油田加熱爐能效限定及運(yùn)行綜合評(píng)價(jià)

孫忠輝李彬李秀娟成慶林

（1.大慶煉化公司聚丙烯廠；2.西南油氣田公司重慶氣礦江北運(yùn)銷(xiāo)部；3.大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷(xiāo)售分公司；4.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院）

油田加熱爐能效限定及運(yùn)行綜合評(píng)價(jià)

孫忠輝1李彬2李秀娟3成慶林4

（1.大慶煉化公司聚丙烯廠；2.西南油氣田公司重慶氣礦江北運(yùn)銷(xiāo)部；3.大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷(xiāo)售分公司；4.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院）

在收集各油田加熱爐生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，引入覆蓋率確定不同額定熱負(fù)荷下加熱爐的能效限定值、目標(biāo)能效限定值、節(jié)能評(píng)價(jià)值，并劃分能效等級(jí)，為企業(yè)生產(chǎn)、加工加熱爐產(chǎn)品和認(rèn)證節(jié)能產(chǎn)品提供依據(jù)。將基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)分析法應(yīng)用于加熱爐的節(jié)能監(jiān)測(cè)，不僅可得到排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體表面溫度及熱效率等各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，還可定量評(píng)價(jià)加熱爐運(yùn)行的能耗水平，便于油田企業(yè)加強(qiáng)對(duì)耗能設(shè)備的節(jié)能管理。

油田加熱爐 能效限定 熵權(quán) 灰色關(guān)聯(lián)分析 綜合評(píng)價(jià)

針對(duì)能源利用率低、能耗水平高等具體國(guó)情，我國(guó)引入了能效標(biāo)準(zhǔn)。能效標(biāo)準(zhǔn)制度的有效實(shí)施，對(duì)減緩電器、工業(yè)設(shè)備等的能源消耗增長(zhǎng)勢(shì)頭，引導(dǎo)市場(chǎng)轉(zhuǎn)換與加強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，減少環(huán)境污染和溫室氣 體 排 放 等 方 面 ， 具 有 明 顯 的 經(jīng) 濟(jì) 和 社 會(huì) 效 益[1]。節(jié)能監(jiān)測(cè)是政府推動(dòng)能源合理利用的另一項(xiàng)重要手段，為保證節(jié)能監(jiān)測(cè)工作的科學(xué)化、制度化和規(guī)范化，目前不僅統(tǒng)一規(guī)定了節(jié)能監(jiān)測(cè)需要共同遵守的技術(shù)要求，還修訂了工業(yè)主要專(zhuān)項(xiàng)用能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測(cè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。加熱爐是油田企業(yè)主要耗能設(shè)備，是油田節(jié)能的主要對(duì)象之一。因此，制定油田加熱爐能效標(biāo)準(zhǔn)、完善加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)體系，不僅能夠促進(jìn)高效、低耗加熱爐節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)，還有助于加強(qiáng)加熱爐的實(shí)際運(yùn)行管理，對(duì)于提高油田企業(yè)用能水平具有重要意義。

1 加熱爐效率及其影響因素

加熱爐熱平衡是其處于正常運(yùn)行工況下的能量收支平衡，用以明確輸入能量的有效利用和損失情況，以便有針對(duì)性地提高熱效率，減少不必要的能量損失。加熱爐熱平衡模型如圖1所示。

圖 中 ， Qin為 被 加 熱 介質(zhì)流進(jìn)加熱 爐 輸 入 能量； Qr為外界供給能量； Q2、 Q3、 Q4、 Q5分別為排煙、氣體未完全燃燒、固體未完全燃燒及散熱導(dǎo)致的能量損失； Qout為被加熱介質(zhì)流 出加熱 爐輸出能量。

圖1 加熱爐熱平衡模型

由圖1，得到加熱爐熱平衡方程：

直接測(cè)量加熱爐輸入熱量和輸出的有效利用熱量，可計(jì)算加熱爐正平衡法熱效率 η1如下：

還可通過(guò)測(cè)定各項(xiàng)能量損失來(lái)確定效率，此種反平衡法熱效率 η2計(jì)算公式為

式 中 ， q2、q3、q4、q5分 別 為 排 煙 熱 損 失 率 、氣體未完全燃燒熱損失率、固體未完全燃燒熱損失率及散熱損失率。

熱效率是評(píng)價(jià)加熱爐用能情況的主要指標(biāo)，過(guò)?？諝庀禂?shù)、熱負(fù)荷、排煙溫度等工藝參數(shù)對(duì)加熱爐節(jié)能運(yùn)行則有比較大的影響。以過(guò)?？諝庀禂?shù)為例，過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)大，降低了爐膛溫度，多余的冷空氣被加熱后增加了排煙熱損失 q2；過(guò)小則不能保證燃料的完全燃燒，增加氣體未完全燃燒熱損失 q3和固體未完全燃燒熱損失 q4，因此，合理的過(guò) 剩 空 氣系數(shù)應(yīng) 使 q2+q3+q4之和最 小[2]。

