采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立加氫裂化反應(yīng)體系模型

王天宇，劉忠保，黃明富，李國慶

(1.中海石油煉化有限責(zé)任公司惠州煉化分公司，廣東 惠州 516086；2.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院；3.中國石油規(guī)劃總院)

采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立加氫裂化反應(yīng)體系模型

王天宇1，劉忠保2，黃明富3，李國慶2

(1.中海石油煉化有限責(zé)任公司惠州煉化分公司，廣東 惠州 516086；2.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院；3.中國石油規(guī)劃總院)

用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了某2.80 Mt/a蠟油高壓加氫裂化裝置反應(yīng)系統(tǒng)模型，該模型可較好地預(yù)測原料量、各段反應(yīng)器進(jìn)口溫度和冷氫導(dǎo)入量對系統(tǒng)產(chǎn)品分布和各段反應(yīng)器出口溫度的影響，模型精度較高，溫度預(yù)測誤差小于0.1 ℃，并具有較好的再現(xiàn)性及泛化能力，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)操作。

石油餾分 加氫裂化 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)挖掘 預(yù)測 建模

加氫裂化是在較高溫度、壓力下，烴分子與氫氣在催化劑表面進(jìn)行裂解和加氫反應(yīng)生成較小分子的轉(zhuǎn)化過程[1]。由于其原料適應(yīng)性強(qiáng)、輕油收率高、產(chǎn)品質(zhì)量好，越來越受到重視。截至2012年6月，我國三大石油公司就已投產(chǎn)36套高、中壓加氫裂化(改質(zhì))裝置，總加工能力超過50 Mt/a，并還有20余套正在設(shè)計和建設(shè)中，總加工能力接近40 Mt/a。

生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展極大地促進(jìn)了加氫裂化機(jī)理研究。其中，基于集總理論(Lumping)的建模研究最引人注目[2-6]，它根據(jù)反應(yīng)體系中各類分子的動力學(xué)特性不同，將其劃分成若干個虛擬組分即集總，再視每個集總為單一組分，從而建立起反應(yīng)體系動力學(xué)模型。由于將復(fù)雜反應(yīng)體系抽象為可數(shù)的單一集總組分間的反應(yīng)，故定量研究成為可能。但受制于石油餾分高度復(fù)雜，反應(yīng)機(jī)理尚不明了，以及模型參數(shù)難于確定等原因，集總理論加氫裂化機(jī)理研究盡管取得了很大成就，但仍面臨許多困難，而因帶動了黑箱模型(Black model)和混合模型(Mixed model)的發(fā)展。

黑箱模型是無視過程機(jī)理，單純用統(tǒng)計學(xué)或人工智能的方法仿真其過程輸入、輸出關(guān)系的模型[7]。目前在加氫裂化領(lǐng)域應(yīng)用最多的黑箱模型是BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))[8-10]。由于它能借助樣本數(shù)據(jù)實現(xiàn)Rn空間到Rm空間的高度非線性映射，且效果可以用足夠的訓(xùn)練樣本保證，故應(yīng)用最廣[11-13]。而混合模型則是機(jī)理模型和黑箱模型的折中，混合模型示意見圖1[14-15]。

圖1 混合模型示意

事實上，3種模型各有利弊。機(jī)理模型致力于過程本質(zhì)描述，但又不得不借助假設(shè)(如集總)，因而誤差大，且有自身尚不能克服的困難(如設(shè)備邊界條件的數(shù)學(xué)描述等)；黑箱模型無視過程機(jī)理，相對簡單，但只能針對特定的I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因而結(jié)論不具外延性；黑箱模型企圖集大成，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、收斂困難。

本課題采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立某蠟油高壓加氫裂化裝置反應(yīng)體系模型，并探討其預(yù)測結(jié)果的再現(xiàn)性和泛化能力，以指導(dǎo)生產(chǎn)操作。

1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

圖2是某2.80 Mt/a高壓蠟油加氫裂化裝置反應(yīng)系統(tǒng)的原則流程示意。由圖2可見，原料經(jīng)6個串級反應(yīng)器床層，在催化劑的作用下發(fā)生精制和裂化反應(yīng)，最終得到氣體、LPG(液化氣)、輕石腦油、重石腦油、噴氣燃料、柴油和尾油等產(chǎn)品。

