煉化企業(yè)工藝加熱爐節(jié)能運(yùn)行的綜合評(píng)價(jià)

汪佳劉富余曾慶峰余績(jī)慶劉雪暖

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

煉化企業(yè)工藝加熱爐節(jié)能運(yùn)行的綜合評(píng)價(jià)

汪佳1劉富余2曾慶峰2余績(jī)慶2劉雪暖1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

對(duì)工藝加熱爐的運(yùn)行情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，是煉化企業(yè)設(shè)備節(jié)能管理的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。采用基于熵權(quán)法和層次分析法的主客觀組合賦權(quán)法，確定排煙溫度、爐體外表面溫度、煙氣氧含量、過(guò)?？諝庀禂?shù)和熱效率等五項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。對(duì)新疆兩家石化企業(yè)的加熱爐按熱負(fù)荷大小分為四組，采用灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行的綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)比較關(guān)聯(lián)度的大小得到節(jié)能情況的排序，為企業(yè)加強(qiáng)加熱爐的節(jié)能管理提供了可靠的依據(jù)。采用ExcelVBA編程簡(jiǎn)化了加熱爐評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程，為企業(yè)評(píng)價(jià)加熱爐運(yùn)行狀況提供了便利。

工藝加熱爐 熵權(quán)法 層次分析法 灰色關(guān)聯(lián) 主客觀組合賦權(quán)法

工藝加熱爐作為煉油、化工生產(chǎn)裝置的主要耗能設(shè)備，其燃料消耗在煉化企業(yè)能耗中的比例占30%～40%[1]。近幾年，隨著節(jié)能改造的不斷實(shí)施，我國(guó)煉化企業(yè)工藝加熱爐熱效率得到提高，但仍存在自動(dòng)化程度低、排煙溫度高、散熱損失大等問(wèn)題，仍然具有一定的節(jié)能潛力。對(duì)企業(yè)加熱爐的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析其節(jié)能潛力，有助于針對(duì)性地采取措施提高加熱爐的運(yùn)行水平。

目前石化行業(yè)在加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)中，對(duì)于排煙溫度、爐體外表面溫度、煙氣氧含量、過(guò)?？諝庀禂?shù)、熱效率五個(gè)指標(biāo)，僅限于合格與不合格的評(píng)價(jià)[2]，或者在實(shí)際評(píng)價(jià)中僅靠熱效率進(jìn)行單指標(biāo)的評(píng)價(jià)。而熱效率只是直接反映了加熱爐對(duì)熱能利用程度，有時(shí)熱效率達(dá)標(biāo)但局部損失可能不達(dá)標(biāo)，因此，對(duì)加熱爐的節(jié)能運(yùn)行情況要進(jìn)行多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)。

本文引入基于熵權(quán)法和層次分析法（Analytic HierarchyProcess，簡(jiǎn)稱(chēng)AHP）的主客觀組合賦權(quán)法對(duì)五項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定權(quán)重，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)加熱爐節(jié)能運(yùn)行情況進(jìn)行分析，計(jì)算后的評(píng)價(jià)結(jié)果更科學(xué)客觀，能為加熱爐的節(jié)能技改提供更多有價(jià)值的參考依據(jù)。

1 煉化工藝加熱爐節(jié)能運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)

煉化加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)的指標(biāo)為煙氣溫度、爐體外表面溫度、煙氣氧含量、過(guò)?？諝庀禂?shù)和熱效率。前四項(xiàng)反映了爐子在排煙熱損失、未完全燃燒熱損失和散熱損失的情況。

1.1 排煙溫度

排煙溫度指在煙氣離開(kāi)最后傳熱面處，即在煙氣余熱回收段的煙氣出口處的溫度；當(dāng)沒(méi)有煙氣余熱回收段時(shí)，則在對(duì)流段煙氣出口處的溫度。排煙溫度高，煙氣帶走的熱量多，加熱爐效率低。降低排煙溫度要以盡量不發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕為原則，具體數(shù)值由煙氣組成確定。

1.2 爐體外表面溫度

爐墻的外表面溫度直接反映爐體保溫的好壞，關(guān)系到散熱損失和安全問(wèn)題。外壁溫度過(guò)高，散熱損失大，加熱爐熱效率低；外壁溫度低，可提高加熱爐效率，但爐墻要厚，一次投資增加。爐墻的外表面溫度應(yīng)按既經(jīng)濟(jì)又合理的原則來(lái)確定。

