油田用加熱爐節能評價指標限值研究

王　東　張洪江　白曉彤　李明峰　吳麗娜

（1.中國石油天然氣集團公司東北油田節能監測中心；2.東北石油大學；3.長城鉆探頂驅技術分公司）

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油田用加熱爐節能評價指標限值研究

王東1張洪江1白曉彤2李明峰3吳麗娜2

（1.中國石油天然氣集團公司東北油田節能監測中心；2.東北石油大學；3.長城鉆探頂驅技術分公司）

由于油田開發生產具有季節性，且油田產量逐年變化，導致加熱爐的負荷率變化波動很大，多數加熱爐處于低負荷運行，加熱爐的熱效率隨著負荷率的降低而降低；所以，有必要考慮負荷率因素影響進行加熱爐的評價監測。通過分析數據回歸得到標準效率-負荷率曲線，將各類型加熱爐的測試數據換算至最佳負荷率下，再按覆蓋率統計原則確定加熱爐熱效率的指標限值，其他加熱爐評價指標限值分別考慮類型統計確定。在實際的油田加熱爐監測中，要將各項指標數據換算到“標準”狀態下再進行評價考核，將不具有可比性的監測結果以相同基準進行對比分析和評價，以真實反映出加熱爐的能效水平。

加熱爐負荷率熱效率評價指標限值

引言

目前，加熱爐評價指標分別為加熱爐的熱效率、爐體表面溫度、排煙溫度、過量空氣系數等［1］。各指標限值的確定方法為：按額定功率值進行分段，不考慮負荷率，引入覆蓋率的概念來確定每個功率段的加熱爐的評價指標限定值；覆蓋率就是達到指標限值的產品的臺數占在運行產品臺數的比例。一般情況下，選擇加熱爐合格值宜覆蓋被統計加熱爐產品數的70%，加熱爐優良值宜覆蓋被統計加熱爐產品數的30%［2］；對于個別區間由于統計值分布的不均勻性而不能滿足上述原則時，允許有一定偏差。

現有的評價加熱爐的方法存在2點不足：僅按功率段分類，沒有考慮加熱爐的類型；沒有考慮加熱爐的負荷率對熱效率的影響。

1　加熱爐負荷率對熱效率的影響

選取不同類型的加熱爐，按照類型分類后再按照SY/T 6275—2007《油田生產系統節能監測規范》細分功率范圍，并保證其排煙溫度和空氣系數分別近似，排除排煙溫度和空氣系數對加熱爐熱效率的影響，分析加熱爐負荷率對熱效率的影響。

1）管式加熱爐負荷率和熱效率的關系。選取加熱爐容量（0.63 MW＜D≤2.50 MW）范圍內的且排煙溫度和空氣系數相近的管式加熱爐，統計不同負荷率時的熱效率，如表1所示。作出加熱爐熱效率-負荷率曲線，如圖1所示。

表1　管式加熱爐負荷率和熱效率的關系

圖1　管式加熱爐熱效率-負荷率曲線

從圖1可以看出，管式加熱爐在空氣系數和排煙溫度相近時隨著負荷率的增加，熱效率呈上升趨勢。

2）真空相變加熱爐負荷率和熱效率的關系。選取加熱爐容量（0.63MW＜D≤2.00MW和2.00MW＜D≤3.15 MW）范圍內的且排煙溫度和空氣系數相近的真空相變加熱爐，統計不同負荷率時的熱效率，如表2、表3所示。

表2　真空相變加熱爐負荷率和熱效率關系（0.63 MW＜D≤2.00 MW）

表3　真空相變加熱爐負荷率和熱效率的關系（2.00 MW＜D≤3.15 MW）

作出真空相變加熱爐熱效率-負荷率的曲線，如圖2所示。其中：系列1為0.63 MW＜D≤2.00 MW；系列2為2.00 MW＜D≤3.15 MW。

圖2　真空相變加熱爐熱效率-負荷率曲線

由圖2可知，真空相變加熱爐在排煙溫度和空氣系數相近時，在一定范圍內，隨著負荷率的增加，熱效率呈上升趨勢。

3）水套爐負荷率和熱效率的關系。選取加熱爐容量（D≤0.40 MW、0.63 MW＜D≤1.25 MW、1.25 MW＜D≤2.00 MW）范圍內的且排煙溫度和空氣系數相近的水套爐，統計不同負荷率時的熱效率，如表4、表5、表6所示。

