煉化企業工藝加熱爐節能運行的綜合評價

汪佳劉富余曾慶峰余績慶劉雪暖

（1.中國石油大學（華東）化學工程學院；2.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院）

煉化企業工藝加熱爐節能運行的綜合評價

汪佳1劉富余2曾慶峰2余績慶2劉雪暖1

（1.中國石油大學（華東）化學工程學院；2.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院）

對工藝加熱爐的運行情況進行綜合評價，是煉化企業設備節能管理的一項基礎性工作。采用基于熵權法和層次分析法的主客觀組合賦權法，確定排煙溫度、爐體外表面溫度、煙氣氧含量、過剩空氣系數和熱效率等五項指標的權重系數。對新疆兩家石化企業的加熱爐按熱負荷大小分為四組，采用灰色關聯度法進行節能運行的綜合評價，通過比較關聯度的大小得到節能情況的排序，為企業加強加熱爐的節能管理提供了可靠的依據。采用ExcelVBA編程簡化了加熱爐評價計算過程，為企業評價加熱爐運行狀況提供了便利。

工藝加熱爐 熵權法 層次分析法 灰色關聯 主客觀組合賦權法

工藝加熱爐作為煉油、化工生產裝置的主要耗能設備，其燃料消耗在煉化企業能耗中的比例占30%～40%[1]。近幾年，隨著節能改造的不斷實施，我國煉化企業工藝加熱爐熱效率得到提高，但仍存在自動化程度低、排煙溫度高、散熱損失大等問題，仍然具有一定的節能潛力。對企業加熱爐的運行情況進行評價，分析其節能潛力，有助于針對性地采取措施提高加熱爐的運行水平。

目前石化行業在加熱爐節能監測結果的評價中，對于排煙溫度、爐體外表面溫度、煙氣氧含量、過剩空氣系數、熱效率五個指標，僅限于合格與不合格的評價[2]，或者在實際評價中僅靠熱效率進行單指標的評價。而熱效率只是直接反映了加熱爐對熱能利用程度，有時熱效率達標但局部損失可能不達標，因此，對加熱爐的節能運行情況要進行多指標的綜合評價。

本文引入基于熵權法和層次分析法（Analytic HierarchyProcess，簡稱AHP）的主客觀組合賦權法對五項評價指標確定權重，并運用灰色關聯度法對加熱爐節能運行情況進行分析，計算后的評價結果更科學客觀，能為加熱爐的節能技改提供更多有價值的參考依據。

1 煉化工藝加熱爐節能運行評價指標

煉化加熱爐節能監測的指標為煙氣溫度、爐體外表面溫度、煙氣氧含量、過剩空氣系數和熱效率。前四項反映了爐子在排煙熱損失、未完全燃燒熱損失和散熱損失的情況。

1.1 排煙溫度

排煙溫度指在煙氣離開最后傳熱面處，即在煙氣余熱回收段的煙氣出口處的溫度；當沒有煙氣余熱回收段時，則在對流段煙氣出口處的溫度。排煙溫度高，煙氣帶走的熱量多，加熱爐效率低。降低排煙溫度要以盡量不發生低溫露點腐蝕為原則，具體數值由煙氣組成確定。

1.2 爐體外表面溫度

爐墻的外表面溫度直接反映爐體保溫的好壞，關系到散熱損失和安全問題。外壁溫度過高，散熱損失大，加熱爐熱效率低；外壁溫度低，可提高加熱爐效率，但爐墻要厚，一次投資增加。爐墻的外表面溫度應按既經濟又合理的原則來確定。

1.3 煙氣氧含量

在保證燃料充分燃燒的前提下降低氧含量，提高加熱爐熱效率。若氧含量過高，則說明進入加熱爐的空氣量較多，多余的氧氣作為煙氣排放，將帶走部分熱量，增大排煙損失。有時加熱爐爐體漏風，為保證煙氣氧含量達標而人為關小煙道擋板或風門就容易產生CO含量過高的問題。

1.4 過剩空氣系數

工業加熱爐總是要在一定過量空氣量的條件下才能完全燃燒。燃燒所用實際空氣量與理論空氣量之比叫做過剩空氣系數。在實際操作中，如果過剩空氣量增加，排煙時大量的過剩空氣將熱量帶走排入大氣，使得排煙損失增加，熱效率降低，見圖1。

圖1 過剩空氣系數對熱效率的影響

圖1表示在不同的排煙溫度下，過剩空氣系數每增加0.1對熱效率下降值的影響[1]。由此可見，降低過剩空氣系數可以有效地減少排煙損失，提高熱效率。

1.5 熱效率

加熱爐熱效率是反映加熱爐整體運行水平的重要指標。影響加熱爐熱效率的主要因素有排煙溫度的高低、過剩空氣系數大小、爐體保溫情況及其散熱損失、燃料完全燃燒程度。熱效率的計算一般采用反平衡法。

