加熱爐能效測(cè)試評(píng)價(jià)方法及軟件開(kāi)發(fā)

曹瑩 張洪江 王占勝 徐秀芬 張賀（.東北石油大學(xué)；.中國(guó)石油遼河油田分公司）

加熱爐、鍋爐等熱力設(shè)備是石油行業(yè)的重點(diǎn)耗能設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)石油煉化行業(yè)的加熱爐效率平均為90%，國(guó)外油氣田加熱爐的平均運(yùn)行效率為88%以上。相比于國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)加熱爐的能效水平而言，石油行業(yè)內(nèi)部各油氣田企業(yè)的加熱爐能效水平與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平具有較大差距。因此，提高加熱爐能效水平并加大對(duì)熱力設(shè)備的能效監(jiān)測(cè)力度，其關(guān)鍵在于確定一種能夠合理評(píng)價(jià)加熱爐能效水平的方法。以該評(píng)價(jià)方法為理論依據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)合理、高效開(kāi)展加熱爐能效評(píng)價(jià)工作，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行中存在的問(wèn)題，進(jìn)而提出相應(yīng)的措施建議，減少各環(huán)節(jié)損失，有效提高加熱爐效率。

1 加熱爐能效測(cè)試的分級(jí)方法

目前，加熱爐的能效測(cè)試主要分為3個(gè)等級(jí)：一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)[1]。一級(jí)測(cè)試主要適用于加熱爐產(chǎn)品的鑒定測(cè)試；二級(jí)測(cè)試主要適用于新安裝或經(jīng)大修、改造后、應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品加熱爐的驗(yàn)收或?qū)Ρ葴y(cè)試；三級(jí)測(cè)試主要適用于加熱爐的普查和定期檢測(cè)、監(jiān)測(cè)，以及小額定功率加熱爐和井口加熱爐等的測(cè)試工作。

根據(jù)油田實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)試的要求，油氣田企業(yè)每年均定期開(kāi)展相應(yīng)的設(shè)備監(jiān)測(cè)工作，對(duì)于加熱爐設(shè)備而言，即屬于三級(jí)測(cè)試的范疇，此類工作主要由各油田公司下屬的節(jié)能監(jiān)測(cè)部門或相關(guān)技術(shù)機(jī)構(gòu)承擔(dān)。該文重點(diǎn)研究加熱爐能效的三級(jí)測(cè)試相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其限值和評(píng)價(jià)方法。

2 加熱爐能效評(píng)價(jià)方法

2.1 現(xiàn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法

目前，加熱爐的能效評(píng)價(jià)主要依據(jù)GB24848—2010《石油工業(yè)用加熱爐能效限定值及能效等級(jí)》、GB/T 314531—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定加熱爐的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)為4項(xiàng)：效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體外表面溫度[2-4]。

根據(jù)加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展情況，以及現(xiàn)場(chǎng)大量的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明，上述標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用中主要存在以下兩方面問(wèn)題：

1）個(gè)別指標(biāo)的表征性較差。效率是表征加熱爐性能好壞最基本的特征參數(shù)；排煙溫度、空氣系數(shù)兩者間相互影響和制約，兩者的變化都會(huì)直接影響加熱爐效率的高低，也可作為評(píng)判加熱爐性能的考量指標(biāo)；爐體外表面溫度與加熱爐效率、排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失等均無(wú)直接關(guān)系，而散熱損失不僅與爐體外表面溫度有關(guān)，且與環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素有關(guān)，所以僅通過(guò)界定爐體外表面溫度的高低無(wú)法真實(shí)表征加熱爐的整體能效水平。

2）各項(xiàng)指標(biāo)的限值（合格/節(jié)能限定值/節(jié)能評(píng)價(jià)值）僅按燃料類型、功率范圍兩方面進(jìn)行分類匯總，并未考慮負(fù)荷率以及加熱爐類型對(duì)能效的影響。實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，負(fù)荷率對(duì)效率的影響較大，對(duì)于同一臺(tái)加熱爐，負(fù)荷率不同，其效率也可能不同，而加熱爐的類型不同，用同一種方法確定的效率指標(biāo)限值也不同。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于上述存在的問(wèn)題，結(jié)合SY/T 6381—2016《石油工業(yè)用加熱爐熱工測(cè)定》中給出的加熱爐的能耗測(cè)試和計(jì)算方法，綜合考慮加熱爐類型、負(fù)荷率、爐體外表面與環(huán)境溫度的差值等諸多因素，確定了加熱爐能效評(píng)價(jià)指標(biāo)為4項(xiàng)：效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、環(huán)境與爐體外表面的溫差（簡(jiǎn)稱“環(huán)表溫差”）。

2.3 指標(biāo)限值

根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)之間的相互關(guān)系以及熱效率的影響因素，分析研究4項(xiàng)指標(biāo)的限值確定方法。

