基于回归的深冷空分增压膨胀机组运行参量软测量建模 基于回归的深冷空分增压膨胀机组运行参量软测量建模

基于回归的深冷空分增压膨胀机组运行参量软测量建模

  • 期刊名字:郑州大学学报(工学版)
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  • 论文作者:刘超锋,赵伟,尹永怀,靳佳霖,吴学红,刘亚莉,龚毅
  • 作者单位:郑州轻工业学院能源与动力工程学院,河南煤化集团中原大化公司
  • 更新时间:2020-03-23
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2015年5月郑州大学学报(工学版)May 2015第36卷第3期Journal of Zhengzhou University( Engineering Science)VoL 36 No. 3文章编号:1671-6833(2015)03-0092-04基于回归的深冷空分增压膨胀机组运行参量软测量建模刘超锋!,赵伟2,尹永怀,靳佳霖!,吴学红,刘亚莉1,龚毅1(1.郑州轻工业学院能源与动力工程学院河南郑州450002;2河南煤化集团中原大化公司,河南濮阳457000摘要:研究了正在调试的某深冷空分增压膨胀1机组、2机组的膨胀端进口压力、膨胀端进口温度、膨胀空气流量、膨胀端出口温度、增压端出口压力和膨胀杋转速的软测量建模问题.基于最小二乘法,利用回归的方法,根据运行现场对膨胀量、膨胀机转遠的估算需求,研究了软测量建模时提高估算精度的方法.结果表明,采用量纲分析和非线性回归后,相对于实际的运行数据,回归得到的经验关联式精度至少在98%以上,达到了软测量建模的目的,得到9个经验关联式,满足了机组完好但是测量出现问题时生产现场对关联参量估算的需求关键词:深冷空分设备;增压膨胀机组;运行特性参量;软测量建模中图分类号:TB653文献标志码:Aoi:10.3969/jis.1671-6833.2015.03.0200引言致.有时受安装条件的限制,没有设置屏蔽层的转速测量信号电缆直接与分子筛电加热器动力供电启动时,膨胀机作为深冷空分设备中关键的电缆同时安置在一个电缆桥架里,其中电加热器核心机组之一,用来使低温设备达到能低温精馏电源电压为交流380V,而转速测量信号是直流的状态,以调节产品产量;正常运转中,它用来补24V、毫安级电流信号.在强磁场环境中,测量回偿隔热措施不完善以及换热不足所引起的冷量损路的干扰使转速测量数据大幅波动,时间长了,安失尤其是大型深冷空分设备中,膨胀机普遍采用装在齿轮箱上的转速测量探头(不锈钢)与铸铁增压机作为制动器,其中,工质进入增压机获得能机壳之间的间隙过大,产生转速测量值波动的现量,接着冷却,最后膨胀,通过增压机回收膨胀机象.转速传感器的测速探头可能受到轴上粘的凹产生的轴功.由于深冷空分设备的规模和性能要槽和金属嘎巴的干扰而降低其测量的准确性.有求的提高,增压膨胀机组运行参量的准确计量对时,磁电传感器接头破损后转速数据显示不正于机组的节能降耗及可靠性极为重要然而,生产常3也会使膨胀机工艺联锁停车.但是,膨胀机中有些参数测量滞后较大甚至不能准确测量或者联锁停车,不仅存在安全隐患,还会加大工人的劳测量成本较高,例如:膨胀空气流量测量滞后或流动强度,若控制不及时,滞后时间过长,还将影响量测量不准确时被迫进行修正等.流量测量值低液体产量和生产稳定膨胀机转速测量不准确时,于真正的流量值,可能是由于增压机出口流量孔严重时造成飞车使转子损坏,甚至整台膨胀机板的温压补偿错误地安装在冷却器前,故造成不得不报废.生产中需要根据膨胀机工作频率间出增压机的高压空气流量测量值不足,而实际膨接计算得到膨胀机的实际转速,以核对转速表胀空气量是足够的,然而,这些情况均可能引起膨测量值是否存在测量误差胀机防喘振控制阀误动作对于深冷空分增压膨胀机组这样的多变量系转速是膨胀机的最主要的一个参数,测量不统,测量方面出问题后,仅凭经验来做定性判断和准确时只好增设电流隔离器2,把信号变成标准处理很可能产生误操作,从而导致经济损失甚至信号才能使现场的转速表与集控室的监控画面一出现事故.为此,针对深冷空分增压膨胀机运行参收稿日期:2015-01-08;修订日期:2015-03-25基金项目:国家自然科学基金资助项目(51476148);教育部2013年国家级大学生创新创业训练计划项目(201310462103);郑州轻工业学院科研基金项目(2014XJ018)作者简介:刘超锋(1969-),男,河南郑州人,郑州轻工业学院副教授,主要从事过程装备研究,E-mail: chenglin@第3期刘超锋,等:基于回归的深冷空分增压膨胀机组运行参量软测量建模93量的软测量中存在的问题,研究软测量回归模型量的数学模型软测量建模方法可以选择机理建精度提高的方法模和辨识建模.