基于偏最小二乘法的石灰石—石膏濕法脫硫效率預(yù)測(cè)模型

靳會(huì)寧

（云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司云南昆明650000）

基于偏最小二乘法的石灰石—石膏濕法脫硫效率預(yù)測(cè)模型

靳會(huì)寧

（云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司云南昆明650000）

由于脫硫效率具有不易測(cè)量、測(cè)量精度低的特性。就該問(wèn)題運(yùn)用了偏最小二乘法（PLS）建立了以O(shè)2濃度、液氣比、漿液pH值為輸入，脫硫效率為輸出的預(yù)測(cè)模型。模型基于某電廠DCS采集的脫硫系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)，在MATLAB平臺(tái)上訓(xùn)練得到較精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行精度驗(yàn)證。得出以下結(jié)論：采用偏最小二乘模型預(yù)測(cè)脫硫效率，96%相對(duì)誤差分布在-1%~1%，最大誤差不超過(guò)3%。說(shuō)明該模型的預(yù)測(cè)精度較高，能較好地滿足工程實(shí)際的需求。

偏最小二乘；脫硫效率；預(yù)測(cè)模型

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，能源需求迅猛增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的污染問(wèn)題也急劇體現(xiàn)?；痣姀S是污染排放大戶，特別在大氣污染方面，而其中SO2污染最甚。在國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的前提下，控制SO2的排放量已然成為發(fā)電企業(yè)所面臨的重大課題?，F(xiàn)階段，在我國(guó)火電廠脫硫系統(tǒng)中石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)仍占據(jù)著主流地位，占總量的90%左右[1-3]，因此電廠開始高度重視濕法脫硫效率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在濕法脫硫效率測(cè)量方面，由于影響因素比較多，且都具有關(guān)聯(lián)性，所以造成了測(cè)量困難和測(cè)量結(jié)果不精準(zhǔn)。

煙氣連續(xù)排放檢測(cè)系統(tǒng)（CEMS）是目前電廠最常使用的檢測(cè)設(shè)備。該系統(tǒng)可連續(xù)檢測(cè)氣態(tài)污染物濃度和固態(tài)污染顆粒等，用來(lái)檢測(cè)企業(yè)排放的污染物濃度[4-5]，但CEMS存在在線分析儀表維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，提出了利用已知數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行反向建模的方法，偏最小二乘法是運(yùn)用較為廣泛的方法之一。本文利用偏最小二乘法建立了預(yù)測(cè)模型，并預(yù)測(cè)某電廠濕法脫硫系統(tǒng)的脫硫效率，獲得脫硫效率與各運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系，指導(dǎo)電廠脫硫系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行。

1　偏最小二乘建模原理

偏最小二乘回歸方法可以綜合運(yùn)用多種方法分析處理數(shù)據(jù)，因此又被稱為第二代回歸方法，是近年來(lái)應(yīng)用較為廣泛的一種多元分析方法[6,7]。偏最小二乘法建模過(guò)程分為三步，分別為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，主成分的提取和回歸方程的擬合。

1.1數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理可以使樣本重心與新坐標(biāo)原點(diǎn)重合并消除變量間的量綱差異，數(shù)據(jù)被處理后，樣本間相對(duì)位置及變量間相關(guān)性仍然不會(huì)改變，因變量和自變量的均值為0，方差為1，便于數(shù)學(xué)推導(dǎo)。處理后自變量數(shù)組記為，因變量數(shù)組記為。以自變量為例，具體的公式為：

其中，xij為i個(gè)樣本的第個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；x軃j和sj分別為第j個(gè)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；同樣y軃和sy分別是y的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2主成分的提取

設(shè)自變量的第一個(gè)主成分為t1，并且滿足t1=E0W1，w1為E0的一個(gè)軸，滿足條件||w1||=1。同理，u1可以看作因變量F0的第一個(gè)主成分，且滿足u1=F0c1，c1是F0的一個(gè)軸，滿足條件||c1||=1。為了使t1、u1能盡可能多的攜帶E0、F0中的變異信息，且同時(shí)滿足t1對(duì)u1有最大的解釋能力，則應(yīng)在偏最小二乘回歸中做到t1與u1的協(xié)方差最大化。

