基于動(dòng)態(tài)核獨(dú)立分量分析的天然氣凈化過(guò)程異常檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高含硫天然氣脫硫生產(chǎn)過(guò)程故障檢測(cè)與診斷技術(shù)，涉及一種基于動(dòng)態(tài) 核獨(dú)立分量分析的天然氣凈化過(guò)程異常檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高含硫天然氣凈化脫硫工業(yè)流程復(fù)雜，過(guò)程工藝參數(shù)眾多，受溫度、壓力、流量、設(shè) 備老化和原料氣處理量等不確定因素影響，是典型的復(fù)雜非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)特性化工系統(tǒng)。高含 硫天然氣凈化脫硫過(guò)程主要包括以下部分：主吸收塔MDEA溶液吸收酸性組分H 2S和C02， 水解反應(yīng)器脫除（COS)，再生塔MDEA溶液的循環(huán)再生以及換熱過(guò)程，具體工藝流過(guò)程如圖 2所示。一旦系統(tǒng)發(fā)生異常，如何及時(shí)檢測(cè)故障發(fā)生，并追溯工藝操作參數(shù)導(dǎo)致故障發(fā)生原 因，從而為系統(tǒng)故障排查和恢復(fù)提供決策參考依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí) 意義。
[0003] 原料氣處理量負(fù)荷波動(dòng)、脫硫單元吸收塔發(fā)泡、硫磺回收裝置硫收率下降是高含 硫天然氣過(guò)程常見(jiàn)的三種異常工況。目前高含硫天然氣異常工況檢測(cè)與診斷主要依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng) 生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，異常工況發(fā)生機(jī)理描述的不夠透徹，缺乏對(duì)高含硫天然氣異常工況的檢測(cè)與診 斷機(jī)制。
[0004] 基于多元統(tǒng)計(jì)的故障檢測(cè)與診斷方法是工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)在故障檢測(cè)與診斷領(lǐng)域 應(yīng)用的代表，已成為工業(yè)過(guò)程監(jiān)控的熱點(diǎn)?；诙嘣y(tǒng)計(jì)過(guò)程的高含硫天然氣凈化脫硫過(guò) 程故障檢測(cè)與診斷采用基于T 2和SPE統(tǒng)計(jì)量質(zhì)量控制圖和PCA、ICA技術(shù)分析DCS采集的 相關(guān)工藝參數(shù)，從而為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)提供決策參考依據(jù)，并結(jié)合貢獻(xiàn)圖法實(shí)現(xiàn)異常工況的 參數(shù)追溯。
[0005] 核獨(dú)立元分析在故障診斷中是一種常見(jiàn)的特征分析方法，這種方法是利用非線(xiàn)性 映射Φ和Ψ將原始隨機(jī)向量空間\和y i映射到高維空間F，F(xiàn)y，使得數(shù)據(jù)在特征空間 中成為線(xiàn)性數(shù)據(jù)，再在特征空間中利用獨(dú)立成分分析法對(duì)變換后的數(shù)據(jù)提取獨(dú)立元，從而 實(shí)現(xiàn)特征變量互相獨(dú)立（不相關(guān)）。但現(xiàn)有的核獨(dú)立分量分析沒(méi)有考慮到高含硫天然氣凈 化脫硫過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，采集的原始數(shù)據(jù)在時(shí)序上呈現(xiàn)自相關(guān)性。
[0006] 基于T2和SPE統(tǒng)計(jì)量的質(zhì)量控制圖通過(guò)判斷獨(dú)立元對(duì)應(yīng)的T 2和SPE統(tǒng)計(jì)量是否 超出設(shè)定的控制限，判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。若超過(guò)控制限，系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；否則系統(tǒng)處于 正常狀態(tài)。貢獻(xiàn)圖法通過(guò)分析故障時(shí)刻不同參數(shù)對(duì)故障貢獻(xiàn)程度實(shí)現(xiàn)異常參數(shù)追溯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不能及時(shí)檢測(cè)故障發(fā)生的不足，提供一種基于動(dòng) 態(tài)核獨(dú)立分量分析的天然氣凈化過(guò)程異常檢測(cè)方法，它能夠及時(shí)檢測(cè)故障發(fā)生，并追溯工 藝操作參數(shù)導(dǎo)致故障發(fā)生原因，從而為系統(tǒng)故障排查和恢復(fù)提供決策參考依據(jù)。
