鄔明剛，薛磊

（上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海 200023）

火電廠煙氣脫硫數(shù)據(jù)甄別專家系統(tǒng)

鄔明剛，薛磊

（上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海 200023）

研究了一種火電廠煙氣脫硫儀表數(shù)據(jù)甄別專家系統(tǒng)。系統(tǒng)針對在煙氣脫硫系統(tǒng)中，關鍵測量參數(shù)由于現(xiàn)場儀表或信號傳輸過程中的種種原因出現(xiàn)錯誤時，用專家數(shù)據(jù)替換出錯的數(shù)據(jù)，從而保證整個脫硫系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

煙氣脫硫；專家系統(tǒng)；數(shù)據(jù)甄別；數(shù)據(jù)庫；推理機

0 引 言

《國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》中，明確提出了“持續(xù)推進電力行業(yè)污染減排”的要求。我國的火電廠主要采用的是石灰石－石膏法煙氣脫硫。脫硫系統(tǒng)的運行效率、運行品質不僅關系到環(huán)境保護與環(huán)境污染整治，也會直接跟電廠上網(wǎng)電價的補貼掛鉤，直接影響到電廠的經濟效益。

而脫硫系統(tǒng)中對煙氣和漿液相關參數(shù)的測量，由于被測介質含塵量高或具有很強的粘附性，對測量儀表有較高的要求［1］。

本專家系統(tǒng)旨在對火電廠石灰石－石膏法脫硫中，在現(xiàn)場儀表或信號傳輸過程中的種種原因出現(xiàn)錯誤時，通過專家系統(tǒng)甄別與運算，給出出錯數(shù)據(jù)的替換值，從而保證整個脫硫系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

1 專家系統(tǒng)簡介

專家系統(tǒng)是一種人工智能的計算機程序系統(tǒng)［2］，這些程序軟件具有相當于某個專門領域的專家的知識和經驗水平以及解決專門問題的能力［3］。

火電廠煙氣脫硫數(shù)據(jù)甄別專家系統(tǒng)將控制系統(tǒng)所采集的現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)與專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，再根據(jù)專家系統(tǒng)規(guī)則庫中的規(guī)則，對數(shù)據(jù)比對結果進行分析判斷，用以決策下一步需要采取的措施。

2 專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

2．1 監(jiān)控參數(shù)的選擇

火電廠煙氣脫硫數(shù)據(jù)甄別專家系統(tǒng)中所監(jiān)控的參數(shù)是煙氣脫硫系統(tǒng)中設在各工藝要求檢測點上現(xiàn)場儀表所采集的數(shù)據(jù)。應該指出的是：并非所有現(xiàn)場儀表所采集的數(shù)據(jù)都需要由專家系統(tǒng)監(jiān)控。將專家系統(tǒng)所監(jiān)控的參數(shù)稱為“重點參數(shù)”?！爸攸c參數(shù)”滿足以下條件：

（1）對脫硫系統(tǒng)乃至整個鍋爐煙氣系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行有影響的重要參數(shù)；

（2）對脫硫系統(tǒng)運行效率、運行品質有影響的重要參數(shù)；

（3）不容易被準確檢測或檢查容易受外界條件影響的重要參數(shù)。

2．2 “重點參數(shù)”的選擇

首先根據(jù)2．1中，“重點參數(shù)”需滿足的條件，選出以下監(jiān)控參數(shù)：

（1）FGD進口SO2含量

FGD進口的二氧化硫含量的準確檢測至關重要。但檢測儀表往往對采樣氣體的要求非常的高——無水、無塵、溫度適當。由于煙氣條件復雜，預處理系統(tǒng)結構繁瑣，環(huán)節(jié)很多，所以其工作經常會不穩(wěn)定，影響分析儀對煙氣樣氣的檢測。

（2）FGD進口煙氣流量

FGD進口煙氣流量是計算FGD系統(tǒng)SO2輸入總量的重要參數(shù)。但由于煙道尺寸巨大，而通常直管段又不夠（前5后3），所以無論何種流量監(jiān)測方法，都很難保證其檢查精度。加之煙氣里含有一定量的煙塵，對檢測儀表也會產生一定的影響。

