數(shù)據(jù)相關(guān)性分析在干燥器研究中的應(yīng)用

鄧久寧，張婷暄，汪潔，孫懷宇

數(shù)據(jù)相關(guān)性分析在干燥器研究中的應(yīng)用

鄧久寧，張婷暄，汪潔，孫懷宇*

（沈陽化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

通過流化床干燥器對(duì)固體顆粒進(jìn)行干燥，從實(shí)際生產(chǎn)過程中得到了干燥器運(yùn)行過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以此為樣本進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。使用基本統(tǒng)計(jì)方法、相關(guān)性分析，分析了各變量之間的關(guān)系。應(yīng)用帶時(shí)間差的相關(guān)性分析算法，對(duì)于變量之間變化的時(shí)間間隔進(jìn)行了分析。

流化床干燥器；數(shù)據(jù)分析；相關(guān)性分析

化工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)本來是用于過程的監(jiān)視及自動(dòng)控制的，但這些數(shù)據(jù)也同時(shí)體現(xiàn)了化工過程中各種參數(shù)的變化及化工過程的特性。通過分析這些數(shù)據(jù)，將能對(duì)化工過程有更深入的了解。由于化工過程的復(fù)雜性及非線性等特點(diǎn)，所以完全基于機(jī)理對(duì)過程進(jìn)行模擬比較困難。而應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析算法，通過數(shù)據(jù)分析，得到對(duì)化工過程研究及優(yōu)化有意義的參數(shù)，也是一個(gè)有益的嘗試。

流化床干燥器是一種化工設(shè)備，其原理是指將濕物料加熱并使其濕組分蒸發(fā)，從而得到要求的濕含量固體成品的過程。干燥操作在化工、輕工、能源等領(lǐng)域中有極其廣泛的應(yīng)用。本文以實(shí)際生產(chǎn)過程中獲得的DCS運(yùn)行數(shù)據(jù)為樣本，應(yīng)用基本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)算法及相關(guān)性分析算法對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行了輔助分析[1-5]。

1 流程描述及運(yùn)行數(shù)據(jù)

1.1 流程描述

實(shí)際PVC生產(chǎn)中的干燥流程如下：從聚合釜來的PVC漿狀物料通過離心機(jī)脫除水分后，由螺桿泵打入干燥器內(nèi)。使用由蒸汽加熱的空氣從下方流入使顆粒流化。干燥器分為并列的3段，熱空氣分別流入干燥器的各段。干燥后的物料從右方流出干燥器，去產(chǎn)品倉?？諝鈴纳戏搅鞒龈稍锲?，經(jīng)過旋風(fēng)分離器分離固體顆粒后排空[6]。為了提高干燥效果，使用干燥器內(nèi)置的換熱器對(duì)空氣進(jìn)行了進(jìn)一步的加熱。

在生產(chǎn)過程中，主要通過控制空氣流入的溫度及流量對(duì)于物料的含水量進(jìn)行控制，但由于干燥過程的復(fù)雜性，難于準(zhǔn)確對(duì)于含水量進(jìn)行控制。往往因參數(shù)的設(shè)置過度嚴(yán)格，造成被干燥物料的含水量較低，進(jìn)而增加了生產(chǎn)成本，消耗了不必要的能量。

1.2 數(shù)據(jù)樣本情況

從某廠PVC工段得到的干燥過程DCS數(shù)據(jù)為連續(xù)10天的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括了83個(gè)與干燥相關(guān)的主要工位，共120個(gè)參數(shù)值，采樣時(shí)間為1 s。原數(shù)據(jù)為CSV格式，為方便數(shù)據(jù)的獲得和分析，建立了MYSQL數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)，并使用C#.net語言開發(fā)了程序，可以完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出的功能。支持選擇時(shí)間范圍后，將數(shù)據(jù)按指定的時(shí)間間隔導(dǎo)出到文件中。

1.3 研究參數(shù)的確定

在干燥設(shè)備的操作過程中，含水量是干燥過程最重要的產(chǎn)品指標(biāo)，將作為目標(biāo)變量進(jìn)行分析。設(shè)備中各點(diǎn)的溫度往往存在波動(dòng)。而在干燥過程中，溫度及分布對(duì)于干燥過程有重要的影響，所以本論文中選擇了空氣流入流出溫度、干燥器內(nèi)的溫度分布為重要參數(shù)進(jìn)行研究。干燥工段主要參數(shù)示意圖如圖1所示。

根據(jù)化工的流程，可以選擇如下工位的參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究。加熱的空氣分為兩股流入干燥器的一床及二床中。使用T2224、T2225、T2226監(jiān)視一床一室中的溫度；使用T2234及T2235監(jiān)視一床二室中的溫度；使用T2228及T2229監(jiān)視二床中的溫度。使用T2249監(jiān)視干燥器的氣體出口溫度，使用T2232對(duì)于加濕器的溫度進(jìn)行監(jiān)視。

圖1 干燥工段主要參數(shù)示意圖

2 數(shù)據(jù)分析算法

2.1 基本統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)于指定時(shí)間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)采樣，對(duì)于每個(gè)工位參數(shù)進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算的內(nèi)容包括均值及方差[7]。