由于实际过程存在着非线性和不1运行特性参量的量纲分析确定性,难以单独采用物料衡算、能量衡算、动量守衡和相平衡等所谓的机理方法就能奏效因此,增压膨胀机运行特性相关的运行参量分别本研究采用统计方法将实际数据中隐含的信息进是:①由喷嘴阀开度来调节的膨胀气流量q,又称行浓缩和提取,以判别变量间的数量变化所具有膨胀机进气量、进膨胀机气量、膨胀机处理气量、的规律膨胀机工作流量或膨胀量、膨胀气流量;②膨胀端深冷空分成套设备正式投产前记录的调试数进口压力P1,又称膨胀机入口压力、膨胀机机前据极具研究价值.为此,针对某制氧机公司正调试压力;③膨胀端进口温度T1,又称膨胀端进气温的机组DCS系统每间隔1h采集到的运行数据进度、膨胀机机前温度;④膨胀端出口温度T2,又称行软测量建模.具体数据见表2表2中,前6行膨胀机机后温度、膨胀后温度;⑤增压端出口压力数据属于1增压膨胀机,后6行数据属于与1增P2,又称增压后压力、经膨胀机的增压端增压后的压膨胀机型号相同的2机压力;⑥膨胀机转速n,俗称膨胀机的运转速度回归分析法是软测量模型构建的常用方法之增压膨胀机运行特性相关的运行参量的量纲,见在回归分析时,根据被研究对象的性能关联参表1.其中[L]、[T]、[M]、[e]分别表示长度的量间的因果关系,对于解释变量个数多、样本容量纲、时间的量纲质量的量纲温度的量纲6,量少(即观测值个数)的实际情况,在量纲分析2建模方案的设计的基础上设法减少关联变量的个数,使得到的经验公式计算简单,应用条件更广泛,便于实际软测量技术,又名“软仪表技术”7,其基本应用思想是依据现有条件下能够测得准确值的量(容假设出模型式后,对于表2的数据,采用最小易测量的变量,即辅助量)与难测量(主导量,或二乘法回归的方法进行数学建模,选择 Matlab、者叫关键变量)间的数学关系,采用一定的算法 Mathematica等软件结合本研究对象的特点,选进行有机融合,实现待测参量的精确推断和估计,择的方案是:当解释变量的个数<3时,非线性回解决“难测量”或者“测量成本较高”的参量准确归使用基于麦夸特法+通用全局优化法的软件推断中存在的问题,还可以确保产品质量并提高1sOpt当解释变量的个数>2时,回归使用软件企业的经济效益,软测量技术的核心是获得软测SPS表1增压膨胀机运行特性相关的运行参量的量纲Tab 1 Dimensional about operation parameters related to operation characteristics of booster expansion turbine参量72量纲[L3·T1[M·LT2][e][M·L1·T表2正在调试的增压膨胀机组运行数据Tab 2 Operation datas from debugging booster expansion turbine机组号膨胀空气流量膨胀端进口压力膨胀端进口膨胀端出口增压端出口膨胀机转序号q,/(m3s-)温度T;/K温度T2/K压力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郑州大学学报(工学版)2015年根据表2的数据来估算误差率的最大值,并表构成的回路测量膨胀机转速在膨胀机转速测判断回归关联式的精度误差率的计算方法是:估量存在问题时,也即被测量的膨胀机真实转速与算值减去运行值后,除以运行值,再乘以100%,转速表测量值存在较大偏差时,需要根据膨胀空最后取绝对值此外,还通过复相关系数(调整的气流量、膨胀端进口压力和膨胀端进口温度估算R平方)考察数学模型的优劣.复相关系数越接近膨胀机转速,对表2的数据回归后得到式(5).式于1,则回归模型对样本观测值的拟合优度越高,(5)对膨胀机转速的估算误差率的最高值为模型的精确度越高1.93%,复相关系数为0.97433运行特性参量间的关联n=-20.84q+3.61×10p1+1.12T1,(5)根据膨胀机转速、膨胀端进口压力和膨胀端3.1膨胀端出口温度和膨胀量进口温度估算膨胀空气流量时,对表2数据经线生产中,需要控制膨胀机机前压力、机前温性回归后得到式(6).式(6)的估算误差率的最高度、膨胀量,以免膨胀机出口温度过低而出现小液值为9.92%,复相关系数为0555改用非线性回滴根据膨胀机前的压力、机前温度、膨胀量估算归后得到式(7)式(7)的估算误差率的最高值为膨胀机出口温度,对表2数据进行回归得到式1.76%,复相关系数为0.983.因此,式(6)的精度(1)式(1)的估算最高误差率为0.418%.