油田水套炉热效率评价指标限值方法研究

2016-02-05徐秀芬白晓彤王东张洪江

石油石化节能 2016年8期

关键词：水套测试数据热效率

徐秀芬白晓彤王东张洪江

（1.东北石油大学；2.中国石油天然气集团公司东北油田节能监测中心）

油田水套炉热效率评价指标限值方法研究

徐秀芬1白晓彤1王东2张洪江2

（1.东北石油大学；2.中国石油天然气集团公司东北油田节能监测中心）

油田加热炉是油田主要的耗能设备之一，加热炉的高效运行对油田的节能降耗工作至关重要，如何合理评价加热炉的能效情况是加热炉高效运行的前提。以水套炉为研究对象，通过对水套炉分类汇总，综合考虑负荷率对评价指标的影响因素，分析比对两种划分效率等级限值的方法，得到最优划分方法，最终拟合回归出负荷率与效率限值的函数关系式，进而带入负荷率即可得到不同负荷率情况下的效率限值。

水套炉；能效评价；热效率；指标限值

随着油田开发进入中后期，以及难动用储量规模的扩大，油田生产系统的能耗水平逐年上升，油田的节能减排任务日益艰巨。加热炉作为油田的重要耗能设备之一，其能效水平的高低将直接影响系统的能耗状况，而如何合理评价加热炉的能效情况是实现其节能降耗的前提[1]。因此，以油田生产中的水套炉为研究对象，通过对现有加热炉测试评价方法的分析研究，针对其应用中存在的一些问题，提出了一种综合考虑负荷率因素的热效率等级限值确定方法[2]。同时，通过实例综合分析了最值法以及覆盖率法2种不同限值界定方法的优劣，最终确定出适用于油田水套炉的热效率等级限值界定方法。

1 现有评价指标限值确定方法

加热炉评价指标主要为热效率、炉体表面温度、排烟温度、排烟处空气系数[3]。目前，加热炉各指标限值的确定方法为：在不同的额定功率范围内，引入覆盖率的概念来确定加热炉的评价指标限定值。覆盖率就是达到指标限值的产品的台数占在运行产品台数的比例。一般情况下选择加热炉合格值宜覆盖被统计加热炉产品数的70%；优良值宜覆盖被统计加热炉产品数的30%[4]。对于个别区间由于统计值分布的不均匀性而不能满足上述原则时，允许有一定偏差。

研究发现，加热炉的负荷率影响热效率，在一定范围内，加热炉效率随着负荷率的增大而增大[5]。不同的加热炉类型由于其工作原理的不同，也会对热效率产生影响，需要考虑加热炉类型的因素。每个类型分别确定热效率限值[6]。另外，在原有指标体系中，炉体外表面温度受环境因素影响，不能直观地体现加热炉的散热损失。因此，需要对现有加热炉评价方法进行完善，考虑以下因素更加合理方便地评价加热炉的能效水平：加热炉的类型因素；加热炉的负荷率因素；用环表温差来代替炉体外表面温度作为评价指标。

2 水套炉热效率限值确定方法

2.1理论方法

2.1.1 分类汇总

将水套炉数据汇总，按GB 24848—2010《石油工业用加热炉能效限定值及能效等级》中的方法将水套炉按额定功率范围划分[7]。

2.1.2 数据处理

将汇总后的水套炉测试数据进行以下处理。

1）筛选划分。首先筛选排除排烟温度和空气系数不合格的数据，其次将筛选后的数据按照负荷率范围划分（负荷率＜10%、10%～20%、20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%），最后在每个负荷率范围内按照效率值降序排列。

2）划分效率限值等级。效率限值等级的划分方法有2种：

方法1：在每个负荷率区间内按照效率值降序排序，一级限值为效率最小值与（效率最大值-效率最小值）×90%之和；二级限值为效率最小值与（效率最大值-效率最小值）×80%之和；三级限值为效率最小值与（效率最大值-效率最小值）×60%之和。这种方法简称最值法，具体如公式（1）～公式（3）所示。

式中：η1——此负荷率范围内一级热效率限值；

ηmin——此负荷率范围内热效率的最小值；

ηmax——此负荷率范围内热效率的最大值；

η2——此负荷率范围内二级热效率限值；

η3——此负荷率范围内三级热效率限值。

方法2：在每个负荷率期间内按照热效率值降序排序，一级限值为样本总数前10%的效率值；二级限值为样本总数前20%的效率值；三级限值为样本总数前60%的效率值。这种方法简称覆盖率法。

3）限值拟合。通过上述2种方法，统计计算出每一负荷率范围内的一、二、三级热效率限值。同时，采用数学方法回归拟合出一、二、三级效率限值与负荷率的函数关系，具体如表1所示。

表1 ××额定功率范围水套炉一级、二级、三级效率限值

对于不同功率范围的加热炉，效率一、二、三级指标限值是负荷率的函数。表2给出某功率范围的水套炉运行效率指标一、二、三级限值，这些限值是负荷率的函数，代入具体的负荷率，即可得到该负荷率下的热效率限值。

