基于數據分析的油田加熱爐能效影響因素研究

夏建聰 （大慶油田有限責任公司第七采油廠）

加熱爐作為輸送介質的主要加熱設備，其能耗約占集輸系統總能耗的80%~90%[1-2]，因此對油田加熱爐的能效影響因素進行綜合分析，尋找加熱爐運行中的薄弱環節，對于油田節能、降耗和減排工作的開展具有重要指導意義。

目前，陳浩[3]、李睿等[4]、李鵬等[5]、蘭海濤等[6]從不同角度對加熱爐的能效水平進行了研究，但結論多基于行業專家的主觀定性分析，忽略了影響因素間的交互作用，且對于常規節能監測報告中的數據利用不足。鑒于此，在梳理加熱爐能效計算方法的基礎上，利用節能監測數據分析影響加熱爐能效的諸多因素，最后結合熵權-灰色關聯法完成影響因素的排序，確定加熱爐的節能方向。

1 加熱爐能效計算方法

參照GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》、GB/T 16666—2012《泵類及液體輸送系統節能監測方法》、GB/T 33653—2017《油田生產系統能耗測試和計算方法》、SY/T 6381—2016《石油工業用加熱爐熱工測定》等標準[7-8]，記錄并測試加熱爐銘牌所標注的參數，包括但不限于加熱爐類型、型號、額定容量、生產廠家、出廠日期、燃燒器類型、型號等；運行參數包括但不限于被加熱介質進出口溫度、進出口壓力、煙氣組份、排煙溫度及爐體表面溫度等；環境參數包括但不限于環境溫度、入爐空氣溫度、大氣壓力等，其他參數如被加熱介質流量、含水率及密度等。

1.1 加熱爐熱效率

熱效率的計算方法有正平衡法和反平衡法兩種，前者通過被加熱介質吸收的有效能與燃料供給熱量的比值獲取熱效率；后者通過統計被加熱介質從流入至流出加熱爐過程中的熱量損失，逆向推算熱效率公式見式（1）、（2）：

式中：η1、η2分別為正平衡熱效率和反平衡熱效率，%；Q為加熱爐運行負荷，kJ/h；Qr為燃料供給熱量，kJ/h；q1、q2、q3分別為排煙熱損失率、氣體不完全燃燒熱損失率、散熱損失率，%。

1.2 排煙熱損失率

排煙熱損失率的計算公式見式（3）：

式中：K為燃料修正系數；B為燃料消耗量，m3/h；hpy、hlk分別為煙氣焓和冷空氣焓，kJ/m3。

1.3 氣體不完全燃燒熱損失率

氣體不完全燃燒損失的計算公式見式（4）：

式中：Vgy為排煙處的干煙氣容積，m3；WCO、WH2、WCrHy分別為排煙處CO、H2和不飽和烴的摩爾含量，%。

1.4 散熱損失率

當加熱爐的運行負荷率大于75%時，其散熱損失率按照表1 計算；當加熱爐的運行負荷率在30%~75%時，散熱損失率按照公式（5）計算；當加熱爐的運行負荷率小于30%時，散熱損失率按照公式（5）的30%計算。

表1 加熱爐散熱損失率Tab.1 Heat loss rate of heating furnace

散熱損失率：

式中：q′3為加熱爐的額定散熱損失率，由表1 獲取，%；Pe為加熱爐額定容量，MW。

2 能效影響因素分析

2.1 過剩空氣系數

參照能效計算方法結合現場節能監測結果，統計同一區塊額定容量為1 160 kW 的燃氣管式加熱爐，考察過剩空氣系數和熱效率的關系，見圖1。

圖1 過剩空氣系數與熱效率的關系Fig.1 Relation between excess air coefficient and thermal efficiency

隨著過剩空氣系數的增加，加熱爐熱效率呈直線下降，這是由于空燃比過大，爐膛溫度受外界冷空氣的影響而降低，燃料燃燒效率下降，且多余空氣排出煙道和煙囪時，也會攜帶一部分熱量，最終導致排煙熱損失率上升。圖1 中大部分過剩空氣系數小于1.8，滿足GB/T 31453—2015 中關于燃氣加熱爐的節能監測要求；最小過剩空氣系數為1.13，如果現場加熱爐的過剩空氣系數不足1，則進入爐內的空氣流量不足以使燃料完全燃燒，此時排煙處CO 的摩爾含量會上升，加熱爐的熱效率也會降低。

