油田集输系统中加热炉运行自动化的研究

油田集输系统中加热炉运行自动化的研究

原油管道输送过程中随着原油温度的降低而减少，且传统模式随着原油温度的增加而增加。为了解决上述矛盾，便于原油运输，通常在输油管道沿线每一定距离设立一个中央加热站，并通过加热站的加热装置将原油加热至50.60。华北油田某采油厂的加热装置约有100个，主要分为两种。其中之一是原油加热装置，另一种是加热装置。根据管道加热装置和加油站相关产业的统计数据，100台加热炉每年消耗约6000万米h。根据天然气生产价1.0元/s的统计数据，一家加热厂的年消耗约为6000万元。按照1.0元/m2的天然气生产价计算。一家加热炉的成本为6000万元，一家加热炉的年消耗约为1.8万元。表1中的热效率为燃烧分析仪上显示的数值,是一种近似反平衡热效率,t′py(理论排烟温度)是在测得的排烟温度的基础上乘以过剩空气系数而得,是一种近似估算值.发现这些加热炉的运行平均热效率仅为67.9%,过剩空气系数大,排烟温度高,运行自动化程度很低,节能降耗的空间还是比较大的.若对加热炉进行相应的改造,使其运行热效率提高10%～15%,即达到80%以上,则每年可节约燃料运行费用近1000万元,节能效果很可观.运行自动化程度低是造成燃料浪费的重要原因之一.目前,该采油厂的近百台加热炉基本上还处于手工操作的状态,根本无法保证炉处于最佳运行工况和安全生产的状态.为此,根据加热炉的特点,设计了一套切实可行的计算机自动采集控制系统.1原油与加热炉的二次风场图1(a)是某台加热炉的剖面图,图1(b)是工艺流程图.燃烧器采用高压引射式红外线平焰燃烧器,这种燃烧器是利用天然气的势能引射环境中的空气,不需要鼓风机.运行中空气分两次进入燃烧器,一次风在天然气进入燃烧器时引入,风量随天然气流量变化,二次风在燃烧器出口处引入,可通过电动角行程执行机构控制二次风门的大小,从而控制风量.进入燃烧器的燃气经点燃后,在炉膛内燃烧,需加热的原油由原油进口9进入盘绕在炉膛内的炉管加热,加热后,经原油出口10(在图1(a)中被进口挡住)送出.在这次的试点工程中,首先选择了1台原油加热炉和1台热水加热炉进行改造.计算机测控系统框图如图2所示.2计算机测量系统2.1测温器的测量该工程中的主要测量对象是温度,包括室内、外温度;每台炉的进、出油温度,炉膛温度,烟气温度.根据测温范围的不同,选用了两种温度传感器.炉膛温度的测量选用镍铬-镍硅热电偶(分度号K型),可长期工作于1000℃以下,短期测量最高温度可达到1300℃,其余温度的测量均选用金属铂热电阻(Pt100),测温范围为-200～600℃.为了运行管理的方便,采集的上述温度除了在工控机的显示器上实时显示外,也可通过安装在控制柜上的XMT60X系列智能仪表观察到.该仪表除具有显示功能外,还带有变送功能,可将温度传感器的电压或电阻信号转换为4～20mA信号送入工控机的A/D卡,因此,节省了变送模块的费用,适用于一般工业控制.2.2a/d转换电路数据采集系统的任务就是对生产现场的过程参数定时进行检测、记录、显示及存储,一般应具有以下几个基本功能:1)对多个输入通道输入的生产现场信息,能够按顺序巡回检测,或按指定对某一个通道进行检测;2)能够对所采集的数据进行检查和滤波处理;3)能够对所采集的数据进行标度变换和非线性处理;4)能将数据进行存储及历史数据查询.数据采集系统根据A/D转换的时间的长短以及对系统速度的要求采用查询、中断和高速数据采集(DMA)3种工作方式.由于工业控制对象的工作环境一般比较恶劣,干扰源较多,模拟量经A/D转换后,计算机采集到的数字量还要经过数字滤波才能使用.数字滤波是一种程序滤波,它能克服模拟滤波的不足.该工程中所需要采集的量除包括上述的温度外,还包括电动调节阀和电动二次风门的阀位反馈共14个量.燃气阀门开度由电动调节阀0～10V反馈信号送入手操器,再由手操器变送为4～20mA电流信号输出到计算机的A/D转换板.二次风门开度的采集与燃气阀门相似,只是反馈信号为2～10V.A/D输入选用研华PCL-813B数据采集板,该板具有12位输入精度及32路输入通道,输入电压为0～5V,足以满足工程的需要.程序设计中,将该板的A/D采集功能做成单独的DLL,可按指定通道及采集次数采集所需数据,考虑到闭合某通道多路采集开关后系统稳定所需的时间,加入了时间延迟,提供的是查询的工作方式,数据滤波采用算术平均滤波和中值滤波相结合的滤波方式,即在所采集的奇数个数据中,去掉最大的和最小的n个数据,再将剩余的数据求得平均值.在该DLL中,A/D转换函数的输入参数为:板基地址、采样通道、采样次数、延迟时间、滤波选择;输出参数为指定采样次数经软件滤波后的采样平均值.在该DLL中为了实现对PCL-813BA/D端口的读写访问,使用了在C++Builder中内嵌汇编语言的方法,例如,对PCL-813B进行一个字节的读操作的子程序如下:PCL-813B的单端连接见图3.