熵權-優(yōu)劣解距離法綜合評價油田加熱爐能耗方法研究

郎爽 （大慶油田有限責任公司第三采油廠）

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

近年來，諸多學者對加熱爐評價進行了研究：黃鶴楠[3]從加熱爐改造的提效性、經濟性、技術性和管理性等方面進行評價，優(yōu)選灰色關聯(lián)綜合評價法，篩選各評價要素并賦值；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加熱爐能效的影響因素進行綜合判定，將組合賦權法和灰色決策分析相結合，建立了油田加熱爐能效評價標準化模型；陳立達等[5]利用FLUENT 軟件對加熱爐火筒內的天然氣燃燒進行數值模擬，并結合HYSYS 軟件，分析噴管進口角度、煙管換熱面積和余熱回收3 個因素對能耗的影響，以熱負荷為指標，量化了加熱爐節(jié)能技術對熱效率的貢獻程度；符進[6]建立了原油集輸系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)關鍵生產工藝過程的能量平衡模型，給出了脫水站噸液電耗、噸液氣耗等20 余項能耗計算指標。以上學者運用不同評價方法分析了油田加熱爐能效情況，文中在已有研究的基礎上，將熵權法與優(yōu)劣解距離法相結合分析某采油廠加熱爐效能水平，為K 油田各采油廠節(jié)能降耗的進一步深化提供了實際參考。

1 加熱爐評價指標與評價方法

1.1 指標確定

根據標準GB/T 31453—2015《油田生產系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》的規(guī)定：加熱爐節(jié)能監(jiān)測合格指標包括空氣系數、排煙溫度、爐體表面溫差、熱效率[7-9]。4 項指標是業(yè)內普遍認可且采用率最高的指標，因此，擬采用這4 項指標進行加熱爐綜合評價。

1.2 評價方法

首先，用熵權法計算各指標的權重，然后利用優(yōu)劣解距離法（TOPSIS 法） 對加權矩陣進行計算和分析，相對接近度表示評價對象與最優(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） 建立指標矩陣。收集各加熱爐4 項指標數據；對數據進行標準化處理，形成標準化矩陣。

2） 熵權法分析。進行信息熵計算，確定4 項指標權重；對標準化矩陣進行加權處理，形成標準化加權矩陣。

3）優(yōu)劣解距離法評價。確定正、負理想運行狀態(tài)指標值；計算歐氏距離和相對接近度；對指標進行排序和評價，制定措施。

2 熵權-優(yōu)劣解距離法評價模型

2.1 方法原理

1） 熵權法是權重分析領域的一種常用方法，通過熵權法對擬評價指標的重要性進行權重輸出。根據信息熵的定義，對于某項指標，可以用熵值來判斷某個指標的離散程度，其信息熵值越小，指標的離散程度越大，那么該指標對綜合評價的影響（即權重） 就越大，如果某項指標的值全部相等，則該指標在綜合評價中不起作用[10]。因此，可利用信息熵這個工具，計算出各個指標的權重。

2）優(yōu)劣解距離法是一種常用的組內綜合評價方法，能充分利用原始數據的信息，其結果能精確地反映各評價方案之間的差距。基本過程為：基于歸一化后并經過加權的數據矩陣，利用有限方案中各類參考指標的最優(yōu)值和最差值構建最優(yōu)參考方案序列和最差參考方案序列，然后分別計算各擬評價方案與最優(yōu)方案和最差方案間的距離，獲得各評價方案與最優(yōu)方案的相對接近程度，以相對接近度表示。相對接近度值越大，說明方案就越好，相對接近度數值最大時，說明評價方案最接近最優(yōu)參考方案且遠離最差參考方案，則此方案為最優(yōu)方案。

2.2 評價模型建立

對油田加熱爐能效評價體系建立熵權-優(yōu)劣解距離法評價模型的數學評價模型。首先，構建指標矩陣，對數據進行標準化處理，并采用熵權法對油田加熱爐各評價指標的權重予以量化；然后將指標權重帶入標準化指標矩陣，得到標準化加權指標矩陣，利用優(yōu)劣解距離法確定正、負理想運行狀態(tài)指標序列，并計算各加熱爐指標與正、負理想運行狀態(tài)的歐氏距離；最后根據歐氏距離計算相對接近度。

采用熵權-優(yōu)劣解距離法評價的基本步驟和方法如下：

1）構建指標矩陣。令加熱爐數量為m，考察指標數量為n，記為{A1，A2，...，An}，相應指標為xij(1 ≤i≤m,1 ≤j≤n)，指標矩陣為Xij=(xij)m×n。

