1、2015，正 第36卷 5月 第3期 郑州大学学报(工学版) Journal of Zhengzhou University(Engineering Science) Mav 2015 Vo136 No3 文章编号：16716833(2015)030092一O4 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 ，尹永怀 ，靳佳霖 ，吴学红 ，刘亚莉 ，龚 毅 (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12“温度、 膨胀空气
2、流量、膨胀端出口温度、增压端出口压力和膨胀机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、膨胀机转速的估算需求，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，迭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：A doi：103969jissn16716833201503020 0 引言 启动时，膨胀机作为深冷空分设备中
3、关键的 核心机组之一，用来使低温设备达到能低温精馏 的状态，以调节产品产量；正常运转中，它用来补 偿隔热措施不完善以及换热不足所引起的冷量损 失尤其是大型深冷空分设备中，膨胀机普遍采用 增压机作为制动器，其中，工质进入增压机获得能 量，接着冷却，最后膨胀，通过增压机回收膨胀机 产生的轴功由于深冷空分设备的规模和性能要 求的提高，增压膨胀机组运行参量的准确计量对 于机组的节能降耗及可靠性极为重要然而，生产 中有些参数测量滞后较大甚至不能准确测量或者 测量成本较高，例如：膨胀空气流量测量滞后或流 量测量不准确时被迫进行修正等流量测量值低 于真正的流量值，可能是由于增压机出口流量孔 板的温压补偿错误
4、地安装在冷却器前，故造成 出增压机的高压空气流量测量值不足，而实际膨 胀空气量是足够的，然而，这些情况均可能引起膨 胀机防喘振控制阀误动作 转速是膨胀机的最主要的一个参数，测量不 准确时只好增设电流隔离器 ，把信号变成标准 信号才能使现场的转速表与集控室的监控画面一 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 电缆同时安置在一个电缆桥架里，其中电加热器 电源电压为交流380 V，而转速测量信号是直流 24 V、毫安级电流信号在强磁场环境中，测量回 路的干扰使转速测量数据大幅波动，时问长了，安 装在齿轮箱上的转速测量探头(不锈钢)与铸铁 机壳之间的间隙
5、过大，产生转速测量值波动的现 象转速传感器的测速探头可能受到轴上粘的凹 槽和金属嘎巴的干扰而降低其测量的准确性有 时，磁电传感器接头破损后转速数据显示不正 常 也会使膨胀机工艺联锁停车但是，膨胀机 联锁停车，不仅存在安全隐患，还会加大工人的劳 动强度，若控制不及时，滞后时间过长，还将影响 液体产量和生产稳定膨胀机转速测量不准确时， 严重时造成飞车 使转子损坏，甚至整台膨胀机 不得不报废生产中需要根据膨胀机工作频率间 接计算 得到膨胀机的实际转速，以核对转速表 测量值是否存在测量误差 对于深冷空分增压膨胀机组这样的多变量系 统，测量方面出问题后，仅凭经验来做定性判断和 处理很可能产生误操作，从而
6、导致经济损失甚至 出现事故为此，针对深冷空分增压膨胀机运行参 收稿日期：20150108；修订日期：20150325 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(1969一)，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，Email：chfngliu qqcorn 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 精度提高的方法 1 运行特性参量的量纲分
7、析 增压膨胀机运行特性相关的运行参量分别 是：由喷嘴阀开度来调节的膨胀气流量q 又称 膨胀机进气量、进膨胀机气量、膨胀机处理气量、 膨胀机工作流量或膨胀量、膨胀气流量；膨胀端 进口压力P，又称膨胀机入口压力、膨胀机机前 压力；膨胀端进口温度 ，又称膨胀端进气温 度、膨胀机机前温度；膨胀端出口温度 ，又称 膨胀机机后温度、膨胀后温度；增压端出口压力 P：，又称增压后压力、经膨胀机的增压端增压后的 压力；膨胀机转速n，俗称膨胀机的运转速度 增压膨胀机运行特性相关的运行参量的量纲，见 表1其中L、T、M、O分别表示长度的 量纲、时间的量纲、质量的量纲、温度的量纲 2建模方案的设计 软测量技术，又名“
8、软仪表技术” ，其基本 思想是依据现有条件下能够测得准确值的量(容 易测量的变量，即辅助量)与难测量(主导量，或 者叫关键变量)间的数学关系，采用一定的算法 进行有机融合，实现待测参量的精确推断和估计， 解决“难测量”或者“测量成本较高”的参量准确 推断中存在的问题，还可以确保产品质量并提高 企业的经济效益软测量技术的核心是获得软测 量的数学模型软测量建模方法可以选择机理建 模和辨识建模由于实际过程存在着非线性和不 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， 本研究采用统计方法将实际数据中隐含的信息进 行浓缩和提取，以判别变量间的数量变化所具有 的
