夏建聰 （大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

加熱爐作為輸送介質(zhì)的主要加熱設(shè)備，其能耗約占集輸系統(tǒng)總能耗的80%~90%[1-2]，因此對油田加熱爐的能效影響因素進(jìn)行綜合分析，尋找加熱爐運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，對于油田節(jié)能、降耗和減排工作的開展具有重要指導(dǎo)意義。

目前，陳浩[3]、李睿等[4]、李鵬等[5]、蘭海濤等[6]從不同角度對加熱爐的能效水平進(jìn)行了研究，但結(jié)論多基于行業(yè)專家的主觀定性分析，忽略了影響因素間的交互作用，且對于常規(guī)節(jié)能監(jiān)測報告中的數(shù)據(jù)利用不足。鑒于此，在梳理加熱爐能效計算方法的基礎(chǔ)上，利用節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)分析影響加熱爐能效的諸多因素，最后結(jié)合熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)法完成影響因素的排序，確定加熱爐的節(jié)能方向。

1 加熱爐能效計算方法

參照GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》、GB/T 16666—2012《泵類及液體輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法》、GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》、SY/T 6381—2016《石油工業(yè)用加熱爐熱工測定》等標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，記錄并測試加熱爐銘牌所標(biāo)注的參數(shù)，包括但不限于加熱爐類型、型號、額定容量、生產(chǎn)廠家、出廠日期、燃燒器類型、型號等；運(yùn)行參數(shù)包括但不限于被加熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口壓力、煙氣組份、排煙溫度及爐體表面溫度等；環(huán)境參數(shù)包括但不限于環(huán)境溫度、入爐空氣溫度、大氣壓力等，其他參數(shù)如被加熱介質(zhì)流量、含水率及密度等。

1.1 加熱爐熱效率

熱效率的計算方法有正平衡法和反平衡法兩種，前者通過被加熱介質(zhì)吸收的有效能與燃料供給熱量的比值獲取熱效率；后者通過統(tǒng)計被加熱介質(zhì)從流入至流出加熱爐過程中的熱量損失，逆向推算熱效率公式見式（1）、（2）：

式中：η1、η2分別為正平衡熱效率和反平衡熱效率，%；Q為加熱爐運(yùn)行負(fù)荷，kJ/h；Qr為燃料供給熱量，kJ/h；q1、q2、q3分別為排煙熱損失率、氣體不完全燃燒熱損失率、散熱損失率，%。

1.2 排煙熱損失率

排煙熱損失率的計算公式見式（3）：

式中：K為燃料修正系數(shù)；B為燃料消耗量，m3/h；hpy、hlk分別為煙氣焓和冷空氣焓，kJ/m3。

1.3 氣體不完全燃燒熱損失率

氣體不完全燃燒損失的計算公式見式（4）：

式中：Vgy為排煙處的干煙氣容積，m3；WCO、WH2、WCrHy分別為排煙處CO、H2和不飽和烴的摩爾含量，%。

1.4 散熱損失率

當(dāng)加熱爐的運(yùn)行負(fù)荷率大于75%時，其散熱損失率按照表1 計算；當(dāng)加熱爐的運(yùn)行負(fù)荷率在30%~75%時，散熱損失率按照公式（5）計算；當(dāng)加熱爐的運(yùn)行負(fù)荷率小于30%時，散熱損失率按照公式（5）的30%計算。

表1 加熱爐散熱損失率Tab.1 Heat loss rate of heating furnace

散熱損失率：

式中：q′3為加熱爐的額定散熱損失率，由表1 獲取，%；Pe為加熱爐額定容量，MW。

2 能效影響因素分析

2.1 過剩空氣系數(shù)

參照能效計算方法結(jié)合現(xiàn)場節(jié)能監(jiān)測結(jié)果，統(tǒng)計同一區(qū)塊額定容量為1 160 kW 的燃?xì)夤苁郊訜釥t，考察過?？諝庀禂?shù)和熱效率的關(guān)系，見圖1。

圖1 過?？諝庀禂?shù)與熱效率的關(guān)系Fig.1 Relation between excess air coefficient and thermal efficiency

隨著過?？諝庀禂?shù)的增加，加熱爐熱效率呈直線下降，這是由于空燃比過大，爐膛溫度受外界冷空氣的影響而降低，燃料燃燒效率下降，且多余空氣排出煙道和煙囪時，也會攜帶一部分熱量，最終導(dǎo)致排煙熱損失率上升。圖1 中大部分過?？諝庀禂?shù)小于1.8，滿足GB/T 31453—2015 中關(guān)于燃?xì)饧訜釥t的節(jié)能監(jiān)測要求；最小過剩空氣系數(shù)為1.13，如果現(xiàn)場加熱爐的過剩空氣系數(shù)不足1，則進(jìn)入爐內(nèi)的空氣流量不足以使燃料完全燃燒，此時排煙處CO 的摩爾含量會上升，加熱爐的熱效率也會降低。

