火电厂烟气脱硫数据甄别专家系统

邬明刚，薛磊

（上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023）

火电厂烟气脱硫数据甄别专家系统

邬明刚，薛磊

（上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023）

研究了一种火电厂烟气脱硫仪表数据甄别专家系统。系统针对在烟气脱硫系统中，关键测量参数由于现场仪表或信号传输过程中的种种原因出现错误时，用专家数据替换出错的数据，从而保证整个脱硫系统平稳运行。

烟气脱硫；专家系统；数据甄别；数据库；推理机

0 引 言

《国家环境保护“十二五”规划》中，明确提出了“持续推进电力行业污染减排”的要求。我国的火电厂主要采用的是石灰石－石膏法烟气脱硫。脱硫系统的运行效率、运行品质不仅关系到环境保护与环境污染整治，也会直接跟电厂上网电价的补贴挂钩，直接影响到电厂的经济效益。

而脱硫系统中对烟气和浆液相关参数的测量，由于被测介质含尘量高或具有很强的粘附性，对测量仪表有较高的要求［1］。

本专家系统旨在对火电厂石灰石－石膏法脱硫中，在现场仪表或信号传输过程中的种种原因出现错误时，通过专家系统甄别与运算，给出出错数据的替换值，从而保证整个脱硫系统平稳运行。

1 专家系统简介

专家系统是一种人工智能的计算机程序系统［2］，这些程序软件具有相当于某个专门领域的专家的知识和经验水平以及解决专门问题的能力［3］。

火电厂烟气脱硫数据甄别专家系统将控制系统所采集的现场仪表数据与专家系统数据库中的数据进行比对，再根据专家系统规则库中的规则，对数据比对结果进行分析判断，用以决策下一步需要采取的措施。

2 专家系统数据库

2．1 监控参数的选择

火电厂烟气脱硫数据甄别专家系统中所监控的参数是烟气脱硫系统中设在各工艺要求检测点上现场仪表所采集的数据。应该指出的是：并非所有现场仪表所采集的数据都需要由专家系统监控。将专家系统所监控的参数称为“重点参数”。“重点参数”满足以下条件：

（1）对脱硫系统乃至整个锅炉烟气系统安全、稳定运行有影响的重要参数；

（2）对脱硫系统运行效率、运行品质有影响的重要参数；

（3）不容易被准确检测或检查容易受外界条件影响的重要参数。

2．2 “重点参数”的选择

首先根据2．1中，“重点参数”需满足的条件，选出以下监控参数：

（1）FGD进口SO2含量

FGD进口的二氧化硫含量的准确检测至关重要。但检测仪表往往对采样气体的要求非常的高——无水、无尘、温度适当。由于烟气条件复杂，预处理系统结构繁琐，环节很多，所以其工作经常会不稳定，影响分析仪对烟气样气的检测。

（2）FGD进口烟气流量

FGD进口烟气流量是计算FGD系统SO2输入总量的重要参数。但由于烟道尺寸巨大，而通常直管段又不够（前5后3），所以无论何种流量监测方法，都很难保证其检查精度。加之烟气里含有一定量的烟尘，对检测仪表也会产生一定的影响。

（3）吸收塔内浆液pH值

吸收塔内浆液pH值是FGD系统的核心控制参数，它反映了吸收塔内氧化还原反应情况，是反映表示SO2的吸收情况和石膏的结晶情况的主要指标。对于pH值的检测，一般的FGD系统中都采用带玻璃电极的在线pH计。但由于吸收塔的将有是石灰石、石膏和亚硫酸钙的混合悬浊液，具有很强的粘附性，常常会粘附在玻璃电极上，虽然一般FGD中用的pH计都带有自动清洗功能，但是还不能保证pH计始终稳定的检测。

2．3 “绑定参数”的选择

“绑定参数”是指脱硫系统中，现场仪表采集的或脱硫控制系统与其它控制系统交互信息的参数中，能按一定的规则运算得到“重点参数”的参数。

（1）FGD进口SO2含量

绑定参数：锅炉负荷、煤种SO2经验常数、FGD出口SO2含量。

不同锅炉负荷下烟气中SO2含量是不同的，即锅炉负荷和烟气中的SO2含量有一定的对应关系。

不同的煤种在燃烧时释放的SO2是不同的，根据煤种的不同，也可以对燃烧时烟气中SO2含量有一个估计。

每一个FGD系统都有一个设计脱硫率，经最初的系统调试后，在其他条件不变的情况下，脱硫率是相对稳定的。所以也可以根据FGD出口SO2含量折算出FGD入口SO2含量。