当输入信号由4～20mA需转换为0～5V时,RAn=0Ω,即短接;RBn=250Ω;不接电容.为了以后研究和统计的需要,每隔30s(时间可现场设定)存储一次当前数据.以每天的数据为一个存储单元,文件名为当天的日期,建立dbase数据库.3计算机控制系统3.1电动角行程执行器天然气的调节采用电动二通调节阀,二次风的调节采用电动角行程执行器带动风门机构.为了运行管理与维修的方便,在执行器与控制器之间加入了手动操作器,用于实现手动操作与自动调节的转换如图4所示.3.2控制计算方法3.2.1出油温度设定原油的出油温度随季节的不同而不同,主要由室外温度决定.夏季,室外温度高,原油温度与室外温度的温差小,输送管段的散热量小,因此,出油温度可以设的低一点;冬季室外温度低,原油温度与室外温度的温差大,管段的热损失大,因此,出油温度要设的高一些.用于输油管道伴热热水的供水温度的设定与原油温度设定类似,也取决于室外温度,即td(t)=f(tw),td(t)=f(tw),td(t)为出油或供水温度的设定值(℃);tw为室外温度(℃).3.2.2基于整定条件的风-机算法-以某出油和供水温度的调节主要依靠天然气电动调节阀来完成.由于整个系统的采集与控制运用了一台工业控制计算机,所以控制器采用积分、微分分离的数字PID控制算法,可用下式表示uk=Kp[ek+TTI∑i=1kNiei+MTDT(ek−ek−1)],uk=Κp[ek+ΤΤΙ∑i=1kΝiei+ΜΤDΤ(ek-ek-1)],其中:N={10,,|ei|≤θ,|ei|＞θ,M={10,,|ek|≤β,|ek|＞β.其中:Ν={10,,|ei|≤θ,|ei|＞θ,Μ={10,,|ek|≤β,|ek|＞β.θ、β为预定的门限值,取θ=5℃,β=2℃.实践证明,该算法在不降低稳态精度的要求下,改善了系统的动态特性品质.将该加热锅炉近似看作带有延迟的一阶系统,则Kp、TI、TD由Ziegler-Nichols整定经验公式确定,见表2及图5.通过实验测取对象模型的阶跃响应,则可得到图5所示的输出曲线,通过图5可以得到a,L与T的值.为了保证锅炉工作在最优工况,过剩空气系数α的值应该在1.05～1.15之间,阀门开度和二次风门开度满足如下关系:ufen=f(uk).ufen=f(uk).式中:ufen为二次风门开度;uk为天然气调节阀开度.因此,二次风门调节机构的控制采用了随动的控制方式,通过实验找到风门与阀门的关系f,从而得到二次风门调节机构的调节量如图6所示.3.3d/a转换电路数字PID控制器同样做成DLL,输入参数为:比例系数、积分常数、微分常数、偏差、积分分离门限值、微分分离门限值、控制周期及控制方式选择.控制方式选择,即选择PI、PD抑或PID控制方式.输出参数为阀门和风门的调节量.由于两台加热炉的功用不同,各项系数,控制周期以及积分和微分清零的时间不相同,因此为两台加热炉分别做了DLL,从而实现两台锅炉的单独控制.将数据采集系统采上来的出油温度和供水温度与设定的出油温度和供水温度相比较,得出偏差送入DLL,输出为燃气阀门和二次风门的调节量,经D/A转换为0～5V电压信号送给手操器,从而控制执行机构.D/A输出选用研华PCL-726卡,该卡具有12位输出精度,6路输出通道及16路I/O通道,输出信号为0～5V,0～10V,4～20mA可选.程序设计中,该卡的D/A转换输出功能同样做成DLL,函数的输入参数为:板基地址、输出通道号和输出量.DLL中为了实现对PCL-726D/A端口的写操作,同样使用了在C++Builder中内嵌汇编语言的方法,例如,对端口两个字节的写操作的子程序如下:PCL-726与负载的连接见图7.当加热炉出现意外熄火时,程序应给出报警信号.意外熄火信号是一个开关量,经由I/O通道送入工控机.PCL-726带有16路的I/O通道,在该工程中,由于只有两台加热炉,因此只用到了其中的两路,接线图如图8所示.程序设计中,将熄火报警也做成了DLL,对PCL-726I/O端口的读操作,采用与A/D转换相同的函数:byte__stdcallReadPortb(__int16PortAddr).输入为地址,输出为一个字节的整数.返回值为1时,即高电压表明工作正常;当返回值是0时,即低电压表明出现意外熄火.用低八位的0位和1位的数值表示两台锅炉的工作状况.因此,当返回的值是3时,表明两台加热炉工作正常;当返回值是0时,表明两台加热炉均意外熄火;当返回值是1时,表明2号炉意外熄火;当返回值是2时,表明1号炉意外熄火.当程序发现意外情况后,将在主界面上给出报警信息提示窗.由图1右图可知,当出现意外熄火时,紧急切断阀切断的是燃气的总管,因此在程序中得到意外熄火信号后,不管是上述三种情况的那一种,都将停止对两台加热炉的控制输出,保持阀门和风门的原有开度.4改造后的加热锅炉燃烧效率表3数据是在相同的供回水温差以及相同流量的稳定状态下得出