基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油化工裝置腐蝕防護(hù)技術(shù)，特別涉及基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的石化設(shè)備腐 蝕預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 腐蝕存在在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)中。腐蝕對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失，每年因腐 蝕帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失占本國(guó)本年度國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的3% -5%。石油化工煉制在高溫高壓環(huán) 境中，有毒有害，易燃易爆，腐蝕在石油化工行業(yè)表現(xiàn)尤為突出。另外隨著進(jìn)口原油含硫量 高以及我國(guó)許多油田開(kāi)采進(jìn)入中后期，原油質(zhì)量日趨惡化，原油含水量、含硫量、含鹽量、重 金屬含量以及酸值都在不斷升高，這都導(dǎo)致石油煉化設(shè)備的腐蝕問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。腐蝕是 影響煉油廠化工裝置平穩(wěn)安全運(yùn)行的重要因素，腐蝕可造成裝置失效、設(shè)備運(yùn)行故障，甚至 引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。腐蝕嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命。因此，煉油廠腐蝕防護(hù)工作顯得尤為 重要。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)煉油廠腐蝕類(lèi)型和原理掌握的比較全面，煉油廠也先后建立了腐蝕 數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)大量的腐蝕數(shù)據(jù)采用人工經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)方法分析評(píng)價(jià)設(shè)備的腐蝕狀況，但根據(jù) 腐蝕數(shù)據(jù)建立的研究模型不是很多。2010年34卷2期，中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 王正方等人在《基于灰色系統(tǒng)理論的常壓蒸餾裝置腐蝕預(yù)測(cè)》一文中采用灰色腐蝕系統(tǒng)建 立改進(jìn)的GM(1，1)模型，對(duì)常壓蒸餾塔頂換熱器入口分配管彎頭的壁厚進(jìn)行模擬，對(duì)未來(lái) 可能的壁厚進(jìn)行區(qū)間預(yù)測(cè)；2014年31卷第2期，石油化工腐蝕與防護(hù)，樊玉光等人在《BP神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)石化塔頂系統(tǒng)腐蝕的應(yīng)用研究》一文中應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立腐蝕預(yù)測(cè)模型解決 石化塔設(shè)備在腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題。2013年34卷第1期，石油化工設(shè)備技術(shù)，趙林等人 在《BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在煉油廠低溫腐蝕預(yù)測(cè)模型上的應(yīng)用》一文中將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建模應(yīng)用于 煉油廠腐蝕速率預(yù)測(cè)。雖然上述方法都能從不同程度上預(yù)測(cè)特定情況下特定設(shè)備的腐蝕狀 況，但其側(cè)重點(diǎn)不同，有一定的局限性。例如傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如BP算法）容易陷入局部最 優(yōu)，學(xué)習(xí)速度慢，精度難以保證的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的石 化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)方法，該方法具有學(xué)習(xí)速度快、泛化能力強(qiáng)、參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :監(jiān)測(cè)腐蝕數(shù)據(jù)；在煉油廠，根據(jù)工藝流程腐蝕機(jī)理不同選取石化設(shè)備易受 腐蝕的敏感部位作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在選取好腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，確定腐蝕測(cè)量?jī)x安裝位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 腐蝕數(shù)據(jù)，采集傳輸腐蝕數(shù)據(jù)，并將腐蝕數(shù)據(jù)保存在腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)中。
[0008] 步驟2 :建立腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)；將石化企業(yè)監(jiān)測(cè)的腐蝕數(shù)據(jù)按照煉油廠、車(chē)間、裝置、測(cè) 點(diǎn)的層級(jí)關(guān)系存入石化腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)中，在腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)中，測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的腐蝕數(shù)據(jù)即為機(jī)器 學(xué)習(xí)的樣本數(shù)據(jù)。
