油田臥式水套加熱爐熱效率提高方法研究

趙強，孫景齊，蘇振華，徐向前

（1.西安石油大學，陜西西安710065；2.長慶油田分公司a.機械制造總廠；b.第六采油廠，陜西西安710012）

1 現 狀

目前廣泛應用在油氣田行業的加熱爐稱之為油田加熱爐，是油氣集輸系統中應用最多的油田專用設備之一，僅長慶油田目前就有各類加熱爐超過5 000臺，且80%以上為臥式水套加熱爐。

油田臥式水套加熱爐的熱效率平均約為83%，熱效率較低。通過優化加熱爐的內部結構，應用新技術降低加熱爐燃料消耗，提高加熱爐效率，實現“低能耗、高效率”成為工程技術人員關注的重點。提高油田加熱爐的熱效率，通常有三種方法：一是優化爐體結構強化換熱，減少燃料消耗；二是加強爐體保溫，降低熱量損失；三是煙氣余熱回收，降低煙氣帶走的熱量。

現在油田臥式水套加熱爐的排煙溫度還比較高［1-2］，因此提出根據油田加熱爐的水溫工藝要求和被加熱介質的流速、流量等采用Smith算法控制水溫減少燃料消耗，在爐體結構采用熱管進行強化換熱，回收利用煙氣的余熱，提高效率。

2 熱管余熱回收應用研究

熱管作為一種高效的傳熱元件已經從航天工程中的應用轉到了地面應用領域。熱管的工作原理是依靠工作介質的相變傳熱，因此熱管具有優良的傳熱特性［3-6］，甚至被譽為熱的“超導體”，同時在加強換熱、工業余熱回收等場合有著廣泛應用，有著較好的應用效果。在油田加熱爐的應用上，根據換熱溫度、爐體結構進行了熱管的選型和安裝。

2.1 熱管選型

熱管類型按照熱管內部工作介質溫度分類，可以將高于500℃的稱為高溫熱管，在100～500℃的稱為中溫熱管，在100℃以下的稱為低溫熱管。氟利昂、蒸餾水、萘、導熱姆、液態金屬等都可以作為熱管的內部工作介質，這些工作介質在工作過程中會發生相變從而來加強換熱。油田水套加熱爐是通過加熱水來加熱原油，因此爐體的回煙室或煙氣側的溫度可能會高于100℃，但不會高于200℃。工程實際中經過實驗測量，排煙溫度低于200℃。

碳鋼-水熱管在換熱溫度上可滿足要求，碳鋼-水熱管具有良好的物理性能、其制造工藝較為簡單、管體強度高、造價較低，應用較為廣泛。碳鋼-水熱管是在密閉的鋼管內裝入17%～22%的水，抽真空，使其負壓為1.33 Pa。碳鋼-水熱管安裝時要求與水平線成15°，以便于高溫煙氣通過熱管時，熱管吸收煙氣的熱量，熱管內部的水被加熱，由液相汽化為氣相，而上升至冷端，與水浴側換熱。熱管上部的水蒸氣釋放出熱量后冷凝液化，借助重力自流至下部，則重新被加熱至汽化，進而完成循環。但是水蒸氣隨著溫度的提高壓力會發生較快的增加，因此在使用碳鋼-水熱管時一般不會超過250℃，以保證傳熱的效率和安全性能；油田臥式水套加熱爐一般排煙溫度約在180℃。綜合以上分析，選用了碳鋼-水熱管，屬于中溫熱管。

