徐秀芬白曉彤王東張洪江

（1.東北石油大學；2.中國石油天然氣集團公司東北油田節(jié)能監(jiān)測中心）

油田水套爐熱效率評價指標限值方法研究

徐秀芬1白曉彤1王東2張洪江2

（1.東北石油大學；2.中國石油天然氣集團公司東北油田節(jié)能監(jiān)測中心）

油田加熱爐是油田主要的耗能設備之一，加熱爐的高效運行對油田的節(jié)能降耗工作至關重要，如何合理評價加熱爐的能效情況是加熱爐高效運行的前提。以水套爐為研究對象，通過對水套爐分類匯總，綜合考慮負荷率對評價指標的影響因素，分析比對兩種劃分效率等級限值的方法，得到最優(yōu)劃分方法，最終擬合回歸出負荷率與效率限值的函數(shù)關系式，進而帶入負荷率即可得到不同負荷率情況下的效率限值。

水套爐；能效評價；熱效率；指標限值

隨著油田開發(fā)進入中后期，以及難動用儲量規(guī)模的擴大，油田生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗水平逐年上升，油田的節(jié)能減排任務日益艱巨。加熱爐作為油田的重要耗能設備之一，其能效水平的高低將直接影響系統(tǒng)的能耗狀況，而如何合理評價加熱爐的能效情況是實現(xiàn)其節(jié)能降耗的前提[1]。因此，以油田生產(chǎn)中的水套爐為研究對象，通過對現(xiàn)有加熱爐測試評價方法的分析研究，針對其應用中存在的一些問題，提出了一種綜合考慮負荷率因素的熱效率等級限值確定方法[2]。同時，通過實例綜合分析了最值法以及覆蓋率法2種不同限值界定方法的優(yōu)劣，最終確定出適用于油田水套爐的熱效率等級限值界定方法。

1 現(xiàn)有評價指標限值確定方法

加熱爐評價指標主要為熱效率、爐體表面溫度、排煙溫度、排煙處空氣系數(shù)[3]。目前，加熱爐各指標限值的確定方法為：在不同的額定功率范圍內(nèi)，引入覆蓋率的概念來確定加熱爐的評價指標限定值。覆蓋率就是達到指標限值的產(chǎn)品的臺數(shù)占在運行產(chǎn)品臺數(shù)的比例。一般情況下選擇加熱爐合格值宜覆蓋被統(tǒng)計加熱爐產(chǎn)品數(shù)的70%；優(yōu)良值宜覆蓋被統(tǒng)計加熱爐產(chǎn)品數(shù)的30%[4]。對于個別區(qū)間由于統(tǒng)計值分布的不均勻性而不能滿足上述原則時，允許有一定偏差。

研究發(fā)現(xiàn)，加熱爐的負荷率影響熱效率，在一定范圍內(nèi)，加熱爐效率隨著負荷率的增大而增大[5]。不同的加熱爐類型由于其工作原理的不同，也會對熱效率產(chǎn)生影響，需要考慮加熱爐類型的因素。每個類型分別確定熱效率限值[6]。另外，在原有指標體系中，爐體外表面溫度受環(huán)境因素影響，不能直觀地體現(xiàn)加熱爐的散熱損失。因此，需要對現(xiàn)有加熱爐評價方法進行完善，考慮以下因素更加合理方便地評價加熱爐的能效水平：加熱爐的類型因素；加熱爐的負荷率因素；用環(huán)表溫差來代替爐體外表面溫度作為評價指標。

2 水套爐熱效率限值確定方法

2.1理論方法

2.1.1 分類匯總

將水套爐數(shù)據(jù)匯總，按GB 24848—2010《石油工業(yè)用加熱爐能效限定值及能效等級》中的方法將水套爐按額定功率范圍劃分[7]。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

將匯總后的水套爐測試數(shù)據(jù)進行以下處理。

1）篩選劃分。首先篩選排除排煙溫度和空氣系數(shù)不合格的數(shù)據(jù)，其次將篩選后的數(shù)據(jù)按照負荷率范圍劃分（負荷率＜10%、10%～20%、20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%），最后在每個負荷率范圍內(nèi)按照效率值降序排列。

2）劃分效率限值等級。效率限值等級的劃分方法有2種：

方法1：在每個負荷率區(qū)間內(nèi)按照效率值降序排序，一級限值為效率最小值與（效率最大值-效率最小值）×90%之和；二級限值為效率最小值與（效率最大值-效率最小值）×80%之和；三級限值為效率最小值與（效率最大值-效率最小值）×60%之和。這種方法簡稱最值法，具體如公式（1）～公式（3）所示。

