楊立華 張偉 蔡軍 呂洪超 鄧治家
(1.遼河油田公司曙光采油廠;2.遼河油田公司特油公司;3.遼河油田金海采油廠)
隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越快,對石油資源的依賴程度也越來越高。稠油油田廣泛使用注蒸汽的方式進(jìn)行開采。注汽鍋爐是稠油熱采的專用注汽設(shè)備,主要是利用燃料的熱能,把一定量的水加熱成一定壓力、溫度和干度濕飽和或過飽和蒸汽。將合格的蒸汽注入井下,使原油受熱膨脹,黏度降低,從而提高稠油的開采能力。蒸汽干度的合理控制[1],是保證注汽鍋爐的蒸汽質(zhì)量重要前提。生產(chǎn)現(xiàn)場受設(shè)備性能、注汽井汽竄、井下工具失效及外供燃料經(jīng)常更換等原因影響[2],造成蒸汽干度波動(dòng)較大,降低注汽質(zhì)量,甚至影響注汽鍋爐安全運(yùn)行。現(xiàn)場缺少在線蒸汽干度自動(dòng)測試技術(shù)手段[3],需要員工對蒸汽干度參數(shù)反復(fù)進(jìn)行調(diào)整,勞動(dòng)強(qiáng)度大。目前已有的測試方法存在精度低、人為影響因素大等不足,為了對注汽鍋爐蒸汽干度進(jìn)行有效的監(jiān)測和控制[4],提高鍋爐熱效率以滿足生產(chǎn)需要,研發(fā)一種高精度、高穩(wěn)定性的蒸汽干度智能在線監(jiān)測控制系統(tǒng)已刻不容緩。燃燒過剩空氣系數(shù)太小,燃燒不完全,浪費(fèi)燃料[5],而燃燒過剩空氣系數(shù)太大,入爐空氣太多,會(huì)造成爐膛溫度下降,煙氣帶走熱量多,熱損失大,大量浪費(fèi)燃料,導(dǎo)致注汽鍋爐熱效率下降。通過蒸汽干度及燃燒過??諝庀禂?shù)精確控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)蒸汽干度及燃燒過??諝庀禂?shù)連續(xù)在線測量與控制[6],保證注汽鍋爐運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定,降低燃料消耗量。
1.1.1 蒸汽干度控制現(xiàn)狀
蒸汽干度是指每千克濕蒸汽中含有干飽和蒸汽的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),是油田注汽鍋爐安全運(yùn)行中的一個(gè)重要參數(shù),直接影響稠油熱采效果。蒸汽干度過低,無法滿足注汽井熱量要求,加熱降黏效果不明顯,不能有效提高地下油層稠油的流動(dòng)性,不能有效增加地層能量。蒸汽干度過高時(shí),濕飽和蒸汽中水相減少,不能及時(shí)帶走鍋爐給水中的結(jié)垢物質(zhì),導(dǎo)致鍋爐爐管內(nèi)壁結(jié)垢,降低鍋爐的熱效率,甚至?xí)<霸O(shè)備安全運(yùn)行,發(fā)生爆管事故。目前遼油油田現(xiàn)場在用注汽鍋爐絕大部分采用人工化驗(yàn)蒸汽干度,部分可實(shí)現(xiàn)在線電導(dǎo)率檢測蒸汽干度[7],兩種方法檢測后均需要人工通過控制火量及水量來調(diào)整蒸汽干度。
1.1.2 存在問題
1)人工采用滴定方式進(jìn)行測定時(shí),存在以下三個(gè)方面問題:燒污水時(shí)需進(jìn)行加藥處理,有時(shí)無法測出濕蒸汽干度;受藥品質(zhì)量及人為等因素影響,測定的準(zhǔn)確性不能保證;無法時(shí)時(shí)跟蹤檢測,且檢測結(jié)果滯后。
2)通過電導(dǎo)率檢測方法進(jìn)行檢測時(shí),檢測后在鍋爐觸摸屏上顯示注汽蒸汽干度[8],崗位員工通過顯示蒸汽干度對鍋爐進(jìn)行調(diào)整。但電導(dǎo)率測量的蒸汽干度值經(jīng)常出現(xiàn)誤差大、易損壞、使用周期短等問題,這樣就造成蒸汽干度顯示不準(zhǔn)確,無法保證注汽質(zhì)量。
3)在注汽鍋爐工作過程中,當(dāng)蒸汽干度參數(shù)發(fā)生變化時(shí),由于檢測手段的滯后性以及人工手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的方式存在一定的操作誤差,無法實(shí)現(xiàn)蒸汽干度精確調(diào)整?,F(xiàn)場所采用的注汽鍋爐是直流鍋爐,具有升溫快的特點(diǎn),但易發(fā)生瞬時(shí)過熱現(xiàn)象,過熱頻繁造成爐管脫碳變形,繼而嚴(yán)重影響注汽鍋爐的安全運(yùn)行。
1.2.1 過??諝庀禂?shù)控制的現(xiàn)狀