2.2热效率限值等级划分方法对比

在水套炉热效率评价指标限值理论方法中，划分效率限值等级有2种方法，下面用实例具体分析比较2种划分方法，选出最优方法，得到水套炉热效率评价指标限值。

2.2.1 测试数据统计

以油田加热炉数量最多的水套炉为例。根据现场的测试数据，共计对483台水套炉按其功率范围进行了数据的统计汇总，具体情况见表2。

表2 水套炉现场测试数据统计情况

由表2测试数据的分布及汇总情况可知，在200 kW≤P＜500 kW以及500 kW≤P＜1000 kW 2个功率范围内的加热炉测试数据相对较多。因此，主要以该2组测试数据为例进行相关的实例计算和分析。

在具体的分析过程中，主要根据相应功率范围内水套炉测试数据的统计情况，分别采用最值法和覆盖率法对数据进行分析处理，得到相应的水套炉热效率限值的统计及拟合结果汇总情况。在此基础上，进行2种方法拟合效果的对比分析，最终确定适用于水套炉的效率限值划分方法。

2.2.2 实例1

主要以200 kW≤P＜500 kW功率范围内水套炉为分析对象，因实际测试数据较多，在此仅列出负荷率为80%～90%的水套炉（200 kW≤P＜500 kW）数据汇总情况（表3）。

表3 负荷率80%～90%水套炉数据（200 kW≤P＜500 kW）

1）最值法数据拟合分析。根据实际测试数据的统计，采用最值法划分效率限值，得到了相应的效率限值拟合曲线及拟合公式（图1）。

图1 水套炉热效率限值拟合效果（200 kW≤P＜500 kW）

在此基础上，进一步分析计算了相应拟合数值的误差率，具体统计情况见表4。

表4 水套炉200 kW≤P＜500 kW热效率限值拟合计算汇总

2）覆盖率法数据拟合分析。根据实际测试数据的统计，采用覆盖率法划分效率限值，得到了相应的效率限值拟合曲线及拟合公式（图2）。

图2 水套炉热效率限值拟合效果（200kW≤P＜500kW）

在此基础上，进一步分析计算了相应拟合数值的误差率，具体统计情况见表5。

表5 水套炉（200 kW≤P＜500 kW）热效率限值拟合计算汇总

2.2.3 实例2

主要以500 kW≤P＜1000 kW功率范围内水套炉为分析对象，在此同样进行了最值法、覆盖率法2种方法的对比分析。

1）最值法数据拟合分析。根据实际测试数据的统计，同样首先采用最值法划分效率等级限值，得到了相应的效率限值拟合曲线及拟合公式（图3）。并以此为基础，进一步分析计算了相应拟合数值的误差率（表6）。

图3 水套炉热效率限值拟合效果（500 kW≤P＜1000 kW）

表6 水套炉500 kW≤P＜1000 kW热效率限值拟合计算汇总

2）覆盖率法数据拟合分析。根据实际测试数据的统计，采用覆盖率法划分效率等级限值，得到了相应的效率限值拟合曲线及拟合公式（图4）。并以此为基础，进一步分析计算了相应拟合数值的误差率（表7）。

图4 水套炉热效率限值拟合效果（500 kW≤P＜1000 kW）

2.3对比分析结果

根据上述实例1、实例2的分析，同时结合图1～图4中拟合曲线、拟合公式以及表4～表7误差率的统计情况，对2个实例的2种划分效率等级限值方法的优劣进行了对比分析。主要从合理性以及相似性2个方面进行分析。

1）合理性。合理性是指效率等级限值确定的科学、合理，主要体现在各个等级（一级、二级、三级）限值应分明，不存在相互交叉或越级的情况。由上述2组实例的拟合效果可以看出，最值法得到的拟合曲线一、二、三级效率限值界限分明、无重合，且限值一级＞二级＞三级。而由实例1中覆盖率法得到的拟合曲线（图2）可以看出，当负荷率大于90%时，二级限值大于一级限值；同样，由实例2中覆盖率法得到的拟合曲线（图4）可以看出，当负荷率大于80%时，也发生了二级限值大于一级限值的情况，这与实际情况不符，因此，覆盖率法存在不合理情况。

2）相似性。相似性是指拟合得到的各级别效率限值及其变化曲线与实际测试数据的一致性程度高低，主要体现在拟合结果与实际测试结果的误差率大小。为了进一步分析说明，在上述2个实例拟合结果的基础上，对2种方法的拟合误差率进行了详细的对比分析，具体见表8、表9。

表8 实例1热效率限值拟合数据误差分析

表9 实例2热效率限值拟合数据误差分析

由表8误差率的比较可以明显看出，最值法得到的拟合数据的误差率无论在最大、最小还是平均（误差率）都远小于覆盖率法。根据表9数据的对比分析可知，最值法虽然在平均误差率上相对高于覆盖率法，但综合考虑最大、最小误差率，可以看出最值法仍具有一定的优势。

综合上述两方面的分析可知，采用最值法来划分水套炉的效率等级限值，能够更真实地反映和评判水套炉的实际运行状况及其效率等级。

3 热效率指标限值确定

按照水套炉热效率限值的确定方法，同时综合考虑实例的对比分析结果，采用最值法分析计算得到水套炉各功率范围内效率限值与负荷率的函数关系（表10）。根据表10相应的函数关系即可分析得出在不同功率范围内、不同负荷率时水套炉的（一、二、三级）效率限值。由于现场测试统计的可用数据有限，在此仅对热效率评价指标限值的确定提供一种合理有效的方法，根据这种方法。不仅可以为其他类型的加热炉热效率评价限值的确定提供参考，而且在统计大量测试数据时仍可用此方法对函数进行修正。