氣田加熱爐節能監測評價標準的制定研究

嚴海芬，楊良杰，王維星，陳武寧

中國石化中原油田分公司技術監測中心（河南濮陽457001）

■標準化

氣田加熱爐節能監測評價標準的制定研究

嚴海芬，楊良杰，王維星，陳武寧

中國石化中原油田分公司技術監測中心（河南濮陽457001）

加熱爐是氣田生產系統的主要用能設備，由于缺少相應的節能監測評價標準，制約了節能工作的開展。運用能量平衡原理，采用黑匣子方法，研究了氣田加熱爐的耗能方式及其影響因素，確定主要評價項目，分析不同因素對氣田加熱爐能效的影響規律，評估對評價項目的影響程度，研究制定了科學合理的評價標準。現場應用表明，該評價標準具有較好地適應性，為氣田生產系統節能評價方法提供了科學合理的依據，有助于氣田節能工作的全面開展。

氣田加熱爐；節能監測；評價標準

1 標準研究的必要性分析

加熱爐是氣田生產系統的主要用能設備，隨著我國氣田生產規模的不斷擴大，其能耗問題和節能管理逐漸受到關注。通過節能監測，對其能耗狀況進行分析評價，采取節能技術措施，有利于提高節能管理水平，促進節能技術進步。由于缺乏相關的監測與評價技術標準，制約了氣田生產系統節能工作的開展[1]。

2 天然氣加熱爐能效評價方法研究

2.1 評價項目的確定

氣田加熱爐和油田加熱爐在工作原理、結構等方面是相同的，因此氣田用加熱爐的評價項目可參考以下相關標準。參照GB 24848-2010《石油工業用加熱爐能效限定值與能效等級》、SY/T 6275-2007《油田生產系統節能監測規范》等標準，初步確定天然氣加熱爐評價項目為：熱效率、排煙溫度、空氣系數、爐體外表面溫度[2-6]。

結合現場實際情況，對部分評價項目作進一步的修正。其中，爐體表面溫度主要反映爐體散熱損失。考慮爐體表面溫度與環境溫度關系較大，環境溫度高時，爐體表面溫度相應也高，此時采用爐體表面溫度作為評價項目，可能超過評價值，但散熱損失并不大；而環境溫度低時，爐體表面溫度相應也低，此時有可能存在爐體表面溫度雖在合格范圍內，但散熱損失卻較大的情況，失去了評價意義。因此采用爐體表面溫度與環境溫度的差值或表面熱流密度更為科學。

根據不完全燃燒熱損失理論計算，一氧化碳含量與氣體不完全燃燒熱損失成正比。假設空氣系數為2，不完全燃燒熱損失理論計算結果見表1。

表1 不完全燃燒熱損失理論計算結果

由表1可以看出，當一氧化碳含量高于0.20%時，不完全燃燒熱損失顯著增大。統計122臺加熱爐，一氧化碳含量≥0.20%的12臺，約占10%。因此將一氧化碳含量作為反映燃燒完全程度的評價指標。

最終確定評價指標見表2。

表2 加熱爐評價項目

2.2 天然氣加熱爐效率理論分析

依據加熱爐反平衡熱效率的計算方法對加熱爐進行理論分析。熱效率的反平衡測試按照公式（1）進行，通過測出加熱爐的各項熱損失，然后按照公式計算出加熱爐的熱效率：

式中：η反為加熱爐反平衡熱效率，%；qj1為加熱爐有效吸熱量占輸入能量的百分比，%；qj2為加熱爐排煙熱損失占輸入能量的百分比，%；qj3為燃料不完全燃燒熱損失占輸入能量的百分比，%；qj4為散熱損失占輸入能量的百分比，%。

排煙熱損失qj2

式中∶α為排煙處過量空氣系數；tpy為排煙溫度，℃；t0為環境溫度，℃。

不完全燃燒熱損失qj3

加熱爐運行時外壁溫度高于周圍空氣溫度而向外界散熱，形成散熱損失，依據對流傳熱的原理，散熱量占輸入能量的百分比應該是散熱損失qj4。

式中∶h為對流傳熱系數，W/(m2·℃)；B為燃料消耗量，m3/h；Qr為燃料低位發熱量，kJ/m3；S為加熱爐當量散熱面積，m2；ty為爐體外表面平均溫度，℃；t0為環境溫度，℃。

由于對流傳熱系數與加熱爐的周圍的風速、風向等等有關，這些參數具有不確定性，不易測試。況且各氣田的天然氣的低位發熱量相差很小，為簡化分析，將燃料低位發熱量近似為常數。因此，在燃料消耗量一定的情況下，將對流傳熱系數、燃氣消耗量、燃料低位發熱量歸為常數項C0。

