（通信与信息系统专业论文）注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究.pdf

摘要 本论文主要是针对注汽锅炉火量和水量控制系统的研究与实现，将自动控制理论与 注汽锅炉自动化的具体对象相结合，进行了两个方面的研究：蒸汽干度的准确辨识和注 汽锅炉火量和水量的新型调节策略。 针对油田开发中蒸汽吞吐和蒸汽驱动的当前情况，提出了一种油田注汽锅炉蒸汽质 量测量的新思路，采取测量相关辅助参数法，经过大量实验分析，找出注汽锅炉的多个 运行参数与蒸汽干度之间的内在变化关联，运用分层遗传算法对蒸汽干度模型进行辨 识，优化了蒸汽干度模型的结构和参数，提高了注汽锅炉干度的控制精度。 针对注汽锅炉中存在的非线性、不确定性和时变性等特点，提出了使用自调整因子 模糊控制算法和p i d 控制算法，从而满足了注汽锅炉控制系统的需要。因为自适应模糊 控制算法事先不需要获知对象的精确数学模型，而是基于人类的思维以及生产经验，用 语言规则描述控制过程，根据规则去调整控制算法或控制参数，并且该算法具有一定的 自适应特性，所以能够实现对复杂工业过程的控制。 近年来，f p g a 及e d a 工具在国内外得到了迅速发展，本论文中在f p g a 上实现 自适应模糊控制器算法，使系统的实时性以及资源占用得到了最大限度的平衡，提高了 系统的稳定性，减少了硬件的复杂度。 关键词：注汽锅炉：蒸汽干度；分层遗传算法；自适应模糊控制：f p g a a b s t r a c t w i t ht h ec o m b i n a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r ya n d p r a c t i c a lt h e r m a lp r o c e s s a u t o m a t i o no b j e c ti ns t e a mi n j e c t i o nb o i l e r ，t w om a i nf i e l d s i n c l u d i n gp r e c i s i o nm o d e l r e c o g n i t i o no fs t e a mq u a l i t ya n dn e wc o n t r o ls t r a t e g i e so fs t e a mq u a l i t ya n ds t e a mf l u xi n s t e a mi n j e c t i o nb o i l e ra r es t u d i e di nd e t a i li nt h i sp a p e r d u et ot h es i t u a t i o no f t h es t e a ms t i m u l a t i o na n ds t e a mf l o o di nt h eh e a v yo i lp r o d u c t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e ws t e a mq u a l i t yo n - l i n em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e 。c h a n g e dt o m e a s u r et h er e l a t i v ea u x i l i a r yp a r a m e t e r s ，a n dt h r o u g ha l a r g en u m b e ro f t h ee x p e r i m e n t sa n d a n a l y s e s ，c o m i n gt oc o n c l u d et h e i rv a r i e t yr e l a t i o n s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas o l u t i o no fh o wt o u s eh i e r a r c h i cg e n e t i ca l g o r i t h mt op e r f o r mm o d e lr e c o g n i t i o no fs t e a mq u a l i t y 1 1 l i ss o l u t i o n o p t i m i z e st h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro f t h er o o d e lo f s t e a mq u a l i t y ，a n di tc a na l s oi r e p r o v e t h ep r e c i s i o ni nt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f t h es t e a mq u a l i t yo f s t e a m i n j e c t i o nb o i l e r b e c a u s es t e a mi n j e e t i o nb o i l e rh a sn o n - l i n e a r