炼化企业工艺加热炉节能运行的综合评价

汪佳刘富余曾庆峰余绩庆刘雪暖

（1.中国石油大学（华东）化学工程学院；2.中国石油天然气股份有限公司规划总院）

炼化企业工艺加热炉节能运行的综合评价

汪佳1刘富余2曾庆峰2余绩庆2刘雪暖1

（1.中国石油大学（华东）化学工程学院；2.中国石油天然气股份有限公司规划总院）

对工艺加热炉的运行情况进行综合评价，是炼化企业设备节能管理的一项基础性工作。采用基于熵权法和层次分析法的主客观组合赋权法，确定排烟温度、炉体外表面温度、烟气氧含量、过剩空气系数和热效率等五项指标的权重系数。对新疆两家石化企业的加热炉按热负荷大小分为四组，采用灰色关联度法进行节能运行的综合评价，通过比较关联度的大小得到节能情况的排序，为企业加强加热炉的节能管理提供了可靠的依据。采用ExcelVBA编程简化了加热炉评价计算过程，为企业评价加热炉运行状况提供了便利。

工艺加热炉 熵权法 层次分析法 灰色关联 主客观组合赋权法

工艺加热炉作为炼油、化工生产装置的主要耗能设备，其燃料消耗在炼化企业能耗中的比例占30%～40%[1]。近几年，随着节能改造的不断实施，我国炼化企业工艺加热炉热效率得到提高，但仍存在自动化程度低、排烟温度高、散热损失大等问题，仍然具有一定的节能潜力。对企业加热炉的运行情况进行评价，分析其节能潜力，有助于针对性地采取措施提高加热炉的运行水平。

目前石化行业在加热炉节能监测结果的评价中，对于排烟温度、炉体外表面温度、烟气氧含量、过剩空气系数、热效率五个指标，仅限于合格与不合格的评价[2]，或者在实际评价中仅靠热效率进行单指标的评价。而热效率只是直接反映了加热炉对热能利用程度，有时热效率达标但局部损失可能不达标，因此，对加热炉的节能运行情况要进行多指标的综合评价。

本文引入基于熵权法和层次分析法（Analytic HierarchyProcess，简称AHP）的主客观组合赋权法对五项评价指标确定权重，并运用灰色关联度法对加热炉节能运行情况进行分析，计算后的评价结果更科学客观，能为加热炉的节能技改提供更多有价值的参考依据。

1 炼化工艺加热炉节能运行评价指标

炼化加热炉节能监测的指标为烟气温度、炉体外表面温度、烟气氧含量、过剩空气系数和热效率。前四项反映了炉子在排烟热损失、未完全燃烧热损失和散热损失的情况。

1.1 排烟温度

排烟温度指在烟气离开最后传热面处，即在烟气余热回收段的烟气出口处的温度；当没有烟气余热回收段时，则在对流段烟气出口处的温度。排烟温度高，烟气带走的热量多，加热炉效率低。降低排烟温度要以尽量不发生低温露点腐蚀为原则，具体数值由烟气组成确定。

1.2 炉体外表面温度

炉墙的外表面温度直接反映炉体保温的好坏，关系到散热损失和安全问题。外壁温度过高，散热损失大，加热炉热效率低；外壁温度低，可提高加热炉效率，但炉墙要厚，一次投资增加。炉墙的外表面温度应按既经济又合理的原则来确定。

1.3 烟气氧含量

在保证燃料充分燃烧的前提下降低氧含量，提高加热炉热效率。若氧含量过高，则说明进入加热炉的空气量较多，多余的氧气作为烟气排放，将带走部分热量，增大排烟损失。有时加热炉炉体漏风，为保证烟气氧含量达标而人为关小烟道挡板或风门就容易产生CO含量过高的问题。

1.4 过剩空气系数

工业加热炉总是要在一定过量空气量的条件下才能完全燃烧。燃烧所用实际空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数。在实际操作中，如果过剩空气量增加，排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气，使得排烟损失增加，热效率降低，见图1。

图1 过剩空气系数对热效率的影响

图1表示在不同的排烟温度下，过剩空气系数每增加0.1对热效率下降值的影响[1]。由此可见，降低过剩空气系数可以有效地减少排烟损失，提高热效率。

1.5 热效率

加热炉热效率是反映加热炉整体运行水平的重要指标。影响加热炉热效率的主要因素有排烟温度的高低、过剩空气系数大小、炉体保温情况及其散热损失、燃料完全燃烧程度。热效率的计算一般采用反平衡法。

