油田加熱爐能效指標(biāo)體系的建立及評價

韓蓓（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

對于油氣集輸系統(tǒng)，加熱爐是最主要耗能設(shè)備，熱能消耗占整個系統(tǒng)的80%～90%[1-2]。因此，對油田加熱爐的能效進(jìn)行分析和研究，找到運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，對節(jié)能減排、提高油田經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

目前已有諸多學(xué)者針對加熱爐能效進(jìn)行了分析[3-4]，成慶林等[5]采用逐步回歸法、主成分分析法和偏最小二乘回歸法對影響加熱爐能效的因素進(jìn)行了分析，并根據(jù)綜合評價結(jié)果確定了影響因素權(quán)重；湯晟等[6]利用熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)法得到了集輸系統(tǒng)中泵和加熱爐的評價結(jié)果，分析了不同季節(jié)下的用能規(guī)律；曹瑩等[7]在分析三級測試加熱爐的能效指標(biāo)和限值的基礎(chǔ)上，開發(fā)了加熱爐能效評價軟件，為加熱爐的數(shù)字化提效奠定了基礎(chǔ)。以上研究在構(gòu)建評價指標(biāo)體系時，未考慮加熱爐系統(tǒng)整體的評價結(jié)果，不能全面反映加熱爐的運(yùn)行情況?；诖耍谑崂碛绊懠訜釥t能效影響因素的基礎(chǔ)上，將CRITIC 法和TOPSIS 法結(jié)合用于評價加熱爐的綜合能效水平，并按照運(yùn)行月份衡量加熱爐的平均能效系數(shù)，實(shí)現(xiàn)加熱爐從局部到整體的能效評價。

1 加熱爐能效影響因素

參照SY/T 6472—2010《油田生產(chǎn)主要能耗定額編制辦法》和GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》的相關(guān)要求，綜合專家和現(xiàn)場操作人員的意見，確定加熱爐在實(shí)際工況中主要受熱效率、過剩空氣系數(shù)、排煙溫度等因素影響[8-10]。

1）熱效率。熱效率反映有效輸出熱量與燃料供給熱量之間的比值，熱效率越大，排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失和表面散熱損失越小，因此熱效率可以作為一個綜合指標(biāo)，反映加熱爐能效利用情況。

2）過?？諝庀禂?shù)。過?？諝庀禂?shù)為燃料燃燒時的實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值，空氣量過大，會產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，降低爐體溫度和能量轉(zhuǎn)換效率，加大排煙熱損失；空氣量過小，會使燃料難以充分燃燒，產(chǎn)生大量CO，加大不完全燃燒的損失情況。

3）排煙溫度。排煙溫度是指從最后一個受熱面出口排出煙氣的溫度，通常采用溫度傳感器測試，在尾端受熱面后1 m 之內(nèi)的煙道內(nèi)布置。排煙溫度與排煙熱損失呈正比，排煙溫度越大，熱效率越低。此外，排煙溫度還會影響加熱爐爐膛和爐管的壽命，在熱應(yīng)力的作用下加速失效進(jìn)程，但排煙溫度也不是越低越好，當(dāng)?shù)陀谒嵝晕镔|(zhì)的露點(diǎn)時，會發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，影響加熱爐壽命。

4）爐膛壓力。當(dāng)爐膛壓力超過標(biāo)準(zhǔn)大氣壓后，會造成燃料氣外泄，使未燃燒完全的燃料和爐膛內(nèi)部的熱量隨著初始動能排出，降低加熱爐運(yùn)行效率，造成資源浪費(fèi)。

5）爐體外表面溫差。加熱爐雖然在站內(nèi)受限空間內(nèi)運(yùn)行，但也受外界環(huán)境溫度的影響，通常夏季外界環(huán)境溫度較高，爐體外表面溫差較小，此時燃料燃燒產(chǎn)生的熱量大部分用于介質(zhì)加熱，運(yùn)行效率較高；同理，冬季時加熱爐的運(yùn)行效率較低。

6）煙氣成分。煙氣成分反映了燃料的完全燃燒程度，雖然煙氣成分與過剩空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)度較高，但并不知道哪種成分是影響加熱爐能效的主控因素，在此只考慮煙氣中的CO2、CO 含量，分別表示完全燃燒和不完全燃燒，使評價模型更加準(zhǔn)確。

