本發(fā)明涉及一種脫硫系統(tǒng)漿液品質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，具體涉及應(yīng)用FCM聚類方法和模糊模式識(shí)別的一種基于模糊C均值聚類的脫硫系統(tǒng)漿液品質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法，屬于機(jī)器學(xué)習(xí)建模領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

聚類分析是數(shù)據(jù)挖掘的一種，也是非監(jiān)督模式識(shí)別的重要分支。聚類算法的目的在于將事物進(jìn)行區(qū)分和歸類，在這個(gè)過程中，沒有跟分類有關(guān)的先驗(yàn)知識(shí)，事物之間的內(nèi)在相似性是類屬劃分的唯一準(zhǔn)則。因此，作為一種無監(jiān)督的分類方法，它按照某種準(zhǔn)則把一個(gè)沒有類別標(biāo)記的樣本集分成若干類，盡可能使相似的樣本聚集為一類，不相似的樣本聚集到不同類。聚類用于從數(shù)據(jù)集中找出相似的數(shù)據(jù)并組成不同的組。聚類分析分為傳統(tǒng)聚類和模糊聚類兩大類。傳統(tǒng)的聚類分析是一種硬劃分，把待識(shí)別的對(duì)象嚴(yán)格劃分為某一類，具有非此即彼的性質(zhì)。但是在實(shí)際情況下，很多對(duì)象并不具有嚴(yán)格的屬性，它們?cè)谛螒B(tài)和類屬方面存在著中介性，需要進(jìn)行軟劃分。

濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)遵守動(dòng)態(tài)平衡過程，CaCO₃的溶解、SO₂的吸收、HSO₃^-離子的氧化和CaSO₄·2H₂O顆粒結(jié)晶等復(fù)雜的物理、化學(xué)正向反應(yīng)進(jìn)程有序的完成。當(dāng)漿液中有害物質(zhì)積聚增多時(shí)，漿液品質(zhì)逐漸惡化，這種動(dòng)態(tài)平衡被打破，在整個(gè)脫硫系統(tǒng)工藝過程中主要表現(xiàn)為：漿液起泡溢流和出現(xiàn)吸收塔漿液“中毒”，造成脫硫效率大幅下降，同時(shí)出現(xiàn)石膏漿液脫水困難、CaCO₃含量超標(biāo)等現(xiàn)象。

漿液品質(zhì)惡化產(chǎn)生原因和產(chǎn)生現(xiàn)象，漿液品質(zhì)的優(yōu)劣會(huì)反映在很多參數(shù)上，特別是脫硫效率，漿液PH值，吸收塔石灰石漿液流量，煙氣流量，吸收塔入口SO₂濃度，目前不少學(xué)者通過對(duì)漿液液相和石膏成分進(jìn)行化學(xué)分析可直接判斷漿液品質(zhì)好壞，但在脫硫系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，由于現(xiàn)場(chǎng)有無配套化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室、取樣化驗(yàn)存在繁瑣等原因，無法隨時(shí)做化驗(yàn)分析，該方法只能適用于定期取樣或抽樣檢查。本發(fā)明在對(duì)于漿液品質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷中，根據(jù)CaCO₃漿液實(shí)時(shí)補(bǔ)充量機(jī)理分析，提出了漿液品質(zhì)監(jiān)視指數(shù)γ，對(duì)不同漿液品質(zhì)采用聚類算法進(jìn)行監(jiān)視判斷，提供漿液品質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于模糊C均值聚類的脫硫系統(tǒng)漿液品質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的基于模糊C均值聚類的脫硫系統(tǒng)漿液品質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1，采用關(guān)聯(lián)分析方法分析出體現(xiàn)石灰石漿液品質(zhì)特征參數(shù)，包括脫硫效率、漿液pH值、反映石灰石流量與SO₂入口濃度以及煙氣總量關(guān)系的石灰石指數(shù)；

步驟2，利用模糊C均值聚類算法對(duì)漿液品質(zhì)特征參數(shù)進(jìn)行聚類分析，從而實(shí)現(xiàn)石灰石漿液品質(zhì)優(yōu)劣的識(shí)別與診斷；

步驟3，基于最大隸屬原則的模糊模式識(shí)別；

步驟4，利用模糊漿液品質(zhì)指數(shù)對(duì)脫硫系統(tǒng)漿液品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和量化評(píng)估。

具體地，在步驟1中，經(jīng)由數(shù)據(jù)輸入接口獲得不同漿液品質(zhì)下的工況下對(duì)應(yīng)的脫硫效率，漿液pH值，并計(jì)算反映石灰石流量與SO₂入口濃度以及煙氣總量關(guān)系的石灰石指數(shù)γ，定義γ＝石灰石漿液流量/(煙氣總量×入口SO₂濃度)。

具體地，在步驟2中，采用模糊C均值聚類算法確定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)屬于某個(gè)聚類的程度，在FCM聚類算法中，將有限個(gè)樣本集x＝{x₁，x₂，...x_n}，x_i＝{脫硫效率，ph值，石灰石指數(shù)}劃分為l類(2≤l≤n)，任一樣本點(diǎn)不會(huì)嚴(yán)格劃分為某一類，而是以一定的隸屬度屬于l個(gè)不同域，

