曹瑩 張洪江 王占勝 徐秀芬 張賀（.東北石油大學；.中國石油遼河油田分公司）

加熱爐、鍋爐等熱力設(shè)備是石油行業(yè)的重點耗能設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)石油煉化行業(yè)的加熱爐效率平均為90%，國外油氣田加熱爐的平均運行效率為88%以上。相比于國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)加熱爐的能效水平而言，石油行業(yè)內(nèi)部各油氣田企業(yè)的加熱爐能效水平與國內(nèi)外先進水平具有較大差距。因此，提高加熱爐能效水平并加大對熱力設(shè)備的能效監(jiān)測力度，其關(guān)鍵在于確定一種能夠合理評價加熱爐能效水平的方法。以該評價方法為理論依據(jù)，指導現(xiàn)場合理、高效開展加熱爐能效評價工作，發(fā)現(xiàn)其運行中存在的問題，進而提出相應的措施建議，減少各環(huán)節(jié)損失，有效提高加熱爐效率。

1 加熱爐能效測試的分級方法

目前，加熱爐的能效測試主要分為3個等級：一級、二級、三級[1]。一級測試主要適用于加熱爐產(chǎn)品的鑒定測試；二級測試主要適用于新安裝或經(jīng)大修、改造后、應用節(jié)能產(chǎn)品加熱爐的驗收或?qū)Ρ葴y試；三級測試主要適用于加熱爐的普查和定期檢測、監(jiān)測，以及小額定功率加熱爐和井口加熱爐等的測試工作。

根據(jù)油田實際生產(chǎn)特點及現(xiàn)場對測試的要求，油氣田企業(yè)每年均定期開展相應的設(shè)備監(jiān)測工作，對于加熱爐設(shè)備而言，即屬于三級測試的范疇，此類工作主要由各油田公司下屬的節(jié)能監(jiān)測部門或相關(guān)技術(shù)機構(gòu)承擔。該文重點研究加熱爐能效的三級測試相應的評價指標及其限值和評價方法。

2 加熱爐能效評價方法

2.1 現(xiàn)行評價指標和方法

目前，加熱爐的能效評價主要依據(jù)GB24848—2010《石油工業(yè)用加熱爐能效限定值及能效等級》、GB/T 314531—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》進行。標準中規(guī)定加熱爐的能效評價指標為4項：效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體外表面溫度[2-4]。

根據(jù)加熱爐節(jié)能監(jiān)測工作的開展情況，以及現(xiàn)場大量的實測經(jīng)驗表明，上述標準在應用中主要存在以下兩方面問題：

1）個別指標的表征性較差。效率是表征加熱爐性能好壞最基本的特征參數(shù)；排煙溫度、空氣系數(shù)兩者間相互影響和制約，兩者的變化都會直接影響加熱爐效率的高低，也可作為評判加熱爐性能的考量指標；爐體外表面溫度與加熱爐效率、排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失等均無直接關(guān)系，而散熱損失不僅與爐體外表面溫度有關(guān)，且與環(huán)境溫度、風速等因素有關(guān)，所以僅通過界定爐體外表面溫度的高低無法真實表征加熱爐的整體能效水平。

2）各項指標的限值（合格/節(jié)能限定值/節(jié)能評價值）僅按燃料類型、功率范圍兩方面進行分類匯總，并未考慮負荷率以及加熱爐類型對能效的影響。實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，負荷率對效率的影響較大，對于同一臺加熱爐，負荷率不同，其效率也可能不同，而加熱爐的類型不同，用同一種方法確定的效率指標限值也不同。

2.2 評價指標

基于上述存在的問題，結(jié)合SY/T 6381—2016《石油工業(yè)用加熱爐熱工測定》中給出的加熱爐的能耗測試和計算方法，綜合考慮加熱爐類型、負荷率、爐體外表面與環(huán)境溫度的差值等諸多因素，確定了加熱爐能效評價指標為4項：效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、環(huán)境與爐體外表面的溫差（簡稱“環(huán)表溫差”）。