（2）FGD进口烟气流量

绑定参数：锅炉负荷、引风机动叶开度、FGD出口烟气流量。

锅炉负荷与锅炉烟气量有一定的对应关系，而锅炉烟气量与FGD进口烟气流量也有对应关系。

引风机动叶开度与流经引风机的烟气量有对应关系。

虽然经过吸收塔后会补充一些空气，但这个补充量在FGD系统设计时已有计算，即FGD进口烟气流量与FGD出口烟气流量有一个系数关系。

（3）吸收塔内浆液pH值

绑定参数：无。

在FGD系统中，没有在线仪表检查的参数可以直接与吸收塔内浆液pH值关联。

2．4 专家数据库的构成

数据库分为原始数据库与工作数据库两部分。

2．4．1 原始数据库

原始数据库中存放的是“重点参数”与“绑定参数”的设计值、“预警区间”上、下限的原始经验值和一些经验参数的原始值。原始数据库中的数据修改需要最高级权限，一般情况下不允许修改原始数据库中的数据。

2．4．2 工作数据库

工作数据库由三部分组成：设定值数据库、历史数据库、替换值数据库。

设定值数据库为原始数据库在工作数据库内的镜像。但其与原始数据库不同，设定值数据库中的值可以由拥有低级别权限的人机界面输入。由“初始化”指令将设定值数据库恢复为原始数据库的镜像。

历史数据库存放的是专家系统所检测的仪表数据的历史值。

替换值数据库为存放专家系统所计算出的“重点参数”的替换值，用以传送给主控制系统。

3 专家系统规则库

火电厂烟气脱硫数据甄别专家系统中的规则库中存放着当“重点参数”超出“预警区间”时，运用“绑定参数”计算、推导出“重点参数”的替代值所需的各种规则和运算公式。规则库的建立采用“经验公式”加“数学验证”的方式。以下首先简述一下数学验证的方法。

3．1 相关性分析

相关性分析是考察两个变量之间线性关系的一种统计分析方式［4］。当一个变量发生变化时，另一个变量如何变化，就需要通过计算相关系数来深入的定量考察。

本文采用计算皮尔逊（Pearson）积聚相关系数，来验证通过经验公式计算出的“重点参数”的替换值与原“重点参数”的相关性，进而验证经验公式的正确性。相关系数r具有如下性质：相关系数r的取值范围为［－1，1］；为正值时，两变量正相关负值时，两变量负相关；绝对值越大，两者相关程度越密切，r＝＋1为完全正相关，r＝－1为完全负相关，r＝0为完全无关。

3．2 5T专家规则库的建立

规则库中的规则是采用“经验公式”加“数学验证”的方式来建立的。下面就逐条的介绍规则库中规则的建立过程。

1）FGD进口SO2含量（Q1）

绑定参数：锅炉负荷（F1）、煤种常数（C1）、FGD出口SO2含量（Q2）。

（1）经验公式

由于FGD进口SO2含量与锅炉负荷、煤种SO2经验常数、FGD出口SO2含量这三个参数都正相关。可以更具这三个参数得出FGD进口SO2含量的替换值。其规则公式如下：

两个公式可以计算出FGD进口SO2含量的替换值，具体采用哪一种将由“推理机”中的“解释程序”来决定。

（2）相关性验证

通过对脱硫DCS中取得的数据，得出Q1与式（1）中的Q1′的相关系数r＝0．892；与式（2）中的Q1″的相关系数r＝0．957。这说明Q1与Q1′、Q1″均有较强的正相关性，从而验证了经验公式（1）和（2）的正确性。

2）FGD进口烟气流量（QF1）

绑定参数：锅炉负荷（F1）、引风机动叶开度（M1）、FGD出口烟气流量（QF2）。

（1）经验公式

FGD进口烟气流量与锅炉负荷、引风机动叶开度、FGD出口烟气流量参数正相关。可以根据这三个参数得出FGD进口烟气流量的三个替换值。其公式如下：

三个公式可以计算出FGD进口SO2含量的替换值，具体采用哪一种将由“推理机”中的“解释程序”来决定。

（2）相关性验证

通过对脱硫DCS中取得的数据，得出QF1与式（3）中的QF1′的相关系数r＝0．877；QF1与式（4）中的QF1″的相关系数r＝0．936；QF1与式（5）中的QF1‴的相关系数r＝0．917。这说明Q1与QF1′、QF1″、QF1‴均有较强的正相关性，从而验证了经验公式（3）、（4）和（5）的正确性。

