化工学报 ›› 2025, Vol. 76 ›› Issue (8): 4155-4164.DOI: 10.11949/0438-1157.20250114
收稿日期:2025-02-04
修回日期:2025-03-07
出版日期:2025-08-25
发布日期:2025-09-17
通讯作者:
钱小毅
作者简介:钱小毅(1989—),男,博士,副教授,qianxiaoyi123@163.com
基金资助:
Xiaoyi QIAN(
), Lixin WANG, Xingyu JIANG, Tianhe SUN, Yi ZHAO, Yifei WANG
Received:2025-02-04
Revised:2025-03-07
Online:2025-08-25
Published:2025-09-17
Contact:
Xiaoyi QIAN
摘要:
复杂化工过程中监测变量存在自相关与互相关的时空耦合关系,导致在故障传播路径识别过程中容易出现冗余信息,造成路径的错误识别。为此,提出一种融合监测数据与过程知识的故障传播路径回溯方法,以基于k近邻的故障传播路径分析方法为框架,引入分布式交互监测以确定故障潜在区域并剔除冗余变量,从工艺过程中提取基于无向邻接矩阵的连通性模型,给故障路径回溯提供逻辑指导。通过Tennessee Eastman过程与合成氨工艺流程的故障案例,与传统传递熵方法、基于k近邻的故障传播路径分析方法相比,验证了所提方法有效地提高了故障路径识别精度和效率,同时减少了冗余备选路径。
中图分类号:
钱小毅, 王利鑫, 姜兴宇, 孙天贺, 赵毅, 王一飞. 基于交互监测与连通性模型的化工过程故障传播分析[J]. 化工学报, 2025, 76(8): 4155-4164.
Xiaoyi QIAN, Lixin WANG, Xingyu JIANG, Tianhe SUN, Yi ZHAO, Yifei WANG. Fault propagation analysis of chemical process based on interactive monitoring and connectivity model[J]. CIESC Journal, 2025, 76(8): 4155-4164.
| 节点 | 名称 | 符号 | 节点 | 名称 | 符号 | 节点 | 名称 | 符号 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | A进料流量 | F1 | 12 | 气液分离器液位 | L12 | 23 | D进料流量控制阀 | V23 |
| 2 | D进料流量 | F2 | 13 | 气液分离器压力 | P13 | 24 | E进料流量控制阀 | V24 |
| 3 | E进料流量 | F3 | 14 | 气液分离器底部出口流量 | F14 | 25 | A进料流量控制阀 | V25 |
| 4 | ABC总进料流量 | F4 | 15 | 汽提塔液位 | L15 | 26 | ABC总进料流量控制阀 | V26 |
| 5 | 压缩机出口再循环流量 | F5 | 16 | 汽提塔压力 | P16 | 27 | 压缩机再循环阀 | V27 |
| 6 | 反应器进料总流量 | F6 | 17 | 汽提塔塔底流量 | F17 | 28 | 排放阀 | V28 |
| 7 | 反应器压力 | P7 | 18 | 汽提塔温度 | T18 | 29 | 气液分离器底部出口阀 | V29 |
| 8 | 反应器液位 | L8 | 19 | 汽提塔流量 | F19 | 30 | 汽提塔产品出口阀 | V30 |
| 9 | 反应器温度 | T9 | 20 | 压缩机功率 | J20 | 31 | 汽提塔水流阀 | V31 |
| 10 | 排放速度 | F10 | 21 | 反应器冷却水出口温度 | T21 | 32 | 反应器冷却水流阀 | V32 |
| 11 | 气液分离器温度 | F11 | 22 | 冷凝器冷却水出口温度 | T22 | 33 | 冷凝器冷却水流阀 | V33 |
表1 TEP监测变量
Table 1 Variables of TEP
| 节点 | 名称 | 符号 | 节点 | 名称 | 符号 | 节点 | 名称 | 符号 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | A进料流量 | F1 | 12 | 气液分离器液位 | L12 | 23 | D进料流量控制阀 | V23 |
| 2 | D进料流量 | F2 | 13 | 气液分离器压力 | P13 | 24 | E进料流量控制阀 | V24 |
| 3 | E进料流量 | F3 | 14 | 气液分离器底部出口流量 | F14 | 25 | A进料流量控制阀 | V25 |