2.3 指標限值

根據(jù)各項指標之間的相互關(guān)系以及熱效率的影響因素，分析研究4項指標的限值確定方法。

1）熱效率。加熱爐的效率指標分為3個等級：1級、2級、3級，各等級的指標限值通過統(tǒng)計確定，具體確定方法和步驟如下：按類型、功率范圍對加熱爐進行分類匯總。加熱爐類型包括5種：單火筒爐、多火筒爐、水套爐、管式爐、相變爐。功率范圍分為8種：P＜200、200≤P＜500、500≤P ＜1000、 1000≤ P ≤1200、 1200＜P ≤1500、1500＜P ＜2000、 2000≤ P ＜2500、 2500≤ P ≤12000；確定某一類型、某一功率范圍的熱效率1級、2級、3級的指標限值與負荷率的函數(shù)關(guān)系。選定某一類型、功率范圍的加熱爐數(shù)據(jù)，首先按負荷率R進行篩選，選出負荷率介于20%～100%的數(shù)據(jù)作為有效分析數(shù)據(jù)。按負荷率(Rmin～Rmax)由小到大順序?qū)嵝蔬M行統(tǒng)計，對于任一負荷率，取樣本總數(shù)前10%的效率值為1級限值、樣本總數(shù)前20%為2級限值、樣本總數(shù)前60%為3級限值。具體分析時，采用數(shù)理統(tǒng)計方法回歸擬合出該類型、功率范圍的加熱爐1級、2級、3級效率限值與負荷率的函數(shù)關(guān)系；確定不同類型、不同功率范圍的熱效率1級、2級、3級指標限值?；谝陨喜襟E，對其它類型、功率范圍的數(shù)據(jù)做同樣分析處理，最終確定各類型加熱爐在不同功率范圍內(nèi)的熱效率1級、2級、3級限值與負荷率的函數(shù)關(guān)系，見表1。

表1中所給出熱效率對應的3個等級限值并不是確定的數(shù)值，而是關(guān)于負荷率的函數(shù)表達式。即對于某一類型、功率范圍的加熱爐而言，負荷率不同，效率對應3個等級的限值也不同。

表1 某類型加熱爐效率限值與負荷率函數(shù)關(guān)系

2）排煙溫度、空氣系數(shù)、環(huán)表溫差。對于不同類型加熱爐，根據(jù)其所屬功率范圍，分別對3項指標的測試數(shù)據(jù)按由小到大順序排列，采用樣本總數(shù)“前60%合格”原則，確定排煙溫度、空氣系數(shù)、環(huán)表溫差的合格限值。

2.4 評價方法

加熱爐的能效評價以效率為主，同時結(jié)合排煙溫度、空氣系數(shù)、環(huán)表溫差等指標。評價采用百分法，分值分配設(shè)置如下：

1）加熱爐效率占80分，達到1級效率要求為滿分，計80分；達到2級效率要求按90%，計72分；達到3級效率要求按80%，計64分；低于3級，計0分。

2）排煙溫度達標計8分，不達標0分。

3）空氣系數(shù)達標計8分，不達標0分。

4）溫差達標計4分，不達標計0分。

5）綜合得分為各項指標得分之和。

加熱爐的能效評價分為3個級別：I級（100分）、II級（84～99分）和III級（68～83分），分別對應優(yōu)秀、良好、合格。各級別對應的綜合得分。

3 軟件開發(fā)

為了便于加熱爐現(xiàn)場測試評價工作的智能化、高效開展，在上述理論分析研究的基礎(chǔ)上，基于VC++軟件平臺，開發(fā)了相應的加熱爐能效評價系統(tǒng)。

3.1 軟件結(jié)構(gòu)及功能

該軟件主要用于評價加熱爐的能效水平，并根據(jù)評價結(jié)果，給出相應的參數(shù)優(yōu)化方案。軟件主要包括4大功能模塊：測試評價、運行優(yōu)化、批量評價、簡化計算。

1）測試評價。主要功能為對單臺加熱爐進行能效評價。根據(jù)單臺加熱爐的基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)，計算各項評價指標的具體結(jié)果，并與其對應的指標限值比較，給出各項指標的評價結(jié)果，進而給出單臺加熱爐的綜合評價結(jié)果，即能效評價級別（優(yōu)秀、良好、合格、不合格）。