2 评价指标的主客观赋权法

加热炉的节能运行评价是多指标综合评价问题，必须确定科学合理的指标权重。赋权方法分为主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法包括专家咨询（Delphi）法、AHP法等，客观赋权法包括熵权法、相关系数法等。

2.1 熵权法

熵在信息论中用来度量数据所提供的有效信息量。当评价对象在某项指标上的值相差较大时，提供的有效信息量大，则该指标的权重较大；反之，若某项指标的值相差较小，则权重也较小；在某项指标上值完全相同时，应考虑从评价指标中去除。因此，可以根据各个指标指标值的差异程度，通过熵值计算各指标的权重。具体步骤[3]如下：

设有m个评价对象为X=（X1，X2，...，Xm），对n个评价指标进行评价得到评价矩阵Aij={xi(j)}（xi(j)为第i个指标的值）。对于给定的评价指标j，xi(j)的差异越大，则评价区分度的信息越大。信息熵函数表达式为：

式中：k=-1/(lnm)

可进一步定义评价矩阵的总熵为

令

则wj可度量不同指标的区分能力，也即各指标权重信息。

2.2 层次分析法

层次分析法（AHP）是美国运筹学家T.L. Saaty教授于20世纪70年代初提出的一种定性与定量分析相结合的多指标决策方法，是一种主观赋权方法。它通过两两比较的方式，结合“1～9比率标度”，确定分层结构不同指标的权重，并对专家判断的一致性进行检验，若一致性不符合要求，允许重新判断决策，从而将复杂、模糊的问题简化、量化。该方法能模型建立和求解较简便，也能有效地降低专家的个人偏好对打分的影响。

2.3 主客观组合赋权法

熵权法的突出优点是：权重系数客观性强，是由指标数据矩阵的计算得出。但赋权法的结果中最重要的指标不一定就有最大的权重系数，解释性不好。因此，还必须结合层次分析法，弥补单纯熵权法的缺陷。在实际确定指标的权重中，可根据需要将主观赋权法和客观赋权法，采用合适的组合方式构造组合权值，称之为组合赋权法[4]。组合赋权可以弥补单纯使用主观赋权法或客观赋权存在的缺点，减少随意性。

设主观赋权法得出的权重向量为ω'=(ω'1,ω'2,ω'3,… )ω'n

T，由客观赋权法得出的权重向量为ω''=(ω''1,ω''2,ω''3,… )ω''n

T，以α、β作为两种权重向量的加权系数，则一般最终权向量表示为：

为了使主观信息和客观信息在排序中得到充分体现，考虑由主观权重确定的加权属性值与客观权重确定的加权属性值趋于一致，建立α和β的最优化模型。主客观评价信息的偏离程度为：

采用线性权和法化成如下的单目标规划模型：

解此模型：

将计算出的α、β带入式（4）即可求出主客观组合权重w。

3 灰色关联度综合评价

灰色关联分析的基本原理是：通过对系统数列与参考数列几何关系的比较来分清综合评价中多个指标的关联程度，序列曲线的几何形状越接近，则它们之间的关联度越大，反之越小[5]。利用灰色理论建立的方法模型，能较好地克服评判过程中人为因素对评价结果的影响，为方案排序的解析化、定量化提供更为有力的手段。

设X0={x0(j),j=1,2,…,n}为参考数据序列，Xi={xi(j),j=1,2,…,n;i=1,2,…,m} 为评价数据序列，即共有m个评价数据序列，每个序列共有n个指标，根据邓氏经典灰色关联法，式（10）表示第i个评价数据序列与参考数据序列在对应的第j个指标的相对差值，即关联系数为ξ0i(j)：

式中δ为分辨系数，是为了避免最大极值过大而造成关联系数的失真，以提高关联系数之间的差异显著性而人为规定的系数，取值范围δ∈[ ]

0.1,1，一般取0.5。

关联度为ri：

其中wj为主客观赋权法计算出的权重系数，比较序列与参考数据序列的指标曲线越相似，ri就越大，该比较序列就越优。

4 加热炉节能运行的综合评价及编程实现

以新疆某两家石化公司为例，对其使用加热炉的节能运行情况进行综合评价。据标准[2]，不同热负荷的加热炉受客观条件限制，热效率、排烟温度、过剩空气系数等指标所能达到的最好值是不同的，合格的指标也有所不同。因此，根据热负荷大小分为大于20MW、10～20MW、5～10MW、小于5MW等四个组，实测指标数据见表1~表4。

