基于回歸的深冷空分增壓膨脹機組運行參量軟測量建模

2015年5月鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)May 2015第36卷第3期Journal of Zhengzhou University( Engineering Science)VoL 36 No. 3文章編號:1671-6833(2015)03-0092-04基于回歸的深冷空分增壓膨脹機組運行參量軟測量建模劉超鋒!,趙偉2,尹永懷,靳佳霖!,吳學(xué)紅,劉亞莉1,龔毅1(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院河南鄭州450002;2河南煤化集團中原大化公司,河南濮陽(yáng)457000摘要:研究了正在調試的某深冷空分增壓膨脹1機組、2機組的膨脹端進(jìn)口壓力、膨脹端進(jìn)口溫度、膨脹空氣流量、膨脹端出口溫度、增壓端出口壓力和膨脹杋轉速的軟測量建模問(wèn)題.基于最小二乘法,利用回歸的方法,根據運行現場(chǎng)對膨脹量、膨脹機轉遠的估算需求,研究了軟測量建模時(shí)提高估算精度的方法.結果表明,采用量綱分析和非線(xiàn)性回歸后,相對于實(shí)際的運行數據,回歸得到的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式精度至少在98%以上,達到了軟測量建模的目的,得到9個(gè)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,滿(mǎn)足了機組完好但是測量出現問(wèn)題時(shí)生產(chǎn)現場(chǎng)對關(guān)聯(lián)參量估算的需求關(guān)鍵詞:深冷空分設備;增壓膨脹機組;運行特性參量;軟測量建模中圖分類(lèi)號:TB653文獻標志碼:Aoi:10.3969/jis.1671-6833.2015.03.0200引言致.有時(shí)受安裝條件的限制,沒(méi)有設置屏蔽層的轉速測量信號電纜直接與分子篩電加熱器動(dòng)力供電啟動(dòng)時(shí),膨脹機作為深冷空分設備中關(guān)鍵的電纜同時(shí)安置在一個(gè)電纜橋架里,其中電加熱器核心機組之一,用來(lái)使低溫設備達到能低溫精餾電源電壓為交流380V,而轉速測量信號是直流的狀態(tài),以調節產(chǎn)品產(chǎn)量;正常運轉中,它用來(lái)補24V、毫安級電流信號.在強磁場(chǎng)環(huán)境中,測量回償隔熱措施不完善以及換熱不足所引起的冷量損路的干擾使轉速測量數據大幅波動(dòng),時(shí)間長(cháng)了,安失尤其是大型深冷空分設備中,膨脹機普遍采用裝在齒輪箱上的轉速測量探頭(不銹鋼)與鑄鐵增壓機作為制動(dòng)器,其中,工質(zhì)進(jìn)入增壓機獲得能機殼之間的間隙過(guò)大,產(chǎn)生轉速測量值波動(dòng)的現量,接著(zhù)冷卻,最后膨脹,通過(guò)增壓機回收膨脹機象.轉速傳感器的測速探頭可能受到軸上粘的凹產(chǎn)生的軸功.由于深冷空分設備的規模和性能要槽和金屬嘎巴的干擾而降低其測量的準確性.有求的提高,增壓膨脹機組運行參量的準確計量對時(shí),磁電傳感器接頭破損后轉速數據顯示不正于機組的節能降耗及可靠性極為重要然而,生產(chǎn)常3也會(huì )使膨脹機工藝聯(lián)鎖停車(chē).但是,膨脹機中有些參數測量滯后較大甚至不能準確測量或者聯(lián)鎖停車(chē),不僅存在安全隱患,還會(huì )加大工人的勞測量成本較高,例如:膨脹空氣流量測量滯后或流動(dòng)強度,若控制不及時(shí),滯后時(shí)間過(guò)長(cháng),還將影響量測量不準確時(shí)被迫進(jìn)行修正等.流量測量值低液體產(chǎn)量和生產(chǎn)穩定膨脹機轉速測量不準確時(shí),于真正的流量值,可能是由于增壓機出口流量孔嚴重時(shí)造成飛車(chē)使轉子損壞,甚至整臺膨脹機板的溫壓補償錯誤地安裝在冷卻器前,故造成不得不報廢.