CN215628051U - 一种基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，包括，喷吹模块(100)连接于高炉H，其用于控制煤粉的喷吹速率保持在均匀的状态；控制模块(200)嵌入连接于所述喷吹模块(100)，为所述高炉H炼铁出煤提供煤粉流量控制服务；充气模块(300)通过设置的所述喷吹模块(100)与所述高炉H连接，接入气体，为高炉炼铁提供基础条件。本实用新型针对手动调节喷煤系统模式，减少了人为干预的喷煤量异常波动的现象，提高均匀喷煤的稳定性，优化高炉炉况，提高炼铁效率和质量。

Description

一种基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统

技术领域

本实用新型涉及高炉炼铁喷煤的技术领域，尤其是一种基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统。

背景技术

高炉喷煤是当前高炉炼铁中一项重要的技术手段，高炉喷煤是指从高炉风口向炉内直接喷吹磨细的煤粉，以替代价格较为昂贵的焦炭向高炉提供热量和还原剂，通过高炉喷煤可以降低焦比，大幅减少高炉炼铁成本；同时还可以调剂炉况、改善炉缸工作状态，稳定高炉运行，当前，高炉的喷煤系统主要存在两种操作方式：

第一种模式为：手动模式调节喷煤系统；手动调节喷煤系统是工人根据经验调节喷煤控制量(如罐压、混合压力等)，实现喷煤流量的控制，无法进行最优化的精准调节，且对岗位操作工的经验要求较高，这种模式下的调节误差较大，容易出现喷煤流量的大幅波动，从而引起炉温波动，影响高炉炉况的稳定性，不利于高炉产量的进一步提高。该模式广泛应用喷吹罐上部出煤的喷煤系统。

第二种模式为：自动调节喷煤系统；高炉采用自动喷煤技术可实现高炉喷吹量的连续均匀，使得炉况达到一个较为稳定的平衡状态，进而可以提高高炉的产量，为企业增加利润。目前该模式主要应用于喷吹罐下部出煤的喷煤系统，近几年新建的大型钢厂基本采用该模型建设，实现了自动化喷煤，但大部分已建的钢铁厂受喷吹罐上部出煤的设备条件限制，主要还是手动调节模式，这两种喷煤系统使用的工艺设备差异较大，通过实施工艺设备的改造实现自动化难度较大，需要投入的改造成本也较大。

实用新型内容

本部分的目的在于概述本实用新型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实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。

鉴于上述或现有技术中所存在的问题，提出了本实用新型。

因此，本实用新型所要解决的技术问题是针对手动调节模式，在无需增加外部硬件设备的情况下如何实现高炉炼铁喷煤优化控制的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：包括，喷吹模块连接于高炉H，其用于控制煤粉的喷吹速率保持在均匀的状态；控制模块嵌入连接于所述喷吹模块，为所述高炉H炼铁出煤提供煤粉流量控制服务；充气模块通过设置的所述喷吹模块与所述高炉H连接，接入气体，为高炉炼铁提供基础条件。

作为本实用新型所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的一种优选方案，其中：所述喷吹模块包括，喷吹罐和喷吹管道，所述喷吹罐的右侧接入所述喷吹管道，其左侧通过各个阀门接入氮气。

作为本实用新型所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的一种优选方案，其中：所述控制模块包括，煤粉松动阀、充压阀、补压阀、中部流化阀、底部流化阀、出煤阀、给煤阀及补气阀。

作为本实用新型所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的一种优选方案，其中：包括，调节所述充压阀与所述补压阀以控制所述喷吹罐的罐压。

作为本实用新型所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的一种优选方案，其中：包括，调节所述中部流化阀与所述底部流化阀以控制所述喷吹罐内煤粉的流动性。

作为本实用新型所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的一种优选方案，其中：包括，调节所述出煤阀和所述给煤阀以控制所述煤粉的喷吹量。

作为本实用新型所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的一种优选方案，其中：还包括，调节所述补气阀以控制所述喷吹管道的混合压力和所述煤粉的喷吹速率。

作为本实用新型所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的一种优选方案，其中：所述控制模块与所述喷吹模块联合对所述高炉H进行反应，获得特征值数据，其包括，罐重、罐压、混合压力、补气流量、中部流化流量和下部流化流量。

作为本实用新型所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的一种优选方案，其中：所述充气模块包括，氮气管道和空气管道，所述氮气管道和所述空气管道分别设置连接于所述喷吹罐的底部，所述氮气管道通过所述底部流化阀进行连接，而所述空气管道则通过所述出煤阀和所述给煤阀进行连接充气，使得所述高炉H具备炼铁条件。

