基于大數(shù)據(jù)的高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化

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1.重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院　2.四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院3.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院

辜小花等.基于大數(shù)據(jù)的高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化. 天然氣工業(yè)，2016， 36（9）: 107-114.

基于大數(shù)據(jù)的高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化

辜小花1，2邱奎1李太福1王坎1唐海紅1商劍峰3

1.重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院2.四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院3.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院

辜小花等.基于大數(shù)據(jù)的高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化. 天然氣工業(yè)，2016， 36（9）: 107-114.

為了解決高含硫天然氣脫硫工藝中脫硫選擇性差、能耗高等問題，提出了基于大數(shù)據(jù)的高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化方法。首先，通過工藝流程分析，發(fā)現(xiàn)對性能指標(biāo)有顯著影響的決策參數(shù)，建立無跡卡爾曼濾波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型，獲知了脫硫工藝的潛在規(guī)律；然后，針對原脫硫工藝中H2S、CO2過分脫除問題，采用偏好多目標(biāo)優(yōu)化的方法，分別以H2S濃度逼近2.5 mg/m3、CO2濃度逼近2%為目標(biāo)函數(shù)，采用非支配性排序遺傳算法對模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了最佳工藝參數(shù)。采集某高含硫天然氣凈化廠脫硫單元2014年1—12月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，取前80%數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，后20%數(shù)據(jù)作為測試集，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：①所建立的動(dòng)態(tài)模型能夠較好地反映脫硫工藝生產(chǎn)規(guī)律；②優(yōu)化結(jié)果建議適當(dāng)降低一級吸收塔溫度，提高二級吸收塔溫度，提高閃蒸罐壓力，并減少胺液循環(huán)量；③優(yōu)化后凈化氣中H2S濃度將由0.62 mg/m3提高至3.22 mg/m3，CO2濃度由1.19%提高至1.99%，脫硫選擇性顯著提高；④相對胺液循環(huán)量下降16.67%，蒸汽消耗量減少，凈化氣產(chǎn)率提高0.8%，總體實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)節(jié)能降耗的目的。

高含硫天然氣大數(shù)據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)建模偏好函數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化脫硫工藝增產(chǎn)節(jié)能降耗

圖1　某高含硫天然氣凈化廠脫硫模擬工藝流程圖

高含硫天然氣酸性組分含量高達(dá)5%～15%，其脫硫過程胺液循環(huán)量大、工藝流程復(fù)雜、能耗高［1-2］。統(tǒng)計(jì)表明，脫硫單元能耗在高含硫天然氣凈化廠總能耗的占比超過50%，其單位綜合能耗高達(dá)1729.3 M J/t ，屬于高耗能單元。對大型天然氣凈化廠而言，通過優(yōu)化脫硫單元可降低能耗5%～10%。此外，高含硫天然氣酸性組分濃度高，經(jīng)過凈化后的產(chǎn)品氣量相對于原料氣量有顯著減少。為此，對高含硫天然氣脫硫過程進(jìn)行工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高凈化氣產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益是十分必要的。

借助ASPEN、Pro-II等模擬工具來確定天然氣處理過程的工藝條件、裝置能耗和產(chǎn)量等重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的關(guān)系，并實(shí)施單變量或多變量工藝調(diào)優(yōu)，是目前普遍采用的工藝參數(shù)優(yōu)化方法［3］。Ahmad等［4］通過對高含CO2天然氣進(jìn)行ASPEN流程模擬，得出工藝參數(shù)與原料氣成分變化會(huì)影響能耗的結(jié)論。Qiu等［5-6］以工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立高含硫脫硫工藝ASPEN模型，并通過靈敏度分析探究各工藝操作條件對脫硫選擇性及能耗的影響規(guī)律。Behroozsarand［7］結(jié)合HYSYS模擬軟件和非劣分層遺傳算法II對GTL工廠天然氣脫硫工藝進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。