1）熱效率。加熱爐的效率指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí)：1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)，各等級(jí)的指標(biāo)限值通過(guò)統(tǒng)計(jì)確定，具體確定方法和步驟如下：按類型、功率范圍對(duì)加熱爐進(jìn)行分類匯總。加熱爐類型包括5種：?jiǎn)位鹜矤t、多火筒爐、水套爐、管式爐、相變爐。功率范圍分為8種：P＜200、200≤P＜500、500≤P ＜1000、 1000≤ P ≤1200、 1200＜P ≤1500、1500＜P ＜2000、 2000≤ P ＜2500、 2500≤ P ≤12000；確定某一類型、某一功率范圍的熱效率1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)的指標(biāo)限值與負(fù)荷率的函數(shù)關(guān)系。選定某一類型、功率范圍的加熱爐數(shù)據(jù)，首先按負(fù)荷率R進(jìn)行篩選，選出負(fù)荷率介于20%～100%的數(shù)據(jù)作為有效分析數(shù)據(jù)。按負(fù)荷率(Rmin～Rmax)由小到大順序?qū)嵝蔬M(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)于任一負(fù)荷率，取樣本總數(shù)前10%的效率值為1級(jí)限值、樣本總數(shù)前20%為2級(jí)限值、樣本總數(shù)前60%為3級(jí)限值。具體分析時(shí)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法回歸擬合出該類型、功率范圍的加熱爐1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)效率限值與負(fù)荷率的函數(shù)關(guān)系；確定不同類型、不同功率范圍的熱效率1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)指標(biāo)限值。基于以上步驟，對(duì)其它類型、功率范圍的數(shù)據(jù)做同樣分析處理，最終確定各類型加熱爐在不同功率范圍內(nèi)的熱效率1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)限值與負(fù)荷率的函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1中所給出熱效率對(duì)應(yīng)的3個(gè)等級(jí)限值并不是確定的數(shù)值，而是關(guān)于負(fù)荷率的函數(shù)表達(dá)式。即對(duì)于某一類型、功率范圍的加熱爐而言，負(fù)荷率不同，效率對(duì)應(yīng)3個(gè)等級(jí)的限值也不同。

表1 某類型加熱爐效率限值與負(fù)荷率函數(shù)關(guān)系

2）排煙溫度、空氣系數(shù)、環(huán)表溫差。對(duì)于不同類型加熱爐，根據(jù)其所屬功率范圍，分別對(duì)3項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)按由小到大順序排列，采用樣本總數(shù)“前60%合格”原則，確定排煙溫度、空氣系數(shù)、環(huán)表溫差的合格限值。

2.4 評(píng)價(jià)方法

加熱爐的能效評(píng)價(jià)以效率為主，同時(shí)結(jié)合排煙溫度、空氣系數(shù)、環(huán)表溫差等指標(biāo)。評(píng)價(jià)采用百分法，分值分配設(shè)置如下：

1）加熱爐效率占80分，達(dá)到1級(jí)效率要求為滿分，計(jì)80分；達(dá)到2級(jí)效率要求按90%，計(jì)72分；達(dá)到3級(jí)效率要求按80%，計(jì)64分；低于3級(jí)，計(jì)0分。

2）排煙溫度達(dá)標(biāo)計(jì)8分，不達(dá)標(biāo)0分。

3）空氣系數(shù)達(dá)標(biāo)計(jì)8分，不達(dá)標(biāo)0分。

4）溫差達(dá)標(biāo)計(jì)4分，不達(dá)標(biāo)計(jì)0分。

5）綜合得分為各項(xiàng)指標(biāo)得分之和。

加熱爐的能效評(píng)價(jià)分為3個(gè)級(jí)別：I級(jí)（100分）、II級(jí)（84～99分）和III級(jí)（68～83分），分別對(duì)應(yīng)優(yōu)秀、良好、合格。各級(jí)別對(duì)應(yīng)的綜合得分。

3 軟件開(kāi)發(fā)

為了便于加熱爐現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)價(jià)工作的智能化、高效開(kāi)展，在上述理論分析研究的基礎(chǔ)上，基于VC++軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的加熱爐能效評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

3.1 軟件結(jié)構(gòu)及功能

該軟件主要用于評(píng)價(jià)加熱爐的能效水平，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，給出相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化方案。軟件主要包括4大功能模塊：測(cè)試評(píng)價(jià)、運(yùn)行優(yōu)化、批量評(píng)價(jià)、簡(jiǎn)化計(jì)算。

1）測(cè)試評(píng)價(jià)。主要功能為對(duì)單臺(tái)加熱爐進(jìn)行能效評(píng)價(jià)。根據(jù)單臺(tái)加熱爐的基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體結(jié)果，并與其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)限值比較，給出各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)而給出單臺(tái)加熱爐的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，即能效評(píng)價(jià)級(jí)別（優(yōu)秀、良好、合格、不合格）。

