一种水泥生产工序的碳排实时溯源减排调控分析方法与流程

本发明涉及水泥生产碳排放控制，具体为一种水泥生产工序的碳排实时溯源减排调控分析方法。

背景技术：

1、在水泥生产工序中，碳排放的监测与调控是实现绿色制造的关键环节。目前，工业现场通常通过在窑尾烟囱安装气体分析仪器来实时监测碳排放总量，并结合集散控制系统采集的给料量、风量、煤量等工况参数，采用时间序列对齐的方式构建碳排放分析模型。当末端碳排放数据出现异常时，控制系统或操作人员会基于对齐后的历史数据调整前端的喂煤量或生料给料速率，以期将碳排放控制在设定范围内。

2、然而，水泥生产工艺涵盖了回转窑、均化库等复杂热工装备，物料在这些设备中存在非线性流动、弥散效应以及多仓均化效应。现有技术大多依赖固定的纯滞后时间进行前端物料数据与末端碳排放数据的对齐，这种方式无法反映物料在设备内部的真实停留状态，导致末端碳排放数据与源头物料属性及历史运行工况之间产生时空错位。此外，热工系统存在热惯性，现场常出现为应对前期物料波动而增加燃料的补偿性强烧操作。现有监控手段通常将碳排放视为单一的总量指标，未能将表观碳排放总量解耦为物料固有反应生成的基础碳排放与人为操作引发的代偿碳排放。当面临碳排放越限时，系统难以区分异常是由前端成分波动还是操作代偿引起，从而无法生成具有针对性的源端减排调控策略，易引发控制系统的不当调节。

3、另一方面，水泥热工装备在长期连续运行过程中，其内部物理状态会发生渐进式变化，使得物料流动的弥散特征随之改变。现有的分析模型多采用静态设定的物理与时间参数，缺乏基于生产线实际产出化验结果的反馈验证机制。当设备工况发生长期偏移时，固化的参数设定会引发数据漂移，由于缺少对溯源模型内部关键参数的自适应校正环节，导致模型在长周期运行下的计算精度下降，难以保障减排控制的可靠性。因此，本发明提供了一种水泥生产工序的碳排实时溯源减排调控分析方法及系统，以解决现有技术中存在的不足之处。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种水泥生产工序的碳排实时溯源减排调控分析方法，解决了现有水泥生产过程中由于物料非线性流动与复杂的物理化学反应，造成末端碳排放数据与前端源头物料属性及历史运行工况之间存在时空错位，导致系统无法将异常碳排放追溯至引发该异常的特定物料单元或特定工况波动，进而在碳排放越限时无法生成源端减排调控策略的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面提供一种水泥生产工序的碳排实时溯源减排调控分析方法，包括以下步骤：

4、按设定累计下料步长为时序数据流分配离散物料单元标识，提取元素分析数据构建源端成分特征向量并与所述标识关联；

5、基于设备结构参数和运行工况计算理论推进停留时间，结合轴向弥散系数生成工序节点的离散停留时间概率分布；

6、将线性推进节点的概率分布写入时空映射索引结构；将均化节点的标识导入均化缓存区，在满足触发条件时执行状态更新与标识合并，生成均化出料单元标识并写入所述索引结构；

7、计算总碳排放速率，提取电流波形与氮氧化物浓度序列生成热负荷指数；识别到补偿性强烧工况时，将所述总碳排放速率解耦为基础碳排放分量和强烧代偿碳排放分量；未识别到时，强烧代偿碳排放分量为零；

8、结合气体检测滞后时间确定碳排放生成时间窗口；当总碳排放速率越限时，依据所述时间窗口提取候选离散物料单元标识集合，查询所述索引结构获取并递推合成历史离散停留时间概率分布；经停留时间修正因子加权修正后，结合关联的源端成分特征向量及历史工况生成加权历史工况矩阵；根据各碳排放分量及所述矩阵生成调控指令并下发集散控制系统。

9、本发明上述技术方案改变了传统水泥生产过程建模中采用固定纯滞后时间进行数据对齐的方式。具体而言，针对水泥热工装备中物料流动的弥散效应与多仓均化效应，通过构建离散停留时间概率分布与均化状态合并机制，建立基于连续时间概率密度的物料时空映射索引结构；同时，针对热工系统存在的热惯性与操作代偿现象，通过多维时序特征提取热负荷指数，将末端表观碳排放物理上解耦为物料固有反应生成的基础碳排放与补偿前期波动额外消耗燃料产生的代偿碳排放。在触发减排调控时，该方案依据概率模型逆向递推生成加权历史工况矩阵，使下发的调控指令能够区分物料成分波动与操作波动，实现从碳排放结果向前端影响因素的定量映射与闭环控制，所述调控指令根据基础碳排放分量、强烧代偿碳排放分量及加权历史工况数据矩阵共同生成，用于对生料给料、燃料供给或通风参数进行差异化调控。