流程模擬為過程設(shè)計(jì)、優(yōu)化與操作分析提供了有效的工具。但流程模擬僅是一種理想模型，從理論上分析工藝條件變化對狀態(tài)變化趨勢的模擬，無法考慮溶液性能變化、催化劑效率等實(shí)際問題；而實(shí)際生產(chǎn)中常常由于發(fā)泡或其他問題，導(dǎo)致在相同生產(chǎn)條件下得不到流程模擬相應(yīng)的結(jié)果。此外，高含硫天然氣脫硫工藝是多變量、強(qiáng)耦合、強(qiáng)干擾、參數(shù)時(shí)時(shí)變化的復(fù)雜系統(tǒng)，流程模擬無法揭示多個(gè)操作條件與脫硫能耗、產(chǎn)率等指標(biāo)之間這種復(fù)雜的映射關(guān)系。

工業(yè)過程建模與優(yōu)化能有效地跟蹤裝置的整體經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)路線，克服過程干擾、設(shè)備性能變化、經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)目標(biāo)的變化問題，越來越受到研究者的青睞［8］。為此，筆者提出一種基于大數(shù)據(jù)的高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化方法，以生產(chǎn)現(xiàn)場積累的大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，挖掘高含硫天然氣脫硫單元的凈化氣產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗等重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)隨原料氣處理量、吸收塔溫度、壓力、再生塔溫度等操作參數(shù)變化的規(guī)律，建立能反映實(shí)際過程的動(dòng)態(tài)模型，并通過智能優(yōu)化算法尋找實(shí)時(shí)最優(yōu)操作參數(shù)，確保裝置高效運(yùn)行。這種優(yōu)化過程避免了過程機(jī)理和系統(tǒng)的復(fù)雜性，能為工程應(yīng)用提供有效的輔助決策。

1　脫硫過程關(guān)鍵參數(shù)分析與優(yōu)化策略

1.1脫硫工藝簡述

原料氣組成：CH4含量為74.29%（體積分?jǐn)?shù)，下同），C2H6含量為0.02%，H2S含量為16.93%，CO2含量為8.26%，COS含量為0.0129%，He含量為0.01%，N2含量為0.4771%。凈化氣質(zhì)量：H2S含量不大于4 mg/m3，CO2含量不大3%，總硫含量不大于200 mg/m3。采用50%的MDEA水溶液脫硫。裝置處理量為300×104m3/d（為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，下同）。脫硫裝置工藝流程如圖1所示。

1.2工藝參數(shù)分析

影響脫硫效率的工藝參數(shù)眾多，通過對高含硫天然氣脫硫工藝的前期分析［6-9］，篩選出對凈化氣產(chǎn)量、能耗、脫硫選擇性等重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)影響較大的一些參數(shù)作如下分析。

原料氣處理量代表裝置運(yùn)行負(fù)荷，它的變化影響胺液循環(huán)量、重沸器蒸汽消耗量、蒸汽預(yù)熱器流量等參數(shù)的變化，尤其在低負(fù)荷下運(yùn)行容易導(dǎo)致脫硫裝置效率低下。

基于脫硫選擇性考慮，裝置允許通過調(diào)整貧胺液入二級吸收塔（T-2）位置而改變吸收塔板數(shù)。塔板數(shù)增加，氣、液接觸更充分，酸氣脫除率越高，能耗減小，但脫硫選擇性降低。

胺液循環(huán)量是保證凈化質(zhì)量的重要參數(shù)，對脫硫能耗影響最為顯著。因高含硫天然氣酸性組分含量高，必須采用很大的溶液循環(huán)量才能達(dá)到凈化要求，但這將帶來再生能耗和操作費(fèi)用的顯著增加。裝置實(shí)際胺液總循環(huán)量由兩部分構(gòu)成：一部分來自再生塔貧液；另一部分來自尾氣單元返回的半貧液。

吸收溫度對天然氣凈化有顯著影響。提高溫度會(huì)促進(jìn)醇胺與H2S和CO2的反應(yīng)速率，凈化效果提高，降溫卻能有效抑制胺液對CO2的過度吸收。

很多文獻(xiàn)對脫硫單元能耗分析表明，再生塔重沸器（T-3）能耗一般占總能耗70%以上。重沸器通常采用低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)，蒸汽耗量取決于溶液循環(huán)量和再生加熱溫度。脫硫裝置由于溶液循環(huán)量大，采用2臺(tái)重沸器提供加熱蒸汽。

閃蒸罐（V-1）壓力決定胺液中溶解烴類的解吸效率，這對凈化氣產(chǎn)量有一定影響，可作為影響脫硫效率因素之一。蒸汽預(yù)熱器（HX-6）采用中壓蒸汽預(yù)熱天然氣進(jìn)行有機(jī)硫水解反應(yīng)，這對能耗有一定影響，可選作操作參數(shù)。

