應用經遺傳算法優化的BP神經網絡預測催化裂化裝置焦炭產率

蘇鑫，裴華健，吳迎亞，高金森，藍興英（中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室，北京 102249）

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應用經遺傳算法優化的BP神經網絡預測催化裂化裝置焦炭產率

蘇鑫，裴華健，吳迎亞，高金森，藍興英
（中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室，北京 102249）

摘要：焦炭是催化裂化裝置的主要副產物，準確預測催化裂化焦炭產率對提高裝置的操作平穩度和經濟效益具有重要意義。人工神經網絡（ANN）具有強大的自學習和自適應能力，在非線性預測方面具有明顯的優勢。本研究將遺傳算法（GA）與BP神經網絡相結合，基于某煉廠催化裂化裝置的生產數據，分別從原料、催化劑和操作條件3個方面選取28個關鍵影響參數建立了催化裂化焦炭產率預測模型，分別將BP神經網絡和經遺傳算法優化的BP神經網絡（GA-BP）的預測結果與工業數據進行對比。結果表明，經遺傳算法優化的預測模型無論在預測結果的準確性還是穩定性方面效果更好。最后，本研究還通過考察原料殘炭、反應溫度等單一關鍵參數對焦炭產率的影響，進一步證明了經遺傳算法優化的BP神經網絡預測模型的準確性。

關鍵詞：催化裂化；焦炭產率；神經網絡；遺傳算法

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

催化裂化（FCC）是重質油輕質化的重要手段之一，可以通過將重質原料最大程度地轉化為輕質油和高質量產品來提高煉油行業的經濟效益。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原料油在催化劑和適宜的溫度和壓力的作用下轉化為干氣、液化氣、汽油、柴油和焦炭等。隨著原油重質化劣質化程度的不斷加劇，催化裂化裝置的焦炭產率不斷增加，嚴重影響了裝置運行的經濟效益。催化裂化焦炭是原料發生縮合反應的產物，焦炭產率增加不但通過催化裂化反應的碳平衡使汽油、柴油等輕質油品產率降低，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深度降低輕質油品的收率下降[3]。另外，催化裂化裝置的焦炭產率也決定了裝置的熱平衡[4]，如果裝置焦炭產率波動較大會嚴重影響裝置的熱平衡，增加操作復雜性，焦炭產率過大還會增加再生器的負荷。因此，將催化裂化裝置焦炭產率控制在較低的小范圍內波動對于裝置的生產操作和提高裝置的經濟效益具有重要作用，而其前提是能夠準確地預測裝置當前運行狀態下的焦炭產率。焦炭產率不但與原料的反應情況相關而且與催化劑的再生過程關系密切。催化裂化裝置工藝復雜，連續程度高，反應機理復雜[5]，其反應過程受原料性質、催化劑性質以及操作條件相互影響，用傳統的數學模型來描述催化裂化的整個反應過程有一定的難度[6]。近年來，基于數據分析的數學建模方法已經成為一個新的努力方向。

人工神經網絡（artificial neural network，ANN）是一種可以模擬人類大腦的結構和功能的智能算法，具有強大的自學習和自適應能力以及分布并行處理能力，可以進行多變量影響程度分析和非線性預測分析，近年來得到越來越廣泛的應用[7-9]。目前，應用相對成熟的神經網絡有BP神經網絡[10]、GRNN神經網絡、RBF網絡[11]等。神經網絡具有以下優點：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能夠進行并行分布式處理；④自學習與自適應性強；⑤可同時處理多種定性和定量的數據。BP神經網絡是一種多層前饋型的神經網絡，該網絡最主要的特點就是信號向前傳遞，誤差向后傳遞。BP神經網絡可以通過樣本數據訓練實現從n維空間到m維空間的高度非線性映射關系，應用非常廣泛[12]。但BP神經網絡本身也存在一定的缺陷，其主要體現在開始訓練樣本階段，初始權值和閾值都是隨機生成的，其不確定性會影響到模型的映射效果，即預測精度。遺傳算法（genetic algorithm，GA）是一種并行隨機搜索最優化方法，具有全局尋優的特點，容易得到全局最優解[13]。如果能將遺傳算法得到的結果作為BP神經網絡的最佳初始權值和閾值再開始訓練，就可以有效地改善BP神經網絡的預測準確性和穩定性。本研究通過經GA優化的BP神經網絡建立一個能夠準確預測催化裂化裝置焦炭產率的模型，以某煉廠催化裂化裝置為研究對象，對其焦炭產率進行預測并與工業數據進行對比分析，驗證模型預測的準確性和穩定性。

