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湿法脱硫入口 SO2浓度对脱硫效率影响 的非线性回归分析 侯鹏飞 1 白建云 1 张恒吉 2 1. 山西大学工程学院， 太原 030006;2. 太原第二热电厂， 太原 030021 摘要 通过对太原二电厂 11 号 FGD 现场 168 运行数据采用一元非线性回归分析和基于距离判别法的多元非线性回 归分析两种不同的分析方法， 利用最小二乘曲线拟合法建立了不同出口 SO2浓度范围内的入口 SO2浓度与脱硫效率 的非线性回归方程， 为实际运行过程中脱硫效率的预测和分析提供理论依据。此外， 分析了入口 SO2浓度对脱硫效率 的影响， 为运行人员在实际运行过程中提高脱硫效率而提供控制思路。 关键词 脱硫效率; 入口 SO2浓度; 最小二乘拟合; 非线性回归; 距离判别 NONLINEAR REGRESSION ANALYSIS OF IMPACT OF INLET SO2CONCENTRATION ON DESULPHURIZATION EFFICIENCY OF WET DESULPHURIZATION TECHNOLOGY Hou Pengfei1Bai Jianyun1Zhang Hengji2 1. School of Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China; 2. Taiyuan Second Thermal Power Plant，Taiyuan 030021，China AbstractBased on the 168 data at No. 11 FGD site of Taiyuan Second Thermal Power Plant，this paper makes use of single nonlinear regression analysis and multiple nonlinear regression analysis s that is based on distance estimation ， achieves the nonlinear regression equation between inlet SO2concentration and desulphurization efficiency in different outlet SO2concentration ranges using least square ， which provides a theoretic basis for prediction and analysis of desulphurization efficiency in practical operation. Besides，it analyzes the impact of inlet SO2concentration on desulphurization efficiency，and provides a kind of control in heightening desulphurization efficiency for operators in practical operation. Keywordsdesulphurization efficiency; inlet SO2concentration; least square ; nonlinear regression; distance estimation 0引言 目前， 火力发电厂所排放的 SO2已成为大气的主 要污染源之一， 为了有效控制 SO2的排放， 火电机组 均已配置了脱硫设备。在脱硫技术中， 以石灰石湿法 烟气脱硫工艺 WFGD 最为成熟。 影响 WFGD 脱硫效率的主要因素有 SO2浓度、 烟气流量、 浆液 pH 值、 供浆量、 液气比 L/G、 钙硫比 Ca/S 等 ［ 1- 2］。为了更好地控制脱硫效率以达到国家 排放标准， 深入研究脱硫效率与各因素之间的关系显 得尤为重要。然而， 为了保证火电机组的安全运行， 在脱硫运行过程中不可能通过大量的扰动试验进行 具体研究和分析。目前， 关于脱硫效率与各因素间的 关系主要建立在国内外脱硫系统的运行经验以及对 脱硫工艺的定性分析基础之上 ［ 3］。对于特定的脱硫 系统中不同的运行工况而言， 通过运行数据进行分析 和研究是最直接也是最有力的方法。 