1 前言

注汽鍋爐是油田熱采的關鍵設備，它將產生的蒸汽強制送入地下油層，為稠油熱采提供熱源。干度指的是濕飽和蒸汽中所含干飽和蒸汽的質量百分比，它是注汽鍋爐安全運行的重要參數，也是影響重油熱采效果的重要指標。

目前注汽鍋爐上普遍采用PID實現千度調節，然而，由于注汽鍋爐是一種單管直流鍋爐，爐管總長達七百多米，介質流動距離長，同時蒸汽壓力隨著地層壓力的改變而改變，系統具有顯著的時滯、時變特性，所以PID調節通常不夠及時，干度波動較大，容易產生超調，甚至導致系統失穩，其控制效果很不理想。

模糊預測控制是將模糊思想和預測思想相結合而形成的一種新的控制方法，其自身具有預測能力，能夠有效地克服純滯后環節對系統穩定性的影響，并且它不需要建立精確的數學模型，具有很強的適應性，較適合于油田注汽鍋爐的干度控制。針對克拉瑪依油田重油開發公司第一采油廠某注汽站23t/h注汽鍋爐，本文提出一種基于模糊預測技術的干度控制方法。該方法采用模糊預測模型對系統輸出進行預測，并根據預測輸出獲得控制律，同時采用BP算法對模糊預測模型進行優化，其算法簡單、易于實現。實際應用表明，該系統具有比PID更好的控制效果。

2 注汽鍋爐工藝簡介及控制要求

注汽鍋爐系統流程圖見圖1。從水氣流向來看，從水處理來的軟化脫氧水經高壓柱塞泵升壓后被送入爐管，在爐管段，軟化水依次經過對流段、過渡段、輻射段并吸熱蒸發成濕飽和蒸汽。濕飽和蒸汽經汽水分離器分離后其蒸汽部分進人蒸汽管網，而爐水部分經冷卻后作為爐水電導率水樣。從燃料流向來看，從管網來的天然氣經智能旋進流量計計量后被送人油氣兩用燃燒器，并在爐膛中燃燒，為輻射段爐管加熱，燃燒所產生的煙氣經對流段爐管吸熱降溫后排放到大氣中。

在整個注汽過程中，穩定的高干度值不但可以提高原油產量和采收率，而且對油層具有很好的保護作用，有關專家指出蒸汽干度每提高1％可使稠油的采收率提高0.5～1%。實際應用表明，注汽鍋爐出口的蒸汽干度穩定在80%最為理想，太高的干度值將導致大量的鈣鎂離子沉積在爐管中，引起爐管過熱和損壞；干度過低將使油層積水過多，這些水在油層冷卻后將吸收下一輪注人蒸汽的熱量，導致增大注采比、縮短．采油周期、提高采油成本等一系列問題，由此可見蒸汽干度的恒定對系統的穩定、高產和節能具有很大的影響。

3 模糊預測控制系統設計

蒸汽干度受給水流量、天然氣流量、蒸汽出口壓力三者變化共同影響，但在正常情況下，蒸汽出口壓力是一個緩慢變化的過程，給水流量保持定值，此時天然氣流量對蒸汽干度的影響最大。因此本文設計的模糊預測控制系統通過改變燃氣調節閥的閥位百分比來調節天然氣流量，從而達到控制干度的目的。千度的模糊預測控制系統結構如圖2所示，主要由預測模型和模糊控制器兩部分組成。

3.1 模糊預測模型

在某一時刻點k，系統首先根據誤差變量e（k）對模糊模型的參數進行修正、優化，然后模糊預測模型將系統輸出時間序列y（k）, ...,y（k-ny+1）和調節閥閥位輸人時間序列u（k-τ），…，u（k-nu-τ+1）作為輸人，預測未來時刻點的干度值。

3.1.1 結構辨識

將干度實際檢測值的時間序列y（k）,…，y（k-ny+1）及閥位百分比輸出時間序列u（ k-τ），…，u（ k-nu-τ+1）作為模糊預測模型的輸人，ym（k＋1|k）作為模型輸出，構成一個多輸人單輸出的離散系統。

令

式中，為滯后周期數。

則對于一個由M條規則組成的系統，其第l條模糊規則可以表示為：

式中，為模糊集合，為語言變量，l=1，2，...，M。

模糊系統選用帶有乘積推理機、單值模糊器、中心平均解模糊器和高斯隸屬度的模糊系統，根據文獻,其模糊模型結構為：

其中M為模糊規則數量，是固定不變的，輸出模糊子集的中心，輸入模糊子集隸屬度函數的中心，寬度是可調的。

3.1.2 參數優化

模糊預測模型的初始參數的選取采用在線參數選擇方法，并采用誤差反向傳播學習算法對可調參數進行調整，在k時刻模型參數的調整通式為：

式中，α為修正步長，誤差變量e（幻為模糊模型輸出和干度采集值之差的平方，即：

由式（4）和式（5）可得：

求出的偏導，采用式（6）對各參數進行修正。

3.1.3 預測輸出

系統預測采用時間窗口移動技術實現，即通過式（3）得出知（k十1｝k）后，以其為當前已知數據繼續預測ym（k＋2|k）。依此類推，可以得到ym（k＋i|k）。i=2, 3,…，np，np為預測長度。

預測校正輸出值為：

式中，em（k）＝y（k）-知（k|k-1），hi為校正因子，取h1＝1,hi=0.9，1＝2，3，...，np。

3.2 模糊控制器

設ec（ k＋i|k）為第k個控制周期內實際干度值與預測校正輸出之間的偏差，Cc（k+i|k）為ec（ k+i|k）的變化率，即：

其中，ke、kc為量化因子。控制作用增量△u的量化因子為ku。三個量化因子均可以調整，所以對應的基本論域是可變的。誤差、誤差變化率和輸人變量的量化等級均設為〔-4，-3，-2，-1，0, 1，2，3，4]，9個底邊為2的三角形的隸屬度函數分別均勻分布在輸人輸出論域上，采用Zadeh的min-max推理策略進行模糊推理。采用中心平均法進行模糊增量的解模糊處理輸出△u（ k＋i|k）。則k＋1時刻的控制量輸出為：