王 東 張洪江 白曉彤 李明峰 吳麗娜
(1.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;2.東北石油大學(xué);3.長(zhǎng)城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司)
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油田用加熱爐節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)限值研究
王東1張洪江1白曉彤2李明峰3吳麗娜2
(1.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;2.東北石油大學(xué);3.長(zhǎng)城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司)
由于油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)具有季節(jié)性,且油田產(chǎn)量逐年變化,導(dǎo)致加熱爐的負(fù)荷率變化波動(dòng)很大,多數(shù)加熱爐處于低負(fù)荷運(yùn)行,加熱爐的熱效率隨著負(fù)荷率的降低而降低;所以,有必要考慮負(fù)荷率因素影響進(jìn)行加熱爐的評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析數(shù)據(jù)回歸得到標(biāo)準(zhǔn)效率-負(fù)荷率曲線,將各類型加熱爐的測(cè)試數(shù)據(jù)換算至最佳負(fù)荷率下,再按覆蓋率統(tǒng)計(jì)原則確定加熱爐熱效率的指標(biāo)限值,其他加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)限值分別考慮類型統(tǒng)計(jì)確定。在實(shí)際的油田加熱爐監(jiān)測(cè)中,要將各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)換算到“標(biāo)準(zhǔn)”狀態(tài)下再進(jìn)行評(píng)價(jià)考核,將不具有可比性的監(jiān)測(cè)結(jié)果以相同基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析和評(píng)價(jià),以真實(shí)反映出加熱爐的能效水平。
加熱爐負(fù)荷率熱效率評(píng)價(jià)指標(biāo)限值
目前,加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為加熱爐的熱效率、爐體表面溫度、排煙溫度、過(guò)量空氣系數(shù)等[1]。各指標(biāo)限值的確定方法為:按額定功率值進(jìn)行分段,不考慮負(fù)荷率,引入覆蓋率的概念來(lái)確定每個(gè)功率段的加熱爐的評(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%,加熱爐優(yōu)良值宜覆蓋被統(tǒng)計(jì)加熱爐產(chǎn)品數(shù)的30%[2];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。
現(xiàn)有的評(píng)價(jià)加熱爐的方法存在2點(diǎn)不足:僅按功率段分類,沒(méi)有考慮加熱爐的類型;沒(méi)有考慮加熱爐的負(fù)荷率對(duì)熱效率的影響。
選取不同類型的加熱爐,按照類型分類后再按照SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》細(xì)分功率范圍,并保證其排煙溫度和空氣系數(shù)分別近似,排除排煙溫度和空氣系數(shù)對(duì)加熱爐熱效率的影響,分析加熱爐負(fù)荷率對(duì)熱效率的影響。
1)管式加熱爐負(fù)荷率和熱效率的關(guān)系。選取加熱爐容量(0.63 MW<D≤2.50 MW)范圍內(nèi)的且排煙溫度和空氣系數(shù)相近的管式加熱爐,統(tǒng)計(jì)不同負(fù)荷率時(shí)的熱效率,如表1所示。作出加熱爐熱效率-負(fù)荷率曲線,如圖1所示。
表1 管式加熱爐負(fù)荷率和熱效率的關(guān)系
圖1 管式加熱爐熱效率-負(fù)荷率曲線
從圖1可以看出,管式加熱爐在空氣系數(shù)和排煙溫度相近時(shí)隨著負(fù)荷率的增加,熱效率呈上升趨勢(shì)。
2)真空相變加熱爐負(fù)荷率和熱效率的關(guān)系。選取加熱爐容量(0.63MW<D≤2.00MW和2.00MW<D≤3.15 MW)范圍內(nèi)的且排煙溫度和空氣系數(shù)相近的真空相變加熱爐,統(tǒng)計(jì)不同負(fù)荷率時(shí)的熱效率,如表2、表3所示。
表2 真空相變加熱爐負(fù)荷率和熱效率關(guān)系(0.63 MW<D≤2.00 MW)
表3 真空相變加熱爐負(fù)荷率和熱效率的關(guān)系(2.00 MW<D≤3.15 MW)
作出真空相變加熱爐熱效率-負(fù)荷率的曲線,如圖2所示。其中:系列1為0.63 MW<D≤2.00 MW;系列2為2.00 MW<D≤3.15 MW。