1.3 煙氣氧含量

在保證燃料充分燃燒的前提下降低氧含量，提高加熱爐熱效率。若氧含量過(guò)高，則說(shuō)明進(jìn)入加熱爐的空氣量較多，多余的氧氣作為煙氣排放，將帶走部分熱量，增大排煙損失。有時(shí)加熱爐爐體漏風(fēng)，為保證煙氣氧含量達(dá)標(biāo)而人為關(guān)小煙道擋板或風(fēng)門(mén)就容易產(chǎn)生CO含量過(guò)高的問(wèn)題。

1.4 過(guò)剩空氣系數(shù)

工業(yè)加熱爐總是要在一定過(guò)量空氣量的條件下才能完全燃燒。燃燒所用實(shí)際空氣量與理論空氣量之比叫做過(guò)?？諝庀禂?shù)。在實(shí)際操作中，如果過(guò)?？諝饬吭黾樱艧煏r(shí)大量的過(guò)?？諝鈱崃繋ё吲湃氪髿?，使得排煙損失增加，熱效率降低，見(jiàn)圖1。

圖1 過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)熱效率的影響

圖1表示在不同的排煙溫度下，過(guò)?？諝庀禂?shù)每增加0.1對(duì)熱效率下降值的影響[1]。由此可見(jiàn)，降低過(guò)剩空氣系數(shù)可以有效地減少排煙損失，提高熱效率。

1.5 熱效率

加熱爐熱效率是反映加熱爐整體運(yùn)行水平的重要指標(biāo)。影響加熱爐熱效率的主要因素有排煙溫度的高低、過(guò)?？諝庀禂?shù)大小、爐體保溫情況及其散熱損失、燃料完全燃燒程度。熱效率的計(jì)算一般采用反平衡法。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的主客觀賦權(quán)法

加熱爐的節(jié)能運(yùn)行評(píng)價(jià)是多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，必須確定科學(xué)合理的指標(biāo)權(quán)重。賦權(quán)方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法包括專(zhuān)家咨詢（Delphi）法、AHP法等，客觀賦權(quán)法包括熵權(quán)法、相關(guān)系數(shù)法等。

2.1 熵權(quán)法

熵在信息論中用來(lái)度量數(shù)據(jù)所提供的有效信息量。當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象在某項(xiàng)指標(biāo)上的值相差較大時(shí)，提供的有效信息量大，則該指標(biāo)的權(quán)重較大；反之，若某項(xiàng)指標(biāo)的值相差較小，則權(quán)重也較??；在某項(xiàng)指標(biāo)上值完全相同時(shí)，應(yīng)考慮從評(píng)價(jià)指標(biāo)中去除。因此，可以根據(jù)各個(gè)指標(biāo)指標(biāo)值的差異程度，通過(guò)熵值計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。具體步驟[3]如下：

設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象為X=（X1，X2，...，Xm），對(duì)n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)得到評(píng)價(jià)矩陣Aij={xi(j)}（xi(j)為第i個(gè)指標(biāo)的值）。對(duì)于給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)j，xi(j)的差異越大，則評(píng)價(jià)區(qū)分度的信息越大。信息熵函數(shù)表達(dá)式為：

式中：k=-1/(lnm)

可進(jìn)一步定義評(píng)價(jià)矩陣的總熵為

令

則wj可度量不同指標(biāo)的區(qū)分能力，也即各指標(biāo)權(quán)重信息。

2.2 層次分析法

層次分析法（AHP）是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L. Saaty教授于20世紀(jì)70年代初提出的一種定性與定量分析相結(jié)合的多指標(biāo)決策方法，是一種主觀賦權(quán)方法。它通過(guò)兩兩比較的方式，結(jié)合“1～9比率標(biāo)度”，確定分層結(jié)構(gòu)不同指標(biāo)的權(quán)重，并對(duì)專(zhuān)家判斷的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，若一致性不符合要求，允許重新判斷決策，從而將復(fù)雜、模糊的問(wèn)題簡(jiǎn)化、量化。該方法能模型建立和求解較簡(jiǎn)便，也能有效地降低專(zhuān)家的個(gè)人偏好對(duì)打分的影響。

2.3 主客觀組合賦權(quán)法

熵權(quán)法的突出優(yōu)點(diǎn)是：權(quán)重系數(shù)客觀性強(qiáng)，是由指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣的計(jì)算得出。但賦權(quán)法的結(jié)果中最重要的指標(biāo)不一定就有最大的權(quán)重系數(shù)，解釋性不好。因此，還必須結(jié)合層次分析法，彌補(bǔ)單純熵權(quán)法的缺陷。在實(shí)際確定指標(biāo)的權(quán)重中，可根據(jù)需要將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，采用合適的組合方式構(gòu)造組合權(quán)值，稱(chēng)之為組合賦權(quán)法[4]。組合賦權(quán)可以彌補(bǔ)單純使用主觀賦權(quán)法或客觀賦權(quán)存在的缺點(diǎn)，減少隨意性。