生產(chǎn)中需要根據膨脹機工作頻率間出增壓機的高壓空氣流量測量值不足,而實(shí)際膨接計算得到膨脹機的實(shí)際轉速,以核對轉速表脹空氣量是足夠的,然而,這些情況均可能引起膨測量值是否存在測量誤差脹機防喘振控制閥誤動(dòng)作對于深冷空分增壓膨脹機組這樣的多變量系轉速是膨脹機的最主要的一個(gè)參數,測量不統,測量方面出問(wèn)題后,僅憑經(jīng)驗來(lái)做定性判斷和準確時(shí)只好增設電流隔離器2,把信號變成標準處理很可能產(chǎn)生誤操作,從而導致經(jīng)濟損失甚至信號才能使現場(chǎng)的轉速表與集控室的監控畫(huà)面一出現事故.為此,針對深冷空分增壓膨脹機運行參收稿日期:2015-01-08;修訂日期:2015-03-25基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51476148);教育部2013年國家級大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目(201310462103);鄭州輕工業(yè)學(xué)院科研基金項目(2014XJ018)作者簡(jiǎn)介:劉超鋒(1969-),男,河南鄭州人,鄭州輕工業(yè)學(xué)院副教授,主要從事過(guò)程裝備研究,E-mail: chenglin@第3期劉超鋒,等:基于回歸的深冷空分增壓膨脹機組運行參量軟測量建模93量的軟測量中存在的問(wèn)題,研究軟測量回歸模型量的數學(xué)模型軟測量建模方法可以選擇機理建精度提高的方法模和辨識建模.由于實(shí)際過(guò)程存在著(zhù)非線(xiàn)性和不1運行特性參量的量綱分析確定性,難以單獨采用物料衡算、能量衡算、動(dòng)量守衡和相平衡等所謂的機理方法就能奏效因此,增壓膨脹機運行特性相關(guān)的運行參量分別本研究采用統計方法將實(shí)際數據中隱含的信息進(jìn)是:①由噴嘴閥開(kāi)度來(lái)調節的膨脹氣流量q,又稱(chēng)行濃縮和提取,以判別變量間的數量變化所具有膨脹機進(jìn)氣量、進(jìn)膨脹機氣量、膨脹機處理氣量、的規律膨脹機工作流量或膨脹量、膨脹氣流量;②膨脹端深冷空分成套設備正式投產(chǎn)前記錄的調試數進(jìn)口壓力P1,又稱(chēng)膨脹機入口壓力、膨脹機機前據極具研究?jì)r(jià)值.為此,針對某制氧機公司正調試壓力;③膨脹端進(jìn)口溫度T1,又稱(chēng)膨脹端進(jìn)氣溫的機組DCS系統每間隔1h采集到的運行數據進(jìn)度、膨脹機機前溫度;④膨脹端出口溫度T2,又稱(chēng)行軟測量建模.具體數據見(jiàn)表2表2中,前6行膨脹機機后溫度、膨脹后溫度;⑤增壓端出口壓力數據屬于1增壓膨脹機,后6行數據屬于與1增P2,又稱(chēng)增壓后壓力、經(jīng)膨脹機的增壓端增壓后的壓膨脹機型號相同的2機壓力;⑥膨脹機轉速n,俗稱(chēng)膨脹機的運轉速度回歸分析法是軟測量模型構建的常用方法之增壓膨脹機運行特性相關(guān)的運行參量的量綱,見(jiàn)在回歸分析時(shí),根據被研究對象的性能關(guān)聯(lián)參表1.其中[L]、[T]、[M]、[e]分別表示長(cháng)度的量間的因果關(guān)系,對于解釋變量個(gè)數多、樣本容量綱、時(shí)間的量綱質(zhì)量的量綱溫度的量綱6,量少(即觀(guān)測值個(gè)數)的實(shí)際情況,在量綱分析2建模方案的設計的基礎上設法減少關(guān)聯(lián)變量的個(gè)數,使得到的經(jīng)驗公式計算簡(jiǎn)單,應用條件更廣泛,便于實(shí)際軟測量技術(shù),又名“軟儀表技術(shù)”7,其基本應用思想是依據現有條件下能夠測得準確值的量(容假設出模型式后,對于表2的數據,采用最小易測量的變量,即輔助量)與難測量(主導量,或二乘法回歸的方法進(jìn)行數學(xué)建模,選擇 Matlab、者叫關(guān)鍵變量)間的數學(xué)關(guān)系,采用一定的算法 Mathematica等軟件結合本研究對象的特點(diǎn),選進(jìn)行有機融合,實(shí)現待測參量的精確推斷和估計,擇的方案是:當解釋變量的個(gè)數<3時(shí),非線(xiàn)性回解決“難測量”或者“測量成本較高”的參量準確歸使用基于麥夸特法+通用全局優(yōu)化法的軟件推斷中存在的問(wèn)題,還可以確保產(chǎn)品質(zhì)量并提高1sOpt當解釋變量的個(gè)數>2時(shí),回歸使用軟件企業(yè)的經(jīng)濟效益,軟測量技術(shù)的核心是獲得軟測SPS表1增壓膨脹機運行特性相關(guān)的運行參量的量綱Tab 