基于溫度預(yù)測模型對煤礦井下煤氣化(UCG)火災(zāi)風(fēng)險預(yù)防

王 良

(同煤集團朔州煤電公司，山西 朔州 038300)

1 研究背景

本文提出了利用火星溫度預(yù)測模型預(yù)測煤地下氣化過程中最關(guān)鍵的參數(shù)溫度，即解決在活動礦山地下開采過程對溫度的控制。因為天然氣液化是一個強放熱過程，提高合成氣的質(zhì)量，需要較高的溫度。Hamanaka等[1]也表明,在煤炭地下氣化效率或能量回收率過程中可以通過增加反應(yīng)溫度和擴大氣化面積增加輸出質(zhì)量。因此,保持較高的溫度且沒有超過安全限度避免火災(zāi)的風(fēng)險是一項至關(guān)重要的技術(shù)。

2 數(shù)據(jù)來源

針對5.4 m厚煤層(位于大約460 m深)進行試驗,氣化試驗持續(xù)了60 d,理論最大的煤炭氣化能力600 kg/h,相當于3 MW氣體焓值。表1給出了風(fēng)干煤煤層特點。

為了測試幾種替代方法并探索如何提高生產(chǎn)率，實驗采用了不同的氣化劑:空氣、空氣和氧氣、空氣和CO、空氣和氮氣及空氣和水。

試驗的主要階段為冷卻前的1 343 h，其主要階段為：

a) 第一階段:用煙火藥點火后，煤通過富氧空氣點火。這個階段持續(xù)了193 h。

b) 第二階段:氣化劑為空氣。在這一階段，由于一個分離器的冷凝水平過高，出現(xiàn)了技術(shù)故障。通過增加空氣量來重新開始操作。這個階段持續(xù)了695 h。

表1 風(fēng)干煤煤層特點

c) 第三階段:氣化劑為空氣和二氧化碳，測試二氧化碳的行為。這個階段持續(xù)了120 h。

d) 第四階段:氣化劑為空氣，在二氧化碳階段后對反應(yīng)器進行再加熱。這個階段持續(xù)了173 h。

e) 第五階段:氣化劑為空氣和氮氣，通過逐漸增加氮氣比例啟動實驗滅火。這個階段持續(xù)了162 h。

f) 第六階段:氣化劑為氮氣，用于滅火和冷卻試驗。該階段持續(xù)時間超過500 h，不被認為是實驗的特定部分。

由于實驗是在一個活躍的礦井中進行的，所以它的設(shè)計要滿足所有的采礦安全要求。此外，國家也對地質(zhì)反應(yīng)器出口氣體的最高溫度進行規(guī)定[2]。為了防止發(fā)生火災(zāi)，溫度被設(shè)定在550 ℃。此外，當溫度在600 ℃以上時，如果工藝氣體泄漏到通道中，也有自燃的可能。

3 模型來源

火星模型最初是由Ref[3]引入的。這類模型屬于一組多元非參數(shù)回歸技術(shù)，這些技術(shù)根據(jù)具體數(shù)據(jù)調(diào)整其參數(shù)。

采用分段多邊形方法建立了火星模型。

通過將基函數(shù)擬合到X的不同區(qū)間。多項式的連接點用t表示，稱為節(jié)點、擊穿點或節(jié)。

為了確定應(yīng)該參與模型的基本函數(shù)或它們的估計重要性，MARS使用了通用交叉驗證(GCV)。通過計算每個變量的模型子集n的數(shù)目，計算剩余平方和(RSS)的均值，除以一個懲罰，這個懲罰取決于模型的復(fù)雜性[4-5]:

用于開發(fā)火星模型來預(yù)測本次實驗溫度的工具是R語言，使用EARTH工具包，它是由MDA衍生而來。為了開發(fā)圖形，使用了GGPLOT2工具包。

4 實驗結(jié)果

預(yù)測模型對溫度值的魯棒性是通過對模型進行5次獨立的再訓(xùn)練來確定的，每次都使用數(shù)據(jù)集的80%作為訓(xùn)練子集，并對剩下的20%進行驗證。

隨后，在實驗的各個階段建立火星模型，分析影響預(yù)測精度的因素和原因。

盡管火星模型建立了僅使用的數(shù)據(jù)從第一階段氣化劑使用富氧空氣,該模型能夠預(yù)測溫度的值提前1 h的差異小于11 ℃在95%的情況(見表2)。這個階段持續(xù)了193 h。