2 評價指標的主客觀賦權法

加熱爐的節能運行評價是多指標綜合評價問題，必須確定科學合理的指標權重。賦權方法分為主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法包括專家咨詢（Delphi）法、AHP法等，客觀賦權法包括熵權法、相關系數法等。

2.1 熵權法

熵在信息論中用來度量數據所提供的有效信息量。當評價對象在某項指標上的值相差較大時，提供的有效信息量大，則該指標的權重較大；反之，若某項指標的值相差較小，則權重也較小；在某項指標上值完全相同時，應考慮從評價指標中去除。因此，可以根據各個指標指標值的差異程度，通過熵值計算各指標的權重。具體步驟[3]如下：

設有m個評價對象為X=（X1，X2，...，Xm），對n個評價指標進行評價得到評價矩陣Aij={xi(j)}（xi(j)為第i個指標的值）。對于給定的評價指標j，xi(j)的差異越大，則評價區分度的信息越大。信息熵函數表達式為：

式中：k=-1/(lnm)

可進一步定義評價矩陣的總熵為

令

則wj可度量不同指標的區分能力，也即各指標權重信息。

2.2 層次分析法

層次分析法（AHP）是美國運籌學家T.L. Saaty教授于20世紀70年代初提出的一種定性與定量分析相結合的多指標決策方法，是一種主觀賦權方法。它通過兩兩比較的方式，結合“1～9比率標度”，確定分層結構不同指標的權重，并對專家判斷的一致性進行檢驗，若一致性不符合要求，允許重新判斷決策，從而將復雜、模糊的問題簡化、量化。該方法能模型建立和求解較簡便，也能有效地降低專家的個人偏好對打分的影響。

2.3 主客觀組合賦權法

熵權法的突出優點是：權重系數客觀性強，是由指標數據矩陣的計算得出。但賦權法的結果中最重要的指標不一定就有最大的權重系數，解釋性不好。因此，還必須結合層次分析法，彌補單純熵權法的缺陷。在實際確定指標的權重中，可根據需要將主觀賦權法和客觀賦權法，采用合適的組合方式構造組合權值，稱之為組合賦權法[4]。組合賦權可以彌補單純使用主觀賦權法或客觀賦權存在的缺點，減少隨意性。

設主觀賦權法得出的權重向量為ω'=(ω'1,ω'2,ω'3,… )ω'n

T，由客觀賦權法得出的權重向量為ω''=(ω''1,ω''2,ω''3,… )ω''n

T，以α、β作為兩種權重向量的加權系數，則一般最終權向量表示為：

為了使主觀信息和客觀信息在排序中得到充分體現，考慮由主觀權重確定的加權屬性值與客觀權重確定的加權屬性值趨于一致，建立α和β的最優化模型。主客觀評價信息的偏離程度為：

采用線性權和法化成如下的單目標規劃模型：

解此模型：

將計算出的α、β帶入式（4）即可求出主客觀組合權重w。

3 灰色關聯度綜合評價

灰色關聯分析的基本原理是：通過對系統數列與參考數列幾何關系的比較來分清綜合評價中多個指標的關聯程度，序列曲線的幾何形狀越接近，則它們之間的關聯度越大，反之越小[5]。利用灰色理論建立的方法模型，能較好地克服評判過程中人為因素對評價結果的影響，為方案排序的解析化、定量化提供更為有力的手段。

設X0={x0(j),j=1,2,…,n}為參考數據序列，Xi={xi(j),j=1,2,…,n;i=1,2,…,m} 為評價數據序列，即共有m個評價數據序列，每個序列共有n個指標，根據鄧氏經典灰色關聯法，式（10）表示第i個評價數據序列與參考數據序列在對應的第j個指標的相對差值，即關聯系數為ξ0i(j)：

式中δ為分辨系數，是為了避免最大極值過大而造成關聯系數的失真，以提高關聯系數之間的差異顯著性而人為規定的系數，取值范圍δ∈[ ]

0.1,1，一般取0.5。

關聯度為ri：

其中wj為主客觀賦權法計算出的權重系數，比較序列與參考數據序列的指標曲線越相似，ri就越大，該比較序列就越優。

4 加熱爐節能運行的綜合評價及編程實現

以新疆某兩家石化公司為例，對其使用加熱爐的節能運行情況進行綜合評價。據標準[2]，不同熱負荷的加熱爐受客觀條件限制，熱效率、排煙溫度、過剩空氣系數等指標所能達到的最好值是不同的，合格的指標也有所不同。因此，根據熱負荷大小分為大于20MW、10～20MW、5～10MW、小于5MW等四個組，實測指標數據見表1~表4。