i t y , u n c e r t a i n t ya n dt i m e - c h a n g e ，t h i sp a p e r p u t sf o r w a r ds e l f - t u n i n gg e n ef - u z 巧c o n t r o l l i n ga r i t h m e t i ca n dp i dc o n t r o l l i n ga r i t h m e t i ct o s a t i s f yd e m a n do f c o n t r o ls y s t e mo f s t e a mi n j e c t i o nb o i l e r b e c a u s ef u z z yc o n t r o ld on o tn e e d t ok n o wa c c u r a t em a t h e m a t i cm o d e lo f o b j e c t , b u ti sb a s e do nh u m a nt h i n k i n ga n dp r o d u c i n g e x p e r i e n c e ；a n db e c a u s ei ta p p l i e sl a n g u a g er u l et od e s c r i b ec o n t r o l l i n gp r o c e s sa n db a s e sr u l e t om o d i f yt h ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i ca n dp a r a m e t e r , a tt h es a m ed i n et h i sm a t h e m a t i ch a s s e l f - a d a p t a b i l i t y ，t h e yw i l ir e a l i z ep r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r 0 1 i nr e c e n ty e a r s ，f p g aa n de d at o o l sr r cd e v e l o p e dv e r yf a s ti no u rc o u n t r y ，t h et a s ko f t h i st h e s i si st or e a l i z ea f u z z yl o g i cc o n t r o l l e ro nf p g a ，i tc a nb a l a n c er e a lt i m e a n dr e s o u r c e c o n s u m i n gt ot h eg r e a t e s te x t e n t ，i n c r e a s e dt h es y s t e m ss t a b i l i t y ，a n dr e d u c et h eh a r d w a r e s c o m p l i c a t e dd e g r e e k e y w o r d s ：s t e a mi n j e c t i o nb o il e r s t e a mq u a ii t y 。h i e r a r c h i cg e n e t i ca i g o r i t h m s e l f - t u n i n gg e n ef u z z yo o n t r o iii n g ，f p g a 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 保密西在三年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 作者签名：墨厶立纽。 指导导师签名 ! 竺垡年土月型日 群 注汽锅炉火量、水量自动控橱技术研究 1 绪论 1 。1 锅炉控制系统发展概述 2 1 世纪已经到来，人类将进入一个以知识经济为特征的信息时代，检测技术、计算 机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。有的专家认为；在计算机和自动化领 域，8 0 年代的热点是个人计算机，9 0 年代是计算机网络，而2 1 世纪第一个1 0 年的热 点必将是传感、执行与检测。锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应 用方面也必将跨入数字化、网络化和智能化时代。 锅炉控制系统的发展过程与其他事物样。也经历了由简单到复杂、由机械到电子 的过程。6 0 年代，锅炉的控制还只是实行人工操作。锅炉的燃烧完全是凭司炉工人的经 验，几乎谈不到自动控制。到7 0 8 0 年代，逐步出现了由常规检测仪表和调节仪表构成 的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本低，易于操作和维护等优点，在大、中、小工 业企业中得到了广泛的应用，解决了不少自动化方面的问题，但是，随着生产向连续化、 大型化发展，对自动化技术的要求越来越高，模拟自动控制系统越来越表现出它的局限 性。