气田锅炉节能监测评价标准研究

刘洪霞

中国石化中原油田分公司技术监测中心　（河南　濮阳　457001）

锅炉是气田生产系统的主要用能设备，通过节能监测对其能耗状况进行分析评价，采取节能技术措施，有利于提高节能管理水平，促进节能技术进步。2010年以前工业锅炉节能监测评价依据GB/T 15317—1994《工业锅炉节能监测方法》，但此标准在2009年修订后为GB/T 15317—2009《燃煤工业锅炉节能监测》，仅适用于燃煤工业锅炉，未对燃气锅炉规定评价方法。由于缺乏相关的监测评价技术标准，制约了气田生产企业在用锅炉节能监测工作的开展。

1　气田锅炉节能监测评价方法研究

1.1　确定评价项目

GB/T 15317—2009《燃煤工业锅炉节能监测》规定燃气锅炉评价项目为热效率、排烟温度、空气系数、炉外表面温度[1]；GB/T 17954—2007《工业锅炉经济运行》规定燃气锅炉评价项目为热效率、排烟温度、空气系数[2]。确定气田用锅炉评价项目为热效率、排烟温度、空气系数、炉体表面温度。

1.2　锅炉效率的理论分析

按照GB/T 10180—2003规定的测试方法进行，测出锅炉的各项热损失[3]，即可按照反平衡方法计算出锅炉效率：

式中：q1为锅炉热效率，%；q2为排烟热损失，%；q3为气体不完全燃烧热损失，%；q4为未完全燃烧热损失，%；q5为散热损失，%；q6为灰渣物理热损失，%。由于分析的是气田锅炉，燃料为天然气，因此，q4可忽略，近似为 0；q6为 0。

1）排烟热损失 q2：

式中：Kq4为修正系数，%；Qr为输入热量，kJ/m3；Hpy为排烟处烟气焓，kJ/m3；Hlk为入炉冷空气焓，kJ/m3。

2）气体不完全燃烧热损失q3：

式中：Vgy为排烟处烟气体积，m3/kg；CO′、H2′、CmHn′为排烟处CO、H2、CmHn的百分数，%。

3）散热损失 q5：

式中：F为锅炉散热表面积，m2；B为燃料消耗量，m3/h。

1.3　确定评价分类因子

依据以上的理论分析，可以确定影响锅炉的因素有：空气系数、一氧化碳含量、排烟温度、环境温度、炉侧表面温度、炉顶表面温度。对于一氧化碳含量，由于其单位是ppm，其值非常小，对效率影响不大；但由于其值的变化范围较大，导致后续分析的不准确，因此舍去一氧化碳含量这一因素。

根据测试实践，影响天然气锅炉运行指标的客观因素主要有锅炉额定蒸发量、负荷率等。

1.3.1不同额定功率条件下锅炉的热效率

2012—2013年收集了气田生产系统50台次的锅炉节能监测数据，在锅炉运行负荷相近的情况下，对不同额定功率锅炉的热效率进行统计。数据统计见表1。

表1　不同额定功率下热效率统计表

1.3.2负荷率对锅炉热效率的影响

在相同额定功率情况下，对不同负荷率锅炉的热效率进行统计。数据统计见表2。

表2　相同额定功率、不同负荷率下热效率统计表

锅炉热效率与额定功率、负荷率显性相关。热效率随额定功率与负荷率的增大而增大。

对所有气田测试的28台锅炉数据进行系统聚类分析。通过分析发现将其聚成2类，能够很好地反映出数据的异常。具体的分类结果见表3。

表3　聚类分析结果表

由表3可以看出，此次分类是以锅炉的额定功率为基准划分的。第一类只有3台，比较少，因此决定分析第二类数据，之后再对第一类数据进行延伸。对第二类锅炉的各项因素进行灰关联分析，结果见表4。

1）统计分析结果：锅炉热效率与额定功率、负荷率显性相关。

2）聚类分析锅炉效率的结果：分类可以额定功率为基准进行划分。

3）灰关联的结果：锅炉热效率影响因子共6项，排烟温度、负荷率、炉顶表面温度、炉侧表面温度、空气系数和额定功率。

综合以上结果，考虑排烟温度、炉顶表面温度、炉侧表面温度、空气系数在热效率计算中已包含，因此确定分类因子为额定功率和负荷率。

表4　各影响因素与锅炉效率的灰色关联度排序　ρ=0.05

2　评价指标

2.1　热效率

锅炉热效率评价指标根据统计测试的锅炉热效率[4-5]计算结果，得出燃气锅炉热效率评价指标。

1）共统计分析10台负荷率在20%~40%、额定功率2.8 MW的锅炉。热效率统计结果见表5。

表5　额定蒸发量2.8 MW的锅炉热效率统计表

若按70%合格为限定值，30%合格为节能评价值，限定值为78.3%，节能评价值为80.4%，评价值取整数，确定额定蒸发量2.8 MW的燃气锅炉在负荷率为20%~40%时的热效率合格指标为78%。

2）统计10台额定蒸发量为7 MW的燃气锅炉，平均负荷率为64.1%。额定蒸发量7 MW的锅炉热效率测试结果汇总见表6。

若按70%合格为限定值，30%合格为节能评价值，限定值为87.9%，节能评价值为89.6%，评价指标取整数，确定额定蒸发量7 MW的燃气锅炉在负荷率为≥60%时的热效率限定值为88%，节能评价值为90%。

