正交試驗法在油管清洗機燃燒系統改進中的應用

中國石化勝利油田分公司現河采油廠

油管清洗設備使用較為廣泛的是直燃式清洗機，而清洗質量一直是關注的重點，其核心就是燃燒系統熱效率問題。以勝利油田現河采油廠某油管廠為例，使用的油管清洗設備是天然氣直燃式加熱水清洗機，配套4臺引風式燃燒器，煙氣分析儀測試其反平衡熱效率僅為44.8%，將水加熱到工作溫度至少需要4～5 h，油管清洗燃氣的單耗為1 172 m3/104m，能耗為1 445 kg/d（標煤），嚴重影響了油管清洗效率、質量和經濟效益。因此，需要改進清洗機燃燒系統，在保證達到額定參數、著火穩定、燃燒安全的前提下提高熱效率，縮短升溫時間，降低燃氣消耗，減少污染物排放，保護環境。

目前改善燃燒狀況最直接的方法就是使用煙氣分析儀連續監測煙道氣體成分（CO、NO、NO2、NOx、SO2），分析各項熱損失（包括化學不完全燃燒熱損失、排煙熱損失、機械不完全燃燒熱損失、散熱損失），得到影響熱效率的各種因素[1]。為此，利用正交試驗法對各影響因素進行組合簡化試驗，通過合理的試驗次數分析各因素及其交互作用對燃燒熱效率的影響，并按其重要程度找出主次關系，提出改進的有效途徑，并確定最佳的運行參數[2]。

1 正交試驗法

正交試驗法就是應用正交表合理安排多因素試驗方案并科學分析試驗數據的一種數學方法[3]，即在試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗，通過對這部分試驗結果進行分析，尋求最優水平組合，確定最佳生產條件。

正交試驗法的設計步驟如下[4]：

（1）明確試驗目的，選定試驗指標。試驗要解決什么問題，必須有一個明確目的，這是正交試驗設計的基礎。目的確定后，對試驗結果如何衡量即需要確定出試驗指標，包括定量指標和定性指標兩種：定量指標是直接用數量表示的指標，如輸出、效率、強度等；定性指標是不能直接量化指標，如顏色、手感、外觀特征等表示試驗結果特性的值。

（2）挑選因素水平。影響試驗指標的因素往往很多，但由于試驗條件有限，不可能全面考察。根據試驗目的，選出主要因素，略去次要因素，以減少要考察的因素數，一般以3～7 個因素為宜。若第一輪試驗后達不到預期目的，可在第一輪試驗的基礎上，調整試驗因素，再進行試驗。確定因素水平數時，一般重要因素可多取一些水平，各水平的數值應當拉開，盡可能取在理想區域，以便對試驗結果進行分析，最后列出因素水平表。

（3）選用適當正交表，做表頭設計。選擇正交表是正交試驗設計的首要問題，根據實際需要選擇，可選規則表，也可選混合水平表。一般情況下，試驗因素的水平數應等于正交表中的水平數，因素數應小于或等于正交表列數，各因素及交互作用的自由度之和要小于所選的正交表的總自由度，以便估計試驗誤差。表頭設計就是把試驗因素和要考察的交互作用分別安排到正交表的各個列中：若不考慮交互作用時，各因素可隨機安排；若考慮交互作用，就應按所選正交表的交互作用列表安排各因素和交互作用，防止設計“混雜”。

（4）明確試驗方案，得到試驗結果。根據正交表和表頭設計確定每個試驗號試驗的方案計劃，然后進行試驗，得到以試驗指標形式表示的試驗結果。

（5）試驗結果統計分析。對正交試驗結果分析通常采用兩種方法：一種是直觀分析法（或稱極差分析法），另一種是方差分析法。通過試驗結果分析可以得到因素主次順序、優化方案等有用信息。

（6）驗證試驗，進一步分析。最佳的解決方案是通過統計分析得出的，還需要進行試驗驗證，以保證優化方案是符合實際的，否則還需要進行新的正交試驗。

2 油管清洗機燃燒系統改進試驗

2.1 方案設計

實際使用的油管清洗機額定功率為800 kW，熱效率限定值應不低于75%[5]，因此將燃燒熱效率改進試驗目標值確定為75%。對于天然氣直燃式清洗機而言，燃氣熱損耗包括排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失及散熱損失[6]。其中排煙熱損失取決于過剩空氣系數和排煙溫度的大小，氣體不完全燃燒熱損失取決于過剩空氣系數和煙氣中CO 的含量，散熱損失是指設備向四周環境散失的熱量占總輸入熱量的百分比。故正交試驗方案選取的敏感因素為排煙溫度、CO 濃度、過剩空氣系數（O2體積分數）及環境溫度。

2.2 初次正交試驗

由于清洗機配套引風式燃燒器，屬于負壓燃燒，不易實現完全燃燒[7]，排煙熱損失大。利用煙氣分析儀測試反平衡熱效率僅為44.8%。因此，初次正交試驗選取3 個敏感因素（排煙溫度、CO 濃度、過剩空氣系數），每個因素2 個水平，設計L4(23)正交試驗因素水平表（表1），通過試驗分析各因素及其交互作用對燃燒熱效率的影響。

