郎爽 （大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

加熱爐是油田站場(chǎng)原油集輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備之一。加強(qiáng)加熱爐的管理，使其保持高效運(yùn)行，可有效降低天然氣消耗量，起到節(jié)能減排效果[1-2]。加熱爐高效運(yùn)行對(duì)油田節(jié)能和環(huán)境保護(hù)均有重要意義。

近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)加熱爐評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究：黃鶴楠[3]從加熱爐改造的提效性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和管理性等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)選灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)法，篩選各評(píng)價(jià)要素并賦值；王榮歡[4]采用逐步回歸分析法、主成分分析法、偏最小二乘回歸分析法對(duì)加熱爐能效的影響因素進(jìn)行綜合判定，將組合賦權(quán)法和灰色決策分析相結(jié)合，建立了油田加熱爐能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化模型；陳立達(dá)等[5]利用FLUENT 軟件對(duì)加熱爐火筒內(nèi)的天然氣燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合HYSYS 軟件，分析噴管進(jìn)口角度、煙管換熱面積和余熱回收3 個(gè)因素對(duì)能耗的影響，以熱負(fù)荷為指標(biāo)，量化了加熱爐節(jié)能技術(shù)對(duì)熱效率的貢獻(xiàn)程度；符進(jìn)[6]建立了原油集輸系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)關(guān)鍵生產(chǎn)工藝過(guò)程的能量平衡模型，給出了脫水站噸液電耗、噸液氣耗等20 余項(xiàng)能耗計(jì)算指標(biāo)。以上學(xué)者運(yùn)用不同評(píng)價(jià)方法分析了油田加熱爐能效情況，文中在已有研究的基礎(chǔ)上，將熵權(quán)法與優(yōu)劣解距離法相結(jié)合分析某采油廠加熱爐效能水平，為K 油田各采油廠節(jié)能降耗的進(jìn)一步深化提供了實(shí)際參考。

1 加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法

1.1 指標(biāo)確定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》的規(guī)定：加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)合格指標(biāo)包括空氣系數(shù)、排煙溫度、爐體表面溫差、熱效率[7-9]。4 項(xiàng)指標(biāo)是業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可且采用率最高的指標(biāo)，因此，擬采用這4 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行加熱爐綜合評(píng)價(jià)。

1.2 評(píng)價(jià)方法

首先，用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，然后利用優(yōu)劣解距離法（TOPSIS 法） 對(duì)加權(quán)矩陣進(jìn)行計(jì)算和分析，相對(duì)接近度表示評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的接近程度，從而定義加熱爐工況的優(yōu)劣，流程如下：

1） 建立指標(biāo)矩陣。收集各加熱爐4 項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。

2） 熵權(quán)法分析。進(jìn)行信息熵計(jì)算，確定4 項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，形成標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)矩陣。

3）優(yōu)劣解距離法評(píng)價(jià)。確定正、負(fù)理想運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)值；計(jì)算歐氏距離和相對(duì)接近度；對(duì)指標(biāo)進(jìn)行排序和評(píng)價(jià)，制定措施。

2 熵權(quán)-優(yōu)劣解距離法評(píng)價(jià)模型

2.1 方法原理

1） 熵權(quán)法是權(quán)重分析領(lǐng)域的一種常用方法，通過(guò)熵權(quán)法對(duì)擬評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性進(jìn)行權(quán)重輸出。根據(jù)信息熵的定義，對(duì)于某項(xiàng)指標(biāo)，可以用熵值來(lái)判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度，其信息熵值越小，指標(biāo)的離散程度越大，那么該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響（即權(quán)重） 就越大，如果某項(xiàng)指標(biāo)的值全部相等，則該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中不起作用[10]。因此，可利用信息熵這個(gè)工具，計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

2）優(yōu)劣解距離法是一種常用的組內(nèi)綜合評(píng)價(jià)方法，能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，其結(jié)果能精確地反映各評(píng)價(jià)方案之間的差距?；具^(guò)程為：基于歸一化后并經(jīng)過(guò)加權(quán)的數(shù)據(jù)矩陣，利用有限方案中各類參考指標(biāo)的最優(yōu)值和最差值構(gòu)建最優(yōu)參考方案序列和最差參考方案序列，然后分別計(jì)算各擬評(píng)價(jià)方案與最優(yōu)方案和最差方案間的距離，獲得各評(píng)價(jià)方案與最優(yōu)方案的相對(duì)接近程度，以相對(duì)接近度表示。相對(duì)接近度值越大，說(shuō)明方案就越好，相對(duì)接近度數(shù)值最大時(shí)，說(shuō)明評(píng)價(jià)方案最接近最優(yōu)參考方案且遠(yuǎn)離最差參考方案，則此方案為最優(yōu)方案。

