加热炉能效测试评价方法及软件开发

曹莹 张洪江 王占胜 徐秀芬 张贺（.东北石油大学；.中国石油辽河油田分公司）

加热炉、锅炉等热力设备是石油行业的重点耗能设备之一。据统计，目前国内石油炼化行业的加热炉效率平均为90%，国外油气田加热炉的平均运行效率为88%以上。相比于国内外相关行业领域内加热炉的能效水平而言，石油行业内部各油气田企业的加热炉能效水平与国内外先进水平具有较大差距。因此，提高加热炉能效水平并加大对热力设备的能效监测力度，其关键在于确定一种能够合理评价加热炉能效水平的方法。以该评价方法为理论依据，指导现场合理、高效开展加热炉能效评价工作，发现其运行中存在的问题，进而提出相应的措施建议，减少各环节损失，有效提高加热炉效率。

1 加热炉能效测试的分级方法

目前，加热炉的能效测试主要分为3个等级：一级、二级、三级[1]。一级测试主要适用于加热炉产品的鉴定测试；二级测试主要适用于新安装或经大修、改造后、应用节能产品加热炉的验收或对比测试；三级测试主要适用于加热炉的普查和定期检测、监测，以及小额定功率加热炉和井口加热炉等的测试工作。

根据油田实际生产特点及现场对测试的要求，油气田企业每年均定期开展相应的设备监测工作，对于加热炉设备而言，即属于三级测试的范畴，此类工作主要由各油田公司下属的节能监测部门或相关技术机构承担。该文重点研究加热炉能效的三级测试相应的评价指标及其限值和评价方法。

2 加热炉能效评价方法

2.1 现行评价指标和方法

目前，加热炉的能效评价主要依据GB24848—2010《石油工业用加热炉能效限定值及能效等级》、GB/T 314531—2015《油田生产系统节能监测规范》进行。标准中规定加热炉的能效评价指标为4项：效率、排烟温度、空气系数、炉体外表面温度[2-4]。

根据加热炉节能监测工作的开展情况，以及现场大量的实测经验表明，上述标准在应用中主要存在以下两方面问题：

1）个别指标的表征性较差。效率是表征加热炉性能好坏最基本的特征参数；排烟温度、空气系数两者间相互影响和制约，两者的变化都会直接影响加热炉效率的高低，也可作为评判加热炉性能的考量指标；炉体外表面温度与加热炉效率、排烟热损失、气体未完全燃烧热损失等均无直接关系，而散热损失不仅与炉体外表面温度有关，且与环境温度、风速等因素有关，所以仅通过界定炉体外表面温度的高低无法真实表征加热炉的整体能效水平。

2）各项指标的限值（合格/节能限定值/节能评价值）仅按燃料类型、功率范围两方面进行分类汇总，并未考虑负荷率以及加热炉类型对能效的影响。实测统计数据表明，负荷率对效率的影响较大，对于同一台加热炉，负荷率不同，其效率也可能不同，而加热炉的类型不同，用同一种方法确定的效率指标限值也不同。

2.2 评价指标

基于上述存在的问题，结合SY/T 6381—2016《石油工业用加热炉热工测定》中给出的加热炉的能耗测试和计算方法，综合考虑加热炉类型、负荷率、炉体外表面与环境温度的差值等诸多因素，确定了加热炉能效评价指标为4项：效率、排烟温度、空气系数、环境与炉体外表面的温差（简称“环表温差”）。

2.3 指标限值

根据各项指标之间的相互关系以及热效率的影响因素，分析研究4项指标的限值确定方法。

1）热效率。加热炉的效率指标分为3个等级：1级、2级、3级，各等级的指标限值通过统计确定，具体确定方法和步骤如下：按类型、功率范围对加热炉进行分类汇总。加热炉类型包括5种：单火筒炉、多火筒炉、水套炉、管式炉、相变炉。功率范围分为8种：P＜200、200≤P＜500、500≤P ＜1000、 1000≤ P ≤1200、 1200＜P ≤1500、1500＜P ＜2000、 2000≤ P ＜2500、 2500≤ P ≤12000；确定某一类型、某一功率范围的热效率1级、2级、3级的指标限值与负荷率的函数关系。选定某一类型、功率范围的加热炉数据，首先按负荷率R进行筛选，选出负荷率介于20%～100%的数据作为有效分析数据。按负荷率(Rmin～Rmax)由小到大顺序对热效率进行统计，对于任一负荷率，取样本总数前10%的效率值为1级限值、样本总数前20%为2级限值、样本总数前60%为3级限值。具体分析时，采用数理统计方法回归拟合出该类型、功率范围的加热炉1级、2级、3级效率限值与负荷率的函数关系；确定不同类型、不同功率范围的热效率1级、2级、3级指标限值。基于以上步骤，对其它类型、功率范围的数据做同样分析处理，最终确定各类型加热炉在不同功率范围内的热效率1级、2级、3级限值与负荷率的函数关系，见表1。