2）運(yùn)行優(yōu)化。主要功能為對(duì)單臺(tái)加熱爐進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)而提高其能效水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。根據(jù)單臺(tái)加熱爐的實(shí)際工況，通過(guò)調(diào)整負(fù)荷率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體外表面溫度等參數(shù)，得到不同運(yùn)行參數(shù)下系統(tǒng)的能耗及能效水平，給出一系列運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的可行方案?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)自身的實(shí)際生產(chǎn)需求選擇適用的方案以實(shí)施改進(jìn)措施[5-7]。

3）批量評(píng)價(jià)。主要功能對(duì)多臺(tái)加熱爐統(tǒng)一進(jìn)行能效評(píng)價(jià)。將被測(cè)試/評(píng)價(jià)的多臺(tái)加熱爐批量導(dǎo)入系統(tǒng)中，系統(tǒng)將針對(duì)每臺(tái)加熱爐分別給出其對(duì)應(yīng)的能效評(píng)價(jià)結(jié)果。

4）簡(jiǎn)化計(jì)算。主要功能為對(duì)單臺(tái)加熱爐的能耗及能效進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。根據(jù)加熱爐所用燃料氣質(zhì)不同，系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)計(jì)算得到加熱爐的能耗及能效情況。主要適用于基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)不全或?qū)y(cè)試精度要求不高的情況。

3.2 軟件流程

軟件的核心為測(cè)試評(píng)價(jià)、運(yùn)行優(yōu)化兩大功能模塊，圖1所示為兩大核心模塊的流程設(shè)計(jì)框圖。

圖1 加熱爐測(cè)試評(píng)價(jià)及優(yōu)化流程

3.2.1 測(cè)試評(píng)價(jià)流程

測(cè)試評(píng)價(jià)模塊主要是根據(jù)單臺(tái)加熱爐的基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的限值，進(jìn)而給出加熱爐的能效評(píng)價(jià)結(jié)果，圖2所示為其流程框圖。

該流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)限值的計(jì)算及能效評(píng)價(jià)：

1）指標(biāo)限值計(jì)算。通過(guò)圖2所示的流程設(shè)置，根據(jù)加熱爐的實(shí)際運(yùn)行工況（加熱爐類型、功率、負(fù)荷率）以及相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)（熱效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體外表面溫度、環(huán)境溫度），計(jì)算得到4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相應(yīng)限值。

圖2 加熱爐測(cè)試評(píng)價(jià)流程框圖

2）能效評(píng)價(jià)。在確定各單項(xiàng)指標(biāo)限值的基礎(chǔ)上，根據(jù)前述的評(píng)價(jià)方法，確定加熱爐各單項(xiàng)指標(biāo)以及綜合得分情況，最終確定出加熱爐的能效級(jí)別。

3.2.2 運(yùn)行優(yōu)化流程

運(yùn)行優(yōu)化模塊是以加熱爐的測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)，針對(duì)結(jié)果不理想的設(shè)備，通過(guò)對(duì)其運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)加熱爐的提效目的。具體流程如圖3所示。

圖3 加熱爐運(yùn)行優(yōu)化流程框圖

針對(duì)加熱爐的能效評(píng)價(jià)結(jié)果，軟件會(huì)選擇性給出相應(yīng)的優(yōu)化方案，主要包括加強(qiáng)日常管理、變負(fù)荷優(yōu)化、參數(shù)調(diào)整三方面。

4 軟件應(yīng)用效果

以某油田的水套加熱爐為例，進(jìn)行軟件應(yīng)用效果分析。加熱爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

1）類型：水套爐。

2）功率：額定功率為0.697 MW。

3）測(cè)試數(shù)據(jù)：負(fù)荷率為36.67%、效率82.77%、排煙溫度186.6℃、空氣系數(shù)1.5、爐體外表面溫度43.9℃、環(huán)境溫度22℃、環(huán)表溫差21.9℃。

4）能效級(jí)別要求：II級(jí)。

4.1 能效評(píng)價(jià)

基于水套加熱爐的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)指標(biāo)限值、評(píng)價(jià)方法及能效評(píng)價(jià)流程和步驟，經(jīng)軟件分析計(jì)算得到4項(xiàng)單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的限值要求，見(jiàn)表2。

表2 實(shí)測(cè)水套加熱爐指標(biāo)限值要求

根據(jù)表2中的指標(biāo)限值，計(jì)算各單項(xiàng)指標(biāo)的得分及綜合得分，最終得到加熱爐能效評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 實(shí)測(cè)水套加熱爐能效評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表3中的評(píng)價(jià)結(jié)果分析可知，該水套加熱爐的效率較低，僅為3級(jí)；排煙溫度、空氣系數(shù)合格，環(huán)表溫差超標(biāo)。綜合得分80分，整體能效水平為Ⅲ級(jí)，未滿足Ⅱ級(jí)要求，需進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整。