設(shè)主觀賦權(quán)法得出的權(quán)重向量為ω'=(ω'1,ω'2,ω'3,… )ω'n

T，由客觀賦權(quán)法得出的權(quán)重向量為ω''=(ω''1,ω''2,ω''3,… )ω''n

T，以α、β作為兩種權(quán)重向量的加權(quán)系數(shù)，則一般最終權(quán)向量表示為：

為了使主觀信息和客觀信息在排序中得到充分體現(xiàn)，考慮由主觀權(quán)重確定的加權(quán)屬性值與客觀權(quán)重確定的加權(quán)屬性值趨于一致，建立α和β的最優(yōu)化模型。主客觀評(píng)價(jià)信息的偏離程度為：

采用線性權(quán)和法化成如下的單目標(biāo)規(guī)劃模型：

解此模型：

將計(jì)算出的α、β帶入式（4）即可求出主客觀組合權(quán)重w。

3 灰色關(guān)聯(lián)度綜合評(píng)價(jià)

灰色關(guān)聯(lián)分析的基本原理是：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)列與參考數(shù)列幾何關(guān)系的比較來(lái)分清綜合評(píng)價(jià)中多個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度，序列曲線的幾何形狀越接近，則它們之間的關(guān)聯(lián)度越大，反之越小[5]。利用灰色理論建立的方法模型，能較好地克服評(píng)判過(guò)程中人為因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，為方案排序的解析化、定量化提供更為有力的手段。

設(shè)X0={x0(j),j=1,2,…,n}為參考數(shù)據(jù)序列，Xi={xi(j),j=1,2,…,n;i=1,2,…,m} 為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)序列，即共有m個(gè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)序列，每個(gè)序列共有n個(gè)指標(biāo)，根據(jù)鄧氏經(jīng)典灰色關(guān)聯(lián)法，式（10）表示第i個(gè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)序列與參考數(shù)據(jù)序列在對(duì)應(yīng)的第j個(gè)指標(biāo)的相對(duì)差值，即關(guān)聯(lián)系數(shù)為ξ0i(j)：

式中δ為分辨系數(shù)，是為了避免最大極值過(guò)大而造成關(guān)聯(lián)系數(shù)的失真，以提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性而人為規(guī)定的系數(shù)，取值范圍δ∈[ ]

0.1,1，一般取0.5。

關(guān)聯(lián)度為ri：

其中wj為主客觀賦權(quán)法計(jì)算出的權(quán)重系數(shù)，比較序列與參考數(shù)據(jù)序列的指標(biāo)曲線越相似，ri就越大，該比較序列就越優(yōu)。

4 加熱爐節(jié)能運(yùn)行的綜合評(píng)價(jià)及編程實(shí)現(xiàn)

以新疆某兩家石化公司為例，對(duì)其使用加熱爐的節(jié)能運(yùn)行情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，不同熱負(fù)荷的加熱爐受客觀條件限制，熱效率、排煙溫度、過(guò)?？諝庀禂?shù)等指標(biāo)所能達(dá)到的最好值是不同的，合格的指標(biāo)也有所不同。因此，根據(jù)熱負(fù)荷大小分為大于20MW、10～20MW、5～10MW、小于5MW等四個(gè)組，實(shí)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1~表4。

表1 大于20MW工藝加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.1 無(wú)量綱化處理

排煙溫度、爐體外表面溫度、煙氣氧含量、過(guò)?？諝庀禂?shù)為負(fù)向指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好；熱效率為正向指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。指標(biāo)數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理分別采用式（12）、式（13）：

正向指標(biāo)無(wú)量綱化：

負(fù)向指標(biāo)無(wú)量綱化：

表2 10～20MW工藝加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)

表3 5～10MW工藝加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.2 確定權(quán)重

加熱爐節(jié)能運(yùn)行的綜合評(píng)價(jià)中，采用主客觀組合賦權(quán)法來(lái)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重最為理想。首先，采用熵權(quán)法計(jì)算四組指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)公式（1）、（2）和（3）計(jì)算，所得權(quán)重值見(jiàn)表5。

從主觀因素分析，各組加熱爐的指標(biāo)重要性不因負(fù)荷變化而變化，因而只有一組權(quán)重。采用層次分析法，通過(guò)合理選取專(zhuān)家，進(jìn)行咨詢打分，其中一位專(zhuān)家的所得判斷矩陣見(jiàn)表6。