例如，它难以实现多变量的控制，复杂控制规律的控制，最优控制以及实时控制等， 各个系统之间不便进行通讯联系，难以实现多极控制，控制方案的修改比较麻烦等等。 到来9 0 年代，出现了以计算机作为自动化工具的过程控制技术，计算机控制系统运算 速度快，控制精度高，并且具有分时操作功能，一台计算机可代替多台常规装置，计算 机具有较强的记忆功能和逻辑判断功能，在环境和过程参数发生变换时，能及时做出判 断，选择最优控制决策，这是模拟控制装置所不能达到的。到了2 l 世纪，计算机网络 飞速发展，任何事物都已经没有了地域限制，把锅炉控制系统通过网络联系到一起，形 成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这又将是锅炉控制系统发展的又一个里程 碑。 锅炉自动化控制系统是根据要求或负载特性，自动对锅炉热工参数进行检测与显 示、对锅炉的运行进行控制、并实施保护和连锁，以达到生产具有一定参数的蒸汽或热 水、保证锅炉运行的安全性和经济性的自动控制系统，是微型计算机软、硬件、自动控 制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。锅炉控制系统具有提高锅炉输出参数的稳定 性、保障操作人员及设备的安全、改善锅炉房的生产条件、减轻司炉人员的劳动强度、 节约能源等优点。根据锅炉采用计算机控制后进行的预算可知，一般可节约燃料 1 0 - 2 0 ，节约用电1 0 ，因此经济效益是很可观的。从某种意义上来说，自动控制系 统的优劣决定了锅炉的安全性、经济性和锅炉的寿命。 1 2 注汽锅炉控制系统的现状 在原油开采过程中，为降低原油粘度，增加流动性以便于开采，需向地下注入高温 高压蒸汽( 温度3 5 4 ( 2 ，压力1 7 。2 m p a ) “1 。用于生产这种蒸汽的锅炉叫注汽锅炉。 注汽锅炉属亚临界高温高压运转设备，以最佳状态安全运行对生产与经济效益都是 十分重要的，世界原油储量中相当一部分为稠油和高凝油，现蒸汽吞吐和蒸汽驱动已成 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 为稠油开采的重要措施，人们越来越认识到提高注汽质量不但可以提高原油产量和采收 率，而且对油层具有很好的保护作用。注汽质量的保证在于注汽锅炉平稳、连续的燃烧， 尤其要使蒸汽干度能平稳的保持在高干度值范围内。干度是油田注汽锅炉安全运行中的 一个重要参数，也是影响重油热采效果的一个重要指标。由于干度不能像压力、温度等 参数那样直接测量，虽有各种各样的干度计算经验公式，但由于双相流铡量的复杂性， 其测量结果误差很大，工程应用仍有不少问题。长期以来，干度测量一直仍以人工取样 进行化学分析或电导测量，然后计算得出结果为主。而干度控制则基本上处于手动控制 阶段，因此油田注汽锅炉干度测量及控制的人为因素很大，不仅油田注汽锅炉的安全运 行受到威胁，而且影响重油热采的效果。 如图1 1 ，油田注汽锅炉为单管直流锅炉，给水经锅炉预热器及对流段加热后进入 辐射段，在辐射段继续受热蒸发为湿饱和蒸汽，并送入油井。干度的定义即为湿饱和蒸 汽中干饱和蒸汽的重量百分数，因为油田注汽锅炉没有汽包，亦无任何排污。若忽略蒸 汽中熔解盐分，并假定炉管上未沉积任何盐分。 图1 - i 锅炉流程图 f i g 1 一i i m a g eo f b o i l e rf l o w 设：给水含盐量= a 。( m g 1 ) 炉水含盐量= a 2 ( m g 1 ) 蒸汽出口干度= x 按照盐量平衡( 对i k g 给水) 2 沣汽锅炉火量、水量t l 动控制技术研究 a l = 1 一x 一2 x = ( 4 2 一a 1 ) a 2 即干度爿炉水含盐量一给水含盐量张声水含盐量n ，。 因为水的电导率和水中的含盐量成正比，所以通过对炉水和给水电导率的检测即可 计算出油田注汽锅炉的干度。但是这种测量受环境影响较大，精度不高，必须加以人工 校正。 由于油田注汽锅炉水量和火量的变化均会引起干度的变化，所以于度控制分为两个 阶段。第一阶段保持定水量，通过控制火量大小来达到干度控制的目的。这个阶段油田 注汽锅炉给水泵变频器输出恒定，以保证水量恒定。电导率传感器检测给水和炉水的电 导率进行计算、比较。若干度低于设定值，则手动输出信号增加火量；若干度高于没定 值，手动输出信号降低火量。然而若由予外界各种复杂原因，使得这时即使输出信号为 最大，油田注汽锅炉干度仍达不到设定值，干度控制将进行第二阶段。第二阶段为维持 火量最大，通过控制水量的大小来达到干度控制的目的。这个阶段控制油田注汽锅炉火 量的气动执行机构输出为恒定最大，人工输出信号送到变频器，控制水量的大小。电导 率传感器检测给水和炉水的电导率进行计算、比较，手动输出一个新的变频信号来降低 给水泵电机转速，以确保于度恒定。上述方法在一些注汽锅炉控制系统中使用，起到了 一定的作用。但效果并不是很理想，干度的控制不是很准确，需要定时的人工检测，校 定干度，而且水量也不能稳定。 1 3 当前注汽锅炉控制系统存在的几个需要解决的问题 注汽锅炉的控制系统主要包括两部分：锅炉程序控制系统和运行参数控制系统。第 一部分用来完成锅炉启动、运行、停止等过程的控制和安全保护；第二部分用于锅炉运 行过程中蒸汽参数的控制与调节。 油田现有注汽锅炉蒸汽参数( 压力、干度) 的控制系统8 5 采用气动控制系统，此 系统存在以下几个方面的问题： 1 、控制系统自动化程度低，属于8 0 年代技术水平，技术落后，属于淘汰产品。 