2.2 熱管安裝

安裝熱管首先要考慮加熱爐的結構和工作原理及過程。臥式水套加熱爐的結構如圖1所示，主要由燃燒器、火筒、防爆門、盤管、爐體、漲水箱、煙囪、回煙室等部件構成。臥式水套加熱爐采用經典的兩回程結構，火筒采用E型結構。燃燒器安裝在火筒左側出口，防爆門與火筒的右側直通。爐體內充滿水，盤管浸在水中，燃燒器工作時，將燃料燃燒產生的熱量通過火筒傳遞給水，水通過盤管加熱介質。為了提高熱效率，目前采用了高效自動控制燃料器對過?？諝庀禂颠M行控制，采用了波形火筒和螺紋煙管，同時選用了良好的保溫材料以及較為先進的施工工藝，確保熱量損失最小。但是，加熱爐在實際運行過程中排煙溫度還是比較高，有時接近200℃，從而煙氣中的水處于蒸汽狀態，并通過煙管帶走大量熱量。根據熱管的工作原理和結構及以上對加熱爐的分析，將熱管安裝在回煙室與爐體分隔的隔板上，一端位于高溫煙氣側，一端位于水浴側，起到回收煙氣余熱、降低排煙溫度的作用，達到提高加熱爐熱效率的目的。

圖1 臥式水套加熱爐的結構示意

3 加熱爐的單神經元SVM-Smith預估水溫控制

根據圖1中加熱爐的結構，為了提高熱效率，需要嚴格地控制水溫，同時降低燃料的消耗。加熱爐的水溫控制具有大慣性、純滯后的非線性特點，再由于熱管的特性以及被加熱介質的流量的不確定性等，所以采用常規PID控制可能會出現較大的超調量，控制效率不佳。筆者提出使用支持向量機對被加熱介質的流量進行預估，并采用Smith預估補償及單神經元PID算法進行改進，減少超調量，準確控制水溫，提高熱效率。

3.1 支持向量機

支持向量機是實用的機器學習算法，模型建立較為簡單，操作較為方便。很多學者采用支持向量機解決了石油工程中的一些工程問題。比如，王星［7］、劉煒［8］用支持向量機對示功圖進行了識別和分類；王凱［9］用多分類支持向量機對抽油泵工況進行了分類；于德亮［10］等人用支持向量機對抽油泵沉沒度進行了優化。本文應用支持向量機在線回歸預測流經油田加熱爐的介質流量。

3.1.1 構建支持向量回歸機模型

轉化為二次優化問題如下：

3.1.2 支持向量回歸機模型核函數及參數尋優

式（4）所示的支持向量回歸機模型泛化能力取決于所選擇的核函數以及相應的參數。在支持向量回歸機模型建立過程中，核函數及相應參數的尋優是一個重要部分。由于徑向基核函數能夠進行平滑估計，因此這里支持向量機回歸模型選擇徑向基核函數。這樣對建立模型有重要影響的參數有ε，正則化參數C和核函數參數g。ε的取值不同，預測誤差隨著C和g具有類似的變化趨勢。因此，可以先確定ε，再確定C和g，把三參數尋優變成二參數優化。

這樣建立的模型是選擇徑向基核函數，就有2個非常重要的特征參數分別是C和g。其中，C表示對實驗誤差的容忍范圍，g是選擇徑向基核函數自帶的參數，它決定了樣本數據映射到另一空間后的大致趨勢［11］。

對C和g尋優采用了交叉驗證法，交叉驗證是用來檢驗回歸性能的一種統計學理論分析法。交叉驗證法的原理是：在一些狀況下，把原始數據集劃分組別，一些是訓練集，剩下的當作驗證樣本。先訓練一些數據樣本集，然后訓練測試驗證樣本集，最后獲得支持向量機模型［12］。常見交叉驗證法有：Hold-Out Method和K-fold Cross Validation兩種。

Hold-Out Method方法雖然處理簡單，僅僅把隨機樣本集分成兩組就可以，但這是隨機的，偶然性非常大，最終試驗結果的精度和原樣本集的分組關聯較大，所以結果說服力不大。對于K-fold Cross Validation（記為K-CV）方法來講，它的基本原理是：把原始數據平均分成m組，然后把m-1組子集用來訓練，余下的用來驗證，最后可以得到m個模型。該m個驗證樣本回歸精度的平均值是支持向量機的性能指標。該方法避免了欠學習的影響，獲取了最佳參數組合。

