油田注汽锅炉蒸汽干度控制方法研究(标准版)

油田注汽锅炉蒸汽干度控制方法研究(标准版)

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( 安全管理 )

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编号：AQ-SN-0296

油田注汽锅炉蒸汽干度控制方法研究(标

准版)

注汽锅炉是用于在稠油开采过程中向稠油层注入高压蒸汽的注蒸汽稠油热采的关键设备，而蒸汽干度是检测油田注汽锅炉的重要指标，直接影响稠油热采的效果。注汽锅炉的蒸汽干度控制影响因素中最主要的就是人为因素，对油田注汽锅炉的运行产生不利影响，同时，直接影响了稠油热采的效果。因此，对油田注汽锅炉蒸汽干度控制方法研究正向着自动化控制的方向迈进。本文简单介绍了油田注汽锅炉蒸汽干度控制的现状，重点分析了注汽锅炉蒸汽干度控制的重要指标，提出了干度控制的方法，即模糊控制方法和预测控制方法。

我国社会经济发展越来越快，对石油资源的依赖程度也越来越高。我国大部分地区勘明的石油资源为高粘度重质石油，也叫做稠

油，顾名思义，稠油的粘度和密度都很高，这就给石油开采技术提出了更高的要求。因此，为提高油田稠油开采能力，必须采用注汽锅炉往井下注入适当干度蒸气的方法，这样能够使油层加热，原油受热膨胀，粘度就会降低，大大提高了稠油的开采能力，往井下注入的蒸汽必须是温饱和蒸汽，不能是过热的蒸汽，采用蒸汽干度来检测蒸汽状态。蒸汽干度指的是单位质量湿蒸汽中含有的饱和蒸汽的质量。只有提高蒸汽干度的控制，才能保证注汽锅炉的蒸汽质量。

油田注汽锅炉蒸汽干度控制系统现状

传统的油田注汽锅炉控制系统采用的是仪表监控和手动控制的方式，控制效率低，能源浪费严重，稠油开采效率较低。国内外加快了对油田注汽锅炉控制方法的研究，目前主要有：串级PID控制方法、模糊-PID双模控制方法、多变量预测控制方法等几种控制方法。串联PID控制方法是将蒸汽干度作为主被控变量，水流量为副被控流量，给水流量作为控制变量，组成串级控制。采用PID最优控制算法调整给水流量，主回路控制器自动控制蒸汽干度的控制方法。模糊-PID双模控制器，是将模糊控制模块与PID控制模块相结

合，对系统进行调节和控制。多变量预测控制方法通过两输入-两输出的预测控制器，对蒸汽干度进行控制。

蒸汽干度概述

油田注汽锅炉控制系统中最重要最关键的部分是蒸汽干度控制系统，油田热采生产工艺要求蒸汽干度控制在75%-80%之间，若蒸汽干度过低，将无法满足注井的热量要求；若蒸汽干度太大，将导致蒸汽中的杂质附着在锅炉壁上，造成锅炉结垢，锅炉的效率随之降低，并且锅炉的安全运行受到不利影响。

蒸汽干度指的是单位时间内在固定蒸汽压力和固定蒸汽温度下蒸汽占总量的百分数。蒸汽干度直接关系到注汽锅炉的运行参数，且蒸汽干度的检测产生的噪音很大，结果的准确度低。传统的蒸汽干度检测方法有人工检测法和湿蒸汽双相流蒸汽干度检测法，人工检测法，通过人工进行蒸汽干度的检测工作，这种方法主观因素大，误差大，工作强度大，工作效率较低。蒸汽干度检测方法还有一种叫做湿蒸汽双相流蒸汽干度检测法，这种方法在蒸汽锅炉的输出端加设孔板，差压变送器检测蒸汽流经孔板时的湿度和蒸汽压力的差

压信号。

蒸汽干度的影响因素很多，要实现对蒸汽干度的控制，必须掌握影响蒸汽干度的主要因素。给水流量、天然气流量、蒸汽压力、锅炉热效率、饱和水焓、汽化潜热、给水焓和天然气低位发热量等都关系到注汽锅炉的蒸汽干度。锅炉热效率、饱和水焓、汽化潜热、给水焓和天然气低位发热量这几项因素的波动不会引起蒸汽干度的剧烈变化，因此，要实现蒸汽干度的控制，需要关注给水流量、天然气流量和蒸汽压力的变化，因为它们会使蒸汽干度出现时滞特性。而在蒸汽压力稳定时，蒸汽干度只受给水流量和天然气流量的影响。

基于模糊预测控制的蒸汽干度控制方法

要实现对油田注汽锅炉的有效控制，必须保证蒸汽压力和蒸汽干度的稳定，一方面用蒸汽压力的参数调节给水流量，另一方面用蒸汽干度的参数调节天然气流量，两者共同构成蒸汽干度的控制系统，实现油田注汽锅炉蒸汽干度自动化控制。

3.1.蒸汽压力的控制

油田注汽锅炉的重要参数之一就是蒸汽压力，在往井下注入蒸

汽时，对蒸汽压力的要求不是特别的高，可以允许的可波动范围较大，另外调节给水流量实现对蒸汽压力的控制，这一控制过程的时滞时间较小，因此影响蒸汽压力的因素较少，我们可以采用单回路的蒸汽压力模糊控制器，控制给水流量，就能够实现蒸汽压力控制，我们将蒸汽压力误差及其变化率来调节给水流量，模糊控制器的输入语言变量为蒸汽压力误差及变化率，模糊控制器的输出语言变量采用变频器频率增量。

3.2.模糊前馈-反馈控制

由蒸汽干度的影响因素可知，给水流量、天然气流量为主要影响因素，因此，我们将蒸汽干度作为主被控变量,天然气流量为副被控变量，形成串级控制回路，在串级控制回路中我们采用模糊预测控制器来实现对串级回路的控制。蒸汽干度控制系统包括以下几个部分：非线性跟踪-微分器、前馈模糊控制器、模糊预测控制器、乘法计算器等组成，采用模糊控制方法能够在注汽锅炉运行参数发生波动时稳定蒸汽压力，我们将给水流量及其变化率作为前馈控制量，与串级回路构成前馈-反馈控制系统。通过给水流量的控制量与回路

控制量相乘，来实现对给水流量的自动监控，另外，在模糊预测控制系统中加入非线性跟踪-微分器来增强系统的抗干扰能力，蒸汽干度控制系统的最终控制量是由前馈模糊控制器输出量与模糊预测控制器输出量通过乘法计算器进行乘积后的值来确定的。

通过以上分析和研究，基于模糊预测控制的蒸汽干度控制方法，是通过模糊前馈-后馈控制系统实现的，该系统在预测控制原理和模糊控制原理的基础上形成的，将前馈模糊控制器、模糊预测控制器、非线性跟踪-微分器、计算器等部分组成，该控制方法同构对给水流量、天然气流量、蒸汽压力的有效控制，实现了蒸汽干度的有效控制，能够大大降低噪声的干扰，具备较强的抗干扰能力，实现了油田注汽锅炉蒸汽干度的自动化控制。

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