作为本实用新型所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的一种优选方案，其中：所述喷吹罐的上方连接煤粉仓M，其通过设置的所述煤粉松动阀流出煤粉。

本实用新型的有益效果：本实用新型针对手动调节喷煤系统模式，减少了人为干预的喷煤量异常波动的现象，提高均匀喷煤的稳定性，优化高炉炉况，提高炼铁效率和质量；对于新员工来说，在没有相关炼铁经验的情况下，高炉喷煤操作模式优化的目的是给现场操作人员提供决策支持，起到辅助学习，促进经验增长的作用，同时，在喷煤岗位工的标准化操作、提高操作水平方面也起到了促进作用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本实用新型提供的一种实施例所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的模块结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种实施例所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统的喷煤流量预测模型的训练集调用流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1和图2，为本实用新型的第一个实施例，提供了一种基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，包括：

喷吹模块100连接于高炉H，其用于控制煤粉的喷吹速率保持在均匀的状态；控制模块200嵌入连接于喷吹模块100，为高炉H炼铁出煤提供煤粉流量控制服务；充气模块300通过设置的喷吹模块100与高炉H连接，接入气体，为高炉炼铁提供基础条件。

参照图1，本实施例还需要说明的是，喷吹模块100包括，喷吹罐101和喷吹管道102，喷吹罐101(可采用现有的10m3型号)的右侧接入喷吹管道102(采用现有的JCK-GTL煤粉喷吹管道)，其左侧通过各个阀门接入氮气，喷吹罐101的上方连接煤粉仓M，其通过设置的煤粉松动阀201流出煤粉；控制模块200包括，煤粉松动阀201(采用设计标准为ASMEB16.34法兰连接标准)、充压阀202(QH-7000系列)、补压阀203(三得利角座阀门)、中部流化阀204(采用A2958流化阀)、底部流化阀205(A4202组件)、出煤阀206(采用MY24AX型号阀门)、给煤阀207(法兰阀门DN8)及补气阀208(采用现有的QZB球阀型自动补气装置)，调节充压阀202与补压阀203以控制喷吹罐101的罐压，调节中部流化阀204与底部流化阀205以控制喷吹罐101内煤粉的流动性，调节出煤阀206和给煤阀207以控制煤粉的喷吹量，调节补气阀208以控制喷吹管道102的混合压力和煤粉的喷吹速率；控制模块200与喷吹模块100联合对高炉H进行反应，获得特征值数据，其包括，罐重、罐压、混合压力、补气流量、中部流化流量和下部流化流量；充气模块300包括，氮气管道301和空气管道302，氮气管道301和空气管道302分别设置连接于喷吹罐101的底部，氮气管道301通过底部流化阀205进行连接，而空气管道302则通过出煤阀206和给煤阀207进行连接充气，使得高炉H具备炼铁条件。

通俗的说，在高炉喷煤系统中，喷煤流量控制由多个变量共同决定，变量之间存在多重性且相互影响，各条件变量所起作用的强弱差异也不同，参照图1，其主要通过调节与喷吹罐101相关联的阀门来稳定罐压和控制喷煤流量，综合考虑喷煤过程中的调节参数，选取与喷煤量相关性较高的参数作为特征值进行建模。

参照图2，其中还需要说明的是：训练利用高斯过程回归将函数关系中的特征值和目标值进行拟合；

预测模型训练的效果由影响因子约束，其包括，训练集的大小、训练数据本身和所选择的高斯kernel核函数；

高斯kernel核函数包括，径向基函数、指数函数核和有理二次函数核；

比较训练预测模型得到的均方根误差，将其作为训练效果的指标，均方根误差数值越小，则拟合效果越好，训练结束，导出相应的预测模型；

载入训练好的预测模型，连接高炉炼铁数据库，获取实时的特征值数据作为预测模型的输入，目标是得到最优化的目标函数，

∑＝α₁·|Δflow|+α₂·|ΔP|+α₃·|ΔP_mix|

其中，α_i为加权系数。

将预测模型保存为可被重新载入的文件，输入实时数据进行预测，本步骤还需要说明的是：

对特征值数据进行穷举和加权处理，调整当前输入参数，计算当前输入对应的最优输出；

选取对喷煤流量影响相对较大的两个压力参数进行±5kPa范围的穷举；

将所得到的数据组输入到预测模型中，得到对应的喷煤流量的预测值组；

根据上述目标函数，将穷举后的每组数据中的喷煤流量与设定流量作差，罐压、混合压力与对应的实时数据作差；

对列出的三个差值进行加权求和，获得加权求和后最小的值，其对应的控制参数即为最优控制参数，其控制量变化小，系统波动小，流量趋近设定值。

较佳的是，在实际高炉喷煤系统运行过程中，会产生大量过程数据，由于外界干扰及系统因素影响，不可避免地存在一些不完整或者错误数据，若利用了这些数据，将会严重影响生产过程预测模型的准确性及精度，不利于模型的持续优化，为此，需要对生产数据进行特征值选取、预处理，为生产过程的建模与优化提供相对完备的数据。