2.2 評(píng)價(jià)模型建立

對(duì)油田加熱爐能效評(píng)價(jià)體系建立熵權(quán)-優(yōu)劣解距離法評(píng)價(jià)模型的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型。首先，構(gòu)建指標(biāo)矩陣，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并采用熵權(quán)法對(duì)油田加熱爐各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重予以量化；然后將指標(biāo)權(quán)重帶入標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)矩陣，得到標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)指標(biāo)矩陣，利用優(yōu)劣解距離法確定正、負(fù)理想運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)序列，并計(jì)算各加熱爐指標(biāo)與正、負(fù)理想運(yùn)行狀態(tài)的歐氏距離；最后根據(jù)歐氏距離計(jì)算相對(duì)接近度。

采用熵權(quán)-優(yōu)劣解距離法評(píng)價(jià)的基本步驟和方法如下：

1）構(gòu)建指標(biāo)矩陣。令加熱爐數(shù)量為m，考察指標(biāo)數(shù)量為n，記為{A1，A2，...，An}，相應(yīng)指標(biāo)為xij(1 ≤i≤m,1 ≤j≤n)，指標(biāo)矩陣為Xij=(xij)m×n。

2）指標(biāo)矩陣的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)指標(biāo)矩陣Xij=(xij)m×n處理， 得到的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范矩陣為Yij=(yij)m×n。

yij為第i個(gè)因素的第j個(gè)指標(biāo)的歸一化數(shù)值；xij為指標(biāo)原始值；m為因素個(gè)數(shù)；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

3）確定熵權(quán)權(quán)重。計(jì)算各指標(biāo)的熵值，獲得信息熵冗余度，依此計(jì)算指標(biāo)權(quán)重公式為：

式中：ωj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，%；dj為第j個(gè)指標(biāo)的信息熵冗余度。

4）標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范矩陣的加權(quán)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范矩陣Yij=(yij)m×n，考慮權(quán)值ωj，得到標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)矩陣Z。

5）確定加熱爐指標(biāo)體系的理想運(yùn)行狀態(tài)。為了獲得歐氏距離，需要定義加熱爐各指標(biāo)的理想運(yùn)行狀態(tài)，作為參考序列，參與計(jì)算，正、負(fù)理想運(yùn)行狀態(tài)的確定方式為：

式中：Z+為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的正理想解；Z-為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的負(fù)理想解；zij為經(jīng)加權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值。

6）計(jì)算歐氏距離。利用優(yōu)劣解距離法，計(jì)算各加熱爐運(yùn)行狀態(tài)與理想狀態(tài)的歐氏距離，從而對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)劣評(píng)價(jià)。

式中：D+i、D-i分別為各評(píng)價(jià)指標(biāo)與正、負(fù)理想解的歐氏距離。

7）計(jì)算相對(duì)接近度。評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的接近程度，以相對(duì)接近度表示，公式為：

式中：Ci為第i個(gè)因素的相對(duì)接近度，Ci值越大，表明評(píng)價(jià)對(duì)象越優(yōu)。

3 實(shí)例分析

以K 油田35 臺(tái)加熱爐為例，利用熵權(quán)-優(yōu)劣解距離法進(jìn)行加熱爐指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)上文所述，采用的指標(biāo)包括空氣系數(shù)、排煙溫度、爐體表面溫差、熱效率4 項(xiàng)?？諝庀禂?shù)為燃料燃燒時(shí)的實(shí)際空氣量與理論空氣量之比；排煙溫度為采用溫度計(jì)在加熱爐最后一級(jí)尾部后熱面1 m 以內(nèi)煙道上的測(cè)點(diǎn)測(cè)得的溫度；加熱爐爐體表面溫差為爐體外表面溫度與環(huán)境溫度之差，爐體表面溫度為所有溫度測(cè)點(diǎn)的算數(shù)平均值；熱效率為同一時(shí)間內(nèi)加熱爐有效輸出熱量與供給熱量的比值，是反映加熱爐能效利用情況的綜合性指標(biāo)。各加熱爐基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加熱爐基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of heating furnace

在進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理時(shí)，考慮空氣系數(shù)、排煙溫度、爐體表面溫差與加熱爐運(yùn)行效果呈負(fù)相關(guān)，而熱效率與之呈正相關(guān)，因此，對(duì)空氣系數(shù)、排煙溫度、爐體表面溫差作負(fù)向指標(biāo)處理，對(duì)熱效率作正向指標(biāo)處理。用熵權(quán)法根據(jù)公式（1） 計(jì)算，得到的各指標(biāo)權(quán)重值，即熵值法結(jié)果（表2）。

