焦炉加热燃烧过程烟道吸力反馈设定方法
【专利摘要】本发明公开了一种焦炉加热燃烧过程中烟道吸力在线设定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用基于最大线性无关组的LSSVM建立空气系数预估模型；步骤2：基于空气系数预估模型，根据混合煤气燃烧机理计算典型风门开度下的烟道吸力反馈设定值；步骤3：根据专家经验对烟道吸力补偿值进行前馈校正和，从而实现对烟道吸力设定值的前馈修正和动态补偿，以适应不同风门挡板开度值下烟道吸力的控制要求。焦炉加热燃烧过程中烟道吸力在线设定方法中，由于采用基于最大线性无关组的LSSVM建立空气系数预估模型，具有建模速度快和精度高的优点，通过对空气系数的进行在线预估，实现焦炉加热燃烧过程中烟道吸力的实时反馈设定，并且通过专家规则实现了不同风门挡板开度下烟道吸力的设定。
【专利说明】焦炉加热燃烧过程烟道吸力反馈设定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钢铁冶金生产的过程监测与控制【技术领域】，特别是提供了一种大型焦 炉加热燃烧过程烟道吸力反馈设定方法。
【背景技术】
[0002]作为冶金、机械、化工等行业的主要原料和燃料，焦炭已广泛应用于高炉炼铁、电 石、气化、铸造和有色金属冶炼等方面，在国民经济发展中占据十分重要的地位。
[0003]焦炉是煤化学工业中极为重要的工业炉之一，是焦炭的关键生产设备。焦炉加热 燃烧过程通过控制加入到焦炉燃烧室的煤气量和空气量，维持焦炉温度的稳定，使炭化室 保持良好的干馏条件，以生产出合格的焦炭。在加热燃烧过程中主要采用混合煤气进行加 热，即高炉煤气中混入3% -7%的焦炉煤气作为主要燃料。通过设定烟道吸力调节维持合 适的空气系数，对于使煤气能够充分燃烧，维持焦炉温度稳定，提高焦炭质量，保证焦炉稳 顺运行十分关键。
[0004]在实际的焦炉加热燃烧过程中，空气系数的好坏是判断燃烧过程好坏的重要指 标，为了使煤气能够充分燃烧，必须通过调节烟道吸力调节维持合适的空气系数。工业现场 一般根据温度的偏差获得煤气流量的变化，而烟道吸力的设定往往通过前馈的方式获得， 即根据当前的煤气流量变化，根据人工经验确定烟道吸力的变化。这主要是由于含氧量分 析仪容易损坏，工业现场一般不安装含氧量分析仪，导致烟道吸力无法根据当前的含氧量 进行实时反馈控制。
[0005]在生产现场缺少热值检测装置和废气含氧量分析仪表的情况下，废气含氧量通过 离线人工测量获得，通过离线获得的废气含氧量估计空气系数是否合适，导致时间滞后性 较大，不能对炼焦生产过程的空燃比进行及时的调整。所以对空气系数的进行在线预估，实 现焦炉加热燃烧过程中烟道吸力的实时反馈设定，提高焦炉的节能效果有着十分重要的意 义。
【发明内容】
[0006]为了实现焦炉加热燃烧过程中烟道吸力的合理设定，提高燃烧效率，保证焦炉加 热燃烧过程的稳顺运行，本发明提出一种基于含氧量在线估计的烟道吸力实时设定方法。 利用最大线性无关组的加权LSSVM方法建立空气系数预估模型，进行空气系数在线估计， 并基于空间投影和增量递推算法的数在线更新；以空气系数的估计值为反馈，根据燃烧机 理得到典型风门挡板开度值下烟道吸力反馈设定值，并采用专家规则对不同风门挡板开度 值下的烟道吸力进行前馈修正，从而形成一种前馈和反馈相结合的烟道吸力设定值实时优 化方案。
[0007]本发明的技术解决方案如下:
[0008]建立基于最大线性无关组加权LSSVM的空气系数估计模型，通过对煤气流量、焦 炉煤气流量和烟道吸力的采集与预处理，并通过构造历史数据集的最大线性无关组，利用加权具体包括LSSVM方法建立空气系数预估模型以提高建模速度，并通过样本的更新与模 型的自适应，保证空气系数预估的实时性，具体包括:
[0009](I)通过机理分析，确定空气系数计算模型的输入输出，形成建模历史数据集；
[0010](2)对历史数据库中高炉煤气流量、焦炉煤气流量和烟道吸力检测值数据进行预 处理；
[0011](3)构造历史数据集的最大线性无关组以形成训练样本集，利用加权LSSVM方法 建立空气系数预估模型，在不影响模型精度的情况下提高建模的速度。
[0012](4)对操作人员在燃烧废气出口处采集的氧气、一氧化碳、二氧化碳的体积含量进 行统计，利用空间投影方法判断该数据是否含有足够的有效信息，更新训练样本集，并利用 增量递推算法跟新预估模型的参数，得到在线自适应最优模型，保证当前空气系数数据应 能及时有效的反映在空气系数计算中。
[0013]通过上述在线加权LSSVM模型，可以获得当前时刻燃烧过程废气的空气系数预估 值，将该值作为反馈值与最佳空气系数进行比较，基于混合煤气燃烧机理得到典型风门挡 板开度值下烟道吸力反馈设定量，再根据专家经验和大量现场数据对其他风门挡板开度下 的烟道吸力进行校正，实现对烟道吸力设定值的反馈设定和前馈补偿，降低混合煤气热值 波动和随机干扰的不利影响，使混合煤气处于最佳燃烧状态。具体包括:
[0014](I)根据当前的焦炉煤气、高炉煤气流量，利用空气系数预估模型获得当前时刻燃 烧过程废气的空气系数预估值，将该值与最佳空气系数进行比较，以偏差作为基础，基于混 合煤气燃烧机理计算典型风门挡板开度值下烟道吸力设定值；
[0015](2)根据专家经验计算得到的烟道吸力设定值进行校正，从而实现对烟道吸力设 定值的反馈修正和动态补偿，以适应不同风门挡板开度值下烟道吸力的控制要求。
[0016]本发明的优点在于:利用基于最大线性无关组的加权LSSVM空气系数估计方法， 并基于空间投影法保证空气系数预估模型的在线更新方法，利用基于燃烧机理和专家规则 的烟道吸力得到烟道吸力反馈设定值和前馈修正值，从而形成一种前馈和反馈相结合的烟 道吸力实时控制方案，与已有烟道吸力只是根据专家经验前馈设定的计算方法相比，具有 烟道吸力设定更合理，降低了混合煤气热值波动和随机干扰的不利影响，对于保证加热燃 烧过程的优化运行具有重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1原有火道温度智能优化控制结构图；
[0018]图2本发明的火道温度智能优化控制结构图；
[0019]图3空气系数估计模型的预测效果图；
[0020]图4空气系数估计模型的逼近误差图；
[0021]图5改进后空气系数的运行效果图。
【具体实施方式】
[0022]实施例1
[0023]针对炭化室全高为6m,机侧(推焦车进行操作的一侧)宽度为0.42m,焦侧(出焦 的一侧)的宽度为0.48m，炭化室的平均宽度为0.45m的大型焦炉，本发明根据高炉煤气流量、焦炉煤气流量和烟道吸力的实际检测值，采用基于最大线性无关组的加权LSSVM空气系数计算方法、基于空间投影和增量递推算法的空气系数在线更新方法获得空气系数预估值，通过基于燃烧机理和专家规则得到烟道吸力反馈设定值，根据专家经验计算得到的烟道吸力设定值进行校正，实现对焦炉加热燃烧过程烟道吸力的在线优化设定。
[0024]1、基于最大线性无关组加权LSSVM的空气系数计算
[0025]根据焦炉加热燃烧过程工艺机理，选取高炉煤气流量、焦炉煤气流量和烟道吸力检测值作为辅助变量，利用最大线性无关组方法构建训练样本集，采用加权LSSVM方法计算当前时刻的空气系数，其计算步骤如下:
[0026](I)数据样本的组成:
[0027]空气系数a是指燃烧Ikg燃料所实际供给的空气质量与完全燃烧Ikg燃料所需的理论空气质量之比。生产过程中，为保证混合煤气的完全燃烧，实际供给的空气量必须多于理论所需空气量。一般地，混合煤气加热时，空气系数a取为1.18~1.25，本发明根据生产现场的实际情况，将空气系数最优设定值a。#取为1.22。在原有的生产过程中，操作人员在燃烧废气出口处利用废气分析仪表检测氧气、一氧化碳、二氧化碳的体积含量，每天检测一次，并计算空气系数，每周进行统计，根据经验对后续加热燃烧过程中的吸力进行调整。计算空气系数的公式如下:
xn -0.5a*
[0028]a=\ + K-^--(I)
xCO1 + xCO
[0029]式中， xO2，xco;，Xco为干废气中各成分体积含量，K是比例因子，表示每立方米煤气完全燃烧时生成二氧化碳体积与所需氧气量的比值。K值随煤气组成的不同而改变，考虑到焦炉加热燃烧过程中焦炉煤气占混合煤气的比例为3%~7%，混合煤气加热时，将K取为 2.39。
[0030]干废气中的一氧化碳、二氧化碳主要由高炉煤气、焦炉煤气经燃烧产生，可以通过高炉煤气流量、焦炉煤气流量检测值来直接反映，干废气中的氧气主要是为参与燃烧的剩余氧气，可以通过烟道吸力检测值来间接反映。焦炉煤气和高炉煤气对焦炉火道温度的作用是一个大滞后过程，某一时刻或短时间内的值不能作为改变火道温度的影响因素，而且焦炉煤气比高炉煤气热值高、燃烧快，对火道温度的滞后时间短。通过工艺机理和历史数据分析，焦炉火道温度每4个小时检测一次，发现焦炉煤气对火道温度的滞后时间为4个小时，而高炉煤气的滞后时间为8个小时。因此，空气系数预测模型的输入变量取为前一、 二个周期的高炉煤气流量％_)、uB(k_2)，当前煤气流量和前一个周期的焦炉煤气流量uc(k)、 Ucat-D，和当前以及前一、二个周期烟道吸力Ua (k_2)，Ua (k_D，UA(k)，输出变量空气系数yk。选取 N 组历史过f王数据建立样本库{X，Y}，X- {xk} - {uB(k_!)，Ub(k_2)，UC(k)，Uc(^1)，Ua(k_2)，Ua(k_!)，Ua(k)}， Y={yk}，k=l, 2,…，N。
[0031](2)数据的处理
[0032]实际系统中由于各传感器的采样周期不一致，在加热燃烧过程中，由于执行机构反应的速度不同，而煤气流量和烟道吸力检测时间是每分钟一次，而空气含氧量要8个小时检测一次。异常数据是指与实际情况明显不符的数据，炼焦生产过程工况环境复杂，电磁噪声及推焦操作中的热浪等均存在较强干扰，使测量数据不可避免带有各种测量误差，包括过失误差和随机误差两种。过失误差包括常规测量仪表的偏差和故障，实际生产中过失误差出现的机率很小，但它的存在会严重恶化数据品质，因此必须及时检测并删除。随机误差的产生是受随机因素的影响，一般是不可避免的，但符合一定的统计规律，可通过数字滤波方式消除。为了消除过失误差，规定检测率的范围，超过以下范围，则放弃改组数据。
[0033]机侧烟道吸力[230Pa，285Pa]、焦侧烟道吸力([240Pa，295Pa])。机侧高炉煤气流量[20900m3 / h，32600m3 / h]、焦侧高炉煤气流量[21000m3 / h，33500m3 / h]、机侧焦炉煤气流量[200m3 / h, 1500m3 / h]、焦侧焦炉煤气流量[250m3 / h, 1550m3 / h]、机侧混合煤气压力[400Pa，900Pa]、焦侧混合煤气压力[450Pa，950Pa]、机侧烟道吸力[200Pa，260Pa]、 焦侧烟道吸力[2O5Pa, 265Pa]。
[0034]本发明对高炉煤气、焦炉煤气和烟道吸力每分钟采样一次，4个小时可获得240个数据，设当前周期为k，采用均值滤波法处理:
【权利要求】