2 、气动控制仪表灵敏度大大低于电动仪表，因此控制过程时间长，反应滞后，控制 精度低。 3 、气动控制系统比起电动控制系统，系统采用的仪表部件多，仪表结构复杂，因此 气动控制系统故障率相对较高，并且现有大部分锅炉使用时间都在1 0 年左右， 故障率逐年升高，严重地影响了注汽锅炉的正常运行。 4 、气动控制系统采用的控制部件价格都比较昂贵，并且很多种仪表都已淘汰停产， 因此维护现有的气动控制系统需要大量极缺的进口配件，费用高并且维护困难。 国内注汽锅炉生产厂家以及各油田用户对原来的控制系统都进行了不同方面的改 进、改造。但是，仍然存在以下主要问题： 1 、很多锅炉都采用了变频控制技术，配备了大功率变频控制器，用来控制锅炉给水 泵电机，实现保护电机、延长使用寿命和节约电能的目的，但由于没有合适的仪 表与之配套，不能充分发挥变频器的高技术、高性能，不能用它来实现对锅炉水 流量( 蒸汽压力) 全自动控制的目的，只是用它手动改变频率实现调节水流量的 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 目的。 2 、很多锅炉都采用了可编程序控制器，把原来的继电器程序控制系统改为p l c 控制 系统，但与锅炉原来的参数控制系统没有很好地融合，有些继电器和控制电磁阀 根本无法替代，因此还不能真正成为纯粹的p l c 控制系统。 1 4 本课题在注汽锅炉火量和水量的测量与控制方面的研究内容 在本课题中主要是针对上述问题对锅炉火量和水量控制系统进行改造。针对注汽锅 炉控制系统中的干度难以实时采集和采集精度不高的问题。根据蒸汽热力学原理和大量 的实验得到的实验数据，在充分考瘩外部干扰误差的基础上，提出一种基于孔板采集基 础之上的蒸汽干度数学模型框架，根据遗传算法的特性，通过系统辨识，判断数学模型 参数，从而得到全新的蒸汽干度的数学模型。 在干度的测量和控制中，需要解决以下问题：油田注汽锅炉的干度纯滞后；存在检 测误差；传感器误差：控制精度不高。 针对以上控制问题，在得到干度数学模型的基础上，对锅炉的火量和水量控制系统 进行改造。对锅炉火量控制的改造是建立在司炉人员的经验基础之上，根据火量控制经 验，运用自适应模糊控制算法，对火量迸行控制。在软件方面，在运用模糊控制的基础 上，用量化因子和比例因子作为自适应因子，在线调整自适应因子以适应不同阶段的控 制要求。在硬件方面，为了减少工业环境的干扰，提高控制的可靠性，降低硬件开销， 为后续的升级提供保障，采用了f p g a 器件，让自适应模糊控制算法在f p g a 中实现。 注汽锅炉的水量控制采用最常用的p i d 控制算法，这是根据注汽锅炉水量控制的特 定要求决定的，由于注汽锅炉的水量有恒压力和恒流量的要求，再根据锅炉要求的环境 特点，采用p i d 控制算法完全能够满足要求。 p i d 自动控制系统的参数整定方法很多，但归纳起来只有二大类：理论计算整定法 和工程整定法。理论计算整定法要求己知过程的数学模型。但要准确知道象水泵控制这 样复杂过程的数学模型是很困难的，得到的结果也是不精确的。因此，往往选用工程整 定法中的现场实验整定法。由于被控对象特性变化较大，因此在参数整定时可以适当降 低对控制系统快速性的要求，而主要考虑稳定性。这样可以适当加大积分时间以防止系 统在工况变化时出现振荡。 1 5 本课题的研究意义 本课题来源于辽河油田注汽锅炉生产的实际需要。汽锅炉控制系统是保证锅炉安 全、可靠运行的关键，并且使锅炉节约能源、提高锅炉工作效率的必然手段。为此在本 项目中把锅炉水火控制系统有关的气动仪表全部改为电动仪表，实现锅炉的水火调节系 统的全自动控制。这样可以使锅炉的控制过程更加完善，运行更加合理，安全可靠性更 高。 在开发注汽锅炉控制系统时，建立了全新的注汽锅炉蒸汽干度模型，提高了蒸汽干 度采集的精度，取代了人工的化学检验方法，节省了人力，降低了劳动强度，更重要的 是能够实时采集干度参数，为后续的火量实时控制提供了可靠保证。 在开发注汽锅炉自动控制系统时，在硬件和软件方面采用了较新的科学技术，使其 4 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 在较长一段时间内不会被淘汰，避免造成资源的浪费和技术的重复。同时，注汽锅炉控 制系统是真正应用于工程实际的应用产品，是科学技术向现实生产力的转化，因此还注 重了产品开发的经济成本及市场效益。随着我国与世界范围内的竞争同益激烈，要想在 激烈的竞争中站得一席之地，我们更应该开发出具有自己知识产权的、功能先进的产品。 因此，本锅炉控制系统不论从硬件技术还是软件技术上，都力图采用最新的科学技术， 选用性能优良、技术成熟、价格低廉的产品的设计思想，应用最新的丌发语言和开发工 具，并采用程序软件代替部分硬件功能的设计思想，尽量用软件来实现系统的功能，这 样既降低了产品的成本，又提高了系统的扩展性，使得产品的更新换代不用对硬件系统 做很大更改，只需修改部分软件系统即可增加新的功能，因此具有较强的实用性和推广 性。 在注汽锅炉进行火量、水量控制系统实际使用后，注汽生产运行平稳，使设备的故 障率大大降低，提高了系统的可靠性，为注汽锅炉长期、安全、可靠地运行提供了充分 保障，节省了大量的人力资源和资金。在经济效益方面，改造一台锅炉年取得的经济效 益约为5 5 6 5 万。 