應(yīng)用經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)催化裂化裝置焦炭產(chǎn)率

蘇鑫，裴華健，吳迎亞，高金森，藍(lán)興英（中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

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應(yīng)用經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)催化裂化裝置焦炭產(chǎn)率

蘇鑫，裴華健，吳迎亞，高金森，藍(lán)興英
（中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

摘要：焦炭是催化裂化裝置的主要副產(chǎn)物，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)催化裂化焦炭產(chǎn)率對(duì)提高裝置的操作平穩(wěn)度和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，在非線性預(yù)測(cè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本研究將遺傳算法（GA）與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，基于某煉廠催化裂化裝置的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分別從原料、催化劑和操作條件3個(gè)方面選取28個(gè)關(guān)鍵影響參數(shù)建立了催化裂化焦炭產(chǎn)率預(yù)測(cè)模型，分別將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GA-BP）的預(yù)測(cè)結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的預(yù)測(cè)模型無論在預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性還是穩(wěn)定性方面效果更好。最后，本研究還通過考察原料殘?zhí)?、反?yīng)溫度等單一關(guān)鍵參數(shù)對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響，進(jìn)一步證明了經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：催化裂化；焦炭產(chǎn)率；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；遺傳算法

第一作者：蘇鑫（1989—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：藍(lán)興英，博士，教授。E-mail lanxy@cup.edu.cn。

催化裂化（FCC）是重質(zhì)油輕質(zhì)化的重要手段之一，可以通過將重質(zhì)原料最大程度地轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油和高質(zhì)量產(chǎn)品來提高煉油行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國70%的商品汽油和30%的商品柴油均來自于催化裂化裝置[1]。由于我國原油普遍偏重，目前絕大多數(shù)催化裂化裝置均為重油催化裂化（RFCC），其中95%以上的裝置摻煉渣油[2]。催化裂化是指蠟油和重質(zhì)原料油在催化劑和適宜的溫度和壓力的作用下轉(zhuǎn)化為干氣、液化氣、汽油、柴油和焦炭等。隨著原油重質(zhì)化劣質(zhì)化程度的不斷加劇，催化裂化裝置的焦炭產(chǎn)率不斷增加，嚴(yán)重影響了裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。催化裂化焦炭是原料發(fā)生縮合反應(yīng)的產(chǎn)物，焦炭產(chǎn)率增加不但通過催化裂化反應(yīng)的碳平衡使汽油、柴油等輕質(zhì)油品產(chǎn)率降低，而且生成的焦炭沉積在催化劑表面也降低了催化劑的活性使反應(yīng)深度降低輕質(zhì)油品的收率下降[3]。另外，催化裂化裝置的焦炭產(chǎn)率也決定了裝置的熱平衡[4]，如果裝置焦炭產(chǎn)率波動(dòng)較大會(huì)嚴(yán)重影響裝置的熱平衡，增加操作復(fù)雜性，焦炭產(chǎn)率過大還會(huì)增加再生器的負(fù)荷。因此，將催化裂化裝置焦炭產(chǎn)率控制在較低的小范圍內(nèi)波動(dòng)對(duì)于裝置的生產(chǎn)操作和提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用，而其前提是能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)裝置當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的焦炭產(chǎn)率。焦炭產(chǎn)率不但與原料的反應(yīng)情況相關(guān)而且與催化劑的再生過程關(guān)系密切。催化裂化裝置工藝復(fù)雜，連續(xù)程度高，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜[5]，其反應(yīng)過程受原料性質(zhì)、催化劑性質(zhì)以及操作條件相互影響，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來描述催化裂化的整個(gè)反應(yīng)過程有一定的難度[6]。近年來，基于數(shù)據(jù)分析的數(shù)學(xué)建模方法已經(jīng)成為一個(gè)新的努力方向。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）是一種可以模擬人類大腦的結(jié)構(gòu)和功能的智能算法，具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力以及分布并行處理能力，可以進(jìn)行多變量影響程度分析和非線性預(yù)測(cè)分析，近年來得到越來越廣泛的應(yīng)用[7-9]。目前，應(yīng)用相對(duì)成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]、GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF網(wǎng)絡(luò)[11]等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①理論上能夠逼近任意非線性映射；②善于處理多輸入輸出問題；③能夠進(jìn)行并行分布式處理；④自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)性強(qiáng)；⑤可同時(shí)處理多種定性和定量的數(shù)據(jù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)最主要的特點(diǎn)就是信號(hào)向前傳遞，誤差向后傳遞。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)從n維空間到m維空間的高度非線性映射關(guān)系，應(yīng)用非常廣泛[12]。但BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身也存在一定的缺陷，其主要體現(xiàn)在開始訓(xùn)練樣本階段，初始權(quán)值和閾值都是隨機(jī)生成的，其不確定性會(huì)影響到模型的映射效果，即預(yù)測(cè)精度。遺傳算法（genetic algorithm，GA）是一種并行隨機(jī)搜索最優(yōu)化方法，具有全局尋優(yōu)的特點(diǎn)，容易得到全局最優(yōu)解[13]。如果能將遺傳算法得到的結(jié)果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最佳初始權(quán)值和閾值再開始訓(xùn)練，就可以有效地改善BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。本研究通過經(jīng)GA優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)催化裂化裝置焦炭產(chǎn)率的模型，以某煉廠催化裂化裝置為研究對(duì)象，對(duì)其焦炭產(chǎn)率進(jìn)行預(yù)測(cè)并與工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1 焦炭產(chǎn)率預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理