本文依据太原二电厂现场实际工况的 168 运行 数据， 采用两种不同的方法筛选出合适的观测数据， 并利用最小二乘曲线拟合的方法建立了入口 SO2浓 度与脱硫效率的非线性回归方程， 分析了入口 SO2浓 度对脱硫效率的影响， 从而为脱硫设备的实际运行和 脱硫效率的预测提供了一种新的分析方法。 1一元非线性回归分析 脱硫效率的计算方法主要有三种 ［ 4］。作者在研 究过程中发现， 太原二电厂脱硫效率的计算采用入口 SO2浓度和出口 SO2浓度的方法， 因此， 文章采用同 样的计算方法以保证研究方法的一致性。脱硫效率 计算公式见式 1 ［ 5］ 44 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 ηSO2 CSO2， in－ CSO2， out CSO2， in 100 1 － CSO2， out CSO2， in 100 1 式中ηSO2为脱硫效率， ;CSO2， in为入口 SO2浓度， mg/m3;CSO2， out为出口 SO2浓度， mg/m3。 由式 1 可知 在出口 SO2浓度一定的条件下， 入口 SO2浓度增大， 则脱硫效率也随之增大。设 η SO2 的第 i 次观测值为 yi， CSO2， in的第 i 次观测值为 xi， CSO2， out为 ai， 则可得到脱硫效率与入口 SO2浓度的一 元非线性回归模型见式 2 yi a0－ a1 1 xi ε i 2 式中εi为第 i 次观测的随机误差项。 1. 1观测值的筛选 由于实际运行数据的变化范围较大， 为了获得在 出口 SO2浓度一定时的脱硫效率与入口 SO2 浓度的 非线性回归方程， 需要对运行数据进行筛选， 将变化 范围较小的出口 SO2浓度观测数据提取出来进行 分析。 本研究依据太原二电厂 11 号 FGD168 运行参 数， 筛选前出口 SO2质量浓度变化范围为 81. 93 ～ 116. 62 mg/m3。通过在 MATLAB 环境下编写 m 程 序， 先将观测数据无量纲化， 并标准化处理至［ 0， 1］ 区间， 分析过程中变化幅度选取 0. 04， 则最终从 85 个出口 SO2浓度观测数据中选取了 10 个观测数据， 见表 1。筛选后的出口 SO2质量浓度变化范围保持 在93. 22 ～ 94. 39 mg/m3之间。 表 1一元非线性回归分析中筛选后的运行参数 序号 脱硫效 率 / 入口 SO2质量 浓度 / mg m － 3 出口 SO2质量 浓度 / mg m － 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 97. 43 97. 48 97. 49 97. 08 97. 40 97. 28 96. 92 96. 98 96. 88 97. 06 3646. 93 3728. 06 3724. 47 3206. 00 3592. 74 3452. 96 3023. 51 3093. 85 3018. 40 3215. 02 93. 77 94. 04 93. 56 93. 55 93. 54 93. 96 93. 22 93. 42 94. 18 94. 39 1. 2非线性回归方程的确定 对筛选后的观测数据采用最小二乘曲线拟合， 拟 合曲线如图 1 所示。由图 1 可见， 曲线的拟合程度非 常好。同时， 得到的一元非线性回归方程见式 3 y a0－ a1 1 x 1. 0000 － 93. 7546 1 x 3 图 1入口 SO2浓度对脱硫效率的影响曲线 由 图 1 可 知， 当 出 口 SO2质 量 浓 度 保 持 在 93. 22 ～ 94. 39 mg/m3时， 脱硫效率随着入口 SO2浓 度的增加而增大。 2多元非线性回归分析 根据脱硫效率的计算公式 1 可知， 出口 SO2浓 度直接影响脱硫效率。显然， 烟气流量、 浆液 pH 值、 供浆量、 液气比 L/G、 钙硫比 Ca/S 等因素是通过影响 出口 SO2浓度间接影响脱硫效率的。 考虑到以上多种因素与脱硫效率之间模型的复 杂性 ［ 6］， 本部分采用距离判别法将多因素与脱硫效 率之间的多元非线性关系转变成出口 SO2浓度与脱 硫效率之间的一元非线性关系进行分析研究。 2. 