2 加熱爐能效限定與能效等級(jí)

能效標(biāo)準(zhǔn)是指規(guī)定產(chǎn)品能源性能（能源利用率）的 程 序 和 法 規(guī) ， 是 節(jié) 能 標(biāo) 準(zhǔn) 的 一 種 形 式[3]。 具有法規(guī)性質(zhì)的能效標(biāo)準(zhǔn)禁止能效值低于最低規(guī)定值的產(chǎn)品在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。引入覆蓋率，即達(dá)到能效值的產(chǎn)品的臺(tái)數(shù)占產(chǎn)品臺(tái)數(shù)的比例，確定加熱爐的能效值。具體而言，加熱爐能效限定值宜覆蓋被統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品數(shù)的 60%～80%；加熱爐目標(biāo)能效限定值宜覆蓋被統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品數(shù)的 30%～60%；加熱爐節(jié)能評(píng)價(jià)值宜覆蓋被統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品數(shù)的 30%以下。對(duì)于個(gè)別區(qū)間由于統(tǒng)計(jì)值分布的不均勻性而不能滿足上述要求時(shí)，允許有一定偏差。

根據(jù)我國(guó)石油、管道企業(yè)近 3000 臺(tái)加熱爐運(yùn)行的節(jié)能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)運(yùn)行熱效率指標(biāo)的分布情況 ， 見(jiàn) 表1[4]。

表1 加熱爐運(yùn)行熱效率統(tǒng)計(jì)

表1列出的加熱爐平均運(yùn)行效率是加熱爐能效限定值取值的參照依據(jù)，加熱爐產(chǎn)品各額定熱負(fù)荷區(qū)間的能效限定值應(yīng)不低于對(duì)應(yīng)的平均運(yùn)行效率。

經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研，搜集到國(guó)內(nèi)油田用加熱爐生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄共計(jì) 313 種，按照產(chǎn)品額定熱負(fù)荷，劃分出 10個(gè)區(qū)間，見(jiàn)表1。計(jì)算不同額定負(fù)荷下，能效限定值、目標(biāo)能效限定值、節(jié)能評(píng)價(jià)值對(duì)統(tǒng)計(jì)加熱爐產(chǎn)品的覆蓋率，并將各項(xiàng)平均值的覆蓋率繪在圖2中。

由圖2可知，平均能效限定值的覆蓋率為60.91% ； 平 均 目 標(biāo) 能 效 限 定 值 的 覆 蓋 率 為 46.49% ； 平 均 節(jié) 能評(píng) 價(jià) 值 的 覆 蓋率 為 23.24% ， 符合前文提出的指標(biāo)要求。依據(jù)上述不同額定熱負(fù)荷下能效限定值、目標(biāo)能效限定值以及節(jié)能評(píng)價(jià)值對(duì)加熱爐產(chǎn)品的覆蓋率分析，確定了加熱爐能效等級(jí)：1級(jí)為加熱爐應(yīng)達(dá)到節(jié)能評(píng)價(jià)值的能效等級(jí)，是節(jié)能產(chǎn)品的門(mén)檻； 2級(jí)為加熱爐應(yīng)達(dá)到目標(biāo)能效限定值的能效等級(jí)，是企業(yè)努力的目標(biāo)； 3級(jí)為加熱爐應(yīng)達(dá)到能效限定值的能效等級(jí)，是合格產(chǎn)品的最低 要 求[5]。

圖2 加熱爐產(chǎn)品平均能效平均覆蓋率

3 加熱爐運(yùn)行的灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)

