本發(fā)明屬于石化生產(chǎn)裝備的安全穩(wěn)定運(yùn)行和過程安全控制、信息工程與數(shù)據(jù)診斷等，具體涉及管式裂解爐的一種爐管結(jié)焦感知與預(yù)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、乙烯裂解爐是乙烯裝置的重要構(gòu)成部分，在乙烯乃至整套石化生產(chǎn)中都起到龍頭作用。裂解爐的主要功能是將原料加工成裂解氣，并通過管道輸送給工藝流程的后續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，加工成乙烯、丙烯及各種副產(chǎn)品。裂解爐生產(chǎn)能力及其技術(shù)水平，決定著乙烯裝置的生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)能和產(chǎn)品品質(zhì)。

2、眾所周知，裂解裝置事故隱患多、安全風(fēng)險高、在線防控難。其中，最典型的是爐膛工況異常（例如，火嘴回火/熄火、離火等）和爐管工況異常（例如，結(jié)焦、堵塞、裂紋、損傷、形變等）。無論是爐膛還是爐管，一旦出現(xiàn)異常或發(fā)生故障，輕則影響生產(chǎn)，嚴(yán)重時甚至?xí)T發(fā)災(zāi)難性事故。鑒于此，圍繞乙烯裝置特別是裂解爐安全隱患的防控，建立爐膛火焰異常、爐管局部結(jié)焦和管道腐蝕損傷等安全隱患的感知方法，是必要和有意義的。

3、裂解爐是乙烯裂解裝置的核心設(shè)備，也是隱患誘發(fā)災(zāi)變風(fēng)險的重災(zāi)區(qū)。以國內(nèi)外企業(yè)常用的管式裂解爐為例，乙烯生產(chǎn)原料在裂解爐對流室爐管內(nèi)預(yù)熱到6000℃左右后，快速流經(jīng)爐膛內(nèi)爐管，過程中物料被快速加溫到8000℃左右，期間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，完成大分子斷鏈生成小分子的裂解過程。烴類在裂解過程中由于聚合、縮合等二次反應(yīng)的發(fā)生，不可避免地會結(jié)焦或生炭并積附在爐管內(nèi)壁形成結(jié)焦,并且隨著運(yùn)行周期的加長、裂解深度的加深和生產(chǎn)物料的重質(zhì)化，結(jié)焦程度會變得越來越嚴(yán)重，甚至?xí)氯麪t管，影響裝置安全。目前，典型做法是依據(jù)爐管出口溫度cot變化情況進(jìn)行燒焦或清焦，或者定期在線燒焦與停爐清焦。上述做法存在明顯局限性：一是爐管結(jié)焦復(fù)雜多樣，cot主要與管口附近結(jié)焦有關(guān)，難以反映整個爐管結(jié)焦情況；二是清焦過早或過遲、燒焦時間過長或過短，都不僅會影響生產(chǎn)也會損傷爐管或加速爐管老化。

4、結(jié)焦是影響乙烯裝置生產(chǎn)安全的重要因素。如何準(zhǔn)確感知結(jié)焦情況和合理安排清焦的方式及時機(jī)，是長期困擾“安穩(wěn)長滿優(yōu)”生產(chǎn)的技術(shù)難題?？紤]到爐管結(jié)焦部位不易導(dǎo)熱，使裂解效率下降，爐管出現(xiàn)局部放熱、甚至燒穿；而且，隨爐管內(nèi)焦積累量增加，會堵塞管道、影響生產(chǎn)安全，嚴(yán)重結(jié)焦時容易引起爐管堵塞甚至發(fā)生炸管事故。企業(yè)現(xiàn)用的方法主要是基于爐管進(jìn)出口壓差、管口溫度和管表外觀，存在明顯的局限性。鑒于此，本發(fā)明建立一種以裂解溫度、反應(yīng)壓力、停留時間等關(guān)鍵參數(shù)為切入點(diǎn)的全爐管結(jié)焦感知與清焦或燒焦時機(jī)輔助決策方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了管式裂解爐的一種爐管結(jié)焦感知與預(yù)測方法及系統(tǒng)，對于保障石化生產(chǎn)安全具有重要意義。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、管式裂解爐的一種爐管結(jié)焦感知與預(yù)測方法，包括以下步驟：

4、構(gòu)建裂解爐數(shù)字孿生體；

5、對裂解爐與裂解爐數(shù)字孿生體之間的虛-實(shí)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行交互；