式中：η1——此負荷率范圍內(nèi)一級熱效率限值；

ηmin——此負荷率范圍內(nèi)熱效率的最小值；

ηmax——此負荷率范圍內(nèi)熱效率的最大值；

η2——此負荷率范圍內(nèi)二級熱效率限值；

η3——此負荷率范圍內(nèi)三級熱效率限值。

方法2：在每個負荷率期間內(nèi)按照熱效率值降序排序，一級限值為樣本總數(shù)前10%的效率值；二級限值為樣本總數(shù)前20%的效率值；三級限值為樣本總數(shù)前60%的效率值。這種方法簡稱覆蓋率法。

3）限值擬合。通過上述2種方法，統(tǒng)計計算出每一負荷率范圍內(nèi)的一、二、三級熱效率限值。同時，采用數(shù)學方法回歸擬合出一、二、三級效率限值與負荷率的函數(shù)關系，具體如表1所示。

表1 ××額定功率范圍水套爐一級、二級、三級效率限值

對于不同功率范圍的加熱爐，效率一、二、三級指標限值是負荷率的函數(shù)。表2給出某功率范圍的水套爐運行效率指標一、二、三級限值，這些限值是負荷率的函數(shù)，代入具體的負荷率，即可得到該負荷率下的熱效率限值。

2.2熱效率限值等級劃分方法對比

在水套爐熱效率評價指標限值理論方法中，劃分效率限值等級有2種方法，下面用實例具體分析比較2種劃分方法，選出最優(yōu)方法，得到水套爐熱效率評價指標限值。

2.2.1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

以油田加熱爐數(shù)量最多的水套爐為例。根據(jù)現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)，共計對483臺水套爐按其功率范圍進行了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計匯總，具體情況見表2。

表2 水套爐現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況

由表2測試數(shù)據(jù)的分布及匯總情況可知，在200 kW≤P＜500 kW以及500 kW≤P＜1000 kW 2個功率范圍內(nèi)的加熱爐測試數(shù)據(jù)相對較多。因此，主要以該2組測試數(shù)據(jù)為例進行相關的實例計算和分析。

在具體的分析過程中，主要根據(jù)相應功率范圍內(nèi)水套爐測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計情況，分別采用最值法和覆蓋率法對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到相應的水套爐熱效率限值的統(tǒng)計及擬合結果匯總情況。在此基礎上，進行2種方法擬合效果的對比分析，最終確定適用于水套爐的效率限值劃分方法。

2.2.2 實例1

主要以200 kW≤P＜500 kW功率范圍內(nèi)水套爐為分析對象，因實際測試數(shù)據(jù)較多，在此僅列出負荷率為80%～90%的水套爐（200 kW≤P＜500 kW）數(shù)據(jù)匯總情況（表3）。

表3 負荷率80%～90%水套爐數(shù)據(jù)（200 kW≤P＜500 kW）

1）最值法數(shù)據(jù)擬合分析。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，采用最值法劃分效率限值，得到了相應的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖1）。

圖1 水套爐熱效率限值擬合效果（200 kW≤P＜500 kW）

在此基礎上，進一步分析計算了相應擬合數(shù)值的誤差率，具體統(tǒng)計情況見表4。

表4 水套爐200 kW≤P＜500 kW熱效率限值擬合計算匯總

2）覆蓋率法數(shù)據(jù)擬合分析。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，采用覆蓋率法劃分效率限值，得到了相應的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖2）。

圖2 水套爐熱效率限值擬合效果（200kW≤P＜500kW）

在此基礎上，進一步分析計算了相應擬合數(shù)值的誤差率，具體統(tǒng)計情況見表5。

表5 水套爐（200 kW≤P＜500 kW）熱效率限值擬合計算匯總

2.2.3 實例2

主要以500 kW≤P＜1000 kW功率范圍內(nèi)水套爐為分析對象，在此同樣進行了最值法、覆蓋率法2種方法的對比分析。

1）最值法數(shù)據(jù)擬合分析。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，同樣首先采用最值法劃分效率等級限值，得到了相應的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖3）。并以此為基礎，進一步分析計算了相應擬合數(shù)值的誤差率（表6）。