通過(guò)拉格朗日變換，將上述問(wèn)題轉(zhuǎn)換為求w1、c1使公式5的值最大化的問(wèn)題。

其中，l1、l2均為拉格朗日乘數(shù)因子。

得到目標(biāo)函數(shù)q1：

通過(guò)形式變換即可求得E0、F0對(duì)主成分t1、u1的回歸方程：

其中，E1、F1、F1為三個(gè)回歸方程的殘差矩陣，p'1、q'1、r'1為三個(gè)回歸方程的回歸系數(shù)向量。

1.3回歸方程的擬合

同理可求得各個(gè)主成分的回歸方程。假設(shè)矩陣的秩為，則可以提取個(gè)成分。求得最終的回歸方程：

因?yàn)閠1,…,tA可以表示為E01,…E0p的線性組合，所以，公式10可還原為yk*=F0k關(guān)于x*j=E0j的回歸方程形式：

其中，F(xiàn)Ak是殘差FA的第k列，k=1,2,…,q。

最后，將回歸方程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化逆處理即可得最終的回歸方程。

2　脫硫效率影響因素

脫硫效率是評(píng)價(jià)脫硫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。由于石灰石-石膏脫硫系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜，涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，所以存在多種因素影響脫硫效率。

2.1 O2濃度

2.2粉塵濃度

從鍋爐尾部煙道出來(lái)的煙氣通常會(huì)經(jīng)過(guò)除塵器進(jìn)行除塵以減少煙氣中的粉塵濃度，但通過(guò)除塵器煙氣的粉塵濃度仍然較高。進(jìn)入吸收塔后，大部分粉塵跟隨漿液進(jìn)行反應(yīng)，在一定程度上阻礙了吸收劑的溶解過(guò)程，吸收劑溶解速率下降，直接對(duì)脫硫效果產(chǎn)生負(fù)面影響，降低脫硫效率。同時(shí)，粉塵中含有重金屬離子，重金屬離子會(huì)阻礙Ca2+與HSO3-反應(yīng)，進(jìn)一步降低脫硫效率。

2.3液氣比

液氣比是指吸收塔洗滌單位煙氣需要含堿性吸收劑的循環(huán)漿液體積[8]。在其他參數(shù)不變的條件下，液氣比增大，即洗滌單位煙氣的循環(huán)漿液體積增加，液氣接觸面積增加，同時(shí)反應(yīng)物濃度增加，反應(yīng)速度提高，脫硫效率隨之增加。當(dāng)液氣比增加到一定值后，液體接觸面積的增加對(duì)反應(yīng)速率的影響逐漸減少，故脫硫效率不會(huì)明顯增長(zhǎng)。

2.4煙氣流量

在其他條件不變的情況下，煙氣流量增加導(dǎo)致液氣比降低，從而脫硫效率下降。但煙氣流量的增加，會(huì)導(dǎo)致煙氣流速增大，工質(zhì)間湍流增強(qiáng)，煙氣與吸收劑間的反應(yīng)速率上升，脫硫效率增大。綜合兩種因素對(duì)脫硫效率的影響，液氣比的降低對(duì)脫硫效率的影響更大，從而得出：在其他條件不變的情況下，煙氣流量增加會(huì)導(dǎo)致脫硫效率下降[9]。

2.5煙氣溫度

通常，經(jīng)過(guò)除塵器后進(jìn)入脫硫塔的煙氣溫度為110℃~120℃，而脫硫反應(yīng)的最佳反應(yīng)溫度為80℃左右，煙氣溫度的增加，使得脫硫塔中的溫度更偏離最佳反應(yīng)溫度，從而導(dǎo)致脫硫效率下降。再者，吸收劑與SO2的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，煙氣溫度增加，導(dǎo)致脫硫塔溫度上升，抑制吸收劑與SO2反應(yīng)，脫硫效率下降。