10、优选的，所述提取元素分析数据构建源端成分特征向量并与所述标识关联的步骤，包括：从在线x射线荧光光谱仪的设备接口读取元素分析数据，提取参与硅酸盐热工煅烧反应的关键氧化物质量分数参量构建源端成分特征向量；提取源端成分特征向量对应的设备反馈时间，设置时间对齐容差窗口，将所述设备反馈时间与离散物料单元标识记录的绝对时间戳进行对齐；当离散物料单元标识的时间戳在时间对齐容差窗口内未匹配到新的源端成分特征向量时，提取时间轴上最近且满足预设有效性条件的历史源端成分特征向量，写入离散物料单元标识对应的物料单元数据记录中。

11、所述预设有效性条件包括在线x射线荧光光谱仪处于正常工作状态、历史源端成分特征向量未超过设定有效保持时长、关键氧化物质量分数处于预设合理范围内，且未被异常值剔除规则标记为无效数据。

12、优选的，所述基于设备结构参数和运行工况计算理论推进停留时间，结合轴向弥散系数生成工序节点的离散停留时间概率分布的步骤，包括：根据回转窑几何参数和实时转速计算离散物料单元在工序节点内的理论推进停留时间；以理论推进停留时间为基准时间变量，结合轴向弥散系数求解对流-弥散方程，得到离散物料单元在工序节点中的连续时间概率密度；按照设定的控制周期对连续时间概率密度进行离散化采样，根据理论推进停留时间设定有效截断时间窗口，提取有效截断时间窗口内的离散概率样本点并进行归一化处理，生成离散停留时间概率分布。

13、优选的，所述执行状态更新与标识合并的步骤，包括：为导入均化状态数据缓存区的离散物料单元标识分配当前剩余质量属性；读取物理出料阀状态信号和料位传感器测得的实际库容数据，当物理出料阀处于开启状态且实际库容数据大于根据均化库设计容量标定的有效库容下限时，生成状态更新触发信号；提取均化状态数据缓存区内的离散物料单元标识，基于各离散物料单元的当前剩余质量计算源端离散物料单元留存于均化出料单元标识中的溯源权重；依据源端成分特征向量及其对应的溯源权重，计算均化出料单元标识的融合成分特征向量，将均化出料单元标识、溯源权重以及融合成分特征向量写入时空映射索引结构；基于等比例出料原则对均化状态数据缓存区内各离散物料单元的当前剩余质量进行同步更新。

14、优选的，所述提取电流波形与氮氧化物浓度序列生成热负荷指数的步骤，包括：提取当前时间窗口内的回转窑主传动电机电流波形序列与窑头氮氧化物浓度时序序列；将经过补零对齐和标准化处理后的回转窑主传动电机电流波形序列与窑头氮氧化物浓度时序序列作为双通道一维卷积神经网络的输入；双通道一维卷积神经网络的第一通道接收电流序列张量，第二通道接收氮氧化物序列张量；两个通道输出的特征向量经展平拼接后输入多层全连接网络，通过输出层的连续标量作为热负荷指数。

15、优选的，所述将所述总碳排放速率解耦为基础碳排放分量和强烧代偿碳排放分量的步骤，包括：当生料喂料量的增长斜率超过设定斜率阈值，并且预热器压差、窑尾负压或分解炉出口温度中至少一项在设定同步判断时间窗口内超过对应设定限值时，判定出现生料喂料突增工况；当热负荷指数大于正常工况基准阈值时，判定进入补偿性强烧工况；结合历史强烧工况样本计算强烧代偿分配系数，利用强烧代偿分配系数对总碳排放速率进行分量划分，将总碳排放速率与强烧代偿分配系数的乘积作为强烧代偿碳排放分量，从总碳排放速率中剥离强烧代偿碳排放分量后得到基础碳排放分量。

16、优选的，所述经停留时间修正因子加权修正的步骤，包括：根据强烧代偿分配系数与物料黏度敏感系数计算停留时间修正因子；利用停留时间修正因子对经递推合成后的历史离散停留时间概率分布进行时间轴压缩映射，将原概率分布中时间戳对应的概率权重映射至新的时间戳；采用线性插值方式将偏移后的离散时间点重新对齐至控制周期时间网格，并执行归一化处理得到修正后的离散停留时间概率分布。

17、优选的，所述根据各碳排放分量及所述矩阵生成调控指令并下发集散控制系统的步骤，包括：将候选离散物料单元对应的修正后的离散停留时间概率分布与热工控制参数时序序列进行对应时间点的加权求和，按照对碳排放事件的贡献权重叠加生成加权历史工况数据矩阵；将基础碳排放分量、强烧代偿碳排放分量以及加权历史工况数据矩阵输入多变量减排调控规则库进行匹配；当基础碳排放分量与总碳排放速率的比值超过设定的主导占比阈值且加权历史工况数据矩阵显示存在超过对应热工控制参数设定上限或设定下限的波动时，生成削减生料给料速率及增大预热器引风的调控指令；当强烧代偿碳排放分量与总碳排放速率的比值超过主导占比阈值时，生成逐步回撤窑头喂煤量及优化一次风配比的调控指令。