表1 大于20MW工藝加熱爐評價指標

4.1 無量綱化處理

排煙溫度、爐體外表面溫度、煙氣氧含量、過剩空氣系數為負向指標，指標值越小越好；熱效率為正向指標，指標值越大越好。指標數據的無量綱化處理分別采用式（12）、式（13）：

正向指標無量綱化：

負向指標無量綱化：

表2 10～20MW工藝加熱爐評價指標

表3 5～10MW工藝加熱爐評價指標

4.2 確定權重

加熱爐節能運行的綜合評價中，采用主客觀組合賦權法來確定各評價指標權重最為理想。首先，采用熵權法計算四組指標的權重，根據公式（1）、（2）和（3）計算，所得權重值見表5。

從主觀因素分析，各組加熱爐的指標重要性不因負荷變化而變化，因而只有一組權重。采用層次分析法，通過合理選取專家，進行咨詢打分，其中一位專家的所得判斷矩陣見表6。

表4 小于5MW工藝加熱爐評價指標

表5 評價指標權重

表6 AHP法-判斷矩陣

經計算，該判斷矩陣滿足一致性檢驗，綜合5位專家的咨詢結果，得出主觀權重為［0.2875，0.075，0.05，0.15，0.4375］。以熱負荷大于20MW一組為例，根據式（8）（9），計算得到α=0.57，β=0.43。從而反映主客觀信息的組合權重向量為：w=0.57ω'+0.43ω''，最終權重為［0.2159，0.1554，0.1554，0.1801，0.2932］。其他三組的權重以相同的方法算得，見表7。

表7 加熱爐各評價指標權重

4.3 關聯度計算

四組煉化工藝加熱爐的指標值分別進行灰色關聯度的計算，以每組各個指標值的最優值組成參考數據序列，根據公式（11）、（12），計算得到關聯度及其排名。關聯度越大，說明加熱爐的節能情況最好，由此可以得到兩家石化公司工藝加熱爐運行綜合評價的優劣排序。通過關聯度值的大小分為七個等級，劃分規則見表8。

表8 加熱爐節能運行等級劃分表

可以得到加熱爐等級分布圖（圖2），縱坐標表示各個等級加熱爐的臺數。等級1、等級2的加熱爐節能運行情況最好，等級6、等級7的加熱爐用能情況較差，因而在進行加熱爐的節能改造時優先考慮等級6與等級7的加熱爐，尤其是編號A1008、B1010、A1005、A1002四個等級7的加熱爐，在節能改造計劃時應優先考慮。

圖2 加熱爐節能運行等級分布圖

4.4 ExcelVBA編程實現

VBA（VisualBasicForApplication）是依附在Excel中的二次開發語言，可以編寫代碼使程序自動執行，完成復雜的運算。在加熱爐節能運行評價的計算中，Excel表格作為前臺指標數據、權重數據、綜合評價值的輸入和輸出，VBA程序代碼在后臺提供計算步驟，并通過按鈕實現計算結果的輸出。編程的算法流程圖見圖3。

圖3 加熱爐節能綜合評價編程流程圖

5 結論

1）在煉化企業工藝加熱爐節能運行的多指標評價體系中，提出了基于熵權法和層次分析法（AHP）組合的主客觀賦權法。熵權法可以充分利用指標數據所蘊含的信息量，層次分析法有較強的解釋性，結合兩者優點，由數學規劃模型將客觀權重和主觀權重加權綜合，計算得出的結果較好地反映了權重的客觀程度和主觀解釋性，更具有科學合理性。

2）采用灰色關聯度法作為加熱爐節能運行綜合評價的方法，包括加熱爐按負荷分類，確定參考數據序列和比較序列，原始數據的無量綱化處理，計算灰色關聯系數及關聯度。

3）利用ExcelVBA編程工具，將復雜的數據計算用代碼實現，仍然在Excel表中實現數據的輸入和計算結果的輸出。該編程工具簡單易懂，大大簡化了綜合評價的計算過程。

[1]錢家麟.管式加熱爐（2版）[M].北京:中國石化出版社, 2003:521-524.

[2]Q/SY1066-2010.石油化工工藝加熱爐節能監測方法.

[3]成慶林,李秀娟,吳照云.油田加熱爐節能運行的灰色關聯綜合評價[J].科學技術與工程,2011,11(24): 5941-5944.

[4]王中興,張紹林,劉雁.基于主客觀加權屬性值一致化的組合賦權法[J].廣西科學,2007,14(3):247-249.

[5]李國良,付強,孫勇,等.基于熵權的灰色關聯分析模型及其應用[J].水資源與水工程學報,2006,17(6): 15-18.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.09.001

2012-07-28）

汪佳，2010年畢業于中國石油大學（華東），在讀研究生，現從事煉油化工節能節水研究，E-mail：upcwangjia@126. com，地址：山東省青島市中國石油大學（華東）化學工程學院，266555。