通過上述分析，結(jié)合現(xiàn)場DCS系統(tǒng)選取了10個(gè)對脫硫效率有較大影響力的操作參數(shù)作為建模優(yōu)化參數(shù)，以凈化氣中H2S、CO2濃度以及凈化氣產(chǎn)量作為脫硫單元性能指標(biāo)。具體選擇的工藝變量參數(shù)如表1所示。

1.3參數(shù)優(yōu)化策略

工藝參數(shù)優(yōu)化的前提是準(zhǔn)確的工藝模型。因此首先建立凈化氣產(chǎn)量及凈化氣中H2S和CO2濃度與原料氣處理量、胺液循環(huán)量等操作條件之間的統(tǒng)計(jì)模型。然后，以凈化氣產(chǎn)量最大化為目標(biāo)，凈化氣中H2S和CO2濃度滿足產(chǎn)品質(zhì)量為約束，優(yōu)化各操作參數(shù)。具體策略見圖2。

表1　工藝過程的變量參數(shù)表

圖2　脫硫工藝操作參數(shù)優(yōu)化策略圖

2　數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的脫硫工藝建模

高精度的工藝過程模型是獲得最佳決策參數(shù)的前提。高含硫天然氣脫硫過程具有多變量、動(dòng)態(tài)時(shí)變和強(qiáng)干擾等復(fù)雜特性［10］，建立準(zhǔn)確可靠的工藝機(jī)理模型十分困難。為此，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）挖掘數(shù)據(jù)間的潛在規(guī)律，根據(jù)對象的輸入、輸出數(shù)據(jù)直接建立工藝過程的黑箱模型。常用的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）［11］屬于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，僅適用于環(huán)境噪聲和內(nèi)部狀態(tài)變量穩(wěn)定的工業(yè)過程，對高含硫天然氣脫硫工藝這種多變量、強(qiáng)耦合、動(dòng)態(tài)時(shí)變的過程并不適用。為此，提出無跡卡爾曼濾波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（UKFNN），用于建立高含硫天然氣脫硫工藝的動(dòng)態(tài)演化模型，以克服模型自適應(yīng)性差的問題。

2.1UKFNN簡介

UKFNN通過引入U(xiǎn)KF算法對靜態(tài)BPNN模型進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到動(dòng)態(tài)建模的目的。當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生演變時(shí)，基于早期數(shù)據(jù)建立的靜態(tài)模型已經(jīng)不能很好地描述當(dāng)前的生產(chǎn)狀況?？柭鼮V波算法能夠從有限的、包含噪聲的觀察序列（可能是有偏差的）中利用目標(biāo)的動(dòng)態(tài)信息，設(shè)法去掉噪聲影響，從而預(yù)測出物體實(shí)際位置。同時(shí)，化工過程模型通常也不會(huì)發(fā)生突變，當(dāng)前時(shí)刻的模型均由上一時(shí)刻演變而來。結(jié)合二者的相似性，通過引入卡爾曼濾波實(shí)時(shí)更新靜態(tài)模型的估計(jì)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)精確逼近理想的動(dòng)態(tài)模型。在卡爾曼濾波的眾多改進(jìn)算法中，UKF具有計(jì)算簡單、精度高等突出特點(diǎn)［12］。因此采用UKF對BPNN的權(quán)值、閾值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高含硫天然氣脫硫工藝動(dòng)態(tài)演化建模。UKFNN計(jì)算過程見圖3。

圖3　UKFNN計(jì)算流程示意圖

2.2脫硫工藝建模實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證UKFNN動(dòng)態(tài)建模方法在高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化運(yùn)行的有效性，分析建立的統(tǒng)計(jì)模型與工業(yè)經(jīng)驗(yàn)是否吻合，并為后續(xù)工藝參數(shù)優(yōu)化提供模型支持，進(jìn)行了建模實(shí)驗(yàn)。

