油田注汽锅炉干度控制自动化技术研究

近几年来, 我国的石油业发展正愈来愈迅速。在油田热采中, 注汽锅炉是一项关键设备, 通过注汽锅炉可以将油田热采过程中产生的蒸汽送入地下油层以提供热源。不过, 在注汽锅炉的使用过程中, 干度控制是一项关键问题。所谓干度, 是指干饱和蒸汽在湿饱和蒸汽中占有的质量百分比, 它是影响注汽锅炉运行及油田热采效率的重要参数和指标。为了改善注汽锅炉在使用中的干度控制问题, 可以将自动化控技术运用到其中, 进行干度自动化控制, 从而提高采油效率, 降低热采成本。以下笔者就来简要谈谈油田注汽锅炉干度控制自动化技术的相关研究。

1 油田注汽锅炉干度控制自动化技术的原理

1.1 模糊控制

常说的“FC”即模糊控制, 其是一种以模糊理论集、模糊逻辑推理以及模糊语言变量为基础的自动控制方法, 通过模糊控制可以解决一些常规控制所解决不了的较复杂的控制问题。

1.2 预测控制

常说的“MPC”即预测控制, 其是一种随着工业发展而逐渐形成的新型自动控制算法, 滚动优化是其的核心思想, 多步预测、反馈校正等是其的主要控制策略, 总体来说, 预测控制具有控制效果好、适用性强、鲁棒性强等优点, 可用于各项复杂的油田开采过程, 并且在其他一些工业领域中也有着较重要的应用。

2 油田注汽锅炉蒸汽干度控制器的设计

油田注汽锅炉的各项运行参数之间均具有一定的关联性, 这导致蒸汽干度及压力具有较大的时延, 因此必须先对整个系统进行有效分解, 才能够控制锅炉的运行。为了方便进行控制, 可以先将整个系统分解成为两个子系统, 分别负责调节水流量和调节天然气流量。调节水流量的目的是为了稳定蒸汽压力。在调节天然气流量时, 需要依据干度的变化率和误差进行调节。

2.1 蒸汽压力控制

蒸汽压力是油田注汽锅炉干度控制自动化控制过程中的一项重要参数。在整个注气过程中, 由于蒸汽压力的范围较大, 所以无须对压力精度提出过高的要求。在对蒸汽压力进行控制之时, 需要通过调节和控制水流量的方式来缩短时滞时间, 从而减少相关影响的因素。一般可以采用单回路的蒸汽压力模糊控制器来控制其精度。

2.2 干度模糊前馈反馈控制

首先对影响油田注汽锅炉干度的各项因素进行认真分析, 得出科学有效的结果, 然后根据其结果来进行控制系统的设计。笔者根据相关研究成果, 设计了一个基于模糊逻辑的相乘型前馈反馈控制系统, 该系统可以自动化控制注汽锅炉的蒸汽干度。具体来说, 该系统的主被控变量为蒸汽干度, 而副被控变量为天然气流量, 同时在这基础上又设立了一个串级控制回路, 通过模糊预测控制器在该回路当中获得控制量, 并利用水流量的前馈控制量与主回路相乘, 最终形成蒸汽干度的前馈反馈控制。该系统能够实现自动跟踪水流量。另外, 为了避免系统受各种因素的干扰, 在设计之时还引入了非线性跟踪微分器, 这样就大大提高了其的抗干扰能力。

2.3 仿真实验

为了进一步验证油田注汽锅炉干度控制自动化系统的控制效果, 笔者应用了阶跃响应试验, 比较分析系统及其PID控制。在燃料流量的影响下, 可以采用环节传递函数模型来表示蒸汽干度的动态特性:

上式中, Kg代表过程稳定增益;τg代表纯滞后时间;Tg代表过程时间常数。

在该次实验中, 以天然气作为燃料, 通过现场注汽锅炉手动进行数据运行, 应用最小二乘法辨识来传递函数模型的参数, 确定出Kg、τg、Tg的数值分别为1.23、350s、610s。阶跃响应动态指标为:PID上升时间为915s、调节时间为2543s、超调量为7.5%, 模糊预测控制上升时间为856s、调节时间为1150s、超调量为0.8%。从数据可以看出, 模糊预测控制系统与PID控制相比其各项指标均明显减小, 从而证明了该系统在油田注汽锅炉干度控制中的效果。

3 结语

综上所述, 随着社会经济的发展, 人们对石油的需求不断上升, 在此背景下, 对油田开采中的各项工作都提出了更高的要求。在油田热采中, 注汽锅炉干度控制一直是一项难题。本文介绍了一种模糊预测控制方法, 通过实验证实了该方法具有广泛的实用性。模糊预测控制系统的优势在于精度高、可靠性强, 通过其可以显著提高蒸汽质量, 因此是一种很好的蒸汽干度控制方法。另外该控制系统的干度波动也非常小, 可有助于稠油的采收率提升。

摘要：当前在我国的各大油田当中, 对注汽锅炉的应用均十分广泛, 因为注汽锅炉具有诸多优点, 可大大提高油田生产效率。不过, 在注汽锅炉的实际使用过程中, 也存在着一些问题, 例如在干度控制方面不太理想。而为了改善这一问题, 必须要对现有的系统进行具有针对性的优化和改进。对油田注汽锅炉干度控制自动化技术的应用正可以达到这一目标。本文主要针对油田注汽锅炉干度控制自动化技术进行了研究, 希望对相关工作能有一定的帮助。

关键词：油田注汽锅炉,干度控制,自动化技术,石油

参考文献

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