均值計(jì)算公式：

方差計(jì)算公式為：

通過繪制各點(diǎn)數(shù)值隨時(shí)間變化的曲線，初步得出各變量的變化情況及之間的關(guān)系。

2.2 變量的相關(guān)性分析

由于所有的工位及參數(shù)處于一個(gè)大的系統(tǒng)中，所以其中必定存在一些相關(guān)的關(guān)系。分析變量之間數(shù)值的關(guān)系，可以了解變量之間的相關(guān)性及關(guān)聯(lián)性，對(duì)于深入了解系統(tǒng)的特性及規(guī)律是十分重要的。

兩個(gè)變量相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下[8]：

式中：（,）—與的協(xié)方差；

[]—的方差；

[]為的方差。

相關(guān)系數(shù)為正說明變量之間為正相關(guān)，為負(fù)則說明變量之間為負(fù)相關(guān)。絕對(duì)值越大，說明兩變量之間的相關(guān)性越強(qiáng)。

2.3 基于時(shí)間差的相關(guān)性分析

化工過程中存在物料的流動(dòng)過程，所以會(huì)存在變量與變量先后變化的情況。通過時(shí)間序列的分析方式，可以得到基于時(shí)間差的變量之間關(guān)系。

本文中使用的方式是，將一個(gè)變量作為目標(biāo)變量，使用不同的時(shí)間間隔，計(jì)算其他變量與此變量之間的相關(guān)。能夠得到不同時(shí)間間隔下的相關(guān)性大小，就能夠初步分析出兩者之間在時(shí)間上的相關(guān)性，從而得到物料流過設(shè)備過程中的停留時(shí)間等重要信息。

可以看出，在D比較小時(shí)，系統(tǒng)可以較快地達(dá)到穩(wěn)定，但當(dāng)D超過某個(gè)值后，穩(wěn)定時(shí)間迅速上升，以致達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài)。由于微分控制參數(shù)表達(dá)的是數(shù)據(jù)變化速度對(duì)于控制量的影響，是一種預(yù)測(cè)的方式，但預(yù)測(cè)過量的情況下，就有可能不易達(dá)到穩(wěn)定調(diào)節(jié)。通過模擬D＝7時(shí)的控制曲線得出，當(dāng)D的值過大時(shí)，調(diào)節(jié)迅速，但會(huì)帶來調(diào)節(jié)的過沖，使控制值難于達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)的初步分析

取生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)中的20 h的數(shù)據(jù)為樣本，繪制出了重要參數(shù)的曲線，如圖2所示。并對(duì)溫度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

圖2 主要參數(shù)值隨時(shí)間的變化

從圖2中可以看出，入干燥器的氣體溫度平均較高，而在干燥器中的溫度則降低到了60 ℃及以下。從數(shù)據(jù)曲線的波動(dòng)來看，在生產(chǎn)過程中存在溫度的波動(dòng)，原因可能是蒸汽壓力的波動(dòng)、物料含水量的波動(dòng)、自動(dòng)控制引起的波動(dòng)及其他條件的變化等。

表1中的數(shù)據(jù)也說明了各點(diǎn)溫度變化的情況。通過分析可以看到，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一些參數(shù)還存在比較大的波動(dòng)。而且有一些波動(dòng)有一定的模式，可能以后通過數(shù)據(jù)分析的算法得到變量的變化規(guī)律及變量之間的關(guān)系。

表1 主要溫度點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3.2 參數(shù)相關(guān)性分析

通過相關(guān)性算法的計(jì)算，得到了各主要變量之間的關(guān)系描述，并繪制了相關(guān)性關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 各溫度點(diǎn)之間的相關(guān)系數(shù)

從圖3中可以看到，在流程上有明確前后關(guān)系的點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)比較高，如分別測(cè)量熱空氣兩個(gè)支管的T2227與T2230；距離較近的測(cè)量點(diǎn)也有較高的相關(guān)系數(shù)，如T2225與T2226；而距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)往往較低。而T2232是單獨(dú)的設(shè)備，與其他點(diǎn)的相關(guān)性均很小。根據(jù)變量之間關(guān)系的分析結(jié)果，就可以確定變量之間的關(guān)系。這些關(guān)系可能用于優(yōu)化測(cè)量點(diǎn)的布置，并對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，還可及時(shí)發(fā)現(xiàn)某些儀表的異?；蛏a(chǎn)過程的異常。

由于含水率是本設(shè)備的重要指標(biāo)，本文還對(duì)各溫度點(diǎn)與含水量的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了分析，繪制圖形如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品含水量與其他變量之間的相關(guān)性

圖4中與含水量正相關(guān)性最大的變量為T2249，從流程圖上看，T2249為干燥器頂經(jīng)旋風(fēng)分離器后的溫度。正相關(guān)說明當(dāng)此點(diǎn)溫度升高時(shí)，產(chǎn)品的含水量也相應(yīng)上升。從熱量衡算的角度分析，在入干燥器的空氣溫度及流量基本不變的情況下，如果出口溫度上升，則說明空氣可能未與顆粒充分換熱進(jìn)行干燥，造成產(chǎn)品中含水量的增加。