综上所述可见，本课题对注汽锅炉控制系统的研究，对锅炉安全、经济运行有着重 要意义，它代表了我国注汽锅炉控制的最新发展方向和较高水平，它不仅仅是一项科研 任务，而是把理论和实践结合起来，开发出一个真正实用的新产品。 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 2 注汽锅炉火量、水量自动控制系统的整体设计 2 1 自动控制系统的整体设计方案 该设计中的锅炉试验对象是辽河油田的欢喜岭采油厂热采大队1 6 号站的注汽锅炉。 图2 - 1注汽锅炉外观图 f i g 2 1 s t ：a r f li n j e c t i o nb o i l e ra p p e a r a n c e 运行炉号为：1 6 1 1 注汽油井：5 一1 1 l 起停时间：2 0 0 3 年1 1 月2 8 日一1 2 月4 日 控制方式：火量( 干度) 自动控制、水量自动控制 自动系统技术参数： ( 1 ) 测量范围： ( 2 ) 1 、干度：o 1 0 0 2 、流量：0 2 8t h 3 、压力：o 一2 0 m p a 4 、差压：o 一1 5 0 k p a 5 、风量：0 一1 0 0 6 、 变频范围：o 一5 0 h z 7 、 天然气膨胀管压力：o 一2 0 k p a 输出信号： 2 1 、火量控制：4 2 0 i i l a 2 2 、水量控制：4 2 0 m a 6 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 ( 3 ) 控制精度： 3 1 、干度控制精度：3 3 2 、蒸汽流量平均误差： 0 ，因此，( 豢) ， 芒) ，这说明在( h s ) 图上，定容 线的斜率大于定压线的斜率，即定容线将比定压线陡。 在饱和蒸汽区域的汽化过程中，压力与温度保持不变，所以洋) ，= 0 ， 础 ( 娑) 。：( 娑) 即在湿蒸汽区域，定压线的斜率就是定温线的斜率，并且是一条斜率不 吣o s 变的直线。但进入过热蒸汽区域后，由于( 罢) ， ( 祟) ，此时定压线 较陡，而定温线较为平坦。随着温度升高、压力降低，蒸汽愈来愈接近理想气体的特性， a 一 下 这时( = 兰) ，专一二，因而定温线将趋于水平直线。 a f v 定干度线，即z = 常数的线。将湿蒸汽区各定压线上相应的等分点相连，就可得出 x = 常数的定干度线。所有的定干度线会合于临界点。定干度线包括x = 0 的饱和液体线 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 和x = 1 的饱和蒸汽线。在湿蒸汽区才有干度的概念和定干度线。 由于干度小于5 0 的部分线图过分密集，工程上又不经常用到这部分线簇，为使图 面清晰起见，一般用的( h s ) 图均只绘出x 0 6 的部分， 应用水蒸气的( h s ) 图，可以根据已知参数确定状态点在图上的位置，并查得 其余参数。也可以在图上表示水蒸气的热力过程，并对过程的热量、功量、内能变化等 进行计算。 3 1 3 地面蒸汽干度的测量 在油田的作业中，可使用多种不同的方法对地面管线的蒸汽干度进行测量。包括： ( 1 ) 分离器法；( 2 ) 孔扳计量法；( 3 ) 总固体溶解法；( 4 ) 烟气分析法：( 6 ) 固定热 流率法；( 7 ) 热焓确定法。其中最常用的是孔板计量法。 3 1 3 1 孔板计量法 油田现场使用的计量气体和液体流量的孔板流量计都可以用来测定蒸汽干度。一些 人员己对湿蒸汽通过孔板流量计的流动及它与蒸汽干度测量的关系进行了研究。这项技 术已被众多的热力提高采收率的作业者所采用。这是因为它不需要取样或相分离器。通 过锐边孔板或喷嘴的单项流的标准公式为： a n 既= c ( 兰! ) ”2 ( 3 - 1 ) v 式中吸一液体的质量流量 卸。一通过该装置的压降 v一比容 c 一流量计系数 流量计系数是一按经验确定的流量常数，它取决于孔板的尺寸、几何形状及流动状 态。对于一定范围的液体性质和流量来说，通常认为此系数是一个常数。只要对于所有 的流动状态，雷诺数高于1 0 5 ，这就是一个合理的假定。 用孔板法计量湿蒸汽的流量时，考虑到蒸汽湿度的影响，方程( 3 - 1 ) 中的比容必 须进行修正。蒸汽和水两相混合物的比容可用下式计算： 式中x 一蒸汽干度，汽相的质量百分数： v 。一饱和蒸汽的比容 v ，一饱和液体的比容 这种修正适合于高干度的蒸汽。当流过的蒸汽变得较湿时，锐边孔板会引起显著的 误差。威尔逊确定在8 0 干度时，误差为5 ；6 0 干度时，误差为1 0 ；4 0 于度时，误 差为1 5 2 0 。 杰姆斯( j a m e s ) 经验法确定：如果比容用公式( 3 - 2 ) ，式中x 用与真实干度相关 的视于度来计算的话，那就可以直接使用公式( 3 - 1 ) 。 视干度和真实干度的关系如公式( 3 3 ) 所示 xw = x 。5 ( 3 - 3 ) 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 因而公式( 3 1 ) 就变成 = c a p 。 v x 15 + ( 1 一x 1 5 ) ”，】) o 5 重新整理后，解出于度： x = “( c 2 p 。? ) 一v ，】“v g v ，) ) 2 ” ( 3 4 ) ( 3 5 ) 当由某一独立来源如锅炉入口给水表知道质量流量时，可直接计算干度。