表6　额定蒸发量7.0 MW的锅炉热效率汇总表

其他额定功率范围的锅炉有负荷率的数据较少，统计数据不具代表性，其评价指标参照GB/T 15317—2009《燃煤工业锅炉节能监测》的5.1热效率合格指标的阶梯性来确定[1]。最终确定的热效率评价指标见表7。

2.2　排烟温度

根据统计的锅炉排烟温度测试结果[6]，得出燃气锅炉排烟温度评价指标。

1）共统计分析18台额定功率2.8 MW燃气锅炉，排烟温度测试结果汇总见表8。按照70%设备合格率的原则，确定额定功率2.8 MW的燃气锅炉排烟温度合格指标为200℃。

2）共统计分析10台额定功率4.2 MW燃气锅炉，排烟温度测试结果汇总见表9。按照70%设备合格率的原则，取整后确定额定功率4.2 MW的燃气锅炉排烟温度合格指标为180℃。

表7　热效率合格指标

表8　额定蒸发量2.8 MW的锅炉排烟温度指标汇总表

3）共统计分析18台额定功率7.0 MW燃气锅炉，排烟温度测试结果汇总见表10。按照70%设备合格率的原则，取整数后确定额定功率7.0 MW的燃气锅炉排烟温度合格指标为130℃。

与相关标准限定值对比：GB/T 17954—2007《工业锅炉经济运行》的6.2规定排烟温度合格指标＜160℃。按设备70%合格率，以上结论中额定功率7.0 MW符合国标规定的合格指标，其他不符合国标规定的合格指标，遵守行业标准要求不能低于国家标准的原则，确定燃气锅炉排烟温度合格指标≤160℃。

表9　额定蒸发量4.2 MW的锅炉排烟温度指标汇总表

表10　额定蒸发量7.0 MW的锅炉排烟温度指标汇总表

2.3　空气系数

锅炉空气系数评价指标根据统计测试的锅炉空气系数计算结果，得出燃气锅炉空气系数评价指标。

1）额定功率2.8 MW的锅炉空气系数测试结果汇总见表11。

表11　额定蒸发量2.8 MW的锅炉空气系数汇总表

共统计分析18台额定功率2.8 MW燃气锅炉。按照70%设备合格率的原则，取整后确定额定功率2.8 MW的燃气锅炉空气系数合格指标为2.2。

2）额定功率4.2 MW的锅炉空气系数测试结果汇总见表12。

共统计分析10台额定功率4.2 MW燃气锅炉。按照70%设备合格率的原则，取整确定额定功率4.2 MW的燃气锅炉空气系数合格指标为2.0。

3）额定功率7.0 MW的锅炉空气系数测试结果汇总见表13。

共统计分析18台额定功率7.0 MW燃气锅炉。按照70%设备合格率的原则，取整后确定额定功率7.0 MW的燃气锅炉空气系数合格指标为1.9。

GB/T 17954—2007《工业锅炉经济运行》6.4中规定燃气锅炉空气系数合格指标为＜1.2，GB/T 31453—2015《油田生产系统节能监测规范》4.6.2中规定额定功率≥1.4 MW，燃气锅炉空气系数合格指标为≤1.6。按设备70%合格率，以上结论中空气系数指标均低于国标规定的合格指标，遵守行业标准不能低于国家标准的原则，但考虑气田锅炉的运行负荷普遍较低的现状，低于GB/T 17954—2007《工业锅炉经济运行》规定的经济运行状态，因此气田锅炉空气系数指标参照GB/T 31453—2015《油田生产系统节能监测规范》4.6.2中规定执行，确定空气系数合格指标≤1.6。

表12　额定蒸发量4.2 MW的锅炉空气系数汇总表

表13　额定蒸发量7.0 MW的锅炉空气系数汇总表

2.4　炉体表面温度

燃气锅炉与燃煤在保温结构方面并无差异，因此采用GB/T 15317—2009《燃煤工业锅炉节能监测方法》的规定，确定炉体外表面温度合格指标，见表14。

表14　炉体外表面温度合格指标

综合以上各项，最终确定的评价指标见表15。

3　现场应用

气田锅炉节能监测评价标准研究制定后，2014年以来先后在中石化气田现场应用12台次，热效率达到节能评价值的5台，占评价总数的41.6%；达到限定值的10台，占评价总数的83.3%。对不合格的2台锅炉提出了改进配风、修复保温层等建议，实施后热效率均达到了限定值。

4　结论与认识

1）研究确定的气田锅炉节能评价方法和节能评价指标能够满足不同类型不同开发阶段气田节能测试评价需要。

表15　锅炉评价指标

2）气田锅炉节能监测评价标准通过现场测试和应用，能够为气田锅炉节能评价及节能降耗提供技术依据。

参考文献：

[1]全国能源基础与管理标准化技术委员会能源管理分委员会.燃煤工业锅炉节能监测：GB/T 15317—2009[S].北京：中国标准出版社,2010.

[2]全国能源基础与管理标准化技术委员会.工业锅炉经济运行：GB/T 17954—2007[S].北京：中国标准出版社,2008.

[3]全国锅炉标准化委员会.工业锅炉热工性能试验规程：GB/T 10180—2003[S].北京：中国标准出版社,2004.

[4]王建国.燃气锅炉热效率分析[J].区域供热,2005（5）：26-28,38.

[5]张文胜,蒙剑琼,张树林,等.中小型燃气锅炉热效率估算[J].节能技术,2005,23（1）：91-93.

[6]王金枝,肖明,姜春敏.排烟温度对锅炉效率的影响[J].山东电力技术,2008（2）：35-37.