（3）吸收塔內漿液pH值

吸收塔內漿液pH值是FGD系統(tǒng)的核心控制參數(shù)，它反映了吸收塔內氧化還原反應情況，是反映表示SO2的吸收情況和石膏的結晶情況的主要指標。對于pH值的檢測，一般的FGD系統(tǒng)中都采用帶玻璃電極的在線pH計。但由于吸收塔的將有是石灰石、石膏和亞硫酸鈣的混合懸濁液，具有很強的粘附性，常常會粘附在玻璃電極上，雖然一般FGD中用的pH計都帶有自動清洗功能，但是還不能保證pH計始終穩(wěn)定的檢測。

2．3 “綁定參數(shù)”的選擇

“綁定參數(shù)”是指脫硫系統(tǒng)中，現(xiàn)場儀表采集的或脫硫控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)交互信息的參數(shù)中，能按一定的規(guī)則運算得到“重點參數(shù)”的參數(shù)。

（1）FGD進口SO2含量

綁定參數(shù)：鍋爐負荷、煤種SO2經驗常數(shù)、FGD出口SO2含量。

不同鍋爐負荷下煙氣中SO2含量是不同的，即鍋爐負荷和煙氣中的SO2含量有一定的對應關系。

不同的煤種在燃燒時釋放的SO2是不同的，根據(jù)煤種的不同，也可以對燃燒時煙氣中SO2含量有一個估計。

每一個FGD系統(tǒng)都有一個設計脫硫率，經最初的系統(tǒng)調試后，在其他條件不變的情況下，脫硫率是相對穩(wěn)定的。所以也可以根據(jù)FGD出口SO2含量折算出FGD入口SO2含量。

（2）FGD進口煙氣流量

綁定參數(shù)：鍋爐負荷、引風機動葉開度、FGD出口煙氣流量。

鍋爐負荷與鍋爐煙氣量有一定的對應關系，而鍋爐煙氣量與FGD進口煙氣流量也有對應關系。

引風機動葉開度與流經引風機的煙氣量有對應關系。

雖然經過吸收塔后會補充一些空氣，但這個補充量在FGD系統(tǒng)設計時已有計算，即FGD進口煙氣流量與FGD出口煙氣流量有一個系數(shù)關系。

（3）吸收塔內漿液pH值

綁定參數(shù)：無。

在FGD系統(tǒng)中，沒有在線儀表檢查的參數(shù)可以直接與吸收塔內漿液pH值關聯(lián)。

2．4 專家數(shù)據(jù)庫的構成

數(shù)據(jù)庫分為原始數(shù)據(jù)庫與工作數(shù)據(jù)庫兩部分。

2．4．1 原始數(shù)據(jù)庫

原始數(shù)據(jù)庫中存放的是“重點參數(shù)”與“綁定參數(shù)”的設計值、“預警區(qū)間”上、下限的原始經驗值和一些經驗參數(shù)的原始值。原始數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)修改需要最高級權限，一般情況下不允許修改原始數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

2．4．2 工作數(shù)據(jù)庫

工作數(shù)據(jù)庫由三部分組成：設定值數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、替換值數(shù)據(jù)庫。

設定值數(shù)據(jù)庫為原始數(shù)據(jù)庫在工作數(shù)據(jù)庫內的鏡像。但其與原始數(shù)據(jù)庫不同，設定值數(shù)據(jù)庫中的值可以由擁有低級別權限的人機界面輸入。由“初始化”指令將設定值數(shù)據(jù)庫恢復為原始數(shù)據(jù)庫的鏡像。

歷史數(shù)據(jù)庫存放的是專家系統(tǒng)所檢測的儀表數(shù)據(jù)的歷史值。

替換值數(shù)據(jù)庫為存放專家系統(tǒng)所計算出的“重點參數(shù)”的替換值，用以傳送給主控制系統(tǒng)。

3 專家系統(tǒng)規(guī)則庫

火電廠煙氣脫硫數(shù)據(jù)甄別專家系統(tǒng)中的規(guī)則庫中存放著當“重點參數(shù)”超出“預警區(qū)間”時，運用“綁定參數(shù)”計算、推導出“重點參數(shù)”的替代值所需的各種規(guī)則和運算公式。規(guī)則庫的建立采用“經驗公式”加“數(shù)學驗證”的方式。以下首先簡述一下數(shù)學驗證的方法。

3．1 相關性分析

相關性分析是考察兩個變量之間線性關系的一種統(tǒng)計分析方式［4］。當一個變量發(fā)生變化時，另一個變量如何變化，就需要通過計算相關系數(shù)來深入的定量考察。