因为，当 所有流体是饱和蒸汽时，经孑l 板的压降可测定，而v 。和v ，在孔板工作压力下可由蒸汽 性质表查出，从而即可确定参数c 。虽然孔板计量法比其他方法如固体总溶解法所获得 的干度更好，但该方法是近似的，并带有局限性。当湿蒸汽不断地流过孔板时，所记录 的压差出现波动。威尔逊发现该波动值至少是1 ，而全程时偏差常常大于3 。因而， 公式( 3 - 5 ) 中的p 。值只是近似值。另外，孔板流量计还必须在流体达到稳定状态后 至少1 0 分钟才可以进行计量。在参数变化的情况下，企图测定瞬时的蒸汽干度是不能 成功的。 3 1 32 烟气分析法 烟气分析法可综合给水量和燃料耗量，用来检查锅炉输出蒸汽一水的近视b t u ( 英热 单位) 含量。如使用此种方法，需要下列资料： ( 1 ) 锅炉给水量 ( 2 ) 燃料耗量 ( 3 ) 燃料的b t u 含量 ( 4 ) 锅炉烟气中的二氧化碳和含氧量分析数据 ( 5 ) 烟气温度测量数据 根据二氧化碳、氧气和温度数据，可以确定燃烧效率和烟气中的热损失。然后，就 可以进行下列计算： h 3 = h i h 2 ( 3 - 6 ) 式中日一燃烧器测定的燃料总输入热量b t u h ： 日，一烟气热量损失； 日，一发生器输出水的含热量b t u h 。 比热量值为： = 马w ( 3 - 7 ) h ，一蒸汽一水输出的比热含量b t u l b ； w 一水表计量的给水量，l b h 。 将h ，的值与在蒸汽管线压力下从蒸汽表上查出的饱和水和蒸汽的焓值相比较，即 可得出蒸汽干度。 3 1 4 井口蒸汽干度的测量 上面描述了地面蒸汽干度的测量方法，但这些方法都需要单独测量总质量流量或需 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 要在已知干度点到蒸汽干度测量点区间保持质量流量恒定。但是在实际应用中，管线支 管问不均匀的相分流会导致井口蒸汽干度变化很大。所以，进行井口蒸汽千度的测量是 十分困难的。因而，大多数作业者假定井口蒸汽干度要比蒸汽发生器出口蒸汽干度减去 蒸汽分配系统热损失影响后的干度值小。这种估计井口的蒸汽干度的方法不能代表井口 的真实蒸汽干度。由于蒸汽干度值对计算蒸汽通过井口装置的蒸汽流量是必不可少的， 因此，注入井中的蒸汽量是不可信的。近年来，在开发能够可靠地测量实际井口干度的 工具方面已做了大量的努力，开发出了：( 1 ) 振动密度仪( 2 ) r 射线吸收技术( 3 ) 中 子密度计等工具。 目前，尚未开发出测量井底油层蒸汽干度的可靠工具或技术，已提出几种井下蒸汽 干度取样器的设计，目的是为采集注汽井中任意深度的有代表性的蒸汽液体样品”“”。 然而，采集真正具有代表性的样品不仅十分困难，还需要大量的校验程序以保证测量的 精确性。目前，井底油层的蒸汽干度是通过井口蒸汽干度、蒸汽流量以及井筒热损失来 估算。现已具备用井口蒸汽干度计算井底蒸汽干度的专用计算机程序。 3 1 5 蒸汽干度的数学模型 注汽锅炉数据采集的核心是干度的实时采集，而实际干度不是可直接测量参数，由 上述理论可以看出，蒸汽干度的得出可以由蒸汽的焓熵图查到，这种方法得到的结果比 较精确，但是过于复杂，所需的参数较多，不利于实时采集。而工业中常用到的孑l 板测 量法对于实时采集可以达到要求。虽然孔板计量法比其他工业方法获得的干度更好，但 该方法是近似的，并带有局限性，精度大于5 。另外，孔板流量计还必须在流体达到稳 定状态后至少1 0 分钟才可以进行计量。在参数变化的情况下，企图测定瞬时的蒸汽于 度是不能成功的。在智能控制中，需要确定的参数过多，其中一部分还需要查表，不利 于系统的实时性。由于上述的原因，在智能控制中利用孔板计量法进行计算的效果不是 很好。 以上两种干度的计算方法，各有利弊，查图法数据准确，但是参数计算复杂，不利 于实时性，孔板法的公式计算结果误差太大，不能确定瞬时状态。这就需要在孔板法的 基础上，根据蒸汽热力学原理，重新建立一个干度测量的数学模型。这个模型即能够利 用到孔板的实时采集性能，又有较高的准确性。在蒸汽热力学的理论中可以看出，蒸汽 千度在焓熵图上可以由定压线和定容线确定，而定容线与流量有关，这样就可以得知， 蒸汽干度可以由压力、流量和其它反映蒸汽状态的参数确定。而这两个参数都是可测量 的，但是由于注汽蒸汽为不饱和的，单纯测量压力并不能完全反映蒸汽的状态，这里利 用孔板测量中的差压信号，反映蒸汽输出的状态，再通过下面的实验进行验证。 在注汽锅炉输出段加入孔板，通过差压变送器测量注汽锅炉产出的湿饱和蒸汽两相 流流经孔板时的差压信号。经大量实验证明，蒸汽干度是由压力、流量、差压等关键参 数共同决定的复杂参变量，其原理是一定压力和流量下，湿蒸汽通过锅炉出口的孔扳( 或 长径喷嘴) 时会在孔扳两侧产生一定的压力差，湿饱和蒸汽以连续稳定的流动状态，流 经管道孔板( 或长径喷嘴) 处时，由于受到孔板阻挡，造成了流束的局部收缩，而且在流 束收缩至孔板内孔处，流体流速必定最大。根据伯努利方程式和位能、动能相互转换的 原理可知，在流束收缩孔板内孔处的流体静压力最低。同理，在孔板出口端面处，由于 6 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 流体流速比原来流速大大增加，因此，流体在该处的静压力也较原来的静压力为低。