本研究以某煉廠催化裂化反應(yīng)-再生系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)采集了2013年3月至2015年4月間約500個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)，總共約7000萬組數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)作為本文作者課題研究的初始數(shù)據(jù)庫。催化裂化典型的反應(yīng)-再生系統(tǒng)工藝流程，如圖1所示[3]，通過對(duì)反應(yīng)-再生系統(tǒng)工藝流程以及催化裂化焦炭的類型和形成途徑的了解，按照催化裂化焦炭的生成和燒焦過程，從工藝角度考慮，并結(jié)合所采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量、頻次和特點(diǎn)等，分別針對(duì)原料、催化劑以及操作條件三大類參數(shù)，篩選出影響焦炭產(chǎn)率的關(guān)鍵參數(shù)，最終得到28個(gè)關(guān)鍵性影響參數(shù)，如表1所示。

圖1 催化裂化反應(yīng)-再生系統(tǒng)工藝流程圖

由于某些客觀原因，比如裝置測(cè)量儀表損壞、數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸過程中失真等因素，所采集到的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)異常情況，其表現(xiàn)為部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)突變、數(shù)據(jù)為0或負(fù)值等。對(duì)于這些異常數(shù)據(jù)，本研究根據(jù)對(duì)催化裂化各類工藝參數(shù)的理解，對(duì)這些異常值進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理原則遵循以下幾點(diǎn)：①保證所選時(shí)間段的所有參數(shù)都有值；②剔除或使用臨近數(shù)據(jù)的平均值替代異常數(shù)據(jù)；③利用萊特準(zhǔn)則剔除部分偏離均值較大的數(shù)據(jù)；④統(tǒng)一各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間。

表1 影響焦炭產(chǎn)率的關(guān)鍵性參數(shù)

通過分析數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，最后決定將數(shù)據(jù)的采集時(shí)間統(tǒng)一為60min，即將采集頻率小于60min的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，將采集頻率大于60min的參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)大化處理。按照以上思路選取現(xiàn)場(chǎng)裝置約兩個(gè)月的時(shí)間作為研究對(duì)象，對(duì)表1中X1～X28以及焦炭產(chǎn)率（Y1）進(jìn)行預(yù)處理得到1295組數(shù)據(jù)如表2所示。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

1.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]是一種多層前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是信號(hào)向前傳遞，誤差向后傳遞。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層，隱含層和輸出層三層結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常將S形函數(shù)（Log-Sigmoid或Tan-Sigmoid）作為傳遞函數(shù)。所謂的反向傳播學(xué)習(xí)算法就是輸入信息從輸入層經(jīng)過隱含層最后傳至輸出層。如果輸出誤差較大，那么就將誤差信號(hào)沿著原來的途徑返回進(jìn)行反向?qū)W習(xí)，在返回過程中通過修改各神經(jīng)元之間的連接權(quán)值和閾值，得到新的輸出誤差，直到誤差信號(hào)最小。