2.2.1模型建立

實(shí)驗(yàn)以中國某高含硫天然氣凈化廠脫硫單元為對象，采集2014年1月至2014年12月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為樣本，剔除其中信息不完整等粗大誤差樣本，共獲得3044組樣本。由于UKFNN建模是以時(shí)間先后逐漸加入新鮮樣本，因此將所得樣本按時(shí)間順序排列，取前80%（2435組）作為訓(xùn)練樣本，用于建立工藝過程模型；后20%（609組）作為測試樣本，用于查看模型對新樣本的處理能力（即精度和泛化能力）。

由訓(xùn)練樣本按照圖3所述流程，最終得到高含硫天然氣脫硫工藝UKFNN模型為：

式中w1、b1、w2、b2分別表示由UKF訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值。

2.2.2模型效果分析

模型效果分析可以從模型訓(xùn)練和模型測試兩個(gè)環(huán)節(jié)來討論。訓(xùn)練精度越高代表獲得的模型對已知樣本的描述越準(zhǔn)確，然而訓(xùn)練精度也不是越高越好。因?yàn)闃颖精@得具有一定的局限性，通常難以獲得全部樣本，而僅僅是某些特定情況下的樣本，例如獲得樣本通常是正常工況樣本，而異常工況樣本很少甚至完全沒有，這樣得到的模型盡管訓(xùn)練精度很高，也不能用來預(yù)測異常工況。測試精度是用來驗(yàn)證模型對未知樣本推廣能力的重要指標(biāo)。測試精度越高說明模型的準(zhǔn)確性和泛化能力越強(qiáng)。表2、表3分別給出了模型訓(xùn)練和模型測試過程的平均絕對誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）和平均相對誤差（MAPE）。上述誤差都是越小越好。

表2　模型訓(xùn)練誤差表

表3　模型測試誤差表

從表2看出，3個(gè)輸出的模型訓(xùn)練誤差都非常低，可見模型對已知樣本的擬合效果非常好，說明在訓(xùn)練過程充分挖掘了訓(xùn)練樣本之間的相關(guān)性。表3中模型測試誤差略高于模型訓(xùn)練誤差，但總體來說3個(gè)輸出的測試誤差也非常小?？梢?，模型的精度和泛化能力能夠滿足實(shí)際的工藝過程需求，說明UKFNN用于構(gòu)建高含硫天然氣脫硫工藝模型的可行性和高效性。

3　脫硫工藝關(guān)鍵參數(shù)智能優(yōu)化

實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)中凈化氣中H2S濃度一般低于1 mg/m3，CO2濃度多數(shù)低于1.5%，說明氣體凈化質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)格于質(zhì)量指標(biāo)，這會(huì)導(dǎo)致脫硫選擇性降低，凈化氣產(chǎn)量下降，能耗升高。因此，有必要在優(yōu)化產(chǎn)量的同時(shí)，讓凈化氣中H2S和CO2濃度略微嚴(yán)格于凈化氣質(zhì)量指標(biāo)而非越小越好，以提高脫硫選擇性，獲得更大的凈化氣產(chǎn)量和更低能耗。因此，提出首先構(gòu)建給定H2S和CO2濃度條件下產(chǎn)量最大的偏好多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，再通過非支配性排序多目標(biāo)優(yōu)化算法（NSGA2）尋找最佳工藝參數(shù)，以滿足現(xiàn)場工藝優(yōu)化需要，實(shí)現(xiàn)高含硫天然氣脫硫經(jīng)濟(jì)效益提升。

3.1決策參數(shù)偏好函數(shù)設(shè)計(jì)

構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算的偏好模型是實(shí)現(xiàn)特定偏好的多目標(biāo)決策參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)。在系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化計(jì)算中，考慮設(shè)計(jì)者對不同參數(shù)具有不同的喜好程度，Messac［13］提出利用物理規(guī)劃構(gòu)建系統(tǒng)偏好函數(shù)。目前，普遍采用5個(gè)等級描述實(shí)際生產(chǎn)對參數(shù)的喜好程度［14］，并按照不同類別的物理規(guī)劃方法設(shè)計(jì)函數(shù)類型。取凈化氣中H2S濃度為2.5 mg/m3，CO2濃度為2.0%為設(shè)定最佳值（ybest）。當(dāng)優(yōu)化所得決策參數(shù)對應(yīng)的H2S濃度和CO2濃度需在ybest周圍某一鄰域范圍［ybest－Δy， ybest+Δy］內(nèi)波動(dòng)為非常滿意（HD），且在［ybest－Δy－Δy1，ybest－Δy］，［ybest+Δy， ybest+Δy+Δy1］內(nèi)為滿意（D），依次得到可接受（T），不滿意（U）和非常不滿意（HU），對應(yīng)的偏好值區(qū)間用［0，2］、［2，4］、［4，6］、［6，8］和［8，10］表示，可見偏好值是越小越好。針對凈化氣中H2S和CO2濃度的偏好函數(shù)如式（2）、（3）所示，對應(yīng)的偏好函數(shù)如圖4所示。

