CN113791128B - 一种转炉煤气中气体浓度安全报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转炉煤气中气体浓度安全报警系统及方法，包括，采集转炉煤气处理过程中含有气体的电信号，形成多组电信号阵列；基于高斯函数构建气体检测模型；利用所述气体检测模型分析所述多组电信号阵列中的所述电信号，得到所含氧气的浓度值；将所述氧气浓度值代入气体安全模型中进行安全判断运算，若处于设定的阈值范围内，则安全，否则触发报警模块进行安全示意。本发明针对现有设备中的不足，提供了一种超高精度、快速运行的转炉煤气气体浓度检测报警方法，提高了转炉煤气工作的效率和安全性。

Description

一种转炉煤气中气体浓度安全报警系统及方法

技术领域

本发明涉及转炉煤气中气体浓度安全检测的技术领域，尤其涉及一种转炉煤气中气体浓度安全报警系统及方法。

背景技术

转炉在生产过程中产生的煤气是不稳定的，具有间歇性，转炉在吹氧冶炼的过程中，产生烟气含有大量的一氧化碳、二氧化碳及少许其他气体，正常情况下这些烟气经除尘系统除尘、洗涤、过滤，煤气浓度达标及其氧气含量符合要求后，进入气柜回收利用。

烟气进入除尘风机前，除尘管道有一个激光检测仪用于检测烟气中一氧化碳及氧气的含量，当氧气浓度低于2%且一氧化碳浓度高于25%，转炉煤气具备回收条件，转炉煤气回收三通阀动作，将烟气阀门由放散位转为回收位，烟气经过回收三通阀改称为转炉煤气，进入转炉回收再利用。

在冶炼过程中，随着铁水成分、温度的不断变化转炉煤气CO的含量也在不断变化，吹炼初期，铁水温度较低，碳的氧化速度也较低，故产生的一氧化碳较少，随着炉温的升高，出现碳和氧的剧烈反应，使炉气产生量及一氧化碳含量逐渐增加到相对稳定值，吹炼后期，随着铁水中碳的减少，炉气量下降，一氧化碳含量也相应减少；由此可见，转炉煤气中的氧含量限值定的越低，设备内发生火灾爆炸事故的可能性越小，但若过低，必然导致煤气的频繁放散，一方面导致了煤气的供应压力波动，另一方面也损失了部分能量，还污染了环境，因此，准确的检测转炉煤气中氧气浓度对确定合适的回收转炉煤气氧含量具有重要的意义。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：现有设备无法针对转炉煤气中氧气浓度检测确定合适的安全阈值报警。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，采集转炉煤气处理过程中含有气体的电信号，形成多组电信号阵列；基于高斯函数构建气体检测模型；利用所述气体检测模型分析所述多组电信号阵列中的所述电信号，得到所含氧气的浓度值；将所述氧气浓度值代入气体安全模型中进行安全判断运算，若处于设定的阈值区间内，则安全，否则触发报警模块进行安全示意。

作为本发明所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的一种优选方案，其中：形成所述多组电信号阵列包括，利用电化学气体传感器与所述转炉煤气处理过程中含有气体发生反应并产生与所述含有气体浓度成正比的电信号；将相同类别的所述电信号放置在一组连续的存储单元中，得到不同数组；依次添加索引至唯一的标识符，形成所述不同数组的引用标识符；汇总全部的所述引用标识符，转化为元素，形成所述多组电信号阵列。

作为本发明所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的一种优选方案，其中：还包括，初始化所述数组；当初始化值被设置为一个数组时，利用编译器将定义为数组的大小相匹配的号码包含在大括号之间的值；设置初始化时间和初始化条件，对初始化后的所述数组进行索引添加。

作为本发明所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的一种优选方案，其中：构建所述气体检测模型包括，

其中,

为标准差，

为检测区域区间,

为高斯函数的系数。

作为本发明所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的一种优选方案，其中：所述分析包括，获取所述多组电信号阵列中各组含有气体的电信号数据；提取所述电信号数据；计算得到含有氧气的目标特征值；加权所述目标特征值，得到最终的所含氧气的所述浓度值。

作为本发明所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的一种优选方案，其中：得到所含氧气的所述浓度值包括，