不难理解的是，通过相对完整的特征值选取，经数据训练得到预测模型，将模型保存为可被重新载入的文件，本实施例主要通过对历史数据进行模型训练，根据保存的模型对实时数据进行预测(将预测模型程序导入优化控制系统内，控制阀门开合及煤流量的喷出)，实现高炉炼铁喷煤优化控制。

本实施例还需要说明的是，基于高斯过程回归模型，通过选择不同的高斯内核函数，对炼铁生产相关的历史特征值数据进行训练及建模，生成可调用的最优化模型，并周期性更新模型，再通过调用所建立的预测模型，对炼铁实时数据进行处理，实现喷煤流量的预测功能以及提供相关性参数调节的决策支持，通过基于高斯过程回归模型的高炉炼铁喷煤的智能优化控制系统，提高煤粉有效利用率，稳定高炉炉况，达到优化高炉系统生产指标的目的。

本实施例以高炉喷煤量为研究对象，以钢厂高炉大量的实际工业运行数据为基础，使用高斯过程回归模型结合高炉专家挑选出的重要特征数据集进行模型训练，本实施例无需增加外部硬件设备，有效利用高炉冶炼过程中产生的大量过程数据，经过模型训练，最终实现高炉炼铁喷煤优化控制的功能；在目前大部分已建的喷吹罐上部出煤的喷煤系统上，在不增加外部硬件设备的前提下，使得喷吹罐根据设定的喷煤量能够均匀、稳定地出煤喷吹，达到尽可能减小炉况波动的效果。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本实用新型的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本实用新型的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本实用新型不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本实用新型的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本实用新型不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：包括，

喷吹模块(100)连接于高炉H，其用于控制煤粉的喷吹速率保持在均匀的状态；

控制模块(200)嵌入连接于所述喷吹模块(100)，为所述高炉H炼铁出煤提供煤粉流量控制服务；

充气模块(300)通过设置的所述喷吹模块(100)与所述高炉H连接，接入气体，为高炉炼铁提供基础条件。

2.根据权利要求1所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：所述喷吹模块(100)包括，喷吹罐(101)和喷吹管道(102)，所述喷吹罐(101)的右侧接入所述喷吹管道(102)，其左侧通过各个阀门接入氮气。

3.根据权利要求2所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：所述控制模块(200)包括，煤粉松动阀(201)、充压阀(202)、补压阀(203)、中部流化阀(204)、底部流化阀(205)、出煤阀(206)、给煤阀(207)及补气阀(208)。

4.根据权利要求3所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：包括，调节所述充压阀(202)与所述补压阀(203)以控制所述喷吹罐(101)的罐压。

5.根据权利要求4所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：包括，调节所述中部流化阀(204)与所述底部流化阀(205)以控制所述喷吹罐(101)内煤粉的流动性。

6.根据权利要求5所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：包括，调节所述出煤阀(206)和所述给煤阀(207)以控制所述煤粉的喷吹量。

7.根据权利要求6所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：还包括，调节所述补气阀(208)以控制所述喷吹管道(102)的混合压力和所述煤粉的喷吹速率。

8.根据权利要求5或7所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：所述控制模块(200)与所述喷吹模块(100)联合对所述高炉H进行反应，获得特征值数据，其包括，罐重、罐压、混合压力、补气流量、中部流化流量和下部流化流量。

9.根据权利要求8所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：所述充气模块(300)包括，氮气管道(301)和空气管道(302)，所述氮气管道(301)和所述空气管道(302)分别设置连接于所述喷吹罐(101)的底部，所述氮气管道(301)通过所述底部流化阀(205)进行连接，而所述空气管道(302)则通过所述出煤阀(206)和所述给煤阀(207)进行连接充气，使得所述高炉H具备炼铁条件。

10.根据权利要求7或9所述的基于高斯过程回归的喷煤优化控制系统，其特征在于：所述喷吹罐(101)的上方连接煤粉仓M，其通过设置的所述煤粉松动阀(201)流出煤粉。

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