1.一种焦炉加热燃烧过程中烟道吸力在线设定方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤1:建立空气系数预估模型；步骤2:基于空气系数预估模型，根据混合煤气燃烧机理计算典型风门开度下的烟道吸力反馈设定值；步骤3:根据专家经验对烟道吸力补偿值进行前馈校正和，从而实现对烟道吸力设定值的前馈修正和动态补偿，以适应不同风门挡板开度值下烟道吸力的控制要求。
2.根据权利要求1所述的步骤1，其特征在于，包括以下步骤:步骤1:对历史数据库中高炉煤气流量、焦炉煤气流量和烟道吸力检测值数据进行预处理，形成建模历史数据集选取N组历史过程数据建立样本库{X，Y}，X= {xk} = uc(k)，Uc(k-1)，uA(k-2)，uA(k-1)，uA(k)}，Y= {yk}，k=l,2, --?，N ;为了消除过失误差,规定检测数据的范围。机侧烟道吸力[230Pa，285Pa]、焦侧烟道吸力([240Pa，295Pa])。机侧高炉煤气流量 [20900m3 / h，32600m3/h]、焦侧高炉煤气流量[21000m3 / h，33500m3/h]、机侧焦炉煤气流量[200m3 / h，1500m3/h]、焦侧焦炉煤气流量[250m3 / h, 1550m3 / h]、机侧混合煤气压力 [400Pa,900Pa]、焦侧混合煤气压力[450Pa，％0Pa]、机侧烟道吸力[200Pa，26OPa]、焦侧烟道吸力[205Pa，265Pa]。本发明对高炉煤气、焦炉煤气和烟道吸力每分钟采样一次，4个小时可获得240个数据，设当前周期为k，采用均值滤波法处理。步骤2:构造历史数据集的最大线性无关组\={xi，x2，…，xj以形成训练样本集，利用 LSSVM方法建立空气系数预估模型，最大无关组的维数低于历史数据集的维数，可以在不影响精度的情况下提高建模的速度；步骤3:在燃烧废气出口处利用废气分析仪表检测氧气、一氧化碳、二氧化碳的体积含量，利用空间投影方法判断该检测得到的数据是否含有足够的有效信息，更新训练样本集。 在获得经过数据预处理后的空气系数新建模数据样本xN+1后，将其投影到特征空间获得如果求得极小值
3.根据权利要求1所述的步骤3，其特征在于，根据专家经验对烟道吸力补偿值进行前馈校正，从而实现对烟道吸力设定值的前馈修正，以适应不同风门挡板开度值下烟道吸力的控制要求。焦炉加热燃烧过程中，空气是通过自然抽风的形式进入燃烧系统的，空气量的多少直接影响着燃烧的效率，在空气量的调节中必须避免两种情况，一种是空气量不足使煤气过剩并排放到大气中；另一种是空气过量使废气带走了大量的热量，这两种情况直接导致了能源浪费和燃烧效率的极大降低。焦炉加热所需要空气量的调节分两部分:一是改变空气进风口挡板的开度，保证煤气和空气量的大体平衡，即粗调过程；二是调节烟道吸力。在风门不变的情况上，可由吸力控制空气量，吸力通过调节烟道吸力阀门保证焦炉空气量的稳定。校正方法如下:设当前时刻风门挡板开度值为V(k)，烟道吸力前馈校正值为UAA ff(k)，制定了如下的专家规则对烟道吸力补偿值进行校正:IFv(i) < 20THENUaa fl(k)=20PaIF20 < v{k) < 35THENUaa n{k) = XQPaIF35 <v{k) < 60THENuM = 5PaIF60<v(t) <70THENUaa^w=OIF70<v(it) <80THENUaa ff(k) = -5PaIF80 < v{k) < 90THENuM ff{k) = -1OPaIFv(t)>90THE NuA4JfU) =-1SPa
【文档编号】C10B21/10GK103593578SQ201310608299
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】雷琪, 吴敏, 曹卫华, 陈鑫, 安剑奇 申请人:中南大学