注汽锅炉控制系统的改造与设计

赵晶晶

(中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河热采机械制造分公司,辽宁 盘锦 124209 )

注汽锅炉总共由三部分共同控制，包括炉膛负压、燃烧最优、蒸汽压力三个控制器。通过三个控制器的协调管理，能够为锅炉控制提供稳定与高效的锅炉控制能力。其中炉膛负压利用鼓风量调整引风量，从而确保炉膛负压保持在稳定的压力范围内。燃烧最优则是根据给煤量调整鼓风量，充分利用燃烧热能，最大化发挥燃烧价值。蒸汽压力利用了给粉机转速调整控制送煤量，达到注汽锅炉内部压力恒定的目的。

1 注汽锅炉的应用

国内大部分油田均为低渗透油田，在开采此类油田时，我们通常并不能使用常规干抽方式开采。采用常规开采方式往往获取的开采量极低，且很容易出现开采投入大于开采获得利润问题。而注入蒸汽加热油层的方式，则能够有效改变低渗透油田的高粘度原油的粘度，大大提高油田开采能力。此外通过注汽锅炉注入蒸汽的方式，还能够帮助施工人员清除油管的沥青沉淀物、泥浆堵塞物以及油层黏土，提升井底渗透率。现如今适用于注汽锅炉热蒸汽处理的油井种类包括：产量较大的油井、油层剖面过厚的油井、没有受到污染物阻隔的油井、产能较低的高粘度油井等。

2 注汽锅炉使用方式

（1）间歇法。这种方式为通过连续注入蒸汽的方式，使油井的油层面温度逐渐上升，直到油层温度达到开采需求时，才停止蒸汽注入。此时关井并等待一定时间，待油层表面温度不会影响到采油生产效率时，进行采油作业，直到油井的单井采油量降低时，再次开始油井蒸汽吞吐。利用这种方式进行循环注汽与采油，能够逐渐提升油井的开采面，从而形成油井开采中心圈。当这个油井的开采面积达到一定程度，注汽效果便达到了其所能够达到的注气极限。

（2）连续法。这种注汽方式为从多个相连的采油井中，选择一口井作为蒸汽注汽井，通过向该井连续注汽的方式，达到油井连续采油的目的。也就是说这种方式所利用到的注汽方法与常规采油作业所选择的注水方式相似，均为油驱动方式。可以说受蒸气挤压的热水驱动效果要比吞吐法好得多。

3 注汽锅炉控制系统概述

锅炉在工业中的应用非常广泛，据不完全资料统计，当前国内中小型锅炉约有40万台，年耗煤量约占国内原煤产量的三分之一。多数锅炉存在自控水平较低的问题，燃煤效率明显低于对锅炉自控水平和效率的规定标准。许多锅炉都有着环境污染严重、耗能高的特征，每年因热效率低而多消耗的标准煤达到近2000万吨。此外锅炉在消耗燃煤的同时，也需要消耗大量电能。据了解，国内多数中小型锅炉均将挡风板的引风量与鼓风量应用，作为调节锅炉燃烧效率的依据，这会需要大量电能用于挡风板能量消耗。此外，在锅炉运行中其安全性也随时会受到外在和内在的威胁。锅炉蒸汽压力控制将直接决定锅炉能否安全正常的运行。在锅炉控制系统中，蒸汽压力时常会受到外在环境因素的干扰，因此在锅炉控制系统中蒸汽压力扮演滞后角色。当然锅炉燃烧也是一个多变量、非线性的过程，很容易受到内部因素，即鼓风量、给煤量和煤质的影响。虽说国内在锅炉系统控制上的研究和技术已经比较成熟，不过在实际应用中却很容易受到各种因素的干扰，从而影响到实际的理论应用。对此选用更加严谨合理的锅炉管理控制系统便显得极为关键。过去人们一直使用PID调节方式作为锅炉系统控制，不过在锅炉技术不断发展的过程中传统PID调节方式显然已经不再具备满足锅炉使用的实际需求。与之相对应的则是模糊控制，这种模式具有鲁棒性好、反应速度快等优势。不过这种方式并不具备积分作用，因此模糊控制又缺乏良好的稳态性能。基于对上述两种方式的了解，近些年又出现了许多新兴的注汽锅炉控制系统，包括模糊—PID双模控制，以及模糊Smith预估控制等。这些控制系统的出现为注汽锅炉的发展提供了良好的技术支持，是实现锅炉技术和技能进一步发展的必要性前提。

4 注汽锅炉硬件配置

过去锅炉一直依靠的是人力方式控制，即司炉工管理锅炉。不过在计算机与电子技术蓬勃发展的同时，越来越多的自控系统出现。许多锅炉自控系统均引用了现代计算机技术，利用计算机处理的方式，监视与控制锅炉的运行。计算机控制模式，并非简单的取代人力锅炉控制方式。利用计算机控制能够实现精准计算，最大化发挥计算机强大计算能力，从而做到煤量的精准输送和鼓风量调节。这些都是传统人力控制所无法达到的。