6、基于交互的虛-實(shí)空間數(shù)據(jù)，結(jié)合多源數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)，重構(gòu)裂解爐管內(nèi)溫度場、壓力場和流量場時-空動態(tài)變化過程，實(shí)現(xiàn)爐管結(jié)焦統(tǒng)計(jì)推斷和趨勢預(yù)測的爐管清焦或燒焦最佳時機(jī)預(yù)測。

7、優(yōu)選的，構(gòu)建裂解爐數(shù)字孿生體的方法包括：

8、以裂解裝置為核心，圍繞物理實(shí)體pe、虛擬實(shí)體ve、數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)dd、面向安全服務(wù)ss和實(shí)體者間連接cn，構(gòu)建數(shù)字孿生概念模型，集成信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)；

9、基于集成的信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)，采用從底向上方式，建立數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)；

10、基于所述數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)，建立pe的數(shù)字模型或信息傳遞模型，搭建ve和實(shí)體間的雙向數(shù)據(jù)通信，形成乙烯裝置流程的數(shù)字影子模型，進(jìn)而形成完整的數(shù)字孿生模型，構(gòu)建裂解過程數(shù)字孿生體。

11、優(yōu)選的，對裂解爐與裂解爐數(shù)字孿生體之間的虛-實(shí)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的方法包括：

12、以乙烯裂解系統(tǒng)3d虛擬仿真為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字孿生模型，由數(shù)字主線疏通乙烯工藝過程各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)產(chǎn)生、交換和流轉(zhuǎn)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下的生產(chǎn)過程及安全風(fēng)險動態(tài)復(fù)現(xiàn)和推演，以及各生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)無縫流動和過程追溯。

13、優(yōu)選的，重構(gòu)裂解爐管內(nèi)溫度場、壓力場和流量場時-空動態(tài)變化過程的方法包括：

14、構(gòu)造裂解爐對流室溫度、壓力、流量變化及物料裂解反應(yīng)的可擴(kuò)充模型集合s；

15、以可擴(kuò)充模型集合s為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬，量化分析爐管進(jìn)料特征量變化、爐管內(nèi)外環(huán)境變化和對流室出口物料特征量變化之間的耦合關(guān)系；

16、采用3維網(wǎng)格對裂解爐對流室進(jìn)行網(wǎng)格劃分d，以可擴(kuò)充模型集合s為基礎(chǔ)，計(jì)算網(wǎng)格d各節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力、流速、流量數(shù)據(jù)；

17、利用爐管進(jìn)料特征量變化、爐管內(nèi)外環(huán)境變化和對流室出口物料特征量變化之間的耦合關(guān)系，結(jié)合網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力、流速、流量數(shù)據(jù)，訓(xùn)練多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到深度學(xué)習(xí)模型；

18、采用場描述容器以及傳輸管道內(nèi)任意點(diǎn)的溫度、壓力、流速、輻射特征屬性，獲取張量場在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力、流速、輻射特征屬性仿真數(shù)據(jù)；

19、采用數(shù)字孿生體時空推演仿真數(shù)據(jù)，獲得基于深度學(xué)習(xí)的張量場函數(shù)擬合模型，及梯度、散度和旋度函數(shù)模型；

20、結(jié)合乙烯裝置現(xiàn)場采集的溫度、壓力、流速、輻射數(shù)據(jù)對基于深度學(xué)習(xí)的張量場函數(shù)擬合模型以及梯度、散度和旋度函數(shù)模型進(jìn)行更新；結(jié)合更新后的模型和時-空插值方法，獲取乙烯裂解爐管內(nèi)任意點(diǎn)溫度、壓力、流速、輻射特征屬性隨時空變化的軟測量數(shù)據(jù)。

21、優(yōu)選的，爐管結(jié)焦統(tǒng)計(jì)推斷和趨勢預(yù)測的爐管清焦或燒焦最佳時機(jī)預(yù)測的方法包括：

22、采用在線實(shí)測數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生體的方法，可視化展現(xiàn)爐管結(jié)焦部位、結(jié)焦程度及變化過程；

23、利用同型號多組別裂解爐實(shí)際生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)，揭示裂解爐管內(nèi)流動、傳熱、傳質(zhì)及裂解反應(yīng)過程的基本特點(diǎn)及相互影響規(guī)律；