選取流量傳感器的數據作為樣本數據，進行定時記錄，將樣本數據歸一化到［-1，1］。以流經加熱爐的介質流量數據歸一化時間序列為基礎，構造支持向量機訓練樣本，預測加熱介質流量的變化量。

3.2 加熱爐水溫控制仿真

油田加熱爐內的水溫上升過程需要一定的時間，也就是在水溫的控制過程中是存在純滯后的，這樣控制過程中就會出現超調或者調節時間較長。根據油田水套加熱爐的結構，可以看出除了溫度控制是個滯后系統外，被加熱介質的流量變化和熱管的使用都會給溫度控制帶來一定的影響。為了提高加熱爐的熱效率，需要對水溫進行較為準確的控制。

通常采用的PID控制，對于大滯后系統，控制效果不理想，需要進行另外的補償。使用Smith預估補償可以有效地減小超調并加快響應，但是需要與控制模型精確匹配，這樣在油田加熱爐上很難做到。Smith預估算法與模型失配時，控制效果不理想。因此，對Smith模型進行了改進，把自適應控制與Smith預估器有機地結合起來，對控制系統的參數進行整定，單神經元SVM-Smith預估控制系統結構如圖2所示，增益可調的單神經元PID控制算法如圖3所示。采用Smith預估補償減小PID控制的超調量，應用單神經元對PID進行參數整定，使得Smith預估補償與控制模型匹配。為了提高預測補償的精度，使用支持向量機算法，預測被加熱介質的流量。

圖2 單神經元SVM-Smith預估控制系統結構示意

圖3中，yr和y0是系統的設定值和輸出值，則

則神經元控制器輸出可寫成：

采用Hebb學習規則，進行規范化處理后可得：

式中：ηI，ηP，ηD——積分、比例、微分的學習速率。

對于增益K的調整，采用將PSD算法與單神經元PID控制相結合，構成一個增益可自動調整的控制器。調整算法如下：

式中：c——K（k）的調整系數，0.025≤c≤0.050；L*——Tv（k）的調整系數，0.05≤L*≤0.10。

根據圖2和圖3以及以上的公式，在Matlab中進行了仿真。仿真中應用支持向量機預測了被加熱介質的流量，并傳遞給了Smith預估器，通過改進的單神經元PID算法計算出當前抗旨量，傳送給控制對象。其中對比了常規PID與單神經元SVM-Smith的控制效果，如圖4所示。可見改進后的PID算法能夠保持系統的穩定，減少振蕩次數，提高收斂速度。

圖4 單神經元SVM-Smith-PID與常規PID控制仿真比較

4 試驗應用

選取應用量較多的600 k W臥式水套加熱爐進行試驗，安裝了10臺加熱爐，試驗用加熱爐結構形式完全相同。安裝熱管的加熱爐根據爐體結構尺寸，選取φ32 mm×3.5 mm，長度為600 mm的碳鋼-水熱管，數量52根，安裝3排，進行對比試驗。

表1 600 kW臥式水套加熱爐工業性試驗平均測量結果記錄

根據試驗結果可以看出，加裝熱管后，加熱爐排煙溫度明顯降低，熱效率平均提升約10%，熱效率提高明顯。而且，隨著排煙溫度降低，煙氣余熱回收還可進一步降低燃氣用量。

5 結束語

加熱爐是油田的主要能耗設備，其熱效率的高低，直接影響著油田的經濟效益；同時加熱爐也是對大氣造成污染的主要設備，加熱爐對環境造成的污染問題也是目前關注的重點。通過對加熱爐提高熱效率的研發發現：

1）通過油田臥式水套加熱爐熱管余熱回收應用研究，碳鋼-水熱管直接安裝于加熱爐回煙室進行煙氣余熱回收的方案是切實可行的，提高了熱效率。

2）針對加熱爐水溫控制提出的單神經元SVM-Smith預測控制有效可靠。采用單神經元PID控制和Smith預測補償以及SVM算法相結合的方式，對控制系統的參數進行整定，通過仿真和試驗證明有較好的控制效果。