建筑工程造價(jià)管理期間，需重視原材料質(zhì)量管理工作，利用科學(xué)合理的方式針對(duì)原材料質(zhì)量進(jìn)行管理，遵循與時(shí)俱進(jìn)的原則篩選原材料，按照設(shè)計(jì)圖紙的要求進(jìn)行造價(jià)管理。選擇原材料時(shí)，需針對(duì)種類與規(guī)格進(jìn)行全面分析，完善物理與化學(xué)性能，并提升綜合水平。一方面，在原材料采購(gòu)環(huán)節(jié)，需針對(duì)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題并采取合理措施解決問(wèn)題，選擇性價(jià)比較高的原材料開展施工活動(dòng)。另一方面，在原材料進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)之后，需對(duì)其進(jìn)行分區(qū)域存放處理，以免原材料之間出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)影響工程質(zhì)量。

2.6漿液pH值

漿液pH值對(duì)脫硫效率有較大影響[7]。漿液pH值增大，總傳質(zhì)系數(shù)增加，有利于SO2的吸收，脫硫效率增加。漿液pH值降低，石灰石溶解速率增加，同時(shí)低pH值有利于亞硫酸根與亞硫酸氫根的氧化過(guò)程，脫硫效率降低。漿液pH值過(guò)大或過(guò)小都會(huì)抑制脫硫效率的增長(zhǎng)。所以將漿液pH值控制在合理范圍對(duì)脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。最佳漿液pH值為5.2~5.6。

3　脫硫效率模型建立及結(jié)果分析

3.1模型的建立

根據(jù)各參數(shù)與脫硫效率的相關(guān)性，選取了石灰石耗量（x1）、進(jìn)口O2含量（x2）、粉塵濃度（x）3、液氣比（x）4、出口O2含量（x5）、出口粉塵濃度（x）6、煙氣流量（x）7、煙氣溫度（x8）、漿液pH值（x）9、石灰石漿液量（x1）0作為模型的輸入，將脫硫效率作為模型的輸出。

通過(guò)對(duì)電廠脫硫運(yùn)行數(shù)據(jù)的篩選，挑選了50組數(shù)據(jù)作為煙氣脫硫效率模型的模型訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練后得到最終脫硫效率的回歸方程為：

3.2模型訓(xùn)練結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_度，將模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與運(yùn)行原始數(shù)據(jù)作了對(duì)比。圖1、2分別為訓(xùn)練樣本PLS的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比圖和相對(duì)誤差圖。圖1中預(yù)測(cè)值與實(shí)際值整體走勢(shì)基本一致，在一些點(diǎn)上出現(xiàn)了重合，兩條曲線擬合度較高，所以定性地認(rèn)為PLS預(yù)測(cè)效果較好。圖2中96%的相對(duì)誤差呈帶狀分布在-1%~1%，最大的相對(duì)誤差不大于3%。綜上分析可得：PLS模擬預(yù)測(cè)值和實(shí)際值誤差很小，PLS模型能較精確地預(yù)測(cè)脫硫效率，能較好地滿足工程實(shí)際的需求。

圖1　訓(xùn)練樣本PLS預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比圖

圖2　訓(xùn)練樣本相對(duì)誤差分布圖

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)模型的訓(xùn)練與檢驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：PLS預(yù)測(cè)模型對(duì)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫效率預(yù)測(cè)具有較好的擬合度與準(zhǔn)確度，預(yù)測(cè)趨勢(shì)與實(shí)際樣本一致，96%相對(duì)誤差集中分布在-1%~1%，最大誤差不超過(guò)3%，能較好地滿足工程實(shí)際的需求。

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靳會(huì)寧(1983—)，男，碩士，中級(jí)工程師，主要從事脫硫脫硝等方面的研究工作。