油田加熱爐能效指標體系的建立及評價

韓蓓（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

對于油氣集輸系統，加熱爐是最主要耗能設備，熱能消耗占整個系統的80%～90%[1-2]。因此，對油田加熱爐的能效進行分析和研究，找到運行中的薄弱環節，對節能減排、提高油田經濟效益具有重要意義。

目前已有諸多學者針對加熱爐能效進行了分析[3-4]，成慶林等[5]采用逐步回歸法、主成分分析法和偏最小二乘回歸法對影響加熱爐能效的因素進行了分析，并根據綜合評價結果確定了影響因素權重；湯晟等[6]利用熵權-灰色關聯法得到了集輸系統中泵和加熱爐的評價結果，分析了不同季節下的用能規律；曹瑩等[7]在分析三級測試加熱爐的能效指標和限值的基礎上，開發了加熱爐能效評價軟件，為加熱爐的數字化提效奠定了基礎。以上研究在構建評價指標體系時，未考慮加熱爐系統整體的評價結果，不能全面反映加熱爐的運行情況。基于此，在梳理影響加熱爐能效影響因素的基礎上，將CRITIC 法和TOPSIS 法結合用于評價加熱爐的綜合能效水平，并按照運行月份衡量加熱爐的平均能效系數，實現加熱爐從局部到整體的能效評價。

1 加熱爐能效影響因素

參照SY/T 6472—2010《油田生產主要能耗定額編制辦法》和GB/T 33653—2017《油田生產系統能耗測試和計算方法》的相關要求，綜合專家和現場操作人員的意見，確定加熱爐在實際工況中主要受熱效率、過剩空氣系數、排煙溫度等因素影響[8-10]。

1）熱效率。熱效率反映有效輸出熱量與燃料供給熱量之間的比值，熱效率越大，排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失和表面散熱損失越小，因此熱效率可以作為一個綜合指標，反映加熱爐能效利用情況。

2）過剩空氣系數。過剩空氣系數為燃料燃燒時的實際空氣量與理論空氣量的比值，空氣量過大，會產生冷卻效應，降低爐體溫度和能量轉換效率，加大排煙熱損失；空氣量過小，會使燃料難以充分燃燒，產生大量CO，加大不完全燃燒的損失情況。

3）排煙溫度。排煙溫度是指從最后一個受熱面出口排出煙氣的溫度，通常采用溫度傳感器測試，在尾端受熱面后1 m 之內的煙道內布置。排煙溫度與排煙熱損失呈正比，排煙溫度越大，熱效率越低。此外，排煙溫度還會影響加熱爐爐膛和爐管的壽命，在熱應力的作用下加速失效進程，但排煙溫度也不是越低越好，當低于酸性物質的露點時，會發生嚴重的局部腐蝕，影響加熱爐壽命。

4）爐膛壓力。當爐膛壓力超過標準大氣壓后，會造成燃料氣外泄，使未燃燒完全的燃料和爐膛內部的熱量隨著初始動能排出，降低加熱爐運行效率，造成資源浪費。

5）爐體外表面溫差。加熱爐雖然在站內受限空間內運行，但也受外界環境溫度的影響，通常夏季外界環境溫度較高，爐體外表面溫差較小，此時燃料燃燒產生的熱量大部分用于介質加熱，運行效率較高；同理，冬季時加熱爐的運行效率較低。

6）煙氣成分。煙氣成分反映了燃料的完全燃燒程度，雖然煙氣成分與過剩空氣系數的關聯度較高，但并不知道哪種成分是影響加熱爐能效的主控因素，在此只考慮煙氣中的CO2、CO 含量，分別表示完全燃燒和不完全燃燒，使評價模型更加準確。

2 加熱爐能效評價模型

通過上述分析，確定了加熱爐能效指標體系包括熱效率、過剩空氣系數、排煙溫度、爐膛壓力、爐體外表面溫差、煙氣CO2含量、煙氣CO 含量等，利用CRITIC-TOPSIS 法對其能效進行評價。建模步驟如下：

1）構建指標矩陣。假設有m個加熱爐，n個評價指標，構成評價指標矩陣X=()xij m×n（xij為評價指標矩陣X中的元素，表示第i個加熱爐的第j個指標）。

2）無量綱化處理，對于值越大越好的正向指標及對于值越小越好的反向指標分別采用公式（1）、（2）處理，得到標準化矩陣Y=(yij)m×n。

式中：yij為標準化矩陣中的元素；minj、maxj分別為第j個指標的最小值和最大值。

4）計算不同指標的矛盾性，如兩個指標呈顯著正相關，則兩者的矛盾性較小[12]，公式為：式中：fj為指標j的矛盾值；rij為指標i和j的相關系數。

5）計算指標信息量和權重wj，公式為：

8）計算各加熱爐與理想運行狀態的相對貼近度si，將相對貼近度定義為能效系數，公式為：

3 實例分析

以某油田3 個聯合站內的15 臺加熱爐為例，額定容量涉及580 kW、1 160 kW、1 750 kW、2 330 kW、3 000 kW、3 550 kW 等多個型號，涵蓋油爐和水爐，加熱爐基礎數據見表1。

