氣田鍋爐節能監測評價標準研究

劉洪霞

中國石化中原油田分公司技術監測中心　（河南　濮陽　457001）

鍋爐是氣田生產系統的主要用能設備，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。2010年以前工業鍋爐節能監測評價依據GB/T 15317—1994《工業鍋爐節能監測方法》，但此標準在2009年修訂后為GB/T 15317—2009《燃煤工業鍋爐節能監測》，僅適用于燃煤工業鍋爐，未對燃氣鍋爐規定評價方法。由于缺乏相關的監測評價技術標準，制約了氣田生產企業在用鍋爐節能監測工作的開展。

1　氣田鍋爐節能監測評價方法研究

1.1　確定評價項目

GB/T 15317—2009《燃煤工業鍋爐節能監測》規定燃氣鍋爐評價項目為熱效率、排煙溫度、空氣系數、爐外表面溫度[1]；GB/T 17954—2007《工業鍋爐經濟運行》規定燃氣鍋爐評價項目為熱效率、排煙溫度、空氣系數[2]。確定氣田用鍋爐評價項目為熱效率、排煙溫度、空氣系數、爐體表面溫度。

1.2　鍋爐效率的理論分析

按照GB/T 10180—2003規定的測試方法進行，測出鍋爐的各項熱損失[3]，即可按照反平衡方法計算出鍋爐效率：

式中：q1為鍋爐熱效率，%；q2為排煙熱損失，%；q3為氣體不完全燃燒熱損失，%；q4為未完全燃燒熱損失，%；q5為散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%。由于分析的是氣田鍋爐，燃料為天然氣，因此，q4可忽略，近似為 0；q6為 0。

1）排煙熱損失 q2：

式中：Kq4為修正系數，%；Qr為輸入熱量，kJ/m3；Hpy為排煙處煙氣焓，kJ/m3；Hlk為入爐冷空氣焓，kJ/m3。

2）氣體不完全燃燒熱損失q3：

式中：Vgy為排煙處煙氣體積，m3/kg；CO′、H2′、CmHn′為排煙處CO、H2、CmHn的百分數，%。

3）散熱損失 q5：

式中：F為鍋爐散熱表面積，m2；B為燃料消耗量，m3/h。

1.3　確定評價分類因子

依據以上的理論分析，可以確定影響鍋爐的因素有：空氣系數、一氧化碳含量、排煙溫度、環境溫度、爐側表面溫度、爐頂表面溫度。對于一氧化碳含量，由于其單位是ppm，其值非常小，對效率影響不大；但由于其值的變化范圍較大，導致后續分析的不準確，因此舍去一氧化碳含量這一因素。

根據測試實踐，影響天然氣鍋爐運行指標的客觀因素主要有鍋爐額定蒸發量、負荷率等。

1.3.1不同額定功率條件下鍋爐的熱效率

2012—2013年收集了氣田生產系統50臺次的鍋爐節能監測數據，在鍋爐運行負荷相近的情況下，對不同額定功率鍋爐的熱效率進行統計。數據統計見表1。

表1　不同額定功率下熱效率統計表

1.3.2負荷率對鍋爐熱效率的影響

在相同額定功率情況下，對不同負荷率鍋爐的熱效率進行統計。數據統計見表2。

表2　相同額定功率、不同負荷率下熱效率統計表

鍋爐熱效率與額定功率、負荷率顯性相關。熱效率隨額定功率與負荷率的增大而增大。

對所有氣田測試的28臺鍋爐數據進行系統聚類分析。通過分析發現將其聚成2類，能夠很好地反映出數據的異常。具體的分類結果見表3。

表3　聚類分析結果表

由表3可以看出，此次分類是以鍋爐的額定功率為基準劃分的。第一類只有3臺，比較少，因此決定分析第二類數據，之后再對第一類數據進行延伸。對第二類鍋爐的各項因素進行灰關聯分析，結果見表4。

1）統計分析結果：鍋爐熱效率與額定功率、負荷率顯性相關。

2）聚類分析鍋爐效率的結果：分類可以額定功率為基準進行劃分。

3）灰關聯的結果：鍋爐熱效率影響因子共6項，排煙溫度、負荷率、爐頂表面溫度、爐側表面溫度、空氣系數和額定功率。

綜合以上結果，考慮排煙溫度、爐頂表面溫度、爐側表面溫度、空氣系數在熱效率計算中已包含，因此確定分類因子為額定功率和負荷率。

表4　各影響因素與鍋爐效率的灰色關聯度排序　ρ=0.05

2　評價指標

2.1　熱效率

鍋爐熱效率評價指標根據統計測試的鍋爐熱效率[4-5]計算結果，得出燃氣鍋爐熱效率評價指標。

1）共統計分析10臺負荷率在20%~40%、額定功率2.8 MW的鍋爐。熱效率統計結果見表5。

表5　額定蒸發量2.8 MW的鍋爐熱效率統計表

若按70%合格為限定值，30%合格為節能評價值，限定值為78.3%，節能評價值為80.4%，評價值取整數，確定額定蒸發量2.8 MW的燃氣鍋爐在負荷率為20%~40%時的熱效率合格指標為78%。

2）統計10臺額定蒸發量為7 MW的燃氣鍋爐，平均負荷率為64.1%。額定蒸發量7 MW的鍋爐熱效率測試結果匯總見表6。

若按70%合格為限定值，30%合格為節能評價值，限定值為87.9%，節能評價值為89.6%，評價指標取整數，確定額定蒸發量7 MW的燃氣鍋爐在負荷率為≥60%時的熱效率限定值為88%，節能評價值為90%。