式中，

J_m(u，v)——目標(biāo)函數(shù)(即含隸屬度加權(quán)的類內(nèi)距離平方和函數(shù))；

——樣本x_j到聚類中心v_i的距離，

u_ij——第j個(gè)樣本屬于第i個(gè)聚類的隸屬度；

m——模糊加權(quán)指數(shù)(m＞1)；

解得：

具體計(jì)算步驟如下：

步驟2.1初始化：設(shè)定模糊加權(quán)指數(shù)m，聚類個(gè)數(shù)k(2≤k≤n)，迭代停止閥值ε和規(guī)定迭代次數(shù)b，初始化聚類中心v⁽⁰⁾；

步驟2.2用式(2)中第一個(gè)表達(dá)式計(jì)算隸屬度矩陣

步驟2.3用式(2)中第二個(gè)表達(dá)式更新聚類中心

步驟2.4若||v^(b)-v^(b+1)||＜ε或者迭代次數(shù)超過規(guī)定次數(shù)，則停止算法，否則轉(zhuǎn)第二步；

步驟2.5輸出結(jié)果。

具體地，在步驟3中，設(shè)G為全體被識(shí)別對(duì)象構(gòu)成的論域，A₁，A₂，...，A_n是G的n個(gè)子集，x∈G是一待識(shí)別對(duì)象。若

式中，——x對(duì)A_i的隸屬度

則認(rèn)為x優(yōu)先隸屬于A_i，即x隸屬于A_i所代表的那一類。

具體地，在步驟4中，定義第i個(gè)樣本的模糊漿液品質(zhì)指數(shù)的計(jì)算公式：

e＝3×u_i1+2×u_i2+1×u_i3 (3)

式中，u_i1——第i個(gè)樣本對(duì)漿液品質(zhì)“好”這一類別的隸屬度；

u_i2——第i個(gè)樣本對(duì)漿液品質(zhì)“中”這一類別的隸屬度；

u_i3——第i個(gè)樣本對(duì)漿液品質(zhì)“差”這一類別的隸屬度，且有

有益效果：本發(fā)明具備以下顯著的進(jìn)步：

1、對(duì)脫硫系統(tǒng)選定參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行FCM聚類，結(jié)果表明漿液品質(zhì)診斷方法的可行性和有效性。

2、對(duì)待評(píng)定漿液品質(zhì)狀況的數(shù)據(jù)，變換為漿液樣本后，利用模糊模式識(shí)別和計(jì)算，得出漿液品質(zhì)指數(shù)可以得到漿液狀態(tài)的定量值，從而對(duì)漿液狀況分類，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)漿液狀態(tài)的定量監(jiān)測(cè)。

3、更及時(shí)準(zhǔn)確地反映脫硫系統(tǒng)石灰石漿液運(yùn)行性能屬性，也為脫硫系統(tǒng)優(yōu)化和狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了新的思路和方法。

4、為電廠監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)高級(jí)功能模塊(狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等)提供可參考模型。

除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的基于模糊C均值聚類的脫硫系統(tǒng)漿液品質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法所能解決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中漿液品質(zhì)監(jiān)測(cè)流程圖；

圖2是漿液品質(zhì)定量監(jiān)測(cè)圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例的基于模糊C均值聚類的脫硫系統(tǒng)漿液品質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟：

步驟1，經(jīng)由數(shù)據(jù)輸入接口獲得不同漿液品質(zhì)下的工況(好，中，差)下對(duì)應(yīng)的脫硫效率，漿液pH值，并計(jì)算反映石灰石流量與SO2入口濃度以及煙氣總量關(guān)系的石灰石指數(shù)γ。

步驟2，采用模糊C均值聚類算法確定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)屬于某個(gè)聚類的程度。在FCM聚類算法中，它將有限個(gè)樣本集x＝{x₁，x₂，...x_n}，x_i＝{脫硫效率，ph值，石灰石指數(shù)}劃分為l類(2≤l≤n)。任一樣本點(diǎn)不會(huì)嚴(yán)格劃分為某一類，而是以一定的隸屬度屬于l個(gè)不同域。

式中：

J_m(u，v)——目標(biāo)函數(shù)(即含隸屬度加權(quán)的類內(nèi)距離平方和函數(shù))；

——樣本x_j到聚類中心v_i的距離，

u_ij——第j個(gè)樣本屬于第i個(gè)聚類的隸屬度；

m——模糊加權(quán)指數(shù)(m＞1)。

可解得：

步驟2.1初始化：設(shè)定模糊加權(quán)指數(shù)m，聚類個(gè)數(shù)k(2≤k≤n)，迭代停止閥值ε和規(guī)定迭代次數(shù)b，初始化聚類中心v⁽⁰⁾；