圖2 某加氫裂化反應(yīng)系統(tǒng)原則流程示意

1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬生物大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能而建立的一種智能運算理論，它包含輸入層、隱藏層(一個或多個)和輸出層(見圖3)，其目的是通過神經(jīng)元運算，學(xué)習(xí)輸入輸出數(shù)據(jù)，使預(yù)測值最大限度地與實際值一致(見式1)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的目的是找出隱含在數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，對具有同一規(guī)律的學(xué)習(xí)集以外的數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍具有正確的響應(yīng)能力，稱為泛化能力[16-17]。

(1)

式中：W是權(quán)重矩陣；X是實際輸入值矩陣；Yp是實際值矩陣；Y是預(yù)測值矩陣；F是激活函數(shù)。

圖3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

上層神經(jīng)元的輸出通過激活函數(shù)激活后成為下層神經(jīng)元的輸入(同層間神經(jīng)元之間沒有輸入輸出關(guān)系)，所以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則就是：確定合適的W以使輸出誤差最小。

建立工業(yè)過程人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的步驟是：①現(xiàn)場采集研究對象的I/O數(shù)據(jù)即X和Yp。盡量采集較大操作范圍和較長時間區(qū)段內(nèi)的數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)預(yù)處理：原始數(shù)據(jù)不能直接用于識別，需過濾、篩選，以消除噪聲數(shù)據(jù)；③確定人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：由于輸入層節(jié)點數(shù)和輸出層節(jié)點數(shù)分別是輸入變量和輸出變量數(shù)，因此人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)實際由隱藏層數(shù)和每個隱藏層所包含的節(jié)點數(shù)所決定；④訓(xùn)練模型：該過程是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程，選若干組預(yù)處理過的數(shù)據(jù)，將輸入變量導(dǎo)入輸入層，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會根據(jù)輸出值與實際值誤差自動調(diào)節(jié)權(quán)重，從而使誤差最小。本課題使用BP算法進(jìn)行訓(xùn)練，并在MATLAB平臺上實現(xiàn)；⑤驗證模型：將剩余數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型輸入層，對比輸出值與實際值誤差，檢測模型精度。

用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，隱藏層和輸出層激活函數(shù)分別采用S型和簡單線性函數(shù)[式(2)]。

f(x)=1/(1+e-x)
f(x)=x

(2)

S型函數(shù)連續(xù)可微，且f′(x)=f(x)[1-f(x)]。

1.2 模型建立

1.2.1 采集數(shù)據(jù) 通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行靈敏度分析，決定選取原料流量、第一至第六段反應(yīng)器進(jìn)口溫度、第一至第六段急冷氫流量共13個參數(shù)作為自變量，研究它們對第一至第六段反應(yīng)器出口溫度和尾油、柴油、噴氣燃料、重石腦油、輕石腦油、LPG、干氣、低壓分離氣(低分氣)以及總氣體流量共15因變量的影響。對圖2所示系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，每天從DCS(分散控制系統(tǒng))采集一次，連續(xù)105天，共計采集正常運行數(shù)據(jù)105組。數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況如表1所示。

影響裝置反應(yīng)器出口溫度及產(chǎn)品分布的因素還包括原料的餾程、氫氣純度、催化劑活性。但數(shù)據(jù)采集期間，裝置運行穩(wěn)定，原料的餾程基本保持不變，因此不作為研究對象。循環(huán)氫純度維持在89.91%～90.15%，新氫純度維持在99.94%～99.96%，循環(huán)氫、新氫純度變化很小，為簡化模型，不選用氫氣純度作為研究對象。該套裝置使用的催化劑更換周期是兩年，數(shù)據(jù)采集期間催化劑均處于裝置運行初期，催化劑性能差異較小，因此不考慮催化劑活性對研究對象的影響。