注汽鍋爐(油田濕蒸汽發(fā)生器)無論是采用北美燃燒器、利雅路燃燒器、奧林燃燒器還是扎克燃燒器的注汽鍋爐,在運(yùn)行過程中,注汽鍋爐煙溫每上升10~15℃,鍋爐熱效率下降1%[9],煙氣僅氧含量每增加1%,鍋爐熱效率就下降0.6%左右。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測,大多數(shù)鍋爐運(yùn)行中氧含量平均在4%~6.7%,過??諝庀禂?shù)在1.3以上造成煙溫普遍偏高20~35℃。由于油田注汽鍋爐在運(yùn)行。過程中,風(fēng)門與燃料閥開度采用了相對固定的聯(lián)動(dòng)控制方式,燃料與空氣配比難以實(shí)現(xiàn)精確實(shí)時(shí)調(diào)整。
1.2.2 存在問題
注汽鍋爐在運(yùn)行過程中,受燃?xì)鈮毫Σ▌?dòng)或燃油壓力、溫度、成分、霧化壓力、燃料含水率等諸多不確定因素影響,使鍋爐運(yùn)行過程中煙氣過??諝庀禂?shù)波動(dòng)過大,導(dǎo)致鍋爐排煙溫度增加、爐火偏燒、化學(xué)不完全燃燒、熱損失增大、熱效率下降等系列問題[10],增加了熱采成本。燃燒過??諝庀禂?shù)精確控制技術(shù)是注汽鍋爐多年懸而未決的一線生產(chǎn)難題,管理者和現(xiàn)場操作員工都迫切渴望解決這一行業(yè)難題。
1)在線監(jiān)測研究。對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行檢索分析,蒸汽干度測量方法包括化驗(yàn)測量法、非熱力學(xué)方法、熱力學(xué)方法等,現(xiàn)場進(jìn)行蒸汽干度測量一般使用化驗(yàn)檢測及電導(dǎo)率法,受操作精細(xì)程度、操作熟練程度等因素的影響,蒸汽干度值經(jīng)常出現(xiàn)誤差大。通過對注汽鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽體積流量、鍋爐給水溫度、給水壓力、給水流量的測量分析,利用體積變化與蒸汽干度之間的關(guān)系模型,計(jì)算得到注汽鍋爐蒸汽干度值,實(shí)現(xiàn)注汽鍋爐蒸汽干度的準(zhǔn)確在線監(jiān)測。
2)自動(dòng)控制研究。通過分析發(fā)現(xiàn),給水流量、天然氣流量、蒸汽壓力、鍋爐熱效率、飽和水焓、汽化潛熱、給水焓和天然氣低位發(fā)熱量等都會(huì)影響注汽鍋爐的蒸汽干度,而在蒸汽壓力穩(wěn)定時(shí),蒸汽干度主要受給水流量和天然氣流量的影響。因而將蒸汽干度作為主被控變量,水流量、天然氣流量為副被控流量,組成串級控制,采用PID最優(yōu)控制算法調(diào)整給水流量,主回路控制器自動(dòng)控制蒸汽干度的控制方法。
3)自動(dòng)控制技術(shù)。蒸汽干度控制系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分:非線性跟蹤-微分器、前饋模糊控制器、模糊預(yù)測控制器、乘法計(jì)算器等組成,采用模糊控制方法能夠在注汽鍋爐運(yùn)行參數(shù)發(fā)生波動(dòng)時(shí)穩(wěn)定蒸汽壓力,將給水流量及其變化率作為前饋控制量,與串級回路構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。通過給水流量的控制量與回路控制量相乘,來實(shí)現(xiàn)對給水流量的自動(dòng)監(jiān)控,另外,在模糊預(yù)測控制系統(tǒng)中加入非線性跟蹤-微分器來增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力,蒸汽干度控制系統(tǒng)的最終控制量是由前饋模糊控制器輸出量與模糊預(yù)測控制器輸出量通過乘法計(jì)算器進(jìn)行乘積后的值來確定的。
通過以上分析和研究,基于模糊預(yù)測控制的蒸汽干度控制方法,是通過模糊前饋-后饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的,該系統(tǒng)在預(yù)測控制原理和模糊控制原理的基礎(chǔ)上形成的,將前饋模糊控制器、模糊預(yù)測控制器、非線性跟蹤-微分器、計(jì)算器等部分組成。該控制方法同構(gòu)對給水流量、天然氣流量、蒸汽壓力的有效控制,實(shí)現(xiàn)了蒸汽干度的有效控制,能夠大大降低噪聲的干擾,具備較強(qiáng)的抗干擾能力,實(shí)現(xiàn)了油田注汽鍋爐蒸汽干度的自動(dòng)化控制。
過??諝庀禂?shù)精確控制系統(tǒng)見圖1,通過反復(fù)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)門以及頻率,實(shí)現(xiàn)建立燃燒過剩空氣系數(shù)精確控制數(shù)學(xué)模型的目標(biāo),確保燃料的充分燃燒,過??諝庀禂?shù)一般控制在1.1~1.25。
