基于多變量灰色模型的吸附法油氣回收裝置性能預(yù)測方法研究

胡明剛

（青島諾誠化學(xué)品安全科技有限公司，山東青島 266000）

吸附法油氣回收技術(shù)作為成品油庫油氣治理的主流工藝，隨著國家環(huán)保形勢日益嚴(yán)峻，如何確保環(huán)保裝置的長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行成為研究重點(diǎn)。吸附法油氣回收技術(shù)所用活性炭性能是決定排放的直接因素，如何利用預(yù)測方法對(duì)活性炭的性能進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，從而判斷活性炭是否達(dá)到使用壽命，為用戶判斷活性炭是否更換提供依據(jù)，確保油氣回收裝置滿足國家環(huán)保的排放要求。

1 預(yù)測模型機(jī)理

灰色預(yù)測模型的公式表示方式為GM（x，y）[1]，其中x代表預(yù)測模型計(jì)算中采用的階次，y則代表預(yù)測中模型引用的變量數(shù)量。在工程應(yīng)用中最常用的預(yù)測模型為應(yīng)用在簡單工況場合的一階的單變量預(yù)測模型GM（1，1）以及應(yīng)用在復(fù)雜工況場合的一階多變量灰色預(yù)測模型 GM（1，y）。系統(tǒng)某一個(gè)變量的獨(dú)立變化是不存在的，利用GM（1，1）模型對(duì)單個(gè)變量進(jìn)行預(yù)測，變量間潛在的關(guān)聯(lián)規(guī)律容易被忽略，降低了灰色模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。多變量灰色預(yù)測模型GM（1，n）是從系統(tǒng)多個(gè)變量統(tǒng)一規(guī)律出發(fā)，對(duì)變量間的潛在規(guī)律進(jìn)行充分挖掘，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確度也相對(duì)提高。多變量灰色預(yù)測模型GM（1，y）與單變量灰色模型有著本質(zhì)的區(qū)別，多變量灰色預(yù)測模型GM（1，y）可以將同一系統(tǒng)中看似無明確定量關(guān)系y個(gè)變量在同一個(gè)預(yù)測模型中同時(shí)進(jìn)行批量處理，并將y個(gè)變量的關(guān)系式轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｎ⒎址匠獭?/p>

系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測之前，需要將系統(tǒng)機(jī)理分析判斷，篩選系統(tǒng)中的需要預(yù)測的關(guān)鍵變量，并根據(jù)已掌握的知識(shí)與信息判斷系統(tǒng)的其他變量與關(guān)鍵變量之間的相互關(guān)聯(lián)度程度。將關(guān)鍵變量和與其關(guān)聯(lián)度高的多個(gè)變量作為數(shù)據(jù)集，整理數(shù)據(jù)集內(nèi)各個(gè)變量相同特定歷史區(qū)間的真實(shí)數(shù)值，并依據(jù)變量數(shù)值收集的時(shí)間順序進(jìn)行排列整理，得到變量的數(shù)據(jù)矩陣X（0）。

數(shù)據(jù)首先進(jìn)行光滑度和準(zhǔn)灰指數(shù)規(guī)律的檢驗(yàn)，將數(shù)據(jù)矩陣序列X（0）進(jìn)行一次累加計(jì)算，得到數(shù)據(jù)矩陣X（1）。

考慮到n組變量之間的相互關(guān)聯(lián)和相互影響的因素，建立n元一階常微分方程組，如（5）所示：

其中，

其中，

用最小二乘法進(jìn)行估值，求參數(shù)A，B

由上述公式可以得到灰色多變量模型的預(yù)測公式如下所示：

將式（1-7）做累減還原，

當(dāng)k＜m時(shí)，為模擬值，當(dāng)k=m時(shí)，為濾液值，當(dāng)k＞m時(shí)，為預(yù)測值。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 關(guān)鍵變量的選取

本文選用多變量灰色模型對(duì)吸附吸收法油氣回收裝置的吸附性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)測并對(duì)預(yù)測精度進(jìn)行檢驗(yàn)，篩選可以反映裝置吸附性能的變量。本文選擇中國石化南方某成品油庫吸附法油氣回收裝置作為驗(yàn)證裝置，對(duì)裝置的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了長期的取樣分析。表1為活性炭溫升、排放濃度與活性炭四氯化碳值的數(shù)據(jù)分析表。

