油田水套爐熱效率評價指標限值方法研究

徐秀芬白曉彤王東張洪江

（1.東北石油大學；2.中國石油天然氣集團公司東北油田節能監測中心）

油田水套爐熱效率評價指標限值方法研究

徐秀芬1白曉彤1王東2張洪江2

（1.東北石油大學；2.中國石油天然氣集團公司東北油田節能監測中心）

油田加熱爐是油田主要的耗能設備之一，加熱爐的高效運行對油田的節能降耗工作至關重要，如何合理評價加熱爐的能效情況是加熱爐高效運行的前提。以水套爐為研究對象，通過對水套爐分類匯總，綜合考慮負荷率對評價指標的影響因素，分析比對兩種劃分效率等級限值的方法，得到最優劃分方法，最終擬合回歸出負荷率與效率限值的函數關系式，進而帶入負荷率即可得到不同負荷率情況下的效率限值。

水套爐；能效評價；熱效率；指標限值

隨著油田開發進入中后期，以及難動用儲量規模的擴大，油田生產系統的能耗水平逐年上升，油田的節能減排任務日益艱巨。加熱爐作為油田的重要耗能設備之一，其能效水平的高低將直接影響系統的能耗狀況，而如何合理評價加熱爐的能效情況是實現其節能降耗的前提[1]。因此，以油田生產中的水套爐為研究對象，通過對現有加熱爐測試評價方法的分析研究，針對其應用中存在的一些問題，提出了一種綜合考慮負荷率因素的熱效率等級限值確定方法[2]。同時，通過實例綜合分析了最值法以及覆蓋率法2種不同限值界定方法的優劣，最終確定出適用于油田水套爐的熱效率等級限值界定方法。

1 現有評價指標限值確定方法

加熱爐評價指標主要為熱效率、爐體表面溫度、排煙溫度、排煙處空氣系數[3]。目前，加熱爐各指標限值的確定方法為：在不同的額定功率范圍內，引入覆蓋率的概念來確定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%；優良值宜覆蓋被統計加熱爐產品數的30%[4]。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。

研究發現，加熱爐的負荷率影響熱效率，在一定范圍內，加熱爐效率隨著負荷率的增大而增大[5]。不同的加熱爐類型由于其工作原理的不同，也會對熱效率產生影響，需要考慮加熱爐類型的因素。每個類型分別確定熱效率限值[6]。另外，在原有指標體系中，爐體外表面溫度受環境因素影響，不能直觀地體現加熱爐的散熱損失。因此，需要對現有加熱爐評價方法進行完善，考慮以下因素更加合理方便地評價加熱爐的能效水平：加熱爐的類型因素；加熱爐的負荷率因素；用環表溫差來代替爐體外表面溫度作為評價指標。

2 水套爐熱效率限值確定方法

2.1理論方法

2.1.1 分類匯總

將水套爐數據匯總，按GB 24848—2010《石油工業用加熱爐能效限定值及能效等級》中的方法將水套爐按額定功率范圍劃分[7]。

2.1.2 數據處理

將匯總后的水套爐測試數據進行以下處理。

1）篩選劃分。首先篩選排除排煙溫度和空氣系數不合格的數據，其次將篩選后的數據按照負荷率范圍劃分（負荷率＜10%、10%～20%、20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%），最后在每個負荷率范圍內按照效率值降序排列。

2）劃分效率限值等級。效率限值等級的劃分方法有2種：

方法1：在每個負荷率區間內按照效率值降序排序，一級限值為效率最小值與（效率最大值-效率最小值）×90%之和；二級限值為效率最小值與（效率最大值-效率最小值）×80%之和；三級限值為效率最小值與（效率最大值-效率最小值）×60%之和。這種方法簡稱最值法，具體如公式（1）～公式（3）所示。

式中：η1——此負荷率范圍內一級熱效率限值；

ηmin——此負荷率范圍內熱效率的最小值；

ηmax——此負荷率范圍內熱效率的最大值；

η2——此負荷率范圍內二級熱效率限值；

η3——此負荷率范圍內三級熱效率限值。

方法2：在每個負荷率期間內按照熱效率值降序排序，一級限值為樣本總數前10%的效率值；二級限值為樣本總數前20%的效率值；三級限值為樣本總數前60%的效率值。這種方法簡稱覆蓋率法。