1 焦炭產率預測模型的構建

1.1 數據的采集與預處理

本研究以某煉廠催化裂化反應-再生系統作為研究對象，通過現場DCS系統采集了2013年3月至2015年4月間約500個監控點的數據，總共約7000萬組數據，把這些數據作為本文作者課題研究的初始數據庫。催化裂化典型的反應-再生系統工藝流程，如圖1所示[3]，通過對反應-再生系統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，并結合所采集數據的質量、頻次和特點等，分別針對原料、催化劑以及操作條件三大類參數，篩選出影響焦炭產率的關鍵參數，最終得到28個關鍵性影響參數，如表1所示。

圖1 催化裂化反應-再生系統工藝流程圖

由于某些客觀原因，比如裝置測量儀表損壞、數據信號傳輸過程中失真等因素，所采集到的數據可能出現異常情況，其表現為部分數據缺失、數據突變、數據為0或負值等。對于這些異常數據，本研究根據對催化裂化各類工藝參數的理解，對這些異常值進行預處理。數據預處理原則遵循以下幾點：①保證所選時間段的所有參數都有值；②剔除或使用臨近數據的平均值替代異常數據；③利用萊特準則剔除部分偏離均值較大的數據；④統一各參數的統計時間。

表1 影響焦炭產率的關鍵性參數

通過分析數據的特點，最后決定將數據的采集時間統一為60min，即將采集頻率小于60min的數據進行平均處理，將采集頻率大于60min的參數進行擴大化處理。按照以上思路選取現場裝置約兩個月的時間作為研究對象，對表1中X1～X28以及焦炭產率（Y1）進行預處理得到1295組數據如表2所示。

1.2 BP神經網絡的構建

1.2.1 BP神經網絡

BP神經網絡[14]是一種多層前饋型神經網絡，該神經網絡的主要特點是信號向前傳遞，誤差向后傳遞。BP神經網絡由輸入層，隱含層和輸出層三層結構組成，如圖2所示。BP神經網絡通常將S形函數（Log-Sigmoid或Tan-Sigmoid）作為傳遞函數。所謂的反向傳播學習算法就是輸入信息從輸入層經過隱含層最后傳至輸出層。如果輸出誤差較大，那么就將誤差信號沿著原來的途徑返回進行反向學習，在返回過程中通過修改各神經元之間的連接權值和閾值，得到新的輸出誤差，直到誤差信號最小。

表2 預處理之后的影響催化裂化焦炭產率部分數據

如圖2所示，輸入值為X1，X2，??，Xn，輸出值為Y1，Y2，??，Ym，連接權值為ωij和ωjk。從拓撲結構圖中看出，BP神經網絡相當于一個非線性函數，將輸入值映射到輸出值。

圖2 BP神經網絡拓撲結構圖

1.2.2 BP神經網絡預測模型的構建

將預處理之后的1295組所有的數據參照式(1)進行歸一化處理，使其分布在0～1之間。

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

將歸一化處理之后的數據分成訓練組和預測組，再利用Matlab中的newff函數創建BP神經網絡，然后將利用新構建的神經網絡模型的預測結果進行反歸一化，得到最終結果。

本研究采用輸入層、輸出層和隱含層各一層的三層BP神經網絡結構。歸一化后將28個關鍵性參數作為輸入層，焦炭產率作為輸出層，因此輸入層和輸出層的神經元個數分別為28和1。隱含層節點數的選擇參考式(2)[4]。

式中，m為輸入層的節點數；n為輸出層的節點數。

由式(2)可知，該神經網絡的隱含層節點數在6～16之間，利用newff函數訓練樣本數據構建BP神經網絡模型。選取其中的647組數據訓練BP神經網絡得到預測模型，剩余的648組數據作為預測樣本驗證模型的準確性。