2 加熱爐能效評價模型

通過上述分析，確定了加熱爐能效指標(biāo)體系包括熱效率、過?？諝庀禂?shù)、排煙溫度、爐膛壓力、爐體外表面溫差、煙氣CO2含量、煙氣CO 含量等，利用CRITIC-TOPSIS 法對其能效進(jìn)行評價。建模步驟如下：

1）構(gòu)建指標(biāo)矩陣。假設(shè)有m個加熱爐，n個評價指標(biāo)，構(gòu)成評價指標(biāo)矩陣X=()xij m×n（xij為評價指標(biāo)矩陣X中的元素，表示第i個加熱爐的第j個指標(biāo)）。

2）無量綱化處理，對于值越大越好的正向指標(biāo)及對于值越小越好的反向指標(biāo)分別采用公式（1）、（2）處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y=(yij)m×n。

式中：yij為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中的元素；minj、maxj分別為第j個指標(biāo)的最小值和最大值。

4）計算不同指標(biāo)的矛盾性，如兩個指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，則兩者的矛盾性較小[12]，公式為：式中：fj為指標(biāo)j的矛盾值；rij為指標(biāo)i和j的相關(guān)系數(shù)。

5）計算指標(biāo)信息量和權(quán)重wj，公式為：

8）計算各加熱爐與理想運(yùn)行狀態(tài)的相對貼近度si，將相對貼近度定義為能效系數(shù)，公式為：

3 實(shí)例分析

以某油田3 個聯(lián)合站內(nèi)的15 臺加熱爐為例，額定容量涉及580 kW、1 160 kW、1 750 kW、2 330 kW、3 000 kW、3 550 kW 等多個型號，涵蓋油爐和水爐，加熱爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 加熱爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data of heating furnace

對其進(jìn)行能效評價，其中熱效率與能效呈正比，其余參數(shù)與能效呈反比，標(biāo)準(zhǔn)化矩陣見表2。

利用CRITIC 法對得到指標(biāo)權(quán)重，指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果見表3。加熱爐的熱效率除與文中所選的指標(biāo)有關(guān)外，還與燃料物性、操作人員水平及運(yùn)行時長等有關(guān)，變異程度最大，故指標(biāo)信息量也最大；爐體外表面溫差與加熱爐運(yùn)行所處的晝夜、季節(jié)、氣溫、地域等因素相關(guān)，故權(quán)重僅次于熱效率；過剩空氣系數(shù)與電動機(jī)頻率、轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、燃料性質(zhì)等因素相關(guān)，其變化范圍在0.99～4.64，變化幅度較大，故對應(yīng)的權(quán)重也較大；排煙溫度、爐膛壓力、CO2含量、CO 含量的變化幅度較小，其中CO2含量越高、CO 含量越低，加熱爐的熱效率越高，能效越優(yōu)。

表3 指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of index weight

綜上所述，根據(jù)權(quán)重對指標(biāo)進(jìn)行排序，從大到小依次為熱效率、爐體外表面溫差、過剩空氣系數(shù)、排煙溫度、CO2含量、爐膛壓力、CO 含量，評價結(jié)果具有一定的科學(xué)性和合理性，符合客觀實(shí)際情況。此外，對比CRITIC 法、熵權(quán)法和標(biāo)準(zhǔn)離差法，熵權(quán)法和標(biāo)準(zhǔn)離差法分別將排煙溫度、過?？諝庀禂?shù)定為最主要因素，且標(biāo)準(zhǔn)離差法權(quán)重之間的差異較小，CRITIC 法在考慮指標(biāo)變異性的同時，兼顧了指標(biāo)間的相關(guān)性，完全依賴自身數(shù)據(jù)賦權(quán)，其方法優(yōu)于熵權(quán)法和標(biāo)準(zhǔn)離差法。

根據(jù)權(quán)重計算結(jié)果，對表2 進(jìn)行加權(quán)處理，加權(quán)矩陣及正、負(fù)理想運(yùn)行狀態(tài)見表4。

表4 加權(quán)矩陣及正、負(fù)理想運(yùn)行狀態(tài)Tab.4 Weighted matrix and positive and negative ideal running states

最終確定歐氏距離及相對貼近度，加熱爐能效評價結(jié)果見圖1。大部分加熱爐的相對貼近度在0.5～0.7 之 間，只 有4、5、6 號 加 熱 爐 在0.6 以 下，說明這3 臺加熱爐的能效較低，能效低可能與其中一個或多個指標(biāo)相關(guān)。對于6 號加熱爐，熱效率最低為66.06%，且排煙溫度和爐體外表面溫差也較高，導(dǎo)致綜合評價結(jié)果中能效最低；對于5 號加熱爐，其熱效率較低，過剩空氣系數(shù)最高，考慮到這兩種因素的權(quán)重占比最大，故綜合評價結(jié)果中能效較差；對于4 號加熱爐，其排煙溫度、爐膛壓力和CO 含量較大，說明排煙熱損失和氣體不完全燃燒損失較大，熱效率一般，加熱爐能效較低。

