氣田鍋爐節(jié)能監(jiān)測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

劉洪霞

中國石化中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心　（河南　濮陽　457001）

鍋爐是氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的主要用能設(shè)備，通過節(jié)能監(jiān)測對其能耗狀況進(jìn)行分析評價(jià)，采取節(jié)能技術(shù)措施，有利于提高節(jié)能管理水平，促進(jìn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步。2010年以前工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測評價(jià)依據(jù)GB/T 15317—1994《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》，但此標(biāo)準(zhǔn)在2009年修訂后為GB/T 15317—2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測》，僅適用于燃煤工業(yè)鍋爐，未對燃?xì)忮仩t規(guī)定評價(jià)方法。由于缺乏相關(guān)的監(jiān)測評價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制約了氣田生產(chǎn)企業(yè)在用鍋爐節(jié)能監(jiān)測工作的開展。

1　氣田鍋爐節(jié)能監(jiān)測評價(jià)方法研究

1.1　確定評價(jià)項(xiàng)目

GB/T 15317—2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測》規(guī)定燃?xì)忮仩t評價(jià)項(xiàng)目為熱效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐外表面溫度[1]；GB/T 17954—2007《工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》規(guī)定燃?xì)忮仩t評價(jià)項(xiàng)目為熱效率、排煙溫度、空氣系數(shù)[2]。確定氣田用鍋爐評價(jià)項(xiàng)目為熱效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體表面溫度。

1.2　鍋爐效率的理論分析

按照GB/T 10180—2003規(guī)定的測試方法進(jìn)行，測出鍋爐的各項(xiàng)熱損失[3]，即可按照反平衡方法計(jì)算出鍋爐效率：

式中：q1為鍋爐熱效率，%；q2為排煙熱損失，%；q3為氣體不完全燃燒熱損失，%；q4為未完全燃燒熱損失，%；q5為散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%。由于分析的是氣田鍋爐，燃料為天然氣，因此，q4可忽略，近似為 0；q6為 0。

1）排煙熱損失 q2：

式中：Kq4為修正系數(shù)，%；Qr為輸入熱量，kJ/m3；Hpy為排煙處煙氣焓，kJ/m3；Hlk為入爐冷空氣焓，kJ/m3。

2）氣體不完全燃燒熱損失q3：

式中：Vgy為排煙處煙氣體積，m3/kg；CO′、H2′、CmHn′為排煙處CO、H2、CmHn的百分?jǐn)?shù)，%。

3）散熱損失 q5：

式中：F為鍋爐散熱表面積，m2；B為燃料消耗量，m3/h。

1.3　確定評價(jià)分類因子

依據(jù)以上的理論分析，可以確定影響鍋爐的因素有：空氣系數(shù)、一氧化碳含量、排煙溫度、環(huán)境溫度、爐側(cè)表面溫度、爐頂表面溫度。對于一氧化碳含量，由于其單位是ppm，其值非常小，對效率影響不大；但由于其值的變化范圍較大，導(dǎo)致后續(xù)分析的不準(zhǔn)確，因此舍去一氧化碳含量這一因素。

根據(jù)測試實(shí)踐，影響天然氣鍋爐運(yùn)行指標(biāo)的客觀因素主要有鍋爐額定蒸發(fā)量、負(fù)荷率等。

1.3.1不同額定功率條件下鍋爐的熱效率

2012—2013年收集了氣田生產(chǎn)系統(tǒng)50臺次的鍋爐節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)，在鍋爐運(yùn)行負(fù)荷相近的情況下，對不同額定功率鍋爐的熱效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　不同額定功率下熱效率統(tǒng)計(jì)表

1.3.2負(fù)荷率對鍋爐熱效率的影響

在相同額定功率情況下，對不同負(fù)荷率鍋爐的熱效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2　相同額定功率、不同負(fù)荷率下熱效率統(tǒng)計(jì)表

鍋爐熱效率與額定功率、負(fù)荷率顯性相關(guān)。熱效率隨額定功率與負(fù)荷率的增大而增大。

對所有氣田測試的28臺鍋爐數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。通過分析發(fā)現(xiàn)將其聚成2類，能夠很好地反映出數(shù)據(jù)的異常。具體的分類結(jié)果見表3。

表3　聚類分析結(jié)果表

由表3可以看出，此次分類是以鍋爐的額定功率為基準(zhǔn)劃分的。第一類只有3臺，比較少，因此決定分析第二類數(shù)據(jù)，之后再對第一類數(shù)據(jù)進(jìn)行延伸。對第二類鍋爐的各項(xiàng)因素進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果見表4。

