基于SPSS应用加热炉节能量测量方法研究

史士峰（大庆石油管理局有限公司技术监督中心）

目前油田加热炉运行效率较低，其中水套炉效率为60%左右，火筒炉效率为75%左右，真空加热炉效率高些达到80%，由于处理量较大，加热炉耗能较多，如何提高加热炉的效率，降低能耗是节能人研究的主要课题。目前加热炉节能技改技术较多，例如更换新型燃烧器，炉管涂膜技术，运行参数优化技术等等，对于加热炉来说，如何选择节能技术，以及对选择的技术进行节能量验证是目前亟待解决的问题，影响加热炉节能量的因数较多，例如节能燃烧器、红外线涂膜技术、富氧燃烧技术、加热炉除垢技术等等，如何从众多因素中选取主要的影响因素，是本文研究的重点内容，通过利用SPSS 软件对加热炉节能量的影响因素进行统计分析，建立模型时考虑到因素之间的相关性，利用降维思想，降低模型的维数，建立一个既能很好的表达加热炉效率，又能简单求解的数学模型，并对模型进行现场验证，验证模型的可行性和操作性。

1 加热炉技改项目节能量的测量边界确定

按照GB/T 8222 的规定，根据项目内容和被测加热炉的现场条件，确定系统边界（图1），以及能量输入和输出边界。加热炉存在相互影响运行的多台加热设备，应将所涉及的设备划入系统边界，加热炉系统改造（如除垢改造）需新增耗能设备，应将新增耗能设备划入系统边界内。

图1 系统边界示意图

2 加热炉技改项目节能量的计算方法

由于文中研究对象既可能是单台加热炉，也可能是若干台加热炉的集合，就其节能量与基期能耗和项目报告期能耗、基期校准能耗的关系均可用图2表示。

图2 节能量与基期能耗和报告期能耗、校准能耗关系示意图

报告期的节能量由式（1）计算：

式中：Es为节能量，t(标煤)；Er为报告期能耗，t(标煤)；Ea为基期校准能耗，t(标煤)。

加热炉有效输出热量单耗按式（2）计算：

式中：P 为加热炉有效输热量单耗，kgce/MJ；Ey为加热炉单位时间内耗能量，kgce/h；Qy为加热炉单位时间内有效输出热量，MJ/h。

3 加热炉节能量计算模型研究

3.1 SPAA软件介绍

SPSS 是一个组合式软件包，它集数据录入、整理、分析功能于一身。SPSS的基本功能包括数据管理、统计分析、图表分析、输出管理等。SPSS统计分析过程包括描述性统计、均值比较、一般线性模型、相关分析、回归分析等等，回归分析中又分线性回归分析、曲线估计、Logistic 回归、Probit 回归、加权估计、两阶段最小二乘法、非线性回归等多个统计过程，而且每个过程中又允许用户选择不同的方法及参数。

3.2 加热炉节能量模型建立

由于影响加热炉运行的因素较多，本文根据实际情况主要选择了额定热负荷、耗气量、加热介质温度、介质含水率、介质流量、排烟出一氧化碳含量、二氧化物含量、氧气含量、排烟温度等因素与有效单耗的影响，模型建立流程，见图3。

图3 模型建立流程

3.3 基期模型建立

加热炉基期的能耗值模型如下

式中：Eb为基期能耗，t；xi,1这基期各个时段的影响因数值，i=1，2…，m，m 为基期加热炉运行的时段数，j=1，2…n，n为基期影响因数的个数。

加热炉基期的校准能耗值如下

式中：Ea为加热炉基期能耗校准值，t；x′i,j为报告期影响因数值，i=1，2…..，g，其中g 为报告期的各个时段，j=1，2，...，n，其中n为影响因数的个数；Am为校准能耗调整值。

根据GB/T 28750—2012 《节能量测量与验证技术通则》中5.1.3 的规定确定调整值，并且需要得到各方的认可。一般情况下Am取值为0。

将报告期的数字带入下式，得到报告期的能耗值如下：式中：Er为报告期能耗，t；er,i为报告期各时段加热炉的能耗，t，i=1，2，…，g，其中g 为统计报告期的时段数。

4 现场实际应用

某油田为了提高加热炉的热效率，对加热炉进行涂膜技术改造，共改造加热炉88 台，其改造前测试数据见表1。

4.1 相关性检验

根据测试数据，利用spss 建立模型，首先需要对各因数进行相关性检验，因为所有变量数据不符合正态分布，不能进行Pearson 检验，本项目采用Spearman检验，分析-相关-双变量-kendall的tau-b(K)和Spearman，其检验结果见表2。

从 表2 看 出，Y1 和X1，X2，X4，X5，X7，X10 因素相关性较大，说明X1，X2，X4，X5，X7，X10是主要影响因素。

4.2 主成分因子分析

分析方法：分析-降维-因子分析-描述（原始分析结果、系数、显著性水平、KMO 和Bartlett 的球形度检验）-抽取（主成分、未旋转的因子解、碎石图、基于特值）-得分（保存为变量），分析结果如表3。

表1 加热炉基期模型建立数据汇总

表2 各个参数相关性检验（Spearman）

表3 KMO和Bartlett的检验

从表3 看出，取样足够度的Kaiser-Meyer-Olkin 度量大于0.5，模型比较合理。根据主成分分析，建立回归方程，其结果如下：

加热炉节能技术改造前的能耗量为效输出热量单耗乘以有效输出热量为

式中：Pbc为加热炉基期有效输热量单耗，kgce/106MJ；Ey为加热炉基期单位时间内耗能量，kgce/h；Qy为加热炉基期单位时间内有效输出热量，106MJ/h。

4.3 基期校准能耗

将统计报告期的测量数据带入建立的回归模型，按式下式对校准能耗进行计算。

式中：Qr为统计报告期有效输出热量，106MJ；Am为校准能耗调整值，m3。

通常情况下Am为0。实施非常规调整时，Am应得到各相关方的确认，其计算结果见表4。

表4 加热炉涂膜技改测试验证结果

从表4 可以看出，相对误差较小，在现场实际过程中，可以用软件模拟的方法计算加热炉的节能量，通过对节能量数值的比较，进而选择合理的节能技术措施。

本项目利用软件模拟进行计算加热炉节能量时，可节约50%的测试费用，节约50%的人力费用，按照每台加热炉测试费用1 800 元计算，可节约测试费用15.84万元。

5 结论

通过对加热炉效率运行参数的研究，利用SPSS软件分析出影响加热炉节能量的主要关键因数，通过对关键因数的分析，建立影响模型，并进行现场分析和验证，根据验证数据，实际计算节能量与模型计算量相差不大，从而验证了实验的可行性，为今后加热炉技改节能量的验证提供了思路和方法，更加利于油田加热炉技改的选型。