步驟2.2用式(2)中第一個(gè)表達(dá)式計(jì)算隸屬度矩陣

步驟2.3用式(2)中第二個(gè)表達(dá)式更新聚類中心

步驟2.4若||v^(b)-v^(b+1)||＜ε或者迭代次數(shù)超過規(guī)定次數(shù)，則停止算法，否則轉(zhuǎn)第二步；

步驟2.5輸出結(jié)果。

步驟3，基于最大隸屬原則的模糊模式識(shí)別

設(shè)G為全體被識(shí)別對(duì)象構(gòu)成的論域，A₁，A₂，...，A_n是G的n個(gè)子集，x∈G是一待識(shí)別對(duì)象。若

式中——x對(duì)A_i的隸屬度。

則認(rèn)為x優(yōu)先隸屬于A_i，即x隸屬于A_i所代表的那一類。

步驟4，計(jì)算模糊石灰石漿液品質(zhì)指數(shù)

定義第i個(gè)樣本的模糊漿液品質(zhì)指數(shù)的計(jì)算公式：

e＝3×u_i1+2×u_i2+1×u_i3 (3)

式中u_i1——第i個(gè)樣本對(duì)漿液品質(zhì)“好”這一類別的隸屬度；

u_i2——第i個(gè)樣本對(duì)漿液品質(zhì)“中”這一類別的隸屬度；

u_i3——第i個(gè)樣本對(duì)漿液品質(zhì)“差”這一類別的隸屬度，且有

取某穩(wěn)定工況時(shí)間段內(nèi)脫硫效率、漿液pH值，以及計(jì)算出的漿液指數(shù)γ數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，計(jì)算出相應(yīng)的漿液品質(zhì)指數(shù)，獲得有待量化標(biāo)定的樣本。整個(gè)過程主要有輸入數(shù)據(jù)、參數(shù)獲取，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和監(jiān)控管理等核心模塊。詳細(xì)流程如圖1所示：

4.1經(jīng)由系統(tǒng)DCS系統(tǒng)，經(jīng)由串行接口獲取脫硫參數(shù)脫硫效率、漿液pH值，石灰石漿液流量，入口SO₂濃度，煙氣總量的參數(shù)；

4.2經(jīng)過參數(shù)整合，將脫硫效率，漿液pH值，石灰質(zhì)指數(shù)γ作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的漿液品質(zhì)樣本；

4.3獲取脫硫系統(tǒng)漿液品質(zhì)特征數(shù)據(jù)樣本，作為FCM聚類輸入數(shù)據(jù)；

4.4設(shè)置模糊加權(quán)指數(shù)m＝2，聚類數(shù)目為3，迭代停止閾值為ε＝10^-5，利用FCM算法對(duì)上表中漿液品質(zhì)特征量進(jìn)行聚類，獲取聚類中心點(diǎn)和隸屬度矩陣；

4.5輸入需要識(shí)別的漿液品質(zhì)狀況的樣本，基于最大隸屬度原則計(jì)算模糊漿液品質(zhì)指數(shù)，依據(jù)漿液品質(zhì)的范圍對(duì)脫硫系統(tǒng)石灰石漿液品質(zhì)診斷；

4.6依據(jù)e的數(shù)值，評(píng)定漿液品質(zhì)的優(yōu)劣：e越接近于3，漿液品質(zhì)越趨向于“好”；e越接近于2，漿液品質(zhì)越趨向于“中”；e越接近于1，漿液品質(zhì)越趨向于“差”?？傊?，模糊漿液品質(zhì)指數(shù)e(1＜e＜3)是對(duì)漿液品質(zhì)好壞程度的量化評(píng)估，e越大，表示漿液品質(zhì)越好，脫硫系統(tǒng)越穩(wěn)定。

在本實(shí)施例中，從所研究的1000MW機(jī)組中選取5000組樣本，包含出現(xiàn)閉塞“中毒”處理前和此前實(shí)際連續(xù)正常運(yùn)行時(shí)以及脫硫系統(tǒng)剛投入運(yùn)行時(shí)吸收塔內(nèi)漿液為全新漿液時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為漿液品質(zhì)聚類的樣本數(shù)據(jù)，分別標(biāo)記為“差”、“中”、“好”三種狀態(tài)。由模糊C均值聚類分析方法獲取分別表明漿液品質(zhì)“差”、“中”、“好”三種狀態(tài)的類心，三行從上到下，類心矩陣C的三列分別表示脫硫效率，漿液pH值和漿液指數(shù)γ。

表1列出部分實(shí)際運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)以及計(jì)算出相應(yīng)的漿液品質(zhì)指數(shù)，獲得有待量化標(biāo)定的樣本。

表1實(shí)際運(yùn)行漿液品質(zhì)樣本數(shù)據(jù)

根據(jù)最大隸屬度判斷待診斷對(duì)象的漿液品質(zhì)狀態(tài)，上述數(shù)據(jù)樣本的模糊漿液品質(zhì)指數(shù)如圖2所示，第900個(gè)樣本開始，模糊漿液品質(zhì)指數(shù)出現(xiàn)突降，由模型分析結(jié)論可知此時(shí)漿液品質(zhì)質(zhì)量變差，從第1400個(gè)樣本開始，漿液品質(zhì)指數(shù)開始上升，反映為漿液品質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，這與當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)某次故障處理，采取部分漿液換置后的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，經(jīng)處理后此時(shí)漿液品質(zhì)逐步恢復(fù)正常。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。