表2 預(yù)處理之后的影響催化裂化焦炭產(chǎn)率部分?jǐn)?shù)據(jù)

如圖2所示，輸入值為X1，X2，??，Xn，輸出值為Y1，Y2，??，Ym，連接權(quán)值為ωij和ωjk。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中看出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)非線性函數(shù)，將輸入值映射到輸出值。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

將預(yù)處理之后的1295組所有的數(shù)據(jù)參照式(1)進(jìn)行歸一化處理，使其分布在0～1之間。

式中，Xnorm為歸一化后的值，X為實(shí)際輸入值，Xmax和Xmin為實(shí)際輸入值中的最大值和最小值。

將歸一化處理之后的數(shù)據(jù)分成訓(xùn)練組和預(yù)測(cè)組，再利用Matlab中的newff函數(shù)創(chuàng)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后將利用新構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行反歸一化，得到最終結(jié)果。

本研究采用輸入層、輸出層和隱含層各一層的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。歸一化后將28個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)作為輸入層，焦炭產(chǎn)率作為輸出層，因此輸入層和輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)分別為28和1。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選擇參考式(2)[4]。

式中，m為輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

由式(2)可知，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)在6～16之間，利用newff函數(shù)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。選取其中的647組數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到預(yù)測(cè)模型，剩余的648組數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)樣本驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

1.3 遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

遺傳算法是一種并行隨機(jī)搜索最優(yōu)化方法，可以在全局范圍內(nèi)進(jìn)行尋優(yōu)。它模擬“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的自然界進(jìn)化原理，按照所定義的適應(yīng)度函數(shù)對(duì)個(gè)體進(jìn)行反復(fù)篩選，反復(fù)循環(huán)，直到滿足條件。如果能將遺傳算法尋優(yōu)得到的最優(yōu)初始權(quán)值和閾值賦予BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并開始訓(xùn)練，就可改善BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[15-16]，其優(yōu)化過程如下：① 編碼權(quán)值或閾值并隨機(jī)產(chǎn)生一組各神經(jīng)元之間的連接權(quán)值或閾值；②輸入訓(xùn)練樣本，算出它的誤差，并定義絕對(duì)誤差之和為適應(yīng)度函數(shù)，若誤差越小，則適應(yīng)度越小，反之適應(yīng)度就大，以此為標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)連接權(quán)值或閾值的優(yōu)劣性；③從步驟②中篩選出絕對(duì)誤差之和較小的個(gè)體，直接將其遺傳給下一代；④通過交叉、變異等操作進(jìn)化當(dāng)前群體，產(chǎn)生下一代群體；⑤重復(fù)步驟②～④，這樣神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值或閾值得到不斷更新，直到足夠多進(jìn)化代數(shù)的適應(yīng)度保持不變。

2 結(jié)果與討論

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析

將預(yù)測(cè)樣本數(shù)據(jù)代入所得的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型中，計(jì)算得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的焦炭產(chǎn)率，并根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差，然后在相同條件下進(jìn)行20次的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)，并計(jì)算不同隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)下20次預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差的平均值，如圖3所示，分別比較不同數(shù)量隱含層節(jié)點(diǎn)20次預(yù)測(cè)結(jié)果平均相對(duì)誤差的平均值。

由圖3可看出，當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為12時(shí)平均相對(duì)誤差最小，因此，認(rèn)為最佳隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為12，故BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為28-12-1型，本研究的后續(xù)工作均是基于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行討論分析的。

圖3 不同數(shù)量隱含層節(jié)點(diǎn)焦炭產(chǎn)率預(yù)測(cè)值的平均相對(duì)誤差

本研究使用完全相同的訓(xùn)練和驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫，并保持BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)不變，多次訓(xùn)練和驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)結(jié)果存在一定差異，選取兩次訓(xùn)練結(jié)果并根據(jù)式(3)和式(4)分別計(jì)算平均相對(duì)誤差，其結(jié)果分別為3.43%和4.33%。圖4表示了這兩次同等條件下訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果誤差。從圖4中可以看出，兩次訓(xùn)練結(jié)果存在差異，而且最大誤差將近25%，說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果不穩(wěn)定，這主要是由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是隨機(jī)選取初始權(quán)值和閾值，這種隨機(jī)性會(huì)造成訓(xùn)練模型準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都大幅降低[17]。