表1中所给出热效率对应的3个等级限值并不是确定的数值，而是关于负荷率的函数表达式。即对于某一类型、功率范围的加热炉而言，负荷率不同，效率对应3个等级的限值也不同。

表1 某类型加热炉效率限值与负荷率函数关系

2）排烟温度、空气系数、环表温差。对于不同类型加热炉，根据其所属功率范围，分别对3项指标的测试数据按由小到大顺序排列，采用样本总数“前60%合格”原则，确定排烟温度、空气系数、环表温差的合格限值。

2.4 评价方法

加热炉的能效评价以效率为主，同时结合排烟温度、空气系数、环表温差等指标。评价采用百分法，分值分配设置如下：

1）加热炉效率占80分，达到1级效率要求为满分，计80分；达到2级效率要求按90%，计72分；达到3级效率要求按80%，计64分；低于3级，计0分。

2）排烟温度达标计8分，不达标0分。

3）空气系数达标计8分，不达标0分。

4）温差达标计4分，不达标计0分。

5）综合得分为各项指标得分之和。

加热炉的能效评价分为3个级别：I级（100分）、II级（84～99分）和III级（68～83分），分别对应优秀、良好、合格。各级别对应的综合得分。

3 软件开发

为了便于加热炉现场测试评价工作的智能化、高效开展，在上述理论分析研究的基础上，基于VC++软件平台，开发了相应的加热炉能效评价系统。

3.1 软件结构及功能

该软件主要用于评价加热炉的能效水平，并根据评价结果，给出相应的参数优化方案。软件主要包括4大功能模块：测试评价、运行优化、批量评价、简化计算。

1）测试评价。主要功能为对单台加热炉进行能效评价。根据单台加热炉的基础测试数据，计算各项评价指标的具体结果，并与其对应的指标限值比较，给出各项指标的评价结果，进而给出单台加热炉的综合评价结果，即能效评价级别（优秀、良好、合格、不合格）。

2）运行优化。主要功能为对单台加热炉进行运行参数优化，进而提高其能效水平，实现节能降耗的目的。根据单台加热炉的实际工况，通过调整负荷率、排烟温度、空气系数、炉体外表面温度等参数，得到不同运行参数下系统的能耗及能效水平，给出一系列运行参数优化的可行方案。现场可根据自身的实际生产需求选择适用的方案以实施改进措施[5-7]。

3）批量评价。主要功能对多台加热炉统一进行能效评价。将被测试/评价的多台加热炉批量导入系统中，系统将针对每台加热炉分别给出其对应的能效评价结果。

4）简化计算。主要功能为对单台加热炉的能耗及能效进行简化计算。根据加热炉所用燃料气质不同，系统会相应计算得到加热炉的能耗及能效情况。主要适用于基础测试数据不全或对测试精度要求不高的情况。

3.2 软件流程

软件的核心为测试评价、运行优化两大功能模块，图1所示为两大核心模块的流程设计框图。

图1 加热炉测试评价及优化流程

3.2.1 测试评价流程

测试评价模块主要是根据单台加热炉的基础测试数据，计算各项评价指标的限值，进而给出加热炉的能效评价结果，图2所示为其流程框图。

该流程的关键环节为单项评价指标限值的计算及能效评价：

1）指标限值计算。通过图2所示的流程设置，根据加热炉的实际运行工况（加热炉类型、功率、负荷率）以及相关的测试数据（热效率、排烟温度、空气系数、炉体外表面温度、环境温度），计算得到4项评价指标的相应限值。