1.2.2 確定隱藏層節(jié)點數(shù) 為了簡化，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般采用單隱藏層結(jié)構(gòu)，故13個輸入變量和15個輸出變量條件下，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)由隱藏層節(jié)點數(shù)確定。本課題用試驗法尋找最佳隱藏層節(jié)點數(shù)。為此將表1數(shù)據(jù)隨機(jī)分成兩組，一組含70組數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，一組含35組數(shù)據(jù)用于檢驗。分別取隱藏層節(jié)點數(shù)從8到12，隱藏層節(jié)點數(shù)對模型誤差的影響結(jié)果見表2。由表2可見，隱藏層節(jié)點數(shù)等于10時，輸出變量預(yù)測值與測量值的誤差最小，且左右偏離越大，誤差越大。所以本模型選定隱藏層節(jié)點數(shù)為10。

表1 現(xiàn)場采集的反應(yīng)系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計情況

注： uin，m和uout，m分別是輸入、輸出變量之中位數(shù)與平均數(shù)的比值，看得出來它們均接近1，說明各變量在取值范圍內(nèi)分布較均勻，利于模型分析。

表2 隱藏層節(jié)點數(shù)對模型誤差的影響

表2中，輸出值平均誤差和平均方差分別用式(3)和式(4)計算。

(3)

(4)

圖4是擬將采用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意。

1.3 模型運算

將表1中任意70組數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖4模型，經(jīng)訓(xùn)練得到權(quán)重W，然后將剩余的35組數(shù)據(jù)的輸入變量導(dǎo)入，計算其輸出。表3給出了相應(yīng)的誤差統(tǒng)計。

表3 ANN計算輸出與實際測量的誤差統(tǒng)計

表3中，相對誤差(μ)和標(biāo)準(zhǔn)差(?)分別采用式(5)～(7)計算。

(5)

(6)

(7)

從表3可以看出，該模型對反應(yīng)器出口溫度和重質(zhì)產(chǎn)品如尾油、柴油、噴氣燃料、重石腦油的產(chǎn)量預(yù)測十分精確，最大相對誤差只有0.087%(噴氣燃料量)。尤其是溫度，平均相對誤差只有0.02%，折成絕對誤差不到0.1 ℃。但對輕質(zhì)產(chǎn)品如輕石腦油、LPG、干氣、低分氣產(chǎn)量預(yù)測要差一些，其中干氣的相對誤差最大，為3.316%。

圖5～圖7給出了幾個輸出變量及誤差的分布(圖中，橫坐標(biāo)71到105表示用于驗證模型的35組數(shù)據(jù)的編號)。

圖5 一段反應(yīng)器出口溫度及誤差分布■—測量值； ●—預(yù)測值。 圖6、圖7同

圖6 噴氣燃料產(chǎn)量及誤差分布

圖7 總氣體產(chǎn)量及誤差分布

1.4 模型的重復(fù)性

ANN計算受制于訓(xùn)練樣本的選擇、隱藏層節(jié)點數(shù)的多少和迭代次數(shù)等，因此模型的穩(wěn)定性判斷十分必要，其重復(fù)性是重要的參考之一。重復(fù)性是指同一操作者在相同實驗條件下多次測定結(jié)果之間的分散程度，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差越小則分散程度越低，表明重復(fù)性好[18-19]。表4給出了迭代次數(shù)同為240次時的3次計算結(jié)果(如果在240次前收斂，則將該組數(shù)據(jù)剔除)，從表4可以看出，3次測試之間的誤差很小，標(biāo)準(zhǔn)偏差最大為2.912%，表明模型的重復(fù)性好。

表4 本ANN模型3次計算結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計

1.5 模型的泛化能力

本質(zhì)上講ANN是數(shù)據(jù)依賴的，即所采集的研究對象的I/O數(shù)據(jù)不同，描述該對象的模型將不同。但實際生產(chǎn)過程又是無法復(fù)制的，因此從指導(dǎo)和優(yōu)化操作的角度講，無不希望ANN模型具有一定的泛化能力，能用于預(yù)測和指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集期后的操作(當(dāng)然生產(chǎn)方案無變化，且操作穩(wěn)定)。