表4　水套爐負荷率和熱效率的關系（D≤0.40 MW）

表5　水套爐負荷率和熱效率的關系（0.63 MW＜D≤1.25 MW）

表6　水套爐負荷率和熱效率的關系（1.25 MW＜D≤2.00 MW）

作出水套爐熱效率-負荷率的曲線，如圖3所示。其中：系列1為D≤0.40 MW；系列2為0.63 MW＜D≤1.25 MW；系列3為1.25 MW＜D≤2.00 MW。

由圖3可知，水套爐在排煙溫度和空氣系數相近時，隨著負荷率的增加，熱效率增加。

綜上所述，在一定范圍內，熱效率隨著負荷率的降低而降低。所以，在低負荷率時，即使采取提高管理水平，按照要求正常操作，熱效率仍會低于合格指標；但是若根據生產需要，提高此臺加熱爐的負荷率，熱效率隨著負荷率的升高而升高，結果可能會達到合格指標，那么說明這臺加熱爐并不需要整改；因此，需要考慮負荷率對加熱爐的影響，進行加熱爐的評價。

圖3　水套爐熱效率-負荷率曲線

2　考慮負荷率的加熱爐評價方法

2.1加熱爐熱效率指標限值的確定方法

選定某一類型、某一功率范圍的工作狀態完好的1臺或幾臺加熱爐，被加熱介質物理性質確定，即加熱同1種介質。在某一排煙溫度ti、空氣系數αi、溫差ΔTi一定的條件下，調節加熱爐的工況，逐步提高負荷率，測出熱效率值，畫出加熱爐效率隨負荷率的變化曲線。測試多臺加熱爐，用數學方法回歸確定變化規律，該曲線稱為此種類型、此功率（范圍）加熱爐的“標準”效率-負荷率曲線（圖4）；熱效率最高點的負荷率R0，稱為第i類加熱爐的最優負荷率。

圖4　加熱爐“標準”效率-負荷率的關系

如果不能進行改變工況測試同1臺加熱爐，可按照排煙溫度、空氣系數、溫差、使用年限相同的條件，從大量的測試數據中找出該類型、該功率段的加熱爐，分析熱效率與負荷率的關系，所得關系也可認定為標準效率-負荷曲線。

把所有被測加熱爐的測試數據換算到標準曲線的最佳負荷率的條件（ti，αi，ΔTi，R0）下，按所測加熱爐臺數70%合格、30%為優良的統計原則確定加熱爐效率的合格值和優良值。

2.2加熱爐實測數據換算

收集多臺加熱爐的測試數據，篩選出第i類加熱爐的所有測試數據，設此數據文件為A。對于任1臺（設為第n臺加熱爐）被測加熱爐的排煙溫度為tn，過剩空氣系數為αn，外表面環境溫差為ΔTn，負荷率為Rn，熱效率為ηn。按照下面的步驟這條測試數據換算到“標準”狀態（ti，αi，ΔTi，R0）。

2.2.1換算排煙溫度

在A中查找出空氣系數αn、溫差ΔTn、負荷率Rn，利用排煙溫度不同的測試數據（如果找不到各個條件值完全相同的點，根據相關數學方法，找出與這些參數最為接近的測試數據，或經過適當的數學方法處理數據，以下同），畫出熱效率與排煙溫度的線性關系曲線，即得到在其他條件不變的條件下，排煙溫度每升高或降低1℃，熱效率的降低或升高值；根據tn與ti的差值，將測試數據中的效率換算到ti，αn，ΔTn，Rn條件下，即換算后的熱效率是ηt=η（ti，αn，ΔTn，Rn）。

