王 良
(同煤集团朔州煤电公司，山西 朔州 038300)
1 研究背景本文提出了利用火星温度预测模型预测煤地下气化过程中最关键的参数温度，即解决在活动矿山地下开采过程对温度的控制。因为天然气液化是一个强放热过程，提高合成气的质量，需要较高的温度。Hamanaka等[1]也表明,在煤炭地下气化效率或能量回收率过程中可以通过增加反应温度和扩大气化面积增加输出质量。因此,保持较高的温度且没有超过安全限度避免火灾的风险是一项至关重要的技术。
2 数据来源针对5.4 m厚煤层(位于大约460 m深)进行试验,气化试验持续了60 d,理论最大的煤炭气化能力600 kg/h,相当于3 MW气体焓值。表1给出了风干煤煤层特点。
为了测试几种替代方法并探索如何提高生产率，实验采用了不同的气化剂:空气、空气和氧气、空气和CO、空气和氮气及空气和水。
试验的主要阶段为冷却前的1 343 h，其主要阶段为：
a) 第一阶段:用烟火药点火后，煤通过富氧空气点火。这个阶段持续了193 h。
b) 第二阶段:气化剂为空气。在这一阶段，由于一个分离器的冷凝水平过高，出现了技术故障。通过增加空气量来重新开始操作。这个阶段持续了695 h。
表1 风干煤煤层特点
c) 第三阶段:气化剂为空气和二氧化碳，测试二氧化碳的行为。这个阶段持续了120 h。
d) 第四阶段:气化剂为空气，在二氧化碳阶段后对反应器进行再加热。这个阶段持续了173 h。
e) 第五阶段:气化剂为空气和氮气，通过逐渐增加氮气比例启动实验灭火。这个阶段持续了162 h。
f) 第六阶段:气化剂为氮气，用于灭火和冷却试验。该阶段持续时间超过500 h，不被认为是实验的特定部分。
由于实验是在一个活跃的矿井中进行的，所以它的设计要满足所有的采矿安全要求。此外，国家也对地质反应器出口气体的最高温度进行规定[2]。为了防止发生火灾，温度被设定在550 ℃。此外，当温度在600 ℃以上时，如果工艺气体泄漏到通道中，也有自燃的可能。
3 模型来源火星模型最初是由Ref[3]引入的。这类模型属于一组多元非参数回归技术，这些技术根据具体数据调整其参数。
采用分段多边形方法建立了火星模型。
通过将基函数拟合到X的不同区间。多项式的连接点用t表示，称为节点、击穿点或节。
为了确定应该参与模型的基本函数或它们的估计重要性，MARS使用了通用交叉验证(GCV)。通过计算每个变量的模型子集n的数目，计算剩余平方和(RSS)的均值，除以一个惩罚，这个惩罚取决于模型的复杂性[4-5]:
用于开发火星模型来预测本次实验温度的工具是R语言，使用EARTH工具包，它是由MDA衍生而来。为了开发图形，使用了GGPLOT2工具包。
4 实验结果预测模型对温度值的鲁棒性是通过对模型进行5次独立的再训练来确定的，每次都使用数据集的80%作为训练子集，并对剩下的20%进行验证。
随后，在实验的各个阶段建立火星模型，分析影响预测精度的因素和原因。
尽管火星模型建立了仅使用的数据从第一阶段气化剂使用富氧空气,该模型能够预测温度的值提前1 h的差异小于11 ℃在95%的情况(见表2)。这个阶段持续了193 h。
表2 实验各阶段实际值与预测值之间的绝对差的百分比
表中95%百分比值，即为分析中使用的值，比用整个实验的数据所作的预测更好。图1为实验第一阶段所用气化剂的温度和用量。
然而第二阶段时,气化剂使用的是空气,能够获得的模型计算温度提前一小时只有的差异小于19 ℃在95%的情况下(见表2)。这个阶段持续了695 h,因此在实验中是最长的阶段。
这种较低的精度可能与此阶段发生的技术故障有关，这是由于一个分离器的冷凝水平过高，导致实验温度范围更大。
图1 实验第一阶段的实际温度和气化剂用量
然而，与实验其他阶段的模型相比，第二阶段模型的准确性是最好的。图2为同期真实值与预测值的温度散点图。
图2 同一时间对应的实验第二阶段的实际(Temp_out)与预测值(Temp_outP1)的温度散点图
第三阶段，持续120 h，使用空气和二氧化碳作为气化剂。在这种情况下，得到的模型能够在95%的情况下提前1 h计算出温度，且差异小于5 ℃(见表2)。图3为实验第三阶段所用气化剂的温度和用量。第66页图4给出了与图2相同尺度下，这一阶段的温度真实值散点图与同期的预测值，以解释相对于第二阶段的精度差异。
图3 实际温度和气化剂在实验三阶段使用的数量
第四阶段，在二氧化碳阶段结束后，以空气为气化剂对反应器进行再加热，持续173 h，所得到的模型能够在95%的情况下提前1 h计算出温差小于8 ℃的温度(见表2)。在这种情况下，预测比使用整个实验数据时要好，但差异很小。这可能是由于，使用空气作为唯一的气化剂，类似于第二阶段，但没有使用其他气化剂的特殊情况下，没有技术停机时间。
图4 同一时间对应的实验第三阶段的真实值(Temp_out)与预测值(Temp_outP1)的温度散点图
第五阶段通过逐渐增加氮气比例启动实验灭火。在此情况下，得到的模型能够在95%的情况下提前1 h计算出温差小于11 ℃(见表2)。
此外，在这种情况下，由于参数之间的关系更稳定，只有空气和N2，所以比使用整个实验的数据得到了更好的预测使用。
第六阶段仅使用气化剂Nas对实验进行了熄灭和冷却。在这种情况下，所得到的模型不能用所有的实验数据来改善温度预测。在95%的情况下，提前1 h估计了温度，误差小于13 ℃(见表2)。
5 结论本研究的重点是使用多变量自适应回归样条(MARS)方法，煤矿试点开发的实验数据，利用UCG过程中的温度预测模型。实现了活动矿井防止火灾风险，同时在煤层气开采过程中获得最佳的合成气质量。
为了描述这个问题，输入变量以小时为单位进行测量:不同气化剂的用量、合成气的总流量和组成、温度和热值。输出变量是一小时前的合成气温度。
在95%的情况下，预测的合成气温度差小于15 ℃。该模型在经过5次再训练后证明了一致性，使用80%的数据集作为训练子集，其余20%用于验证。
在实验的不同阶段在较低的温度范围和较稳定的气化剂使用情况下，可以获得较好的预测结果。总而言之，火星模型能够高精度地预测气化过程参数之间的相互作用，即使只有少量的观测，并且在关于气化剂的数量和组成不断变化的环境中也能做到。在预期的一小时内预测合成气的温度，将在活动矿井内进行地下天然气的开采，在获得最佳合成气质量的同时，充分防止火灾风险。