表1 引風式燃燒熱效率L4(23)正交試驗因素水平Tab.1 L4(23)orthogonal test factor level for thermal efficiency of induced air combustion

利用直觀分析法（表2），根據試驗結果做出極差R分類柱狀圖，可知各因素對燃燒熱效率的敏感性由大到小順序依次為：排煙溫度、CO 濃度、過剩空氣系數，其中排煙溫度和CO 濃度影響兩者相近（圖1）。由此可知，排煙熱損失及氣體不完全燃燒熱損失是導致油管清洗機燃燒熱效率低的主要原因。

表2 引風式燃燒熱效率L4(23)正交試驗直觀分析Tab.2 Visual analysis of L4(23)orthogonal test for thermal efficiency of induced air combustion

圖1 L4(23)正交試驗極差R 分類柱狀圖Fig.1 Column chart for range R classification of L4(23)orthogonal test

2.3 燃燒器更換試驗

為了解決負壓燃燒熱效率低的問題，將引風式燃燒器更換為鼓風式燃燒器，采用微正壓燃燒方式，提高燃燒強度和換熱強度，進而提升燃燒熱效率[8-9]。更換燃燒器后，選取5個敏感因素（O2體積分數、CO 濃度、排煙溫度、環境溫度、過剩空氣系數），每個因素4個水平，設計L16(45)正交試驗方案（表3），應用煙氣分析儀逐一測試，尋找顯著影響因素，確定最佳燃燒條件。

表3 鼓風式燃燒熱效率L16(45)正交試驗因素水平Tab.3 L16(45)orthogonal test factor level for thermal efficiency of blast combustion

利用直觀分析法，確定各因素對燃燒熱效率的敏感性大小和各因素的最優組合（表4）。根據極差值R大小，各因素對燃燒熱效率的敏感性由大到小順序依次為：過剩空氣系數、排煙溫度、CO濃度、O2體積分數、環境溫度。根據各因素不同水平的均值K可看出最佳燃燒條件參數組合為：O2體積分數8.3%，CO 濃度3.75 mg/L，排煙溫度292 ℃，過剩空氣系數1.55。對該最優組合參數進行模擬計算，預測燃燒熱效率為81.5%。

表4 鼓風式燃燒熱效率L16(45)正交試驗直觀分析Tab.4 Visual analysis of L16(45)orthogonal test for thermal efficiency of blast combustion

利用方差分析法（數理統計F檢驗法），判斷各因素對燃燒熱效率影響的顯著程度和可信程度，可知過剩空氣系數對燃燒熱效率的影響最為顯著，環境溫度影響最弱（表5）。

根據上述L16(45)正交試驗分析結果，在燃燒器鼓風機上安裝了風門調節裝置，再根據最佳過剩空氣系數值，調節助燃空氣量，減少煙氣中過量空氣帶走的熱量損失。

2.4 溫度控制系統調整

燃燒器更換后，由于熱效率的提升，在滿足清洗機運行工況的條件下：①將溫度控制系統閾值由85～100 ℃調整為90～95 ℃，提高控制精度；②將燃燒器的啟停控制由原先的自動控制2臺、手動控制2 臺改為自動控制3 臺、手動控制1 臺，進一步降低燃氣消耗量。

表5 鼓風式燃燒熱效率L16(45)正交試驗方差分析Tab.5 Variance analysis of L16(45)orthogonal test for thermal efficiency of blast combustion

3 實施效果

油管清洗機燃燒系統改進后，煙氣分析儀監測數據顯示，4 臺燃燒器平均反平衡熱效率達到75.6%，對比之前提高了30.8%。其中，1#燃燒器反平衡熱效率75.2%，2#燃燒器反平衡熱效率73.6%，3#燃燒器反平衡熱效率73.7%，4#燃燒器反平衡熱效率81.6% 。油管清洗燃氣單耗由1 172 m3/104m 下降到428 m3/104m，降幅63.5%；能耗由1 445 kg/d（標煤）下降到560 kg/d（標煤），減少885 kg/d（標煤）。

4 結論

影響油管清洗設備熱效率的因素較多，且相互間存在交互作用，因此需要尋找一條有效途徑，簡單快捷地排查出主要影響因素，制定改進措施，減少燃燒熱損失。針對目前廣泛使用的天然氣直燃式加熱水油管清洗機，利用煙氣分析儀測試相關數據，引入正交試驗法設置試驗因素和水平，確定試驗方案，為燃燒系統優化調整提供了一種有效手段。利用正交試驗對引風式燃燒器進行了評價，通過試驗結果發現，影響其熱效率的主要因素為化學不完全燃燒。為了改善燃燒效果，將引風式燃燒器更換為鼓風式燃燒器，安裝風門調節裝置，根據最佳過剩空氣系數值調節助燃空氣量，減少煙氣中過量空氣帶走的熱量損失，并在此基礎上，調整溫度控制系統閾值，改進燃燒器啟停控制模式。通過上述一系列改進，清洗機熱效率提高到75.6%，天然氣消耗量下降到428 m3/104m，能耗下降到560 kg/d（標煤），取得了顯著的經濟效益和社會效益。