模糊聚類應用于循環冷卻水系統的水質診斷模式
黃興德，于 萍，羅運柏
（武漢大學化學與分子科學學院，湖北武漢430072）
摘 要：循環冷卻水系統換熱面上的沉積物，是系統存在結垢、腐蝕及微生物滋長的必然結果，對沉淀物的分析及水質診斷，可以及時了解系統運行時存在的各種水質異常的情況。本文通過對沉積物的模糊聚類分析，探討了沉積物的存在模式及其形成機理。在此基礎上，建立了循環冷卻水系統的水質診斷模式。
關鍵詞：模糊聚類 循環冷卻水 水質診斷 沉積物
1 前言
循環冷卻水系統中的各項水質指標始終處于動態變化之中。補充水水質及系統操作條件的偏離，可導致系統的結垢、腐蝕和微生物滋長。通常，我們把引起水質指標變化的現象稱之為循環冷卻水系統的水質異常。對于系統而言，水質指標變化是一種累積效應，這種累積效應最終將體現在系統換熱面上的變化，真中最主要的是沉積物在換熱面上的生成。一般而言，沉積物中包含水垢、淤泥、腐蝕產物和生物粘泥等四種類型的物質。由于主導因素的不同，導致沉積物的種類、組成和含量產生差異。但就某一具體的循環水系統而言，真主導因素往往又是確定的，決定了該系統的沉積物具有一定的穩定性。簡言之，沉積物是循環冷卻水系統各種微觀變化的物性記錄，攜帶著系統內各種長期存在的水質異常的各種信息。這啟發我們研究通過對確定性的沉積物的化學成分分析，來診斷不確定性的水質異常情況，為我們制定、調整新的水處理方案明確方向。因此，對循環冷卻水系統的沉積物進行聚類分析就顯得很有必要。
聚類分析是研究樣本或變量分類問題的一種科學有效的方法，其根本思想就是“物以類聚”。但經典分類法通常以單因素或有限幾個因素出發，憑經驗和專業知識對事物進行分類，這種分類具有非此即彼性。事實上事物本身具有內在的模糊性，即客觀事物的差異之間存在著中間過渡。因此，將模糊數學與聚類分析相結合，處理這種具有較強模糊性的問題，更符合人們的思維方式，分類結果也更切合實際。沉積物的分類問題缺乏足夠的先驗知識，沒有一個通行的分類準則，我們選擇的基于模糊等價夫系矩陣的聚類方法屬于非監督聚類方法，可以通過調整截集水平而自動聚類，并根據分類結果形成分類的因素特征的變化模式。
2 聚類原理
設論域U＝ ｛X1′，X2′，.....,Xn′｝為被分類對象，每一分類對象由p個特征因素分量刻畫，得到原始數據陣X′=｛Xij′｝n*p，其中Xij′為第i個分類對象相應于第j個指標的數值。具體過程如下：
2.1 數據標準化
避免因數據較小而使指標作用被喪失，同時將數據壓縮在［0，l］，滿足模糊矩陣要求。采用極差規格化法
Xij=(X′ij-X′min)/(X′jmax-X′minj)
式中，Xmax、X′minj分別表示｛X′1j, X′2j,....,X′nj｝的最大最小值。
２.2 標定——建立模糊相似矩陣
選用適當算子求取Xi與Ｘj的相似程度rij，建立相似關系矩陣Ｒ＝（rij),本文采用最大最小法求取
2.3 根據模糊等價矩陣聚類
利用平方法求相似矩陣R的傳遞閉包t(R)，即模糊等價矩陣R，t（R）滿足自反性、對稱性和傳遞性。按實際情況或統計方法確定閥值λ，按實際情況或統計方法確定閥值λ，對t(R)進行截取：
若R*λ（i,j）=1和j同類，依此原理根據截矩陣對樣本進行分類。設全部樣本存在m類模式，對每一類中的各因素值求取平均值，形成標準聚類中心Modei。
2.4 模糊識別和預測
將未知樣本Y（在論域U上）與標準聚類中心中各存在模式比較，求它們之間的貼近度：
其中。和分別表示模糊運算中的內積和外積。
根據擇近原則，即σ（Y，Mode）=maxσ(Y,Modei)(i∈[1,m]，確定未知樣本的歸屬。
全部運算程序用MATLAB編寫，如圖1所示。
3、應用與討論
3.1 數據來源與特征因素選擇
循環冷卻水系統材質主要為碳鋼、不銹鋼、鋁及銅合金，由于不同企業的循環冷卻水系統不同，組成系統的材質不同，我們選擇在各系統中運用最多的、最主要的碳鋼為主要材質進行討論。同時，考慮到目前循環冷卻水中多采用添加水質穩定劑來穩定水質，而水質穩定劑又以磷（膦）系加（或不加）鋅鹽配方應用最為廣泛。因此，我們沉積物樣本主要來自這類系統。
選擇反映沉積物化學組成的主要物質的質量百分含量作為特征因素：550℃灼燒減量、950℃灼燒減量以及CaO、MgO、Fe2O3、P2O5、ZnO、Al2O3和酸不溶物等的質量百分含量。其中550℃灼燒減量包括有機物、水分和硫化物，用來表征有機物含量。950℃灼燒減量的代數和，由于循環冷卻水系統沉積物中亞鐵離子含量不大，故950℃灼燒減量仍用來表征CO2的生成量。原始數據見表1。