1）統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果：鍋爐熱效率與額定功率、負(fù)荷率顯性相關(guān)。

2）聚類分析鍋爐效率的結(jié)果：分類可以額定功率為基準(zhǔn)進(jìn)行劃分。

3）灰關(guān)聯(lián)的結(jié)果：鍋爐熱效率影響因子共6項(xiàng)，排煙溫度、負(fù)荷率、爐頂表面溫度、爐側(cè)表面溫度、空氣系數(shù)和額定功率。

綜合以上結(jié)果，考慮排煙溫度、爐頂表面溫度、爐側(cè)表面溫度、空氣系數(shù)在熱效率計(jì)算中已包含，因此確定分類因子為額定功率和負(fù)荷率。

表4　各影響因素與鍋爐效率的灰色關(guān)聯(lián)度排序　ρ=0.05

2　評價(jià)指標(biāo)

2.1　熱效率

鍋爐熱效率評價(jià)指標(biāo)根據(jù)統(tǒng)計(jì)測試的鍋爐熱效率[4-5]計(jì)算結(jié)果，得出燃?xì)忮仩t熱效率評價(jià)指標(biāo)。

1）共統(tǒng)計(jì)分析10臺負(fù)荷率在20%~40%、額定功率2.8 MW的鍋爐。熱效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5　額定蒸發(fā)量2.8 MW的鍋爐熱效率統(tǒng)計(jì)表

若按70%合格為限定值，30%合格為節(jié)能評價(jià)值，限定值為78.3%，節(jié)能評價(jià)值為80.4%，評價(jià)值取整數(shù)，確定額定蒸發(fā)量2.8 MW的燃?xì)忮仩t在負(fù)荷率為20%~40%時(shí)的熱效率合格指標(biāo)為78%。

2）統(tǒng)計(jì)10臺額定蒸發(fā)量為7 MW的燃?xì)忮仩t，平均負(fù)荷率為64.1%。額定蒸發(fā)量7 MW的鍋爐熱效率測試結(jié)果匯總見表6。

若按70%合格為限定值，30%合格為節(jié)能評價(jià)值，限定值為87.9%，節(jié)能評價(jià)值為89.6%，評價(jià)指標(biāo)取整數(shù)，確定額定蒸發(fā)量7 MW的燃?xì)忮仩t在負(fù)荷率為≥60%時(shí)的熱效率限定值為88%，節(jié)能評價(jià)值為90%。

表6　額定蒸發(fā)量7.0 MW的鍋爐熱效率匯總表

其他額定功率范圍的鍋爐有負(fù)荷率的數(shù)據(jù)較少，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不具代表性，其評價(jià)指標(biāo)參照GB/T 15317—2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測》的5.1熱效率合格指標(biāo)的階梯性來確定[1]。最終確定的熱效率評價(jià)指標(biāo)見表7。

2.2　排煙溫度

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的鍋爐排煙溫度測試結(jié)果[6]，得出燃?xì)忮仩t排煙溫度評價(jià)指標(biāo)。

1）共統(tǒng)計(jì)分析18臺額定功率2.8 MW燃?xì)忮仩t，排煙溫度測試結(jié)果匯總見表8。按照70%設(shè)備合格率的原則，確定額定功率2.8 MW的燃?xì)忮仩t排煙溫度合格指標(biāo)為200℃。

2）共統(tǒng)計(jì)分析10臺額定功率4.2 MW燃?xì)忮仩t，排煙溫度測試結(jié)果匯總見表9。按照70%設(shè)備合格率的原則，取整后確定額定功率4.2 MW的燃?xì)忮仩t排煙溫度合格指標(biāo)為180℃。

表7　熱效率合格指標(biāo)

表8　額定蒸發(fā)量2.8 MW的鍋爐排煙溫度指標(biāo)匯總表

3）共統(tǒng)計(jì)分析18臺額定功率7.0 MW燃?xì)忮仩t，排煙溫度測試結(jié)果匯總見表10。按照70%設(shè)備合格率的原則，取整數(shù)后確定額定功率7.0 MW的燃?xì)忮仩t排煙溫度合格指標(biāo)為130℃。

與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限定值對比：GB/T 17954—2007《工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》的6.2規(guī)定排煙溫度合格指標(biāo)＜160℃。按設(shè)備70%合格率，以上結(jié)論中額定功率7.0 MW符合國標(biāo)規(guī)定的合格指標(biāo)，其他不符合國標(biāo)規(guī)定的合格指標(biāo)，遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求不能低于國家標(biāo)準(zhǔn)的原則，確定燃?xì)忮仩t排煙溫度合格指標(biāo)≤160℃。