表2 實驗各階段實際值與預(yù)測值之間的絕對差的百分比

表中95%百分比值，即為分析中使用的值，比用整個實驗的數(shù)據(jù)所作的預(yù)測更好。圖1為實驗第一階段所用氣化劑的溫度和用量。

然而第二階段時,氣化劑使用的是空氣,能夠獲得的模型計算溫度提前一小時只有的差異小于19 ℃在95%的情況下(見表2)。這個階段持續(xù)了695 h,因此在實驗中是最長的階段。

這種較低的精度可能與此階段發(fā)生的技術(shù)故障有關(guān)，這是由于一個分離器的冷凝水平過高，導(dǎo)致實驗溫度范圍更大。

圖1 實驗第一階段的實際溫度和氣化劑用量

然而，與實驗其他階段的模型相比，第二階段模型的準確性是最好的。圖2為同期真實值與預(yù)測值的溫度散點圖。

圖2 同一時間對應(yīng)的實驗第二階段的實際(Temp_out)與預(yù)測值(Temp_outP1)的溫度散點圖

第三階段，持續(xù)120 h，使用空氣和二氧化碳作為氣化劑。在這種情況下，得到的模型能夠在95%的情況下提前1 h計算出溫度，且差異小于5 ℃(見表2)。圖3為實驗第三階段所用氣化劑的溫度和用量。第66頁圖4給出了與圖2相同尺度下，這一階段的溫度真實值散點圖與同期的預(yù)測值，以解釋相對于第二階段的精度差異。

圖3 實際溫度和氣化劑在實驗三階段使用的數(shù)量

第四階段，在二氧化碳階段結(jié)束后，以空氣為氣化劑對反應(yīng)器進行再加熱，持續(xù)173 h，所得到的模型能夠在95%的情況下提前1 h計算出溫差小于8 ℃的溫度(見表2)。在這種情況下，預(yù)測比使用整個實驗數(shù)據(jù)時要好，但差異很小。這可能是由于，使用空氣作為唯一的氣化劑，類似于第二階段，但沒有使用其他氣化劑的特殊情況下，沒有技術(shù)停機時間。

圖4 同一時間對應(yīng)的實驗第三階段的真實值(Temp_out)與預(yù)測值(Temp_outP1)的溫度散點圖

第五階段通過逐漸增加氮氣比例啟動實驗滅火。在此情況下，得到的模型能夠在95%的情況下提前1 h計算出溫差小于11 ℃(見表2)。

此外，在這種情況下，由于參數(shù)之間的關(guān)系更穩(wěn)定，只有空氣和N2，所以比使用整個實驗的數(shù)據(jù)得到了更好的預(yù)測使用。

第六階段僅使用氣化劑Nas對實驗進行了熄滅和冷卻。在這種情況下，所得到的模型不能用所有的實驗數(shù)據(jù)來改善溫度預(yù)測。在95%的情況下，提前1 h估計了溫度，誤差小于13 ℃(見表2)。

5 結(jié)論

本研究的重點是使用多變量自適應(yīng)回歸樣條(MARS)方法，煤礦試點開發(fā)的實驗數(shù)據(jù)，利用UCG過程中的溫度預(yù)測模型。實現(xiàn)了活動礦井防止火災(zāi)風(fēng)險，同時在煤層氣開采過程中獲得最佳的合成氣質(zhì)量。

為了描述這個問題，輸入變量以小時為單位進行測量:不同氣化劑的用量、合成氣的總流量和組成、溫度和熱值。輸出變量是一小時前的合成氣溫度。

在95%的情況下，預(yù)測的合成氣溫度差小于15 ℃。該模型在經(jīng)過5次再訓(xùn)練后證明了一致性，使用80%的數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練子集，其余20%用于驗證。

在實驗的不同階段在較低的溫度范圍和較穩(wěn)定的氣化劑使用情況下，可以獲得較好的預(yù)測結(jié)果?？偠灾鹦悄Ｐ湍軌蚋呔鹊仡A(yù)測氣化過程參數(shù)之間的相互作用，即使只有少量的觀測，并且在關(guān)于氣化劑的數(shù)量和組成不斷變化的環(huán)境中也能做到。在預(yù)期的一小時內(nèi)預(yù)測合成氣的溫度，將在活動礦井內(nèi)進行地下天然氣的開采，在獲得最佳合成氣質(zhì)量的同時，充分防止火災(zāi)風(fēng)險。