式(1)较高的复相关系数为0.9983.式(1)中,T1、q与T2正qn=-0.02n+8.6×10p1+0.0267,(6)相关;p1与T2为负相关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将压差信号进行转换后间接测量孔板处气体流量时,测量的压差信号易受安装位置和安装3.3增压端出口压力和膨胀机转速质量等因素的干扰空分设备基于流量控制自动表2数据回归后得到式(8)、式(9),分别用以调节负荷时”,一旦流量测量值不准确,则会严估算增压端出口压力P2、膨胀机转速n式(8)式重影响自动调节负荷的进程甚至破坏正常工况.(9)的估算误差率分别为1585%0.622%.式(8)、当膨胀空气流量的测量存在问题时,需要根据膨式(9)的复相关系数分别为0.98920.9639胀端进出口温度、膨胀机前的压力估算膨胀量因p2=-1274035306n/(-82825+n)+43673.307此,对表2的数据进行回归,结果见式(2).式(2)6+n)-1830.826n(8)的估算最高误差率为7.285%,复相关系数为n=-1085740.685-0.0397p2+75661.370.7224式(2)的精度不高,说明q和T1、T2和P1lnP2+80069699975/p2之间存在非线性关系值得注意的是:膨胀机出口3.4膨胀端进口压力和增压端出口压力温度T2和机前温度T1的量纲是相同的因此,可增压机排气压力升高膨胀机入口压力随之以分别构造两种温度因数—无因次量T;/T2、升高.有时,也需要根据膨胀机入口压力预计增压T2T1,从而建立q分别和“T/T2,P1",“T2/T、机排气压力为此,表2数据回归后,得相应的关P1”之间的两种数学关系回归后,相对简单又具联式(10)~(11),其估算最高误差率分别为有较高精度的关联式分别见式(3)、式(4).式0.223%、0.240%式(10)、式(11)的复相关系数3)、式(4)的估算最高误差率分别为2.00%、分别为0.998,0.99981.99%式(3)、式(4)的复相关系数分别为P1=5718636824-4.937phP2+0.140.9770.9776.因此,式(4)的精度较高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购4结论(4)3.2膨胀机转速和膨胀空气流量(1)在分析深冷空分增压膨胀机组运行特性在空分设备中,根据测速探头、传感器和转速参量之间因果关系的基础上,建立了软测量模型,第3期刘超锋,等:基于回归的深冷空分增压膨胀机组运行参量软测量建模得到了精度较高的一组式子,分别是式(1)~分析与措施[J].大氮肥,2010,33(5):333-3345)式(7)~(11),预测精度达到工程需要的2]赵洁膨胀机调速系统的故障分析与处理[J冶金要求动力,2012,150(2):30-31(2)有了软测量模型,可以节约测试时间和3穆继伟,三起增压透平膨胀机故障的分析及处理测试费用;软测量模型提供的估算值能够使运行[J].深冷技术,2013(6):64-66人员定量地了解机组的运行状况,从而及时调整4]秦洪涛,杨筝.透平膨胀机转速测量及错误处理[冂].化工自动化及仪表,2006,33(3):80-82操作[5]崔旭SZMB型磁电转速传感器测量失真分析[J](3)本研究中,在采集到的样本点数量一定设备管理与维修,2007(12):13-14的情况下,被研究的运行参量关联时根据需要进6]全国量和单位标准化技术委员会有关量单位和符行了量纲分析,构造了温度因数,减少了参与回归号的一般原则:GB3101-1993[S].1994-07-01的解释变量的个数,即“参与回归的样本点数”和7]刘艳芳,周晓微,梁萌.人工神经网络在生物过程中参与回归的解释变量的个数”的比值增加,被解的应用[J].郑州大学学报:工学版,2007,36(2)释变量的估算精度提高,说明基于量纲分析的运行参数关联回归对于高精度的软测量建模很有必8】崔新亭,赵小莹空分液化系统能耗的热力学分析要,可以在工程实际中推广应用[J].通用机械,2013(4):72-73,96[9]薛平安.自动变负荷技术在6万m3/h空分装置中参考文献的应用[J].宝钢技术,2013(1):71-75[1]李伟,张国华,崔洪伟空分装置氧气产量偏低原因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

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