過剩空氣系數主要影響反平衡熱效率，故單一分析過剩空氣系數與不同熱損失率的關系，見圖2。隨著過剩空氣系數的增加，排煙熱損失逐漸增大，其原因與過剩空氣系數和熱效率的關系類似，均是由于空燃比過大，帶走了爐內熱量，導致可用于介質加熱的供給熱量減少。過剩空氣系數基本不影響散熱損失和氣體不完全燃燒損失，兩者的損失率分別為4%和2%。

圖2 過剩空氣系數與不同熱損失率的關系Fig.2 Relation between excess air coefficient and different heat losses

考慮到過剩空氣系數與爐內O2對燃料燃燒的貢獻程度有關，而排煙處O2和CO2的摩爾含量較大，故在排煙溫度為200 ℃左右的條件下，考察煙氣含量與過剩空氣系數的關系，見圖3。排煙處O2含量與過剩空氣系數呈正相關，排煙處CO2含量則呈負相關，這是由于空燃比增大后，剩余未發生燃燒反應的O2增加，但過量空氣會使燃燒反應的進行更完全，排煙處CO2含量逐漸降低。

圖3 煙氣含量與過剩空氣系數的關系Fig.3 Relationship between flue gas content and excess air coefficient

2.2 排煙溫度和環表溫差

統計同一區塊額定容量為1 160 kW 的燃氣管式加熱爐，考察排煙溫度與熱效率、排煙熱損失率的關系，見圖4。隨著排煙溫度增加，熱效率降低，排煙熱損失率升高，一方面排煙溫度與攜帶能量呈正比，導致排煙熱損失率增大、加熱爐效率降低，另一方面排煙溫度過高還會誘發煙道老化、爐管炸裂等問題。此外，雖然GB/T 31453—2015 中未規定排煙溫度下限，但當排煙溫度低于水蒸氣或硫酸蒸汽的露點溫度時，也會誘發露點腐蝕，影響正常工作。

圖4 排煙溫度與熱效率、排煙熱損失率的關系Fig.4 Relationship between exhaust temperature， thermal efficiency and exhaust heat loss

一般采用爐體外表面溫度衡量加熱爐的散熱損失，但加熱爐所處的環境不是絕熱條件，外表面通常附著石棉、礦渣棉或巖棉等保溫材料，爐內燃燒產物通過對流室、爐管、煙道、煙囪等部件散發熱量，與周圍環境產生熱交換，因此散熱損失與爐體外表面溫度和環境溫度的差值有關[9]。考察環表溫差與熱效率、散熱損失率的關系，見圖5。隨著環表溫差的增加，熱效率呈降低趨勢，與之前的定性分析結果相符；根據表1，當熱效率大于75%時，散熱損失率均取2.9%，當熱效率小于75%時，環表溫差與散熱損失呈正相關，環表溫差在熱效率較低時對加熱爐能效的影響更大。

圖5 環表溫差與熱效率、散熱損失率的關系Fig.5 Relationship between annular temperature difference and thermal efficiency and heat loss

2.3 負荷率

考慮到目前油田開發區塊以邊遠小斷塊為主，且油井產量逐年遞減，加熱爐的運行負荷通常達不到額定設計容量，故考察額定容量為1 160 kW 燃氣管式加熱爐負荷率與熱效率的關系，見圖6。隨著負荷率的增加，加熱爐熱效率先增大后減小，且在負荷率在20%~40%，熱效率下降速度變快。當負荷率不足時，燃燒器的燃燒火焰無法充滿爐膛，空氣和燃料均不能得到充分利用，降低了爐體的輻射效率；當出現超載時，設備及附屬管道的脆弱性增加，此時燃燒器內部的混入燃料量已超過空氣流量，燃料無法完全燃燒，部分燃料會從煙道中排出，導致加熱爐能效水平降低。