2）指標矩陣的數據標準化處理。對指標矩陣Xij=(xij)m×n處理， 得到的標準化規(guī)范矩陣為Yij=(yij)m×n。

yij為第i個因素的第j個指標的歸一化數值；xij為指標原始值；m為因素個數；n為指標個數。

3）確定熵權權重。計算各指標的熵值，獲得信息熵冗余度，依此計算指標權重公式為：

式中：ωj為第j個指標的權重，%；dj為第j個指標的信息熵冗余度。

4）標準化規(guī)范矩陣的加權。對標準化規(guī)范矩陣Yij=(yij)m×n，考慮權值ωj，得到標準化加權矩陣Z。

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

式中：Z+為各評價指標的正理想解；Z-為各評價指標的負理想解；zij為經加權的標準化指標值。

6）計算歐氏距離。利用優(yōu)劣解距離法，計算各加熱爐運行狀態(tài)與理想狀態(tài)的歐氏距離，從而對運行狀態(tài)進行優(yōu)劣評價。

式中：D+i、D-i分別為各評價指標與正、負理想解的歐氏距離。

7）計算相對接近度。評價對象與最優(yōu)方案的接近程度，以相對接近度表示，公式為：

式中：Ci為第i個因素的相對接近度，Ci值越大，表明評價對象越優(yōu)。

3 實例分析

以K 油田35 臺加熱爐為例，利用熵權-優(yōu)劣解距離法進行加熱爐指標綜合評價，根據上文所述，采用的指標包括空氣系數、排煙溫度、爐體表面溫差、熱效率4 項?？諝庀禂禐槿剂先紵龝r的實際空氣量與理論空氣量之比；排煙溫度為采用溫度計在加熱爐最后一級尾部后熱面1 m 以內煙道上的測點測得的溫度；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點的算數平均值；熱效率為同一時間內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。各加熱爐基本參數見表1。

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

在進行數據標準化處理時，考慮空氣系數、排煙溫度、爐體表面溫差與加熱爐運行效果呈負相關，而熱效率與之呈正相關，因此，對空氣系數、排煙溫度、爐體表面溫差作負向指標處理，對熱效率作正向指標處理。用熵權法根據公式（1） 計算，得到的各指標權重值，即熵值法結果（表2）。

表2 熵值法結果Tab.2 Results of entropy method

由表2 可知，權重最大值為爐體表面溫差，最小值為熱效率。這與客觀認識不符，這主要是由于熵權法是根據數據本身的離散程度來賦權，而并未考慮指標的相互聯(lián)系，因此，利用層次分析法的賦權結果對熵值法賦權予以修正，見公式（7）。

式中：w″j為修正后的權重，%；w′j為修正權重系數。

修正后的權重分別為：熱效率權重38.1%；空氣系數權重22.9%；排煙溫度權重25.0%；爐體表面溫差權重14.1%。

結合權重值和標準化矩陣，得到標準化加權矩陣Z。進行優(yōu)劣解距離計算，根據公式（2）（3）得到正、負理想解，根據公式（4）、（5）計算各加熱爐運行狀態(tài)與理想狀態(tài)的歐氏距離，最后通過公式（6）計算相對接近度。

將相對接近度計算結果從小到大排序，結果見圖1。由圖1 可知，各加熱爐相對接近度處于0.24～0.77，平均值為0.57，低于平均值的加熱爐有15 臺，應進行及時調節(jié)；33#、23#、34#、10#、17#加熱爐指標顯著低于其他加熱爐，應立即查明原因，排除故障，使之處于良好運行狀態(tài)。

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

通過查閱23#、33#、34#加熱爐監(jiān)測數據發(fā)現，3 臺加熱爐存在空氣系數顯著高于其他加熱爐，排煙溫度、爐體表面溫差較高，而熱效率較低的問題，從而導致該3 臺加熱爐運行狀態(tài)最差。加熱爐的過剩空氣系數大，則煙氣量大，通過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行。排煙溫度過高，容易造成熱能浪費，降低加熱爐的效率。爐體表面溫差升高可能因爐管結焦引起，而高溫會進一步導致結焦加劇，影響開工周期和使用壽命。熱效率反映了加熱爐對熱能的利用程度，熱效率降低，表明能量損失增加。

對運行效果不佳的加熱爐實施煙道擋板角度調節(jié)9 次，火管污垢、爐內灰垢清理23 次，燃燒器噴氣孔堵塞清理12 次，加熱爐來液溫度調節(jié)4 次，燃氣工作壓力調節(jié)3 次，刷節(jié)能涂料31 次。措施前后對比，35 臺加熱爐平均熱效率由84.22%上升到87.32%，提高了3.68%，部分測試數據的措施效果對比見表3。至目前，措施累計節(jié)約天然氣為44.97×104m3，以天然氣3.5 元/m3計算，折合經濟效益157.4 萬元。

表3 措施效果對比Tab.3 Comparison of measure effectiveness

4 結論與建議

1） 考慮空氣系數、排煙溫度、爐體表面溫差、熱效率4 項指標，采用熵權-優(yōu)劣解距離法對油田加熱爐綜合評價，可全面反映加熱爐運行情況。各指標權重大小依次為：熱效率、排煙溫度、空氣系數、爐體表面溫差。

2） 評價的35 臺加熱爐相對接近度處于0.24～0.77，其中23#、33#、34#相對接進度接近指標下限，說明其遠離正理想工作狀態(tài)，接近負理想工作狀態(tài)，主要由于排煙溫度、空氣系數、爐體表面溫差指標偏離最佳工況導致。

3）該方法的推廣，已取得一定節(jié)能效果。建議油田進一步提高加熱爐能效監(jiān)測次數，實時掌握加熱爐運行狀態(tài)，根據監(jiān)測結果及時調節(jié)，從而降低熱損失，提高加熱爐熱效率。