其中,

为气体刚通入所述多组电信号阵列时的电阻值,

为气体通入所述多组 电信号阵列1分钟后的电阻值,

为所含氧气的标准差系数。

作为本发明所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的一种优选方案，其中：进行所述安全判断包括，若所述氧气浓度值大于或小于所预设的安全区间，则立即触发报警模块进行安全警报提醒；若所述氧气浓度值等于所预设的安全区间，则不会触发报警模块。

作为本发明所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的一种优选方案，其中：还包括，根据国家标准设置阈值区间，将所述转炉煤气中的氧浓度定义为[1%，3%]。

作为本发明所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警系统的一种优选方案，其中：包括，数据采集模块，其用于抓取转炉煤气处理过程中含有气体的电信号，并将获得电信号数据传输至数据中心处理模块中；所述数据中心处理模块与所述数据采集模块相连，所述数据中心处理模块包括解码体、警报区和数据库，所述解码体用于搭载气体检测模型、分析模型和安全判断模型的运行程序，所述解码体接收所述数据采集模块传递的数据信息并调取所述运行程序进行运算，输出计算结果通过两条信道分别传输给所述数据库进行存储以及传输给分析模块进行分析；所述警报区内搭载数据预警程序，其获取所述解码体运算的结果，对比内设的阈值区间进行判断，若有不符合阈值区间内的数值结果，则立即触发警报；所述数据库用于存储各类数据信息，并共各模块调用。

作为本发明所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警系统的一种优选方案，其中：还包括，所述分析模块连接于所述数据中心处理模块，所述分析模块用于对接收的所述解码体的运算结果进行数据源分析和评价，并将分析评价结果传递至显示界面进行展示；输入输出模块与各个模块相连，其用于为各模块提供数据传输服务。

本发明的有益效果：本发明通过多组电信号阵列获取待检测气体的电信号，结合气体检测模型快速、高效的检测浓度值，从而判断检测气体对应氧浓度含量，对促进转炉煤气安全运行具有积极推动意义。

附图说明

图1为本发明第一个实施例所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的流程示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的气体检测模型分布曲线示意图；

图3为本发明第一个实施例所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法的试验对比曲线示意图；

图4为本发明第二个实施例所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警系统的网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。

应当理解，在本发明中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A相关联，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。A与B的匹配，是A与B的相似度大于或等于预设的阈值。

取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

实施例1

参照图1~图3，为本发明的第一个实施例，提供了一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法，具体包括：