表4 小于5MW工藝加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表6 AHP法-判斷矩陣

經(jīng)計(jì)算，該判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)，綜合5位專(zhuān)家的咨詢結(jié)果，得出主觀權(quán)重為［0.2875，0.075，0.05，0.15，0.4375］。以熱負(fù)荷大于20MW一組為例，根據(jù)式（8）（9），計(jì)算得到α=0.57，β=0.43。從而反映主客觀信息的組合權(quán)重向量為：w=0.57ω'+0.43ω''，最終權(quán)重為［0.2159，0.1554，0.1554，0.1801，0.2932］。其他三組的權(quán)重以相同的方法算得，見(jiàn)表7。

表7 加熱爐各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

4.3 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

四組煉化工藝加熱爐的指標(biāo)值分別進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算，以每組各個(gè)指標(biāo)值的最優(yōu)值組成參考數(shù)據(jù)序列，根據(jù)公式（11）、（12），計(jì)算得到關(guān)聯(lián)度及其排名。關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明加熱爐的節(jié)能情況最好，由此可以得到兩家石化公司工藝加熱爐運(yùn)行綜合評(píng)價(jià)的優(yōu)劣排序。通過(guò)關(guān)聯(lián)度值的大小分為七個(gè)等級(jí)，劃分規(guī)則見(jiàn)表8。

表8 加熱爐節(jié)能運(yùn)行等級(jí)劃分表

可以得到加熱爐等級(jí)分布圖（圖2），縱坐標(biāo)表示各個(gè)等級(jí)加熱爐的臺(tái)數(shù)。等級(jí)1、等級(jí)2的加熱爐節(jié)能運(yùn)行情況最好，等級(jí)6、等級(jí)7的加熱爐用能情況較差，因而在進(jìn)行加熱爐的節(jié)能改造時(shí)優(yōu)先考慮等級(jí)6與等級(jí)7的加熱爐，尤其是編號(hào)A1008、B1010、A1005、A1002四個(gè)等級(jí)7的加熱爐，在節(jié)能改造計(jì)劃時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮。

圖2 加熱爐節(jié)能運(yùn)行等級(jí)分布圖

4.4 ExcelVBA編程實(shí)現(xiàn)

VBA（VisualBasicForApplication）是依附在Excel中的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，可以編寫(xiě)代碼使程序自動(dòng)執(zhí)行，完成復(fù)雜的運(yùn)算。在加熱爐節(jié)能運(yùn)行評(píng)價(jià)的計(jì)算中，Excel表格作為前臺(tái)指標(biāo)數(shù)據(jù)、權(quán)重?cái)?shù)據(jù)、綜合評(píng)價(jià)值的輸入和輸出，VBA程序代碼在后臺(tái)提供計(jì)算步驟，并通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的輸出。編程的算法流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 加熱爐節(jié)能綜合評(píng)價(jià)編程流程圖

5 結(jié)論

1）在煉化企業(yè)工藝加熱爐節(jié)能運(yùn)行的多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中，提出了基于熵權(quán)法和層次分析法（AHP）組合的主客觀賦權(quán)法。熵權(quán)法可以充分利用指標(biāo)數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的信息量，層次分析法有較強(qiáng)的解釋性，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，由數(shù)學(xué)規(guī)劃模型將客觀權(quán)重和主觀權(quán)重加權(quán)綜合，計(jì)算得出的結(jié)果較好地反映了權(quán)重的客觀程度和主觀解釋性，更具有科學(xué)合理性。

2）采用灰色關(guān)聯(lián)度法作為加熱爐節(jié)能運(yùn)行綜合評(píng)價(jià)的方法，包括加熱爐按負(fù)荷分類(lèi)，確定參考數(shù)據(jù)序列和比較序列，原始數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理，計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度。

3）利用ExcelVBA編程工具，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算用代碼實(shí)現(xiàn)，仍然在Excel表中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算結(jié)果的輸出。該編程工具簡(jiǎn)單易懂，大大簡(jiǎn)化了綜合評(píng)價(jià)的計(jì)算過(guò)程。

[1]錢(qián)家麟.管式加熱爐（2版）[M].北京:中國(guó)石化出版社, 2003:521-524.

[2]Q/SY1066-2010.石油化工工藝加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法.

[3]成慶林,李秀娟,吳照云.油田加熱爐節(jié)能運(yùn)行的灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11(24): 5941-5944.

[4]王中興,張紹林,劉雁.基于主客觀加權(quán)屬性值一致化的組合賦權(quán)法[J].廣西科學(xué),2007,14(3):247-249.

[5]李國(guó)良,付強(qiáng),孫勇,等.基于熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)分析模型及其應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2006,17(6): 15-18.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.09.001

2012-07-28）

汪佳，2010年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），在讀研究生，現(xiàn)從事煉油化工節(jié)能節(jié)水研究，E-mail：upcwangjia@126. com，地址：山東省青島市中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，266555。