油田加热炉节能调节方法及系统与流程

本发明涉及油田加热炉节能技术领域，尤其涉及一种基于熵权和马氏距离的油田加热炉节能调节方法及系统。

背景技术：

油田加热炉是油气集输系统的处理、输送等环节中应用最为广泛的一种油田专用设备，其作用是将原油、天然气、油气混合物等原料加热至加工工艺所需的温度，以满足油气集输及加工的要求。随着油气田勘探开发的面积不断增长、开发难度日益增大，油田加热炉的投产数量也呈逐年上升的趋势。在油田生产系统中，大量消耗各类燃料维持其运行的加热炉是能耗最高的组成部分。油田加热炉经过长时间的高耗运行后，随之而来的负荷率低、炉效低、燃烧不充分、炉内结垢等问题导致其热效率进一步下降。因此，在油田加热炉的实际运行过程中，人们总希望能够通过调节运行工况使其尽快进入节能运行状态。

根据国家标准gb/t31453-2015《油田生产系统节能监测规范》的规定，油田加热炉节能监测的技术指标包括排烟温度、空气系数、炉体外表面温度和热效率四大类。目前，油田加热炉领域常见的节能调节方法是：通过传感器检测及计算得到上述技术指标的数据，然后将这些指标数据与节能所需的参考指标数据之间进行比对，进而通过调节工况消除二者之间的差异，使调节后的技术指标满足节能要求。上述调节方式的缺点在于将所有技术指标视为同等重要，未考虑各指标之间的相关性，以及各指标对于加热炉节能运行的贡献程度，若选择优先调节的指标对于油田加热炉的节能性能影响较小，即使经过调节后使某一技术指标达到要求，对整体性能的提升贡献仍然不大，而且在调节过程中还可能使其他指标受到不利的影响。因此，采用现有技术的油田加热炉通常需要经历一个较长的调节时间才能进入最佳的节能运行工况，在此过程中带来大量不必要的燃料消耗。

技术实现要素：

为了解决油田加热炉需要通过较长时间的调节才能进入节能运行工况的问题，提高节能调节的效率，本发明提出一种基于马哈拉诺比斯距离(mahalanobisdistance，简称马氏距离)和熵权的节能调节方法，通过自动计算合理的赋予每个指标相应的权重，该权重既能反映这些指标对加热炉的影响，又能反映各指标的不同重要程度，最终得出一个高效的指标调节顺序，从而有效降低调节时间，使加热炉尽快进入节能工作状态。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提出了一种油田加热炉节能调节方法，包括以下步骤：

步骤1，利用传感器采集原始数据，获得与节能相关的评价指标；

步骤2，计算评价指标的相关系数与权重；

步骤3，利用相关系数与权重计算相关度，对相关度降序排列，获得各评价指标的调节顺序；

步骤4，按调节顺序依次调整各评价指标，以使加热炉满足节能要求。

现有的油田加热炉调节方法，未考虑各评价指标与节能的相关程度，导致选择调节的顺序缺乏指导性，需要较长的调节时间才能使加热炉进入节能的工作状态。相对于现有的技术方案，本发明通过马氏距离计算相关系数、通过熵计算权重，综合计算出待调节的评价指标与节能要求之间的相关度，以相关度的降序排列来确定各评价指标的调节顺序，符合统计学的原理，具有较强的理论指导性；同时由于排除了主观因素影响，排序的结果更为客观、合理。

作为本发明的一种具体实施方式，步骤2具体包括：

步骤21，利用评价指标生成比较序列，将一组理想的评价指标值作为参考序列；

步骤22，归一化比较序列与参考序列；

步骤23，计算比较序列与参考序列的相关系数；

步骤24，根据评价指标的熵计算评价指标的权重。

本发明通过对评价指标进行归一化处理，可有效解决不同评价指标因量纲不同而带来的计算复杂问题。本发明同时使用了熵权和马氏距离两种统计学方法，有助于降低计算误差，提高了计算结果的有效性，有助于得出有效、合理的指标调节顺序。