圖4 兩次訓(xùn)練得到的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果誤差示意圖

2.2 經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析

針對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)選取初始權(quán)值和閾值的缺陷，本研究采用遺傳算法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳的初始權(quán)值和閾值，將一定的初始權(quán)值和閾值賦予BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以消除其結(jié)果的隨機(jī)性，提高模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[18]。本研究利用遺傳算法進(jìn)化1000代，得到最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度變化曲線圖，如圖5所示。由圖5可知，最終得到的最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度為31.697，對(duì)應(yīng)的進(jìn)化代數(shù)為558，之后442代適應(yīng)度不再發(fā)生變化，因此，可以判定此時(shí)已達(dá)到個(gè)體最優(yōu)適應(yīng)度。將該尋優(yōu)結(jié)果得到的初始權(quán)值和閾值賦予BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型訓(xùn)練，其多次訓(xùn)練得到模型的預(yù)測(cè)結(jié)果完全一致。

圖5 遺傳算法個(gè)體適應(yīng)度尋優(yōu)曲線

利用經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的預(yù)測(cè)模型（GA-BP）對(duì)催化裂化的焦炭產(chǎn)率進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

由圖6可以看出，經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)值總體趨勢(shì)與工業(yè)數(shù)據(jù)吻合較好，基本上沒有出現(xiàn)偏差較大的預(yù)測(cè)值。由式(3)計(jì)算得到預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差，如圖7所示。

圖6 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的焦炭產(chǎn)率與工業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的焦炭產(chǎn)率相對(duì)誤差

由圖7可以看出，利用經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型得到的焦炭產(chǎn)率的相對(duì)誤差大于10%的點(diǎn)僅20個(gè)左右，僅占總預(yù)測(cè)樣本數(shù)的3.1%，而且絕大多數(shù)預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差都在5%以下，表明該預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)效果非常好，能夠準(zhǔn)確地對(duì)焦炭產(chǎn)率進(jìn)行預(yù)測(cè)。由式(4)和式(5)計(jì)算平均相對(duì)誤差和均方誤差，其結(jié)果分別為2.94%和0.111。因此，無論是從預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性還是預(yù)測(cè)穩(wěn)定性上來看，經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型能起到良好的預(yù)測(cè)效果。

式中，MSE為均方誤差；Xi為實(shí)際值；Yi為預(yù)測(cè)值；n為樣本數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GA-BP）和未經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）預(yù)測(cè)結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8。從圖8中可以看出，兩種預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果整體趨勢(shì)上與工業(yè)數(shù)據(jù)相符。為方便對(duì)比分析，將圖8中某段時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，取圖中390～430h的數(shù)據(jù)放大后如圖9所示。從圖9中可以看出，雖然兩種預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果在整體趨勢(shì)上與工業(yè)數(shù)據(jù)基本相符，但經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比未經(jīng)優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)值更接近工業(yè)數(shù)據(jù)，這主要是遺傳算法可以賦予BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最佳的初始權(quán)值和閾值，這樣便提高了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。因此，遺傳算法不但可以提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性還可以提高其準(zhǔn)確性。

2.3 經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型驗(yàn)證

基于上述研究，為進(jìn)一步驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性，本研究應(yīng)用GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型考察催化裂化裝置中的某單一關(guān)鍵性影響參數(shù)對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響，其基本思路為：使用標(biāo)定工況的原料性質(zhì)、催化劑性質(zhì)和操作參數(shù)，只改變其中某一個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，得到一組裝置的運(yùn)行工況，將這一組工況分別帶入預(yù)測(cè)模型，得到焦炭產(chǎn)率的預(yù)測(cè)值?，F(xiàn)分別從原料性質(zhì)、催化劑性質(zhì)和操作條件等方面選取幾個(gè)具有代表性的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行深入研究，分析其對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖9 某時(shí)間段內(nèi)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