表1 活性炭溫升、排放濃度及活性炭的四氯化碳值對(duì)照表

從表1可以看出，活性炭床層溫升、排放濃度與活性炭四氯化碳的變化趨勢一致，因此活性炭性能的衰減可以通過活性炭床層溫升與油氣的排放濃度進(jìn)行間接表征。床層溫升與排放濃度作為吸附性能高度關(guān)聯(lián)變量，選擇床層溫升T、排放濃度A作為油氣回收裝置的性能變量。為將兩個(gè)具備高度關(guān)聯(lián)度的變量之間隱藏的聯(lián)系規(guī)律進(jìn)行更為充分的發(fā)掘，故采用以T、A為雙變量的一階灰色預(yù)測模型GM（1，2）進(jìn)行發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測模型選用的數(shù)據(jù)集數(shù)量為9組，數(shù)據(jù)集內(nèi)的歷史參數(shù)隨時(shí)間進(jìn)行滾動(dòng)更新迭代，始終保證灰色預(yù)測模型每次預(yù)測依據(jù)的實(shí)時(shí)性。

2.2 數(shù)據(jù)收集

本文選擇中國石化南方某油庫的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為應(yīng)用案例，將油庫吸附吸收裝置的PLC控制系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，將服務(wù)器中的床層溫升T、床層出口濃度A的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理。雖然預(yù)測模型的預(yù)測精度與分析的樣本數(shù)據(jù)數(shù)量有很大關(guān)聯(lián)性影響，單個(gè)變量歷史數(shù)目過多或過少都會(huì)導(dǎo)致模型求解難度的極大增強(qiáng)，會(huì)弱化系統(tǒng)中潛在的故障因素引起數(shù)據(jù)變化趨勢失真。本文將當(dāng)天全天采集的溫升與濃度參數(shù)取平均值，以后每4個(gè)月進(jìn)行一次時(shí)間數(shù)據(jù)采集，共采集了9組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)見表2。

表2 活性炭溫升、排放濃度及活性炭

2.3 預(yù)測案例

本案例將采集的有效數(shù)據(jù)引入灰色模型的數(shù)據(jù)集中進(jìn)行預(yù)測分析，得到變量的預(yù)測值。利用T和A的有效樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建擁有進(jìn)2個(gè)變量灰色預(yù)測模型，得到兩變量灰色模型的方程系數(shù)：

將系數(shù)帶入灰色模型，得到兩變量灰色模型的預(yù)測公式如下：

利用灰色模型進(jìn)行預(yù)測，并得到灰色模型的預(yù)測數(shù)據(jù)。預(yù)測結(jié)果見圖1、圖2所示。

圖1 活性炭床層溫升T的預(yù)測結(jié)果

圖2 吸附床層出口濃度預(yù)測結(jié)果

分別對(duì)床層吸附溫升T、吸附床層出口濃度A的未來3a進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 活性炭溫升T、出口濃度A預(yù)測值

多變量灰色模型對(duì)油氣回收裝置的活性炭溫升及再生時(shí)間趨勢進(jìn)行定量預(yù)測，將此作為裝置吸附性能的診斷參數(shù)，并將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際的檢測結(jié)果進(jìn)行了誤差檢測，發(fā)現(xiàn)模型的預(yù)測精度達(dá)到二級(jí)預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)，滿足工程應(yīng)用的要求。利用此模型預(yù)測出裝置未來3a內(nèi)的運(yùn)行趨勢，預(yù)測結(jié)果顯示在第20個(gè)月出現(xiàn)床層吸附溫升約12℃，床層排放濃度值接近臨界值，已經(jīng)潛在排放超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，需開展活性炭更換準(zhǔn)備工作。

3 結(jié)論

主要開展了多變量灰色模型在吸附法油氣回收裝置性能預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究。多變量灰色預(yù)測模型可以通過對(duì)性能參數(shù)（活性炭吸附溫升、裝置排放濃度）初期數(shù)據(jù)的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，并將其變化趨勢在預(yù)測時(shí)間段內(nèi)展現(xiàn)的更為充分。通過后期的數(shù)據(jù)對(duì)比，證明此方法有較高的數(shù)據(jù)預(yù)測精度，并將該方法在吸附法油氣回收的活性炭更換中進(jìn)行了預(yù)測應(yīng)用。通過此方法的應(yīng)用，可以快速掌握活性炭的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為活性炭是否需要更換提供快速的決策依據(jù)，有效提高了企業(yè)在生產(chǎn)過程中的主動(dòng)性，降低了環(huán)保超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。