1.3 遺傳算法優化BP神經網絡

遺傳算法是一種并行隨機搜索最優化方法，可以在全局范圍內進行尋優。它模擬“優勝劣汰，適者生存”的自然界進化原理，按照所定義的適應度函數對個體進行反復篩選，反復循環，直到滿足條件。如果能將遺傳算法尋優得到的最優初始權值和閾值賦予BP神經網絡并開始訓練，就可改善BP神經網絡模型的預測準確性和穩定性[15-16]，其優化過程如下：① 編碼權值或閾值并隨機產生一組各神經元之間的連接權值或閾值；②輸入訓練樣本，算出它的誤差，并定義絕對誤差之和為適應度函數，若誤差越小，則適應度越小，反之適應度就大，以此為標準來評價連接權值或閾值的優劣性；③從步驟②中篩選出絕對誤差之和較小的個體，直接將其遺傳給下一代；④通過交叉、變異等操作進化當前群體，產生下一代群體；⑤重復步驟②～④，這樣神經網絡的初始權值或閾值得到不斷更新，直到足夠多進化代數的適應度保持不變。

2 結果與討論

2.1 BP神經網絡模型預測結果分析

將預測樣本數據代入所得的BP神經網絡預測模型中，計算得到每個時間點的焦炭產率，并根據式(3)和式(4)計算預測的相對誤差和平均相對誤差，然后在相同條件下進行20次的訓練和預測，并計算不同隱含層節點數下20次預測的平均相對誤差的平均值，如圖3所示，分別比較不同數量隱含層節點20次預測結果平均相對誤差的平均值。

由圖3可看出，當隱含層節點數為12時平均相對誤差最小，因此，認為最佳隱含層節點數為12，故BP神經網絡拓撲結構為28-12-1型，本研究的后續工作均是基于該拓撲結構的BP神經網絡進行討論分析的。

圖3 不同數量隱含層節點焦炭產率預測值的平均相對誤差

本研究使用完全相同的訓練和驗證數據庫，并保持BP神經網絡相關參數不變，多次訓練和驗證發現結果存在一定差異，選取兩次訓練結果并根據式(3)和式(4)分別計算平均相對誤差，其結果分別為3.43%和4.33%。圖4表示了這兩次同等條件下訓練的BP神經網絡預測結果誤差。從圖4中可以看出，兩次訓練結果存在差異，而且最大誤差將近25%，說明BP神經網絡訓練結果不穩定，這主要是由于BP神經網絡是隨機選取初始權值和閾值，這種隨機性會造成訓練模型準確度和穩定性都大幅降低[17]。

圖4 兩次訓練得到的BP神經網絡預測結果誤差示意圖

2.2 經遺傳算法優化的BP神經網絡模型預測結果分析

針對BP神經網絡的隨機選取初始權值和閾值的缺陷，本研究采用遺傳算法對BP神經網絡的初始權值和閾值進行優化，確定最佳的初始權值和閾值，將一定的初始權值和閾值賦予BP神經網絡就可以消除其結果的隨機性，提高模型的準確性和穩定性[18]。本研究利用遺傳算法進化1000代，得到最優個體適應度變化曲線圖，如圖5所示。由圖5可知，最終得到的最優個體適應度為31.697，對應的進化代數為558，之后442代適應度不再發生變化，因此，可以判定此時已達到個體最優適應度。將該尋優結果得到的初始權值和閾值賦予BP神經網絡進行模型訓練，其多次訓練得到模型的預測結果完全一致。

圖5 遺傳算法個體適應度尋優曲線

利用經遺傳算法優化的BP神經網絡得到的預測模型（GA-BP）對催化裂化的焦炭產率進行預測，將預測結果與工業數據進行對比分析，如圖6所示。

由圖6可以看出，經遺傳算法優化后的BP神經網絡模型的預測值總體趨勢與工業數據吻合較好，基本上沒有出現偏差較大的預測值。由式(3)計算得到預測值的相對誤差，如圖7所示。