故 孔板入口侧的静压力丹比其出口侧的静压力刀大，即产生了压力差d p ( d 卢用一户纫。 若流体是单一介质的理想流体( 即无粘性，互不可压缩) ，则一定的压力、流量下，4 尸 恒为一定值。注汽锅炉产生的是湿饱和蒸汽，这是蒸汽与水的两相流混合体，都是可压 缩流体，两种介质的各种性能系数不相同，其不同压力下各自的密度、膨胀系数差距很 大，因此，一定压力、流量下，湿饱和蒸汽中纯蒸汽含量的多少决定了压力差的大小。 曲) 囔喵 ( c ) 孔板附近流体的压力和速度变化 图3 - 2 孔扳测试原理图 f i g 3 - 2 p r i n c i p l ed i a g r a mo f b o r ep l a n k 在实际中，刘多台锅炉输出端安装了孔板及其它传感器，通过调整压力、流量等其 它参变量，测试差压信号，并用化验法测出当时的蒸汽干度，积累了大量实验数据，根 据蒸汽热力学的蒸汽干度计算理论，对实验数据分析表明：压力、流量、差压与干度之 间呈单调函数关系。压力、流量确定，则干度随差压的增加以一定函数关系增加：压力、 差压一定，则干度随流量的增加以一定的函数关系减少。 在考虑到外部干扰等因素下，经过对大量实验数据进行数学分析产生了套复杂而 精确的数学模型，简述如下： 。一0 + 4 d 8 + e i 驴) o 十白胪+ 岛蹄) o + e f “+ 堍芦) o + q 阡如十矿) n + 吩p + c 妒抽) 其中j ，代表蒸汽干度，d 代表差压信号，彤代表流量( t h ) ，p 代表压力( m p a ) 。 3 2 蒸汽干度的数学模型的辨识 根据上面得出的蒸汽干度的数学模型，可以对蒸汽千度进行实时计算，但是上述的 数学模型并不是最后的结果，还需要对其参数、结构进行辨识。遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，简称g a ) 是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的高度并行、随机、自适 应搜索算法。它是模仿自然界生物进化过程中“物竞天择，适者生存”的原理而进行的 一种多参数、多群体同时优化方法。经过2 0 多年的发展，遗传算法已经在数据挖掘、 生产调度、函数优化、机器学习、图象处理等领域得到成功的应用，并显示出其良好的 性能。根据遗传算法的优点，在这里采用分层遗传算法对其数学模型进行辨识。 3 2 1 遗传算法的基本原理 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t t u n s ) 髓7 0 年代初期由美国密执根( m i c h i g a n ) 大学的 h o l l a n d 教授发展起来的。1 9 7 5 年，h o l l a n d 发表了第一篇比较系统论述遗传算法的专 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 著( a d a p t a t i o ni nn a t u r a la n da r i t i f i c a ls y s t e m s 。之后，遗传算法的研究方兴未艾。 本节研究遗传算法及其理论基础。 一、遗传算法的一般结构 与传统搜索算法不同，遗传算法从一组随机产生的初始解，称为“种群 ( p o p u l a t i o n ) ”，开始搜索过程。从种群中的每个个体是问题的一个解，称为“染色体 ( c h r o m o s o m e ) ”。染色体是一串符号，比如一个二进制字符串。这些染色体在后续迭代 中不断进化，称为遗传。在每一代中用“适应度( f i t n e s s ) ”来测量染色体的好坏。生 成的下一代染色体，称为后代( o f f s p r i n g ) 。后代是由前一代染色体通过交叉 ( c r o s s o v e r ) 或者变异( m u t a t i o n ) 运算形成的。新一代形成中，根据适应度的大小 选择部分后代，淘汰部分后代，从而保持种群大小是常数。适应度高的染色体被选中的 概率较高。这样，经过若干代之后，算法收敛于最好的染色体，它可能就是问题的最优 解或次优解。 通常初始化是随机产生的。重组包括交叉和变异来获得后代。实际上，遗传算法中 有两类运算： ( 1 ) 遗传运算：交叉和变异 ( 2 ) 进化运算：选择 遗传运算模拟了基因在每一代中创造新后代的繁殖过程，进化运算则是种群逐代更 新的过程。 交叉是最主要的遗传算子，它同时对两个染色体操作，组合二者的特征产生新的后 代。交叉的最简单方法是在双亲( 两个父辈的个体) 的染色体上随机地选一个断点，将 断点的右段相互交换，从而形成两个新的后代。这种方法对于二进制表示最为合适。遗 传算法的性能在很大程度上取决于采用的交叉运算的性能。 交叉率( 记为p c ) 定义为后代中交叉产生的后代数与种群中的个体数( 通常记为 p o p s i z e ) 的比。它将参加交叉运算的染色体个数的期望值控制为p c p o p s i z e 。较高 的交叉率可达到更大的解的空间从而降低停在非最优解上的机会；但是这个比率太高， 会因搜索不必要的解空间而耗费大量的计算时间。 变异则是一种基本运算，它的染色体上自发地产生随机的变化。一种简单的变异方 法是替换一个或多个基因。