1观测向量的筛选 首先在 MATLAB 环境下编写 m 程序对烟气流 量、 浆液 pH 值、 供浆量、 液气比 L/G、 钙硫比 Ca/S 等 5 个参数无量纲化， 并标准化处理至［ 0， 1］ 区间， 然后 将处理后的观测数据组成一个观测向量 xi ［ xi1， xi2， xi3， xi4， xi5］ T， 其中 x i表示第 i 个观测向量， xi1表 示第 i 个观测向量的烟气流量， xi2表示第 i 个观测向 量的浆液 pH 值，xi3表示第 i 个观测向量的供浆量， xi4表示第 i 个观测向量的液气比 L/G， xi5表示第 i 个 观测向量的钙硫比 Ca/S，［ ］ T 表示转置运算。 观测向量贴近程度越小， 则出口 SO2浓度变化越 小。为了筛选出贴近程度较小的观测向量， 运用距离 判别分析法对 85 组观测向量进行距离判别。常用的 距离是明考斯基 Minkowski 距离 ［ 7］， 其表达式见 式 4 54 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 dij q ∑ p k 1 xik－ xjk[] q 1 q 4 式中dij表示第 i 个观测向量与第 j 个观测向量间的 距离，xik表示第 i 个观测向量的第 k 个指标， x jk表示 第 j 个观测向量的第 k 个指标。本次研究中 p 5， q 1。 考虑到 5 个指标对距离的影响程度有所不同， 因 此计算过程中将式 4 采用加权算法， 其表达式见 式 5 dij q ∑ p k 1 wk xik－ xjk[] q 1 q 5 式 中 wk表 示 第 k 个 指 标 的 权 值 ，并 且 满 足 ∑ p k 1 wk 1。 为了获得波动范围较小的出口 SO2浓度， 供浆量 作为可控因素之一需要随入口 SO2浓度的变化而变 化， 而烟气流量作为吸收塔入口烟气参数之一也会有 所变化， 因此在计算距离的过程中不予考虑， 将其权 值设为 0。综合考虑后权值向量 w ［ 0， 0. 2， 0， 0. 4， 0. 4］ T。在数据筛选时， 取 d ij≤ 0. 01， 最终从 85 组观 测向量中选取出 7 组数据， 见表 2。 由表 2 可知， 采用距离分析法筛选出的观测数 据， 出 口 SO2浓 度 变 化 范 围 保 持 在 100. 07 ～ 101. 97 mg/m3之间。由此可见， 在进行多元回归分析 中， 采用距离分析法通过适当调整观测向量间的距离 dij， 可以间接筛选出变化范围较小的观测数据， 从而 将多元非线性关系转变成一元非线性关系进行研究。 表 2多元非线性回归分析中筛选后的运行参数 序号 脱硫效 率 / 入口 SO2质量 浓度 / mg m － 3 出口 SO2质量 浓度 / mg m － 3 1 2 3 4 5 6 7 97. 16 97. 19 97. 24 96. 94 97. 27 97. 38 97. 00 3524. 84 3570. 24 3640. 44 3286. 56 3713. 07 3880. 91 3400. 07 100. 07 100. 34 100. 49 100. 73 101. 43 101. 64 101. 97 2. 2非线性回归方程的确定 对筛选后的观测数据采用最小二乘曲线拟合， 拟 合曲线如图 2 所示， 同时得到的一元非线性回归方程 见式 6 y a0－ a1 1 x 0. 9992 － 98. 1520 1 x 6 由图 2 可知， 当出口 SO2浓度保持在 100. 07 ～ 图 2入口 SO2浓度对脱硫效率的影响曲线 101. 97 mg/m3之间时， 脱硫效率随着入口 SO2浓度 的增加而增大。 3结语 通过对太原二电厂 11 号 FGD 现场 168 运行参 数分别采用一元非线性回归分析和基于距离判别法 的多元非线性回归分析两种不同的分析方法， 并利用 最小二乘回归分析法得出了在出口 SO2浓度波动范 围较小时的入口 SO2浓度与脱硫效率的非线性回归 方程和影响曲线， 可以得出如下结论 1 脱硫效率与入口 SO2浓度的非线性回归模型 为yi a0－ a1 1 xi ε i。 2 在出口 SO2浓度保持基本恒定的条件下， 脱 硫效率随着入口 SO2浓度的增加而增大。 3 在进行多元非线性回归分析时， 如果多元非 线性回归模型不确定， 则可以利用距离判别法将多元 非线性关系转化为一元非线性关系进行分析研究。 