2015年5月鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(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(hào):1671-6833(2015)03-0092-04基于回歸的深冷空分增壓膨脹機(jī)組運(yùn)行參量軟測(cè)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(tuán)中原大化公司,河南濮陽(yáng)457000摘要:研究了正在調(diào)試的某深冷空分增壓膨脹1機(jī)組、2機(jī)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(zhuǎn)速的軟測(cè)量建模問(wèn)題.基于最小二乘法,利用回歸的方法,根據(jù)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)膨脹量、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)遠(yuǎn)的估算需求,研究了軟測(cè)量建模時(shí)提高估算精度的方法.結(jié)果表明,采用量綱分析和非線性回歸后,相對(duì)于實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù),回歸得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式精度至少在98%以上,達(dá)到了軟測(cè)量建模的目的,得到9個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,滿足了機(jī)組完好但是測(cè)量出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)關(guān)聯(lián)參量估算的需求關(guān)鍵詞:深冷空分設(shè)備;增壓膨脹機(jī)組;運(yùn)行特性參量;軟測(cè)量建模中圖分類號(hào):TB653文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)置屏蔽層的轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)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(jī)作為深冷空分設(shè)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(jī)組之一,用來(lái)使低溫設(shè)備達(dá)到能低溫精餾電源電壓為交流380V,而轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)是直流的狀態(tài),以調(diào)節(jié)產(chǎn)品產(chǎn)量;正常運(yùn)轉(zhuǎn)中,它用來(lái)補(bǔ)24V、毫安級(jí)電流信號(hào).在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中,測(cè)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(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)大幅波動(dòng),時(shí)間長(zhǎng)了,安失尤其是大型深冷空分設(shè)備中,膨脹機(jī)普遍采用裝在齒輪箱上的轉(zhuǎn)速測(cè)量探頭(不銹鋼)與鑄鐵增壓機(jī)作為制動(dòng)器,其中,工質(zhì)進(jìn)入增壓機(jī)獲得能機(jī)殼之間的間隙過(guò)大,產(chǎn)生轉(zhuǎn)速測(cè)量值波動(dòng)的現(xiàn)量,接著冷卻,最后膨脹,通過(guò)增壓機(jī)回收膨脹機(jī)象.轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)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(shè)備的規(guī)模和性能要槽和金屬嘎巴的干擾而降低其測(cè)量的準(zhǔn)確性.有求的提高,增壓膨脹機(jī)組運(yùn)行參量的準(zhǔn)確計(jì)量對(duì)時(shí),磁電傳感器接頭破損后轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)顯示不正于機(jī)組的節(jié)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(jī)工藝聯(lián)鎖停車.但是,膨脹機(jī)中有些參數(shù)測(cè)量滯后較大甚至不能準(zhǔn)確測(cè)量或者聯(lián)鎖停車,不僅存在安全隱患,還會(huì)加大工人的勞測(cè)量成本較高,例如:膨脹空氣流量測(cè)量滯后或流動(dòng)強(qiáng)度,若控制不及時(shí),滯后時(shí)間過(guò)長(zhǎng),還將影響量測(cè)量不準(zhǔn)確時(shí)被迫進(jìn)行修正等.流量測(cè)量值低液體產(chǎn)量和生產(chǎn)穩(wěn)定膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量不準(zhǔn)確時(shí),于真正的流量值,可能是由于增壓機(jī)出口流量孔嚴(yán)重時(shí)造成飛車使轉(zhuǎn)子損壞,甚至整臺(tái)膨脹機(jī)板的溫壓補(bǔ)償錯(cuò)誤地安裝在冷卻器前,故造成不得不報(bào)廢.生產(chǎn)中需要根據(jù)膨脹機(jī)工作頻率間出增壓機(jī)的高壓空氣流量測(cè)量值不足,而實(shí)際膨接計(jì)算得到膨脹機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,以核對(duì)轉(zhuǎn)速表脹空氣量是足夠的,然而,這些情況均可能引起膨測(cè)量值是否存在測(cè)量誤差脹機(jī)防喘振控制閥誤動(dòng)作對(duì)于深冷空分增壓膨脹機(jī)組這樣的多變量系轉(zhuǎn)速是膨脹機(jī)的最主要的一個(gè)參數(shù),測(cè)量不統(tǒng),測(cè)量方面出問(wèn)題后,僅憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)做定性判斷和準(zhǔn)確時(shí)只好增設(shè)電流隔離器2,把信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)處理很可能產(chǎn)生誤操作,從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失甚至信號(hào)才能使現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)速表與集控室的監(jiān)控畫面一出現(xiàn)事故.為此,針對(duì)深冷空分增壓膨脹機(jī)運(yùn)行參收稿日期:2015-01-08;修訂日期:2015-03-25基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476148);教育部2013年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310462103);鄭州輕工業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)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(jī)組運(yùn)行參量軟測(cè)量建模93量的軟測(cè)量中存在的問(wèn)題,研究軟測(cè)量回歸模型量的數(shù)學(xué)模型軟測(cè)量建模方法可以選擇機(jī)理建精度提高的方法模和辨識(shí)建模.