表9　額定蒸發(fā)量4.2 MW的鍋爐排煙溫度指標(biāo)匯總表

表10　額定蒸發(fā)量7.0 MW的鍋爐排煙溫度指標(biāo)匯總表

2.3　空氣系數(shù)

鍋爐空氣系數(shù)評價(jià)指標(biāo)根據(jù)統(tǒng)計(jì)測試的鍋爐空氣系數(shù)計(jì)算結(jié)果，得出燃?xì)忮仩t空氣系數(shù)評價(jià)指標(biāo)。

1）額定功率2.8 MW的鍋爐空氣系數(shù)測試結(jié)果匯總見表11。

表11　額定蒸發(fā)量2.8 MW的鍋爐空氣系數(shù)匯總表

共統(tǒng)計(jì)分析18臺額定功率2.8 MW燃?xì)忮仩t。按照70%設(shè)備合格率的原則，取整后確定額定功率2.8 MW的燃?xì)忮仩t空氣系數(shù)合格指標(biāo)為2.2。

2）額定功率4.2 MW的鍋爐空氣系數(shù)測試結(jié)果匯總見表12。

共統(tǒng)計(jì)分析10臺額定功率4.2 MW燃?xì)忮仩t。按照70%設(shè)備合格率的原則，取整確定額定功率4.2 MW的燃?xì)忮仩t空氣系數(shù)合格指標(biāo)為2.0。

3）額定功率7.0 MW的鍋爐空氣系數(shù)測試結(jié)果匯總見表13。

共統(tǒng)計(jì)分析18臺額定功率7.0 MW燃?xì)忮仩t。按照70%設(shè)備合格率的原則，取整后確定額定功率7.0 MW的燃?xì)忮仩t空氣系數(shù)合格指標(biāo)為1.9。

GB/T 17954—2007《工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》6.4中規(guī)定燃?xì)忮仩t空氣系數(shù)合格指標(biāo)為＜1.2，GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》4.6.2中規(guī)定額定功率≥1.4 MW，燃?xì)忮仩t空氣系數(shù)合格指標(biāo)為≤1.6。按設(shè)備70%合格率，以上結(jié)論中空氣系數(shù)指標(biāo)均低于國標(biāo)規(guī)定的合格指標(biāo)，遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不能低于國家標(biāo)準(zhǔn)的原則，但考慮氣田鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷普遍較低的現(xiàn)狀，低于GB/T 17954—2007《工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》規(guī)定的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，因此氣田鍋爐空氣系數(shù)指標(biāo)參照GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》4.6.2中規(guī)定執(zhí)行，確定空氣系數(shù)合格指標(biāo)≤1.6。

表12　額定蒸發(fā)量4.2 MW的鍋爐空氣系數(shù)匯總表

表13　額定蒸發(fā)量7.0 MW的鍋爐空氣系數(shù)匯總表

2.4　爐體表面溫度

燃?xì)忮仩t與燃煤在保溫結(jié)構(gòu)方面并無差異，因此采用GB/T 15317—2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》的規(guī)定，確定爐體外表面溫度合格指標(biāo)，見表14。

表14　爐體外表面溫度合格指標(biāo)

綜合以上各項(xiàng)，最終確定的評價(jià)指標(biāo)見表15。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

氣田鍋爐節(jié)能監(jiān)測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究制定后，2014年以來先后在中石化氣田現(xiàn)場應(yīng)用12臺次，熱效率達(dá)到節(jié)能評價(jià)值的5臺，占評價(jià)總數(shù)的41.6%；達(dá)到限定值的10臺，占評價(jià)總數(shù)的83.3%。對不合格的2臺鍋爐提出了改進(jìn)配風(fēng)、修復(fù)保溫層等建議，實(shí)施后熱效率均達(dá)到了限定值。

4　結(jié)論與認(rèn)識

1）研究確定的氣田鍋爐節(jié)能評價(jià)方法和節(jié)能評價(jià)指標(biāo)能夠滿足不同類型不同開發(fā)階段氣田節(jié)能測試評價(jià)需要。

表15　鍋爐評價(jià)指標(biāo)

2）氣田鍋爐節(jié)能監(jiān)測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)通過現(xiàn)場測試和應(yīng)用，能夠?yàn)闅馓镥仩t節(jié)能評價(jià)及節(jié)能降耗提供技術(shù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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