本研究首先考察了原料殘?zhí)繉?duì)催化裂化焦炭產(chǎn)率的影響，其具體步驟是使用裝置標(biāo)定工況控制除原料殘?zhí)恐低獾钠渌?7個(gè)操作參數(shù)不變，只改變?cè)嫌偷臍執(zhí)浚蛊湓谡７秶鷥?nèi)取值，得到一組的操作工況。分別將這一組操作工況代入到GA-BP預(yù)測(cè)模型中，得到不同原料殘?zhí)恐禈?biāo)定工況下的焦炭產(chǎn)率。采用類似的方法又分別考察了催化劑循環(huán)量、預(yù)混合溫度和反應(yīng)溫度對(duì)催化裂化焦炭產(chǎn)率的影響，其結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10 原料殘?zhí)恐祵?duì)焦炭產(chǎn)率的影響

圖11 催化劑循環(huán)量對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響

圖10表示了原料殘?zhí)恐祵?duì)焦炭產(chǎn)率的影響情況，由圖可見隨原料殘?zhí)恐档脑黾?，焦炭產(chǎn)率隨之增加。這主要是由于原料殘?zhí)吭黾?，原料油的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和稠環(huán)芳烴含量增加，而稠環(huán)芳烴正是生焦的前身物，因此焦炭產(chǎn)率會(huì)隨之增加[19]。圖11表示了催化劑循環(huán)量對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響情況，可見隨著催化劑循環(huán)量的增大，焦炭產(chǎn)率隨之增加。這主要是由于在該催化劑循環(huán)量的取值范圍內(nèi)，催化劑循環(huán)量增加，劑油比增加，則單位質(zhì)量油氣接觸的催化劑活性中心的個(gè)數(shù)增加，反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率相應(yīng)增加，最后導(dǎo)致焦炭產(chǎn)率增加。圖12表示了預(yù)混合溫度對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響情況，可見隨預(yù)混合溫度的升高，焦炭產(chǎn)率隨之增加。這主要是由于在該預(yù)混合溫度操作范圍內(nèi)，預(yù)混合溫度越高，油氣與催化劑的溫差增大，更容易出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象，使熱裂化反應(yīng)程度加深，催化劑迅速積炭活性下降，催化裂化反應(yīng)減弱，原料中的重組分不能與催化劑的活性中心充分接觸，降低催化裂化反應(yīng)而增加熱裂化反應(yīng)，焦炭產(chǎn)率升高[20]。圖13表示了反應(yīng)溫度對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響情況，可見隨著反應(yīng)溫度的升高，焦炭產(chǎn)率逐漸降低但當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)焦炭產(chǎn)率又呈上升趨勢(shì)。這主要是由于隨著反應(yīng)溫度的升高催化裂化反應(yīng)速率增大，同時(shí)熱裂化反應(yīng)也逐漸提高，當(dāng)反應(yīng)溫度升高到一定程度時(shí)，熱裂化反應(yīng)漸趨重要，使焦炭產(chǎn)率有所增加[21]。圖10～圖13的研究結(jié)果表明，利用GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型考察的原料殘?zhí)康葐我魂P(guān)鍵性影響參數(shù)對(duì)催化裂化焦炭產(chǎn)率的影響，其結(jié)果與催化裂化的反應(yīng)機(jī)理完全相符，進(jìn)一步證明了該預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

圖12 預(yù)混合溫度對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響

圖13 反應(yīng)溫度對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響

3 結(jié) 論

基于某煉廠催化裂化車間DCS系統(tǒng)中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以原料性質(zhì)、催化劑性質(zhì)和操作條件3個(gè)方面共28個(gè)影響催化裂化焦炭產(chǎn)率的關(guān)鍵參數(shù)為輸入?yún)?shù)，所對(duì)應(yīng)的焦炭產(chǎn)率作為輸出應(yīng)用經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建催化裂化焦炭產(chǎn)率預(yù)測(cè)模型，研究結(jié)果表明利用經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以建立能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)催化裂化焦炭產(chǎn)率的預(yù)測(cè)模型，使用現(xiàn)場(chǎng)某段時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差為2.94%，均方誤差為0.111。與未經(jīng)優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果相比，遺傳算法不但可以解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)選取初始權(quán)值和閾值造成的預(yù)測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定的問題，而且還可以通過搜索最優(yōu)的初始權(quán)值和閾值賦予BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高模型的準(zhǔn)確性。應(yīng)用所建立的GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，分別考察了原料殘?zhí)?、催化劑循環(huán)量、預(yù)混合溫度和反應(yīng)溫度對(duì)焦炭產(chǎn)率的影響，其影響趨勢(shì)與催化裂化的反應(yīng)機(jī)理完全相符，進(jìn)一步說明了所建模型的準(zhǔn)確性。

