油田水套爐熱效率評(píng)價(jià)指標(biāo)限值方法研究

徐秀芬白曉彤王東張洪江

（1.東北石油大學(xué)；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司東北油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心）

油田水套爐熱效率評(píng)價(jià)指標(biāo)限值方法研究

徐秀芬1白曉彤1王東2張洪江2

（1.東北石油大學(xué)；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司東北油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心）

油田加熱爐是油田主要的耗能設(shè)備之一，加熱爐的高效運(yùn)行對(duì)油田的節(jié)能降耗工作至關(guān)重要，如何合理評(píng)價(jià)加熱爐的能效情況是加熱爐高效運(yùn)行的前提。以水套爐為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)水套爐分類(lèi)匯總，綜合考慮負(fù)荷率對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響因素，分析比對(duì)兩種劃分效率等級(jí)限值的方法，得到最優(yōu)劃分方法，最終擬合回歸出負(fù)荷率與效率限值的函數(shù)關(guān)系式，進(jìn)而帶入負(fù)荷率即可得到不同負(fù)荷率情況下的效率限值。

水套爐；能效評(píng)價(jià)；熱效率；指標(biāo)限值

隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，以及難動(dòng)用儲(chǔ)量規(guī)模的擴(kuò)大，油田生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗水平逐年上升，油田的節(jié)能減排任務(wù)日益艱巨。加熱爐作為油田的重要耗能設(shè)備之一，其能效水平的高低將直接影響系統(tǒng)的能耗狀況，而如何合理評(píng)價(jià)加熱爐的能效情況是實(shí)現(xiàn)其節(jié)能降耗的前提[1]。因此，以油田生產(chǎn)中的水套爐為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有加熱爐測(cè)試評(píng)價(jià)方法的分析研究，針對(duì)其應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題，提出了一種綜合考慮負(fù)荷率因素的熱效率等級(jí)限值確定方法[2]。同時(shí)，通過(guò)實(shí)例綜合分析了最值法以及覆蓋率法2種不同限值界定方法的優(yōu)劣，最終確定出適用于油田水套爐的熱效率等級(jí)限值界定方法。

1 現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)限值確定方法

加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為熱效率、爐體表面溫度、排煙溫度、排煙處空氣系數(shù)[3]。目前，加熱爐各指標(biāo)限值的確定方法為：在不同的額定功率范圍內(nèi)，引入覆蓋率的概念來(lái)確定加熱爐的評(píng)價(jià)指標(biāo)限定值。覆蓋率就是達(dá)到指標(biāo)限值的產(chǎn)品的臺(tái)數(shù)占在運(yùn)行產(chǎn)品臺(tái)數(shù)的比例。一般情況下選擇加熱爐合格值宜覆蓋被統(tǒng)計(jì)加熱爐產(chǎn)品數(shù)的70%；優(yōu)良值宜覆蓋被統(tǒng)計(jì)加熱爐產(chǎn)品數(shù)的30%[4]。對(duì)于個(gè)別區(qū)間由于統(tǒng)計(jì)值分布的不均勻性而不能滿足上述原則時(shí)，允許有一定偏差。

研究發(fā)現(xiàn)，加熱爐的負(fù)荷率影響熱效率，在一定范圍內(nèi)，加熱爐效率隨著負(fù)荷率的增大而增大[5]。不同的加熱爐類(lèi)型由于其工作原理的不同，也會(huì)對(duì)熱效率產(chǎn)生影響，需要考慮加熱爐類(lèi)型的因素。每個(gè)類(lèi)型分別確定熱效率限值[6]。另外，在原有指標(biāo)體系中，爐體外表面溫度受環(huán)境因素影響，不能直觀地體現(xiàn)加熱爐的散熱損失。因此，需要對(duì)現(xiàn)有加熱爐評(píng)價(jià)方法進(jìn)行完善，考慮以下因素更加合理方便地評(píng)價(jià)加熱爐的能效水平：加熱爐的類(lèi)型因素；加熱爐的負(fù)荷率因素；用環(huán)表溫差來(lái)代替爐體外表面溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 水套爐熱效率限值確定方法

