化工进展 ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (2): 688-697.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2024-0244
收稿日期:
2024-02-01
修回日期:
2024-03-25
出版日期:
2025-02-25
发布日期:
2025-03-10
通讯作者:
潘艳秋
作者简介:
孙悦鹏(1998—),男,硕士研究生,研究方向为化工过程建模与优化。E-mail:ypsun98@163.com。
SUN Yuepeng1(), SUN Yanji2, PAN Yanqiu1(
), WANG Chengyu1
Received:
2024-02-01
Revised:
2024-03-25
Online:
2025-02-25
Published:
2025-03-10
Contact:
PAN Yanqiu
摘要:
低温甲醇洗工艺作为我国煤化工生产中较为成熟的净化工艺,对其进行建模研究有利于工厂智能化建设与发展。本文基于某石化企业低温甲醇洗装置智能化建设的需要,建立了实时数据预处理规则,并基于贝叶斯优化(BO)的长短时记忆(LSTM)神经网络建立净化气CO2含量预测模型。结果表明,通过人工筛选及校正和最大信息系数(MIC)方法对装置的实时数据预处理后,可将采集的实时数据变量数由84个降低到22个,降低了数据冗余度;运用BO算法对LSTM模型的6个超参数进行调优,根据优化后的超参数组合建立BO-LSTM预测模型,得到BO-LSTM预测模型的评价指标均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、回归系数(R2)分别为0.0395、0.0275、0.9843,相比于传统的反向传播(BP)与LSTM模型精度更高、回归效果更好,证明了该模型在低温甲醇洗净化气组成预测运用中的可行性与准确性,能够为净化气产品的生产优化做指导。基于低温甲醇洗净化气CO2含量预测模型的产品优化建模方法可为相关工艺数字化和智能化建设提供思路。
中图分类号:
孙悦鹏, 孙延吉, 潘艳秋, 王成宇. 基于BO-LSTM的低温甲醇洗净化气CO2含量预测[J]. 化工进展, 2025, 44(2): 688-697.
SUN Yuepeng, SUN Yanji, PAN Yanqiu, WANG Chengyu. Prediction of CO2 content in Rectisol purified gas based on BO-LSTM[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2025, 44(2): 688-697.
时间 | FIA1001 /m3·h-1 | TIA1001 /℃ | PI1002 /MPa | TI1008 /℃ | … | AIA1006 /% |
---|---|---|---|---|---|---|
11/16/8:00 | 343.332 | 26.691 | 5.323 | -17.368 | … | 3.275 |
11/16/7:59 | 340.978 | 26.553 | 5.322 | -17.423 | … | 3.278 |
11/16/7:58 | 341.077 | 26.722 | 5.323 | -17.395 | … | 3.274 |
… | ||||||
10/16/8:02 | 367.376 | 27.265 | 5.365 | -17.726 | … | 3.334 |
10/16/8:01 | 368.837 | 27.490 | 5.364 | -17.561 | … | 3.327 |
10/16/8:00 | 364.665 | 27.425 | 5.364 | -17.539 | … | 3.295 |
表1 低温甲醇洗装置实时数据采集表
时间 | FIA1001 /m3·h-1 | TIA1001 /℃ | PI1002 /MPa | TI1008 /℃ | … | AIA1006 /% |
---|---|---|---|---|---|---|
11/16/8:00 | 343.332 | 26.691 | 5.323 | -17.368 | … | 3.275 |
11/16/7:59 | 340.978 | 26.553 | 5.322 | -17.423 | … | 3.278 |
11/16/7:58 | 341.077 | 26.722 | 5.323 | -17.395 | … | 3.274 |
… | ||||||
10/16/8:02 | 367.376 | 27.265 | 5.365 | -17.726 | … | 3.334 |
10/16/8:01 | 368.837 | 27.490 | 5.364 | -17.561 | … | 3.327 |
10/16/8:00 | 364.665 | 27.425 | 5.364 | -17.539 | … | 3.295 |
变量序号 | MIC数值 |
---|---|
1 | 0.1776 |
2 | 0.1965 |
3 | 0.1575 |
4 | 0.2387 |
5 | 0.2136 |
71 | 0.1831 |
表2 输入变量与输出变量相关性分析结果示例
变量序号 | MIC数值 |
---|---|
1 | 0.1776 |
2 | 0.1965 |
3 | 0.1575 |
4 | 0.2387 |
5 | 0.2136 |
71 | 0.1831 |
序号 | 位号 | 含义 |
---|---|---|