9、规律 深冷空分成套设备正式投产前记录的调试数 据极具研究价值为此，针对某制氧机公司正调试 的机组DCS系统每间隔1 h采集到的运行数据进 行软测量建模具体数据见表2表2中，前6行 数据属于1 增压膨胀机，后6行数据属于与1 增 压膨胀机型号相同的2 机 回归分析法是软测量模型构建的常用方法之 一在回归分析时，根据被研究对象的性能关联参 量间的因果关系，对于解释变量个数多、样本容 量少(即观测值个数)的实际情况，在量纲分析 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 应用 假设出模型式后，对于表2的数据，采用最小 二乘法回归的方法进行数学建模，选择Mat
10、lab、 Mathematica等软件结合本研究对象的特点，选 择的方案是：当解释变量的个数2时，回归使用软件 SPSS 表1 增压膨胀机运行特性相关的运行参量的量纲 Tab1 Dimensional about operation parameters related to operation characteristics of booster expansion turbine 94 郑州大学学报(工学版) 根据表2的数据来估算误差率的最大值，并 判断回归关联式的精度误差率的计算方法是：估 算值减去运行值后，除以运行值，再乘以100， 最后取绝对值此外，还通过复相关系数(调整的 R平方)
11、考察数学模型的优劣复相关系数越接近 于1，则回归模型对样本观测值的拟合优度越高， 模型的精确度越高 3运行特性参量闻的关联 31 膨胀端出口温度和膨胀量 生产中，需要控制膨胀机机前压力、机前温 度、膨胀量，以免膨胀机出口温度过低而出现小液 滴根据膨胀机前的压力、机前温度、膨胀量估算 膨胀机出口温度，对表2数据进行回归得到式 (1)式(I)的估算最高误差率为0418式(1) 的复相关系数为0998 3式(1)中，T 、q 与 正 相关；p。与 为负相关 T2：e(0004 2T1 。 一。 。 】 。 (1) q =一0127T1+0199 +1542pl一9384(2) 将压差信号进行转换后间
12、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 质量等因素的干扰空分设备基于流量控制自动 调节负荷时 ，一旦流量测量值不准确，则会严 重影响自动调节负荷的进程，甚至破坏正常工况 当膨胀空气流量的测量存在问题时，需要根据膨 胀端进出口温度、膨胀机前的压力估算膨胀量因 此，对表2的数据进行回归，结果见式(2)式(2) 的估算最高误差率为7285，复相关系数为 0722 4式(2)的精度不高，说明g 和 。、 和P 之间存在非线性关系值得注意的是：膨胀机出口 温度 和机前温度 的量纲是相同的因此，可 以分别构造两种温度因数无因次量T 、 ，从而建立g 分别和“ ，P ”，“ 、 P。”
13、之问的两种数学关系回归后，相对简单又具 有较高精度的关联式分别见式(3)、式(4)式 (3)、式(4)的估算最高误差率分别为200、 199式(3)、式(4)的复相关系数分别为 0977、0977 6因此，式(4)的精度较高 q =0396+3992p1+31626I+ (T。T21431)0000 261 (3) q，=0433+3939p +0749e一。 (r2 1 n ) 一n00 96 (4) 32膨胀机转速和膨胀空气流量 在空分设备中，根据测速探头、传感器和转速 表构成的回路测量膨胀机转速在膨胀机转速测 量存在问题时，也即被测量的膨胀机真实转速与 转速表测量值存在较大偏差时，需要根
14、据膨胀空 气流量、膨胀端进口压力和膨胀端进口温度估算 膨胀机转速，对表2的数据回归后得到式(5)式 (5)对膨胀机转速的估算误差率的最高值为 193，复相关系数为0974 3 7,=一2084q +36110一 P1+112T1(5) 根据膨胀机转速、膨胀端进口压力和膨胀端 进口温度估算膨胀空气流量时，对表2数据经线 性回归后得到式(6)式(6)的估算误差率的最高 值为992，复相关系数为0555改用非线性回 归后得到式(7)式(7)的估算误差率的最高值为 176，复相关系数为0983因此，式(6)的精度 较高 g =一002n+8610一。P1+0026T1(6) q =一427n+2071
15、0一 Pl+215 l+ 1610一 n +13410一 p +24410一 一 10510一 npl一125nTl+34110一。PI TI (7) 33 增压端出口压力和膨胀机转速 表2数据回归后得到式(8)、式(9)，分别用以 估算增压端出口压力P：、膨胀机转速7,式(8)、式 (9)的估算误差率分别为1585、0622式(8)、 式(9)的复相关系数分别为0989 2、0963 9 P2=一1 274 035306n(一82825十 )+43 673307 (44646+n)一l 830826n (8) n=一1 085 7406850039 7p2+75 66137 In P2+80
16、 069 699975p：5 (9) 34膨胀端进口压力和增压端出口压力 增压机排气压力升高，膨胀机入口压力随之 升高有时，也需要根据膨胀机入口压力预计增压 机排气压力为此，表2数据回归后，得相应的关 联式(10)(11)，其估算最高误差率分别为 0223、0240式(10)、式(11)的复相关系数 分别为0999 8，0999 8 P1=5 718 6368244937p2In P2+011p 一 4712p22 (1O) P2=一9 634 179087344354pl+172p + 4 671595p1ln P1 (11) 4 结论 (1)在分析深冷空分增压膨胀机组运行特性 参量之间因果
