等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法技术

本发明专利技术公开了一种等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法，包括以下步骤：定时采集等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据及对应时刻合成气中的乙炔浓度；对采集的生产数据及乙炔浓度进行预处理，得到标准数据集，并存储；将标准数据集中的部分样本作为训练样本，对训练样本进行模糊聚类，聚为若干类；在每一类中构建SVR模型，并采用对应类中的训练样本进行训练；采集某时刻等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据，对该时刻生产数据进行预处理后，输入各个所述SVR模型中获得若干个预测值，将各个预测值加权求和，得到该时刻合成气中乙炔的预测浓度。本发明专利技术方法的计算时间短，能满足煤制乙炔生产过程实时控制的需求。

【技术实现步骤摘要】
等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法
本专利技术涉及化工生产过程软测量建模和应用领域，尤其涉及一种等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法。
技术介绍
乙炔是一种重要的基础化工原料。目前工业大量制取乙炔的方法主要是水解电石法。但是这种方法工艺流程长，对生成设备要求高，制取过程能耗大，需要投入大量的电能和优质兰炭，成本较高，并排放废水、毒气、电石渣等污染物。等离子体是大量带电粒子组成的非凝聚系统，是物质的第四态，其基本组成为：带负电粒子(如电子)、带正电粒子(如离子)和中性粒子。热等离子体可以起到高温热源和化学活性粒子源的双重作用，因为等离子态的各种物质微粒具有极强的化学活性，所以可以在无催化剂存在的条件下加速反应进程，并提供吸热过程所需的能量，因此可以高效率、低能耗地实现烃类的裂解。等离子体裂解煤制乙炔的技术研究越来越受到关注。等离子体裂解煤制乙炔的工艺流程包括：反应工段、淬冷工段、除尘工段和分离工段。在等离子发生器气体入口通入工作气体氢气后施加电源，并以高速喷入等离子反应器中产生等离子弧，形成高温等离子场。氢气和煤粉作为煤粉气流经余热换热器预热后，把煤粉喷入等离子反应器的热离子场进行反应。生成的混合气体经过水汽换热器淬冷后进入气固分离器进行气、固分离，分离出的煤灰落入封闭的煤灰槽中，分离出的混合气体在布袋除尘器中进行细飞灰的分离，分离后的飞灰进入封闭的飞灰槽中，分离出的合成气作为合成气产品输出进一步处理。其中煤制乙炔生产过程的反应和淬冷工段反应机理未知，反应过程时间属于毫秒级别。目前煤制乙炔制取工业现场仍然是采用手动开环控制，PID控制、MPC控制和专家控制等控制方法未能应用到现场，原因是主要的被控变量乙炔浓度不能在线测量，因此需要利用过程中其它能实时检测的变量来在线估计乙炔浓度。传统的软测量建模方法，如偏最小二乘法(PLS)和人工神经网络法(ANN)往往需要大量的样本，PLS模型对测量误差不敏感；人工神经元网络(如BP和RBF网络)不能保证高收敛速度或避免局部最小值和过拟合现象，神经网络中隐藏单元的数量没有普适的方法来选择。
技术实现思路
针对现有技术不能实时监测等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度，本专利技术提供了一种乙炔浓度的软测量方法，实现对乙炔浓度的实时在线软测量。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法，包括以下步骤：(1)定时采集等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据及对应时刻合成气中的乙炔浓度；(2)对采集的生产数据进行预处理，得到标准数据集，并存储；(3)将标准数据集中的部分样本作为训练样本，对训练样本进行模糊聚类，聚为若干类；在每一类中构建SVR模型，并采用对应类中的训练样本进行训练；(4)采集某时刻等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据，对该时刻生产数据进行预处理后，输入各个所述SVR模型中获得若干个预测值，将各个预测值加权求和，得到该时刻合成气中乙炔的预测浓度。步骤(1)中，所述生产数据包括等离子反应器内的气体温度、流量及压力。等离子反应器内的气体温度、流量及压力可以通过等离子体裂解煤制乙炔反应现场的DCS系统(DistributedControlSystem，分布式控制系统)或SCADA系统(SupervisoryControlAndDataAcquisition，监测控制与数据采集)等获得。步骤(2)包括：检测生产数据及乙炔浓度的异常点并去除，之后进行归一化。进一步地，采用分箱法检测生产数据及乙炔浓度的异常点。包括以下步骤：(2-a)将各类所述的生产数据及乙炔浓度进行大小排序；将数据序列的上四分位数和下四分位数作为分界线Q；(2-b)定义某生产数据x与最近分界线Q的差值的绝对值为Δd，定义上、下分界线Q的距离为H，设定一阈值k；如果Δd大于kH，则该生产数据x为异常点。将异常点剔除后，由于不同物理意义的变量具有不同的量纲，因此还需要对数据去量纲化，即做归一化处理。进一步地，采用最大-最小缩放(Min-Maxscaling)方法将数据归一到[0，1]区间里。具体为：设一组生产数据集合为x1，x2，...，xn，该数据集合中的最大值为Xmax，最小值为Xmin，则归一化公式为：步骤(3)中，对训练样本进行模糊聚类，聚为若干类，包括：(3-i)将标准数据集中的部分样本作为训练样本；(3-ii)从所述训练样本中随机抽取k个样本作为初始聚类中心，对所述训练样本进行聚类；(3-iii)聚类完成后，将各个类内的样本均值作为新的聚类中心，对所述训练样本进行重新聚类；(3-iv)重复步骤(3-iii)，直至各个聚类中心收敛或者迭代次数达到预设值，完成训练样本的模糊聚类。进一步地，采用k-means聚类算法对训练样本进行模糊聚类。步骤(3)中，所述的SVR模型中，利用超平面函数f(x)＝wTφ(x)+b描述输入输出的关系，核函数为高斯核函数。对所述的SVR模型进行训练时，以所述的生产数据作为输入变量，以对应时刻合成气中的乙炔浓度作为输出变量。步骤(4)包括：(4-1)采集某时刻等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据，并进行归一化处理；(4-2)将归一化后的数据输入各个所述的SVR模型中，得到若干个预测值；(4-3)根据该时刻所采集的生产数据与每个聚类中心的距离，确定对应预测值的隶属度，作为该预测值的输出权重；(4-4)最后对各个预测值进行加权求和，得到该时刻合成气中乙炔的预测浓度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：相对于传统方法，本专利技术基于融合聚类和有监督SVR模型的乙炔浓度软测量方法，首先对样本进行模糊等级划分，然后在每个类的基础上，引入SVR预测器，最终的软测量结果是根据样本对于每个类的隶属度来进行加权求得，这种方法能减小过拟合的概率，并且模型的泛化能力较其他传统模型更高，对数据噪声具有很高的鲁棒性。而且本专利技术方法的计算时间短，能满足煤制乙炔生产过程实时控制的需求。附图说明图1为数据预处理的流程示意图；图2为数据异常点检验箱型图；图3为软测量模型的结构示意图；图4为模糊聚类效果图；图5为软测量结果与实际值曲线图，其中(a)为在训练集上的结果，(b)为在验证集上的结果；图6为软测量误差曲线图，其中(a)为在训练集上的误差，(b)为在验证集上的误差。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。一种等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法，包括以下步骤：(1)定时采集等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据以及该时刻合成气中的乙炔浓度；(2)对采集的数据进行预处理，得到标准数据集，并存储；(3)将标准数据集中的部分样本作为训练样本，对训练样本进行模糊聚类，聚为k类；在每一类中构建SVR模型，并采用对应类中的训练样本训练该类的SVR模型；(4)采集某时刻等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据，将该时刻的生产数据预处理后输入各个SVR模型中，得到K个预测值；根据该时刻的生产数据与每个聚类中心的距离确定对应预测值的隶属度，以此作为该预测值的输出权重；最后对各个预测值进行加权求和，得到该时刻合成气中乙炔的预测浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)定时采集等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据及对应时刻合成气中的乙炔浓度；(2)对采集的生产数据及乙炔浓度进行预处理，得到标准数据集，并存储；(3)将标准数据集中的部分样本作为训练样本，对训练样本进行模糊聚类，聚为若干类；在每一类中构建SVR模型，并采用对应类中的训练样本进行训练；(4)采集某时刻等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据，对该时刻生产数据进行预处理后，输入各个所述SVR模型中获得若干个预测值，将各个预测值加权求和，得到该时刻合成气中乙炔的预测浓度。