圖6 負荷率與熱效率的關系Fig.6 Relation between load rate and thermal efficiency

考慮到油田加熱爐的規格型號眾多，分別選取額定容量為580 kW、1 160 kW、1 440 kW、2 330 kW的燃氣加熱爐，對比不同額定容量下負荷率與熱效率的關系，見圖7。不同額定容量下負荷率與熱效率的關系基本一致，熱效率均隨負荷率的增加先增大后減小，不同規格的加熱爐熱效率峰值不同，對應的負荷率也不同；當負荷率相同時，額定容量越大，熱效率越高；隨著額定容量的增加，負荷率對熱效率的影響愈發明顯。

圖7 不同額定容量下負荷率與熱效率的關系Fig.7 Relation between load rate and thermal efficiency at different rated capacities

2.4 爐膛壓力

爐膛壓力在規范中不作為節能評價的項目，但現場中往往將其作為加熱爐運行狀態的有效監測數據。統計同一區塊額定容量為1 160 kW 的燃氣管式加熱爐，考察爐膛壓力與熱效率的關系，見圖8。爐膛壓力與熱效率呈負相關，當爐膛壓力高于大氣壓時，爐內燃料無法完全充分燃燒，煙氣攜帶大量未完全燃燒的燃料和高溫氣體，造成爐氣外泄，加熱爐熱效率大幅下降。統計數據中熱效率的高效區間集中在爐膛壓力在30~50 kPa，未出現爐膛壓力低于最低限值的現象。

圖8 爐膛壓力與熱效率的關系Fig.8 Relationship between furnace pressure and thermal efficiency

3 能效影響因素排序

從以上分析結果可知，影響加熱爐能效的因素有過剩空氣系數、煙氣含量（O2和CO2的摩爾含量）、排煙溫度、環表溫差、負荷率、爐膛壓力等因素相關，且不同因素之間存在交互作用，在此采用熵權-灰色關聯法確定影響因素排序[10]。

首先，構建初始指標矩陣，根據信息熵基本理論，計算熵值和熵權；其次，將每個加熱爐對應的熱效率作為參考序列，將影響因素作為比較序列，通過對比不同序列之間的相似程度，計算灰色關聯系數；最后，將灰色關聯系數進行加權歸一化處理，權重采用熵權結果，熵權賦予了每個加熱爐能效影響因素客觀權重，得到熵權-灰色關聯的關聯度。將79 個加熱爐的數據進行熵權-灰色關聯分析，結果見表2。其中，關聯度大于0.15 的因素從大到小排序為負荷率、排煙溫度、過剩空氣系數和環表溫差，這些是影響加熱爐能效的主控因素；煙氣成分的關聯度均小于0.1，對加熱爐能效的影響程度有限。

表2 熵權-灰色關聯的關聯度Tab.2 Correlation degree of entropy weight-grey correlation

4 加熱爐能效改進建議

根據以上數據分析結果，對該區塊加熱爐的能效改進提出如下建議：

1）合理設置加熱爐的空燃比，保證過剩空氣系數在1.2~1.6，使用配備自動配風調節系統的高效燃燒器，嚴格控制燃料推進速度和設備密封程度。

2）時刻監測排煙處各項煙氣的摩爾含量，用于輔助衡量過剩空氣系數的大小，合理調配空燃比。

3）設置煙氣回收裝置或采用熱電聯產技術回收加熱爐余熱，定期對爐內易結垢部位進行停爐清理，降低爐內灰垢、爐管結焦發生概率。

4）定期檢查爐體保溫層完整程度，及時修復受損保溫層，采用新型噴涂工藝，解決介質出口處溫度過高造成的保溫層剝離現象。

5）根據產能情況調整加熱爐配置條件，根據季節變化調整負荷率盡量在高效區間。

6）設置爐膛壓力監測報警裝置，當爐膛壓力超限時，合理調整煙道擋板的開度，并配合泄壓閥降低爐膛壓力。

5 結論

1）通過梳理相關規范和節能監測項目，對加熱爐的能效計算方法進行了分類和匯總，其中過剩空氣系數主要影響排煙熱損失，且與煙氣含量相關。

2） 排煙溫度和環表溫差分別與排煙熱損失、散熱損失相關；負荷率與熱效率呈拋物線關系；爐膛壓力越大，熱效率越低。

3） 基于數據分析，負荷率的權重結果最大，可作為綜合性因素，對加熱爐能效的影響程度也最大，煙氣含量對加熱爐能效的影響程度則是有限。該研究結果為提升加熱爐能效提供了理論依據。