1 Dimensional about operation parameters related to operation characteristics of booster expansion turbine參量72量綱[L3·T1[M·LT2][e][M·L1·T表2正在調試的增壓膨脹機組運行數據Tab 2 Operation datas from debugging booster expansion turbine機組號膨脹空氣流量膨脹端進(jìn)口壓力膨脹端進(jìn)口膨脹端出口增壓端出口膨脹機轉序號q,/(m3s-)溫度T;/K溫度T2/K壓力P2/Pa速n/(rs1)3.431619000251.9563700040.5321-2558000240.45572000426.123.086687000231.35704000450.2033.11869700229.55155.35714000447.6673.499617000261.15182.75638000440.9772.668556000256.85572000429.0052"-53.163687000242.35164.35704000452.8482-63.179240.65163.15714000451.74鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)2015年根據表2的數據來(lái)估算誤差率的最大值,并表構成的回路測量膨脹機轉速在膨脹機轉速測判斷回歸關(guān)聯(lián)式的精度誤差率的計算方法是:估量存在問(wèn)題時(shí),也即被測量的膨脹機真實(shí)轉速與算值減去運行值后,除以運行值,再乘以100%,轉速表測量值存在較大偏差時(shí),需要根據膨脹空最后取絕對值此外,還通過(guò)復相關(guān)系數(調整的氣流量、膨脹端進(jìn)口壓力和膨脹端進(jìn)口溫度估算R平方)考察數學(xué)模型的優(yōu)劣.復相關(guān)系數越接近膨脹機轉速,對表2的數據回歸后得到式(5).式于1,則回歸模型對樣本觀(guān)測值的擬合優(yōu)度越高,(5)對膨脹機轉速的估算誤差率的最高值為模型的精確度越高1.93%,復相關(guān)系數為0.97433運行特性參量間的關(guān)聯(lián)n=-20.84q+3.61×10p1+1.12T1,(5)根據膨脹機轉速、膨脹端進(jìn)口壓力和膨脹端3.1膨脹端出口溫度和膨脹量進(jìn)口溫度估算膨脹空氣流量時(shí),對表2數據經(jīng)線(xiàn)生產(chǎn)中,需要控制膨脹機機前壓力、機前溫性回歸后得到式(6).式(6)的估算誤差率的最高度、膨脹量,以免膨脹機出口溫度過(guò)低而出現小液值為9.92%,復相關(guān)系數為0555改用非線(xiàn)性回滴根據膨脹機前的壓力、機前溫度、膨脹量估算歸后得到式(7)式(7)的估算誤差率的最高值為膨脹機出口溫度,對表2數據進(jìn)行回歸得到式1.76%,復相關(guān)系數為0.983.因此,式(6)的精度(1)式(1)的估算最高誤差率為0.418%.式(1)較高的復相關(guān)系數為0.9983.式(1)中,T1、q與T2正qn=-0.02n+8.6×10p1+0.0267,(6)相關(guān);p1與T2為負相關(guān)qn=-4.27n+2.07×10p1+2.1571+T(0.0042r1+0.00956q-0.000000562P1+4.297)(1)1.6×102n2+1.34×10°p2+244×1037qn=-0.1277+0.19972+1.542p1-9.384.(2)1.05×10°1-1.25nT+3.41x10p1T將壓差信號進(jìn)行轉換后間接測量孔板處氣體流量時(shí),測量的壓差信號易受安裝位置和安裝3.3增壓端出口壓力和膨脹機轉速質(zhì)量等因素的干擾空分設備基于流量控制自動(dòng)表2數據回歸后得到式(8)、式(9),分別用以調節負荷時(shí)”,一旦流量測量值不準確,則會(huì )嚴估算增壓端出口壓力P2、膨脹機轉速n式(8)式重影響自動(dòng)調節負荷的進(jìn)程甚至破壞正常工況.