油田臥式水套加熱爐水溫恒溫控制方法研究

秦昀亮，王國江，程雪濤，徐向前

（1.中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，陜西西安710018；2.西安石油大學，陜西西安710065）

1 現(xiàn) 狀

現(xiàn)在廣泛應(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[1-3]。油田加熱爐是通過火焰加熱原油、天然氣、水及其混合物等介質(zhì)的專用加熱設(shè)備。僅長慶油田目前就有各類加熱爐超過5 000臺，且80%為以上為臥式水套加熱爐。

油田臥式水套加熱爐的熱效率較低，為了提高熱效率，對爐體進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。比如根據(jù)油田臥式水套加熱爐的排煙溫度還比較高[4-5]，安裝了熱管對煙氣余熱。安裝熱管后的臥式水套加熱爐見圖1所示。

圖1 臥式水套加熱爐的結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知臥式水套加熱爐的結(jié)構(gòu)，主要有燃燒器、火筒、防爆門、盤管、爐體、漲水箱、煙囪、回煙室等部件構(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，火筒采用了波形火筒，煙管采用了螺紋煙管，選用了良好的保溫材料和較為先進的施工工藝，確保熱量損失最小。根據(jù)熱管的工作原理和結(jié)構(gòu)，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(cè)，一端位于水浴側(cè)，起到對煙氣余熱回收，降低排煙溫度，達到提高加熱爐熱效率的目的。

加熱爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化在提高熱效率的同時給水溫恒溫控制帶來了新問題。波形火筒、螺紋煙道、熱管和優(yōu)質(zhì)保溫材料對于水溫提升速度有著積極的作用。盤管中的被加熱介質(zhì)中含水量和含氣量會發(fā)生變化，同時盤管的入口壓力和流量也會變化，那么加熱爐水溫的恒溫控制就比較困難。加熱爐水溫溫度過高，增加燃料消耗，溫度過低，會影響被加熱介質(zhì)的正常輸送。加熱爐的水溫控制是一個典型的大慣性、純滯后的控制，因此提出單神經(jīng)元SVM-Smith預估水溫控制。

2 加熱爐的單神經(jīng)元Smith預估水溫控制

根據(jù)以上油田加熱爐的結(jié)構(gòu)，為了提高熱效率，需要對水溫進行嚴格的控制，同時降低燃料的消耗。加熱爐的水溫控制屬于一個具有大慣性、純滯后的非線性過程控制，再由于加熱爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，特別是熱管的應(yīng)用以及被加熱介質(zhì)的流量的不確定性等，所以采用常規(guī)的PID算法進行控制，會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，控制效果不佳。在此提出采用Smith預估補償，采用單神經(jīng)元PID算法進行改進，減少超調(diào)量，準確控制水溫，提高熱效率。

油田加熱爐的水溫控制是一個大滯后的控制。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)或者較長時間進行調(diào)節(jié)。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)的流量的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(tǒng)，控制效果不理想[6]，需要進行另外的補償。使用Smith預估補償可以有效的減小超調(diào)加快響應(yīng)[7-9]，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，控制效果就會不理想。因此對Smith 模型進行了改進，把自適應(yīng)控制與Smith 預估器有機的結(jié)合起來，對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行整定，如圖2所示。采用Smith 預估補償減小PID 控制的超調(diào)量，應(yīng)用單神經(jīng)元對PID進行參數(shù)整定，使得Smith預估補償與控制模型匹配，見圖3。

圖2 單神經(jīng)元Smith預估控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 增益可調(diào)的單神經(jīng)元PID控制算法

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學習規(guī)則，進行規(guī)范化處理后可得

式中：ηI、ηp、ηD分別是積分、比例、微分的學習速率。

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：0.025≤c≤0.05，0.05≤L*≤0.1。該增益K 的調(diào)整算法不需要精確的數(shù)學模型，其自調(diào)整是通過檢測輸出、給定值，從而形成增益自調(diào)整。比如，當偏差一直同號時，即上一時刻偏差與當前偏差同號，此時輸出值偏離給定值，K(k)的值將會自動增大，使系統(tǒng)輸出盡可能快地接近給定值，其增大的速度與Tv 成反比。當系統(tǒng)偏差異號時，即上一時刻偏差與當前偏差異號，此時輸出值在給定值附近上下波動，K(k)值將下降到上一時刻值的75%，減小增益，使系統(tǒng)輸出向給定值靠近。

根據(jù)圖2和圖3以及以上的公式，在matlab中進行了仿真。仿真中應(yīng)用Smith 預估器，通過改進的單神經(jīng)元PID算法計算出當前控制量，傳送給控制對象。其中對比了常規(guī)PID 與單神經(jīng)元Smith 的控制效果，如圖4所示?？梢姼倪M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Smith-PID與常規(guī)PID仿真控制比較

3 結(jié) 論

臥式水套加熱爐是油田的主要能耗設(shè)備，對其水套水溫恒溫控制，有利于熱效率的提高。由于加熱輸送介質(zhì)的變化、加熱爐爐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及環(huán)境的影響，現(xiàn)實水套水溫的恒溫控制有一定困難。針對以上問題，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，應(yīng)用單神經(jīng)元對PID參數(shù)進行整定，采用Smith 預測補償水溫控制的滯后性，構(gòu)成了單神經(jīng)元Smith-PID 控制。對該控制算法進行了計算機仿真，仿真結(jié)果證明了其有效性。