因此， 对于特定的脱硫系统而言， 在实际运行过 程中运行人员可以根据已建立的回归方程对脱硫效 率进行预测和分析， 通过控制石灰石浆液加入量、 浆 液循环泵流量等可控因素， 保证浆液 pH 值、 液气比 L/G、 钙硫比 Ca/S 等性能指标基本恒定， 可以使出口 SO2浓度保持基本恒定， 从而提高脱硫效率。 参考文献 ［1 ］ 李海， 管一明， 王飞. 影响湿式石灰石烟气脱硫系统脱硫效率的 因素分析［J］ . 电力环境保护， 2007， 23 2 28- 30. ［2 ］ 郝艳红， 邱丽霞， 白静利. 石灰法处理烟气中二氧化硫的实验研 究［J］ . 电站系统工程， 2009， 25 3 9- 11. ［3 ］ 张三虎， 包俊江. 湿法烟气脱硫系统中影响脱硫效率的关键参 数［J］ . 环境工程， 2009， 27 2 22- 24. ［4 ］ 刘英华， 刘启贞， 徐建林. 燃煤电厂烟气脱硫设施脱硫效率计算 方法的探讨［J］ . 能源环境保护， 2008， 22 6 48- 51. 下转第 23 页 64 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 3. 3毒性屏蔽 废弃钻井液处理剂具有改善土壤理化性质和保 水保肥的能力， 且能屏蔽因金属离子或有机污染物引 起的毒性。向土壤中加入对植物生长有抑制作用的 铝元素， 使 Al3 浓度达到100 mg/kg， 通过发光细菌试 验可检测 3 天后土壤毒性指标 EC50 达120 mg/L左 右 ［ 6］。向土壤中添加废弃钻井液处理剂， 土壤毒性 保持在 未 添 加 Al3 时 的 水 平， 毒 性 指 标 EC50 为 10 000 mg/L左右， 见图 2。 图 2处理剂的毒性屏蔽作用 3. 4土壤微生物生长情况 废弃钻井液中的水分和有机质是微生物生长繁 殖的有利条件， 利用废弃钻井液进行沙漠土壤改良， 使微生物生长繁殖的营养和环境条件改善， 微生物大 量繁殖， 有利于沙漠生态系统的建立并形成良性循 环， 见表 5。 表 5改良前后土壤微生物对比 项目 土层剖面深度 /cm 0 ～ 55 ～ 1010 ～ 20 100 g 沙漠土壤微生物 /个1. 83 1041. 13 1040. 92 104 100 g 改良土壤微生物 /个11. 01 1048. 01 1046. 06 104 3. 5植物生长情况 在改良土壤中种植当地植物， 2 个月后检测分析 植物的柱高、 干重以及土壤中残存 N、 P、 K 含量， 并与 空白组进行对比， 以确定植物生长情况和对 N、 P、 K 吸收情况， 结果见表 6。 由表 5 可以看出， 利用废弃钻井液改良沙漠土壤 表 6改良土壤对植物生长的影响 项目 株高 / cm 干重 / g N / gkg － 1 P/ gkg － 1 K / gkg － 1 沙漠土壤14. 86. 426. 21. 2721. 0 改良土壤27. 59. 911. 30. 0913. 2 能显著改善植物的生长状况， 株高增加了约 2 倍， 植 物干重增加约 1. 5 倍。同时也强化了植物对土壤中 N、 P、 K 营养物质的吸收， 改善了土壤的离子环境。 4结论和认识 1 废弃钻井液具有高含水、 有机质和黏粒的特 点， 是沙漠土壤的有用成分， 可用来改良沙漠土壤。 2 利用废弃钻井液进行沙漠改良可改善土壤的 理化性质， 提高土壤保水、 保肥和增肥能力。 3 具有肥效特征的废弃钻井液处理剂不仅可提 高土壤肥力， 且能屏蔽由金属或有机污染物引起的 毒性。 4 利用废弃钻井液对沙漠土壤进行改良后， 土 壤微生物数量大幅增加， 植物株高增加了约 2 倍， 干 重增加约 1. 5 倍， 生态环境改善。 参考文献 ［ 1］ 鄢捷年. 钻井液工艺学［M］ . 东营 石油大学出版社， 2003 1- 2. ［ 2］ 朱墨， 张进， 赵雄虎. 废钻井液无害化处理的室内研究［J］ . 钻 井液与完井液， 1995，12 3 8- 14. ［ 3］ 徐辉， 王兵， 钱衫衫. 废钻井液固化处理实验研究［J］ . 环境科 学与管理， 2006，31 4 139- 141. ［ 4］ 黄冈， 迟祖望， 杨晓梅. 固体废弃物配施改良沙漠土的可行性研 究［J］ . 矿物岩石地球化学通报， 2008，27 1 63- 68. ［ 5］ 王志， 彭茹燕， 等. 毛乌素沙地南缘改良与利用风沙土性质研究 ［J］ . 水土保持学报， 2006，20 2 14- 17. 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