| 4 | ABC总进料流量 | F4 | 15 | 汽提塔液位 | L15 | 26 | ABC总进料流量控制阀 | V26 |
| 5 | 压缩机出口再循环流量 | F5 | 16 | 汽提塔压力 | P16 | 27 | 压缩机再循环阀 | V27 |
| 6 | 反应器进料总流量 | F6 | 17 | 汽提塔塔底流量 | F17 | 28 | 排放阀 | V28 |
| 7 | 反应器压力 | P7 | 18 | 汽提塔温度 | T18 | 29 | 气液分离器底部出口阀 | V29 |
| 8 | 反应器液位 | L8 | 19 | 汽提塔流量 | F19 | 30 | 汽提塔产品出口阀 | V30 |
| 9 | 反应器温度 | T9 | 20 | 压缩机功率 | J20 | 31 | 汽提塔水流阀 | V31 |
| 10 | 排放速度 | F10 | 21 | 反应器冷却水出口温度 | T21 | 32 | 反应器冷却水流阀 | V32 |
| 11 | 气液分离器温度 | F11 | 22 | 冷凝器冷却水出口温度 | T22 | 33 | 冷凝器冷却水流阀 | V33 |
| 区块编号 | 区块名称 | 变量 |
|---|---|---|
| 1 | 反应器 | 1,2,3,5,6,7,8,9,21 |
| 2 | 冷凝器和分离器 | 7,8,9,11,12,13,14,22 |
| 3 | 汽提塔 | 4,11,12,13,14,15,16,17,18,19 |
| 4 | 压缩机 | 5,10,11,12,13,20 |
表2 基于知识的TEP测量变量分块
Table 2 Knowledge-based TEP measurement variables
| 区块编号 | 区块名称 | 变量 |
|---|---|---|
| 1 | 反应器 | 1,2,3,5,6,7,8,9,21 |
| 2 | 冷凝器和分离器 | 7,8,9,11,12,13,14,22 |
| 3 | 汽提塔 | 4,11,12,13,14,15,16,17,18,19 |
| 4 | 压缩机 | 5,10,11,12,13,20 |
| 方法 | 准确率/% | 潜在路径数/条 |
|---|---|---|
| 传递熵 | 85.71 | 16.00 |
| FPA-kNN | 82.75 | 17.00 |
| DIM-CM-FPA-kNN | 92.30 | 13.00 |
表3 故障15准确率与潜在路径数对比
Table 3 Comparison of accuracy and number of potential paths for fault 15
| 方法 | 准确率/% | 潜在路径数/条 |
|---|---|---|
| 传递熵 | 85.71 | 16.00 |
| FPA-kNN | 82.75 | 17.00 |
| DIM-CM-FPA-kNN | 92.30 | 13.00 |
| 故障编号 | 故障识别所需时间/s | ||
|---|---|---|---|
| 传递熵 | FPA-kNN | DIM-CM-FPA-kNN | |
| 1 | 302.36 | 226.28 | 117.48 |
| 2 | 302.50 | 234.03 | 140.65 |
| 3 | 304.72 | 237.54 | 117.78 |
| 4 | 303.45 | 232.72 | 122.40 |
| 5 | 308.18 | 223.66 | 114.47 |
| 6 | 291.15 | 226.41 | 139.68 |
| 7 | 305.26 | 222.82 | 112.77 |
| 8 | 306.26 | 234.65 | 205.86 |
| 9 | 304.61 | 234.65 | 115.79 |
| 10 | 310.42 | 227.99 | 93.27 |
| 11 | 336.56 | 236.47 | 112.45 |
| 12 | 307.43 | 230.46 | 113.37 |
| 13 | 306.11 | 226.75 | 212.70 |
| 14 | 306.22 | 233.85 | 233.22 |
| 15 | 304.10 | 230.93 | 122.22 |
| 平均时长 | 306.62 | 230.61 | 138.27 |
表4 不同方法下TEP的15种故障识别所需时长
Table 4 15 fault identification duration of TEP under different methods
| 故障编号 | 故障识别所需时间/s | ||
|---|---|---|---|
| 传递熵 | FPA-kNN | DIM-CM-FPA-kNN | |