- 表示痕量或不存在
沉積物的化學成分分析采用快速化學分析法，其采制作、分析方法參照中石化《冷卻水分析實驗及方法》。
3.2 模糊動態聚類圖如圖2所示。結合專業知識，我們認為取λ=0.603，將沉積物聚為五種存在模式，是比較符合實際情況的。沉積物的標準聚類模式見表2
3.2.1 沉積物分類的實際意義
通過對合模式中的樣本及模糊聚類中心進行分析，結合現場情況，可將沉積摸式分為以下五種；
沉積模式一：系統存在的主要危害是結循，且主要為鈣、鎂垢，包括{1，3，11，7，4}其對應的系統水質異常情況包括水質穩定劑選擇是否合理、循環冷卻水水質是否滿足運行要求。
沉積模式二：系統的主要危害是腐蝕問題，包括 ｛ 2，5，6，8，10}。引起的原因可能是緩蝕劑選用問題、設備停用不當或預膜處理不成功及水質調節不當等。
沉積模式三：系統的主要問題是淤泥（軟垢），包括{13，19，21，15，17}。應該是預處理的澄清過濾單元出現問題，或微生物的新陳代謝等。
沉積模式四：系統的主要問題是微生物滋長及其引起的微生物腐蝕，包括｛24，25，26，27}。考慮采用殺菌處理，或是采用非磷系水處理劑。
沉積摸式五：是一類集結垢、腐蝕、微生物滋長等問題于一體的系統，包括{9，14，18，20，23，12，16，20}。這是現場存在的較為普遍的問題，應具體問題具體分析。
3.2.2 通過對沉積物的聚類分析，還可以對沉積物的形成機理作探討。當取λ=0.480時，全部樣本被分為兩類，一類是結生硬垢，即表1中｛1，3，11，4，7｝；剩余項為另一類，其共同特征是在系統中存在較嚴重的腐蝕。上述分類說明：結（硬）垢的設備遭受腐蝕和微生物危害較小，因其致密的垢層有一定的保護作用。另一方面也說明系統腐蝕的復雜性，它與系統中的介質、成分、（軟）垢層的組成、淤泥、微生物都有密切關系。對表3的標準聚類中心各個特征因素求相關系數矩陣，結果表明：其中 550℃灼燒減量與P2O5相關顯著，其相關系數為0.7803。因此，要降低微生物滋長的危害，其根本在于減少甚至避免磷系配方的使用。而酸不溶物(SiO2)與Al2O3相關極顯著，其相關系數為0.9912，表明補充水中的外來沉積物，如預處理單元引入的硅膠體、氫氧化鋁膠體以及大氣中總懸浮顆粒物的塔下淋洗對系統會產生不利影響。
3.3 預測與檢驗
河南某電廠凝汽器沉積物分析結果如表3所示。該廠循環水取自地下水，采用弱酸床處理。運行過程中，真空度下降，檢修發現換熱器上有大量沉積物。為防止結垢，保證機組正常運行，而采取低循環倍率運行，造成極大的浪費。
將未知樣本與與表2中五種模式作比較，計算其對各類的貼近度:
σ（Y，Mode1）= 0.9908 σ（Y，Mode2）=0.6626 σ（Y，MOde3）=0.5933
σ（Y，Mode4）=0.5957 σ（Y，Mode5）＝0.6016
σ（Y，Mode）=σ（Y，Mode1）＝0.6016,知與模式一貼近度最大，該沉積物屬于第一類。依表2我們可以診斷該系統是因在運行期內，存在循環倍率過大而造成系統結垢。解決辦法是加強生產管理，保證補給水品質，嚴格控制循環冷卻水的濃縮倍率。通過實驗室試驗，確定該系統的最大循環倍率為4－4.5，建議現場運行值為4。該系統采取以上診斷措施并配合實驗室試驗后，對現場系統進行調試，目前該系統設備運行良好。
4 結論
(1）我們通過對循環冷卻水水質異常所產生的沉積物進行聚類分析，對沉積物的類型及其形成機理作了有益的探索，建立了能夠迅速、準確診斷系統長期存在的水質異常情況的模型，為制定、完善循環水處理方案提供決策信息。
（2）考慮到循環冷卻水系統中還有銅合金、鋁及不銹鋼材質的腐蝕問題。因此，本診斷模式對各種材質的系統具有普遍適應性。
（3）由于樣本來源還很有限，可能遺漏了一些典型的循環冷卻水系統沉積物樣本。本標準聚類中心庫的精度，還有待于在實踐中去完善和檢驗。但本診斷模式為開放式模式，可及時將診斷出現偏差的各種樣本（最大貼近度仍然很小）收集到原始數據集中，不斷充實和完善標準聚類中心和水質異常數據集。
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