圖2 真空相變加熱爐熱效率-負(fù)荷率曲線
由圖2可知,真空相變加熱爐在排煙溫度和空氣系數(shù)相近時(shí),在一定范圍內(nèi),隨著負(fù)荷率的增加,熱效率呈上升趨勢(shì)。
3)水套爐負(fù)荷率和熱效率的關(guān)系。選取加熱爐容量(D≤0.40 MW、0.63 MW<D≤1.25 MW、1.25 MW<D≤2.00 MW)范圍內(nèi)的且排煙溫度和空氣系數(shù)相近的水套爐,統(tǒng)計(jì)不同負(fù)荷率時(shí)的熱效率,如表4、表5、表6所示。
表4 水套爐負(fù)荷率和熱效率的關(guān)系(D≤0.40 MW)
表5 水套爐負(fù)荷率和熱效率的關(guān)系(0.63 MW<D≤1.25 MW)
表6 水套爐負(fù)荷率和熱效率的關(guān)系(1.25 MW<D≤2.00 MW)
作出水套爐熱效率-負(fù)荷率的曲線,如圖3所示。其中:系列1為D≤0.40 MW;系列2為0.63 MW<D≤1.25 MW;系列3為1.25 MW<D≤2.00 MW。
由圖3可知,水套爐在排煙溫度和空氣系數(shù)相近時(shí),隨著負(fù)荷率的增加,熱效率增加。
綜上所述,在一定范圍內(nèi),熱效率隨著負(fù)荷率的降低而降低。所以,在低負(fù)荷率時(shí),即使采取提高管理水平,按照要求正常操作,熱效率仍會(huì)低于合格指標(biāo);但是若根據(jù)生產(chǎn)需要,提高此臺(tái)加熱爐的負(fù)荷率,熱效率隨著負(fù)荷率的升高而升高,結(jié)果可能會(huì)達(dá)到合格指標(biāo),那么說(shuō)明這臺(tái)加熱爐并不需要整改;因此,需要考慮負(fù)荷率對(duì)加熱爐的影響,進(jìn)行加熱爐的評(píng)價(jià)。
圖3 水套爐熱效率-負(fù)荷率曲線
2.1加熱爐熱效率指標(biāo)限值的確定方法
選定某一類型、某一功率范圍的工作狀態(tài)完好的1臺(tái)或幾臺(tái)加熱爐,被加熱介質(zhì)物理性質(zhì)確定,即加熱同1種介質(zhì)。在某一排煙溫度ti、空氣系數(shù)αi、溫差ΔTi一定的條件下,調(diào)節(jié)加熱爐的工況,逐步提高負(fù)荷率,測(cè)出熱效率值,畫出加熱爐效率隨負(fù)荷率的變化曲線。測(cè)試多臺(tái)加熱爐,用數(shù)學(xué)方法回歸確定變化規(guī)律,該曲線稱為此種類型、此功率(范圍)加熱爐的“標(biāo)準(zhǔn)”效率-負(fù)荷率曲線(圖4);熱效率最高點(diǎn)的負(fù)荷率R0,稱為第i類加熱爐的最優(yōu)負(fù)荷率。
圖4 加熱爐“標(biāo)準(zhǔn)”效率-負(fù)荷率的關(guān)系
如果不能進(jìn)行改變工況測(cè)試同1臺(tái)加熱爐,可按照排煙溫度、空氣系數(shù)、溫差、使用年限相同的條件,從大量的測(cè)試數(shù)據(jù)中找出該類型、該功率段的加熱爐,分析熱效率與負(fù)荷率的關(guān)系,所得關(guān)系也可認(rèn)定為標(biāo)準(zhǔn)效率-負(fù)荷曲線。
把所有被測(cè)加熱爐的測(cè)試數(shù)據(jù)換算到標(biāo)準(zhǔn)曲線的最佳負(fù)荷率的條件(ti,αi,ΔTi,R0)下,按所測(cè)加熱爐臺(tái)數(shù)70%合格、30%為優(yōu)良的統(tǒng)計(jì)原則確定加熱爐效率的合格值和優(yōu)良值。
2.2加熱爐實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)換算
收集多臺(tái)加熱爐的測(cè)試數(shù)據(jù),篩選出第i類加熱爐的所有測(cè)試數(shù)據(jù),設(shè)此數(shù)據(jù)文件為A。對(duì)于任1臺(tái)(設(shè)為第n臺(tái)加熱爐)被測(cè)加熱爐的排煙溫度為tn,過(guò)??諝庀禂?shù)為αn,外表面環(huán)境溫差為ΔTn,負(fù)荷率為Rn,熱效率為ηn。按照下面的步驟這條測(cè)試數(shù)據(jù)換算到“標(biāo)準(zhǔn)”狀態(tài)(ti,αi,ΔTi,R0)。
2.2.1換算排煙溫度
在A中查找出空氣系數(shù)αn、溫差ΔTn、負(fù)荷率Rn,利用排煙溫度不同的測(cè)試數(shù)據(jù)(如果找不到各個(gè)條件值完全相同的點(diǎn),根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)方法,找出與這些參數(shù)最為接近的測(cè)試數(shù)據(jù),或經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法處理數(shù)據(jù),以下同),畫出熱效率與排煙溫度的線性關(guān)系曲線,即得到在其他條件不變的條件下,排煙溫度每升高或降低1℃,熱效率的降低或升高值;根據(jù)tn與ti的差值,將測(cè)試數(shù)據(jù)中的效率換算到ti,αn,ΔTn,Rn條件下,即換算后的熱效率是ηt=η(ti,αn,ΔTn,Rn)。
2.2.2換算空氣系數(shù)
