趙強(qiáng)，孫景齊，蘇振華，徐向前

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

1 現(xiàn) 狀

目前廣泛應(yīng)用在油氣田行業(yè)的加熱爐稱之為油田加熱爐，是油氣集輸系統(tǒng)中應(yīng)用最多的油田專用設(shè)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(yōu)化加熱爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)用新技術(shù)降低加熱爐燃料消耗，提高加熱爐效率，實現(xiàn)“低能耗、高效率”成為工程技術(shù)人員關(guān)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(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱，減少燃料消耗；二是加強(qiáng)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(xiàn)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(jù)油田加熱爐的水溫工藝要求和被加熱介質(zhì)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(jié)構(gòu)采用熱管進(jìn)行強(qiáng)化換熱，回收利用煙氣的余熱，提高效率。

2 熱管余熱回收應(yīng)用研究

熱管作為一種高效的傳熱元件已經(jīng)從航天工程中的應(yīng)用轉(zhuǎn)到了地面應(yīng)用領(lǐng)域。熱管的工作原理是依靠工作介質(zhì)的相變傳熱，因此熱管具有優(yōu)良的傳熱特性［3-6］，甚至被譽(yù)為熱的“超導(dǎo)體”，同時在加強(qiáng)換熱、工業(yè)余熱回收等場合有著廣泛應(yīng)用，有著較好的應(yīng)用效果。在油田加熱爐的應(yīng)用上，根據(jù)換熱溫度、爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(nèi)部工作介質(zhì)溫度分類，可以將高于500℃的稱為高溫?zé)峁埽?00～500℃的稱為中溫?zé)峁?，?00℃以下的稱為低溫?zé)峁?。氟利昂、蒸餾水、萘、導(dǎo)熱姆、液態(tài)金屬等都可以作為熱管的內(nèi)部工作介質(zhì)，這些工作介質(zhì)在工作過程中會發(fā)生相變從而來加強(qiáng)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?zé)熓一驘煔鈧?cè)的溫度可能會高于100℃，但不會高于200℃。工程實際中經(jīng)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(qiáng)度高、造價較低，應(yīng)用較為廣泛。碳鋼-水熱管是在密閉的鋼管內(nèi)裝入17%～22%的水，抽真空，使其負(fù)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?zé)煔馔ㄟ^熱管時，熱管吸收煙氣的熱量，熱管內(nèi)部的水被加熱，由液相汽化為氣相，而上升至冷端，與水浴側(cè)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(jìn)而完成循環(huán)。但是水蒸氣隨著溫度的提高壓力會發(fā)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?zé)峁堋?/p>

2.2 熱管安裝

安裝熱管首先要考慮加熱爐的結(jié)構(gòu)和工作原理及過程。臥式水套加熱爐的結(jié)構(gòu)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?zé)熓业炔考?gòu)成。臥式水套加熱爐采用經(jīng)典的兩回程結(jié)構(gòu)，火筒采用E型結(jié)構(gòu)。燃燒器安裝在火筒左側(cè)出口，防爆門與火筒的右側(cè)直通。爐體內(nèi)充滿水，盤管浸在水中，燃燒器工作時，將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量通過火筒傳遞給水，水通過盤管加熱介質(zhì)。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?shù)進(jìn)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(jìn)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(tài)，并通過煙管帶走大量熱量。根據(jù)熱管的工作原理和結(jié)構(gòu)及以上對加熱爐的分析，將熱管安裝在回?zé)熓遗c爐體分隔的隔板上，一端位于高溫?zé)煔鈧?cè)，一端位于水浴側(cè)，起到回收煙氣余熱、降低排煙溫度的作用，達(dá)到提高加熱爐熱效率的目的。

圖1 臥式水套加熱爐的結(jié)構(gòu)示意

3 加熱爐的單神經(jīng)元SVM-Smith預(yù)估水溫控制

根據(jù)圖1中加熱爐的結(jié)構(gòu)，為了提高熱效率，需要嚴(yán)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(zhì)的流量的不確定性等，所以采用常規(guī)PID控制可能會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，控制效率不佳。筆者提出使用支持向量機(jī)對被加熱介質(zhì)的流量進(jìn)行預(yù)估，并采用Smith預(yù)估補(bǔ)償及單神經(jīng)元PID算法進(jìn)行改進(jìn)，減少超調(diào)量，準(zhǔn)確控制水溫，提高熱效率。

3.1 支持向量機(jī)

支持向量機(jī)是實用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，模型建立較為簡單，操作較為方便。很多學(xué)者采用支持向量機(jī)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(jī)對示功圖進(jìn)行了識別和分類；王凱［9］用多分類支持向量機(jī)對抽油泵工況進(jìn)行了分類；于德亮［10］等人用支持向量機(jī)對抽油泵沉沒度進(jìn)行了優(yōu)化。本文應(yīng)用支持向量機(jī)在線回歸預(yù)測流經(jīng)油田加熱爐的介質(zhì)流量。

3.1.1 構(gòu)建支持向量回歸機(jī)模型

轉(zhuǎn)化為二次優(yōu)化問題如下：

3.1.2 支持向量回歸機(jī)模型核函數(shù)及參數(shù)尋優(yōu)

式（4）所示的支持向量回歸機(jī)模型泛化能力取決于所選擇的核函數(shù)以及相應(yīng)的參數(shù)。在支持向量回歸機(jī)模型建立過程中，核函數(shù)及相應(yīng)參數(shù)的尋優(yōu)是一個重要部分。由于徑向基核函數(shù)能夠進(jìn)行平滑估計，因此這里支持向量機(jī)回歸模型選擇徑向基核函數(shù)。這樣對建立模型有重要影響的參數(shù)有ε，正則化參數(shù)C和核函數(shù)參數(shù)g。ε的取值不同，預(yù)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(shù)尋優(yōu)變成二參數(shù)優(yōu)化。