[0008] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0009] 一種基于動(dòng)態(tài)核獨(dú)立分量分析的天然氣凈化過(guò)程異常檢測(cè)方法，該診斷方法按如 下步驟進(jìn)行：
[0010] 步驟1 :確定所監(jiān)測(cè)的高含硫天然氣凈化脫硫生產(chǎn)過(guò)程中的m個(gè)工藝參數(shù)，其中，m =10,各工藝參數(shù)分別為IX1表示脫硫吸收塔胺液入口流量，X 2表示尾氣吸收塔胺液入口流 量，X3表示原料氣處理量，X 4表示半富胺液循環(huán)量，X 5表示一級(jí)吸收塔胺液入口溫度，X 6表 示二級(jí)吸收塔胺液入口溫度，X7表示閃蒸罐壓力，X 8表示重沸器A 口蒸汽消耗量，X 9表示重 沸器B 口蒸汽消耗量，Xltl表示蒸汽預(yù)熱器流量；
[0011] 步驟2 :對(duì)高含硫天然氣凈化脫硫生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所得的樣本數(shù)據(jù)為 [XmXN，Y1, Y2]，其中：x為工藝參數(shù)，m為工藝參數(shù)數(shù)量，N為采集數(shù)據(jù)樣本數(shù)量，H 2S含 量，Y2SCO2含量；
[0012] 采集高含硫天然氣凈化脫硫生產(chǎn)過(guò)程中的工藝參數(shù)，并采集對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)下生產(chǎn) 的天然氣當(dāng)中的H 2S含量和CO2含量，用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。
[0013] 步驟3 :對(duì)步驟2所得的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：
[0014] 3. 1剔除采集數(shù)據(jù)中缺失參數(shù)的樣本，并保證樣本滿(mǎn)足企業(yè)凈化氣技術(shù)指標(biāo)，得到 的數(shù)據(jù)為[Xmxn，Y1, Y2]，η為處理后采集樣本數(shù)量，η < N ;
[0015] 通過(guò)剔除采集數(shù)據(jù)中缺失參數(shù)的樣本能夠得到最能反映出生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際特性的 有效數(shù)據(jù)。
[0016] 3. 2進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，得到的工業(yè)數(shù)據(jù)為[X' mXn，Y' i，Y' 2];
[0017] 數(shù)據(jù)歸一化的目的是為了把不同來(lái)源的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)參考系下，方便排查。
[0018] 步驟4 :分析步驟3所得的工業(yè)數(shù)據(jù)WmxwY1^Y/]的自回歸模型，確定其動(dòng)態(tài)時(shí) 滯后階次h，得到其動(dòng)態(tài)擴(kuò)展矩陣；
[0019] 計(jì)算時(shí)滯后階次h的方法為：首先處理h = 0的靜態(tài)情況，數(shù)據(jù)矩陣中的靜態(tài)關(guān)系 數(shù)等于變量數(shù)與主元個(gè)數(shù)之差；然后令h = 1，計(jì)算新的動(dòng)態(tài)關(guān)系數(shù)，新的動(dòng)態(tài)關(guān)系數(shù)等于 變量數(shù)減去主元個(gè)數(shù)和第一步計(jì)算出的靜態(tài)關(guān)系數(shù)，h函數(shù)逐漸增加，新關(guān)系函數(shù)按以下公 式遞推計(jì)算：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于動(dòng)態(tài)核獨(dú)立分量分析的天然氣凈化過(guò)程異常檢測(cè)方法，其特征在于該診斷 方法按如下步驟進(jìn)行： 步驟1 :確定所監(jiān)測(cè)的高含硫天然氣凈化脫硫生產(chǎn)過(guò)程中的m個(gè)工藝參數(shù)，其中，m = 10,各工藝參數(shù)分別為：Xl表示脫硫吸收塔胺液入口流量，X 2表示尾氣吸收塔胺液入口流 量，X3表示原料氣處理量，X 4表示半富胺液循環(huán)量，X 5表示一級(jí)吸收塔胺液入口溫度，X 6表 示二級(jí)吸收塔胺液入口溫度，X7表示閃蒸罐壓力，X 8表示重沸器A 口蒸汽消耗量，X 9表示重 沸器B 口蒸汽消耗量，Xltl表示蒸汽預(yù)熱器流量； 步驟2:對(duì)高含硫天然氣凈化脫硫生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所得的樣本數(shù)據(jù)為 [XmXN，Y1, Y2]，其中：X為工藝參數(shù)，m為工藝參數(shù)數(shù)量，N為采集數(shù)據(jù)樣本數(shù)量，H 2S含 量，Y2SCO2含量； 步驟3 :對(duì)步驟2所得的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理： 3. 