[0009] 步驟3 :選取腐蝕影響因素；選擇腐蝕影響因素PH、CL_、H2S、NH3N作為樣本輸入， 腐蝕產(chǎn)物Fe2+和Fe3+作為樣本輸出。
[0010] 步驟4 :樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理；在模型訓(xùn)練前先對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在煉油廠，由 于腐蝕測(cè)量?jī)x受工作環(huán)境的影響會(huì)出現(xiàn)噪聲信號(hào)，引起腐蝕數(shù)據(jù)的波動(dòng)及毛刺，通過(guò)實(shí)現(xiàn) 腐蝕數(shù)據(jù)的平滑變化，去除噪聲信號(hào)；另外，有些腐蝕數(shù)據(jù)值為痕跡、未檢出，在數(shù)據(jù)預(yù)處理 時(shí)可將該值補(bǔ)為較小值或〇,以增加腐蝕樣本數(shù)量。
[0011] 步驟5 :樣本數(shù)據(jù)歸一化處理；使用matlab中mapminmax函數(shù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)的輸 入和輸出進(jìn)行歸一化處理，使處理后的數(shù)據(jù)分布在[_1，1]的范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)換公式為：
后的樣本數(shù)據(jù)。
[0012] 步驟6 :確定極限學(xué)習(xí)機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；極限學(xué)習(xí)機(jī)作為一種單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有 三層，分別為輸入層、隱層和輸出層；選取腐蝕影響因素作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，腐蝕影響因 素的個(gè)數(shù)為輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)；選取腐蝕產(chǎn)物作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，腐蝕產(chǎn)物的個(gè)數(shù)為輸
[0013] 步驟7:訓(xùn)練極限學(xué)習(xí)機(jī)石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)模型；將樣本數(shù)據(jù)按照5:1比例隨機(jī) 分為訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本，將訓(xùn)練樣本輸入極限學(xué)習(xí)機(jī)石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練學(xué) 習(xí)，求出輸出權(quán)值矩陣0。
[0014] 極限學(xué)習(xí)機(jī)石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)模型學(xué)習(xí)過(guò)程包括以下步驟：
[0015] 步驟7. 1:石化設(shè)備腐蝕測(cè)試樣本數(shù)據(jù)為（Oqt1)Ii= 1，2,…，N}，N為測(cè)試樣本個(gè)
Pi= (0Pi2,…，Pim)T為輸出神經(jīng)元與第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的輸出權(quán)值，w;=(wwi2，… ，WlN)T為輸入神經(jīng)元與第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的輸入權(quán)值，bi為第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的閥值。隨機(jī)賦 值權(quán)值向量W1和閥值b1;
[0016] 步驟7.2:計(jì)算訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的隱層輸出矩陣，其中
(tl，t2，…，tN)O
[0020] 步驟8 :石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)；將測(cè)試樣本輸入訓(xùn)練好的極限學(xué)習(xí)機(jī)石化設(shè)備腐蝕 預(yù)測(cè)模型得到輸出值，將其反歸一化處理后即可得到預(yù)測(cè)值，將預(yù)測(cè)值和實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行 比較計(jì)算，從而驗(yàn)證評(píng)價(jià)腐蝕預(yù)測(cè)模型，過(guò)程包括以下步驟：
[0021] 步驟8. 1 :輸入測(cè)試樣本腐蝕數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)試樣本的隱層輸出矩陣Hte;
[0022] 步驟8. 2 :計(jì)算測(cè)試樣本的極限學(xué)習(xí)機(jī)輸出Tte=U;
[0023] 步驟8. 3 :將極限學(xué)習(xí)機(jī)的輸出1^利用mapminmax函數(shù)反歸一化，得到腐蝕預(yù)測(cè) 值；
[0024] 步驟8. 4 :將腐蝕預(yù)測(cè)值與測(cè)試樣本監(jiān)測(cè)的實(shí)際值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)誤差和絕 對(duì)誤差，對(duì)極限學(xué)習(xí)機(jī)石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。