| 1 | 302.36 | 226.28 | 117.48 |
| 2 | 302.50 | 234.03 | 140.65 |
| 3 | 304.72 | 237.54 | 117.78 |
| 4 | 303.45 | 232.72 | 122.40 |
| 5 | 308.18 | 223.66 | 114.47 |
| 6 | 291.15 | 226.41 | 139.68 |
| 7 | 305.26 | 222.82 | 112.77 |
| 8 | 306.26 | 234.65 | 205.86 |
| 9 | 304.61 | 234.65 | 115.79 |
| 10 | 310.42 | 227.99 | 93.27 |
| 11 | 336.56 | 236.47 | 112.45 |
| 12 | 307.43 | 230.46 | 113.37 |
| 13 | 306.11 | 226.75 | 212.70 |
| 14 | 306.22 | 233.85 | 233.22 |
| 15 | 304.10 | 230.93 | 122.22 |
| 平均时长 | 306.62 | 230.61 | 138.27 |
| 节点 | 名称 | 节点 | 名称 | 节点 | 名称 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 天然气入口流量 | 11 | 工艺空气压缩机流量 | 21 | 合成塔温度 |
| 2 | 软质水入口流量 | 12 | 一段转化炉进口压力 | 22 | 合成塔压力 |
| 3 | 蒸汽阀门 | 13 | 压缩机出口压力 | 23 | 反应物流量 |
| 4 | 蒸汽流量 | 14 | 二段转化炉出口压力 | 24 | 液氨贮槽 |
| 5 | 一段转化炉温度 | 15 | 变换塔冷却器温度 | 25 | 锅炉水预热器 |
| 6 | 一段转化炉流量 | 16 | 变换塔气体出口温度 | 26 | 锅炉水入口温度 |
| 7 | 二段转化炉流量 | 17 | 气液分离器 | 27 | 低变炉入口温度 |
| 8 | 一段转化炉压力 | 18 | 甲烷化炉 | 28 | 低变炉出口成分 |
| 9 | 二段转化炉温度 | 19 | 氨压缩机 | 29 | 天然气阀门 |
| 10 | 二段转化炉压力 | 20 | 合成塔液位 | 30 | 空气阀门 |
表5 合成氨工艺流程监测变量
Table 5 Monitoring variables of synthetic ammonia process flow
| 节点 | 名称 | 节点 | 名称 | 节点 | 名称 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 天然气入口流量 | 11 | 工艺空气压缩机流量 | 21 | 合成塔温度 |
| 2 | 软质水入口流量 | 12 | 一段转化炉进口压力 | 22 | 合成塔压力 |
| 3 | 蒸汽阀门 | 13 | 压缩机出口压力 | 23 | 反应物流量 |
| 4 | 蒸汽流量 | 14 | 二段转化炉出口压力 | 24 | 液氨贮槽 |
| 5 | 一段转化炉温度 | 15 | 变换塔冷却器温度 | 25 | 锅炉水预热器 |
| 6 | 一段转化炉流量 | 16 | 变换塔气体出口温度 | 26 | 锅炉水入口温度 |
| 7 | 二段转化炉流量 | 17 | 气液分离器 | 27 | 低变炉入口温度 |
| 8 | 一段转化炉压力 | 18 | 甲烷化炉 | 28 | 低变炉出口成分 |
| 9 | 二段转化炉温度 | 19 | 氨压缩机 | 29 | 天然气阀门 |
| 10 | 二段转化炉压力 | 20 | 合成塔液位 | 30 | 空气阀门 |
| 对比方法 | 平均用时/s | 平均路径数/条 | 平均准确率/% |
|---|---|---|---|
| 传递熵 | 62.76 | 19.12 | 90.23 |
| FPA-kNN | 42.53 | 18.32 | 88.09 |
| DIM-CM-FPA-kNN | 16.37 | 15.00 | 95.08 |
表6 3种方法运行对比
Table 6 Comparison of operation of the three methods
| 对比方法 | 平均用时/s | 平均路径数/条 | 平均准确率/% |
|---|---|---|---|
| 传递熵 | 62.76 | 19.12 | 90.23 |
| FPA-kNN | 42.53 | 18.32 | 88.09 |
| DIM-CM-FPA-kNN | 16.37 | 15.00 | 95.08 |
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