S1：采集转炉煤气处理过程中含有气体的电信号，形成多组电信号阵列。其中需要说明的是，形成多组电信号阵列包括：

利用电化学气体传感器与转炉煤气处理过程中含有气体发生反应并产生与含有气体浓度成正比的电信号；

将相同类别的电信号放置在一组连续的存储单元中，得到不同数组；

依次添加索引至唯一的标识符，形成不同数组的引用标识符；

汇总全部的引用标识符，转化为元素，形成多组电信号阵列。

具体的，还包括：

初始化数组；

当初始化值被设置为一个数组时，利用编译器将定义为数组的大小相匹配的号码包含在大括号之间的值；

设置初始化时间和初始化条件，对初始化后的数组进行索引添加。

S2：基于高斯函数构建气体检测模型。参照图2，本步骤需要说明的是，构建所述气体检测模型包括，

其中,

为标准差，

为检测区域区间,

为高斯函数的系数。

越大，则图形越宽，分布越离散，尖峰越小，气体浓度越低。

越小，则图形越窄，分布越集中，尖峰越大，气体浓度越高。

S3：利用气体检测模型分析多组电信号阵列中的电信号，得到所含氧气的浓度值。其中还需要说明的是，分析包括：

获取多组电信号阵列中各组含有气体的电信号数据；

提取电信号数据；

计算得到含有氧气的目标特征值；

加权目标特征值，得到最终的所含氧气的浓度值。

进一步的，得到所含氧气的所述浓度值包括，

其中,

为气体刚通入所述多组电信号阵列时的电阻值,

为气体通入所述多组 电信号阵列1分钟后的电阻值,

为所含氧气的标准差系数。

S4：将氧气浓度值代入气体安全模型中进行安全判断运算，若处于设定的阈值区间内，则安全，否则触发报警模块进行安全示意。本步骤还需要说明的是，进行安全判断包括：

若氧气浓度值大于或小于所预设的安全区间，则立即触发报警模块进行安全警报提醒；

若氧气浓度值等于所预设的安全区间，则不会触发报警模块；

根据国家标准设置阈值区间，将转炉煤气中的氧浓度定义为[1%，3%]。

不难理解的是，在冶炼过程中，随着铁水成分、温度的不断变化转炉煤气CO的含量也在不断变化，吹炼初期，铁水温度较低，碳的氧化速度也较低，故产生的一氧化碳较少，随着炉温的升高，出现碳和氧的剧烈反应，使炉气产生量及一氧化碳含量逐渐增加到相对稳定值，吹炼后期，随着铁水中碳的减少，炉气量下降，一氧化碳含量也相应减少；由此可见，转炉煤气中的氧含量限值定的越低，设备内发生火灾爆炸事故的可能性越小，但若过低，必然导致煤气的频繁放散，一方面导致了煤气的供应压力波动，另一方面也损失了部分能量，还污染了环境，因此，准确的检测转炉煤气中氧气浓度对确定合适的回收转炉煤气氧含量具有重要的意义。

优选的，本发明通过多组电信号阵列获取待检测气体的电信号，结合气体检测模型快速、高效的检测浓度值，从而判断检测气体对应氧浓度含量，对促进转炉煤气安全运行具有积极推动意义。

较佳的，转炉煤气柜是煤气回收的重要容器,也是作为一个独立的煤气系统，其作用如下:

(1)调节煤气发生和使用的波动,保持系统的稳定和平衡。

(2)当煤气系统发生事故时,可利用煤气柜内的存气进行煤气处理,保持系统的安全。

(3)当系统中发生源发生变动时,如高炉休风、转炉周期性回收,可维持部分用户的正常使用。

从安全性和环保的角度考虑,由于煤气为有毒气体,且气柜内一氧化碳浓度高,一旦泄露,对员工的人身安全有非常严重的威胁,而且对大气将会产生严重污染。

优选的是，本发明可以有效且准确的检测出转炉煤气中的气体浓度，若氧气浓度不符合设定阈值，则触发报警功能，若一氧化碳浓度不符合设定阈值，同样也会触发报警功能，只需在检测工作开始前，对应相应气体的检测标准进行阈值设定即可，由此可见，本实施例提供的一种实时方式能够带来较为理想的技术效果。

为了更好地对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例中选择以传统的机器学习气体检测方法与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，验证本发明方法所具有的真实效果。

传统的机器学习气体检测方法无法快速、高效的检测出转炉煤气处理过程中的氧气浓度值，为验证本发明方法相对于传统方法具有较好的高效性和算法简化优选性，本实施例中将采用传统方法和本发明方法分别对南方某一转炉煤气柜中的气体检测进行实时测量对比。

测试环境：（1）将传感器置于转炉煤气柜外围区域，检测排放气体；

（2）利用计算机程序编写传统方法的机器学习算法和本发明方法中的高斯函数算法，将传感器检测数据导入两个算法的程序包里运行；

（3）利用MATLB软件实现仿真模拟分析，并根据两种方法的分析结果生成检测曲线示意图。

参照图3，实线为本发明方法输出的曲线，虚线为传统方法输出的曲线，根据图3的示意，能够直观的看出，实线与虚线随着时间的增加，呈现不同的走势，实线相较于虚线，在前期一直呈稳定的上升趋势，虽然后期有所下滑，但是波动不大，且一直在虚线的上方，并保持一定的距离，而虚线则呈现较大的波动趋势，不稳定，由此，实线的效率一直大于虚线，即验证了本发明方法所具有的真实效果。

实施例2

参照图4，为本发明的第二个实施例，提供了一种转炉煤气中气体浓度安全报警系统，具体包括：

数据采集模块100，其用于抓取转炉煤气处理过程中含有气体的电信号，并将获得电信号数据传输至数据中心处理模块200中。

数据中心处理模块200与数据采集模块100相连，数据中心处理模块200包括解码体201、警报区202和数据库203，解码体201用于搭载气体检测模型、分析模型和安全判断模型的运行程序，解码体201接收数据采集模块100传递的数据信息并调取运行程序进行运算，输出计算结果通过两条信道分别传输给数据库203进行存储以及传输给分析模块300进行分析。

警报区202内搭载数据预警程序，其获取解码体201运算的结果，对比内设的阈值区间进行判断，若有不符合阈值区间内的数值结果，则立即触发警报。部分运行代码如下：

<! DOCTYPE html PUBLIC "//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN" "http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-transitional.dtd" >

<!-- saved from url=(0014)about:internet -->

< html xmlns ="http://www.w3.org/1999/xhtml" >

< body >

No Warming!

