油田卧式水套加热炉水温恒温控制方法研究

秦昀亮，王国江，程雪涛，徐向前

（1.中国石油长庆油田分公司技术监测中心，陕西西安710018；2.西安石油大学，陕西西安710065）

1 现 状

现在广泛应用在油、气田行业的加热炉，称之为油田加热炉，是油气集输系统中应用最多的油田专用设备之一[1-3]。油田加热炉是通过火焰加热原油、天然气、水及其混合物等介质的专用加热设备。仅长庆油田目前就有各类加热炉超过5 000台，且80%为以上为卧式水套加热炉。

油田卧式水套加热炉的热效率较低，为了提高热效率，对炉体进行了结构优化。比如根据油田卧式水套加热炉的排烟温度还比较高[4-5]，安装了热管对烟气余热。安装热管后的卧式水套加热炉见图1所示。

图1 卧式水套加热炉的结构示意图

由图1 可知卧式水套加热炉的结构，主要有燃烧器、火筒、防爆门、盘管、炉体、涨水箱、烟囱、回烟室等部件构成。卧式水套加热炉采用经典的两回程结构，火筒采用E型结构。燃烧器安装在火筒左侧出口，防爆门与火筒的右侧直通。炉体内充满水，盘管浸在水中，燃烧器工作时，将燃料燃烧产生的热量通过火筒传递给水，水通过盘管加热介质。为了提高热效率，火筒采用了波形火筒，烟管采用了螺纹烟管，选用了良好的保温材料和较为先进的施工工艺，确保热量损失最小。根据热管的工作原理和结构，将热管安装在回烟室与炉体分隔的隔板上，一端位于高温烟气侧，一端位于水浴侧，起到对烟气余热回收，降低排烟温度，达到提高加热炉热效率的目的。

加热炉的结构优化在提高热效率的同时给水温恒温控制带来了新问题。波形火筒、螺纹烟道、热管和优质保温材料对于水温提升速度有着积极的作用。盘管中的被加热介质中含水量和含气量会发生变化，同时盘管的入口压力和流量也会变化，那么加热炉水温的恒温控制就比较困难。加热炉水温温度过高，增加燃料消耗，温度过低，会影响被加热介质的正常输送。加热炉的水温控制是一个典型的大惯性、纯滞后的控制，因此提出单神经元SVM-Smith预估水温控制。

2 加热炉的单神经元Smith预估水温控制

根据以上油田加热炉的结构，为了提高热效率，需要对水温进行严格的控制，同时降低燃料的消耗。加热炉的水温控制属于一个具有大惯性、纯滞后的非线性过程控制，再由于加热炉结构的优化，特别是热管的应用以及被加热介质的流量的不确定性等，所以采用常规的PID算法进行控制，会出现较大的超调量，控制效果不佳。在此提出采用Smith预估补偿，采用单神经元PID算法进行改进，减少超调量，准确控制水温，提高热效率。

油田加热炉的水温控制是一个大滞后的控制。油田加热炉内的水温上升过程需要一定的时间，也就是在水温的控制过程中是存在纯滞后的，这样控制过程中就会出现超调或者较长时间进行调节。根据油田水套加热炉的结构，可以看出除了温度控制是个滞后系统外，被加热介质的流量的变化和热管的使用都会给温度控制带来一定的影响。为了提高加热炉的热效率，需要对水温进行较为准确的控制。

通常采用的PID控制，对于大滞后系统，控制效果不理想[6]，需要进行另外的补偿。使用Smith预估补偿可以有效的减小超调加快响应[7-9]，但是需要与控制模型精确匹配。这样在油田加热炉上很难做到。Smith 预估算法与模型失配时，控制效果就会不理想。因此对Smith 模型进行了改进，把自适应控制与Smith 预估器有机的结合起来，对控制系统的参数进行整定，如图2所示。采用Smith 预估补偿减小PID 控制的超调量，应用单神经元对PID进行参数整定，使得Smith预估补偿与控制模型匹配，见图3。

图2 单神经元Smith预估控制系统结构示意图

图3 增益可调的单神经元PID控制算法

图3中，yr和y0是系统的设定值和输出值，则

则神经元控制器输出可写成：

采用Hebb学习规则，进行规范化处理后可得

式中：ηI、ηp、ηD分别是积分、比例、微分的学习速率。

对于增益K的调整，采用将PSD 算法与单神经元PID控制相结合，构成一个增益可自动调整的控制器。调整算法如下：式中：0.025≤c≤0.05，0.05≤L*≤0.1。该增益K 的调整算法不需要精确的数学模型，其自调整是通过检测输出、给定值，从而形成增益自调整。比如，当偏差一直同号时，即上一时刻偏差与当前偏差同号，此时输出值偏离给定值，K(k)的值将会自动增大，使系统输出尽可能快地接近给定值，其增大的速度与Tv 成反比。当系统偏差异号时，即上一时刻偏差与当前偏差异号，此时输出值在给定值附近上下波动，K(k)值将下降到上一时刻值的75%，减小增益，使系统输出向给定值靠近。

根据图2和图3以及以上的公式，在matlab中进行了仿真。仿真中应用Smith 预估器，通过改进的单神经元PID算法计算出当前控制量，传送给控制对象。其中对比了常规PID 与单神经元Smith 的控制效果，如图4所示。可见改进后的PID算法能够保持系统的稳定，减少振荡次数，提高收敛速度。

图4 单神经元Smith-PID与常规PID仿真控制比较

3 结 论

卧式水套加热炉是油田的主要能耗设备，对其水套水温恒温控制，有利于热效率的提高。由于加热输送介质的变化、加热炉炉体结构的优化以及环境的影响，现实水套水温的恒温控制有一定困难。针对以上问题，在常规PID控制的基础上，应用单神经元对PID参数进行整定，采用Smith 预测补偿水温控制的滞后性，构成了单神经元Smith-PID 控制。对该控制算法进行了计算机仿真，仿真结果证明了其有效性。