（1）智能仪表。在锅炉自控系统中，智能仪表编程简单、价格便宜且容易掌握，受到了较为全面的推广。不过智能仪表也存在着控制系统单调、可靠性差以及输入通道较少等问题。因此近些年智能仪表开始被更加先进的计算机设备所取代。

（2）工控机。这种系统使用了STD总线、PC总线以及其他总线结构作为计算机控制单元。其中最为常见的便是STD控制机系统，这种系统具备性价比高的特征，因此在国内运用十分广泛。16位的STD总线控制机使用总线控制模块，维修简便、组态灵活，非常适合工业注汽锅炉的使用和普及。当然工控机注汽锅炉控制系统还具备强大的计算机图形与文字计算能力，能够实现高效、灵活的控制计算，并生成简明的用户使用界面。如工控机可以将测试重要参数直接呈现到计算机面板上，自行建立光柱模拟图，能够对蒸汽机的炉膛压力、炉温、蒸汽压力超限报警。不过这种系统也存在一些问题，其中最为常见的问题便是这种系统的抗干扰能力较差，一旦周围出现大频率信号设备，将直接影响到工控机的信号采集。此外当工控机自身发生故障时，也会直接影响系统正常运行，降低注汽锅炉运行效率。

（3）DCS系统。这种系统最早出现在上个世纪的工业控制，具有系统组态间接、功能丰富等优点，非常适合于发酵、燃烧、石化等场合的使用。不过虽然这种控制系统具备较高的性能，但是却有着造价较高的特点。显然高造价并不适合国内对锅炉控制系统的应用。为进一步提高国内小型锅炉的控制和改造，我们应从锅炉的自动化角度出发完成设计和改造。

（4）PBC控制系统。近些年PBC系统得到了较为显著的发展，这是一种由微处理器组成和控制的工业设备，融合了通信技术、控制技术和计算机技术等多样技术于一体，并能够独立完成数据处理、过程控制及顺序控制，具有操作简单、控制灵活、功能强大、可靠性高等优势。当然在PBC这项技术越来越成熟的同时，其可靠性也得到了显著性提升，能够有效保障锅炉系统的稳定性性能，降低了后期维护和管理的成本。当前人们在使用PBC作为锅炉控制时一般选用的是上位机模式。即可靠性要求高的实施控制程序在PBC上运行，对图形功能要求高的人机交互功能在上位计算机上运行。PBC控制同时具备了传统控制系统的易操作性和低成本优点，同时也具有DCS系统高度可靠性能。所以这种系统在锅炉控制中具有十分广阔的前景。

5 注汽锅炉控制系统改造设计方案

为保障炉膛压力处于要求的负压范围，我们就必须将炉膛压力作为注汽锅炉控制系统的改造设计核心。包括压力被控量、蒸汽流量等内容。此外我们也要做好给水量控制，包括用PID运算的方式设计给水设定值，将运算结果加上作为前馈的蒸汽流量，并将所获得的结果当做柱塞泵输入控制量。锅炉燃烧自控也是控制系统改造重要环节，燃烧质量的好坏将直接决定系统经济性价值。为保障自控系统能够在环境变化情况下，及时调整鼓风量达到最合理，如煤粉热值变化时，燃烧控制应根据煤粉燃烧的变化值，及时调整鼓风量，搜索最佳工况，作出给风量调整。

（1）硬件配置设计。鉴于蒸汽锅炉工艺流程控制要求，认为还要处理好注汽锅炉的硬件配置设计和改造。设计系统必须具备计算机自控能力，由上下位机结构共同组成，负责处理现场设备的控制和参数采集。此外硬件配置还包括电源模块、通讯模块、数据处理模块、接口模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块等，用于锅炉系统的全方位控制和管理。

（2）系统软件配置设计。系统软件由Windows10平台开发，监控软件为组态王6．01版本，点数共用256，开发系统包括系统画面、低压电图画面、变频画面、设备调试画面、报表画面、报警画面、曲线画面、设备自控画面、监控系统画面等，实现了锅炉控制系统的全方位管理显示与控制目的。

6 结语

通过本系统的更改和修正，在实践中获得了较为良好的使用效果。其中给煤量、鼓风量、给水量均达到了先进标准，有效解决了注汽锅炉环保及经济效益问题。当然通过本系统的应用，也实现了能源节省，降低工人劳动强度的目的。根据专家预估，利用本系统能够实现1年内回收成本的目的，大幅提高了锅炉使用价值，对能源消耗量较大的锅炉使用有积极意义。

参考文献：

[1]张伟,宋传阳,王华．注汽锅炉系统用能分析及改进建议[J]．化工管理,2017，(05):104．

[2]刘琴．浅议油田注汽锅炉节能技术相关问题[J]．能源与节能 ,2015，(12):83-84．