18、优选的，所述方法还包括以下步骤：获取熟料取样分析节点输出的熟料成分化验数据及对应化验时间戳；将化验时间戳扣减预先标定的取样化验滞后时间，对齐至对应的熟料出窑时间窗口，提取对齐后的熟料化学成分向量并利用烧失量补偿矩阵进行折算得到折算生料成分向量；提取熟料游离氧化钙质量分数，将熟料游离氧化钙质量分数与折算生料成分向量拼接得到煅烧特征向量；依据对齐后的熟料出窑时间窗口通过时空映射索引结构调取源端成分数据，按照贡献权重对源端成分特征向量进行加权求和并与目标游离氧化钙设定值组合生成加权源端成分基准特征向量；计算煅烧特征向量与加权源端成分基准特征向量之间的马氏距离作为溯源偏差评估指标。

19、优选的，所述方法还包括以下步骤：依据熟料游离氧化钙质量分数与目标游离氧化钙设定值之间的双侧偏离程度构建游离氧化钙偏差惩罚项；当游离氧化钙偏差惩罚项未超过异常样本判别阈值时，根据游离氧化钙偏差惩罚项生成样本可信度权重，利用样本可信度权重对溯源偏差评估指标进行加权构建代价函数；采用数值扰动差分法近似计算代价函数对轴向弥散系数的偏导数，利用梯度下降算法对所述轴向弥散系数进行异步校正。

20、本发明第二方面提供一种水泥生产工序的碳排实时溯源减排调控分析系统，配置于数据中心服务器或服务器集群中，通过工业通信网络及边缘计算节点与现场控制层交互，所述系统包括：数据采集模块、权重计算模块、索引管理模块、溯源检索模块以及参数校正模块。

21、数据采集模块用于按设定累计下料步长为时序数据流分配离散物料单元标识，提取元素分析数据构建源端成分特征向量并与所述标识关联；

22、权重计算模块用于基于设备结构参数和运行工况计算理论推进停留时间，结合轴向弥散系数生成工序节点的离散停留时间概率分布；

23、索引管理模块用于构建与维护时空映射索引结构，将线性推进节点的概率分布写入时空映射索引结构；将均化节点的标识导入均化缓存区，在满足触发条件时执行状态更新与标识合并，生成均化出料单元标识并写入所述索引结构；

24、溯源检索模块用于计算总碳排放速率，提取电流波形与氮氧化物浓度序列生成热负荷指数；识别到补偿性强烧工况时，将所述总碳排放速率解耦为基础碳排放分量和强烧代偿碳排放分量；未识别到时，强烧代偿碳排放分量为零；结合气体检测滞后时间确定碳排放生成时间窗口；当总碳排放速率越限时，依据所述时间窗口提取候选离散物料单元标识集合，查询所述索引结构获取并递推合成历史离散停留时间概率分布；经停留时间修正因子加权修正后，结合关联的源端成分特征向量及历史工况生成加权历史工况矩阵；根据各碳排放分量及所述矩阵生成调控指令并下发集散控制系统；

25、参数校正模块用于将熟料化学成分向量转换并融合构建煅烧特征向量，通过计算煅烧特征向量与加权源端成分基准特征向量的马氏距离得到溯源偏差评估指标，并基于所述指标构建代价函数对所述权重计算模块中的轴向弥散系数进行异步校正。

26、本发明提供了一种水泥生产工序的碳排实时溯源减排调控分析方法。具备以下有益效果：

27、1.本发明通过结合设备物理结构与实时运行工况参数生成离散停留时间概率分布，并建立均化状态更新与标识合并机制，构建了连续时间概率密度下的物料时空映射索引结构。该设计改变了传统依靠固定滞后时间进行数据对齐的方式，克服了水泥生产中物料非线性流动与多仓均化效应导致的时空解耦问题，实现了末端碳排放数据向前端源头物料及历史工况的准确定位。

28、2.本发明通过提取电流波形与氮氧化物浓度序列生成热负荷指数，并在识别到补偿性强烧工况时，将总碳排放速率解耦为基础碳排放分量与强烧代偿碳排放分量。该设计能够量化区分物料固有成分波动与工况操作代偿对碳排放的独立影响，从而在碳排放越限时，根据解耦后的分量主导情况匹配多变量规则库并下发差异化的减排调控指令，避免了传统基于末端总量控制易引发的不当调节问题。

29、3.本发明通过将熟料取样化验节点获取的煅烧特征向量与逆向调取的加权源端成分基准特征向量进行对比，计算马氏距离作为溯源偏差评估指标，并基于此构建代价函数对轴向弥散系数进行异步校正。该机制使得溯源分析模型能够自适应设备内部物理状态的变化与长期运行产生的数据漂移，保障了时空映射索引结构在长周期工况波动下的计算精度与控制可靠性。