油田加热炉能效限定及运行综合评价

孙忠辉李彬李秀娟成庆林

（1.大庆炼化公司聚丙烯厂；2.西南油气田公司重庆气矿江北运销部；3.大庆油田有限责任公司储运销售分公司；4.东北石油大学石油工程学院）

油田加热炉能效限定及运行综合评价

孙忠辉1李彬2李秀娟3成庆林4

（1.大庆炼化公司聚丙烯厂；2.西南油气田公司重庆气矿江北运销部；3.大庆油田有限责任公司储运销售分公司；4.东北石油大学石油工程学院）

在收集各油田加热炉生产及运行数据基础上，引入覆盖率确定不同额定热负荷下加热炉的能效限定值、目标能效限定值、节能评价值，并划分能效等级，为企业生产、加工加热炉产品和认证节能产品提供依据。将基于熵权法的灰色关联分析法应用于加热炉的节能监测，不仅可得到排烟温度、空气系数、炉体表面温度及热效率等各项评价指标的权重，还可定量评价加热炉运行的能耗水平，便于油田企业加强对耗能设备的节能管理。

油田加热炉 能效限定 熵权 灰色关联分析 综合评价

针对能源利用率低、能耗水平高等具体国情，我国引入了能效标准。能效标准制度的有效实施，对减缓电器、工业设备等的能源消耗增长势头，引导市场转换与加强市场竞争，减少环境污染和温室气 体 排 放 等 方 面 ， 具 有 明 显 的 经 济 和 社 会 效 益[1]。节能监测是政府推动能源合理利用的另一项重要手段，为保证节能监测工作的科学化、制度化和规范化，目前不仅统一规定了节能监测需要共同遵守的技术要求，还修订了工业主要专项用能设备节能监测的国家标准。加热炉是油田企业主要耗能设备，是油田节能的主要对象之一。因此，制定油田加热炉能效标准、完善加热炉节能监测体系，不仅能够促进高效、低耗加热炉节能产品的研发，还有助于加强加热炉的实际运行管理，对于提高油田企业用能水平具有重要意义。

1 加热炉效率及其影响因素

加热炉热平衡是其处于正常运行工况下的能量收支平衡，用以明确输入能量的有效利用和损失情况，以便有针对性地提高热效率，减少不必要的能量损失。加热炉热平衡模型如图1所示。

图 中 ， Qin为 被 加 热 介质流进加热 炉 输 入 能量； Qr为外界供给能量； Q2、 Q3、 Q4、 Q5分别为排烟、气体未完全燃烧、固体未完全燃烧及散热导致的能量损失； Qout为被加热介质流 出加热 炉输出能量。

图1 加热炉热平衡模型

由图1，得到加热炉热平衡方程：

直接测量加热炉输入热量和输出的有效利用热量，可计算加热炉正平衡法热效率 η1如下：

还可通过测定各项能量损失来确定效率，此种反平衡法热效率 η2计算公式为

式 中 ， q2、q3、q4、q5分 别 为 排 烟 热 损 失 率 、气体未完全燃烧热损失率、固体未完全燃烧热损失率及散热损失率。

热效率是评价加热炉用能情况的主要指标，过剩空气系数、热负荷、排烟温度等工艺参数对加热炉节能运行则有比较大的影响。以过剩空气系数为例，过剩空气系数过大，降低了炉膛温度，多余的冷空气被加热后增加了排烟热损失 q2；过小则不能保证燃料的完全燃烧，增加气体未完全燃烧热损失 q3和固体未完全燃烧热损失 q4，因此，合理的过 剩 空 气系数应 使 q2+q3+q4之和最 小[2]。

2 加热炉能效限定与能效等级

能效标准是指规定产品能源性能（能源利用率）的 程 序 和 法 规 ， 是 节 能 标 准 的 一 种 形 式[3]。 具有法规性质的能效标准禁止能效值低于最低规定值的产品在市场上销售。引入覆盖率，即达到能效值的产品的台数占产品台数的比例，确定加热炉的能效值。具体而言，加热炉能效限定值宜覆盖被统计产品数的 60%～80%；加热炉目标能效限定值宜覆盖被统计产品数的 30%～60%；加热炉节能评价值宜覆盖被统计产品数的 30%以下。对于个别区间由于统计值分布的不均匀性而不能满足上述要求时，允许有一定偏差。

根据我国石油、管道企业近 3000 台加热炉运行的节能监测数据，统计运行热效率指标的分布情况 ， 见 表1[4]。

表1 加热炉运行热效率统计

表1列出的加热炉平均运行效率是加热炉能效限定值取值的参照依据，加热炉产品各额定热负荷区间的能效限定值应不低于对应的平均运行效率。

经过广泛调研，搜集到国内油田用加热炉生产厂家的产品目录共计 313 种，按照产品额定热负荷，划分出 10个区间，见表1。计算不同额定负荷下，能效限定值、目标能效限定值、节能评价值对统计加热炉产品的覆盖率，并将各项平均值的覆盖率绘在图2中。