圖4　凈化氣中H2S濃度和CO2濃度的偏好函數(shù)圖

H2S濃度偏好函數(shù)為：

CO2濃度偏好函數(shù)為：

從圖4可以看出，凈化氣中H2S和CO2濃度的最佳值（ybest）不是設(shè)為產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格，而是略微嚴(yán)格于凈化氣質(zhì)量規(guī)格。同時(shí)，大于或小于ybest的取值都被給予一定的懲罰，且大于ybest部分的懲罰強(qiáng)于小于ybest部分的懲罰，是為了讓凈化氣中H2S和CO2濃度超過ybest時(shí)因極大的懲罰而不至于超出凈化氣質(zhì)量規(guī)格的范圍。

3.2基于NSGA2的偏好多目標(biāo)優(yōu)化

在優(yōu)化計(jì)算過程，為使所有的目標(biāo)變量朝著最小化方向優(yōu)化，對凈化氣產(chǎn)量進(jìn)行取負(fù)。從而得到脫硫工藝決策參數(shù)偏好多目標(biāo)優(yōu)化模型：

式中yH2S、yCO2、ypg分別表示模型的3個(gè)輸出，w1、b1、w2、b2分別表示UKFNN隱含層和輸出層的權(quán)值和閾值。

根據(jù)上述多目標(biāo)優(yōu)化模型尋找最佳脫硫工藝決策參數(shù)的過程屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題。傳統(tǒng)的解決方法是將多個(gè)目標(biāo)函數(shù)組合成單個(gè)目標(biāo)函數(shù)或者將其他目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為約束條件。這類方法只能根據(jù)具體問題設(shè)置參數(shù)，難以通用化，且很多情況下得到的單目標(biāo)優(yōu)化問題對于罰函數(shù)和權(quán)函數(shù)的變化非常敏感，只適用于凸優(yōu)化問題。自20世紀(jì)80年代中期以來，越來越多的研究人員把目光放到了基于進(jìn)化的多目標(biāo)優(yōu)化算法上［15-16］。NSGA2［17］是一種可進(jìn)行多目標(biāo)并行處理的多目標(biāo)優(yōu)化算法，其通過計(jì)算個(gè)體之間的擁擠度來回避共享參數(shù)指定問題，并采用精英策略保存父代種群的優(yōu)秀個(gè)體。為此，采用NSGA2對脫硫工藝決策參數(shù)偏好多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行智能尋優(yōu)，找到最佳工藝參數(shù)。

3.3脫硫工藝決策參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

3.3.1優(yōu)化效果分析

為了驗(yàn)證物理規(guī)劃是否能夠?qū)崿F(xiàn)對特定函數(shù)的偏好優(yōu)化，以及優(yōu)化結(jié)果是否能夠改善工藝操作條件，實(shí)現(xiàn)脫硫工藝效益提升，將NSGA2算法用于脫硫生產(chǎn)實(shí)踐，考察其優(yōu)化效果。NSGA2算法參數(shù)包括：種群數(shù)量為50，最大迭代次數(shù)為100，決策參數(shù)為10個(gè)，目標(biāo)變量為3個(gè)。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，各決策變量尋優(yōu)范圍如表4所示。優(yōu)化所得Pareto前沿對應(yīng)的實(shí)際濃度如圖5所示。

表4　決策變量范圍表

圖5　優(yōu)化得到的實(shí)際值Pareto前沿及聚類效果圖

由圖5可知，迭代優(yōu)化得到的Pareto前沿比較集中，說明優(yōu)化后非支配性解已經(jīng)收斂，達(dá)到了期望的優(yōu)化效果。為了更直觀地反映優(yōu)化的效果，將3個(gè)輸出變量優(yōu)化前后的平均值進(jìn)行了比較，如表5所示。

