趙晶晶

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)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(fù)壓、燃燒最優(yōu)、蒸汽壓力三個(gè)控制器。通過三個(gè)控制器的協(xié)調(diào)管理，能夠?yàn)殄仩t控制提供穩(wěn)定與高效的鍋爐控制能力。其中爐膛負(fù)壓利用鼓風(fēng)量調(diào)整引風(fēng)量，從而確保爐膛負(fù)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(fēng)量，充分利用燃燒熱能，最大化發(fā)揮燃燒價(jià)值。蒸汽壓力利用了給粉機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整控制送煤量，達(dá)到注汽鍋爐內(nèi)部壓力恒定的目的。

1 注汽鍋爐的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)大部分油田均為低滲透油田，在開采此類油田時(shí)，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(rùn)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(dá)到開采需求時(shí)，才停止蒸汽注入。此時(shí)關(guān)井并等待一定時(shí)間，待油層表面溫度不會(huì)影響到采油生產(chǎn)效率時(shí)，進(jìn)行采油作業(yè)，直到油井的單井采油量降低時(shí)，再次開始油井蒸汽吞吐。利用這種方式進(jìn)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(dāng)這個(gè)油井的開采面積達(dá)到一定程度，注汽效果便達(dá)到了其所能夠達(dá)到的注氣極限。

（2）連續(xù)法。這種注汽方式為從多個(gè)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(dá)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(dòng)方式?？梢哉f受蒸氣擠壓的熱水驅(qū)動(dòng)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(yīng)用非常廣泛，據(jù)不完全資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)中小型鍋爐約有40萬臺(tái)，年耗煤量約占國(guó)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(duì)鍋爐自控水平和效率的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。許多鍋爐都有著環(huán)境污染嚴(yán)重、耗能高的特征，每年因熱效率低而多消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤達(dá)到近2000萬噸。此外鍋爐在消耗燃煤的同時(shí)，也需要消耗大量電能。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)多數(shù)中小型鍋爐均將擋風(fēng)板的引風(fēng)量與鼓風(fēng)量應(yīng)用，作為調(diào)節(jié)鍋爐燃燒效率的依據(jù)，這會(huì)需要大量電能用于擋風(fēng)板能量消耗。此外，在鍋爐運(yùn)行中其安全性也隨時(shí)會(huì)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(yùn)行。在鍋爐控制系統(tǒng)中，蒸汽壓力時(shí)常會(huì)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(dāng)然鍋爐燃燒也是一個(gè)多變量、非線性的過程，很容易受到內(nèi)部因素，即鼓風(fēng)量、給煤量和煤質(zhì)的影響。雖說國(guó)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(shí)際應(yīng)用中卻很容易受到各種因素的干擾，從而影響到實(shí)際的理論應(yīng)用。對(duì)此選用更加嚴(yán)謹(jǐn)合理的鍋爐管理控制系統(tǒng)便顯得極為關(guān)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(shí)際需求。與之相對(duì)應(yīng)的則是模糊控制，這種模式具有魯棒性好、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)。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?；趯?duì)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?？刂?，以及模糊Smith預(yù)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(shí)現(xiàn)鍋爐技術(shù)和技能進(jìn)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(jì)算機(jī)與電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，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(jì)算機(jī)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)處理的方式，監(jiān)視與控制鍋爐的運(yùn)行。計(jì)算機(jī)控制模式，并非簡(jiǎn)單的取代人力鍋爐控制方式。利用計(jì)算機(jī)控制能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)算，最大化發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大計(jì)算能力，從而做到煤量的精準(zhǔn)輸送和鼓風(fēng)量調(diào)節(jié)。這些都是傳統(tǒng)人力控制所無法達(dá)到的。

（1）智能儀表。在鍋爐自控系統(tǒng)中，智能儀表編程簡(jiǎn)單、價(jià)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(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)備所取代。

