本發(fā)明涉及到一種能耗狀態(tài)多維度評(píng)估方法，屬于冶金領(lǐng)域，具體涉及到鋼鐵企業(yè)高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)的能耗評(píng)估。

背景技術(shù)：

高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)是鋼鐵廠高爐的鼓風(fēng)設(shè)備，其主要作用是為高爐不間斷的提供1000度以上的高溫?zé)犸L(fēng)，熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)量直接影響高爐的出鐵量。現(xiàn)代高爐多采用蓄熱式熱風(fēng)爐，其工作原理是先燃燒煤氣，用產(chǎn)生的煙氣加熱蓄熱室的格子磚，再將冷風(fēng)通過熾熱的格子磚進(jìn)行加熱，然后將熱風(fēng)爐輪流交替地進(jìn)行燃燒和送風(fēng)，使高爐連續(xù)獲得高溫?zé)犸L(fēng)。熱風(fēng)爐主要的能源消耗是煤氣，直接產(chǎn)品是熱風(fēng)，間接產(chǎn)品是鐵水。因此，煤氣消耗量、送風(fēng)量、高爐出鐵量、熱風(fēng)爐溫度是熱風(fēng)爐系統(tǒng)最為關(guān)鍵的幾個(gè)指標(biāo)。

傳統(tǒng)的能耗評(píng)估分析，最主要對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行熱平衡計(jì)算，通過效率來評(píng)估能耗狀況。但熱風(fēng)爐效率計(jì)算存在一些困難點(diǎn)(1)缺乏煤氣熱值儀，不能準(zhǔn)確的測量煤氣熱值。(2)缺乏助燃空氣計(jì)量，助燃空氣帶入的顯熱無法計(jì)算。(3)散熱損失、排煙損失只能估算。有鑒于此，熱風(fēng)爐效率計(jì)算復(fù)雜、不準(zhǔn)確、且離線進(jìn)行，對(duì)熱風(fēng)爐的能耗評(píng)估有一定的指導(dǎo)意義，但是顯然是不夠全面。

除了熱風(fēng)爐效率，傳統(tǒng)的能耗評(píng)估也有熱風(fēng)爐煤氣消耗總量、煤氣單耗等，但是都是單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)影響因素多，工況變化大，運(yùn)行指標(biāo)和能耗指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)，高爐工況和熱風(fēng)爐工況相互影響，因此需要研究一種綜合的評(píng)估方法，能夠兼顧熱風(fēng)爐能耗指標(biāo)、運(yùn)行指標(biāo)和高爐工況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供基于模糊模式識(shí)別的高爐熱風(fēng)爐能耗狀態(tài)多維度評(píng)估方法，結(jié)合高爐和熱風(fēng)爐歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)選取的多維度能耗評(píng)估指標(biāo)，來對(duì)熱風(fēng)爐系統(tǒng)的綜合能耗狀態(tài)做出評(píng)估。運(yùn)行人員根據(jù)綜合評(píng)估結(jié)果實(shí)時(shí)掌握熱風(fēng)爐的運(yùn)行狀態(tài)所處水平，是否與需求工況相符合，為熱風(fēng)爐運(yùn)行人員的操作，為生產(chǎn)管理考核提供有力依據(jù)。

為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

步驟1：熱風(fēng)爐多維度能耗指標(biāo)計(jì)算。采集鋼鐵企業(yè)能源管控系統(tǒng)中熱風(fēng)爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算能夠反映熱風(fēng)爐能耗狀態(tài)的能耗指標(biāo)。

結(jié)合高爐熱風(fēng)爐的物理特性，鋼鐵企業(yè)實(shí)際情況運(yùn)行的調(diào)研，選取如下三個(gè)維度評(píng)估指標(biāo)作為評(píng)估熱風(fēng)爐能耗狀況的能耗指標(biāo)：(1)θx單位送風(fēng)耗煤氣量(m3/km3)，不考慮熱風(fēng)溫度和煤氣溫度的波動(dòng)，該指標(biāo)能夠直接反映熱風(fēng)爐能源消耗和產(chǎn)出的關(guān)系。(2)θy單位出鐵耗煤氣量(m3/t)，該指標(biāo)也能直接反映熱風(fēng)爐系統(tǒng)的能源消耗和最終產(chǎn)出關(guān)系。(3)θz熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度(℃)，熱風(fēng)溫度是熱風(fēng)爐關(guān)鍵的運(yùn)行參數(shù)，能夠反映熱風(fēng)爐的熱量吸收情況，從而反映熱風(fēng)爐熱量轉(zhuǎn)換狀態(tài)，間接反映熱風(fēng)爐能源消耗和產(chǎn)出的關(guān)系。