2.1理論方法

2.1.1 分類(lèi)匯總

將水套爐數(shù)據(jù)匯總，按GB 24848—2010《石油工業(yè)用加熱爐能效限定值及能效等級(jí)》中的方法將水套爐按額定功率范圍劃分[7]。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

將匯總后的水套爐測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理。

1）篩選劃分。首先篩選排除排煙溫度和空氣系數(shù)不合格的數(shù)據(jù)，其次將篩選后的數(shù)據(jù)按照負(fù)荷率范圍劃分（負(fù)荷率＜10%、10%～20%、20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%），最后在每個(gè)負(fù)荷率范圍內(nèi)按照效率值降序排列。

2）劃分效率限值等級(jí)。效率限值等級(jí)的劃分方法有2種：

方法1：在每個(gè)負(fù)荷率區(qū)間內(nèi)按照效率值降序排序，一級(jí)限值為效率最小值與（效率最大值-效率最小值）×90%之和；二級(jí)限值為效率最小值與（效率最大值-效率最小值）×80%之和；三級(jí)限值為效率最小值與（效率最大值-效率最小值）×60%之和。這種方法簡(jiǎn)稱(chēng)最值法，具體如公式（1）～公式（3）所示。

式中：η1——此負(fù)荷率范圍內(nèi)一級(jí)熱效率限值；

ηmin——此負(fù)荷率范圍內(nèi)熱效率的最小值；

ηmax——此負(fù)荷率范圍內(nèi)熱效率的最大值；

η2——此負(fù)荷率范圍內(nèi)二級(jí)熱效率限值；

η3——此負(fù)荷率范圍內(nèi)三級(jí)熱效率限值。

方法2：在每個(gè)負(fù)荷率期間內(nèi)按照熱效率值降序排序，一級(jí)限值為樣本總數(shù)前10%的效率值；二級(jí)限值為樣本總數(shù)前20%的效率值；三級(jí)限值為樣本總數(shù)前60%的效率值。這種方法簡(jiǎn)稱(chēng)覆蓋率法。

3）限值擬合。通過(guò)上述2種方法，統(tǒng)計(jì)計(jì)算出每一負(fù)荷率范圍內(nèi)的一、二、三級(jí)熱效率限值。同時(shí)，采用數(shù)學(xué)方法回歸擬合出一、二、三級(jí)效率限值與負(fù)荷率的函數(shù)關(guān)系，具體如表1所示。

表1 ××額定功率范圍水套爐一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)效率限值

對(duì)于不同功率范圍的加熱爐，效率一、二、三級(jí)指標(biāo)限值是負(fù)荷率的函數(shù)。表2給出某功率范圍的水套爐運(yùn)行效率指標(biāo)一、二、三級(jí)限值，這些限值是負(fù)荷率的函數(shù)，代入具體的負(fù)荷率，即可得到該負(fù)荷率下的熱效率限值。

2.2熱效率限值等級(jí)劃分方法對(duì)比

在水套爐熱效率評(píng)價(jià)指標(biāo)限值理論方法中，劃分效率限值等級(jí)有2種方法，下面用實(shí)例具體分析比較2種劃分方法，選出最優(yōu)方法，得到水套爐熱效率評(píng)價(jià)指標(biāo)限值。

2.2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

以油田加熱爐數(shù)量最多的水套爐為例。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，共計(jì)對(duì)483臺(tái)水套爐按其功率范圍進(jìn)行了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)匯總，具體情況見(jiàn)表2。

表2 水套爐現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況

由表2測(cè)試數(shù)據(jù)的分布及匯總情況可知，在200 kW≤P＜500 kW以及500 kW≤P＜1000 kW 2個(gè)功率范圍內(nèi)的加熱爐測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)較多。因此，主要以該2組測(cè)試數(shù)據(jù)為例進(jìn)行相關(guān)的實(shí)例計(jì)算和分析。

在具體的分析過(guò)程中，主要根據(jù)相應(yīng)功率范圍內(nèi)水套爐測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)情況，分別采用最值法和覆蓋率法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到相應(yīng)的水套爐熱效率限值的統(tǒng)計(jì)及擬合結(jié)果匯總情況。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行2種方法擬合效果的對(duì)比分析，最終確定適用于水套爐的效率限值劃分方法。