[0025] 本發(fā)明可用于煉油廠石油化工裝置腐蝕狀況預(yù)測(cè)，通過(guò)裝置上安裝的測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè) 到腐蝕數(shù)據(jù)，將長(zhǎng)期積累的腐蝕數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行極限學(xué)習(xí)機(jī)腐蝕預(yù)測(cè)模型的學(xué)習(xí)與 預(yù)測(cè)，該方法避免人工分析腐蝕數(shù)據(jù)過(guò)多依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，容易主觀臆斷。本發(fā)明采用極限學(xué)習(xí) 機(jī)可以找出腐蝕影響因素與腐蝕結(jié)果之間非線性關(guān)系，為石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)提供一種新思 路。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的極限學(xué)習(xí)機(jī)石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)方法流程圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明的極限學(xué)習(xí)機(jī)石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
[0028] 圖3為本發(fā)明的極限學(xué)習(xí)機(jī)石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)模型學(xué)習(xí)流程圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明的極限學(xué)習(xí)機(jī)石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作詳細(xì)敘述。
[0031] 參照?qǐng)D1，基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的石化設(shè)備腐蝕預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0032] 步驟1 :監(jiān)測(cè)腐蝕數(shù)據(jù)；在煉油廠，根據(jù)工藝流程腐蝕機(jī)理不同選取石化設(shè)備易受 腐蝕的敏感部位作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，例如，催化分餾塔塔頂、常減壓裝置塔頂、轉(zhuǎn)油線上部、高壓空 冷器出口管道；在選取好腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，確定腐蝕測(cè)量?jī)x安裝位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腐蝕數(shù)據(jù)，采 集傳輸腐蝕數(shù)據(jù)，并將腐蝕數(shù)據(jù)保存在腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)中。
[0033] 步驟2 :建立腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)；積累大量的腐蝕數(shù)據(jù)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，建立腐蝕 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于石化企業(yè)來(lái)說(shuō)是非常重要的；將石化企業(yè)長(zhǎng)期積累的腐蝕數(shù)據(jù)按照煉油廠、車(chē) 間、裝置、測(cè)點(diǎn)的層級(jí)關(guān)系存入石化腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)中；測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的腐蝕數(shù)據(jù)是腐蝕預(yù)測(cè)的樣本 數(shù)據(jù)。
[0034] 步驟3 :選取腐蝕影響因素；影響石化設(shè)備腐蝕的因素很多，可分為腐蝕介質(zhì)影響 因素和腐蝕條件影響因素，環(huán)烷酸、硫化物、氯化物、氮化物、鹽酸、連多硫酸及氧、重金屬 等，是為腐蝕介質(zhì)影響因素。溫度、水、壓力、流速等為腐蝕條件影響因素。煉油廠裝置受到 腐蝕后介質(zhì)中往往存在過(guò)量Fe離子，可將這些過(guò)量Fe離子看作腐蝕產(chǎn)物，另外當(dāng)裝置受 到腐蝕后管壁厚度會(huì)發(fā)生變化，在線測(cè)厚數(shù)據(jù)從一定程度上也能反映設(shè)備的腐蝕狀況。由 于煉油廠設(shè)備裝置在原油加工過(guò)程中產(chǎn)生腐蝕的機(jī)理不同，因此根據(jù)工藝流程每個(gè)測(cè)點(diǎn)需 要監(jiān)測(cè)的腐蝕數(shù)據(jù)項(xiàng)也不盡相同。例如，可選取測(cè)點(diǎn)"催化分餾塔塔頂"監(jiān)測(cè)到的腐蝕數(shù)據(jù) PH、CL_、H2S、NH3N、Fe2+和Fe3+作為樣本數(shù)據(jù)，具體選擇腐蝕影響因素PH、CL_、H2S、NH3N作 為樣本輸入，腐蝕產(chǎn)物Fe2+和Fe3+作為樣本輸出。
[0035] 步驟4:樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理；樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量直接影響到腐蝕預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性， 因此