化工学报 ›› 2021, Vol. 72 ›› Issue (3): 1539-1548.DOI: 10.11949/0438-1157.20201708
收稿日期:
2020-11-20
修回日期:
2020-12-07
出版日期:
2021-03-05
发布日期:
2021-03-05
通讯作者:
杨春节
作者简介:
朱雄卓(1999—),男,博士研究生,基金资助:
ZHU Xiongzhuo(),ZHANG Hanwen,YANG Chunjie()
Received:
2020-11-20
Revised:
2020-12-07
Online:
2021-03-05
Published:
2021-03-05
Contact:
YANG Chunjie
摘要:
大型高炉是钢铁制造过程中的重要装备,由于高炉运行过程复杂,干扰因素繁多,经常会有异常炉况发生。为及时监测异常炉况、保证高炉顺行,本文利用高炉运行数据,开发了一种基于MWPCA和高斯混合模型的算法对高炉异常过程进行监测。由于高炉运行数据存在非高斯分布和时变的特点,利用高斯混合模型改进了传统PCA监测模型的T2统计量,使算法可以适应高炉数据的独特分布特征,并加入了滑窗机制,使算法具有实时更新的能力。随后,将算法应用在华南某大型钢铁集团的真实高炉数据上,检测了算法的有效性,并将其与基础算法进行了对比分析,证明了算法在高炉异常监测能力上有所提高。
中图分类号:
朱雄卓, 张瀚文, 杨春节. 基于高斯混合模型的MWPCA高炉异常监测算法[J]. 化工学报, 2021, 72(3): 1539-1548.
ZHU Xiongzhuo, ZHANG Hanwen, YANG Chunjie. MWPCA blast furnace anomaly monitoring algorithm based on Gaussian mixture model[J]. CIESC Journal, 2021, 72(3): 1539-1548.
序号 | 变量 | 单位 | 序号 | 变量 | 单位 | 序号 | 变量 | 单位 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 富氧率 | % | 13 | 冷风流量 | 104 m3/h | 25 | 实际风速 | m/s |
2 | 高炉渗透系数 | 14 | 炉腹煤气量 | m3 | 26 | 冷风温度 | ℃ | |
3 | CO体积 | % | 15 | 理论燃烧温度 | ℃ | 27 | 顶温东北 | ℃ |
4 | H2体积 | % | 16 | 炉顶压力(1) | kPa | 28 | 顶温西南 | ℃ |
5 | CO2体积 | % | 17 | 炉顶压力(2) | kPa | 29 | 顶温西北 | ℃ |
6 | 标准风速 | m/s | 18 | 炉顶压力(3) | kPa | 30 | 顶温东南 | ℃ |
7 | 富氧流量 | m3/h | 19 | 炉顶压力(4) | kPa | 31 | 顶温下降管 | ℃ |
8 | 炉腹煤气指数 | 20 | 富氧压力 | MPa | 32 | 热风温度 | ℃ | |
9 | 鼓风动能 | kJ | 21 | 冷风压力(1) | MPa | 33 | 设定喷煤量 | t/h |
10 | 阻力系数 | 22 | 冷风压力(2) | MPa | 34 | 本小时喷煤量 | t | |
11 | 鼓风湿度 | 23 | 热风压力(1) | MPa | 35 | 上小时喷煤量 | t | |
12 | 全压差 | MPa | 24 | 热风压力(2) | MPa |
表1 数据集的变量列表
Table 1 A list of variables for the dataset
序号 | 变量 | 单位 | 序号 | 变量 | 单位 | 序号 | 变量 | 单位 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 富氧率 | % | 13 | 冷风流量 | 104 m3/h | 25 | 实际风速 | m/s |
2 | 高炉渗透系数 | 14 | 炉腹煤气量 | m3 | 26 | 冷风温度 | ℃ | |
3 | CO体积 | % | 15 | 理论燃烧温度 | ℃ | 27 | 顶温东北 | ℃ |
4 | H2体积 | % | 16 | 炉顶压力(1) | kPa | 28 | 顶温西南 | ℃ |