圖3 水套爐熱效率限值擬合效果（500 kW≤P＜1000 kW）

表6 水套爐500 kW≤P＜1000 kW熱效率限值擬合計算匯總

2）覆蓋率法數(shù)據(jù)擬合分析。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，采用覆蓋率法劃分效率等級限值，得到了相應的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖4）。并以此為基礎，進一步分析計算了相應擬合數(shù)值的誤差率（表7）。

圖4 水套爐熱效率限值擬合效果（500 kW≤P＜1000 kW）

2.3對比分析結果

根據(jù)上述實例1、實例2的分析，同時結合圖1～圖4中擬合曲線、擬合公式以及表4～表7誤差率的統(tǒng)計情況，對2個實例的2種劃分效率等級限值方法的優(yōu)劣進行了對比分析。主要從合理性以及相似性2個方面進行分析。

1）合理性。合理性是指效率等級限值確定的科學、合理，主要體現(xiàn)在各個等級（一級、二級、三級）限值應分明，不存在相互交叉或越級的情況。由上述2組實例的擬合效果可以看出，最值法得到的擬合曲線一、二、三級效率限值界限分明、無重合，且限值一級＞二級＞三級。而由實例1中覆蓋率法得到的擬合曲線（圖2）可以看出，當負荷率大于90%時，二級限值大于一級限值；同樣，由實例2中覆蓋率法得到的擬合曲線（圖4）可以看出，當負荷率大于80%時，也發(fā)生了二級限值大于一級限值的情況，這與實際情況不符，因此，覆蓋率法存在不合理情況。

2）相似性。相似性是指擬合得到的各級別效率限值及其變化曲線與實際測試數(shù)據(jù)的一致性程度高低，主要體現(xiàn)在擬合結果與實際測試結果的誤差率大小。為了進一步分析說明，在上述2個實例擬合結果的基礎上，對2種方法的擬合誤差率進行了詳細的對比分析，具體見表8、表9。

表8 實例1熱效率限值擬合數(shù)據(jù)誤差分析

表9 實例2熱效率限值擬合數(shù)據(jù)誤差分析

由表8誤差率的比較可以明顯看出，最值法得到的擬合數(shù)據(jù)的誤差率無論在最大、最小還是平均（誤差率）都遠小于覆蓋率法。根據(jù)表9數(shù)據(jù)的對比分析可知，最值法雖然在平均誤差率上相對高于覆蓋率法，但綜合考慮最大、最小誤差率，可以看出最值法仍具有一定的優(yōu)勢。

綜合上述兩方面的分析可知，采用最值法來劃分水套爐的效率等級限值，能夠更真實地反映和評判水套爐的實際運行狀況及其效率等級。

3 熱效率指標限值確定

按照水套爐熱效率限值的確定方法，同時綜合考慮實例的對比分析結果，采用最值法分析計算得到水套爐各功率范圍內(nèi)效率限值與負荷率的函數(shù)關系（表10）。根據(jù)表10相應的函數(shù)關系即可分析得出在不同功率范圍內(nèi)、不同負荷率時水套爐的（一、二、三級）效率限值。由于現(xiàn)場測試統(tǒng)計的可用數(shù)據(jù)有限，在此僅對熱效率評價指標限值的確定提供一種合理有效的方法，根據(jù)這種方法。不僅可以為其他類型的加熱爐熱效率評價限值的確定提供參考，而且在統(tǒng)計大量測試數(shù)據(jù)時仍可用此方法對函數(shù)進行修正。

表10 水套爐效率限值與負荷率函數(shù)關系

4 結束語

1）以水套爐為研究對象，通過對水套爐分類匯總，綜合考慮負荷率的影響因素，分析比對2種劃分效率限值等級的方法，得到最優(yōu)劃分方法，最終擬合回歸出負荷率與效率限值的函數(shù)關系式，進而帶入負荷率即可得到不同負荷率情況下的效率限值。

2）通過2個實例的應用分析可知，最值法能夠較合理地給出水套爐等級限值劃分方法，相較于傳統(tǒng)的覆蓋率法而言，能夠更真實地反映和評判水套爐的實際運行狀況及其效率等級。

3）所研究的效率限值確定方法也可供其他類型（火筒爐、管式爐、相變爐等）的加熱爐參考借鑒，進而為加熱爐其他評價指標（排煙溫度、空氣系數(shù)等）及其整體的能效評價方法提供理論基礎。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.001

2016-03-29

（編輯 李珊梅）

徐秀芬，教授，2005年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學（機械電子工程專業(yè)），從事油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能技術的研究開發(fā)工作，E-mail：xuxiufen960605@126.com，地址：黑龍江省大慶市東北石油大學，163318。