（2）工控機(jī)。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(jì)算機(jī)控制單元。其中最為常見的便是STD控制機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具備性價(jià)比高的特征，因此在國(guó)內(nèi)運(yùn)用十分廣泛。16位的STD總線控制機(jī)使用總線控制模塊，維修簡(jiǎn)便、組態(tài)靈活，非常適合工業(yè)注汽鍋爐的使用和普及。當(dāng)然工控機(jī)注汽鍋爐控制系統(tǒng)還具備強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)圖形與文字計(jì)算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、靈活的控制計(jì)算，并生成簡(jiǎn)明的用戶使用界面。如工控機(jī)可以將測(cè)試重要參數(shù)直接呈現(xiàn)到計(jì)算機(jī)面板上，自行建立光柱模擬圖，能夠?qū)φ羝麢C(jī)的爐膛壓力、爐溫、蒸汽壓力超限報(bào)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(hào)設(shè)備，將直接影響到工控機(jī)的信號(hào)采集。此外當(dāng)工控機(jī)自身發(fā)生故障時(shí)，也會(huì)直接影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，降低注汽鍋爐運(yùn)行效率。

（3）DCS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)最早出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)的工業(yè)控制，具有系統(tǒng)組態(tài)間接、功能豐富等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于發(fā)酵、燃燒、石化等場(chǎng)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(jià)較高的特點(diǎn)。顯然高造價(jià)并不適合國(guó)內(nèi)對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用。為進(jìn)一步提高國(guó)內(nèi)小型鍋爐的控制和改造，我們應(yīng)從鍋爐的自動(dòng)化角度出發(fā)完成設(shè)計(jì)和改造。

（4）PBC控制系統(tǒng)。近些年P(guān)BC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(shè)備，融合了通信技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多樣技術(shù)于一體，并能夠獨(dú)立完成數(shù)據(jù)處理、過程控制及順序控制，具有操作簡(jiǎn)單、控制靈活、功能強(qiáng)大、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然在PBC這項(xiàng)技術(shù)越來越成熟的同時(shí)，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(hù)和管理的成本。當(dāng)前人們?cè)谑褂肞BC作為鍋爐控制時(shí)一般選用的是上位機(jī)模式。即可靠性要求高的實(shí)施控制程序在PBC上運(yùn)行，對(duì)圖形功能要求高的人機(jī)交互功能在上位計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。PBC控制同時(shí)具備了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的易操作性和低成本優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(shè)計(jì)方案

為保障爐膛壓力處于要求的負(fù)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(shè)計(jì)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(yùn)算的方式設(shè)計(jì)給水設(shè)定值，將運(yùn)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(dāng)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(jì)性價(jià)值。為保障自控系統(tǒng)能夠在環(huán)境變化情況下，及時(shí)調(diào)整鼓風(fēng)量達(dá)到最合理，如煤粉熱值變化時(shí)，燃燒控制應(yīng)根據(jù)煤粉燃燒的變化值，及時(shí)調(diào)整鼓風(fēng)量，搜索最佳工況，作出給風(fēng)量調(diào)整。

（1）硬件配置設(shè)計(jì)。鑒于蒸汽鍋爐工藝流程控制要求，認(rèn)為還要處理好注汽鍋爐的硬件配置設(shè)計(jì)和改造。設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須具備計(jì)算機(jī)自控能力，由上下位機(jī)結(jié)構(gòu)共同組成，負(fù)責(zé)處理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件由Windows10平臺(tái)開發(fā)，監(jiān)控軟件為組態(tài)王6．01版本，點(diǎn)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(shè)備調(diào)試畫面、報(bào)表畫面、報(bào)警畫面、曲線畫面、設(shè)備自控畫面、監(jiān)控系統(tǒng)畫面等，實(shí)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(shí)踐中獲得了較為良好的使用效果。其中給煤量、鼓風(fēng)量、給水量均達(dá)到了先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，有效解決了注汽鍋爐環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益問題。當(dāng)然通過本系統(tǒng)的應(yīng)用，也實(shí)現(xiàn)了能源節(jié)省，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。根據(jù)專家預(yù)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(jià)值，對(duì)能源消耗量較大的鍋爐使用有積極意義。

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