圖1 過??諝庀禂?shù)精確控制系統(tǒng)Fig.1 The accurate control system of excess air coefficient
1)煙氣過??諝庀禂?shù)與熱效率。熱效率是鍋爐的綜合指標(biāo),體現(xiàn)了鍋爐作為一個(gè)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的綜合性能。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的監(jiān)測項(xiàng)目中,對排煙溫度和空氣系數(shù)的監(jiān)測,其本質(zhì)是對排煙熱損失的控制。不同類型的鍋爐,都有一個(gè)最佳過量空氣系數(shù),但實(shí)際上幾乎所有的爐子都超過設(shè)計(jì)值。過量空氣系數(shù)過大或過小都會(huì)產(chǎn)生不良后果,過大會(huì)導(dǎo)致煙氣體積增大,爐膛溫度降低,增加排煙熱損失,熱效率降低。過小會(huì)使天然氣燃燒不充分,產(chǎn)生大量CO,污染環(huán)境,同時(shí)也增大了不完全燃燒熱損失。可以說過量空氣系數(shù)的大小直接影響天然氣鍋爐的熱工性能,即鍋爐熱效率。
2)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度與過??諝庀禂?shù)。注汽鍋爐的鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度與燃料閥的開度是聯(lián)動(dòng)的,通過在燃?xì)饬髁靠刂崎y和風(fēng)門傳動(dòng)軸上,安裝高精度大扭力電動(dòng)比例執(zhí)行器,可以有效克服原鍋爐連桿控制系統(tǒng)機(jī)械滯后性大、調(diào)節(jié)燃?xì)饬烤鹊偷膯栴}。采用先進(jìn)的比例調(diào)節(jié)控制程序,可以確?;鹆吭趶男』鸬酱蠡鹬g的控制達(dá)到最佳的燃料空氣比。實(shí)現(xiàn)精確燃燒、提高了燃燒效率、克服了機(jī)械聯(lián)桿裝置帶來的磨損和漂移。高精度的方法克服了動(dòng)態(tài)控制錯(cuò)誤,智能化、自檢和補(bǔ)償功能克服了人為操作的缺點(diǎn),同時(shí)也提高了安全性。
3)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與過剩空氣系數(shù)。當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí),其風(fēng)量和風(fēng)壓可用比例定律計(jì)算,在確定調(diào)速范圍時(shí)應(yīng)兼顧風(fēng)量和風(fēng)壓的要求,一般這時(shí)將風(fēng)門開到最大,僅用轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量,并留有一定的風(fēng)壓裕量。所以一定要知道生產(chǎn)工藝所要求的最小風(fēng)壓,作為確定最低轉(zhuǎn)速的根據(jù)。當(dāng)然,當(dāng)最小風(fēng)壓要求低于最小風(fēng)量要求時(shí),可以以風(fēng)量要求為準(zhǔn)。計(jì)算時(shí)應(yīng)以中心調(diào)節(jié)頻率為準(zhǔn),中心調(diào)節(jié)頻率則為最低頻率和額定頻率(50 Hz)的中心值。如最低調(diào)速頻率為30 Hz,則中心調(diào)節(jié)頻率為40 Hz,為額定轉(zhuǎn)速的80%。
4)過剩空氣系數(shù)與火焰輪廓、火焰長度。調(diào)整燃?xì)忾y與風(fēng)門開度控制實(shí)現(xiàn)對燃?xì)忾y和風(fēng)門的精確控制,保證空氣過剩系數(shù)和鍋爐的火焰輪廓、火焰長度始終在最佳狀態(tài),從小火到大火全程跟蹤調(diào)節(jié),始終處于最佳燃燒狀態(tài),達(dá)到精確燃燒的效果。
5)過??諝庀禂?shù)精準(zhǔn)控制技術(shù)。通過分析蒸汽干度的影響因素,摸索出天然氣(燃油)流量與給水流量的比值關(guān)系,確定了使用計(jì)算噸氣單耗,通過調(diào)整燃料調(diào)節(jié)閥來調(diào)控蒸汽干度,加之反饋系統(tǒng)的蒸汽干度自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。這種方法既能了解燃燒狀況,又能很好的掌控蒸汽干度的變化,使蒸汽質(zhì)量得到較大提高,鍋爐運(yùn)行更加平穩(wěn)。同時(shí)減輕勞動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)了油田注汽鍋爐蒸汽干度的自動(dòng)化控制。