作为本发明的一种具体实施方式，步骤21具体包括：

建立由n个评价指标xi(k)构成的比较序列xi，其中：

xi＝{xi(k)}，i＝1，2，...，m，k＝1，2，...，n；

由加热炉运行的实际情况，给出n个评价指标的理想取值x0(k)，构成参考序列x0，其中：

x0＝{x0(k)}，k＝1，2，...，n。

步骤22具体包括：

归一化比较序列xi和参考序列x0，得到归一化比较序列yi和归一化参考序列y0；其中，归一化比较序列yi表示为：

yi＝{yi(k)}，其中i＝1，2，...，m，k＝1，2，...n；

其中，归一化参考序列y0表示为：

y0＝{y0(k)}，其中k＝1，2，...n；

其中，若任一评价指标xi(k)与节能效能正相关，则归一化评价指标yi(k)由下式计算：

其中i＝0，1，2，...，m，k＝1，2，...n；

反之，若任一评价指标xi(k)与节能效能负相关，则归一化评价指标yi(k)由下式计算：

其中i＝0，1，2，...，m，k＝1，2，...n。

步骤23具体包括：

计算所述比较序列xi和参考序列x0的马氏距离作为相关系数，其中相关系数ξi由下式计算：

其中，si为比较序列xi和参考序列x0的协方差。

步骤24具体包括：

利用步骤22中得到的归一化处理后的归一化比较序列yi和归一化参考序列y0计算评价指标的概率pi，其中：

计算评价指标的熵ei，其中：

时，q＝-1/lnm；

利用评价指标的熵ei计算评价指标的权重ωk，其中：

步骤3中利用相关系数与权重计算相关度的方法具体包括：

相关度rk由下式计算：

其中，ωk为评价指标的权重，ξi为评价指标的相关系数。

本发明采用的计算方法复杂度低，容易通过计算机编程实现，降低了软件开发的难度；计算复杂度降低的同时也降低了对硬件性能的要求，可有效降低系统的研发和生产成本。

作为本发明的一种具体的实施方式，步骤4具体包括：

步骤41，按调节顺序依次调整各评价指标；

步骤42，获得与节能相关的评价指标；

步骤43，根据步骤42中获得的评价指标判定加热炉是否满足节能要求，若不满足节能要求，重复步骤41至步骤43直至加热炉满足节能要求。

相较于现有的技术方案，本发明通过建立节能调节的循环，可自动生成各指标的优化调节顺序并对油田加热炉的工况进行调节，无需人为干预，实现运行工况的自动调节。

作为本发明的一种具体实施方式，评价指标包括排烟温度、空气系数、炉体外表面温度、热效率。对所述排烟温度、空气系数以及炉体表面温度的调节方式包括改变加热炉进气量、改变风门开度中的一种或数种；对所述热效率的调节方式包括改变进口流量、改变出口流量、改变加热炉进气量以及改变风门开度中的一种或数种。

相较于现有的技术方案，本发明通过优化节能调节方法，使油田加热炉进入节能工况的时间大幅降低，避免了燃料浪费。

本发明提供了一种油田加热炉节能调节系统，包括：

测量装置，用于采集原始数据，获得与节能相关的评价指标；

计算装置，用于计算评价指标的相关系数与权重，以及利用相关系数与权重计算相关度；

排序装置，用于对相关度按降序排列，以获得各评价指标的调节顺序；

调节装置，用于按调节顺序依次调整各评价指标，以使加热炉满足节能要求。

相较于现有的油田加热炉节能调节系统，本发明利熵权和马氏距离等统计学原理确定各指标与节能调节的相关度，并自动生成各指标的调节顺序，排除了人为因素的影响，在实现自动化调整的同时使调节方法更为合理，有助于降低节能调节的时间，提高调节效率。

综上所述，本发明能够迅速筛选出对油田加热炉性能影响最大的技术指标，对其优先进行调节，使油田加热炉尽快进入一个相对优化的工况运行，然后再依次调节其他影响相对较小的技术指标，可有效提高调节的效率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明采用的调节原理简单，计算复杂度低、容易实现，并且对硬件性能的要求较低，可有效降低生产成本；

(2)可自动生成各指标的优化调节顺序并对油田加热炉的运行工况进行调节，无需人为干预；

(3)运用统计学的方法为各指标分配权重，降低了人工选择的主观因素影响，结果更为客观、合理；

(4)通过优化的调节方法，使油田加热炉进入节能工况的调节时间大幅降低，避免了燃料浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的油田加热炉节能调节方法的流程图；

图2是本发明的油田加热炉节能调节方法中计算相关系数与权重的流程图；

图3是本发明的油田加热炉节能调节方法中获得调节顺序的流程图；

图4是本发明的油田加热炉节能调节方法中循环调节评价指标的流程图；

图5是本发明的油田加热炉节能调节系统的结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图所示之实施例对本发明作进一步详述。