3）限值擬合。通過上述2種方法，統計計算出每一負荷率范圍內的一、二、三級熱效率限值。同時，采用數學方法回歸擬合出一、二、三級效率限值與負荷率的函數關系，具體如表1所示。

表1 ××額定功率范圍水套爐一級、二級、三級效率限值

對于不同功率范圍的加熱爐，效率一、二、三級指標限值是負荷率的函數。表2給出某功率范圍的水套爐運行效率指標一、二、三級限值，這些限值是負荷率的函數，代入具體的負荷率，即可得到該負荷率下的熱效率限值。

2.2熱效率限值等級劃分方法對比

在水套爐熱效率評價指標限值理論方法中，劃分效率限值等級有2種方法，下面用實例具體分析比較2種劃分方法，選出最優方法，得到水套爐熱效率評價指標限值。

2.2.1 測試數據統計

以油田加熱爐數量最多的水套爐為例。根據現場的測試數據，共計對483臺水套爐按其功率范圍進行了數據的統計匯總，具體情況見表2。

表2 水套爐現場測試數據統計情況

由表2測試數據的分布及匯總情況可知，在200 kW≤P＜500 kW以及500 kW≤P＜1000 kW 2個功率范圍內的加熱爐測試數據相對較多。因此，主要以該2組測試數據為例進行相關的實例計算和分析。

在具體的分析過程中，主要根據相應功率范圍內水套爐測試數據的統計情況，分別采用最值法和覆蓋率法對數據進行分析處理，得到相應的水套爐熱效率限值的統計及擬合結果匯總情況。在此基礎上，進行2種方法擬合效果的對比分析，最終確定適用于水套爐的效率限值劃分方法。

2.2.2 實例1

主要以200 kW≤P＜500 kW功率范圍內水套爐為分析對象，因實際測試數據較多，在此僅列出負荷率為80%～90%的水套爐（200 kW≤P＜500 kW）數據匯總情況（表3）。

表3 負荷率80%～90%水套爐數據（200 kW≤P＜500 kW）

1）最值法數據擬合分析。根據實際測試數據的統計，采用最值法劃分效率限值，得到了相應的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖1）。

圖1 水套爐熱效率限值擬合效果（200 kW≤P＜500 kW）

在此基礎上，進一步分析計算了相應擬合數值的誤差率，具體統計情況見表4。

表4 水套爐200 kW≤P＜500 kW熱效率限值擬合計算匯總

2）覆蓋率法數據擬合分析。根據實際測試數據的統計，采用覆蓋率法劃分效率限值，得到了相應的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖2）。

圖2 水套爐熱效率限值擬合效果（200kW≤P＜500kW）

在此基礎上，進一步分析計算了相應擬合數值的誤差率，具體統計情況見表5。

表5 水套爐（200 kW≤P＜500 kW）熱效率限值擬合計算匯總

2.2.3 實例2

主要以500 kW≤P＜1000 kW功率范圍內水套爐為分析對象，在此同樣進行了最值法、覆蓋率法2種方法的對比分析。

1）最值法數據擬合分析。根據實際測試數據的統計，同樣首先采用最值法劃分效率等級限值，得到了相應的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖3）。并以此為基礎，進一步分析計算了相應擬合數值的誤差率（表6）。

圖3 水套爐熱效率限值擬合效果（500 kW≤P＜1000 kW）

表6 水套爐500 kW≤P＜1000 kW熱效率限值擬合計算匯總

2）覆蓋率法數據擬合分析。根據實際測試數據的統計，采用覆蓋率法劃分效率等級限值，得到了相應的效率限值擬合曲線及擬合公式（圖4）。并以此為基礎，進一步分析計算了相應擬合數值的誤差率（表7）。

圖4 水套爐熱效率限值擬合效果（500 kW≤P＜1000 kW）

2.3對比分析結果

根據上述實例1、實例2的分析，同時結合圖1～圖4中擬合曲線、擬合公式以及表4～表7誤差率的統計情況，對2個實例的2種劃分效率等級限值方法的優劣進行了對比分析。主要從合理性以及相似性2個方面進行分析。