表6　額定蒸發量7.0 MW的鍋爐熱效率匯總表

其他額定功率范圍的鍋爐有負荷率的數據較少，統計數據不具代表性，其評價指標參照GB/T 15317—2009《燃煤工業鍋爐節能監測》的5.1熱效率合格指標的階梯性來確定[1]。最終確定的熱效率評價指標見表7。

2.2　排煙溫度

根據統計的鍋爐排煙溫度測試結果[6]，得出燃氣鍋爐排煙溫度評價指標。

1）共統計分析18臺額定功率2.8 MW燃氣鍋爐，排煙溫度測試結果匯總見表8。按照70%設備合格率的原則，確定額定功率2.8 MW的燃氣鍋爐排煙溫度合格指標為200℃。

2）共統計分析10臺額定功率4.2 MW燃氣鍋爐，排煙溫度測試結果匯總見表9。按照70%設備合格率的原則，取整后確定額定功率4.2 MW的燃氣鍋爐排煙溫度合格指標為180℃。

表7　熱效率合格指標

表8　額定蒸發量2.8 MW的鍋爐排煙溫度指標匯總表

3）共統計分析18臺額定功率7.0 MW燃氣鍋爐，排煙溫度測試結果匯總見表10。按照70%設備合格率的原則，取整數后確定額定功率7.0 MW的燃氣鍋爐排煙溫度合格指標為130℃。

與相關標準限定值對比：GB/T 17954—2007《工業鍋爐經濟運行》的6.2規定排煙溫度合格指標＜160℃。按設備70%合格率，以上結論中額定功率7.0 MW符合國標規定的合格指標，其他不符合國標規定的合格指標，遵守行業標準要求不能低于國家標準的原則，確定燃氣鍋爐排煙溫度合格指標≤160℃。

表9　額定蒸發量4.2 MW的鍋爐排煙溫度指標匯總表

表10　額定蒸發量7.0 MW的鍋爐排煙溫度指標匯總表

2.3　空氣系數

鍋爐空氣系數評價指標根據統計測試的鍋爐空氣系數計算結果，得出燃氣鍋爐空氣系數評價指標。

1）額定功率2.8 MW的鍋爐空氣系數測試結果匯總見表11。

表11　額定蒸發量2.8 MW的鍋爐空氣系數匯總表

共統計分析18臺額定功率2.8 MW燃氣鍋爐。按照70%設備合格率的原則，取整后確定額定功率2.8 MW的燃氣鍋爐空氣系數合格指標為2.2。

2）額定功率4.2 MW的鍋爐空氣系數測試結果匯總見表12。

共統計分析10臺額定功率4.2 MW燃氣鍋爐。按照70%設備合格率的原則，取整確定額定功率4.2 MW的燃氣鍋爐空氣系數合格指標為2.0。

3）額定功率7.0 MW的鍋爐空氣系數測試結果匯總見表13。

共統計分析18臺額定功率7.0 MW燃氣鍋爐。按照70%設備合格率的原則，取整后確定額定功率7.0 MW的燃氣鍋爐空氣系數合格指標為1.9。

GB/T 17954—2007《工業鍋爐經濟運行》6.4中規定燃氣鍋爐空氣系數合格指標為＜1.2，GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》4.6.2中規定額定功率≥1.4 MW，燃氣鍋爐空氣系數合格指標為≤1.6。按設備70%合格率，以上結論中空氣系數指標均低于國標規定的合格指標，遵守行業標準不能低于國家標準的原則，但考慮氣田鍋爐的運行負荷普遍較低的現狀，低于GB/T 17954—2007《工業鍋爐經濟運行》規定的經濟運行狀態，因此氣田鍋爐空氣系數指標參照GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》4.6.2中規定執行，確定空氣系數合格指標≤1.6。

表12　額定蒸發量4.2 MW的鍋爐空氣系數匯總表

表13　額定蒸發量7.0 MW的鍋爐空氣系數匯總表

2.4　爐體表面溫度

燃氣鍋爐與燃煤在保溫結構方面并無差異，因此采用GB/T 15317—2009《燃煤工業鍋爐節能監測方法》的規定，確定爐體外表面溫度合格指標，見表14。

表14　爐體外表面溫度合格指標

綜合以上各項，最終確定的評價指標見表15。

3　現場應用

氣田鍋爐節能監測評價標準研究制定后，2014年以來先后在中石化氣田現場應用12臺次，熱效率達到節能評價值的5臺，占評價總數的41.6%；達到限定值的10臺，占評價總數的83.3%。對不合格的2臺鍋爐提出了改進配風、修復保溫層等建議，實施后熱效率均達到了限定值。

4　結論與認識

1）研究確定的氣田鍋爐節能評價方法和節能評價指標能夠滿足不同類型不同開發階段氣田節能測試評價需要。

表15　鍋爐評價指標

2）氣田鍋爐節能監測評價標準通過現場測試和應用，能夠為氣田鍋爐節能評價及節能降耗提供技術依據。

參考文獻：

[1]全國能源基礎與管理標準化技術委員會能源管理分委員會.燃煤工業鍋爐節能監測：GB/T 15317—2009[S].北京：中國標準出版社,2010.

[2]全國能源基礎與管理標準化技術委員會.工業鍋爐經濟運行：GB/T 17954—2007[S].北京：中國標準出版社,2008.

[3]全國鍋爐標準化委員會.工業鍋爐熱工性能試驗規程：GB/T 10180—2003[S].北京：中國標準出版社,2004.

[4]王建國.燃氣鍋爐熱效率分析[J].區域供熱,2005（5）：26-28,38.

[5]張文勝,蒙劍瓊,張樹林,等.中小型燃氣鍋爐熱效率估算[J].節能技術,2005,23（1）：91-93.

[6]王金枝,肖明,姜春敏.排煙溫度對鍋爐效率的影響[J].山東電力技術,2008（2）：35-37.