與含水量負(fù)相關(guān)性最大的變量為T2229，從流程圖上看，此點(diǎn)為干燥器二床中的下部溫度。負(fù)相關(guān)說明當(dāng)此點(diǎn)溫度升高時(shí)，產(chǎn)品的含水量將相應(yīng)下降。從流程分析，此點(diǎn)溫度較高，說明在二床中蒸發(fā)的水分較少，顆粒離開干燥器時(shí)的水分含量較低。而T2224與T2227等第一段中的溫度變量，與最終含水量的相關(guān)性較低，這并不說明這些點(diǎn)的溫度對(duì)于干燥效果不重要，原因可能是顆粒經(jīng)過一床，需經(jīng)過二床后才形成產(chǎn)品，而計(jì)算中使用的是相同時(shí)間下的數(shù)據(jù)，所以這些變量與最終含水量的直接關(guān)聯(lián)相對(duì)較小。

從上面分析能看出，通過分析變量之間的相關(guān)性，可以得到變量之間正相關(guān)或負(fù)相關(guān)的關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，可以使用相關(guān)密切的點(diǎn)對(duì)過程進(jìn)行更多的監(jiān)控。而且也有可能應(yīng)用相對(duì)較靈敏準(zhǔn)確的溫度測(cè)量?jī)x表補(bǔ)充較不敏感的含水量測(cè)量?jī)x表。

3.3 基于時(shí)間差的參數(shù)相關(guān)性分析

通過對(duì)于參數(shù)之間時(shí)間上相關(guān)性的分析，可以得出各變量之間變化的先后次序及時(shí)間間隔，可能計(jì)算出物料在設(shè)備中的停留時(shí)間等參數(shù)。T2225與T2235的時(shí)間相關(guān)性如圖5所示，T2224與TI2228的時(shí)間相關(guān)性如圖6所示。

由圖5可知，其中d為T2225向后平移的時(shí)間差。T2225與T2235分別為一床一室內(nèi)的溫度及一床二室內(nèi)的溫度，分析這兩者的時(shí)間相關(guān)性，可以分析出物料由第一室流動(dòng)到第二室所需要的時(shí)間。從圖5中可以看出，兩個(gè)變量之間在25 s左右有一個(gè)最高的相關(guān)性，說明T2225點(diǎn)的溫度波動(dòng)情況與25 s后的T2235點(diǎn)溫度的相關(guān)性較強(qiáng)。這可以說明物料從第一段的測(cè)溫點(diǎn)流動(dòng)到第二段的測(cè)溫點(diǎn)需要約25 s的時(shí)間。

圖5 T2225與T2235的時(shí)間相關(guān)性

圖6 T2224與TI2228的時(shí)間相關(guān)性

由圖6可知，T2224與T2228分別為一床干燥器一室內(nèi)的溫度及二床干燥器內(nèi)的溫度，分析這兩者的時(shí)間相關(guān)性，能夠分析出物料由一床一室流動(dòng)到二床所需要的時(shí)間。從圖6中可以看出，兩個(gè)變量之間在70 s左右有一個(gè)最高的相關(guān)性，可以說明物料流經(jīng)這段的時(shí)間需要大約70 s的時(shí)間。

4 結(jié) 論

1）使用數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各參數(shù)存在著一定的波動(dòng)。

2）通過參數(shù)相關(guān)性分析，分析了各主要點(diǎn)溫度及產(chǎn)品含水量之間的相關(guān)性。相關(guān)性揭示了各變量之間變化的關(guān)系與流程之間的關(guān)系。

3）應(yīng)用基于時(shí)間差的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，得到了物料在干燥器內(nèi)流動(dòng)的時(shí)延參數(shù)等。

應(yīng)用數(shù)據(jù)分析算法，探索了運(yùn)行數(shù)據(jù)與流程之間的關(guān)系，能夠?qū)ぴO(shè)備的建模、仿真、控制、優(yōu)化等提供支持。下一步的工作中計(jì)劃應(yīng)用更多的算法對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施深入分析，并結(jié)合分析的結(jié)果推進(jìn)化工設(shè)備的分析和研究。

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Application of Data Correlation Analysis in Dryer Research

,,,*

（School of Chemical Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China）

A fluidized bed dryer was used to dry the solid particles, and the monitoring data during the operation of the dryer were obtained from the actual production process. These data were usedas samples for data analysis. Using basic statistical methods and correlation analysis, the relationship between the variables was analyzed. The correlation analysis algorithm with time difference was applied to analyze the time interval of the change between variables.

Fluidized bed dryer; Data analysis; Correlation analysis

2021-06-10

鄧久寧（1997-），男，遼寧省盤錦市人，碩士研究生，研究方向：化工數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)在化工中應(yīng)用。

孫懷宇（1972-），男，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向：化工產(chǎn)品過程工程技術(shù)。

TQ015.9

A

1004-0935（2021）12-1900-04