按国家标准gb/t31453-2015《油田生产系统节能监测规范》第4.2条的规定，加热炉的节能监测评价指标包括排烟温度、空气系数、炉体外表面温度、热效率等4项。其中排烟温度、炉体外表面温度两项评价指标可通过传感器直接测定原始数据，而空气系数、热效率两项指标需利用传感器测定原始数据，并进一步通过计算获得。

请参见图1，本发明的油田加热炉节能调节方法包括4个主要步骤，其中：

步骤1：利用传感器采集原始数据，获得与节能相关的评价指标。

步骤2：计算评价指标的相关系数与权重。

步骤3：利用相关系数与权重计算相关度，对所述相关度降序排列，获得各评价指标的调节顺序。

步骤4：按调节顺序依次调整各评价指标，以使加热炉满足节能要求。

本发明的主要步骤中，步骤1通过传感器获得加热炉的运行数据，并计算出与加热炉节能相关的4个主要评价指标；步骤2利马氏距离和熵权等统计学原理计算评价指标的相关系数与权重；步骤3利用步骤2中生成的相关系数与权重，计算出各评价指标与节能调节之间的相关度，从而根据相关度的大小自动生成各指标的调节顺序；步骤4采用上述步骤3中生成的调节顺序，对油田加热炉性能影响最大的技术指标进行优先调节，使其尽快进入一个相对优化的工况运行，然后再依次调节其他影响相对较小的技术指标，可有效提高节能调节的效率。

请参考图2，本发明的油田加热炉节能调节方法的一个特别之处在于：

步骤2中采用了熵权来计算评价指标的相关系数，采用马氏距离来计算权重，包括：

步骤21：利用评价指标生成比较序列，将一组理想的评价指标值作为参考序列，具体的表示方法由式1和式2给出。

建立由n个评价指标xi(k)构成的比较序列xi，其中：

xi＝{xi(k)}...............(1)

其中，i＝1，2，...，m，k＝1，2，...，n。

由加热炉运行的实际情况，给出n个评价指标的理想取值x0(k)，构成参考序列x0，其中：

x0＝{x0(k)}................(2)

其中，k＝1，2，...，n。

步骤22：归一化比较序列与参考序列，归一化也称为无量纲处理，可有效解决不同指标因量纲不同而带来的计算复杂度问题，归一化比较序列yi和归一化参考序列y0的具体计算方法由式5和式6给出。

上述式1、式2中，若任一评价指标xi(k)与节能效能正相关，则归一化评价指标yi(k)由下式计算：

其中，i＝0，1，2，...，m，k＝1，2，...n。

反之，若任一评价指标xi(k)与节能效能负相关，则归一化评价指标yi(k)由下式计算：

其中，i＝0，1，2，...，m，k＝1，2，...n。

故，归一化比较序列yi由下式表示：

yi＝{yi(k)}.................(5)

其中，i＝1，2，...，m，k＝1，2，...n。

归一化参考序列y0由下式表示：

y0＝{y0(k)}.................(6)

其中，k＝1，2，...n。

步骤23：根据马氏距离的统计学方法，利用比较序列xi和参考序列x0计算相关系数ξi，其中ξi由下式计算：

其中，i＝1，2，...，m，si为比较序列xi和参考序列x0的协方差，即：

si＝cov(xi，x0).................(8)

其中，i＝1，2，...，m。

步骤24：根据评价指标的熵计算评价指标的权重，权重的具体计算方法如下：

利用步骤22中得到的归一化比较序列yi和归一化参考序列y0计算评价指标的概率pi：

其中，i＝1，2，...，m。

计算评价指标的熵ei：

其中，i＝1，2，...，m。

式10中，取q＞0时，

q＝-1/lnm................(11)

规定：pi＝0时，有：

pilnpi＝0................(12)

可保证式10中，ei≥0。

利用评价指标的熵ei计算评价指标的权重ωk：

其中，k＝1，2，...，n。

由于步骤23中采用了马氏距离的统计学方法计算评价指标与参考指标的相关系数，步骤24中采用熵权的统计学方法计算评价指标的权重，因此步骤23、步骤24之间没有承继关系，在本实施例中无需考虑上述两个步骤的先后顺序，也可选择并行处理上述两个步骤。