節(jié)能監(jiān)測(cè)是依照國(guó)家有關(guān)節(jié)約能源法律、法規(guī)和能源標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)用能單位的主要耗能設(shè)備的能源利用情況進(jìn)行監(jiān)督、檢查、測(cè)試和評(píng)價(jià)工作。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) SY/T6275—2007 《油 田 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 節(jié) 能 監(jiān) 測(cè) 規(guī)范》的規(guī)定，油田加熱爐監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括排煙溫度、空氣過(guò)剩系數(shù)、爐體外表面溫度、熱效率等四項(xiàng)，全部監(jiān)測(cè)項(xiàng)目同時(shí)合格可視為“節(jié)能監(jiān)測(cè)合格設(shè)備”，否則視為“節(jié)能監(jiān)測(cè)不合格設(shè)備”。顯然，各項(xiàng)指標(biāo)在監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)過(guò)程中被視為同等重要，然而實(shí)際上，它們對(duì)加熱爐能耗的影響有大有小，彼此之間還相互作用，因此，有必要引入綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)， 全 面 反 映 各項(xiàng)指標(biāo) 對(duì) 加 熱 爐 能耗的影 響 程 度[6]。

灰色關(guān)聯(lián)是指事物之間的不確定關(guān)聯(lián)，灰色關(guān)聯(lián)分析旨在基于行為的微觀或宏觀幾何接近，以分析和確定因子間的影響程度或因子對(duì)主行為的貢獻(xiàn)程度，從而判斷出被評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣次序，關(guān)聯(lián)度越大，評(píng)價(jià)結(jié) 果 越 優(yōu)[7-8]。 雖 然 這 種 方 法 克 服 了 傳 統(tǒng)數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型方法的不足，然其將評(píng)價(jià)指標(biāo)視為同等權(quán)重，仍然具有一定的局限性。針對(duì)此種情況，引入熵權(quán)法，通過(guò)度量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的信息量，來(lái)確定灰色關(guān)聯(lián)分析各指標(biāo)的權(quán)重，避免了權(quán)重計(jì)算的主觀性，能夠?qū)訜釥t能效水 平 進(jìn) 行 科 學(xué) 、 客 觀 、 合 理 的 綜 合 評(píng) 價(jià)[9]。 基 于 熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)構(gòu)圖

文獻(xiàn)按照?qǐng)D3提出的方法和步驟對(duì)某油田 14個(gè)單位在用的 800余臺(tái)加熱爐的使用情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。首先對(duì)加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體表面溫度及加熱爐效率等指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，求得各評(píng)價(jià)指 標(biāo) 的 熵及熵權(quán) ， 結(jié) 果 如 表2 所 示[7]。

表2 加熱爐評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵及熵權(quán)

由表2可知，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)加熱爐的影響并不是一樣的，其中權(quán)重最大的是爐體表面溫度，然后是排煙溫度，權(quán)重最小的是空氣系數(shù)與熱效率。

在得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)的基礎(chǔ)上，選定排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體表面溫度及熱效率的最佳值，形成加熱爐用能評(píng)價(jià)灰色關(guān)聯(lián)分析的參考序列，可計(jì)算單臺(tái)加熱爐運(yùn)行的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明與最優(yōu)值之間相似度越大，加熱爐的工況就越好，由此得到油田各下屬單位加熱爐運(yùn)行綜合評(píng)價(jià)的優(yōu)劣 排 序 ，如圖4 所示[7]。

圖4 油田各單位加熱爐關(guān)聯(lián)度

4 結(jié)論

1）將達(dá)到能效值的產(chǎn)品的臺(tái)數(shù)占產(chǎn)品臺(tái)數(shù)的比例定義為覆蓋率，由此可確定不同額定熱負(fù)荷下油田加熱爐的能效限定值、目標(biāo)能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值并劃分能效等級(jí)，是加熱爐生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)加熱爐產(chǎn)品和企業(yè)用戶認(rèn)證節(jié)能產(chǎn)品的依據(jù)。

2）將熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法相結(jié)合，在確定爐體外表面溫度、排煙溫度、空氣系數(shù)及熱效率等各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，以關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小為依據(jù)，可定量評(píng)價(jià)加熱爐運(yùn)行的能耗水平，便于企業(yè)加強(qiáng)設(shè)備的節(jié)能管理工作。

[1]倪瑤.我國(guó)石油行業(yè)現(xiàn)狀研究與建議[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009(34):107．

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10.3969/j.issn.2095-1493.2013.008.010

2013-07-06）

孫忠輝，工程師，2003年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué) （過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)），從事聚丙烯設(shè)備技術(shù)管理工作，地址：黑龍江省大慶煉化公司聚丙烯廠，163411。