通過安裝煙氣連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了氧含量在線實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測,調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率,控制爐膛進(jìn)風(fēng)量來優(yōu)化燃燒,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。煙氣連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)操作直觀、方便,操作人員通過人機(jī)界面即可進(jìn)行觀測及操作。當(dāng)系統(tǒng)選擇自動(dòng)時(shí),僅需要對目標(biāo)煙氣氧含量的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定,煙氣連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定的氧含量自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率。控制調(diào)整鍋爐進(jìn)風(fēng)量及空燃比,在保證火焰輪廓的同時(shí),使燃料在低氧條件下充分燃燒,建立天然氣流量、鍋爐風(fēng)量、煙氣含氧量的數(shù)學(xué)模型,形成燃燒參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)火量、風(fēng)量、氧量自適應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
將煙氣參數(shù)通過檢測儀表轉(zhuǎn)換后送入鍋爐PLC,來改變控制風(fēng)門連桿的執(zhí)行器輸入信號,達(dá)到風(fēng)門連桿根據(jù)過??諝庀禂?shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過自動(dòng)改變鼓風(fēng)機(jī)送氣量,達(dá)到精確控制過??諝庀禂?shù)的目的。風(fēng)機(jī)配套安裝變頻器、鍋爐具有蒸汽干度在線監(jiān)測系統(tǒng),將煙氣參數(shù)通過檢測儀表轉(zhuǎn)換后送入鍋爐PLC,來改變鼓風(fēng)機(jī)變頻器輸入信號,達(dá)到送氣量根據(jù)過??諝庀禂?shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。依托現(xiàn)場注汽鍋爐,鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度比例調(diào)整與變頻器精細(xì)調(diào)整,三位一體精準(zhǔn)控制。實(shí)現(xiàn)真實(shí)工況的連續(xù)模擬,不斷修正蒸汽干度測量計(jì)算模型,并對壓力、溫度、差壓進(jìn)行修正等測量方法,建立計(jì)算模型,加之系統(tǒng)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)技術(shù),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制技術(shù),確保蒸汽干度及過剩空氣系數(shù)精確控制的實(shí)現(xiàn)。
2021年5—11月,在曙光采油廠熱注作業(yè)一區(qū)32+49站進(jìn)行了項(xiàng)目實(shí)施。在注汽鍋爐對流段安裝了一體化煙氣含氧分析儀,在控制盤安裝一臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻控制與數(shù)據(jù)采集運(yùn)算器,研發(fā)了一套蒸汽干度及過??諝庀禂?shù)控制操作系統(tǒng),項(xiàng)目實(shí)施后效果明顯,實(shí)現(xiàn)蒸汽干度及過剩空氣系數(shù)連續(xù)在線測量與控制,保證鍋爐全天候運(yùn)行過程中,鍋爐出口壓力、溫度及蒸汽干度穩(wěn)定,在確保蒸汽干度、給水流量不變的前提下,將鍋爐過??諝庀禂?shù)量精確控制到1.2以下,鍋爐熱效率可提高2%以上,燃料消耗下降2%以上。將原系統(tǒng)升級為煙氣連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)煙氣含氧量在線連續(xù)的監(jiān)視和控制。確保燃料的充分燃燒,燃油煙氣中的氧含量在3%~5%,燃?xì)鉄煔庵械难鹾吭?%~4%。