步驟2：熱風(fēng)爐能耗指標(biāo)應(yīng)達(dá)值、能耗指標(biāo)閾值計(jì)算。采用歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)等手段，得到能耗指標(biāo)應(yīng)達(dá)值、能耗指標(biāo)閾值。

本發(fā)明中取近一年熱風(fēng)爐運(yùn)行數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到熱風(fēng)能耗指標(biāo)的平均值作為能耗指標(biāo)應(yīng)達(dá)值。剔除特殊工況的數(shù)據(jù)，取熱風(fēng)爐能耗指標(biāo)的最差值，作為能耗指標(biāo)閾值。

步驟3：熱風(fēng)爐多維度能耗評(píng)估指標(biāo)計(jì)算。根據(jù)能耗指標(biāo)實(shí)時(shí)值、能耗指標(biāo)應(yīng)達(dá)值、能耗指標(biāo)閾值以及良好度的定義，計(jì)算能耗評(píng)估指標(biāo)，能耗評(píng)估指標(biāo)反映能耗指標(biāo)的良好度,在[0,1]區(qū)間。

對(duì)于單位送風(fēng)消耗煤氣量、單位噸鐵耗煤氣量，單耗越低能耗狀態(tài)越好。因此，θ0＜θmax，能耗評(píng)估指標(biāo)公式如下：

對(duì)于送風(fēng)溫度，因?yàn)樗惋L(fēng)溫度高能耗狀況好。因此θ0＞θmax，能耗評(píng)估指標(biāo)公式如下：

式中：θ0為能耗指標(biāo)的應(yīng)達(dá)值；

θmax為能耗指標(biāo)的閾值；

θ為能耗指標(biāo)的實(shí)際值；

能耗評(píng)估指標(biāo)β在[0,1]之間。因此形成了歸一化處理的多維度能耗評(píng)估指標(biāo)體系，為模糊評(píng)估提供了保證。

步驟4：能耗評(píng)估指標(biāo)特征向量和樣本集建立。選取歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)為典型狀態(tài)參量，循環(huán)執(zhí)行步驟1、2、3，得到典型能耗評(píng)估特征向量，形成完整的狀態(tài)樣本集；

根據(jù)三個(gè)維度的能耗指標(biāo)θx、θy、θz得到三個(gè)維度的能耗評(píng)估指標(biāo)βx、βy、βz，從而得到高爐熱風(fēng)爐能耗評(píng)估特征向量：

u＝[βxβyβz]

式中：βx為單位送風(fēng)耗煤氣量評(píng)估指標(biāo)；

βy為單位出鐵耗煤氣量評(píng)估指標(biāo)；

βz為送風(fēng)溫度評(píng)估指標(biāo)；

從能源管理系統(tǒng)中獲取近一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算能耗評(píng)估特征向量，將特征向量與已有的樣本集中的評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如果樣本集中已有該特征向量，則丟棄，若樣本集中沒有改向量則保存，這樣不斷的填充樣本集，使得樣本集更加豐富，評(píng)估更加合理。

步驟5：能耗評(píng)估癥狀集的建立。通過模糊c均值(fuzzyc-means)(簡稱fcm)模糊聚類算法，對(duì)樣本集進(jìn)行聚類和分類，從而得到典型的優(yōu)、良、中、差癥狀集；結(jié)合三個(gè)維度的能耗評(píng)估指標(biāo)，獲得三個(gè)維度表征熱風(fēng)爐能耗狀態(tài)的優(yōu)、良、中和差分類的4行3列的癥狀集矩陣。

據(jù)能耗評(píng)估指標(biāo)的定義知道，能耗指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值越接近，能耗評(píng)估指標(biāo)越高，表明高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)能耗狀況越好。由于幾個(gè)指標(biāo)之前存在相互約束，簡單按指標(biāo)直接指定優(yōu)、良、中、差是不合適的。根據(jù)樣本集進(jìn)行聚類既能體現(xiàn)指標(biāo)本身的特征，又能反映運(yùn)行的實(shí)際情況。基于狀態(tài)樣本集的數(shù)據(jù)采用fmc聚類方法進(jìn)行聚類，將樣本聚類成優(yōu)、良、中、差四類s1、s2、s3、s4典型狀態(tài)。