2）運行優(yōu)化。主要功能為對單臺加熱爐進行運行參數(shù)優(yōu)化，進而提高其能效水平，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。根據(jù)單臺加熱爐的實際工況，通過調(diào)整負荷率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體外表面溫度等參數(shù)，得到不同運行參數(shù)下系統(tǒng)的能耗及能效水平，給出一系列運行參數(shù)優(yōu)化的可行方案?，F(xiàn)場可根據(jù)自身的實際生產(chǎn)需求選擇適用的方案以實施改進措施[5-7]。

3）批量評價。主要功能對多臺加熱爐統(tǒng)一進行能效評價。將被測試/評價的多臺加熱爐批量導入系統(tǒng)中，系統(tǒng)將針對每臺加熱爐分別給出其對應的能效評價結(jié)果。

4）簡化計算。主要功能為對單臺加熱爐的能耗及能效進行簡化計算。根據(jù)加熱爐所用燃料氣質(zhì)不同，系統(tǒng)會相應計算得到加熱爐的能耗及能效情況。主要適用于基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)不全或?qū)y試精度要求不高的情況。

3.2 軟件流程

軟件的核心為測試評價、運行優(yōu)化兩大功能模塊，圖1所示為兩大核心模塊的流程設(shè)計框圖。

圖1 加熱爐測試評價及優(yōu)化流程

3.2.1 測試評價流程

測試評價模塊主要是根據(jù)單臺加熱爐的基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)，計算各項評價指標的限值，進而給出加熱爐的能效評價結(jié)果，圖2所示為其流程框圖。

該流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為單項評價指標限值的計算及能效評價：

1）指標限值計算。通過圖2所示的流程設(shè)置，根據(jù)加熱爐的實際運行工況（加熱爐類型、功率、負荷率）以及相關(guān)的測試數(shù)據(jù)（熱效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體外表面溫度、環(huán)境溫度），計算得到4項評價指標的相應限值。

圖2 加熱爐測試評價流程框圖

2）能效評價。在確定各單項指標限值的基礎(chǔ)上，根據(jù)前述的評價方法，確定加熱爐各單項指標以及綜合得分情況，最終確定出加熱爐的能效級別。

3.2.2 運行優(yōu)化流程

運行優(yōu)化模塊是以加熱爐的測試評價結(jié)果為基礎(chǔ)，針對結(jié)果不理想的設(shè)備，通過對其運行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)加熱爐的提效目的。具體流程如圖3所示。

圖3 加熱爐運行優(yōu)化流程框圖

針對加熱爐的能效評價結(jié)果，軟件會選擇性給出相應的優(yōu)化方案，主要包括加強日常管理、變負荷優(yōu)化、參數(shù)調(diào)整三方面。

4 軟件應用效果

以某油田的水套加熱爐為例，進行軟件應用效果分析。加熱爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

1）類型：水套爐。

2）功率：額定功率為0.697 MW。

3）測試數(shù)據(jù)：負荷率為36.67%、效率82.77%、排煙溫度186.6℃、空氣系數(shù)1.5、爐體外表面溫度43.9℃、環(huán)境溫度22℃、環(huán)表溫差21.9℃。

4）能效級別要求：II級。

4.1 能效評價

基于水套加熱爐的實測數(shù)據(jù)，根據(jù)指標限值、評價方法及能效評價流程和步驟，經(jīng)軟件分析計算得到4項單項評價指標的限值要求，見表2。

表2 實測水套加熱爐指標限值要求

根據(jù)表2中的指標限值，計算各單項指標的得分及綜合得分，最終得到加熱爐能效評價結(jié)果，見表3。

表3 實測水套加熱爐能效評價結(jié)果

根據(jù)表3中的評價結(jié)果分析可知，該水套加熱爐的效率較低，僅為3級；排煙溫度、空氣系數(shù)合格，環(huán)表溫差超標。綜合得分80分，整體能效水平為Ⅲ級，未滿足Ⅱ級要求，需進行后續(xù)的運行優(yōu)化調(diào)整。