這樣建立的模型是選擇徑向基核函數(shù)，就有2個非常重要的特征參數(shù)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(shù)自帶的參數(shù)，它決定了樣本數(shù)據(jù)映射到另一空間后的大致趨勢［11］。

對C和g尋優(yōu)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(tǒng)計學(xué)理論分析法。交叉驗證法的原理是：在一些狀況下，把原始數(shù)據(jù)集劃分組別，一些是訓(xùn)練集，剩下的當(dāng)作驗證樣本。先訓(xùn)練一些數(shù)據(jù)樣本集，然后訓(xùn)練測試驗證樣本集，最后獲得支持向量機(jī)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(jī)樣本集分成兩組就可以，但這是隨機(jī)的，偶然性非常大，最終試驗結(jié)果的精度和原樣本集的分組關(guān)聯(lián)較大，所以結(jié)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(shù)據(jù)平均分成m組，然后把m-1組子集用來訓(xùn)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(jī)的性能指標(biāo)。該方法避免了欠學(xué)習(xí)的影響，獲取了最佳參數(shù)組合。

選取流量傳感器的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行定時記錄，將樣本數(shù)據(jù)歸一化到［-1，1］。以流經(jīng)加熱爐的介質(zhì)流量數(shù)據(jù)歸一化時間序列為基礎(chǔ)，構(gòu)造支持向量機(jī)訓(xùn)練樣本，預(yù)測加熱介質(zhì)流量的變化量。

3.2 加熱爐水溫控制仿真

油田加熱爐內(nèi)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(xiàn)超調(diào)或者調(diào)節(jié)時間較長。根據(jù)油田水套加熱爐的結(jié)構(gòu)，可以看出除了溫度控制是個滯后系統(tǒng)外，被加熱介質(zhì)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(jìn)行較為準(zhǔn)確的控制。

通常采用的PID控制，對于大滯后系統(tǒng)，控制效果不理想，需要進(jìn)行另外的補(bǔ)償。使用Smith預(yù)估補(bǔ)償可以有效地減小超調(diào)并加快響應(yīng)，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(yù)估算法與模型失配時，控制效果不理想。因此，對Smith模型進(jìn)行了改進(jìn)，把自適應(yīng)控制與Smith預(yù)估器有機(jī)地結(jié)合起來，對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定，單神經(jīng)元SVM-Smith預(yù)估控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，增益可調(diào)的單神經(jīng)元PID控制算法如圖3所示。采用Smith預(yù)估補(bǔ)償減小PID控制的超調(diào)量，應(yīng)用單神經(jīng)元對PID進(jìn)行參數(shù)整定，使得Smith預(yù)估補(bǔ)償與控制模型匹配。為了提高預(yù)測補(bǔ)償?shù)木?，使用支持向量機(jī)算法，預(yù)測被加熱介質(zhì)的流量。

圖2 單神經(jīng)元SVM-Smith預(yù)估控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖3中，yr和y0是系統(tǒng)的設(shè)定值和輸出值，則

則神經(jīng)元控制器輸出可寫成：

采用Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，進(jìn)行規(guī)范化處理后可得：

式中：ηI，ηP，ηD——積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率。

對于增益K的調(diào)整，采用將PSD算法與單神經(jīng)元PID控制相結(jié)合，構(gòu)成一個增益可自動調(diào)整的控制器。調(diào)整算法如下：

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

根據(jù)圖2和圖3以及以上的公式，在Matlab中進(jìn)行了仿真。仿真中應(yīng)用支持向量機(jī)預(yù)測了被加熱介質(zhì)的流量，并傳遞給了Smith預(yù)估器，通過改進(jìn)的單神經(jīng)元PID算法計算出當(dāng)前抗旨量，傳送給控制對象。其中對比了常規(guī)PID與單神經(jīng)元SVM-Smith的控制效果，如圖4所示。可見改進(jìn)后的PID算法能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，減少振蕩次數(shù)，提高收斂速度。

圖4 單神經(jīng)元SVM-Smith-PID與常規(guī)PID控制仿真比較

4 試驗應(yīng)用

選取應(yīng)用量較多的600 k W臥式水套加熱爐進(jìn)行試驗，安裝了10臺加熱爐，試驗用加熱爐結(jié)構(gòu)形式完全相同。安裝熱管的加熱爐根據(jù)爐體結(jié)構(gòu)尺寸，選取φ32 mm×3.5 mm，長度為600 mm的碳鋼-水熱管，數(shù)量52根，安裝3排，進(jìn)行對比試驗。

表1 600 kW臥式水套加熱爐工業(yè)性試驗平均測量結(jié)果記錄

根據(jù)試驗結(jié)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(jìn)一步降低燃?xì)庥昧俊?/p>

5 結(jié)束語

加熱爐是油田的主要能耗設(shè)備，其熱效率的高低，直接影響著油田的經(jīng)濟(jì)效益；同時加熱爐也是對大氣造成污染的主要設(shè)備，加熱爐對環(huán)境造成的污染問題也是目前關(guān)注的重點。通過對加熱爐提高熱效率的研發(fā)發(fā)現(xiàn)：

1）通過油田臥式水套加熱爐熱管余熱回收應(yīng)用研究，碳鋼-水熱管直接安裝于加熱爐回?zé)熓疫M(jìn)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(jīng)元SVM-Smith預(yù)測控制有效可靠。采用單神經(jīng)元PID控制和Smith預(yù)測補(bǔ)償以及SVM算法相結(jié)合的方式，對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定，通過仿真和試驗證明有較好的控制效果。