(9)的估算誤差率分別為1585%0.622%.式(8)、當膨脹空氣流量的測量存在問(wèn)題時(shí),需要根據膨式(9)的復相關(guān)系數分別為0.98920.9639脹端進(jìn)出口溫度、膨脹機前的壓力估算膨脹量因p2=-1274035306n/(-82825+n)+43673.307此,對表2的數據進(jìn)行回歸,結果見(jiàn)式(2).式(2)6+n)-1830.826n(8)的估算最高誤差率為7.285%,復相關(guān)系數為n=-1085740.685-0.0397p2+75661.370.7224式(2)的精度不高,說(shuō)明q和T1、T2和P1lnP2+80069699975/p2之間存在非線(xiàn)性關(guān)系值得注意的是:膨脹機出口3.4膨脹端進(jìn)口壓力和增壓端出口壓力溫度T2和機前溫度T1的量綱是相同的因此,可增壓機排氣壓力升高膨脹機入口壓力隨之以分別構造兩種溫度因數—無(wú)因次量T;/T2、升高.有時(shí),也需要根據膨脹機入口壓力預計增壓T2T1,從而建立q分別和“T/T2,P1",“T2/T、機排氣壓力為此,表2數據回歸后,得相應的關(guān)P1”之間的兩種數學(xué)關(guān)系回歸后,相對簡(jiǎn)單又具聯(lián)式(10)~(11),其估算最高誤差率分別為有較高精度的關(guān)聯(lián)式分別見(jiàn)式(3)、式(4).式0.223%、0.240%式(10)、式(11)的復相關(guān)系數3)、式(4)的估算最高誤差率分別為2.00%、分別為0.998,0.99981.99%式(3)、式(4)的復相關(guān)系數分別為P1=5718636824-4.937phP2+0.140.9770.9776.因此,式(4)的精度較高4.712p2(10)qn=0.396+3.992p1+31.626/1+P2=-9634179.087-344.354p1+1.72p1+[(T1/T2-1431)/0.000261]2(3)4671.595P/lnp1q,=043+39+0.749e-38k(y例ym購4結論(4)3.2膨脹機轉速和膨脹空氣流量(1)在分析深冷空分增壓膨脹機組運行特性在空分設備中,根據測速探頭、傳感器和轉速參量之間因果關(guān)系的基礎上,建立了軟測量模型,第3期劉超鋒,等:基于回歸的深冷空分增壓膨脹機組運行參量軟測量建模得到了精度較高的一組式子,分別是式(1)~分析與措施[J].大氮肥,2010,33(5):333-3345)式(7)~(11),預測精度達到工程需要的2]趙潔膨脹機調速系統的故障分析與處理[J冶金要求動(dòng)力,2012,150(2):30-31(2)有了軟測量模型,可以節約測試時(shí)間和3穆繼偉,三起增壓透平膨脹機故障的分析及處理測試費用;軟測量模型提供的估算值能夠使運行[J].深冷技術(shù),2013(6):64-66人員定量地了解機組的運行狀況,從而及時(shí)調整4]秦洪濤,楊箏.透平膨脹機轉速測量及錯誤處理[冂].化工自動(dòng)化及儀表,2006,33(3):80-82操作[5]崔旭SZMB型磁電轉速傳感器測量失真分析[J](3)本研究中,在采集到的樣本點(diǎn)數量一定設備管理與維修,2007(12):13-14的情況下,被研究的運行參量關(guān)聯(lián)時(shí)根據需要進(jìn)6]全國量和單位標準化技術(shù)委員會(huì )有關(guān)量單位和符行了量綱分析,構造了溫度因數,減少了參與回歸號的一般原則:GB3101-1993[S].1994-07-01的解釋變量的個(gè)數,即“參與回歸的樣本點(diǎn)數”和7]劉艷芳,周曉微,梁萌.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )在生物過(guò)程中參與回歸的解釋變量的個(gè)數”的比值增加,被解的應用[J].鄭州大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2007,36(2)釋變量的估算精度提高,說(shuō)明基于量綱分析的運行參數關(guān)聯(lián)回歸對于高精度的軟測量建模很有必8】崔新亭,趙小瑩空分液化系統能耗的熱力學(xué)分析要,可以在工程實(shí)際中推廣應用[J].