（3）吸收塔内浆液pH值

绑定参数：无。

由于在FGD系统中，没有在线仪表检查的参数可以直接与吸收塔内浆液pH值关联，因此也无法通过“绑定参数”计算出吸收塔内浆液pH值的替代值。将由“推理机”来解决。

4 专家系统推理机

4．1 解释程序与调度程序

4．1．1 解释程序

在烟气脱硫仪表数据甄别专家系统中，解释程序具有以下两方面的功能：

（1）启动替代值计算机制

判断所监测的“重点参数”是否超出“预警区间”范围，如超出，则启动替代值计算机制。

（2）选择合适的规则

在同时有多个“替换值”计算公式可选择时，调度程序将给出各个公式的选择优先级。

当计算公式不满足使用条件时，解释程序应给出进一步的措施，在保证专家系统正常运行的同时，提示操作人员系统的相关情况。

4．1．2 调度程序

调度程序在本专家系统中，是一个纯软件机制的调配程序。根据解释程序给出的指令，从知识库的数据库和规则库中调用相应的数据和规则来完成有关计算。

在烟气脱硫仪表数据甄别专家系统的推理机中，解释程序和调度程序的工作密不可分。

4．2 推理机的工作方式

4．2．1 FGD进口SO2含量

调出历史数据库中最新的FGD进口SO2含量，与预警区间数据库中的上下区间值比较，如超出预警区间范围，则提交调度程序进行替换值的计算。Q1与式（2）中的Q1″的相关系数要大于Q1与式（1）中的Q1′的相关系数。这是由于锅炉负荷与煤种常数都是由经验系数折算成SO2含量的，偏差会相对大一些；因此先选择用FGD出口SO2含量计算FGD进口SO2含量的替代值。当FGD出口SO2含量超出预计区间，采用锅炉负荷与煤种常数的复合公式计算FGD进口SO2含量的替代值。图1给出了FGD进口SO2含量的替换值计算的流程。

4．2．2 FGD进口烟气流量

历史数据库中最新的进口烟气流量，与预警区间数据库中的上下区间值比较，如超出了预警区间范围，则提交调度程序进行替换值的计算。QF1与式（4）中的QF1″的相关系数最大，其次是QF1与式（5）中的QF1‴的相关系数，再次是QF1与式（3）中的QF1′的相关系数。这是由于引风机的位置离FGD系统最近，因此由引风机开度所折算的烟道风量是最接近FGD进口烟气流量的。但虽然QF1与式（5）中的QF1‴的相关系数高于QF1与式

图1

（4）中的QF1′的相关系数，由于FGD出口温度比较低，烟气中的烟尘相对更容易与水凝结对检测仪产生影响，在长期运行中稳定性不佳。因此优先选择用锅炉负荷经过经验修正来折算烟气量。图2给出了进口烟气流量的替换值计算的流程。

图2

4．2．3 吸收塔内浆液pH值

首先，根据判断程序的结果，决定是否需要提交调度程序中的由调度公式计算出的吸收塔内浆液pH值的替代值。由于吸收塔内浆液pH值没有绑定参数，所以直接取吸收塔内浆液pH值的设计值作为替代值。图3给出了pH值计算的流程。

5 结束语

火电厂烟气脱硫数据甄别专家系统通过对“重点参数”的监测，能够尽可能的避免由于仪表检测方面的问题造成的测量值不准确，对系统控制形成的扰动。为脱硫系统的平

图3

稳运行，提供了一定的保障。

本文仅选取了三个“重点参数”以抛砖引玉，更多的参数与相关规则还有待进一步研究，以使专家系统更为充实完善。

［1］姚媛．浅谈湿法烟气脱硫系统的控制及就地测量仪表的选型［J］．电力学报，2005，20（5）：396－400．

［2］武渡，马玉祥．专家系统［M］．北京：北京理工大学出版社．2001．

［3］孙增圻，张再兴，邓志东．智能控制理论与技术［M］．北京：清华大学出版社，广西科学技术出版社会，1997．

［4］同济大学应用数学系．工程数学（下册）（数理统计与随机过程）［M］．上海：同济大学出版社，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

邬明刚（1979－），男，上海人，工程师，研究方向：环保控制。薛磊（1977－），女，上海人，工程师，研究方向：设备监控。

定稿日期：2014－03－22