式中：h為對流傳熱系數，W/(m2·℃)；B為燃料消耗量，m3/h；Qr為燃料低位發熱量，kJ/m3。

加熱爐當量散熱面積∶

式中∶h為對流傳熱系數，W/(m2·℃)；Δt為爐體外表面平均溫度與環境溫度之差，℃；A為加熱爐散熱面積，m2；hpj為平均對流傳熱系數，W/(m2·℃)；Δtpj為爐體外表面平均溫度與環境溫度之差的平均值，℃。

經過查找某系列加熱爐的參數可知，爐體設計散熱面積與加熱爐的額定功率的0.6次方成線性關系。A∞P0.6，即A=b1·P0.6+b2，由此可知，S∞A，即可得：S=b3·A+b4=b3·b1·P0.6+b3·b2+b4

式中∶A為加熱爐散熱面積，m2；P為加熱爐額定功率，kW；b,b1,b2,b3,b4,b5,b6為常數；C為提取出的常數，由現場測試可知，其表征的是加熱爐結構的影響。

式中∶P為加熱爐額定功率，kW；C0，C1，C2為常數；S為當量散熱面積；ty為爐體外表面平均溫度，℃；t0為環境溫度，℃。

將式（2）、（3）、（8）代入式（1），結果見式（9）：

對式（9）中的變量α、βCO、tpy、t0、P、ty分別求偏導數，結果見表3。

表3 各變量的偏導數

2.3 評價分類因子分析與確定

依據理論分析可以確定影響加熱爐的因素：空氣系數、排煙一氧化碳含量、排煙溫度、環境溫度、額定功率、爐體外表面平均溫度。根據測試實踐，影響加熱爐運行指標的客觀因素中最主要的為額定效率、負荷率、環境溫度對熱效率的影響和環境溫度對爐體表面溫度的影響。

2.3.1 額定功率與熱效率

在加熱爐運行負荷相近（15%～40%）的情況下，對不同額定功率的加熱爐的熱效率進行統計。數據統計見表4，對比見圖1。

表4 加熱爐額定功率與熱效率數據統計表

圖1 加熱爐額定功率與熱效率關系對比圖

通過測試數據分析，在加熱爐運行負荷率相近的情況下，加熱爐熱效率隨著額定功率的增大而提高。

2.3.2 負荷率與熱效率

對加熱爐按相同額定功率（1 000kW）在不同運行負荷下的熱效率進行進一步統計，統計數據見表5，對比見圖2。

表5 相同額定功率加熱爐負荷率與熱效率數據統計表

圖2 相同額定功率加熱爐負荷率與熱效率關系對比圖

由圖2可以看出，負荷率與熱效率存在顯著的相關性。

2.3.3 環境溫度與熱效率

對加熱爐在不同測試環境下的熱效率進行統計，統計數據見表6，對比見圖3。

表6 環境溫度與熱效率數據統計表

圖3 環境溫度與熱效率關系對比圖

通過對比分析，加熱爐測試期間的環境溫度與加熱爐熱效率關系不明顯，不是影響熱效率的主要因素。

從統計分析的結果可以看出，影響熱效率的主要因素為額定功率、負荷率。

3 評價指標

通過研究，確定天然氣加熱爐評價項目為熱效率、排煙溫度、空氣系數、一氧化碳含量、爐體外表面與環境的溫差。下面以統計分析方法研究得出的熱效率指標為例，確定熱效率的評價值并進行驗證。

通過對加熱爐熱效率與相關參數的統計分析，加熱爐熱效率主要和加熱爐額定功率和加熱爐運行負荷有關，在負荷相近的情況下，加熱爐額定功率越大熱效率越高；在額定功率相同的情況下，加熱爐負荷越高熱效率越高。

參照GB 24848-2010《石油工業用加熱爐能效限定值與能效等級》，結合氣田加熱爐統計數據，將加熱爐按額定功率分為≤200、200～500、500～1 000kW 3個區間。不考慮負荷的影響，統計結果見表7。

表7 加熱爐熱效率統計結果/%

如按70%合格為限定值，30%合格為節能評價值，則經取整處理后并考慮指標的合理間距，確定評價指標見表8。

表8 加熱爐熱效率評價指標

對額定功率小于200kW的加熱爐進行統計，得出圖4。

根據圖形得出熱效率與運行負荷率的關系式y=0.1021x+67.566，即負荷率每變化10個百分點，則效率變化約1個百分點。根據實測數據統計，最高運行負荷為64.3%，平均負荷為35.5%，為簡化評價工作，將加熱爐按10%～30%、30%以上分為2個區間，取區間平均負荷率對前述評價指標進行修正，得到評價指標，見表9。