通用機械,2013(4):72-73,96[9]薛平安.自動(dòng)變負荷技術(shù)在6萬(wàn)m3/h空分裝置中參考文獻的應用[J].寶鋼技術(shù),2013(1):71-75[1]李偉,張國華,崔洪偉空分裝置氧氣產(chǎn)量偏低原因Soft Measurement Modeling about Operation Characteristic Parameters of BoosterExpansion Turbine for Cryogenic Air Separation Unit Based on the Regression MethodLIU Chao-feng, ZHAO Wei, YIN Yong-huai, JIN Jia-lin, WU Xue-hong, LIU Ya-li, GONG Yi(1. School of Energy and Power Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002; 2. Zhongyuan DahuaCorporation, Henan Coal Chemical Industry Group Co, Ltd, Puyang 457000)Abstract: According to expansion air flow, expansion-side inlet pressure, inlet temperature of expansion sideexpansion side outlet temperature, boost pressure and expander outlet end speed associated with operatingcharacteristics of booster expansion turbine for cryogenic air separation unit, research about soft sensor modeling methods is conducted. Regression mathematical models from the operating data of unit 1and 2 being de-bugged for an oxygen company are estimated and predicted for operation characteristic parameters relationshipThe results indicate that the accuracy of the mathematical model is better, precision mathematical model con-sisting of nine equations resulting in at least more than 98%. The proposed method can be used to: predict theexpansion end-side outlet temperature by expansion of the air flow, the expansion end of inlet pressure and theexpansion inlet temperature; estimate expansion side flow by expander end inlet temperature, the expansionoutlet temperature, and expansion side inlet pressure; predict speed by expansion side flow, expansion sideinlet pressure and expander end inlet temperature; predict booster end outlet pressure by speed; predict expansion side inlet pressure by booster end outlet pressureKey words: cryogenic air separation unit; booster expansion turbine; operating parameters; soft measurement