请参考图3，本发明的一个实施例中，步骤3的具体实施步骤可以包括：

步骤31：利用相关系数与权重计算相关度。由于评价指标与节能调节之间的关联性可用相关度衡量，因此通过计算相关度可量化某一评价指标对节能调节的贡献。

相关度rk的计算方法可参考式14。

其中，i＝1，2，...，m，k＝1，2，...n。

步骤32：对相关度rk进行降序排列，即相关度较高的排在前列，相关度较低的排在后列。

步骤33：将相关度rk与评价指标关联，获得各评价指标的调节顺序。相关度rk的降序排列顺序即为对应评价指标调节的先后顺序。

本发明的上述实施例中采用的计算方法具有复杂度低、容易实现的优点，同时对计算机硬件性能的要求不高，可有效降低系统的研发和生产成本。

请参考图4，本发明的一个实施例中，油田加热炉可采用如下的节能调节循环，以使其尽快进入节能工况。具体的调节步骤包括：

步骤41：按调节顺序依次调整各评价指标。

本发明的实施例中，排烟温度、空气系数、以及炉体表面温度这3项评价指标可以通过调节加热炉进气量、风门开度等实现。在节能调节过程中，若加热炉进气量偏小、燃烧不充分，大量气体未经充分燃烧就被排出从而带走了大量热量，导致排烟温度指标偏高；空气系数指标偏低时，炉体外表面温度指标也会降低；增大进气量时，各指标的变化情况正好相反；另外，调节风门开度也会产生类似的影响。因此，对上述3个参数进行的调节会在它们之间产生相互影响。

按行业标准sy/t6381-2016《石油工业用加热炉热工测定》要求，加热炉的热效率可以采用正平衡法或反平衡法计算燃料的利用率。通过正平衡法进行正向计算燃料消耗得到的是正平衡效率；通过反平衡法计算燃料的损失率，即反向计算燃料消耗得到的是反平衡效率。

正平衡效率η1可利用式15计算：

其中，q为被加热介质的有效输出热量，qr为供给热量。

反平衡效率η2可利用式16计算：

η2＝100-(q2+q3+q4+q5+q6)........(16)

其中，q2为排烟热损失，q3、q4分别为气体、固体未完全燃烧的热损失，q5为散热损失，q6为灰渣物理热损失。

正平衡效率η1和反平衡效率η2均可单独用作热效率的评价值，也可取二者的算术平均值η3作为热效率的评价值，即：

影响正平衡效率的因素包括进口温度、出口温度、进口流量、出口流量、加热炉的进气量以及风门开度等，通过调节这些参数可提高燃料的利用率，从而使正平衡热效率提高。

反平衡热效率由排烟热损失、散热损失、未完全燃烧热损失等参数决定，因此对上述参数的调节同样会影响到反平衡热效率。

步骤42：利用传感器采集原始数据，通过计算获取节能评价指标。

步骤43：根据步骤42中获取的节能评价指标，判定加热炉的运行状态是否满足节能要求；若不满足节能要求，回到步骤41；若满足节能要求，结束节能调节。

国家标准中规定，当排烟温度、空气系数、炉体表面温度以及热效率这4个指标都达到规定的“合格值”时，加热炉的运行状态为“合格”；在此基础上，如果“热效率”这个指标达到“节能值”时，加热炉的运行状态为“节能”状态。进一步的，“节能”状态还分为3个节能等级。本发明进行节能调节的最终目的就是使加热炉的运行达到要求的节能等级，若上述节能评价指标不满足规定的加热炉节能要求，则需要重复实施步骤41至步骤43的调节步骤，直至最终满足标准规定的节能等级。

若上述节能评价指标满足标准要求，则可认为加热炉已进入预设的节能运行工况，无需进一步调节，结束并退出调节程序即可完成本次节能调节。

相较于现有的技术方案，本发明利用相关度优化的调节顺序，建立节能调节循环对油田加热炉的运行工况进行调节，无需人为干预。

请参见图5，本发明的一个实施例中，提供一种油田加热炉节能调节系统，包括测量装置、计算装置、排序装置和调节装置，其中：

测量装置51：用于采集原始数据，获得与节能相关的评价指标；

计算装置52：用于计算评价指标的相关系数与权重，以及利用相关系数与权重计算相关度；

排序装置53：用于对相关度按降序排列，以获得各评价指标的调节顺序；

调节装置54：用于按调节顺序依次调整各评价指标，以使加热炉满足节能要求。

综上所述，本发明公开的一种油田加热炉的节能调节方式及其系统，具有如下优点：

(1)本发明采用的调节原理简单，计算复杂度低、容易实现，并且对硬件性能的要求较低，可有效降低生产成本；

(2)可自动生成各指标的优化调节顺序并对油田加热炉的运行工况进行调节，无需人为干预；

(3)运用统计学的方法为各指标分配权重，降低了人工选择的主观因素影响，结果更为客观、合理；

(4)通过优化的调节方法，使油田加热炉进入节能工况的调节时间大幅降低，避免了燃料浪费。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。