在遗传算法中，变异可以提供初始种群中不含有的基因，或 找回选择过程中丢失的基因，为种群提供新的内容。 变异率( 记为p m ) 定义为种群中变异基因数在总基因数中的百分比。变异率控制了 新基因导入种群的比例。若变异率太低，一些有用的基因就不能进入选择；若太高，即 随机的变化太多，那么后代就可能失去从双亲继承下来的好特性，这样算法就会失去从 过去的搜索中学习的能力。 二、遗传算法主要优点 作为一种新的优化技术，遗传算法受到了广泛的注意。它在解优化问题时有以下三 大优点： ( i ) 遗传算法对所解的优化问题没有太多的数学要求。由于它的进化特性，它在 解的搜索中不需要了解问题的内在性质。遗传算法可以处理任意形式的目标函数和约 束无论是线性的还是非线性的，离散的还是连续的，甚至混合的搜索空间。 ( 2 ) 进化算子的各态历经性使得遗传算法能够非常有效地进行概率意义下的全局 1 8 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 搜索，而传统的优化方法则是通过邻近点比较而移向较好点，从而达到收敛的局部搜索 过程。这样，只有问题具有凸性时才能找到全局最优解，因为这时任何局优解者是全局 最优解。 ( 3 ) 遗传算法对于各种特殊问题可以提供极大的灵活性来混合构造领域独立的启 发式，从而保证算法的有效性。 三、模式定理 模式定理主要从结构的角度说明遗传算法的收敛性。 首先，把串中的相似的样板称为模式( s c h e m a ) ，模式表示基因串中某些特征位相 同的结构，二进制串中的模式具有如下的形式： ( dj ，口2 ，t ，a ，吼) ，a i 0 , 1 ， 其中“$ ”是任意字符，既可以是“1 ”，也可以是“0 ”。模式是串的集合，这些串 与模式在所有基因位上与不是“ ”的基因匹配。因此，模式中“ ”越多，则描述的串 越多，一个长度是5 的模式“ 1 1 1 ”，描述如下串的集合： “+ 1 1 1 + ”= ( ( 1 1 1 1 0 ) ，( 0 1 1 1 0 ) ，( 0 1 1 1 1 ) ，( 1 1 】1 1 ) ) 一个模式日包括四个参数：原始长度l ，度。扣夥，定义长度联日) 及模式的维数d ， l 是串的长度，d 习是模式中固定位的个数，a ( h ) 是最前和最后固定位间的距离，例如， o ( + 1 1 1 ) = 3 ，j ( 1 1 1 + ) 4 2 2 ，d 口矽表示模式中包含串的个数，为 d f 1 = 2 t - o ( ”) ( 3 - 8 ) 假设第k 代遗传时，在群体p 内中有1 r t 个特定模式，写成m 似砂，复制过程中， 含h 的串按p r = f ( h ) f 的概率复制，g e ef ( h ) 是含h 的串的适应度，复制数为 月f ( ) ，：令f ( 疗) 为所有含目的串的平均适应度，m ( t t ，+ ) 为： n f f h l m ( h ，t + ) = m ( h ，七) 二二 ( 3 - 9 ) f ， j = i 由于群体的平均适应度f 为 i ：! ：!( 3 - 1 0 ) n 故( 3 - 9 ) 式改写为 m ( h ，七+ 1 ) = 肌( ，k ) f l m ( 3 一1 1 ) ， 假设的适应度f ( h ) = ( t + c ) f ，则 m ( h ，k + 1 ) = ( 1 + c ) m ( h ，k ) ( 3 一1 2 ) 若从k = 0 始，c 恒定，则可得 m ( h ，七) = m ( h ，0 ) 0 + c ) ( 3 - 1 3 ) 由上式可知：复制操作的定量作用是使超出( 或低于) f 的模式按指数形式增加( 或 注汽锅炉火量、水量自动控制技术研究 减少) 。 基因交换和突变分别以p 。占( 片) ，( 一1 ) 和o ( h ) p 。的概率破坏模式 晌，模式定理轰述垒珏下： 删，川胁( 蹦) 等”见等- d ( 聊。) 只，p 卅分别是交换操作和突变操作的概率。 综合二者的影 ( 3 1 4 ) 模式定理说明：定义长度a ( h ) 短、度o ( h ) 低且适应度高于平均适应度的模式的数 量在遗传过程中将咀指数形式增加。这个结果是指导遗传算法设计的重要原则，选择的 编码策赂需使敝曰，短伙研低的模式对应于所求朐勰。出于编码是遗传过程孛弱基石， 不适合的编码会极大影响遗传算法的性能。 四、马尔科夫链分析 ( 1 ) 预备知识 令中为所有长度为的二进制串s ，的集合，串空间中的维数为l 中l = 2 l ，令人为所 有群体大小为n 的群体a 的集合，群体空间的维数为： f a = 2 “ ( 3 一j 5 ) 比例复制时，的复制概率为： ，r r 、 p ( 5 ，) = 二望 ( 3 1 6 ) 厂( s ，) j = l 其中f ( s ) 是串j 的适应度，串s 和- f j 之间的海明距离定义为： 二 h ( s 。，j j ) = l g t g 肚i ( 3 1 7 ) 其中乳是串s ，的第k 位基因。 经突变使h ( s ，一s ) = 0 的概率为： p ( h ( s ，5 ，) = o ) = p ：4 一。( 1 一只) 。”h ”， ( 3 1 8 ) 其中如! ) 是突变概率，以何，j 。) = o ) 0 。 定义2 1 设片= x 。，k = 1 , 2 ，是定义在概率空间( n ，f ，p ) 上的离散参数的随机过 程，其状