本文采用計算皮爾遜（Pearson）積聚相關系數(shù)，來驗證通過經驗公式計算出的“重點參數(shù)”的替換值與原“重點參數(shù)”的相關性，進而驗證經驗公式的正確性。相關系數(shù)r具有如下性質：相關系數(shù)r的取值范圍為［－1，1］；為正值時，兩變量正相關負值時，兩變量負相關；絕對值越大，兩者相關程度越密切，r＝＋1為完全正相關，r＝－1為完全負相關，r＝0為完全無關。

3．2 5T專家規(guī)則庫的建立

規(guī)則庫中的規(guī)則是采用“經驗公式”加“數(shù)學驗證”的方式來建立的。下面就逐條的介紹規(guī)則庫中規(guī)則的建立過程。

1）FGD進口SO2含量（Q1）

綁定參數(shù)：鍋爐負荷（F1）、煤種常數(shù)（C1）、FGD出口SO2含量（Q2）。

（1）經驗公式

由于FGD進口SO2含量與鍋爐負荷、煤種SO2經驗常數(shù)、FGD出口SO2含量這三個參數(shù)都正相關?？梢愿哌@三個參數(shù)得出FGD進口SO2含量的替換值。其規(guī)則公式如下：

兩個公式可以計算出FGD進口SO2含量的替換值，具體采用哪一種將由“推理機”中的“解釋程序”來決定。

（2）相關性驗證

通過對脫硫DCS中取得的數(shù)據(jù)，得出Q1與式（1）中的Q1′的相關系數(shù)r＝0．892；與式（2）中的Q1″的相關系數(shù)r＝0．957。這說明Q1與Q1′、Q1″均有較強的正相關性，從而驗證了經驗公式（1）和（2）的正確性。

2）FGD進口煙氣流量（QF1）

綁定參數(shù)：鍋爐負荷（F1）、引風機動葉開度（M1）、FGD出口煙氣流量（QF2）。

（1）經驗公式

FGD進口煙氣流量與鍋爐負荷、引風機動葉開度、FGD出口煙氣流量參數(shù)正相關?？梢愿鶕?jù)這三個參數(shù)得出FGD進口煙氣流量的三個替換值。其公式如下：

三個公式可以計算出FGD進口SO2含量的替換值，具體采用哪一種將由“推理機”中的“解釋程序”來決定。

（2）相關性驗證

通過對脫硫DCS中取得的數(shù)據(jù)，得出QF1與式（3）中的QF1′的相關系數(shù)r＝0．877；QF1與式（4）中的QF1″的相關系數(shù)r＝0．936；QF1與式（5）中的QF1?的相關系數(shù)r＝0．917。這說明Q1與QF1′、QF1″、QF1?均有較強的正相關性，從而驗證了經驗公式（3）、（4）和（5）的正確性。

（3）吸收塔內漿液pH值

綁定參數(shù)：無。

由于在FGD系統(tǒng)中，沒有在線儀表檢查的參數(shù)可以直接與吸收塔內漿液pH值關聯(lián)，因此也無法通過“綁定參數(shù)”計算出吸收塔內漿液pH值的替代值。將由“推理機”來解決。

4 專家系統(tǒng)推理機

4．1 解釋程序與調度程序

4．1．1 解釋程序

在煙氣脫硫儀表數(shù)據(jù)甄別專家系統(tǒng)中，解釋程序具有以下兩方面的功能：

（1）啟動替代值計算機制

判斷所監(jiān)測的“重點參數(shù)”是否超出“預警區(qū)間”范圍，如超出，則啟動替代值計算機制。

（2）選擇合適的規(guī)則

在同時有多個“替換值”計算公式可選擇時，調度程序將給出各個公式的選擇優(yōu)先級。

當計算公式不滿足使用條件時，解釋程序應給出進一步的措施，在保證專家系統(tǒng)正常運行的同時，提示操作人員系統(tǒng)的相關情況。

4．1．2 調度程序

調度程序在本專家系統(tǒng)中，是一個純軟件機制的調配程序。根據(jù)解釋程序給出的指令，從知識庫的數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫中調用相應的數(shù)據(jù)和規(guī)則來完成有關計算。