在A中查找出排煙溫度ti、溫差ΔTn、負(fù)荷率Rn,只有空氣系數(shù)不同于αn的測(cè)試數(shù)據(jù),可以用ηt和查找到的測(cè)試數(shù)據(jù)得出熱效率與空氣系數(shù)的關(guān)系曲線,即得到在其他條件不變的條件下,過(guò)??諝庀禂?shù)每升高或降低1個(gè)單位,熱效率的降低或升高值;根據(jù)αn與αi的差值,將ηt換算到ti,αi,ΔTn,Rn條件下,換算后的熱效率是ηtα= η(ti,αi,ΔTn,Rn),如圖5所示。
2.2.3換算溫差
在A中查找出排煙溫度ti、空氣系數(shù)αi、負(fù)荷率Rn,只有溫差不同于ΔTn的測(cè)試數(shù)據(jù),可以用ηtα和找到的測(cè)試數(shù)據(jù)得出熱效率與溫差的關(guān)系曲線,即得到在其他條件不變的條件下,溫差每升高或降低1個(gè)單位,熱效率的降低或升高值;根據(jù)ΔTn與ΔTi的差值,將測(cè)試數(shù)據(jù)中的效率換算到ti,αi,ΔTi,Rn條件下,換算后的熱效率是ηtΔαT=η(ti,αi,ΔTi,Rn),如圖6所示。
圖5 換算空氣系數(shù)到“標(biāo)準(zhǔn)”狀態(tài)下的效率曲線
圖6 換算溫差到“標(biāo)準(zhǔn)”狀態(tài)下的效率曲線
2.2.4換算負(fù)荷率
對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的加熱爐,認(rèn)為其效率與負(fù)荷率的關(guān)系與“標(biāo)準(zhǔn)效率-負(fù)荷率曲線”的變化趨勢(shì)相同,只是曲線的上下平移,如圖7所示。
圖7 換算負(fù)荷率到“標(biāo)準(zhǔn)”狀態(tài)下的效率曲線
從圖或表中查出標(biāo)準(zhǔn)曲線中Rn所對(duì)應(yīng)的效率ηs=(ti,αi,ΔTi,Rn),令ηΔ=ηs-ηtΔαT。令標(biāo)準(zhǔn)曲線中最佳負(fù)荷率處的效率為η0,則經(jīng)過(guò)排煙溫度、空氣系數(shù)、溫差換算后的效率,再換算到最佳負(fù)荷率條件下的效率為ηf(ti,αi,ΔTi,R0)= η0-ηΔ。
將A中的所有測(cè)試結(jié)果進(jìn)行如此換算,即將所有的測(cè)試結(jié)果都換算到“標(biāo)準(zhǔn)”條件(ti,αi,ΔTi,R0)下,得到各個(gè)測(cè)試結(jié)果的變換效率;根據(jù)這些變換效率值引入覆蓋率的概念來(lái)確定每個(gè)功率段的加熱爐的評(píng)價(jià)指標(biāo)限定值,采用70%合格、30%優(yōu)良的統(tǒng)計(jì)方法,確定第i類加熱爐的合格和優(yōu)良熱效率指標(biāo)。
2.3加熱爐其他評(píng)價(jià)指標(biāo)限值確定
排煙溫度、空氣系數(shù)、溫差的限值確定方法:不考慮功率范圍,僅考慮加熱爐類型,按照每個(gè)測(cè)試樣本的覆蓋率70%為合格值,30%為優(yōu)良值來(lái)確定其指標(biāo)限值。
1)在一定范圍內(nèi),加熱爐熱效率隨著負(fù)荷率的增大而增大。同一臺(tái)加熱爐在低負(fù)荷下熱效率低于合格值,當(dāng)負(fù)荷率增加時(shí),效率可能高于合格值。要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況,有針對(duì)性地作出調(diào)整,使得高效與節(jié)能并行。
2)因?yàn)樨?fù)荷率對(duì)加熱爐熱效率的影響,所以在油田監(jiān)測(cè)加熱爐的過(guò)程中,為了公平評(píng)價(jià)加熱爐合格與否,需要考慮負(fù)荷率對(duì)加熱爐熱效率的影響;熱效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)確定需考慮類型和負(fù)荷率,其他評(píng)價(jià)指標(biāo)限值考慮類型統(tǒng)計(jì)確定。
3)在實(shí)際的油田加熱爐監(jiān)測(cè)中,要將各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)換算到“標(biāo)準(zhǔn)”狀態(tài)下再進(jìn)行評(píng)價(jià)考核。將不具有可比性的監(jiān)測(cè)結(jié)果以相同基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析和評(píng)價(jià),以真實(shí)反映出加熱爐的運(yùn)行工況及能效水平,為后續(xù)的加熱爐提效等技改工作奠定基礎(chǔ)。
[1]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,2006,25(7):30-31.
[2]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,2013,1(8):21-23.
10.3969/j.issn.2095-1493.2015.12.001
2015-09-25)
王東,高級(jí)工程師,1989年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)(熱能工程專業(yè)),從事油氣田節(jié)能監(jiān)測(cè)等工作,E-mail:Wangdlh@petrochina.com.cn,地址:遼寧省盤錦市遼河油田分公司質(zhì)量節(jié)能管理部,124010。