17、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 95 得到了精度较高的一组式子，分别是式(1) (5)、式(7)一(11)，预测精度达到工程需要的 要求 (2)有了软测量模型，可以节约测试时间和 测试费用；软测量模型提供的估算值能够使运行 人员定量地了解机组的运行状况，从而及时调整 操作 (3)本研究中，在采集到的样本点数量一定 的情况下，被研究的运行参量关联时，根据需要进 行了量纲分析，构造了温度因数，减少了参与回归 的解释变量的个数，即“参与回归的样本点数”和 “参与回归的解释变量的个数”的比值增加，被解 释变量的估算精度提高，说明基
18、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 要，可以在工程实际中推广应用 参考文献： 1 李伟，张国华，崔洪伟空分装置氧气产量偏低原因 分析与措施J大氮肥，2010，33(5)：333334 赵洁膨胀机调速系统的故障分析与处理J冶金 动力，2012，150(2)：3031 穆继伟三起增压透平膨胀机故障的分析及处理 J深冷技术，2013(6)：6466 秦洪涛，杨筝透平膨胀机转速测量及错误处理 J化工自动化及仪表，2006，33(3)：8082 崔旭SZMB型磁电转速传感器测量失真分析J 设备管理与维修，2007(12)：l314 全国量和单位标准化技术委员会有关量单位和符 号的
19、一般原则：GB3101一l993s19940701 刘艳芳，周晓微，梁萌人工神经网络在生物过程中 的应用J郑州大学学报：工学版，2007，36(2)： 121124 崔新亭，赵小莹空分液化系统能耗的热力学分析 J通用机械，2013(4)：7273，96 薛平安自动变负荷技术在6万m h空分装置中 的应用J宝钢技术，2013(1)：7l一75 Soft Measurement Modeling about Operation Characteristic Parameters of Booster Expansion Turbine for Cryogenic Air Separation Un
20、it Based on the Regression Method LIU Chaofeng，ZHAO Wei ，YIN Yonghuai ，JIN Jia1in ，WU Xuehong ，LIU Ya-li，GONG Yi (1School of Energy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002；2Zhongyuan Dahua Corporation，Henan Coal&Chemical Industry Group Co，Ltd，Puyang 457000) Abst
21、ract：According to expansion air flow，expansion-side inlet pressure，inlet temperature of expansion side， expansion side outlet temperature，boost pressure and expander outlet end speed associated with operating characteristics of booster expansion turbine for cryogenic air separation unit，research abo
22、ut soft sensor model ing methods is conductedRegression mathematical models from the operating data of unit 1 and 2 being de- bugged for an oxygen company are estimated and predicted for operation characteristic parameters relationship The results indicate that the accuracy of the mathematical model
23、 is better，precision mathematical model con- sisting of nine equations resulting in at least more than 98The proposed method can be used to：predict the expansion endside outlet temperature by expansion of the air flow，the expansion end of inlet pressure and the expansion inlet temperature；estimate e
24、xpansion side flow by expander end inlet temperature，the expansion outlet temperature，and expansion side inlet pressure；predict speed by expansion side flow，expansion side inlet pressure and expander end inlet temperature；predict booster end outlet pressure by speed；predict ex pansion side inlet pressure by booster end outlet pressure Key words：cryogenic air separation unit；booster expansion turbine；operating parameters；soft measurement modeling 111j 1J 2 3 4 5 6 7 8 9 rrrL rL