為了驗(yàn)證該項(xiàng)目的節(jié)能效果,由中國石油天然氣股份有限公司油田節(jié)能監(jiān)測中心于2021年8月進(jìn)行工況對比測試,并出具了《注汽鍋爐燃燒過??諝庀禂?shù)精確控制節(jié)能效果測試報(bào)告》。通過對鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)用前后的正常運(yùn)行負(fù)荷工況的正反平衡熱效率對比測試計(jì)算,實(shí)施前后測試數(shù)據(jù)對比見表1。測試結(jié)論為32-49站32#注汽鍋爐應(yīng)用前平均熱效率為89.62%,應(yīng)用后平均熱效率為91.12%,節(jié)能率為1.98%。
表1 實(shí)施前后測試數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of test data before and after implementation
以目前遼河油田運(yùn)行注汽鍋爐共376臺(tái),其中固定鍋爐231臺(tái),活動(dòng)鍋爐145臺(tái)。工業(yè)燃?xì)鈨r(jià)格1.806元/m3,注汽單耗67 Nm3/t,節(jié)能率為1.98%。在用注汽鍋爐按23 t注汽鍋爐每小時(shí)注汽量18 t,每日注汽24 h,年注汽運(yùn)行時(shí)間320 d。9.2 t注汽鍋爐每小時(shí)注汽量8 t,每日注汽24 h,年注汽運(yùn)行時(shí)間330 d,實(shí)施前后對比見表2。
表2 實(shí)施前后對比Tab.2 Comparison before and after implementation
降低環(huán)境污染,注汽鍋爐蒸汽干度自動(dòng)控制及過??諝庀禂?shù)精確控制實(shí)施應(yīng)用后,避免了注汽鍋爐因蒸汽干度過高導(dǎo)致水垢、懸浮物等雜質(zhì)在爐管內(nèi)壁的沉積,有效減少因爐管化學(xué)清洗帶來的環(huán)境污染。燃料消耗量下降2%以上,因燃燒產(chǎn)生的溫室氣體相應(yīng)同比下降,減少了大氣污染。
節(jié)約運(yùn)行成本,現(xiàn)場實(shí)施后,降低了注汽鍋爐燃料消耗,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,可解決當(dāng)前注汽一線操作工人年齡偏大,員工逐年減少帶來的生產(chǎn)瓶頸問題。節(jié)約生產(chǎn)運(yùn)行成本,減少稠油開采成本,提高油田注汽鍋爐運(yùn)行管理水平,提質(zhì)增效有利于油田可持續(xù)發(fā)展。
1)通過注汽鍋爐蒸汽干度及燃燒過??諝庀禂?shù)精確控制,實(shí)現(xiàn)了蒸汽干度的準(zhǔn)確、迅速監(jiān)控及自動(dòng)調(diào)整,蒸汽干度測量誤差±2%,蒸汽干度波動(dòng)率小于±5%,更好的保證注汽質(zhì)量,因蒸汽干度過熱導(dǎo)致鍋爐爆管事故為零。最大程度上防止因鍋爐運(yùn)行參數(shù)變化而產(chǎn)生的過熱、超壓等事故的發(fā)生,實(shí)現(xiàn)了鍋爐優(yōu)質(zhì)、安全、平穩(wěn)運(yùn)行。
2)鍋爐燃燒控制方式技術(shù)升級應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了通過對鍋爐煙氣過剩空氣系數(shù)連續(xù)在線檢測,實(shí)施閉環(huán)精確控制,使鍋爐燃?xì)饬俊⑦M(jìn)風(fēng)量實(shí)現(xiàn)精確配比,過??諝庀禂?shù)控制精度達(dá)到0.5,將鍋爐過??諝庀禂?shù)控制在1.15以下,且含氧量在2%以下,燃料消耗量下降2%以上的控制目標(biāo),鍋爐熱效率明顯提高。
3)煙氣過剩空氣系數(shù)變化后,注汽鍋爐蒸汽干度自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)。降低注汽鍋爐燃料消耗,燃料消耗量下降大于2%,減少稠油開采成本,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,減員增效,節(jié)約生產(chǎn)運(yùn)行成本,提高油田注汽鍋爐運(yùn)行管理水平,提質(zhì)增效有利于油田可持續(xù)發(fā)展。
4)各油田在用各型噸位、型號的注汽鍋爐,均可應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí),杜絕了因蒸汽干度過熱導(dǎo)致爆管事故造成的不必要經(jīng)濟(jì)損失。節(jié)能效果明顯,達(dá)到減員增效,提高了鍋爐熱效率,可在各油田注汽鍋爐上推廣應(yīng)用。