2.2.2 實(shí)例1

主要以200 kW≤P＜500 kW功率范圍內(nèi)水套爐為分析對(duì)象，因?qū)嶋H測(cè)試數(shù)據(jù)較多，在此僅列出負(fù)荷率為80%～90%的水套爐（200 kW≤P＜500 kW）數(shù)據(jù)匯總情況（表3）。

表3 負(fù)荷率80%～90%水套爐數(shù)據(jù)（200 kW≤P＜500 kW）

1）最值法數(shù)據(jù)擬合分析。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，采用最值法劃分效率限值，得到了相應(yīng)的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖1）。

圖1 水套爐熱效率限值擬合效果（200 kW≤P＜500 kW）

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析計(jì)算了相應(yīng)擬合數(shù)值的誤差率，具體統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表4。

表4 水套爐200 kW≤P＜500 kW熱效率限值擬合計(jì)算匯總

2）覆蓋率法數(shù)據(jù)擬合分析。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，采用覆蓋率法劃分效率限值，得到了相應(yīng)的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖2）。

圖2 水套爐熱效率限值擬合效果（200kW≤P＜500kW）

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析計(jì)算了相應(yīng)擬合數(shù)值的誤差率，具體統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表5。

表5 水套爐（200 kW≤P＜500 kW）熱效率限值擬合計(jì)算匯總

2.2.3 實(shí)例2

主要以500 kW≤P＜1000 kW功率范圍內(nèi)水套爐為分析對(duì)象，在此同樣進(jìn)行了最值法、覆蓋率法2種方法的對(duì)比分析。

1）最值法數(shù)據(jù)擬合分析。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，同樣首先采用最值法劃分效率等級(jí)限值，得到了相應(yīng)的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖3）。并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析計(jì)算了相應(yīng)擬合數(shù)值的誤差率（表6）。

圖3 水套爐熱效率限值擬合效果（500 kW≤P＜1000 kW）

表6 水套爐500 kW≤P＜1000 kW熱效率限值擬合計(jì)算匯總

2）覆蓋率法數(shù)據(jù)擬合分析。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，采用覆蓋率法劃分效率等級(jí)限值，得到了相應(yīng)的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖4）。并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析計(jì)算了相應(yīng)擬合數(shù)值的誤差率（表7）。

圖4 水套爐熱效率限值擬合效果（500 kW≤P＜1000 kW）

2.3對(duì)比分析結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)例1、實(shí)例2的分析，同時(shí)結(jié)合圖1～圖4中擬合曲線、擬合公式以及表4～表7誤差率的統(tǒng)計(jì)情況，對(duì)2個(gè)實(shí)例的2種劃分效率等級(jí)限值方法的優(yōu)劣進(jìn)行了對(duì)比分析。主要從合理性以及相似性2個(gè)方面進(jìn)行分析。

1）合理性。合理性是指效率等級(jí)限值確定的科學(xué)、合理，主要體現(xiàn)在各個(gè)等級(jí)（一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)）限值應(yīng)分明，不存在相互交叉或越級(jí)的情況。由上述2組實(shí)例的擬合效果可以看出，最值法得到的擬合曲線一、二、三級(jí)效率限值界限分明、無(wú)重合，且限值一級(jí)＞二級(jí)＞三級(jí)。而由實(shí)例1中覆蓋率法得到的擬合曲線（圖2）可以看出，當(dāng)負(fù)荷率大于90%時(shí)，二級(jí)限值大于一級(jí)限值；同樣，由實(shí)例2中覆蓋率法得到的擬合曲線（圖4）可以看出，當(dāng)負(fù)荷率大于80%時(shí)，也發(fā)生了二級(jí)限值大于一級(jí)限值的情況，這與實(shí)際情況不符，因此，覆蓋率法存在不合理情況。

2）相似性。相似性是指擬合得到的各級(jí)別效率限值及其變化曲線與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性程度高低，主要體現(xiàn)在擬合結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的誤差率大小。為了進(jìn)一步分析說(shuō)明，在上述2個(gè)實(shí)例擬合結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)2種方法的擬合誤差率進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，具體見(jiàn)表8、表9。

