預(yù)測(cè)板式換熱器污垢熱阻的新方法.pdf

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1、第34卷第2期東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)V0l_34．No．22014年4月JournalOfNortheastDianliUniversityApr．，2014文章編號(hào)：1005—2992(2014)02—0001—06預(yù)測(cè)板式換熱器污垢熱阻的新方法張仲彬，李煜，郭進(jìn)生，李興燦，許中)112，徐志明(1．東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012；2．福建華電可門發(fā)電有限公司，福建福卅I350500)摘要：通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)板式換熱器冷卻水污垢熱阻及影響污垢熱阻的松花江水水質(zhì)參數(shù)(如pH值、溶解氧、鐵離子、氯離子、細(xì)菌總數(shù)

2、、濁度、電導(dǎo)率、化學(xué)需氧量、堿度和硬度等)變化。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主成分分析、主成分回歸、全要素BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種預(yù)測(cè)方法建立板式換熱器污垢熱阻預(yù)測(cè)模型，選取1—15號(hào)樣本為訓(xùn)練或回歸擬合樣本，16—20號(hào)樣本為測(cè)試樣本，并將三種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，三種方法均可對(duì)板式換熱器污垢特性進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，而基于主成分分析的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差小，優(yōu)于另外兩種方法。關(guān)鍵詞：污垢熱阻；預(yù)測(cè)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法；主成分分析中圖分類號(hào)：TK124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A污垢問題是一種典型的多學(xué)科交叉問題，很難清晰理解、準(zhǔn)確把握其

3、形成機(jī)制。20世紀(jì)90年代以來(lái)，科研人員提出了很多關(guān)于冷卻水系統(tǒng)污垢預(yù)測(cè)的模型，目前該方面的模型主要有：灰色模型¨]、T—S模型、多模型組合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘回歸等。但至今尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一、可信、適用的預(yù)測(cè)模型。本文作者通過(guò)板式換熱器冷卻水系統(tǒng)流動(dòng)及換熱過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)得松花江水中pH值、電導(dǎo)率等十種水質(zhì)參數(shù)和污垢熱阻值，針對(duì)影響換熱器污垢熱阻的這些水質(zhì)參數(shù)因素，以1—15號(hào)樣本為訓(xùn)練或回歸擬合樣本，16—20號(hào)樣本為測(cè)試樣本，先后用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主成分分析、主成分回歸、全要素BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種預(yù)測(cè)方法建立了各自的板

4、式換熱器污垢熱阻預(yù)測(cè)模型，得到了不同的污垢熱阻預(yù)測(cè)結(jié)果，最后將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主成分分析預(yù)測(cè)結(jié)果與主成分回歸預(yù)測(cè)結(jié)果和全要素BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主成分分析法預(yù)測(cè)1．1主成分分析主成分分析(PCA)是利用降維的思想，通過(guò)構(gòu)造原始指標(biāo)的適當(dāng)線性組合，產(chǎn)生一系列互不相關(guān)的綜合性指標(biāo)，從中選出少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，使其含有盡可能多的原始指標(biāo)所含有的信息，用較少的指標(biāo)去解釋原始資料中的大部分變異。其執(zhí)行步驟如下：1．1．1原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理見文獻(xiàn)[7]，由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，樣本數(shù)據(jù)數(shù)m=2O，去

5、除時(shí)間h這個(gè)影響因素后，pH等每個(gè)水質(zhì)參數(shù)樣本中的指標(biāo)數(shù)凡=10，依次記為、、?、。。為排除數(shù)量級(jí)和量綱不同帶來(lái)收稿日期：2014-03-10基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃基金項(xiàng)目(2007CB206904)；東北電力大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BSJXM-200916)作者簡(jiǎn)介：張仲彬(1973-)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，主要研究方向：強(qiáng)化傳熱及表面材料的阻垢．2東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)第34卷的影響，需對(duì)原始數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得每個(gè)指標(biāo)的平均值為0，方差為1。標(biāo)準(zhǔn)化公式為：：(i=

6、1，2，?，20；=1，2，?，10)，(1)~／varxj式中：為第i個(gè)樣本的第個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；和分別為第個(gè)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。表1中(時(shí)間除外)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)如表2所列。1．1．2計(jì)算樣本相關(guān)系數(shù)矩陣RR=()()1o1o．(2)(i,，2，?，10)．(3)kj式(2)、(3)中，r=,rq是第i個(gè)指標(biāo)與第個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)(本文在此不予一一詳列)。表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)第2期張仲彬，等：預(yù)測(cè)板式換熱器污垢熱阻的新方法31．1．3計(jì)算R的特征值和特征向量，確定主成分令1月一A，l=0，可解得l0個(gè)特征值A(chǔ)(

7、i=1，2，?，10)，它們分別是主成分Y。，Y：，?，y。的方差，將其按從大到小的順序排列為A≥A≥?≥A。≥0，則其相應(yīng)的特征向量可依次記為z，z，?，z。，于是便可求出第i個(gè)主成分的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：YZiXZi11+Zi2X,2+?+ZilOX1o(i=1，2，?，10)．(4)通過(guò)MatlabR2007a編程，計(jì)算得出特征值依次為：9．0979，0．4681，0．2215，0．1080，0．0416，0．0309，0．0133，0．0107，0．0060，0．0020；特征值相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率(％)依次為：90．9

8、794，4．6813，2．2152，1．0799，0．4156，0．3089，0．1331，0．1069，0．0600，0．0197；累積方差貢獻(xiàn)率(％)依次為：90．9794，95．6607，97．8760，98．9559，99．3715，99．6804，99．8135，99．9204，99．9803，100。本文中，取累積方差