在煙氣脫硫儀表數(shù)據(jù)甄別專家系統(tǒng)的推理機中，解釋程序和調度程序的工作密不可分。

4．2 推理機的工作方式

4．2．1 FGD進口SO2含量

調出歷史數(shù)據(jù)庫中最新的FGD進口SO2含量，與預警區(qū)間數(shù)據(jù)庫中的上下區(qū)間值比較，如超出預警區(qū)間范圍，則提交調度程序進行替換值的計算。Q1與式（2）中的Q1″的相關系數(shù)要大于Q1與式（1）中的Q1′的相關系數(shù)。這是由于鍋爐負荷與煤種常數(shù)都是由經驗系數(shù)折算成SO2含量的，偏差會相對大一些；因此先選擇用FGD出口SO2含量計算FGD進口SO2含量的替代值。當FGD出口SO2含量超出預計區(qū)間，采用鍋爐負荷與煤種常數(shù)的復合公式計算FGD進口SO2含量的替代值。圖1給出了FGD進口SO2含量的替換值計算的流程。

4．2．2 FGD進口煙氣流量

歷史數(shù)據(jù)庫中最新的進口煙氣流量，與預警區(qū)間數(shù)據(jù)庫中的上下區(qū)間值比較，如超出了預警區(qū)間范圍，則提交調度程序進行替換值的計算。QF1與式（4）中的QF1″的相關系數(shù)最大，其次是QF1與式（5）中的QF1?的相關系數(shù)，再次是QF1與式（3）中的QF1′的相關系數(shù)。這是由于引風機的位置離FGD系統(tǒng)最近，因此由引風機開度所折算的煙道風量是最接近FGD進口煙氣流量的。但雖然QF1與式（5）中的QF1?的相關系數(shù)高于QF1與式

圖1

（4）中的QF1′的相關系數(shù)，由于FGD出口溫度比較低，煙氣中的煙塵相對更容易與水凝結對檢測儀產生影響，在長期運行中穩(wěn)定性不佳。因此優(yōu)先選擇用鍋爐負荷經過經驗修正來折算煙氣量。圖2給出了進口煙氣流量的替換值計算的流程。

圖2

4．2．3 吸收塔內漿液pH值

首先，根據(jù)判斷程序的結果，決定是否需要提交調度程序中的由調度公式計算出的吸收塔內漿液pH值的替代值。由于吸收塔內漿液pH值沒有綁定參數(shù)，所以直接取吸收塔內漿液pH值的設計值作為替代值。圖3給出了pH值計算的流程。

5 結束語

火電廠煙氣脫硫數(shù)據(jù)甄別專家系統(tǒng)通過對“重點參數(shù)”的監(jiān)測，能夠盡可能的避免由于儀表檢測方面的問題造成的測量值不準確，對系統(tǒng)控制形成的擾動。為脫硫系統(tǒng)的平

圖3

穩(wěn)運行，提供了一定的保障。

本文僅選取了三個“重點參數(shù)”以拋磚引玉，更多的參數(shù)與相關規(guī)則還有待進一步研究，以使專家系統(tǒng)更為充實完善。

［1］姚媛．淺談濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的控制及就地測量儀表的選型［J］．電力學報，2005，20（5）：396－400．

［2］武渡，馬玉祥．專家系統(tǒng)［M］．北京：北京理工大學出版社．2001．

［3］孫增圻，張再興，鄧志東．智能控制理論與技術［M］．北京：清華大學出版社，廣西科學技術出版社會，1997．

［4］同濟大學應用數(shù)學系．工程數(shù)學（下冊）（數(shù)理統(tǒng)計與隨機過程）［M］．上海：同濟大學出版社，2002．

Screening Expert System for FGD Data in the Power Plant

WU Ming-gang，XUE Lei
（Shanghai Electrical Automation D＆R Institute Co．，Ltd．，Shanghai200023，China）

This paper studies a screening expert system for FGD（Flue Gas Desulfurization）instrument data in the thermal power plant．When an error occurs in the key measurement parameters of the FGD system due to different causes of the field instrument or signal transmission，the wrong data will be replaced through expert data to ensure smooth operation of the whole FGD system．

flue gas desulfurization（FGD）；expert system；data screening；database；reasoningmachine

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．010

TN957．52＋9；TP182

A

1000－3886（2014）04－0028－03

鄔明剛（1979－），男，上海人，工程師，研究方向：環(huán)?？刂啤Ｑ冢?977－），女，上海人，工程師，研究方向：設備監(jiān)控。

定稿日期：2014－03－22