由于實(shí)際過(guò)程存在著非線性和不1運(yùn)行特性參量的量綱分析確定性,難以單獨(dú)采用物料衡算、能量衡算、動(dòng)量守衡和相平衡等所謂的機(jī)理方法就能奏效因此,增壓膨脹機(jī)運(yùn)行特性相關(guān)的運(yùn)行參量分別本研究采用統(tǒng)計(jì)方法將實(shí)際數(shù)據(jù)中隱含的信息進(jìn)是:①由噴嘴閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)的膨脹氣流量q,又稱行濃縮和提取,以判別變量間的數(shù)量變化所具有膨脹機(jī)進(jìn)氣量、進(jìn)膨脹機(jī)氣量、膨脹機(jī)處理氣量、的規(guī)律膨脹機(jī)工作流量或膨脹量、膨脹氣流量;②膨脹端深冷空分成套設(shè)備正式投產(chǎn)前記錄的調(diào)試數(shù)進(jìn)口壓力P1,又稱膨脹機(jī)入口壓力、膨脹機(jī)機(jī)前據(jù)極具研究?jī)r(jià)值.為此,針對(duì)某制氧機(jī)公司正調(diào)試壓力;③膨脹端進(jìn)口溫度T1,又稱膨脹端進(jìn)氣溫的機(jī)組DCS系統(tǒng)每間隔1h采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)度、膨脹機(jī)機(jī)前溫度;④膨脹端出口溫度T2,又稱行軟測(cè)量建模.具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2表2中,前6行膨脹機(jī)機(jī)后溫度、膨脹后溫度;⑤增壓端出口壓力數(shù)據(jù)屬于1增壓膨脹機(jī),后6行數(shù)據(jù)屬于與1增P2,又稱增壓后壓力、經(jīng)膨脹機(jī)的增壓端增壓后的壓膨脹機(jī)型號(hào)相同的2機(jī)壓力;⑥膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速n,俗稱膨脹機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度回歸分析法是軟測(cè)量模型構(gòu)建的常用方法之增壓膨脹機(jī)運(yùn)行特性相關(guān)的運(yùn)行參量的量綱,見(jiàn)在回歸分析時(shí),根據(jù)被研究對(duì)象的性能關(guān)聯(lián)參表1.其中[L]、[T]、[M]、[e]分別表示長(zhǎng)度的量間的因果關(guān)系,對(duì)于解釋變量個(gè)數(shù)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(即觀測(cè)值個(gè)數(shù))的實(shí)際情況,在量綱分析2建模方案的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)法減少關(guān)聯(lián)變量的個(gè)數(shù),使得到的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算簡(jiǎn)單,應(yīng)用條件更廣泛,便于實(shí)際軟測(cè)量技術(shù),又名“軟儀表技術(shù)”7,其基本應(yīng)用思想是依據(jù)現(xiàn)有條件下能夠測(cè)得準(zhǔn)確值的量(容假設(shè)出模型式后,對(duì)于表2的數(shù)據(jù),采用最小易測(cè)量的變量,即輔助量)與難測(cè)量(主導(dǎo)量,或二乘法回歸的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,選擇 Matlab、者叫關(guān)鍵變量)間的數(shù)學(xué)關(guān)系,采用一定的算法 Mathematica等軟件結(jié)合本研究對(duì)象的特點(diǎn),選進(jìn)行有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)待測(cè)參量的精確推斷和估計(jì),擇的方案是:當(dāng)解釋變量的個(gè)數(shù)<3時(shí),非線性回解決“難測(cè)量”或者“測(cè)量成本較高”的參量準(zhǔn)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(dāng)解釋變量的個(gè)數(shù)>2時(shí),回歸使用軟件企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,軟測(cè)量技術(shù)的核心是獲得軟測(cè)SPS表1增壓膨脹機(jī)運(yùn)行特性相關(guān)的運(yùn)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(diào)試的增壓膨脹機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab 2 Operation datas from debugging booster expansion turbine機(jī)組號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)序號(hào)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(bào)(工學(xué)版)2015年根據(jù)表2的數(shù)據(jù)來(lái)估算誤差率的最大值,并表構(gòu)成的回路測(cè)量膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速在膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)判斷回歸關(guān)聯(lián)式的精度誤差率的計(jì)算方法是:估量存在問(wèn)題時(shí),也即被測(cè)量的膨脹機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速與算值減去運(yùn)行值后,除以運(yùn)行值,再乘以100%,轉(zhuǎn)速表測(cè)量值存在較大偏差時(shí),需要根據(jù)膨脹空最后取絕對(duì)值此外,還通過(guò)復(fù)相關(guān)系數(shù)(調(diào)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(shù)學(xué)模型的優(yōu)劣.復(fù)相關(guān)系數(shù)越接近膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速,對(duì)表2的數(shù)據(jù)回歸后得到式(5).