圖1 加熱爐能效評價結(jié)果Fig.1 Energy efficiency evaluation results of heating furnace

4 薄弱環(huán)節(jié)改進(jìn)及效果評價

將能效評價模型推廣至全廠135 臺加熱爐，按照運(yùn)行月份衡量加熱爐的平均能效系數(shù)，全年平均能效系數(shù)見圖2。平均能效系數(shù)在1、2、9、10、11、12 月份的時候相對較低，在4～8 月的時候相對較高，呈兩邊低中間高的趨勢，說明冬季是加熱爐用能的薄弱環(huán)節(jié)，這與環(huán)境溫度低、助燃空氣較冷、燃料黏度大、散熱損失大等因素相關(guān)。

圖2 全年平均能效系數(shù)Fig.2 Annual average energy efficiency coefficient

針對加熱爐能效較低的情況進(jìn)行綜合分析，其原因如下：①加熱爐的火嘴在工作中往往采用人工調(diào)節(jié)，且一次調(diào)節(jié)后基本保持開度不變，當(dāng)工況發(fā)生改變時，難以掌握空氣進(jìn)量，空氣系數(shù)每增加0.1，熱效率降低0.5%左右；②部分加熱爐的燃燒器老化，燃燒性能較差，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，煙氣中的氧含量越大，熱效率越低；③煙火管腐蝕和結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致管內(nèi)徑減小，傳熱效果較差，排煙熱損失較大。排煙溫度每升高10 ℃，熱效率降低1%左右。

對于能效系數(shù)較低的加熱爐，提出以下優(yōu)化措施：①對于工況變化較大的加熱爐，重新設(shè)置加熱溫度、空氣流量等控制參數(shù)，防止雜質(zhì)進(jìn)入火嘴，影響熱效率。②檢查燃料氣壓力是否穩(wěn)定，更換自動火嘴，并連接SCADA 系統(tǒng)，用于自動控制燃料和空氣進(jìn)量。③檢查加熱爐運(yùn)行情況，及時進(jìn)行吹灰和清除結(jié)垢產(chǎn)物，保持爐內(nèi)受熱均勻，提高傳熱效果。

通過上述改進(jìn)，得到優(yōu)化后的全年平均能效系數(shù)，全年平均能效系數(shù)見圖2。優(yōu)化后，冬季能效系數(shù)有所上升，全年能效系數(shù)水平從0.71 上升至0.77，增幅顯著，且各月的平均能效系數(shù)走勢變緩，說明優(yōu)化后的加熱爐能效系數(shù)對環(huán)境溫度的敏感性降低。綜合對比優(yōu)化前后的節(jié)氣情況，見表5。1 月份的節(jié)氣量最大為7 962 m3/d，5 月份的節(jié)氣量最小為5 139 m3/d，以天然氣3.5 元/m3核算，每月可節(jié)約53.9 萬元～83.6 萬元，全年可節(jié)約786 萬元，節(jié)能效果顯著。

表5 優(yōu)化前后節(jié)能效果評價Tab.5 Energy conservation effect evaluation before and after optimization

5 結(jié)論

1）在梳理加熱爐能效影響因素的基礎(chǔ)上，建立了基于CRITIC-TOPSIS 法的能效評價模型，該模型克服了以往評價方法的片面性，從全面角度反映加熱爐的實(shí)際運(yùn)行情況，指標(biāo)權(quán)重從大到小依次熱效率、爐體外表面溫差、過?？諝庀禂?shù)、排煙溫度、CO2含量、爐膛壓力、CO 含量，結(jié)果與客觀實(shí)際情況相符。

2）待評價加熱爐的相對貼近度在0.5～0.7 之間，其中4、5、6 號加熱爐因熱效率、爐體外表面溫差和過?？諝庀禂?shù)等參數(shù)不滿足要求，導(dǎo)致能效較低。

3）將此方法應(yīng)用至全廠加熱爐，針對用能薄弱環(huán)節(jié)，提出技改措施，優(yōu)化后，節(jié)能效果顯著。