s＝{s1，s2，s3，s4}

結(jié)合三個(gè)維度的能耗評(píng)估指標(biāo)類心，得到4行3列的癥狀集矩陣

0≤λij≤1表示優(yōu)、良、中、差能耗評(píng)估指標(biāo)聚類類心。

步驟6：采集高爐熱風(fēng)爐實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟1、2、3得到能耗評(píng)估指標(biāo)。采用基于dempster證據(jù)融合規(guī)則的模糊模式識(shí)別方法將能耗評(píng)估指標(biāo)特征向量與步驟5中癥狀集進(jìn)行匹配，從而得到熱風(fēng)爐運(yùn)能耗狀態(tài)的最終評(píng)估結(jié)果。

通過證據(jù)理論模式識(shí)別方方法，計(jì)算出狀態(tài)u各評(píng)估指標(biāo)與癥狀集s的隸屬度矩陣。

矩陣r中第i行ri＝[rsi1rsi2rsi3rsi4]是第i個(gè)指標(biāo)ui的單指標(biāo)診斷，rsi1、rsi2、rsi3、rsi4就表示ui屬于優(yōu)、良、中、差四類的隸屬度，要得出綜合的評(píng)估結(jié)果。

rs＝[rs1rs2rs3rs4]

式中rsi＝a*rsi1+b*rsi2+c*rsi3，0≤rsj≤1，a，b，c為各維度指標(biāo)在最終評(píng)估中所占的權(quán)重值。根據(jù)rsj的大小最終判斷出狀態(tài)所屬類別。

要得到綜合的評(píng)估結(jié)果，需要確定各維度評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重值。考慮高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)中，幾個(gè)評(píng)估指標(biāo)的重要性沒有明顯區(qū)分，但熱風(fēng)溫度是一個(gè)相對(duì)更為直觀的因素，因此各指標(biāo)的權(quán)重分配如下：單位送風(fēng)耗煤氣量評(píng)估指標(biāo)權(quán)重為0.33，單位噸鐵產(chǎn)煤氣量評(píng)估指標(biāo)權(quán)重為0.33，熱風(fēng)溫度評(píng)估指標(biāo)權(quán)重為0.34，綜合隸屬度rsi＝0.33*rsi1+0.33*rsi2+0.34*rsi3。最后由綜合隸屬度，根據(jù)最大隸屬度原則，可得到綜合評(píng)估結(jié)果。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明提出了高爐熱風(fēng)爐多維度能耗狀態(tài)評(píng)估的概念，與傳統(tǒng)基于單一評(píng)估指標(biāo)的評(píng)估方式相比，評(píng)估結(jié)果較為全面。

(2)本發(fā)明提出了能耗評(píng)估指標(biāo)，能耗評(píng)估特征向量的概念，并且基于特征向量的樣本集進(jìn)行fcm聚類，樣本集數(shù)據(jù)均來自熱風(fēng)爐歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，評(píng)估結(jié)果更加客觀真實(shí)。

(3)本發(fā)明在模式識(shí)別的時(shí)候提出采用基于證據(jù)理論的模糊模式識(shí)別方法，考慮了類的分散程度對(duì)判斷結(jié)果造成的影響，結(jié)果的可信度更高。

(4)本發(fā)明提供了一種高爐熱風(fēng)爐能耗評(píng)估的手段，可用評(píng)估熱風(fēng)爐的運(yùn)行狀態(tài)，為熱風(fēng)爐操作人員和管理人員提供運(yùn)行指導(dǎo)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提出的基于模糊模式識(shí)別的熱風(fēng)爐能耗指標(biāo)多維度評(píng)估方法模型。

圖2是本發(fā)明所提出的基于模糊模式識(shí)別的熱風(fēng)爐能耗指標(biāo)多維度評(píng)估方法模型實(shí)現(xiàn)框圖。

圖3是本發(fā)明所提出的高爐熱風(fēng)爐能耗評(píng)估指標(biāo)特征向量計(jì)算框圖。

圖4是本發(fā)明所提出的高爐熱風(fēng)爐能耗評(píng)估癥狀集建立流程示意圖。

圖5是本發(fā)明所提出的評(píng)估方法實(shí)際評(píng)估流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

本發(fā)明提供基于模糊模式識(shí)別的高爐熱風(fēng)爐能耗狀態(tài)多維度評(píng)估方法，結(jié)合高爐和熱風(fēng)爐歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)選取的多維度指標(biāo)，來對(duì)熱風(fēng)爐系統(tǒng)的綜合能耗狀態(tài)做出評(píng)估。以評(píng)估結(jié)果來指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行，對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行考核，評(píng)估方法算法模型如圖1所示，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示：