1 | PI1002 | 原料气压力 |
2 | TI1003 | 原料气进入水分离器温度 |
3 | TI1072 | 尾气洗涤塔塔顶出口物料温度 |
4 | TIA1099 | 尾气洗涤塔塔底进料温度 |
5 | FICA1005 | 甲醇洗涤塔中段回流流量 |
6 | TI1010 | 甲醇洗涤塔中段回流温度 |
7 | TI1013 | H2S浓缩塔中段物料压缩后温度 |
8 | TIA1006 | 甲醇洗涤塔塔顶出口物料温度 |
9 | TIA1015 | 甲醇洗涤塔塔顶甲醇进料温度 |
10 | FICA1051 | CO2产品塔塔顶溶液进料流量 |
11 | TI1033 | 循环甲醇中段换热器出口温度 |
12 | TI1036 | H2S浓缩塔塔底换热器出口温度 |
13 | TI1037 | 贫甲醇泵出口换热器温度 |
14 | TI1041 | CO2汽提塔塔顶出口物料温度 |
15 | TI1094 | H2S浓缩塔塔顶富甲醇进料温度 |
16 | TIA1031 | H2S浓缩塔中段物料采出温度 |
17 | TIA1076 | 贫甲醇泵进料温度 |
18 | TIA1106 | CO2产品塔塔顶出口物料温度 |
19 | FIA1038 | 克劳斯气流量 |
20 | TIA1051 | 热再生塔底再沸器回流温度 |
21 | TIA1059 | 克劳斯气温度 |
表3 输入变量位号及含义
序号 | 位号 | 含义 |
---|---|---|
1 | PI1002 | 原料气压力 |
2 | TI1003 | 原料气进入水分离器温度 |
3 | TI1072 | 尾气洗涤塔塔顶出口物料温度 |
4 | TIA1099 | 尾气洗涤塔塔底进料温度 |
5 | FICA1005 | 甲醇洗涤塔中段回流流量 |
6 | TI1010 | 甲醇洗涤塔中段回流温度 |
7 | TI1013 | H2S浓缩塔中段物料压缩后温度 |
8 | TIA1006 | 甲醇洗涤塔塔顶出口物料温度 |
9 | TIA1015 | 甲醇洗涤塔塔顶甲醇进料温度 |
10 | FICA1051 | CO2产品塔塔顶溶液进料流量 |
11 | TI1033 | 循环甲醇中段换热器出口温度 |
12 | TI1036 | H2S浓缩塔塔底换热器出口温度 |
13 | TI1037 | 贫甲醇泵出口换热器温度 |
14 | TI1041 | CO2汽提塔塔顶出口物料温度 |
15 | TI1094 | H2S浓缩塔塔顶富甲醇进料温度 |
16 | TIA1031 | H2S浓缩塔中段物料采出温度 |
17 | TIA1076 | 贫甲醇泵进料温度 |
18 | TIA1106 | CO2产品塔塔顶出口物料温度 |
19 | FIA1038 | 克劳斯气流量 |
20 | TIA1051 | 热再生塔底再沸器回流温度 |
21 | TIA1059 | 克劳斯气温度 |
超参数 | 取值范围 | 优化结果 |
---|---|---|
LSTM层1神经元个数 | [40,100] | 84 |
LSTM层2神经元个数 | [ | 21 |
Dropout层1丢弃概率 | [0.1,0.5] | 0.4262 |
Dropout层2丢弃概率 | [0.1,0.5] | 0.1520 |
初始学习率 | [0.001,0.1] | 0.0564 |
批次大小 | [ | 38 |
表4 预测模型超参数选取范围与优化结果
超参数 | 取值范围 | 优化结果 |
---|---|---|
LSTM层1神经元个数 | [40,100] | 84 |
LSTM层2神经元个数 | [ | 21 |
Dropout层1丢弃概率 | [0.1,0.5] | 0.4262 |
Dropout层2丢弃概率 | [0.1,0.5] | 0.1520 |
初始学习率 | [0.001,0.1] | 0.0564 |
批次大小 | [ | 38 |
超参数 | 模型1 | 模型2 | 模型3 | 模型4 | 模型5 |
---|---|---|---|---|---|
LSTM层1神经元个数 | 54 | 68 | 97 | 92 | 74 |
LSTM层2神经元个数 | 46 | 39 | 20 | 18 | 53 |
Dropout层1丢弃概率 | 0.1043 | 0.4660 | 0.1222 | 0.3935 | 0.4971 |
Dropout层2丢弃概率 | 0.1279 | 0.4137 | 0.2510 | 0.2021 | 0.3734 |
初始学习率 | 0.0013 | 0.0195 | 0.0208 | 0.0596 | 0.0846 |
批次大小 | 25 | 11 | 14 | 27 | 49 |
表5 神经网络样本模型超参数组合
超参数 | 模型1 | 模型2 | 模型3 | 模型4 | 模型5 |
---|---|---|---|---|---|
LSTM层1神经元个数 | 54 | 68 | 97 | 92 | 74 |
LSTM层2神经元个数 | 46 | 39 | 20 | 18 | 53 |
Dropout层1丢弃概率 | 0.1043 | 0.4660 | 0.1222 | 0.3935 | 0.4971 |
Dropout层2丢弃概率 | 0.1279 | 0.4137 | 0.2510 | 0.2021 | 0.3734 |
初始学习率 | 0.0013 | 0.0195 | 0.0208 | 0.0596 | 0.0846 |
批次大小 | 25 | 11 | 14 | 27 | 49 |
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