表1 大于20MW工艺加热炉评价指标

4.1 无量纲化处理

排烟温度、炉体外表面温度、烟气氧含量、过剩空气系数为负向指标，指标值越小越好；热效率为正向指标，指标值越大越好。指标数据的无量纲化处理分别采用式（12）、式（13）：

正向指标无量纲化：

负向指标无量纲化：

表2 10～20MW工艺加热炉评价指标

表3 5～10MW工艺加热炉评价指标

4.2 确定权重

加热炉节能运行的综合评价中，采用主客观组合赋权法来确定各评价指标权重最为理想。首先，采用熵权法计算四组指标的权重，根据公式（1）、（2）和（3）计算，所得权重值见表5。

从主观因素分析，各组加热炉的指标重要性不因负荷变化而变化，因而只有一组权重。采用层次分析法，通过合理选取专家，进行咨询打分，其中一位专家的所得判断矩阵见表6。

表4 小于5MW工艺加热炉评价指标

表5 评价指标权重

表6 AHP法-判断矩阵

经计算，该判断矩阵满足一致性检验，综合5位专家的咨询结果，得出主观权重为［0.2875，0.075，0.05，0.15，0.4375］。以热负荷大于20MW一组为例，根据式（8）（9），计算得到α=0.57，β=0.43。从而反映主客观信息的组合权重向量为：w=0.57ω'+0.43ω''，最终权重为［0.2159，0.1554，0.1554，0.1801，0.2932］。其他三组的权重以相同的方法算得，见表7。

表7 加热炉各评价指标权重

4.3 关联度计算

四组炼化工艺加热炉的指标值分别进行灰色关联度的计算，以每组各个指标值的最优值组成参考数据序列，根据公式（11）、（12），计算得到关联度及其排名。关联度越大，说明加热炉的节能情况最好，由此可以得到两家石化公司工艺加热炉运行综合评价的优劣排序。通过关联度值的大小分为七个等级，划分规则见表8。

表8 加热炉节能运行等级划分表

可以得到加热炉等级分布图（图2），纵坐标表示各个等级加热炉的台数。等级1、等级2的加热炉节能运行情况最好，等级6、等级7的加热炉用能情况较差，因而在进行加热炉的节能改造时优先考虑等级6与等级7的加热炉，尤其是编号A1008、B1010、A1005、A1002四个等级7的加热炉，在节能改造计划时应优先考虑。

图2 加热炉节能运行等级分布图

4.4 ExcelVBA编程实现

VBA（VisualBasicForApplication）是依附在Excel中的二次开发语言，可以编写代码使程序自动执行，完成复杂的运算。在加热炉节能运行评价的计算中，Excel表格作为前台指标数据、权重数据、综合评价值的输入和输出，VBA程序代码在后台提供计算步骤，并通过按钮实现计算结果的输出。编程的算法流程图见图3。

图3 加热炉节能综合评价编程流程图

5 结论

1）在炼化企业工艺加热炉节能运行的多指标评价体系中，提出了基于熵权法和层次分析法（AHP）组合的主客观赋权法。熵权法可以充分利用指标数据所蕴含的信息量，层次分析法有较强的解释性，结合两者优点，由数学规划模型将客观权重和主观权重加权综合，计算得出的结果较好地反映了权重的客观程度和主观解释性，更具有科学合理性。

2）采用灰色关联度法作为加热炉节能运行综合评价的方法，包括加热炉按负荷分类，确定参考数据序列和比较序列，原始数据的无量纲化处理，计算灰色关联系数及关联度。

3）利用ExcelVBA编程工具，将复杂的数据计算用代码实现，仍然在Excel表中实现数据的输入和计算结果的输出。该编程工具简单易懂，大大简化了综合评价的计算过程。

[1]钱家麟.管式加热炉（2版）[M].北京:中国石化出版社, 2003:521-524.

[2]Q/SY1066-2010.石油化工工艺加热炉节能监测方法.

[3]成庆林,李秀娟,吴照云.油田加热炉节能运行的灰色关联综合评价[J].科学技术与工程,2011,11(24): 5941-5944.

[4]王中兴,张绍林,刘雁.基于主客观加权属性值一致化的组合赋权法[J].广西科学,2007,14(3):247-249.

[5]李国良,付强,孙勇,等.基于熵权的灰色关联分析模型及其应用[J].水资源与水工程学报,2006,17(6): 15-18.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.09.001

2012-07-28）

汪佳，2010年毕业于中国石油大学（华东），在读研究生，现从事炼油化工节能节水研究，E-mail：upcwangjia@126. com，地址：山东省青岛市中国石油大学（华东）化学工程学院，266555。