4.2 運(yùn)行優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)該加熱爐效率和整理能效水平的提升，軟件系統(tǒng)經(jīng)分析，主要從調(diào)整空氣系數(shù)和環(huán)表溫差兩方面給出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

4.2.1 優(yōu)化方案

優(yōu)化方案主要包括3類：調(diào)整空氣系數(shù)、調(diào)整環(huán)表溫差、同時(shí)調(diào)整空氣系數(shù)和環(huán)表溫差，對(duì)應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表4～表6。

表4 空氣系數(shù)優(yōu)化調(diào)整結(jié)果

表5 環(huán)表溫差優(yōu)化調(diào)整結(jié)果

表6 2項(xiàng)參數(shù)同時(shí)優(yōu)化調(diào)整結(jié)果

4.2.2 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)上述3類優(yōu)化方案結(jié)果的對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論：

1）調(diào)整空氣系數(shù)。隨著空氣系數(shù)的逐漸增大，排煙溫度逐漸降低、排煙熱損失逐漸降低、加熱爐效率逐漸增大。當(dāng)空氣系數(shù)增大至1.79時(shí)，效率由3級(jí)提升為2級(jí)，整體能效水平提升為II級(jí)；若空氣系數(shù)繼續(xù)增大至1.95時(shí)，效率提升為2級(jí)，但由于空氣系數(shù)超標(biāo)，導(dǎo)致整體能效仍為III級(jí)。因此，通過(guò)合理調(diào)整空氣系數(shù)，則可實(shí)現(xiàn)加熱爐效率和整體運(yùn)行狀態(tài)的共同提升，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2）調(diào)整環(huán)表溫差。該方案主要以降低環(huán)表溫差（即爐體外表面溫度）為主要手段。由表5可知，隨著環(huán)表溫差的降低，加熱爐的整體能效水平由III級(jí)提升為II級(jí)。該方案的優(yōu)勢(shì)在于整體能效提升的效果明顯。

3）同時(shí)調(diào)整空氣系數(shù)和環(huán)表溫差。該方案是在前兩種單一調(diào)參方法的基礎(chǔ)上，形成的一種綜合優(yōu)化調(diào)整方案。該方案的優(yōu)勢(shì)在于綜合考慮了空氣系數(shù)、排煙溫度以及環(huán)表溫差對(duì)加熱爐效率的影響，從多方面入手，在實(shí)現(xiàn)效率提升的同時(shí)，保證加熱爐整體能效級(jí)別的提升，且效果較為明顯。

綜合上述分析可知，若要提升加熱爐的整體能效水平，首要考慮從不合格的指標(biāo)入手，分析原因，采取優(yōu)化調(diào)整措施，將單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行提升。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮與其它幾項(xiàng)指標(biāo)間的相互影響作用，做到統(tǒng)籌分析，實(shí)現(xiàn)加熱爐的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供基礎(chǔ)保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，加熱爐提效是實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)降本增效的重要著力點(diǎn)，而提效的關(guān)鍵在于通過(guò)合理的測(cè)試及評(píng)價(jià)方法切實(shí)了解加熱爐的能效水平，找到其低效的原因所在。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有加熱爐能效測(cè)試及評(píng)價(jià)方法的分析研究，采用多要素分析法，綜合考慮加熱爐類型、負(fù)荷率等因素對(duì)加熱爐能效的影響，確定了能夠合理反映加熱爐能效水平的4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并給出了各項(xiàng)指標(biāo)的限值確定方法。在此基礎(chǔ)上，采用加權(quán)分析、百分法，確定了加熱爐的能效評(píng)價(jià)方法。

同時(shí)，為了提高現(xiàn)場(chǎng)加熱爐測(cè)試評(píng)價(jià)的工作效率，利用VC++平臺(tái)，采用C程序語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件。該軟件主要可以實(shí)現(xiàn)加熱爐的能效評(píng)價(jià)及運(yùn)行優(yōu)化等功能。通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行的水套加熱爐的應(yīng)用實(shí)踐效果分析可知，確定的加熱爐能效評(píng)價(jià)方法能夠合理反映加熱爐的能效水平，研發(fā)的軟件系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)加熱爐能效水平的準(zhǔn)確分析和評(píng)價(jià)，還可以有針對(duì)性地給出運(yùn)行優(yōu)化的措施和建議。無(wú)論是理論評(píng)價(jià)方法還是軟件系統(tǒng)，都能夠?qū)?shí)際的加熱爐測(cè)試評(píng)價(jià)工作以及相應(yīng)的提效等節(jié)能管理工作提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。