【技术特征摘要】
1.一种等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)定时采集等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据及对应时刻合成气中的乙炔浓度；(2)对采集的生产数据及乙炔浓度进行预处理，得到标准数据集，并存储；(3)将标准数据集中的部分样本作为训练样本，对训练样本进行模糊聚类，聚为若干类；在每一类中构建SVR模型，并采用对应类中的训练样本进行训练；(4)采集某时刻等离子体裂解煤制乙炔反应过程中的生产数据，对该时刻生产数据进行预处理后，输入各个所述SVR模型中获得若干个预测值，将各个预测值加权求和，得到该时刻合成气中乙炔的预测浓度。2.根据权利要求1所述的等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生产数据包括等离子反应器内的气体温度、流量及压力。3.根据权利要求1所述的等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法，其特征在于，步骤(2)包括：检测生产数据及乙炔浓度的异常点并去除，之后进行归一化。4.根据权利要求3所述的等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法，其特征在于，采用分箱法检测生产数据及乙炔浓度的异常点。5.根据权利要求4所述的等离子体裂解煤制乙炔反应过程中乙炔浓度的软测量方法，其特征在于，采用分箱法检测生产数据的异常点包括以下步骤：(2-a)将各类所述的生产数据及乙炔浓度进行大小排序；将数据序列的上四分位数和下四分位数作为分界线Q；(2-b)定义某生产数据x与最近分界线Q的差值的绝对值为Δd，定义上、下分界线Q的距离为H，设定一阈值k；如果Δd大于kH，则该生产数据x为异常...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯毅萍，黄锦，荣冈，任其龙，陈新志，何潮洪，吴忠标，陈丰秋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33