表1 加熱爐基礎數據Tab.1 Basic data of heating furnace

對其進行能效評價，其中熱效率與能效呈正比，其余參數與能效呈反比，標準化矩陣見表2。

利用CRITIC 法對得到指標權重，指標權重計算結果見表3。加熱爐的熱效率除與文中所選的指標有關外，還與燃料物性、操作人員水平及運行時長等有關，變異程度最大，故指標信息量也最大；爐體外表面溫差與加熱爐運行所處的晝夜、季節、氣溫、地域等因素相關，故權重僅次于熱效率；過剩空氣系數與電動機頻率、轉速、風量、燃料性質等因素相關，其變化范圍在0.99～4.64，變化幅度較大，故對應的權重也較大；排煙溫度、爐膛壓力、CO2含量、CO 含量的變化幅度較小，其中CO2含量越高、CO 含量越低，加熱爐的熱效率越高，能效越優。

表3 指標權重計算結果Tab.3 Calculation results of index weight

綜上所述，根據權重對指標進行排序，從大到小依次為熱效率、爐體外表面溫差、過剩空氣系數、排煙溫度、CO2含量、爐膛壓力、CO 含量，評價結果具有一定的科學性和合理性，符合客觀實際情況。此外，對比CRITIC 法、熵權法和標準離差法，熵權法和標準離差法分別將排煙溫度、過剩空氣系數定為最主要因素，且標準離差法權重之間的差異較小，CRITIC 法在考慮指標變異性的同時，兼顧了指標間的相關性，完全依賴自身數據賦權，其方法優于熵權法和標準離差法。

根據權重計算結果，對表2 進行加權處理，加權矩陣及正、負理想運行狀態見表4。

表4 加權矩陣及正、負理想運行狀態Tab.4 Weighted matrix and positive and negative ideal running states

最終確定歐氏距離及相對貼近度，加熱爐能效評價結果見圖1。大部分加熱爐的相對貼近度在0.5～0.7 之 間，只 有4、5、6 號 加 熱 爐 在0.6 以 下，說明這3 臺加熱爐的能效較低，能效低可能與其中一個或多個指標相關。對于6 號加熱爐，熱效率最低為66.06%，且排煙溫度和爐體外表面溫差也較高，導致綜合評價結果中能效最低；對于5 號加熱爐，其熱效率較低，過剩空氣系數最高，考慮到這兩種因素的權重占比最大，故綜合評價結果中能效較差；對于4 號加熱爐，其排煙溫度、爐膛壓力和CO 含量較大，說明排煙熱損失和氣體不完全燃燒損失較大，熱效率一般，加熱爐能效較低。

圖1 加熱爐能效評價結果Fig.1 Energy efficiency evaluation results of heating furnace

4 薄弱環節改進及效果評價

將能效評價模型推廣至全廠135 臺加熱爐，按照運行月份衡量加熱爐的平均能效系數，全年平均能效系數見圖2。平均能效系數在1、2、9、10、11、12 月份的時候相對較低，在4～8 月的時候相對較高，呈兩邊低中間高的趨勢，說明冬季是加熱爐用能的薄弱環節，這與環境溫度低、助燃空氣較冷、燃料黏度大、散熱損失大等因素相關。

圖2 全年平均能效系數Fig.2 Annual average energy efficiency coefficient

針對加熱爐能效較低的情況進行綜合分析，其原因如下：①加熱爐的火嘴在工作中往往采用人工調節，且一次調節后基本保持開度不變，當工況發生改變時，難以掌握空氣進量，空氣系數每增加0.1，熱效率降低0.5%左右；②部分加熱爐的燃燒器老化，燃燒性能較差，通過現場監測發現，煙氣中的氧含量越大，熱效率越低；③煙火管腐蝕和結垢嚴重，導致管內徑減小，傳熱效果較差，排煙熱損失較大。排煙溫度每升高10 ℃，熱效率降低1%左右。

對于能效系數較低的加熱爐，提出以下優化措施：①對于工況變化較大的加熱爐，重新設置加熱溫度、空氣流量等控制參數，防止雜質進入火嘴，影響熱效率。②檢查燃料氣壓力是否穩定，更換自動火嘴，并連接SCADA 系統，用于自動控制燃料和空氣進量。③檢查加熱爐運行情況，及時進行吹灰和清除結垢產物，保持爐內受熱均勻，提高傳熱效果。

通過上述改進，得到優化后的全年平均能效系數，全年平均能效系數見圖2。優化后，冬季能效系數有所上升，全年能效系數水平從0.71 上升至0.77，增幅顯著，且各月的平均能效系數走勢變緩，說明優化后的加熱爐能效系數對環境溫度的敏感性降低。綜合對比優化前后的節氣情況，見表5。1 月份的節氣量最大為7 962 m3/d，5 月份的節氣量最小為5 139 m3/d，以天然氣3.5 元/m3核算，每月可節約53.9 萬元～83.6 萬元，全年可節約786 萬元，節能效果顯著。

表5 優化前后節能效果評價Tab.5 Energy conservation effect evaluation before and after optimization

5 結論

1）在梳理加熱爐能效影響因素的基礎上，建立了基于CRITIC-TOPSIS 法的能效評價模型，該模型克服了以往評價方法的片面性，從全面角度反映加熱爐的實際運行情況，指標權重從大到小依次熱效率、爐體外表面溫差、過剩空氣系數、排煙溫度、CO2含量、爐膛壓力、CO 含量，結果與客觀實際情況相符。

2）待評價加熱爐的相對貼近度在0.5～0.7 之間，其中4、5、6 號加熱爐因熱效率、爐體外表面溫差和過剩空氣系數等參數不滿足要求，導致能效較低。

3）將此方法應用至全廠加熱爐，針對用能薄弱環節，提出技改措施，優化后，節能效果顯著。