐自控系統(tǒng)均引用了現(xiàn)代計算機技術(shù)，利用計算機處理的方式，監(jiān)視與控制鍋爐的運行。計算機控制模式，并非簡單的取代人力鍋爐控制方式。利用計算機控制能夠?qū)崿F(xiàn)精準計算，最大化發(fā)揮計算機強大計算能力，從而做到煤量的精準輸送和鼓風量調(diào)節(jié)。這些都是傳統(tǒng)人力控制所無法達到的。

（1）智能儀表。在鍋爐自控系統(tǒng)中，智能儀表編程簡單、價格便宜且容易掌握，受到了較為全面的推廣。不過智能儀表也存在著控制系統(tǒng)單調(diào)、可靠性差以及輸入通道較少等問題。因此近些年智能儀表開始被更加先進的計算機設備所取代。

（2）工控機。這種系統(tǒng)使用了STD總線、PC總線以及其他總線結(jié)構(gòu)作為計算機控制單元。其中最為常見的便是STD控制機系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具備性價比高的特征，因此在國內(nèi)運用十分廣泛。16位的STD總線控制機使用總線控制模塊，維修簡便、組態(tài)靈活，非常適合工業(yè)注汽鍋爐的使用和普及。當然工控機注汽鍋爐控制系統(tǒng)還具備強大的計算機圖形與文字計算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、靈活的控制計算，并生成簡明的用戶使用界面。如工控機可以將測試重要參數(shù)直接呈現(xiàn)到計算機面板上，自行建立光柱模擬圖，能夠?qū)φ羝麢C的爐膛壓力、爐溫、蒸汽壓力超限報警。不過這種系統(tǒng)也存在一些問題，其中最為常見的問題便是這種系統(tǒng)的抗干擾能力較差，一旦周圍出現(xiàn)大頻率信號設備，將直接影響到工控機的信號采集。此外當工控機自身發(fā)生故障時，也會直接影響系統(tǒng)正常運行，降低注汽鍋爐運行效率。

（3）DCS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)最早出現(xiàn)在上個世紀的工業(yè)控制，具有系統(tǒng)組態(tài)間接、功能豐富等優(yōu)點，非常適合于發(fā)酵、燃燒、石化等場合的使用。不過雖然這種控制系統(tǒng)具備較高的性能，但是卻有著造價較高的特點。顯然高造價并不適合國內(nèi)對鍋爐控制系統(tǒng)的應用。為進一步提高國內(nèi)小型鍋爐的控制和改造，我們應從鍋爐的自動化角度出發(fā)完成設計和改造。

（4）PBC控制系統(tǒng)。近些年PBC系統(tǒng)得到了較為顯著的發(fā)展，這是一種由微處理器組成和控制的工業(yè)設備，融合了通信技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)等多樣技術(shù)于一體，并能夠獨立完成數(shù)據(jù)處理、過程控制及順序控制，具有操作簡單、控制靈活、功能強大、可靠性高等優(yōu)勢。當然在PBC這項技術(shù)越來越成熟的同時，其可靠性也得到了顯著性提升，能夠有效保障鍋爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性性能，降低了后期維護和管理的成本。當前人們在使用PBC作為鍋爐控制時一般選用的是上位機模式。即可靠性要求高的實施控制程序在PBC上運行，對圖形功能要求高的人機交互功能在上位計算機上運行。PBC控制同時具備了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的易操作性和低成本優(yōu)點，同時也具有DCS系統(tǒng)高度可靠性能。所以這種系統(tǒng)在鍋爐控制中具有十分廣闊的前景。

5 注汽鍋爐控制系統(tǒng)改造設計方案

為保障爐膛壓力處于要求的負壓范圍，我們就必須將爐膛壓力作為注汽鍋爐控制系統(tǒng)的改造設計核心。包括壓力被控量、蒸汽流量等內(nèi)容。此外我們也要做好給水量控制，包括用PID運算的方式設計給水設定值，將運算結(jié)果加上作為前饋的蒸汽流量，并將所獲得的結(jié)果當做柱塞泵輸入控制量。鍋爐燃燒自控也是控制系統(tǒng)改造重要環(huán)節(jié)，燃燒質(zhì)量的好壞將直接決定系統(tǒng)經(jīng)濟性價值。為保障自控系統(tǒng)能夠在環(huán)境變化情況下，及時調(diào)整鼓風量達到最合理，如煤粉熱值變化時，燃燒控制應根據(jù)煤粉燃燒的變化值，及時調(diào)整鼓風量，搜索最佳工況，作出給風量調(diào)整。

（1）硬件配置設計。鑒于蒸汽鍋爐工藝流程控制要求，認為還要處理好注汽鍋爐的硬件配置設計和改造。設計系統(tǒng)必須具備計算機自控能力，由上下位機結(jié)構(gòu)共同組成，負責處理現(xiàn)場設備的控制和參數(shù)采集。此外硬件配置還包括電源模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、接口模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊等，用于鍋爐系統(tǒng)的全方位控制和管理。

（2）系統(tǒng)軟件配置設計。系統(tǒng)軟件由Windows10平臺開發(fā)，監(jiān)控軟件為組態(tài)王6．01版本，點數(shù)共用256，開發(fā)系統(tǒng)包括系統(tǒng)畫面、低壓電圖畫面、變頻畫面、設備調(diào)試畫面、報表畫面、報警畫面、曲線畫面、設備自控畫面、監(jiān)控系統(tǒng)畫面等，實現(xiàn)了鍋爐控制系統(tǒng)的全方位管理顯示與控制目的。

6 結(jié)語

通過本系統(tǒng)的更改和修正，在實踐中獲得了較為良好的使用效果。其中給煤量、鼓風量、給水量均達到了先進標準，有效解決了注汽鍋爐環(huán)保及經(jīng)濟效益問題。當然通過本系統(tǒng)的應用，也實現(xiàn)了能源節(jié)省，降低工人勞動強度的目的。根據(jù)專家預估，利用本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1年內(nèi)回收成本的目的，大幅提高了鍋爐使用價值，對能源消耗量較大的鍋爐使用有積極意義。

參考文獻：

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