圖4 負荷率與熱效率關系對比圖

表9 加熱爐熱效率評價指標

通過統計分析方法和回歸分析方法確定評價指標，2種分析方法得到的加熱爐的熱效率的限定值和節能評價值非常接近，為使結果更加準確，對2種方法得到的結果進行求平均值的方法進行處理。

綜合統計分析方法和回歸分析方法，最終得到加熱爐各項評價項目的評價指標，見表10。

GB 24848-2010《石油工業用加熱爐能效限定值與能效等級》規定的產品能效指標，見表11。

從表11可以看出，節能評價值接近國標規定的3級能效指標（對新產品額定效率最低要求）。

4 現場應用

天然氣加熱爐節能監測方法研究制定后，2014年以來在中國石化主要氣田現場應用51臺次，達到節能評價值的13臺，占評價總數的25.5%；達到限定值的30臺，占評價總數的58.8%。其中：

1）西南油氣分公司新場氣田共測試加熱爐9臺，采用以上評價指標評價加熱爐熱效率，達到節能評價值的2臺，占測試總數的22.2%，達到限定值的5臺，占測試總數的55.6%。

2）西北油田分公司雅克拉氣田共測試加熱爐7臺，采用以上評價指標評價加熱爐熱效率，達到節能評價值的2臺，占測試總數的28.6%，達到限定值的5臺，占測試總數的71.4%。

3）東北油氣分公司松南氣田共測試加熱爐4臺，采用以上評價指標評價加熱爐熱效率，達到節能評價值的1臺，占測試總數的25.0%，達到限定值的1臺，占測試總數的25.0%。

4）中原油田分公司普光氣田共測試加熱爐31臺，采用以上評價指標評價加熱爐熱效率，達到節能評價值的8臺，占測試總數的25.8%，達到限定值的19臺，占測試總數的61.3%。

通過驗證，研究確定的節能評價方法和評價指標能夠滿足不同類型不同開發階段氣田天然氣加熱爐的節能測試評價需要。

表10 加熱爐評價指標

表11 加熱爐熱效率能效指標/%

5 結論與認識

1）研究制定的氣田加熱爐節能監測評價標準通過現場測試與分析驗證，適應性好，能夠為天然氣加熱爐能效評價及節能挖潛措施的制定提供可靠的依據。

2）天然氣加熱爐節能監測方法的制定為氣田生產系統節能監測標準的制定奠定了基礎，有助于氣田生產系統節能工作的全面開展。

[1]李明,李曉剛,付冬梅,等.煉油廠加熱爐熱效率綜合測定技術[J].石油化工腐蝕與防護,2003,20（5）∶6-11.

[2]譚寧,李根先,周紅梅,等.加熱爐熱效率的影響因素及對策[J].河南石油,2003,17（Z1）∶89-90.

[3]陳魯,甄東勝,劉青,等.提高水套加熱爐熱效率的方法與實踐[J].節能,2004（2）∶47-48.

[4]楊良杰,李哲.加熱爐熱效率與負荷關系研究[J].石油和化工節能,2011（6）∶4-8.

[5]石油工業節能節水專業標委會.油田生產系統節能監測規范：SY/T 6275-2007[S].北京：中國標準出版社，2007.

[6]全國能源基礎與管理標準化技術委員會.石油工業用加熱爐能效限定值與能效等級∶GB 24848-2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

The heating furnace is major energy consumption equipment of gasfield production system,and the lack of energy saving eval?uation standard restricts the development of energy-saving work.The energy consumption way of gasfield heating furnace and its influ?encing factors were studied using energy balance principle and black box method,the main energy-saving evaluation indexes of gasfield heating furnace are determined,the influence laws and degrees of the influence factors on the gasfield heating furnace energy efficiency are analyzed,and a scientific and reasonable energy saving evaluation standard for gasfield heating furnace was formulated.The field ap?plication shows that the evaluation standard has good adaptability,which provides a scientific and reasonable basis for the energy saving evaluation of gas field production system,and it is helpful to the comprehensive development of the energy conservation work in the gas fields.

gas field heating furnace;energy saving monitoring;evaluation standard

路萍

2015-10-30

嚴海芬（1981-），女，工程師，從事節能監測與研究、節能標準編制等方面的工作。