</ body >

</html>

数据库203用于存储各类数据信息，并共各模块调用。

分析模块300连接于数据中心处理模块200，分析模块300用于对接收的解码体201的运算结果进行数据源分析和评价，并将分析评价结果传递至显示界面进行展示。

输入输出模块400与各个模块相连，其用于为各模块提供数据传输服务。

优选的，本系统与升、降罩或引风机提供信号控制联锁，冶炼时连续监测转炉煤气中的CO、CO₂、O₂的气体浓度。

再进一步的，本实施例还需要再次详细说明的是，本系统设置有内控和外控两种工作状态。

（1）外控状态

当系统向控制室发出外控触点闭合信合时，系统处于外控状态。

控制室发出“降罩”或“吹氧”信号时，系统进行吸气分析延时20秒，作为上炉气置换时间，20秒后为本炉气连续CO和O2成分信号，分析时，分析仪器里的上下限报警功能起作用，当CO浓度高于下限值，同时O2浓度低于上限值时，控制室可以控制回收煤气，当CO浓度低或O2量超高可以控制煤气放散不回收。

当控制室发出“升罩”信号时，分析系统停止吸气处于不分析状态。

当控制室发出“风机减速”信号时，分析系统自动进行反吹清洗，时间5分钟，反吹完自动处于不分析的等待状态，也可以在升罩后自行启动反吹程序。

（2）内控系统

当系统不向控制室发出“内控”信号时，系统处于内控状态，可以进行分析仪的校对，及手动反吹、手动分析和不分析检修。

内控时，操纵功能按钮“反吹”“校对”“分析”可分别处于手动反吹、校对及分析状态。

优选的是，本系统可无外控工作状态，系统双点切换连续取样分析，定时反吹清灰，保证了分析值得连续性和真实性。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法，其特征在于：包括，

采集转炉煤气处理过程中含有气体的电信号，形成多组电信号阵列；

基于高斯函数构建气体检测模型；

利用所述气体检测模型分析所述多组电信号阵列中的所述电信号，得到所含氧气的浓度值；

将所述氧气浓度值代入气体安全模型中进行安全判断运算，若处于设定的阈值区间内，则安全，否则触发报警模块进行安全示意；

形成所述多组电信号阵列包括，

利用电化学气体传感器与所述转炉煤气处理过程中含有气体发生反应并产生与所述含有气体浓度成正比的电信号；

将相同类别的所述电信号放置在一组连续的存储单元中，得到不同数组；

依次添加索引至唯一的标识符，形成所述不同数组的引用标识符；

汇总全部的所述引用标识符，转化为元素，形成所述多组电信号阵列；

初始化所述数组；

当初始化值被设置为一个数组时，利用编译器将定义为数组的大小相匹配的号码包含在大括号之间的值；

设置初始化时间和初始化条件，对初始化后的所述数组进行索引添加；

构建所述气体检测模型包括，

其中,

为标准差，

为检测区域区间,

为高斯函数的系数；

所述分析包括，

获取所述多组电信号阵列中各组含有气体的电信号数据；

提取所述电信号数据；

计算得到含有氧气的目标特征值；

加权所述目标特征值，得到最终的所含氧气的所述浓度值；

得到所含氧气的所述浓度值包括，

其中,

为气体刚通入所述多组电信号阵列时的电阻值,

为气体通入所述多组电信号阵列1分钟后的电阻值,

为所含氧气的标准差系数。

2.根据权利要求1所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法，其特征在于：进行所述安全判断包括，

若所述氧气浓度值大于或小于所预设的安全区间，则立即触发报警模块进行安全警报提醒；

若所述氧气浓度值等于所预设的安全区间，则不会触发报警模块。

3.根据权利要求2所述的一种转炉煤气中气体浓度安全报警方法，其特征在于：还包括，将所述转炉煤气中的氧浓度定义为[1%，3%]。

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