由图2可知，平均能效限定值的覆盖率为60.91% ； 平 均 目 标 能 效 限 定 值 的 覆 盖 率 为 46.49% ； 平 均 节 能评 价 值 的 覆 盖率 为 23.24% ， 符合前文提出的指标要求。依据上述不同额定热负荷下能效限定值、目标能效限定值以及节能评价值对加热炉产品的覆盖率分析，确定了加热炉能效等级：1级为加热炉应达到节能评价值的能效等级，是节能产品的门槛； 2级为加热炉应达到目标能效限定值的能效等级，是企业努力的目标； 3级为加热炉应达到能效限定值的能效等级，是合格产品的最低 要 求[5]。

图2 加热炉产品平均能效平均覆盖率

3 加热炉运行的灰色关联综合评价

节能监测是依照国家有关节约能源法律、法规和能源标准，对用能单位的主要耗能设备的能源利用情况进行监督、检查、测试和评价工作。根据标准 SY/T6275—2007 《油 田 生 产 系 统 节 能 监 测 规范》的规定，油田加热炉监测指标包括排烟温度、空气过剩系数、炉体外表面温度、热效率等四项，全部监测项目同时合格可视为“节能监测合格设备”，否则视为“节能监测不合格设备”。显然，各项指标在监测和评价过程中被视为同等重要，然而实际上，它们对加热炉能耗的影响有大有小，彼此之间还相互作用，因此，有必要引入综合评价指标， 全 面 反 映 各项指标 对 加 热 炉 能耗的影 响 程 度[6]。

灰色关联是指事物之间的不确定关联，灰色关联分析旨在基于行为的微观或宏观几何接近，以分析和确定因子间的影响程度或因子对主行为的贡献程度，从而判断出被评价对象的优劣次序，关联度越大，评价结 果 越 优[7-8]。 虽 然 这 种 方 法 克 服 了 传 统数学评价模型方法的不足，然其将评价指标视为同等权重，仍然具有一定的局限性。针对此种情况，引入熵权法，通过度量评价指标体系中指标数据所蕴含的信息量，来确定灰色关联分析各指标的权重，避免了权重计算的主观性，能够对加热炉能效水 平 进 行 科 学 、 客 观 、 合 理 的 综 合 评 价[9]。 基 于 熵权的灰色关联分析结构如图3所示。

图3 基于熵权的灰色关联分析结构图

文献按照图3提出的方法和步骤对某油田 14个单位在用的 800余台加热炉的使用情况进行综合评价。首先对加热炉评价指标体系中的排烟温度、空气系数、炉体表面温度及加热炉效率等指标构造判断矩阵，对原始数据进行无量纲处理，求得各评价指 标 的 熵及熵权 ， 结 果 如 表2 所 示[7]。

表2 加热炉评价指标的熵及熵权

由表2可知，各项评价指标对加热炉的影响并不是一样的，其中权重最大的是炉体表面温度，然后是排烟温度，权重最小的是空气系数与热效率。

在得到各评价指标熵权的基础上，选定排烟温度、空气系数、炉体表面温度及热效率的最佳值，形成加热炉用能评价灰色关联分析的参考序列，可计算单台加热炉运行的关联度。关联度越大，说明与最优值之间相似度越大，加热炉的工况就越好，由此得到油田各下属单位加热炉运行综合评价的优劣 排 序 ，如图4 所示[7]。

图4 油田各单位加热炉关联度

4 结论

1）将达到能效值的产品的台数占产品台数的比例定义为覆盖率，由此可确定不同额定热负荷下油田加热炉的能效限定值、目标能效限定值及节能评价值并划分能效等级，是加热炉生产企业生产加热炉产品和企业用户认证节能产品的依据。

2）将熵权法和灰色关联分析法相结合，在确定炉体外表面温度、排烟温度、空气系数及热效率等各项评价指标权重的基础上，以关联度数值大小为依据，可定量评价加热炉运行的能耗水平，便于企业加强设备的节能管理工作。

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[3]李爱仙.中国超前性能效标准模式探讨[J].节能与环保,2002(11):18-20．

[4]李秀娟.油田加热炉节能运行的综合评价[D].大庆:东北石油大学,2011.

[5]GB24500—2009 工业锅炉能效限定值及能效等级[S]．

[6]刘扬,成庆林,李秀娟.油田加热炉节能运行的综合评价系统开发[J].油气储运,2012,31(4):297-300．

[7]成庆林,李秀娟,吴照云.油田加热炉节能运行的灰色关联综合评价[J].科学技术与工程,2011,11(24):5941-5945．

[8]刘思峰.灰色系统理论及其应用[M].北京:科学出版社, 1999．

[9]王晖,陈丽,陈垦,等.多指标综合评价方法及权重系数的选择[J].广东药学院学报,2007,23(5):583-589．

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.008.010

2013-07-06）

孙忠辉，工程师，2003年毕业于齐齐哈尔大学 （过程装备与控制工程专业），从事聚丙烯设备技术管理工作，地址：黑龙江省大庆炼化公司聚丙烯厂，163411。