過?？諝庀禂?shù)主要影響反平衡熱效率，故單一分析過?？諝庀禂?shù)與不同熱損失率的關(guān)系，見圖2。隨著過剩空氣系數(shù)的增加，排煙熱損失逐漸增大，其原因與過?？諝庀禂?shù)和熱效率的關(guān)系類似，均是由于空燃比過大，帶走了爐內(nèi)熱量，導(dǎo)致可用于介質(zhì)加熱的供給熱量減少。過?？諝庀禂?shù)基本不影響散熱損失和氣體不完全燃燒損失，兩者的損失率分別為4%和2%。

圖2 過剩空氣系數(shù)與不同熱損失率的關(guān)系Fig.2 Relation between excess air coefficient and different heat losses

考慮到過?？諝庀禂?shù)與爐內(nèi)O2對燃料燃燒的貢獻(xiàn)程度有關(guān)，而排煙處O2和CO2的摩爾含量較大，故在排煙溫度為200 ℃左右的條件下，考察煙氣含量與過?？諝庀禂?shù)的關(guān)系，見圖3。排煙處O2含量與過?？諝庀禂?shù)呈正相關(guān)，排煙處CO2含量則呈負(fù)相關(guān)，這是由于空燃比增大后，剩余未發(fā)生燃燒反應(yīng)的O2增加，但過量空氣會使燃燒反應(yīng)的進(jìn)行更完全，排煙處CO2含量逐漸降低。

圖3 煙氣含量與過剩空氣系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between flue gas content and excess air coefficient

2.2 排煙溫度和環(huán)表溫差

統(tǒng)計同一區(qū)塊額定容量為1 160 kW 的燃?xì)夤苁郊訜釥t，考察排煙溫度與熱效率、排煙熱損失率的關(guān)系，見圖4。隨著排煙溫度增加，熱效率降低，排煙熱損失率升高，一方面排煙溫度與攜帶能量呈正比，導(dǎo)致排煙熱損失率增大、加熱爐效率降低，另一方面排煙溫度過高還會誘發(fā)煙道老化、爐管炸裂等問題。此外，雖然GB/T 31453—2015 中未規(guī)定排煙溫度下限，但當(dāng)排煙溫度低于水蒸氣或硫酸蒸汽的露點溫度時，也會誘發(fā)露點腐蝕，影響正常工作。

圖4 排煙溫度與熱效率、排煙熱損失率的關(guān)系Fig.4 Relationship between exhaust temperature， thermal efficiency and exhaust heat loss

一般采用爐體外表面溫度衡量加熱爐的散熱損失，但加熱爐所處的環(huán)境不是絕熱條件，外表面通常附著石棉、礦渣棉或巖棉等保溫材料，爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物通過對流室、爐管、煙道、煙囪等部件散發(fā)熱量，與周圍環(huán)境產(chǎn)生熱交換，因此散熱損失與爐體外表面溫度和環(huán)境溫度的差值有關(guān)[9]?？疾飙h(huán)表溫差與熱效率、散熱損失率的關(guān)系，見圖5。隨著環(huán)表溫差的增加，熱效率呈降低趨勢，與之前的定性分析結(jié)果相符；根據(jù)表1，當(dāng)熱效率大于75%時，散熱損失率均取2.9%，當(dāng)熱效率小于75%時，環(huán)表溫差與散熱損失呈正相關(guān)，環(huán)表溫差在熱效率較低時對加熱爐能效的影響更大。

圖5 環(huán)表溫差與熱效率、散熱損失率的關(guān)系Fig.5 Relationship between annular temperature difference and thermal efficiency and heat loss

2.3 負(fù)荷率

考慮到目前油田開發(fā)區(qū)塊以邊遠(yuǎn)小斷塊為主，且油井產(chǎn)量逐年遞減，加熱爐的運(yùn)行負(fù)荷通常達(dá)不到額定設(shè)計容量，故考察額定容量為1 160 kW 燃?xì)夤苁郊訜釥t負(fù)荷率與熱效率的關(guān)系，見圖6。隨著負(fù)荷率的增加，加熱爐熱效率先增大后減小，且在負(fù)荷率在20%~40%，熱效率下降速度變快。當(dāng)負(fù)荷率不足時，燃燒器的燃燒火焰無法充滿爐膛，空氣和燃料均不能得到充分利用，降低了爐體的輻射效率；當(dāng)出現(xiàn)超載時，設(shè)備及附屬管道的脆弱性增加，此時燃燒器內(nèi)部的混入燃料量已超過空氣流量，燃料無法完全燃燒，部分燃料會從煙道中排出，導(dǎo)致加熱爐能效水平降低。

圖6 負(fù)荷率與熱效率的關(guān)系Fig.6 Relation between load rate and thermal efficiency

考慮到油田加熱爐的規(guī)格型號眾多，分別選取額定容量為580 kW、1 160 kW、1 440 kW、2 330 kW的燃?xì)饧訜釥t，對比不同額定容量下負(fù)荷率與熱效率的關(guān)系，見圖7。不同額定容量下負(fù)荷率與熱效率的關(guān)系基本一致，熱效率均隨負(fù)荷率的增加先增大后減小，不同規(guī)格的加熱爐熱效率峰值不同，對應(yīng)的負(fù)荷率也不同；當(dāng)負(fù)荷率相同時，額定容量越大，熱效率越高；隨著額定容量的增加，負(fù)荷率對熱效率的影響愈發(fā)明顯。