步驟1：典型狀態(tài)參量的選取，本發(fā)明目的是評(píng)估熱風(fēng)爐能耗狀態(tài)，因此需要選取能夠反映熱風(fēng)爐能源消耗的典型狀態(tài)參量，即能耗指標(biāo)。

結(jié)合某鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)場調(diào)研和實(shí)際生產(chǎn)需要，得到能耗指標(biāo)特征向量。

x＝[θxθyθz]

式中：

θx為單位送風(fēng)耗煤氣量(m3/km3)，不考慮熱風(fēng)溫度和煤氣溫度的波動(dòng)，該指標(biāo)單能直觀評(píng)估熱風(fēng)爐投入和產(chǎn)出關(guān)系。

θy為單位出鐵耗煤氣量(m3/t)，該指標(biāo)能夠反映整個(gè)熱風(fēng)爐系統(tǒng)的煤氣投入和最終產(chǎn)出關(guān)系，且兼顧了高爐的運(yùn)行工況。

θz為熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度(℃)，熱風(fēng)溫度能夠直接反映熱風(fēng)爐的熱量轉(zhuǎn)換情況，也是熱風(fēng)爐運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)。

上述能耗指標(biāo)計(jì)算具體計(jì)算方法：

式中：qmq為熱風(fēng)爐總管煤氣流量(m3/h)

qrf為熱風(fēng)爐總管熱風(fēng)流量(m3/h)

qfe為平均每小時(shí)出鐵量(t/h)

trf為熱風(fēng)溫度(℃)

針對(duì)某企業(yè)1080立方米高爐，配備了三臺(tái)熱風(fēng)爐，采用“兩燒一送模式”，通過一年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，單位送風(fēng)耗煤氣量θx，波動(dòng)區(qū)間在380-500(m3/km3)；單位出鐵耗煤氣量θy，波動(dòng)區(qū)間在450-550(m3/t)；熱風(fēng)溫度θz，波動(dòng)區(qū)間在1100-1200(℃)。

步驟2：能耗評(píng)估指標(biāo)特征向量的計(jì)算。本發(fā)明提出能耗狀態(tài)的多維度評(píng)估方法，因此能耗評(píng)估指標(biāo)特征向量的計(jì)算是評(píng)估方法中最為重要的一步。如圖3所示，計(jì)算主要需要經(jīng)過①輸入?yún)?shù)采集②數(shù)據(jù)濾波及合理性檢查③能耗指標(biāo)計(jì)算④能耗指標(biāo)應(yīng)達(dá)值和閾值計(jì)算⑤能耗評(píng)估指標(biāo)計(jì)算⑥能耗評(píng)估指標(biāo)特征向量計(jì)算。其中①②③在步驟1中已經(jīng)完成，在本步驟中主要闡述④⑤⑥。

對(duì)于單位送風(fēng)消耗煤氣量、單位噸鐵耗煤氣量，單耗越低能耗狀態(tài)越好。因此，θ0＜θmax，能耗評(píng)估指標(biāo)公式如下：

對(duì)于送風(fēng)溫度，因?yàn)樗惋L(fēng)溫度高能耗狀況好。因此θ0＞θmax，能耗評(píng)估指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：θ0為能耗指標(biāo)應(yīng)達(dá)值；

θmax為能耗指標(biāo)閾值；

θ為能耗指標(biāo)實(shí)際值；

β在[0,1]之間，便于采用模糊理論對(duì)其進(jìn)行處理和識(shí)別。有了良好度的概念，便完成了歸一化處理的多維度能耗評(píng)估指標(biāo)體系，為模糊評(píng)估提供了保證。

θ0、θmax可以通過理論計(jì)算、運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等方式得到。本發(fā)明采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法取近一年熱風(fēng)爐運(yùn)行數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到各項(xiàng)能耗指標(biāo)的平均值作為能耗指標(biāo)應(yīng)達(dá)值，得到各項(xiàng)能耗指標(biāo)的最差值作為能耗指標(biāo)閾值。

最后，將各能耗評(píng)估指標(biāo)整合為向量，得到高爐熱風(fēng)爐能耗評(píng)估特征向量：

u＝[βxβyβz]