4.2 運行優(yōu)化

為了實現(xiàn)該加熱爐效率和整理能效水平的提升，軟件系統(tǒng)經(jīng)分析，主要從調(diào)整空氣系數(shù)和環(huán)表溫差兩方面給出相應的優(yōu)化方案。

4.2.1 優(yōu)化方案

優(yōu)化方案主要包括3類：調(diào)整空氣系數(shù)、調(diào)整環(huán)表溫差、同時調(diào)整空氣系數(shù)和環(huán)表溫差，對應的優(yōu)化結(jié)果見表4～表6。

表4 空氣系數(shù)優(yōu)化調(diào)整結(jié)果

表5 環(huán)表溫差優(yōu)化調(diào)整結(jié)果

表6 2項參數(shù)同時優(yōu)化調(diào)整結(jié)果

4.2.2 優(yōu)化結(jié)果對比分析

通過對上述3類優(yōu)化方案結(jié)果的對比分析，可得出以下結(jié)論：

1）調(diào)整空氣系數(shù)。隨著空氣系數(shù)的逐漸增大，排煙溫度逐漸降低、排煙熱損失逐漸降低、加熱爐效率逐漸增大。當空氣系數(shù)增大至1.79時，效率由3級提升為2級，整體能效水平提升為II級；若空氣系數(shù)繼續(xù)增大至1.95時，效率提升為2級，但由于空氣系數(shù)超標，導致整體能效仍為III級。因此，通過合理調(diào)整空氣系數(shù)，則可實現(xiàn)加熱爐效率和整體運行狀態(tài)的共同提升，達到節(jié)能降耗的目的。

2）調(diào)整環(huán)表溫差。該方案主要以降低環(huán)表溫差（即爐體外表面溫度）為主要手段。由表5可知，隨著環(huán)表溫差的降低，加熱爐的整體能效水平由III級提升為II級。該方案的優(yōu)勢在于整體能效提升的效果明顯。

3）同時調(diào)整空氣系數(shù)和環(huán)表溫差。該方案是在前兩種單一調(diào)參方法的基礎(chǔ)上，形成的一種綜合優(yōu)化調(diào)整方案。該方案的優(yōu)勢在于綜合考慮了空氣系數(shù)、排煙溫度以及環(huán)表溫差對加熱爐效率的影響，從多方面入手，在實現(xiàn)效率提升的同時，保證加熱爐整體能效級別的提升，且效果較為明顯。

綜合上述分析可知，若要提升加熱爐的整體能效水平，首要考慮從不合格的指標入手，分析原因，采取優(yōu)化調(diào)整措施，將單項指標進行提升。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮與其它幾項指標間的相互影響作用，做到統(tǒng)籌分析，實現(xiàn)加熱爐的高效、經(jīng)濟運行，為整個系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供基礎(chǔ)保障。

5 結(jié)束語

目前，加熱爐提效是實現(xiàn)油田生產(chǎn)降本增效的重要著力點，而提效的關(guān)鍵在于通過合理的測試及評價方法切實了解加熱爐的能效水平，找到其低效的原因所在。通過對現(xiàn)有加熱爐能效測試及評價方法的分析研究，采用多要素分析法，綜合考慮加熱爐類型、負荷率等因素對加熱爐能效的影響，確定了能夠合理反映加熱爐能效水平的4項評價指標，并給出了各項指標的限值確定方法。在此基礎(chǔ)上，采用加權(quán)分析、百分法，確定了加熱爐的能效評價方法。

同時，為了提高現(xiàn)場加熱爐測試評價的工作效率，利用VC++平臺，采用C程序語言，開發(fā)了相應的評價系統(tǒng)軟件。該軟件主要可以實現(xiàn)加熱爐的能效評價及運行優(yōu)化等功能。通過對實際運行的水套加熱爐的應用實踐效果分析可知，確定的加熱爐能效評價方法能夠合理反映加熱爐的能效水平，研發(fā)的軟件系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)加熱爐能效水平的準確分析和評價，還可以有針對性地給出運行優(yōu)化的措施和建議。無論是理論評價方法還是軟件系統(tǒng)，都能夠?qū)嶋H的加熱爐測試評價工作以及相應的提效等節(jié)能管理工作提供理論依據(jù)和技術(shù)指導。