由表5可以更清楚地看到，優(yōu)化前H2S濃度平均值和CO2濃度平均值的偏好值分別是6.29和2.11，分別屬于“不滿意”和“滿意”區(qū)間。而經(jīng)過優(yōu)化后的H2S濃度平均值的偏好值為1.33，屬于“非常滿意”偏好區(qū)間，相比優(yōu)化前有了明顯提升；同樣，經(jīng)過優(yōu)化后的CO2濃度平均值的偏好值僅為0.000 7屬于“非常滿意”偏好區(qū)間，也比優(yōu)化前提高了一個(gè)檔次。從優(yōu)化前后H2S濃度和CO2濃度的實(shí)際值也可以看出，優(yōu)化前H2S濃度平均值和CO2濃度平均值僅為0.62 mg/m3和1.19%，均遠(yuǎn)低于國標(biāo)要求的4 mg/m3和3%；經(jīng)過優(yōu)化之后的H2S濃度平均值和CO2濃度平均值分別達(dá)到3.22 mg/m3和1.99%，既滿足國標(biāo)要求又不至于出現(xiàn)過度脫除。由于原始工況主要集中在80%負(fù)荷條件下，而優(yōu)化建議主要集中在滿負(fù)荷條件下。將滿負(fù)荷條件下操作進(jìn)行對比，優(yōu)化前原料氣平均值為103.45 （103m3/h），此時(shí)產(chǎn)率為97.8%；優(yōu)化后原料氣平均值提升至126.22 （103m3/h），對應(yīng)的預(yù)測產(chǎn)率為98.6%。優(yōu)化前后產(chǎn)率提高0.8%。由此證明：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化能夠滿足現(xiàn)場工程的偏好需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提升，能耗下降。

表5　優(yōu)化前后3個(gè)輸出變量取值比較表

3.3.2最優(yōu)決策參數(shù)分析

為了進(jìn)一步揭示優(yōu)化前后參數(shù)究竟發(fā)生了什么變化，將對Pareto前沿中有代表性的參數(shù)進(jìn)行深入分析。首先對Pareto前沿進(jìn)行聚類，以便將差異不大的點(diǎn)進(jìn)行合并。設(shè)定聚類后各子類與其對應(yīng)的類內(nèi)距離小于2，并設(shè)定聚類的類別數(shù)初值為1，經(jīng)過多次計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚類類別數(shù)達(dá)到6時(shí)已滿足要求。故將Pareto優(yōu)化解聚成6類，計(jì)算各類中心，并在圖5中用紅色圓圈表示。

然而這些參數(shù)究竟對應(yīng)怎樣的改變呢？為此分別取優(yōu)化前后各參數(shù)均值，并計(jì)算各變量的相對誤差，誤差為正說明優(yōu)化之后該參數(shù)增大，反之優(yōu)化之后該參數(shù)減小。結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，優(yōu)化后的建議參數(shù)中一級吸收塔溫度略有減少，二級吸收塔的溫度略有增加，閃蒸罐壓力略有增加。此外，原料氣處理量有所增加，而與此對應(yīng)的胺液循環(huán)量卻略有減少，重沸器蒸汽消耗量一增一減整體略有增加，蒸汽預(yù)熱器流量明顯減少。這3項(xiàng)指標(biāo)都反映脫硫單元能耗，由此可見，優(yōu)化之后在處理量略有增加的前提下，能耗卻有所降低。而產(chǎn)品氣中H2S的濃度增幅較大，CO2濃度也有所增加?？梢越忉尀橛捎诒苊饬诉^度脫除H2S和CO2的問題，使得總體能耗有所降低，脫硫選擇性提高，凈化氣產(chǎn)量得到提高?？梢姡瑑?yōu)化結(jié)果與流程模型靈敏度分析結(jié)果和工藝經(jīng)驗(yàn)較好吻合。