24、采用裂解爐數(shù)據(jù)挖掘分析與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合的方法，構(gòu)建以結(jié)焦和蠕變?yōu)楹诵牡囊蚬P(guān)系樹，以及爐管結(jié)焦厚度的多因素回歸分析模型和基于溫度場、壓力場局部渦變的爐管結(jié)焦部位及厚度統(tǒng)計(jì)推斷模型；

25、采用實(shí)測工況數(shù)據(jù)以及溫度場、壓力場深度學(xué)習(xí)模型，進(jìn)行爐管內(nèi)部溫度場和壓力場的校準(zhǔn)與軟測量，實(shí)現(xiàn)溫度場和壓力場時-空變化在線預(yù)測；

26、采用預(yù)測數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生系統(tǒng)，結(jié)合結(jié)焦厚度的多因素回歸分析模型和結(jié)焦部位的統(tǒng)計(jì)推斷模型，實(shí)現(xiàn)對爐管結(jié)焦厚度及部位的預(yù)測；結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜抑R，確定最優(yōu)結(jié)焦處置對策和最佳處置時機(jī)，為結(jié)焦處置提供輔助決策。

27、本發(fā)明還提供了管式裂解爐的一種爐管結(jié)焦感知與預(yù)測系統(tǒng)，包括：構(gòu)建模塊、交互模塊和預(yù)測模塊；

28、所述構(gòu)建模塊用于構(gòu)建裂解爐數(shù)字孿生體；

29、所述交互模塊用于對裂解爐與裂解爐數(shù)字孿生體之間的虛-實(shí)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行交互；

30、所述預(yù)測模塊用于基于交互的虛-實(shí)空間數(shù)據(jù)，結(jié)合多源數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)，重構(gòu)裂解爐管內(nèi)溫度場、壓力場和流量場時-空動態(tài)變化過程，實(shí)現(xiàn)爐管結(jié)焦統(tǒng)計(jì)推斷和趨勢預(yù)測的爐管清焦或燒焦最佳時機(jī)預(yù)測。

31、優(yōu)選的，所述構(gòu)建模塊包括：數(shù)據(jù)集成單元、參考架構(gòu)構(gòu)建單元和數(shù)字孿生體構(gòu)建單元；

32、所述數(shù)據(jù)集成單元用于以裂解裝置為核心，圍繞物理實(shí)體pe、虛擬實(shí)體ve、數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)dd、面向安全服務(wù)ss和實(shí)體者間連接cn，構(gòu)建數(shù)字孿生概念模型，集成信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)；

33、所述參考架構(gòu)構(gòu)建單元用于基于集成的信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)，采用從底向上方式，建立數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)；

34、所述數(shù)字孿生體構(gòu)建單元用于基于所述數(shù)字孿生系統(tǒng)參考架構(gòu)，建立pe的數(shù)字模型或信息傳遞模型，搭建ve和實(shí)體間的雙向數(shù)據(jù)通信，形成乙烯裝置流程的數(shù)字影子模型，進(jìn)而形成完整的數(shù)字孿生模型，構(gòu)建裂解過程數(shù)字孿生體。

35、優(yōu)選的，對裂解爐與裂解爐數(shù)字孿生體之間的虛-實(shí)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的過程包括：

36、以乙烯裂解系統(tǒng)3d虛擬仿真為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字孿生模型，由數(shù)字主線疏通乙烯工藝過程各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)產(chǎn)生、交換和流轉(zhuǎn)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下的生產(chǎn)過程及安全風(fēng)險動態(tài)復(fù)現(xiàn)和推演，以及各生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)無縫流動和過程追溯。

37、優(yōu)選的，所述預(yù)測模塊包括：可擴(kuò)充模型集合s構(gòu)建單元、耦合關(guān)系分析單元、改變量計(jì)算單元、深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建單元、網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)計(jì)算單元、時-空矢量場圖繪制單元和軟測量數(shù)據(jù)計(jì)算單元；

38、所述可擴(kuò)充模型集合s構(gòu)建單元用于構(gòu)造裂解爐對流室溫度、壓力、流量變化及物料裂解反應(yīng)的可擴(kuò)充模型集合s；

39、所述耦合關(guān)系分析單元用于以可擴(kuò)充模型集合s為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬，量化分析爐管進(jìn)料特征量變化、爐管內(nèi)外環(huán)境變化和對流室出口物料特征量變化之間的耦合關(guān)系；

40、所述改變量計(jì)算單元用于采用3維網(wǎng)格對裂解爐對流室進(jìn)行網(wǎng)格劃分d，以可擴(kuò)充模型集合s為基礎(chǔ)，計(jì)算網(wǎng)格d各節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力、流速、流量數(shù)據(jù)；