1剔除采集數(shù)據(jù)中缺失參數(shù)的樣本，并保證樣本滿(mǎn)足企業(yè)凈化氣技術(shù)指標(biāo)，得到的數(shù) 據(jù)為[XnXn，Y1, Y2]，η為處理后采集樣本數(shù)量，η < N ; 3.2進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，得到的工業(yè)數(shù)據(jù)為[X' mXn，Y' i，Y' 2]; 步驟4 :分析步驟3所得的工業(yè)數(shù)據(jù)[X'mXn，Y/，Y2']的自回歸模型，確定其動(dòng)態(tài)時(shí)滯后 階次h，得到其動(dòng)態(tài)擴(kuò)展矩陣； 計(jì)算時(shí)滯后階次h的方法為：首先處理h = 0的靜態(tài)情況，數(shù)據(jù)矩陣中的靜態(tài)關(guān)系數(shù)等 于變量數(shù)與主元個(gè)數(shù)之差；然后令h = 1，計(jì)算新的動(dòng)態(tài)關(guān)系數(shù)，新的動(dòng)態(tài)關(guān)系數(shù)等于變量 數(shù)減去主元個(gè)數(shù)和第一步計(jì)算出的靜態(tài)關(guān)系數(shù)，h函數(shù)逐漸增加，新關(guān)系函數(shù)按以下公式遞 推計(jì)算：
直至rnOT(h)〈0，即持續(xù)到?jīng)]有新的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)關(guān)系為止， 觀測(cè)向量Xi= [X n, Xi2,…xim]，考慮其h時(shí)滯后階次信息，則 Xf = [Xn, Xp1 i，·. · X;._/;1, X;.2，X;M2, ·. 七―/2 , ·. ，, X;.-lw , · ·七―-]最終得到的動(dòng)態(tài) 擴(kuò)展矩陣為?"(，···，乂] 步驟5 :在核主元空間對(duì)擴(kuò)展矩陣Xh進(jìn)行白化處理，提取核主元分量Z h，并采用獨(dú)立分 量分析估計(jì)獨(dú)立元sh; 步驟6 :計(jì)算獨(dú)立元Sh對(duì)應(yīng)的SPE統(tǒng)計(jì)量和T 2統(tǒng)計(jì)量，并分析統(tǒng)計(jì)量是否超限，若超限 則發(fā)生異常工況，否則正常，再結(jié)合T2貢獻(xiàn)圖法，進(jìn)行異常工況參數(shù)追溯。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動(dòng)態(tài)核獨(dú)立分量分析的天然氣凈化過(guò)程異常檢測(cè)方法， 其特征在于：步驟3. 1中的企業(yè)凈化氣技術(shù)指標(biāo)為H2S含量低于6mg/m3，C(V#量低于3%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動(dòng)態(tài)核獨(dú)立分量分析的天然氣凈化過(guò)程異常檢測(cè)方法， 其特征在于：步驟3. 2中的具體歸一化處理方法如下：
其中，Xi為歸一化前的操作變量，X' i為歸一化后的操作變量，Xmin為歸一化前Xi的最 小值，Xmax為歸一化前X i的最大值，y 歸一化前的觀測(cè)變量，太歸一化后觀測(cè)變量， ymin為歸一化前y i最小值，y max為歸一化前y i最大值。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于動(dòng)態(tài)核獨(dú)立分量分析的天然氣凈化過(guò)程異常檢測(cè)方法，該診斷方法按如下步驟進(jìn)行：確定所監(jiān)測(cè)的高含硫天然氣凈化脫硫生產(chǎn)過(guò)程中的工藝參數(shù)；對(duì)高含硫天然氣凈化脫硫生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；分析數(shù)據(jù)的自回歸模型，確定其動(dòng)態(tài)時(shí)滯后階次，得到其動(dòng)態(tài)擴(kuò)展矩陣；在核主元空間對(duì)擴(kuò)展矩陣進(jìn)行白化處理，提取核主元分量，并采用獨(dú)立分量分析估計(jì)獨(dú)立元；計(jì)算獨(dú)立元對(duì)應(yīng)的SPE統(tǒng)計(jì)量和T2統(tǒng)計(jì)量，并分析統(tǒng)計(jì)量是否超限，若超限則發(fā)生異常工況，否則正常，再結(jié)合T2貢獻(xiàn)圖法，進(jìn)行異常工況參數(shù)追溯。本方法能夠及時(shí)檢測(cè)故障發(fā)生，并追溯工藝操作參數(shù)導(dǎo)致故障發(fā)生原因，從而為系統(tǒng)故障排查和恢復(fù)提供決策參考依據(jù)。
【IPC分類(lèi)】G05B23-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104635724
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410826845
【發(fā)明人】李景哲, 蘇盈盈, 邱奎, 辜小花, 李太福, 張莉婭
【申請(qǐng)人】重慶科技學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日