论文题目: 长输原油管道加热炉自动控制技术的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 控制科学与工程
作者: 黄翼虎
导师: 周泽魁
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
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 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
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 研究课题背景简介
1.2.1 工程背景
1.2.2 加热炉一般特征描述
1.2.3 加热炉运行要求
1.2.4 加热炉存在的问题
1.2.5 研究课题的提出
1.3 主要研究内容
第二章 管道加热炉综述
2.1 长输管道技术的发展
2.2 管道加热炉发展历程
2.3 直接炉和热媒炉优缺点
2.4 加热炉自动控制系统发展展望
2.4.1 控制系统网络化
2.4.2 故障诊断能力
2.4.3 容错控制能力
2.4.4 系统分析能力
2.4.5 多领域先进技术融合
2.4.6 控制系统智能化
2.4.7 系统风险评估能力
2.5 加热炉系统简介
2.5.1 加热炉工艺
2.5.2 加热炉采集参数
2.6 小结
第三章 基于模糊理论的加热炉故障诊断和容错设计
3.1 引言
3.2 故障诊断和容错控制综述
3.2.1 经典容错控制方法
3.2.2 鲁棒容错控制
3.2.3 非线性系统的故障诊断和容错控制
3.2.4 容错控制理论的应用成果
3.2.5 展望
3.3 模糊控制综述
3.3.1 非模糊化方法
3.3.2 常见模糊逻辑系统
3.4 系统分析
3.4.1 系统存在问题
3.4.2 设计目的
3.4.3 设计依据
3.5 模糊观测器设计
3.5.1 模糊化接口(Fuzzy interface)
3.5.2 数据库(DB—Data Base)
3.5.3 模糊观测器规则(Rule)
3.5.4 推理和解模糊接口(Inference and Defuzzy-interface)
3.6 模糊观测器鲁棒性
3.7 多传感器故障诊断和管理模块
3.7.1 故障诊断系统实现
3.7.2 安全性和容错能力
3.8 小结
第四章 原油出炉温度精确测量的研究
4.1 引言
4.2 多传感器融合技术综述
4.2.1 数据融合的层次
4.2.2 融合系统的模型结构
4.2.3 多传感器融合算法
4.3 原油出炉温度融合算法
4.3.1 基于数理统计的多传感器融合
4.3.2 影响原油出炉温度精确测量的其他因素
4.3.3 原油出炉温度融合
4.3.4 单侧原油出炉温度融合
4.3.5 试验数据分析和结论
4.4 原油出炉温度融合模块
4.4.1 原油温度融合模块实现步骤
4.4.2 系统平稳性
4.5 小结
第五章 基于Elman网络的含氧量软测量
5.1 引言
5.2 神经网络综述
5.2.1 神经网络发展历程
5.2.2 神经网络的特点
5.2.3 人工神经网络的应用
5.2.4 人工神经网络的发展前景
5.3 加热炉燃烧机理分析
5.4 Elman回归神经网络模型
5.5 加热炉烟道含氧量模型
5.5.1 神经网络输入、输出参数选择
5.5.2 输入变量的确定
5.5.3 烟道含氧量模型
5.6 含氧量模型修正
5.6.1 滞后时间确定
5.7 试验情况和分析
5.8 小结
第六章 管道泄漏检测的研究
6.1 引言
6.2 管道检漏技术的概述
6.2.1 放射物检测法
6.2.2 示踪剂检测法
6.2.3 声波检测法
6.2.4 负压波检测法
6.2.5 管内智能爬机
6.2.6 质量平衡法
6.2.7 管道瞬变模型法
6.2.8 统计决策法
6.2.9 地面回接检测方法
6.3 SCADA系统的结构：
6.4 负压力波法泄漏检测设计
6.4.1 负压力波法泄漏检测原理
6.4.2 模式识别法辨识
6.4.3 管道泄漏距离定位
6.5 管道实时瞬变模型法
6.6 管道泄漏检测的实现
6.6.1 管道动态仿真软件
6.6.2 泄漏检测实现流程
6.6.3 其他作用
6.7 小结
第七章 加热炉雾化风优化控制
7.1 加热炉控制系统
7.1.1 开关量控制
7.1.2 模拟量控制
7.2 空压机自动控制系统设计
7.2.1 燃油雾化燃烧原理
7.2.2 系统存在的问题
7.2.3 系统描述
7.2.4 控制方法
7.2.5 试验数据与分析
7.2.6 控制的实现
7.3 小结
第八章 结论与展望
8.1 论文工作总结
8.2 工作展望
参考文献
攻读博士学位期间完成的工作业绩
作者简介
致谢
发布时间: 2005-04-15
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