表8 實(shí)例1熱效率限值擬合數(shù)據(jù)誤差分析

表9 實(shí)例2熱效率限值擬合數(shù)據(jù)誤差分析

由表8誤差率的比較可以明顯看出，最值法得到的擬合數(shù)據(jù)的誤差率無(wú)論在最大、最小還是平均（誤差率）都遠(yuǎn)小于覆蓋率法。根據(jù)表9數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可知，最值法雖然在平均誤差率上相對(duì)高于覆蓋率法，但綜合考慮最大、最小誤差率，可以看出最值法仍具有一定的優(yōu)勢(shì)。

綜合上述兩方面的分析可知，采用最值法來(lái)劃分水套爐的效率等級(jí)限值，能夠更真實(shí)地反映和評(píng)判水套爐的實(shí)際運(yùn)行狀況及其效率等級(jí)。

3 熱效率指標(biāo)限值確定

按照水套爐熱效率限值的確定方法，同時(shí)綜合考慮實(shí)例的對(duì)比分析結(jié)果，采用最值法分析計(jì)算得到水套爐各功率范圍內(nèi)效率限值與負(fù)荷率的函數(shù)關(guān)系（表10）。根據(jù)表10相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系即可分析得出在不同功率范圍內(nèi)、不同負(fù)荷率時(shí)水套爐的（一、二、三級(jí)）效率限值。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)的可用數(shù)據(jù)有限，在此僅對(duì)熱效率評(píng)價(jià)指標(biāo)限值的確定提供一種合理有效的方法，根據(jù)這種方法。不僅可以為其他類(lèi)型的加熱爐熱效率評(píng)價(jià)限值的確定提供參考，而且在統(tǒng)計(jì)大量測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)仍可用此方法對(duì)函數(shù)進(jìn)行修正。

表10 水套爐效率限值與負(fù)荷率函數(shù)關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

1）以水套爐為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)水套爐分類(lèi)匯總，綜合考慮負(fù)荷率的影響因素，分析比對(duì)2種劃分效率限值等級(jí)的方法，得到最優(yōu)劃分方法，最終擬合回歸出負(fù)荷率與效率限值的函數(shù)關(guān)系式，進(jìn)而帶入負(fù)荷率即可得到不同負(fù)荷率情況下的效率限值。

2）通過(guò)2個(gè)實(shí)例的應(yīng)用分析可知，最值法能夠較合理地給出水套爐等級(jí)限值劃分方法，相較于傳統(tǒng)的覆蓋率法而言，能夠更真實(shí)地反映和評(píng)判水套爐的實(shí)際運(yùn)行狀況及其效率等級(jí)。

3）所研究的效率限值確定方法也可供其他類(lèi)型（火筒爐、管式爐、相變爐等）的加熱爐參考借鑒，進(jìn)而為加熱爐其他評(píng)價(jià)指標(biāo)（排煙溫度、空氣系數(shù)等）及其整體的能效評(píng)價(jià)方法提供理論基礎(chǔ)。

[1]廖洪波.一種提高油田注汽鍋爐熱效率方法的可行性研究[J].特種油氣藏,2006,13（6）:98-100.

[2]楊良杰,李哲.加熱爐熱效率與負(fù)荷關(guān)系研究[J].石油和化工節(jié)能,2011（6）:4-8.

[3]李振林,張國(guó)文.油田加熱爐的綜合評(píng)價(jià)[J].油氣田地面工程,2006（7）:30-31.

[4]孫忠輝,李彬,李秀娟,等.油田加熱爐能效限定及運(yùn)行綜合評(píng)價(jià)[J].石油石化節(jié)能,2013（8）:21-23.

[5]劉保迎.油田加熱爐運(yùn)行分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督, 2012（6）:24-25.

[6]白曉彤,李明峰,吳麗娜,等.加熱爐負(fù)荷率與能耗關(guān)系研究[J].當(dāng)代化工,2015（8）:1934-1936.

[7]吳照云.石油工業(yè)用加熱爐能效限定值及能效等級(jí)：GB 24848—2010[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出飯社,2010:1-2.

book=1,ebook=4

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.001

2016-03-29

（編輯 李珊梅）

徐秀芬，教授，2005年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)（機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)），從事油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作，E-mail：xuxiufen960605@126.com，地址：黑龍江省大慶市東北石油大學(xué)，163318。