圖6 GA-BP神經網絡預測的焦炭產率與工業數據對比

圖7 GA-BP神經網絡預測的焦炭產率相對誤差

由圖7可以看出，利用經遺傳算法優化后的BP神經網絡預測模型得到的焦炭產率的相對誤差大于10%的點僅20個左右，僅占總預測樣本數的3.1%，而且絕大多數預測值的相對誤差都在5%以下，表明該預測模型的預測效果非常好，能夠準確地對焦炭產率進行預測。由式(4)和式(5)計算平均相對誤差和均方誤差，其結果分別為2.94%和0.111。因此，無論是從預測結果的準確性還是預測穩定性上來看，經遺傳算法優化的BP神經網絡預測模型能起到良好的預測效果。

式中，MSE為均方誤差；Xi為實際值；Yi為預測值；n為樣本數據個數。

經過遺傳算法優化的BP神經網絡（GA-BP）和未經過遺傳算法優化的BP神經網絡（BP）預測結果與工業數據對比如圖8。從圖8中可以看出，兩種預測模型的預測結果整體趨勢上與工業數據相符。為方便對比分析，將圖8中某段時間數據進行放大，取圖中390～430h的數據放大后如圖9所示。從圖9中可以看出，雖然兩種預測模型的預測結果在整體趨勢上與工業數據基本相符，但經遺傳算法優化的BP神經網絡比未經優化的BP神經網絡預測預測值更接近工業數據，這主要是遺傳算法可以賦予BP神經網絡最佳的初始權值和閾值，這樣便提高了預測模型的準確性。因此，遺傳算法不但可以提高BP神經網絡預測的穩定性還可以提高其準確性。

2.3 經遺傳算法優化的BP神經網絡模型驗證

基于上述研究，為進一步驗證所建立模型的準確性，本研究應用GA-BP神經網絡預測模型考察催化裂化裝置中的某單一關鍵性影響參數對焦炭產率的影響，其基本思路為：使用標定工況的原料性質、催化劑性質和操作參數，只改變其中某一個關鍵性參數，得到一組裝置的運行工況，將這一組工況分別帶入預測模型，得到焦炭產率的預測值。現分別從原料性質、催化劑性質和操作條件等方面選取幾個具有代表性的關鍵性參數進行深入研究，分析其對焦炭產率的影響。

圖8 BP神經網絡和經遺傳算法優化的BP神經網絡預測結果與工業數據對比圖

圖9 某時間段內BP神經網絡和經遺傳算法優化的BP神經網絡預測結果與工業數據對比圖

本研究首先考察了原料殘炭對催化裂化焦炭產率的影響，其具體步驟是使用裝置標定工況控制除原料殘炭值外的其他27個操作參數不變，只改變原料油的殘炭，使其在正常范圍內取值，得到一組的操作工況。分別將這一組操作工況代入到GA-BP預測模型中，得到不同原料殘炭值標定工況下的焦炭產率。采用類似的方法又分別考察了催化劑循環量、預混合溫度和反應溫度對催化裂化焦炭產率的影響，其結果如圖10～圖13所示。

圖10 原料殘炭值對焦炭產率的影響

圖11 催化劑循環量對焦炭產率的影響

圖10表示了原料殘炭值對焦炭產率的影響情況，由圖可見隨原料殘炭值的增加，焦炭產率隨之增加。這主要是由于原料殘炭增加，原料油的瀝青質、膠質和稠環芳烴含量增加，而稠環芳烴正是生焦的前身物，因此焦炭產率會隨之增加[19]。圖11表示了催化劑循環量對焦炭產率的影響情況，可見隨著催化劑循環量的增大，焦炭產率隨之增加。這主要是由于在該催化劑循環量的取值范圍內，催化劑循環量增加，劑油比增加，則單位質量油氣接觸的催化劑活性中心的個數增加，反應速率和轉化率相應增加，最后導致焦炭產率增加。圖12表示了預混合溫度對焦炭產率的影響情況，可見隨預混合溫度的升高，焦炭產率隨之增加。這主要是由于在該預混合溫度操作范圍內，預混合溫度越高，油氣與催化劑的溫差增大，更容易出現局部過熱的現象，使熱裂化反應程度加深，催化劑迅速積炭活性下降，催化裂化反應減弱，原料中的重組分不能與催化劑的活性中心充分接觸，降低催化裂化反應而增加熱裂化反應，焦炭產率升高[20]。圖13表示了反應溫度對焦炭產率的影響情況，可見隨著反應溫度的升高，焦炭產率逐漸降低但當溫度升高到一定程度時焦炭產率又呈上升趨勢。這主要是由于隨著反應溫度的升高催化裂化反應速率增大，同時熱裂化反應也逐漸提高，當反應溫度升高到一定程度時，熱裂化反應漸趨重要，使焦炭產率有所增加[21]。圖10～圖13的研究結果表明，利用GA-BP神經網絡預測模型考察的原料殘炭等單一關鍵性影響參數對催化裂化焦炭產率的影響，其結果與催化裂化的反應機理完全相符，進一步證明了該預測模型的準確性。