图2 加热炉测试评价流程框图

2）能效评价。在确定各单项指标限值的基础上，根据前述的评价方法，确定加热炉各单项指标以及综合得分情况，最终确定出加热炉的能效级别。

3.2.2 运行优化流程

运行优化模块是以加热炉的测试评价结果为基础，针对结果不理想的设备，通过对其运行参数的优化调整，实现加热炉的提效目的。具体流程如图3所示。

图3 加热炉运行优化流程框图

针对加热炉的能效评价结果，软件会选择性给出相应的优化方案，主要包括加强日常管理、变负荷优化、参数调整三方面。

4 软件应用效果

以某油田的水套加热炉为例，进行软件应用效果分析。加热炉基础数据如下：

1）类型：水套炉。

2）功率：额定功率为0.697 MW。

3）测试数据：负荷率为36.67%、效率82.77%、排烟温度186.6℃、空气系数1.5、炉体外表面温度43.9℃、环境温度22℃、环表温差21.9℃。

4）能效级别要求：II级。

4.1 能效评价

基于水套加热炉的实测数据，根据指标限值、评价方法及能效评价流程和步骤，经软件分析计算得到4项单项评价指标的限值要求，见表2。

表2 实测水套加热炉指标限值要求

根据表2中的指标限值，计算各单项指标的得分及综合得分，最终得到加热炉能效评价结果，见表3。

表3 实测水套加热炉能效评价结果

根据表3中的评价结果分析可知，该水套加热炉的效率较低，仅为3级；排烟温度、空气系数合格，环表温差超标。综合得分80分，整体能效水平为Ⅲ级，未满足Ⅱ级要求，需进行后续的运行优化调整。

4.2 运行优化

为了实现该加热炉效率和整理能效水平的提升，软件系统经分析，主要从调整空气系数和环表温差两方面给出相应的优化方案。

4.2.1 优化方案

优化方案主要包括3类：调整空气系数、调整环表温差、同时调整空气系数和环表温差，对应的优化结果见表4～表6。

表4 空气系数优化调整结果

表5 环表温差优化调整结果

表6 2项参数同时优化调整结果

4.2.2 优化结果对比分析

通过对上述3类优化方案结果的对比分析，可得出以下结论：

1）调整空气系数。随着空气系数的逐渐增大，排烟温度逐渐降低、排烟热损失逐渐降低、加热炉效率逐渐增大。当空气系数增大至1.79时，效率由3级提升为2级，整体能效水平提升为II级；若空气系数继续增大至1.95时，效率提升为2级，但由于空气系数超标，导致整体能效仍为III级。因此，通过合理调整空气系数，则可实现加热炉效率和整体运行状态的共同提升，达到节能降耗的目的。

2）调整环表温差。该方案主要以降低环表温差（即炉体外表面温度）为主要手段。由表5可知，随着环表温差的降低，加热炉的整体能效水平由III级提升为II级。该方案的优势在于整体能效提升的效果明显。

3）同时调整空气系数和环表温差。该方案是在前两种单一调参方法的基础上，形成的一种综合优化调整方案。该方案的优势在于综合考虑了空气系数、排烟温度以及环表温差对加热炉效率的影响，从多方面入手，在实现效率提升的同时，保证加热炉整体能效级别的提升，且效果较为明显。

综合上述分析可知，若要提升加热炉的整体能效水平，首要考虑从不合格的指标入手，分析原因，采取优化调整措施，将单项指标进行提升。在此基础上，综合考虑与其它几项指标间的相互影响作用，做到统筹分析，实现加热炉的高效、经济运行，为整个系统的节能降耗提供基础保障。

5 结束语

目前，加热炉提效是实现油田生产降本增效的重要着力点，而提效的关键在于通过合理的测试及评价方法切实了解加热炉的能效水平，找到其低效的原因所在。通过对现有加热炉能效测试及评价方法的分析研究，采用多要素分析法，综合考虑加热炉类型、负荷率等因素对加热炉能效的影响，确定了能够合理反映加热炉能效水平的4项评价指标，并给出了各项指标的限值确定方法。在此基础上，采用加权分析、百分法，确定了加热炉的能效评价方法。

同时，为了提高现场加热炉测试评价的工作效率，利用VC++平台，采用C程序语言，开发了相应的评价系统软件。该软件主要可以实现加热炉的能效评价及运行优化等功能。通过对实际运行的水套加热炉的应用实践效果分析可知，确定的加热炉能效评价方法能够合理反映加热炉的能效水平，研发的软件系统不仅能够实现加热炉能效水平的准确分析和评价，还可以有针对性地给出运行优化的措施和建议。无论是理论评价方法还是软件系统，都能够对实际的加热炉测试评价工作以及相应的提效等节能管理工作提供理论依据和技术指导。