表2 熵值法結(jié)果Tab.2 Results of entropy method

由表2 可知，權(quán)重最大值為爐體表面溫差，最小值為熱效率。這與客觀認(rèn)識(shí)不符，這主要是由于熵權(quán)法是根據(jù)數(shù)據(jù)本身的離散程度來(lái)賦權(quán)，而并未考慮指標(biāo)的相互聯(lián)系，因此，利用層次分析法的賦權(quán)結(jié)果對(duì)熵值法賦權(quán)予以修正，見(jiàn)公式（7）。

式中：w″j為修正后的權(quán)重，%；w′j為修正權(quán)重系數(shù)。

修正后的權(quán)重分別為：熱效率權(quán)重38.1%；空氣系數(shù)權(quán)重22.9%；排煙溫度權(quán)重25.0%；爐體表面溫差權(quán)重14.1%。

結(jié)合權(quán)重值和標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，得到標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)矩陣Z。進(jìn)行優(yōu)劣解距離計(jì)算，根據(jù)公式（2）（3）得到正、負(fù)理想解，根據(jù)公式（4）、（5）計(jì)算各加熱爐運(yùn)行狀態(tài)與理想狀態(tài)的歐氏距離，最后通過(guò)公式（6）計(jì)算相對(duì)接近度。

將相對(duì)接近度計(jì)算結(jié)果從小到大排序，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1 可知，各加熱爐相對(duì)接近度處于0.24～0.77，平均值為0.57，低于平均值的加熱爐有15 臺(tái)，應(yīng)進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)；33#、23#、34#、10#、17#加熱爐指標(biāo)顯著低于其他加熱爐，應(yīng)立即查明原因，排除故障，使之處于良好運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 加熱爐相對(duì)接近度排序情況Fig.1 Relative proximity ranking of heating furnace

通過(guò)查閱23#、33#、34#加熱爐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3 臺(tái)加熱爐存在空氣系數(shù)顯著高于其他加熱爐，排煙溫度、爐體表面溫差較高，而熱效率較低的問(wèn)題，從而導(dǎo)致該3 臺(tái)加熱爐運(yùn)行狀態(tài)最差。加熱爐的過(guò)剩空氣系數(shù)大，則煙氣量大，通過(guò)煙氣帶走的熱量就多，加熱爐損失的能量就越大，熱效率下降；另外，煙氣中含氧氣太多，容易加速煙囪腐蝕，不利于加熱爐的良好運(yùn)行。排煙溫度過(guò)高，容易造成熱能浪費(fèi)，降低加熱爐的效率。爐體表面溫差升高可能因爐管結(jié)焦引起，而高溫會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)焦加劇，影響開(kāi)工周期和使用壽命。熱效率反映了加熱爐對(duì)熱能的利用程度，熱效率降低，表明能量損失增加。

對(duì)運(yùn)行效果不佳的加熱爐實(shí)施煙道擋板角度調(diào)節(jié)9 次，火管污垢、爐內(nèi)灰垢清理23 次，燃燒器噴氣孔堵塞清理12 次，加熱爐來(lái)液溫度調(diào)節(jié)4 次，燃?xì)夤ぷ鲏毫φ{(diào)節(jié)3 次，刷節(jié)能涂料31 次。措施前后對(duì)比，35 臺(tái)加熱爐平均熱效率由84.22%上升到87.32%，提高了3.68%，部分測(cè)試數(shù)據(jù)的措施效果對(duì)比見(jiàn)表3。至目前，措施累計(jì)節(jié)約天然氣為44.97×104m3，以天然氣3.5 元/m3計(jì)算，折合經(jīng)濟(jì)效益157.4 萬(wàn)元。

表3 措施效果對(duì)比Tab.3 Comparison of measure effectiveness

4 結(jié)論與建議

1） 考慮空氣系數(shù)、排煙溫度、爐體表面溫差、熱效率4 項(xiàng)指標(biāo)，采用熵權(quán)-優(yōu)劣解距離法對(duì)油田加熱爐綜合評(píng)價(jià)，可全面反映加熱爐運(yùn)行情況。各指標(biāo)權(quán)重大小依次為：熱效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體表面溫差。

2） 評(píng)價(jià)的35 臺(tái)加熱爐相對(duì)接近度處于0.24～0.77，其中23#、33#、34#相對(duì)接進(jìn)度接近指標(biāo)下限，說(shuō)明其遠(yuǎn)離正理想工作狀態(tài)，接近負(fù)理想工作狀態(tài)，主要由于排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體表面溫差指標(biāo)偏離最佳工況導(dǎo)致。

3）該方法的推廣，已取得一定節(jié)能效果。建議油田進(jìn)一步提高加熱爐能效監(jiān)測(cè)次數(shù)，實(shí)時(shí)掌握加熱爐運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)節(jié)，從而降低熱損失，提高加熱爐熱效率。