下面以一段進(jìn)口溫度改變?yōu)槔M(jìn)行考察。一段進(jìn)口溫度間接反映了反應(yīng)進(jìn)料加熱爐的出口溫度，是實際生產(chǎn)過程的關(guān)鍵調(diào)節(jié)手段之一，其溫度高低直接影響反應(yīng)系統(tǒng)的溫度分布和產(chǎn)品分布。為此，重新采集100組數(shù)據(jù)(見表5)，并從中選取兩組一段進(jìn)口溫度偏差較大，但其余輸入偏差較小的數(shù)據(jù)，即表5中的第一行數(shù)據(jù)，一段進(jìn)口溫度由360.35 ℃提高到369.65 ℃，對應(yīng)尾油量由36.07 t/h降到33.56 t/h，噴氣燃料量由48.12 t/h增加到55.59 t/h，與用原模型計算得到的預(yù)測值基本符合。說明該模型對一段進(jìn)口溫度變化具有較強(qiáng)的泛化能力。

表5 現(xiàn)場采集的另外100組反應(yīng)系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)的模擬情況

2 結(jié) 論

(1) 使用BP-ANN技術(shù)對某2.80 Mt/a六段蠟油高壓加氫裂化裝置反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模。模型以原料量、各段反應(yīng)器進(jìn)口溫度和冷氫流量共計13個變量為輸入變量，以系統(tǒng)產(chǎn)品分布和各段反應(yīng)出口溫度共計15個變量為輸出變量。并采用單隱藏層結(jié)構(gòu)，使用連續(xù)可微的S型函數(shù)作為隱藏層激活函數(shù)，簡單線性函數(shù)作為輸出層激活函數(shù)。

(2) 從現(xiàn)場采集了105組I/O數(shù)據(jù)，并將其隨機(jī)分成兩組，一組含70組數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，一組含35組數(shù)據(jù)用于檢驗。計算發(fā)現(xiàn)隱藏層節(jié)點數(shù)為10時，輸出變量預(yù)測值與測量值的誤差最小，故確定本模型的隱藏層節(jié)點數(shù)為10。

(3) 計算結(jié)果表明本ANN模型的精度較高，對反應(yīng)器出口溫度和重質(zhì)產(chǎn)品如尾油、柴油、噴氣燃料、重石腦油的產(chǎn)量預(yù)測十分精確，最大相對偏差只有0.087%(噴氣燃料量)。尤其是溫度，絕對誤差不到0.1 ℃(機(jī)理模型偏差一般在5 ℃左右)。但對輕質(zhì)產(chǎn)品如輕石腦油、LPG、干氣、低分氣的產(chǎn)量預(yù)測較差，干氣產(chǎn)量預(yù)測誤差最大，相對誤差為3.316%(但機(jī)理模型的誤差通常在10%～20%)。

(4) 檢驗結(jié)果表明本模型具有較好的再現(xiàn)性，迭代次數(shù)同為240次時的三次計算結(jié)果的平均相對誤差最大只有0.483%，表明模型在訓(xùn)練完成后導(dǎo)入輸入變量，能夠?qū)敵鲎兞孔龀鲚^穩(wěn)定的預(yù)測。

(5) 不同一段進(jìn)口溫度的計算結(jié)果表明本模型具有較好的泛化能力，能夠用于預(yù)測和指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集期后的操作。

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MODELING VGO HYDROCRACKING PROCESS BY BP-ANN TECHNOLOGY

Wang Tianyu1， Liu Zhongbao2， Huang Mingfu3， Li Guoqing2

(1. Huizhou Petrochemical Company， CNOOC， Huizhou， Guangdong 516086；2. Chemistry and Chemical Engineering School， South China University of Technology；3. Planning and Engineering Institute of China National Petroleum Corporation)

The highly complexity of petroleum hydrocracking process results in the application of artificial neural network (ANN) in this field. In this paper a BP-ANN was used to model a VGO hydrocracking unit with a capacity of 2.8 Mt/a. The effect of feed rate， inlet temperatures of reactors， and amount of quench H2used on product distribution and outlet temperatures of reactors were well predicted by the model. The results show that the model has a higher accuracy， especially in the prediction of temperatures (less than 0.1 ℃) and a good ability of reproducibility and generalization ability and that the model is able to guide practical operation.

petroleum fraction； hydrocracking； neural network； data mining； prediction； modeling

2014-12-15； 修改稿收到日期： 2015-04-01。

王天宇，主要從事煉油技術(shù)和節(jié)能管理工作。

王天宇，E-mail：wangty2@cnooc.com.cn。