式中：βx為單位送風(fēng)耗煤氣量評(píng)估指標(biāo)；

βy為單位出鐵耗煤氣量評(píng)估指標(biāo)；

βz為送風(fēng)溫度評(píng)估指標(biāo)；

步驟3：樣本集及癥狀集的建立，如圖4所示，①從能源管理系統(tǒng)中獲取近一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)②按步驟2計(jì)算能耗評(píng)估特征向量③將特征向量與已有的樣本集中的評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比④如果樣本集中已有該特征向量，則丟棄，繼續(xù)循環(huán)計(jì)算⑤若樣本集中沒有該向量則加入樣本集⑥對(duì)樣本進(jìn)行聚類和分析，得到癥狀集⑦循環(huán)計(jì)算，不斷完善更新樣本集

在⑥中對(duì)樣本集采用fcm算法模糊聚類，以聚類類心來確定優(yōu)、良、中和差分類準(zhǔn)則。結(jié)合三個(gè)維度的評(píng)估指標(biāo)，獲得三個(gè)維度表征熱風(fēng)爐能耗狀態(tài)的優(yōu)、良、中和差分類的4行3列的癥狀集矩陣。

針對(duì)某企業(yè)1080立方米高爐，通過近一年365個(gè)樣本集聚類，將高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)的能耗狀態(tài)，聚為四類s＝{s1、s2、s3、s4}典型狀態(tài)。以類心來表征這四類的特點(diǎn)，四個(gè)類分別為s1＝(0.88，0.92，0.94)、s2＝(0.78，0.78，0.81)、s3＝(0.59，0.68，0.62)、s4＝(0.46，0.44，0.35)。

從而得到優(yōu)、良、中、差癥狀集

步驟4：熱風(fēng)爐能耗狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估，如圖5所示：①對(duì)高爐的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集②計(jì)算實(shí)時(shí)的能耗評(píng)估指標(biāo)特征向量③根據(jù)特征向量與癥狀集的模糊模式匹配，得到隸屬度矩陣④根據(jù)權(quán)重值，得到最終的綜合評(píng)估結(jié)果⑤評(píng)估結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)。

③中基于dempster證據(jù)融合規(guī)則的模糊模式識(shí)別方法，計(jì)算出狀態(tài)u各評(píng)估指標(biāo)與癥狀集s的隸屬度矩陣。

矩陣r中第i行ri＝[rsi1rsi2rsi3rsi4]是第i個(gè)指標(biāo)ui的單指標(biāo)診斷，rsi1、rsi2、rsi3、rsi4就表示ui屬于優(yōu)、良、中、差四類的隸屬度，要得出綜合的評(píng)估結(jié)果。

rs＝[rs1rs2rs3rs4]

式中rsi＝a*rsi1+b*rsi2+c*rsi3，0≤rsj≤1，a，b，c為各維度指標(biāo)在最終評(píng)估中所占的權(quán)重值。根據(jù)rsj的大小最終判斷出狀態(tài)所屬類別。

④中權(quán)重大小的確定，考慮高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)幾個(gè)評(píng)估指標(biāo)的重要性沒有明顯區(qū)分，但熱風(fēng)溫度跟運(yùn)行的相關(guān)性較大，因此各指標(biāo)的權(quán)重分配如下：單位送風(fēng)耗煤氣量評(píng)估指標(biāo)權(quán)重為0.33，單位噸鐵產(chǎn)煤氣量評(píng)估指標(biāo)權(quán)重為0.33，熱風(fēng)溫度評(píng)估指標(biāo)權(quán)重為0.34，綜合隸屬度rsi＝0.33*rsi1+0.33*rsi2+0.34*rsi3。最后由綜合隸屬度，根據(jù)最大隸屬度原則，可得到綜合評(píng)估結(jié)果。

針對(duì)某企業(yè)1080立方米高爐，根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行值得到特征向量u0＝[0.9950.6370.990]，通過與癥狀集進(jìn)行模糊模式匹配，得到綜合評(píng)估集r＝[0.2050.7940.0010.000],根據(jù)評(píng)估值得到最終評(píng)估結(jié)果為“良”。

運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)時(shí)顯示的優(yōu)、良、中、差得狀態(tài)，得到比較明顯的提醒，再根據(jù)指標(biāo)隸屬度分析，得到出熱風(fēng)爐可能存在的能耗問題，及時(shí)關(guān)注和改進(jìn)。管理人員根據(jù)評(píng)估的結(jié)論對(duì)熱風(fēng)爐系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和考核，從而指導(dǎo)生產(chǎn)和管理。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。