[发明专利]一种基于时序差异特征提取的合成氨一段炉运行异常检测方法

说明书

本发明公开了一种基于时序差异特征提取的合成氨一段炉运行异常检测方法，旨在如何自适应的为合成氨一段炉过程数据实时提取时序差异特征，从而实现并完成高敏感性的合成氨一段炉运行异常检测任务。具体来讲，本发明方法通过合成氨一段炉的过程数据自适应的建立时序误差生成模型。在此基础上，利用在线自回归模型的误差实施合成氨一段炉运行异常检测。本发明方法最大的技术优势在于：本发明采用了一种全新的时序差异特征分析算法技术对合成氨一段炉的过程数据进行特征分析提取，能够自适应的更新得到从最大化时序误差的时序差异特征。因此，从这个角度出发，本发明方法理论上能使用高敏感性的时序差异特征来实施异常检测。

技术领域

本发明涉及一种化工过程异常检测方法，特别涉及一种基于时序差异特征提取的合成氨一段炉运行异常检测方法。

背景技术

氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要的地位。合成氨生产过程将焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油和原料气(半水煤气)等原料经过净化、精制后(主要成分为氢气和氮气)压缩到一定压力，进入氨合成塔，在高温和催化剂作用下生成氨和其它副产物。一段炉是化肥厂合成氨装置的关键设备，合成氨一段炉是将天然气和蒸汽在催化剂的作用下进行转化，以制备合成氨生产中所需的氢气。若合成氨一段炉运行水平不稳定，则直接影响合成氨装置的能耗大小以及氨的产量大小。

可以说，合成氨一段炉的运行状态监测尤为重要，其不仅是高能耗单元，而且还决定是否可以有效的提高氢气的产量与纯度。由于合成氨一段炉是氢气生产的重要环节，根据工艺经验可知，确保氢气产量的稳定性是需要维持炉内燃烧的稳定。然而，监测一段炉燃烧情况需要价格高昂的质谱分析仪，考虑设计成本的合成氨装置一般都不会配套安装。可幸的是，价格相对低廉的分布式控制系统(Distributed Control System，缩写：DCS)是合成氨成套设备的必备软件系统，其可以短间隔实时的测量诸如温度、压力、流量、液位等类型的过程数据。这些容易获取的过程数据为间接实施数据驱动的合成氨一段炉运行异常检测奠定了坚实的数据基础。

虽然监测燃料和空气废弃等流量可以间接反应一段炉内的燃烧情况，但是燃烧过程引起的温度变化是存在时序关联性的。因此，利用容易获取的过程数据实施异常检测时，势必要考虑采样数据间的时序变化特征。传统的可用于异常检测的时序特征分析提取技术通常只关注于正常即期望运行状态下的时序关系特征挖掘，所挖掘出时序关系特征是否有利于异常检测却无从知晓。因此，从时序特征分析角度出发解决合成氨一段炉运行异常检测问题还必须得考虑如何提取能反映出时序差异的潜在特征。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是：如何自适应的为合成氨一段炉过程数据实时提取时序差异特征，从而实现并完成合成氨一段炉运行异常检测任务。具体来讲，本发明方法通过合成氨一段炉的过程数据自适应的建立在时序误差生成模型，即不同的在线过程数据对应不同的时序误差生成模型。在此基础上，利用在线自回归模型的误差实施合成氨一段炉运行异常检测。

本发明方法解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于时序差异特征提取的合成氨一段炉运行异常检测方法，包括以下所示步骤：

步骤(1)：从DCS历史数据库中，获取合成氨一段炉运行在正常状态下的N组过程数据x₁，x₂，…，x_N；其中，x_i∈R^13×1表示第i组过程数据，下标号i∈{1，2，…，N}，R^13×1表示13×1维的实数向量，R表示实数集，每组过程数据包括13个数据，具体涉及流量，压力和温度三种类型的数据。

值得说明的是，每组过程数据中的m＝13个数据的排列顺序依次分别是：燃气天然气进气流量，废气燃气进气流量，换热器出口处的压力与温度，预热器出口处的燃气天然气温度，一段炉出口处的炉内燃气压力，一段炉入口处气体温度，一段炉内左上方的燃气温度，一段炉内右上方的燃气温度，一段炉顶部的混合炉内燃气温度，一段炉左出口处转换气体温度，一段炉右出口处转换气体温度，一段炉出口处转换气体温度。