圖12 預混合溫度對焦炭產率的影響

圖13 反應溫度對焦炭產率的影響

3 結 論

基于某煉廠催化裂化車間DCS系統中的生產數據，以原料性質、催化劑性質和操作條件3個方面共28個影響催化裂化焦炭產率的關鍵參數為輸入參數，所對應的焦炭產率作為輸出應用經遺傳算法優化的BP神經網絡構建催化裂化焦炭產率預測模型，研究結果表明利用經遺傳算法優化的BP神經網絡可以建立能夠準確預測催化裂化焦炭產率的預測模型，使用現場某段時間數據進行模型驗證，預測的平均相對誤差為2.94%，均方誤差為0.111。與未經優化的BP神經網絡預測結果相比，遺傳算法不但可以解決BP神經網絡隨機選取初始權值和閾值造成的預測結果不穩定的問題，而且還可以通過搜索最優的初始權值和閾值賦予BP神經網絡提高模型的準確性。應用所建立的GA-BP神經網絡預測模型，分別考察了原料殘炭、催化劑循環量、預混合溫度和反應溫度對焦炭產率的影響，其影響趨勢與催化裂化的反應機理完全相符，進一步說明了所建模型的準確性。

參 考 文 獻

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·技術信息·

芳烴成套技術及應用獲國家科技進步特等獎

2015年度國家科學技術獎的評選結果近日揭曉。高效環保芳烴成套技術及應用、京滬高速鐵路工程獲得國家科學技術進步獎特等獎；多光子糾纏干涉度量學獲得國家自然科學獎一等獎；國家技術發明獎一等獎為南昌大學硅襯底LED項目；最高科學技術獎空缺。

獲得國家自然科學獎二等獎的化學類項目有：高壓下鈉和鋰單質及二元化合物的結構與物性、活體層次定量獲取化學信號的新原理和新方法研究、分子尺度分離無機膜材料設計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和生物分析化學研究、生物分子識別的分析化學基礎研究等。

獲得國家技術發明獎二等獎的化學類項目有：定向轉化多元醇的生物催化劑創制及其應用關鍵技術、酵母核苷酸的生物制造關鍵技術突破及產業高端應用、節油輪胎用高性能橡膠納米復合材料的設計及制備關鍵技術、乙烯三聚制1-己烯新型催化體系及成套工藝技術、特種液晶材料及調光膜制備技術、耐高溫雜化硅樹脂及其復合材料制備關鍵技術、基于拉伸流變的高分子材料綠色加工成型技術等。

獲得國家科學技術進步獎二等獎的化學類項目有：PTT和原位功能化PET聚合及其復合纖維制備關鍵技術與產業化、滿足國家第四階段汽車排放標準的清潔汽油生產成套技術開發與應、青海鹽湖低品位難開發鉀鹽高效利用技術、冷再生劑循環技術重油催化裂化裝置工業應用、有機氟單體及高性能氟聚合物產業化新技術開發、紅外吸收微粒的表面改性及在節能樹脂中的應用、有機肥作用機制和產業化關鍵技術研究與推廣、生物靶標導向的農藥高效減量使用關鍵技術與應用、廢輪胎修筑高性能瀝青路面關鍵技術及工程應用等。

2015年度國家科學技術獎共授獎295項成果和7位外籍科技專家。國家自然科學獎42項，國家技術發明獎66項，國家科學技術進步獎187項，授予7名外籍科技專家國際科學技術合作獎。

研究開發

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：TE 624

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）02–0389–08