式于1,則回歸模型對(duì)樣本觀測(cè)值的擬合優(yōu)度越高,(5)對(duì)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的估算誤差率的最高值為模型的精確度越高1.93%,復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.97433運(yùn)行特性參量間的關(guān)聯(lián)n=-20.84q+3.61×10p1+1.12T1,(5)根據(jù)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)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(duì)表2數(shù)據(jù)經(jīng)線生產(chǎn)中,需要控制膨脹機(jī)機(jī)前壓力、機(jī)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(jī)出口溫度過(guò)低而出現(xiàn)小液值為9.92%,復(fù)相關(guān)系數(shù)為0555改用非線性回滴根據(jù)膨脹機(jī)前的壓力、機(jī)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(jī)出口溫度,對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸得到式1.76%,復(fù)相關(guān)系數(shù)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(fù)相關(guān)系數(shù)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(fù)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(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后間接測(cè)量孔板處氣體流量時(shí),測(cè)量的壓差信號(hào)易受安裝位置和安裝3.3增壓端出口壓力和膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速質(zhì)量等因素的干擾空分設(shè)備基于流量控制自動(dòng)表2數(shù)據(jù)回歸后得到式(8)、式(9),分別用以調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)”,一旦流量測(cè)量值不準(zhǔn)確,則會(huì)嚴(yán)估算增壓端出口壓力P2、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速n式(8)式重影響自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)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(dāng)膨脹空氣流量的測(cè)量存在問(wèn)題時(shí),需要根據(jù)膨式(9)的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.98920.9639脹端進(jìn)出口溫度、膨脹機(jī)前的壓力估算膨脹量因p2=-1274035306n/(-82825+n)+43673.307此,對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,結(jié)果見(jiàn)式(2).式(2)6+n)-1830.826n(8)的估算最高誤差率為7.285%,復(fù)相關(guān)系數(shù)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之間存在非線性關(guān)系值得注意的是:膨脹機(jī)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(jī)前溫度T1的量綱是相同的因此,可增壓機(jī)排氣壓力升高膨脹機(jī)入口壓力隨之以分別構(gòu)造兩種溫度因數(shù)—無(wú)因次量T;/T2、升高.有時(shí),也需要根據(jù)膨脹機(jī)入口壓力預(yù)計(jì)增壓T2T1,從而建立q分別和“T/T2,P1",“T2/T、機(jī)排氣壓力為此,表2數(shù)據(jù)回歸后,得相應(yīng)的關(guān)P1”之間的兩種數(shù)學(xué)關(guān)系回歸后,相對(duì)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(fù)相關(guān)系數(shù)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(fù)相關(guān)系數(shù)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(gòu)4結(jié)論(4)3.2膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速和膨脹空氣流量(1)在分析深冷空分增壓膨脹機(jī)組運(yùn)行特性在空分設(shè)備中,根據(jù)測(cè)速探頭、傳感器和轉(zhuǎn)速參量之間因果關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立了軟測(cè)量模型,第3期劉超鋒,等:基于回歸的深冷空分增壓膨脹機(jī)組運(yùn)行參量軟測(cè)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(yù)測(cè)精度達(dá)到工程需要的2]趙潔膨脹機(jī)調(diào)速系統(tǒng)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(cè)量模型,可以節(jié)約測(cè)試時(shí)間和3穆繼偉,三起增壓透平膨脹機(jī)故障的分析及處理測(cè)試費(fèi)用;軟測(cè)量模型提供的估算值能夠使運(yùn)行[J].深冷技術(shù),2013(6):64-66人員定量地了解機(jī)組的運(yùn)行狀況,從而及時(shí)調(diào)整4]秦洪濤,楊箏.透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量及錯(cuò)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(zhuǎn)速傳感器測(cè)量失真分析[J](3)本研究中,在采集到的樣本點(diǎn)數(shù)量一定設(shè)備管理與維修,2007(12):13-14的情況下,被研究的運(yùn)行參量關(guān)聯(lián)時(shí)根據(jù)需要進(jìn)6]全國(guó)量和單位標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)有關(guān)量單位和符行了量綱分析,構(gòu)造了溫度因數(shù),減少了參與回歸號(hào)的一般原則:GB3101-1993[S].1994-07-01的解釋變量的個(gè)數(shù),即“參與回歸的樣本點(diǎn)數(shù)”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(shù)”的比值增加,被解的應(yīng)用[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):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(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)回歸對(duì)于高精度的軟測(cè)量建模很有必8】崔新亭,趙小瑩空分液化系統(tǒng)能耗的熱力學(xué)分析要,可以在工程實(shí)際中推廣應(yīng)用[J].通用機(jī)械,2013(4):72-73,96[9]薛平安.自動(dòng)變負(fù)荷技術(shù)在6萬(wàn)m3/h空分裝置中參考文獻(xiàn)的應(yīng)用[J].寶鋼技術(shù),2013(1):71-75[1]李偉,張國(guó)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