圖7 不同額定容量下負(fù)荷率與熱效率的關(guān)系Fig.7 Relation between load rate and thermal efficiency at different rated capacities

2.4 爐膛壓力

爐膛壓力在規(guī)范中不作為節(jié)能評價的項目，但現(xiàn)場中往往將其作為加熱爐運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)測數(shù)據(jù)。統(tǒng)計同一區(qū)塊額定容量為1 160 kW 的燃?xì)夤苁郊訜釥t，考察爐膛壓力與熱效率的關(guān)系，見圖8。爐膛壓力與熱效率呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)爐膛壓力高于大氣壓時，爐內(nèi)燃料無法完全充分燃燒，煙氣攜帶大量未完全燃燒的燃料和高溫氣體，造成爐氣外泄，加熱爐熱效率大幅下降。統(tǒng)計數(shù)據(jù)中熱效率的高效區(qū)間集中在爐膛壓力在30~50 kPa，未出現(xiàn)爐膛壓力低于最低限值的現(xiàn)象。

圖8 爐膛壓力與熱效率的關(guān)系Fig.8 Relationship between furnace pressure and thermal efficiency

3 能效影響因素排序

從以上分析結(jié)果可知，影響加熱爐能效的因素有過?？諝庀禂?shù)、煙氣含量（O2和CO2的摩爾含量）、排煙溫度、環(huán)表溫差、負(fù)荷率、爐膛壓力等因素相關(guān)，且不同因素之間存在交互作用，在此采用熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)法確定影響因素排序[10]。

首先，構(gòu)建初始指標(biāo)矩陣，根據(jù)信息熵基本理論，計算熵值和熵權(quán)；其次，將每個加熱爐對應(yīng)的熱效率作為參考序列，將影響因素作為比較序列，通過對比不同序列之間的相似程度，計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；最后，將灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行加權(quán)歸一化處理，權(quán)重采用熵權(quán)結(jié)果，熵權(quán)賦予了每個加熱爐能效影響因素客觀權(quán)重，得到熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)度。將79 個加熱爐的數(shù)據(jù)進(jìn)行熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果見表2。其中，關(guān)聯(lián)度大于0.15 的因素從大到小排序為負(fù)荷率、排煙溫度、過剩空氣系數(shù)和環(huán)表溫差，這些是影響加熱爐能效的主控因素；煙氣成分的關(guān)聯(lián)度均小于0.1，對加熱爐能效的影響程度有限。

表2 熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)度Tab.2 Correlation degree of entropy weight-grey correlation

4 加熱爐能效改進(jìn)建議

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對該區(qū)塊加熱爐的能效改進(jìn)提出如下建議：

1）合理設(shè)置加熱爐的空燃比，保證過?？諝庀禂?shù)在1.2~1.6，使用配備自動配風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高效燃燒器，嚴(yán)格控制燃料推進(jìn)速度和設(shè)備密封程度。

2）時刻監(jiān)測排煙處各項煙氣的摩爾含量，用于輔助衡量過剩空氣系數(shù)的大小，合理調(diào)配空燃比。

3）設(shè)置煙氣回收裝置或采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)回收加熱爐余熱，定期對爐內(nèi)易結(jié)垢部位進(jìn)行停爐清理，降低爐內(nèi)灰垢、爐管結(jié)焦發(fā)生概率。

4）定期檢查爐體保溫層完整程度，及時修復(fù)受損保溫層，采用新型噴涂工藝，解決介質(zhì)出口處溫度過高造成的保溫層剝離現(xiàn)象。

5）根據(jù)產(chǎn)能情況調(diào)整加熱爐配置條件，根據(jù)季節(jié)變化調(diào)整負(fù)荷率盡量在高效區(qū)間。

6）設(shè)置爐膛壓力監(jiān)測報警裝置，當(dāng)爐膛壓力超限時，合理調(diào)整煙道擋板的開度，并配合泄壓閥降低爐膛壓力。

5 結(jié)論

1）通過梳理相關(guān)規(guī)范和節(jié)能監(jiān)測項目，對加熱爐的能效計算方法進(jìn)行了分類和匯總，其中過?？諝庀禂?shù)主要影響排煙熱損失，且與煙氣含量相關(guān)。

2） 排煙溫度和環(huán)表溫差分別與排煙熱損失、散熱損失相關(guān)；負(fù)荷率與熱效率呈拋物線關(guān)系；爐膛壓力越大，熱效率越低。

3） 基于數(shù)據(jù)分析，負(fù)荷率的權(quán)重結(jié)果最大，可作為綜合性因素，對加熱爐能效的影響程度也最大，煙氣含量對加熱爐能效的影響程度則是有限。該研究結(jié)果為提升加熱爐能效提供了理論依據(jù)。