參 考 文 獻(xiàn)

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·技術(shù)信息·

芳烴成套技術(shù)及應(yīng)用獲國家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)

2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的評(píng)選結(jié)果近日揭曉。高效環(huán)保芳烴成套技術(shù)及應(yīng)用、京滬高速鐵路工程獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)；多光子糾纏干涉度量學(xué)獲得國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)為南昌大學(xué)硅襯底LED項(xiàng)目；最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)空缺。

獲得國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的化學(xué)類項(xiàng)目有：高壓下鈉和鋰單質(zhì)及二元化合物的結(jié)構(gòu)與物性、活體層次定量獲取化學(xué)信號(hào)的新原理和新方法研究、分子尺度分離無機(jī)膜材料設(shè)計(jì)合成及其分離與催化性能研究、新型富勒烯的合成、石墨烯的電分析化學(xué)和生物分析化學(xué)研究、生物分子識(shí)別的分析化學(xué)基礎(chǔ)研究等。

獲得國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的化學(xué)類項(xiàng)目有：定向轉(zhuǎn)化多元醇的生物催化劑創(chuàng)制及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)、酵母核苷酸的生物制造關(guān)鍵技術(shù)突破及產(chǎn)業(yè)高端應(yīng)用、節(jié)油輪胎用高性能橡膠納米復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及制備關(guān)鍵技術(shù)、乙烯三聚制1-己烯新型催化體系及成套工藝技術(shù)、特種液晶材料及調(diào)光膜制備技術(shù)、耐高溫雜化硅樹脂及其復(fù)合材料制備關(guān)鍵技術(shù)、基于拉伸流變的高分子材料綠色加工成型技術(shù)等。

獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的化學(xué)類項(xiàng)目有：PTT和原位功能化PET聚合及其復(fù)合纖維制備關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化、滿足國家第四階段汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的清潔汽油生產(chǎn)成套技術(shù)開發(fā)與應(yīng)、青海鹽湖低品位難開發(fā)鉀鹽高效利用技術(shù)、冷再生劑循環(huán)技術(shù)重油催化裂化裝置工業(yè)應(yīng)用、有機(jī)氟單體及高性能氟聚合物產(chǎn)業(yè)化新技術(shù)開發(fā)、紅外吸收微粒的表面改性及在節(jié)能樹脂中的應(yīng)用、有機(jī)肥作用機(jī)制和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究與推廣、生物靶標(biāo)導(dǎo)向的農(nóng)藥高效減量使用關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用、廢輪胎修筑高性能瀝青路面關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用等。

2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)共授獎(jiǎng)295項(xiàng)成果和7位外籍科技專家。國家自然科學(xué)獎(jiǎng)42項(xiàng)，國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)66項(xiàng)，國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)187項(xiàng)，授予7名外籍科技專家國際科學(xué)技術(shù)合作獎(jiǎng)。

研究開發(fā)

Predicting coke yield of FCC unit using genetic algorithm optimized BP neural network

SU Xin，PEI Huajian，WU Yingya，GAO Jinsen，LAN Xingying
（State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China）

Abstract：Coke is the main by-product of fluid catalytic cracking (FCC) process. It is of great significance to predict coke yield accurately to enhance stability and economic performance of FCC plant. Artificial neural network (ANN) has a strong self-learning and adaptive ability，and has obvious advantages in nonlinear forecasting. In this paper，a new model combining BP neural network and genetic algorithm (GA) was developed to predict coke yield by choosing 28 key parameters involving feedstock properties，catalyst properties and operating conditions of industrial data of FCC unit，The prediction results obtained from BP neural network and the genetic algorithm optimized BP neural network (GA-BP) were compared. The GA-BP model had a better result in both accuracy and stability. Furthermore，the influence of key parameters，such as reaction temperature，feedstock carbon residue on coke yield was investigated，which further proved the accuracy of BP neural network model optimized by genetic algorithm.

Key words：fluid catalytic cracking (FCC); coke yield; neural networks; genetic algorithm

收稿日期：2015-07-31；修改稿日期：2015-10-26。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.008

中圖分類號(hào)：TE 624

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）02–0389–08