石油开采高压注汽燃煤锅炉控制仿真与监控系统设计

石油开采高压注汽燃煤锅炉控制仿真与监控系统设计

论文摘要

石油开采需要在重油层中注入适当干度的高压蒸汽进行原油开采,生产高压蒸汽的注汽锅炉一般采用原油或天然气作为燃料,但是以原油和天然气为燃料成本比较高,所以很多油田都采用以煤代油的方式,开发了不同种类的燃煤锅炉生产高压蒸汽,进而降低成本。燃煤锅炉数量在国内工业锅炉仍然占有很大的比例。锅炉燃烧具有非线性、参数不稳定、难以建立精确数学模型的特性,从而导致锅炉燃烧过程控制困难,效率较低,造成很大的能源浪费。因此,提高锅炉燃烧效率问题一直被工程技术人员和学者们关注。针对燃煤锅炉控制中的诸多不确定因素,采用传统的PID控制,效果不佳。寻求一种新的控制方法是十分必要的。本文对燃煤锅炉的控制系统进行了研究,将锅炉的控制系统解耦合成三个控制回路,即汽包水位控制回路、蒸汽压力控制回路和炉膛负压控制回路。并结合了模糊控制理论和神经网络理论,提出了带补偿的模糊神经网络的算法,对这三个控制回路进行了补偿模糊神经网络控制器设计。并应用MATLAB对各个控制回路进行仿真研究,同时,对三个控制回路也采用了传统的PID控制方法对系统进行了仿真,证实了补偿模糊神经网络算法的优越性。燃煤锅炉的监控系统采用上、下位机分层结构,上位机采用工控机,供工程师、厂长观察监控锅炉运行状况,下位机采用PLC实现现场实时数据采集,编程软件采用组态软件WinCC(windows control center),并采用Delphi扩展了数据归档、查询和打印功能,对锅炉重要参数实行在线监控,实现良好的人机交互界面,便于浏览锅炉运行,还设计了锅炉监控系统的硬件。本文所研究带补偿的模糊神经网络算法,通过对锅炉各控制环节的仿真比较得知,带补偿模糊神经网络控制器克服了常规PID控制器的缺点,使控制系统具有较强的鲁棒性和自适应性,学习速度快,适于在线学习控制,适用于锅炉控制系统。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第1章 前言
  • 1.1 课题的背景和研究的意义
  • 1.2 燃煤锅炉控制系统的国内外发展状况与前景
  • 1.3 燃煤锅炉在线监测技术的应用与发展
  • 1.4 论文研究的主要内容
  • 第2章 注汽燃煤锅炉自动控制系统分析
  • 2.1 注汽燃煤锅炉工艺流程简介
  • 2.2 燃煤锅炉自动控制任务及可控性分析
  • 2.2.1 燃煤锅炉自动控制任务
  • 2.2.2 系统可控性分析
  • 2.3 燃煤锅炉自动控制系统控制回路特性分析
  • 2.3.1 汽包水位控制回路分析
  • 2.3.2 蒸汽压力控制回路分析
  • 2.3.3 烟气含氧量和炉膛负压回路分析
  • 2.4 锅炉自动控制系统控制方案
  • 第3章 模糊神经网络控制
  • 3.1 模糊神经网络(FNN)控制理论概述
  • 3.2 模糊神经网络技术的发展动向
  • 3.2.1 FNN理论的研究方向
  • 3.2.2 模糊神经网络的国内外应用现状
  • 3.3 带补偿的模糊神经网络
  • 3.3.1 模糊神经元的分类
  • 3.3.2 补偿模糊神经网络的结构与算法
  • 3.4 基于补偿模糊神经网络的自适应控制器
  • 3.4.1 补偿模糊神经网络控制器的结构
  • 3.4.2 补偿模糊神经网络控制系统的优点
  • 第4章 燃煤锅炉控制器的设计与仿真
  • 4.1 汽包水位控制器的设计
  • 4.1.1 汽包水位的动态特性
  • 4.1.2 汽包水位补偿模糊神经网络控制器的设计
  • 4.2 蒸汽压力补偿模糊神经网络控制器的设计
  • 4.3 炉膛负压补偿模糊神经网络控制器的设计
  • 4.4 锅炉控制系统的仿真
  • 4.4.1 仿真工具介绍
  • 4.4.2 汽包水位控制系统的仿真
  • 4.4.3 蒸汽压力控制系统的仿真
  • 4.4.4 炉膛负压控制系统的仿真
  • 第5章 燃煤锅炉监控系统的硬件组成
  • 5.1 锅炉监控系统的I/O信号点数及硬件选择
  • 5.2 锅炉监控系统的硬件介绍
  • 5.2.1 系统构成与特点
  • 5.2.2 模块介绍
  • 5.3 控制柜的布置与供电线路的设计
  • 5.3.1 控制柜平面布置
  • 5.3.2 监控系统的供电线路
  • 5.4 仪表的选择
  • 第6章 燃煤锅炉监控系统的软件设计
  • 6.1 WinCC组态软件介绍
  • 6.2 监控系统的功能概述
  • 6.3 WinCC组态软件的功能及控制效果
  • 6.4 CAN总线技术规范及通信软件设计
  • 6.4.1 CAN总线的技术规范
  • 6.4.2 CAN总线通信软件的实现
  • 第7章 结论与展望
  • 参考文献
  • 致谢
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