5 | CO2体积 | % | 17 | 炉顶压力(2) | kPa | 29 | 顶温西北 | ℃ |
6 | 标准风速 | m/s | 18 | 炉顶压力(3) | kPa | 30 | 顶温东南 | ℃ |
7 | 富氧流量 | m3/h | 19 | 炉顶压力(4) | kPa | 31 | 顶温下降管 | ℃ |
8 | 炉腹煤气指数 | 20 | 富氧压力 | MPa | 32 | 热风温度 | ℃ | |
9 | 鼓风动能 | kJ | 21 | 冷风压力(1) | MPa | 33 | 设定喷煤量 | t/h |
10 | 阻力系数 | 22 | 冷风压力(2) | MPa | 34 | 本小时喷煤量 | t | |
11 | 鼓风湿度 | 23 | 热风压力(1) | MPa | 35 | 上小时喷煤量 | t | |
12 | 全压差 | MPa | 24 | 热风压力(2) | MPa |
变量 | p | 正态分布假设 |
---|---|---|
热风压力 | <0.001 | 拒绝 |
全压差 | <0.001 | 拒绝 |
理论燃烧温度 | <0.001 | 拒绝 |
鼓风动能 | <0.001 | 拒绝 |
表2 KS正态分布检验
Table 2 A list of variables for the dataset
变量 | p | 正态分布假设 |
---|---|---|
热风压力 | <0.001 | 拒绝 |
全压差 | <0.001 | 拒绝 |
理论燃烧温度 | <0.001 | 拒绝 |
鼓风动能 | <0.001 | 拒绝 |
变量 | 7月1日均值 | 7月20日均值 | 7月1日 标准差 | 7月20日 标准差 |
---|---|---|---|---|
热风压力/MPa | 0.393 | 0.389 | 0.006 | 0.017 |
全压差/MPa | 165.974 | 161.558 | 6.433 | 7.636 |
理论燃烧温度/℃ | 2262.765 | 2277.597 | 8.345 | 23.872 |
鼓风动能/kJ | 135.888 | 138.128 | 9.264 | 11.450 |
表3 两组数据均值与标准差
Table 3 Data mean and standard deviation of the two groups
变量 | 7月1日均值 | 7月20日均值 | 7月1日 标准差 | 7月20日 标准差 |
---|---|---|---|---|
热风压力/MPa | 0.393 | 0.389 | 0.006 | 0.017 |
全压差/MPa | 165.974 | 161.558 | 6.433 | 7.636 |
理论燃烧温度/℃ | 2262.765 | 2277.597 | 8.345 | 23.872 |
鼓风动能/kJ | 135.888 | 138.128 | 9.264 | 11.450 |
统计量 | 误报率 | 故障报警持续 时间 | 故障的报警 起始时刻 |
---|---|---|---|
5.74% | 186个时刻 | 1859时刻 | |
MAX-T2统计量 | 1.14% | 173个时刻 | 1861时刻 |
主元凸包算法 | 1.14%~5.74% | 173~186个时刻 | 1859~1861时刻 |
两阶段PCA算法 | 3.40% | 117个时刻 | 1896时刻 |
KPCA算法 | 4.33% | 184个时刻 | 1860时刻 |
GMM-T2统计量 | 0.24% | 189个时刻 | 1861时刻 |
表4 不同算法对比
Table 4 Comparison of different algorithms
统计量 | 误报率 | 故障报警持续 时间 | 故障的报警 起始时刻 |
---|---|---|---|
5.74% | 186个时刻 | 1859时刻 | |
MAX-T2统计量 | 1.14% | 173个时刻 | 1861时刻 |
主元凸包算法 | 1.14%~5.74% | 173~186个时刻 | 1859~1861时刻 |
两阶段PCA算法 | 3.40% | 117个时刻 | 1896时刻 |
KPCA算法 | 4.33% | 184个时刻 | 1860时刻 |
GMM-T2统计量 | 0.24% | 189个时刻 | 1861时刻 |
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