圖6　優(yōu)化前后各參數(shù)取值比較圖

4　結(jié)束語

基于大數(shù)據(jù)分析方法研究了高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化問題。首先分析影響工藝過程的操作參數(shù)，利用無極卡爾曼濾波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建操作參數(shù)與脫硫單元產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演化模型，以預(yù)測系統(tǒng)性能隨操作參數(shù)的變化規(guī)律；然后借助物理規(guī)劃思想建立H2S濃度和CO2濃度的偏好函數(shù)；最后通過非支配性排序多目標(biāo)優(yōu)化算法獲取最佳操作參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后凈化氣中H2S濃度由0.62 mg/m3提高至3.22 mg/m3，CO2濃度由1.17%提高至1.99%，脫硫選擇性得到較明顯提高。經(jīng)計(jì)算凈化氣產(chǎn)率提升0.8%，溶液循環(huán)量由570 m3/h下降至475 m3/h，降幅為16.67%，表明高含硫天然氣脫硫效率有明顯提升。

該研究為高含硫天然氣脫硫工藝優(yōu)化提供依據(jù)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工藝過程決策參數(shù)的獲取提供了技術(shù)保障。如何獲得具有穩(wěn)健特性的Pareto最優(yōu)解，從而使得到的最優(yōu)解具有更好的穩(wěn)健性，將是下一步研究的重點(diǎn)。

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（修改回稿日期 2016-07-05 編輯 何明）

Optimization of acid gas sweetening technology based on big data

Gu Xiaohua1，2， Qiu Kui1， Li Taifu1， Wang Kan1， Tang Haihong1， Shang Jianfeng3
（1. School of Electrical and Information Engineering， Chongqing Uniνersity of Science & Technology， Chongqing 401331， China； 2. College of Automation and Electronic Information， Sichuan Uniνersity of Science & Engineering，Zigong， Sichuan 643000， China； 3. College of Mechanical and Transportation Engineering， China Uniνersity of Petroleum， Beijing 102200， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 9， pp.107-114， 9/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

In this paper， an optimization method based on big data was proposed to improve the desulfurization selectivity and reduce the energy consumption of traditional acid gas sweetening technologies. At first， decision-making parameters which have significant effects on the performance indexes were identified by analyzing the sweetening process. Then， a dynamic model of unscented Kalman filter neural network was built to describe the potential rules of the sweetening process. And finally， a preference-based multi-objective optimization was adopted to address the issue of excessive removal of H2S and CO2in the original process. The multi-objective optimization was carried out on the model by using the non-dominated sorting genetic algorithm with the concentration of H2S and CO2approaching 2.5 mg/m3and 2% respectively as the objective functions. In this way， the optimal process parameters were obtained. The real production data of a certain acid gas sweetening plant from January to December in 2014 were acquired for simulation experiments with the first 80% samples as the training set while the left as the testing set. It is shown that the dynamic model can better present the production rules of the sweetening process； that based on the optimization results， it is recommended to decrease the temperature of primary absorption column， increase the temperature of secondary absorption column， raise the pressure of flash drum and reduce the circulation rate of amine solution appropriately； that after the optimization， the desulfurization selectivity is improved significantly with H2S concentration of the purified gas rising from 0.62 to 3.22 mg/m3， and the CO2concentration rising from 1.19% to 1.99%； and that the circulation rate of amine solution drops by 16.67%， the steam consumption decreases， and the production rate of purified gas increases by 0.8%. On the whole， the target of production increase and energy consumption decrease is reached.

Acid gas； Big data； Neural network； Dynamic modeling； Preference function； Multi-objective optimization； Sweetening process； Production increase and energy consumption decrease

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.09.013

國家科技重大專項(xiàng)“百億立方米級凈化廠安全運(yùn)行技術(shù)優(yōu)化”（編號(hào)：2011ZX05017-005）、重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目“油田機(jī)采過程大數(shù)據(jù)智能化利用與生產(chǎn)控制穩(wěn)健優(yōu)化”“基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的高含硫天然氣凈化過程異常監(jiān)測與診斷方法”（編號(hào)：cstc2015jcyjBX0089、cstc2015jcyjA90024）、重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的高含硫天然氣凈化過程異常監(jiān)測與診斷方法”“基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高含硫天然氣凈化脫硫過程故障檢測與診斷”（編號(hào)：KJ1401312、KJ1501304）。

辜小花，女，1982年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士；主要從事智能油氣田、復(fù)雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化方面的研究工作。地址：（401331）重慶市沙坪壩區(qū)大學(xué)城東路20號(hào)。電話：（023）65022333。ORCID: 0000-0002-7547-8266。E-mail: xhgu@cqu.edu.cn