长输原油管道加热炉自动控制技术的研究

【摘要】：长距离原油管道输送是原油储运的主要方式。管道加热炉也称为管道直接加热炉，它和输油工艺系统、变电所一起，构成长距离原油管道输送系统的三大主要环节。管道加热炉的作用是提高管道原油温度，降低原油粘度。它是管道中原油顺畅输送的重要保证。 由于管道直接加热炉是一个典型大惯性、纯滞后、多变量、复杂时变系统，而且各工艺参数间具有强耦合特性，这些都给加热炉的自动控制带来了很大困难，致使现在的各种管道加热炉系统在运行的平稳性、安全性、高效性等方面都还存在不同程度的缺陷。这些缺陷包括：系统故障诊断、容错能力差；原油出炉温度不准确：加热炉运行存在致命安全性隐患；烟道含氧量测量困难，而且存在严重的滞后现象；燃油燃烧效率低等。如何提高加热炉自动化控制水平和运行性能，不仅具有很好的经济效益，而且有较高的学术研究价值。为此，本文以加热炉为背景，对管道加热炉的自动控制课题进行了一些探索性的研究。 归纳起来，本文的主要工作和创新点表现在以下几个方面。 (1) 管道原油汽化是直接加热炉安全运行的隐患，火焰严重偏烧是引起管道原油汽化的最主要原因之一。本文利用加热炉参数间互含冗余信息的特点，文中首次提出了一个新的模糊推理方法——“冗余选多”法，用于鉴别火焰偏烧程度和实现多传感器的故障诊断和管理，并以此设计出一种基于模糊观测器的故障诊断和容错控制系统。该方法提高了加热炉系统运行的安全性、容错性和鲁棒性。 (2) 原油出炉温度是加热炉自控系统的关键参数。本文针对系统通常采用的算术平均法不能准确反映真实的原油出炉温度这一问题，通过综合温度传感器精度、原油偏流、火焰偏烧等影响原油出炉温度准确测量的因素，设计出一种基于统计的新型双融算法，融合结果的准确性平均可以提高0.5℃。该方法为实现加热炉原油出炉温度精确控制奠定了基础。 对于单侧原油出炉温度传感器故障情况，可以采用多传感器故障诊断和管理模块判断，并以单融算法取代双融算法，融合结果仍然能满足原油出炉温度的准确性要求。该措施可以有效减少加热炉误动作和停炉现象，提高了加热炉运行平 摘要 稳性。 (3)烟道含氧量是加热炉优化燃烧的关键控制参数，其测量设备的寿命短和 大时滞性，严重妨碍了加热炉自动优化运行。针对此问题，文中提出了一种Ellnan 神经网络修正模型的加热炉含氧量软测量方法。该方法采用一种新的神经网络输 入参数分类，在保证模型精度的前提下，实现了输入参数个数简化，满足了实时 性测量的要求;然后采用t(k)时刻的输入参数值结合t(k)+:时刻的烟道含氧量测 量值对Elman神经网络进行学习、训练(r为烟道含氧量滞后时间)，把对烟道 含氧量的软测量变为相当于对炉膛含氧量的测量。试验结果表明，系统动态调节 特性得到了有效改善，燃油燃烧效率有了很大提高。 (4)原油入炉流量的突然下降是可能造成管道原油汽化的原因。文中提出负 压波法和管道动态模拟法相结合的方法，设计出一套基于SCADA系统的原油管道 泄漏检测系统，不仅实现了对原油泄漏时间、泄漏地点、泄漏量在线实时检测， 而且可通过网络化的控制系统，提前停炉来规避原油汽化风险。 (5)燃油燃烧前雾化效果是影响燃油燃烧效率的重要因素。通过试验，文中 提出采用简化的控制策略，根据燃油流量实现雾化压力自动控制，保证了燃油充 分燃烧。 经过几个月的加热炉运行试验，系统未发生一次原油汽化事故，原油出炉温 度波动减少，加热炉的停炉次数大大降低，即使发生停炉，系统也能很好的判断 故障源。经测试，加热炉的效率达到了90%以上，接近它的设计炉效。因此， 通过本文的研究，不仅管道加热炉在平稳性、安全性、高效性三方面都有很大提 高，而且通过多种先进控制技术，综合提高了加热炉的自控技术水平。 文中还首次提出了把沿管道各站的SCADA系统、加热炉系统和变电所系统作 成一个统一整体的思想，通过控制系统网络化，达到更合理配置机泵，优化能耗 的目的。 关键词 加热炉，模糊控制，数据融合，神经网络， 故障诊断和容错，传感器管理