1）合理性。合理性是指效率等級限值確定的科學、合理，主要體現在各個等級（一級、二級、三級）限值應分明，不存在相互交叉或越級的情況。由上述2組實例的擬合效果可以看出，最值法得到的擬合曲線一、二、三級效率限值界限分明、無重合，且限值一級＞二級＞三級。而由實例1中覆蓋率法得到的擬合曲線（圖2）可以看出，當負荷率大于90%時，二級限值大于一級限值；同樣，由實例2中覆蓋率法得到的擬合曲線（圖4）可以看出，當負荷率大于80%時，也發生了二級限值大于一級限值的情況，這與實際情況不符，因此，覆蓋率法存在不合理情況。

2）相似性。相似性是指擬合得到的各級別效率限值及其變化曲線與實際測試數據的一致性程度高低，主要體現在擬合結果與實際測試結果的誤差率大小。為了進一步分析說明，在上述2個實例擬合結果的基礎上，對2種方法的擬合誤差率進行了詳細的對比分析，具體見表8、表9。

表8 實例1熱效率限值擬合數據誤差分析

表9 實例2熱效率限值擬合數據誤差分析

由表8誤差率的比較可以明顯看出，最值法得到的擬合數據的誤差率無論在最大、最小還是平均（誤差率）都遠小于覆蓋率法。根據表9數據的對比分析可知，最值法雖然在平均誤差率上相對高于覆蓋率法，但綜合考慮最大、最小誤差率，可以看出最值法仍具有一定的優勢。

綜合上述兩方面的分析可知，采用最值法來劃分水套爐的效率等級限值，能夠更真實地反映和評判水套爐的實際運行狀況及其效率等級。

3 熱效率指標限值確定

按照水套爐熱效率限值的確定方法，同時綜合考慮實例的對比分析結果，采用最值法分析計算得到水套爐各功率范圍內效率限值與負荷率的函數關系（表10）。根據表10相應的函數關系即可分析得出在不同功率范圍內、不同負荷率時水套爐的（一、二、三級）效率限值。由于現場測試統計的可用數據有限，在此僅對熱效率評價指標限值的確定提供一種合理有效的方法，根據這種方法。不僅可以為其他類型的加熱爐熱效率評價限值的確定提供參考，而且在統計大量測試數據時仍可用此方法對函數進行修正。

表10 水套爐效率限值與負荷率函數關系

4 結束語

1）以水套爐為研究對象，通過對水套爐分類匯總，綜合考慮負荷率的影響因素，分析比對2種劃分效率限值等級的方法，得到最優劃分方法，最終擬合回歸出負荷率與效率限值的函數關系式，進而帶入負荷率即可得到不同負荷率情況下的效率限值。

2）通過2個實例的應用分析可知，最值法能夠較合理地給出水套爐等級限值劃分方法，相較于傳統的覆蓋率法而言，能夠更真實地反映和評判水套爐的實際運行狀況及其效率等級。

3）所研究的效率限值確定方法也可供其他類型（火筒爐、管式爐、相變爐等）的加熱爐參考借鑒，進而為加熱爐其他評價指標（排煙溫度、空氣系數等）及其整體的能效評價方法提供理論基礎。

[1]廖洪波.一種提高油田注汽鍋爐熱效率方法的可行性研究[J].特種油氣藏,2006,13（6）:98-100.

[2]楊良杰,李哲.加熱爐熱效率與負荷關系研究[J].石油和化工節能,2011（6）:4-8.

[3]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（7）:30-31.

[4]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（8）:21-23.

[5]劉保迎.油田加熱爐運行分析[J].石油工業技術監督, 2012（6）:24-25.

[6]白曉彤,李明峰,吳麗娜,等.加熱爐負荷率與能耗關系研究[J].當代化工,2015（8）:1934-1936.

[7]吳照云.石油工業用加熱爐能效限定值及能效等級：GB 24848—2010[S].北京:中國標準出飯社,2010:1-2.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.001

2016-03-29

（編輯 李珊梅）

徐秀芬，教授，2005年畢業于哈爾濱工業大學（機械電子工程專業），從事油氣田生產系統節能技術的研究開發工作，E-mail：xuxiufen960605@126.com，地址：黑龍江省大慶市東北石油大學，163318。