41、所述深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建單元用于利用爐管進(jìn)料特征量變化、爐管內(nèi)外環(huán)境變化和對流室出口物料特征量變化之間的耦合關(guān)系，結(jié)合網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力、流速、流量數(shù)據(jù)，訓(xùn)練多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到深度學(xué)習(xí)模型；

42、所述網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)計(jì)算單元用于采用場描述容器以及傳輸管道內(nèi)任意點(diǎn)的溫度、壓力、流速、輻射特征屬性，獲取張量場在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力、流速、輻射特征屬性仿真數(shù)據(jù)；

43、所述時-空矢量場圖繪制單元用于采用數(shù)字孿生體時空推演仿真數(shù)據(jù)，獲得基于深度學(xué)習(xí)的張量場函數(shù)擬合模型，及梯度、散度和旋度函數(shù)模型；

44、所述軟測量數(shù)據(jù)計(jì)算單元用于結(jié)合乙烯裝置現(xiàn)場采集的溫度、壓力、流速、輻射數(shù)據(jù)對基于深度學(xué)習(xí)的張量場函數(shù)擬合模型以及梯度、散度和旋度函數(shù)模型進(jìn)行更新；結(jié)合更新后的模型和時-空插值方法，獲取乙烯裂解爐管內(nèi)任意點(diǎn)溫度、壓力、流速、輻射特征屬性隨時空變化的軟測量數(shù)據(jù)。

45、優(yōu)選的，所述預(yù)測模塊還包括：可視化展現(xiàn)單元、規(guī)律揭示單元、推斷模型構(gòu)建單元、在線預(yù)測單元和決策單元；

46、所述可視化展現(xiàn)單元用于采用在線實(shí)測數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生體的方法，可視化展現(xiàn)爐管結(jié)焦部位、結(jié)焦程度及變化過程；

47、所述規(guī)律揭示單元用于利用同型號多組別裂解爐實(shí)際生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)，揭示裂解爐管內(nèi)流動、傳熱、傳質(zhì)及裂解反應(yīng)過程的基本特點(diǎn)及相互影響規(guī)律；

48、所述推斷模型構(gòu)建單元用于采用裂解爐數(shù)據(jù)挖掘分析與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合的方法，構(gòu)建以結(jié)焦和蠕變?yōu)楹诵牡囊蚬P(guān)系樹，以及爐管結(jié)焦厚度的多因素回歸分析模型和基于溫度場、壓力場局部渦變的爐管結(jié)焦部位及厚度統(tǒng)計(jì)推斷模型；

49、所述在線預(yù)測單元用于采用實(shí)測工況數(shù)據(jù)以及溫度場、壓力場深度學(xué)習(xí)模型，進(jìn)行爐管內(nèi)部溫度場和壓力場的校準(zhǔn)與軟測量，實(shí)現(xiàn)溫度場和壓力場時-空變化在線預(yù)測；

50、所述決策單元用于采用預(yù)測數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生系統(tǒng)，結(jié)合結(jié)焦厚度的多因素回歸分析模型和結(jié)焦部位的統(tǒng)計(jì)推斷模型，實(shí)現(xiàn)對爐管結(jié)焦厚度及部位的預(yù)測；結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜抑R，確定最優(yōu)結(jié)焦處置對策和最佳處置時機(jī)，為結(jié)焦處置提供輔助決策。

51、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

52、本技術(shù)發(fā)明了一組針對性強(qiáng)和實(shí)用性強(qiáng)的爐管結(jié)焦感知、結(jié)焦變化趨勢預(yù)測和視情運(yùn)維輔助決策方法，通過合理構(gòu)建裂解爐數(shù)字孿生體和實(shí)現(xiàn)裂解爐與孿生體之間的虛-實(shí)空間數(shù)據(jù)交互，結(jié)合多源數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)，重構(gòu)裂解爐管內(nèi)溫度場、壓力場和流量場時-空動態(tài)變化過程，從而實(shí)現(xiàn)對于爐管結(jié)焦情況的統(tǒng)計(jì)推斷、趨勢預(yù)測和基于推斷及預(yù)測的爐管清焦或燒焦最佳時機(jī)預(yù)測，方法具有原創(chuàng)性、新穎性和先進(jìn)性，對于保障石化生產(chǎn)安全具有重要意義。