2.2.2換算空氣系數

在A中查找出排煙溫度ti、溫差ΔTn、負荷率Rn，只有空氣系數不同于αn的測試數據，可以用ηt和查找到的測試數據得出熱效率與空氣系數的關系曲線，即得到在其他條件不變的條件下，過剩空氣系數每升高或降低1個單位，熱效率的降低或升高值；根據αn與αi的差值，將ηt換算到ti，αi，ΔTn，Rn條件下，換算后的熱效率是ηtα= η（ti，αi，ΔTn，Rn），如圖5所示。

2.2.3換算溫差

在A中查找出排煙溫度ti、空氣系數αi、負荷率Rn，只有溫差不同于ΔTn的測試數據，可以用ηtα和找到的測試數據得出熱效率與溫差的關系曲線，即得到在其他條件不變的條件下，溫差每升高或降低1個單位，熱效率的降低或升高值；根據ΔTn與ΔTi的差值，將測試數據中的效率換算到ti，αi，ΔTi，Rn條件下，換算后的熱效率是ηtΔαT=η（ti，αi，ΔTi，Rn），如圖6所示。

圖5　換算空氣系數到“標準”狀態下的效率曲線

圖6　換算溫差到“標準”狀態下的效率曲線

2.2.4換算負荷率

對于現場實測的加熱爐，認為其效率與負荷率的關系與“標準效率-負荷率曲線”的變化趨勢相同，只是曲線的上下平移，如圖7所示。

圖7　換算負荷率到“標準”狀態下的效率曲線

從圖或表中查出標準曲線中Rn所對應的效率ηs=（ti，αi，ΔTi，Rn），令ηΔ=ηs-ηtΔαT。令標準曲線中最佳負荷率處的效率為η0，則經過排煙溫度、空氣系數、溫差換算后的效率，再換算到最佳負荷率條件下的效率為ηf（ti，αi，ΔTi，R0）= η0-ηΔ。

將A中的所有測試結果進行如此換算，即將所有的測試結果都換算到“標準”條件（ti，αi，ΔTi，R0）下，得到各個測試結果的變換效率；根據這些變換效率值引入覆蓋率的概念來確定每個功率段的加熱爐的評價指標限定值，采用70%合格、30%優良的統計方法，確定第i類加熱爐的合格和優良熱效率指標。

2.3加熱爐其他評價指標限值確定

排煙溫度、空氣系數、溫差的限值確定方法：不考慮功率范圍，僅考慮加熱爐類型，按照每個測試樣本的覆蓋率70%為合格值，30%為優良值來確定其指標限值。

3　結論

1）在一定范圍內，加熱爐熱效率隨著負荷率的增大而增大。同一臺加熱爐在低負荷下熱效率低于合格值，當負荷率增加時，效率可能高于合格值。要根據實際現場情況，有針對性地作出調整，使得高效與節能并行。

2）因為負荷率對加熱爐熱效率的影響，所以在油田監測加熱爐的過程中，為了公平評價加熱爐合格與否，需要考慮負荷率對加熱爐熱效率的影響；熱效率的評價指標確定需考慮類型和負荷率，其他評價指標限值考慮類型統計確定。

3）在實際的油田加熱爐監測中，要將各項指標數據換算到“標準”狀態下再進行評價考核。將不具有可比性的監測結果以相同基準進行對比分析和評價，以真實反映出加熱爐的運行工況及能效水平，為后續的加熱爐提效等技改工作奠定基礎。

［1］李振林，張國文.油田加熱爐的綜合評價［J］.油氣田地面工程，2006，25（7）：30-31.

［2］孫忠輝，李彬，李秀娟，等.油田加熱爐能效限定及運行綜合評價［J］.石油石化節能，2013，1（8）：21-23.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.12.001

2015-09-25）

王東，高級工程師，1989年畢業于西北工業大學（熱能工程專業），從事油氣田節能監測等工作，E-mail：Wangdlh@petrochina.com.cn，地址：遼寧省盤錦市遼河油田分公司質量節能管理部，124010。