故障診斷專家幫助系統開發及其在電廠脫硝設備中的應用*

王淑勤 王靜 李芳

(華北電力大學環境科學與工程系 河北保定 071003)

0 引言

當今社會，工業飛速發展，除了給國家帶來巨大的經濟效益外，其所帶來的環境問題也不容忽視。在所有的污染物當中，燃煤鍋爐所排放的NOx對環境造成的危害尤為突出。為此，國家環保總局下發了一系列的法規來控制NOx的排放。GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》要求的燃煤機組排放限值比2014年《煤電節能減排升級與改造行動計劃》更嚴格。為了滿足國家排放標準，企業必須進行超低排放技術改造[1]。2016年，燃煤電廠超低排放改造發展迅速，這與脫硝裝置在電廠的普及密切相關。選擇性催化還原法(SCR)以其簡便的操作、穩定的運行等優勢，得到了廣泛的應用[2-5]。

在火電廠脫硝系統中，安全、穩定、可靠是反應器較為重要的特征，它在整體運作中發揮著至關重要的作用。希望開發出一套脫硝設備故障診斷專家幫助系統，并將其放在火電廠、煤化工等相關行業應用，實現專家知識庫中故障診斷知識管理功能，能夠查找、閱讀脫硝設備故障類型、解決措施，實現故障知識的增添、刪減、修改等。此外，還需滿足界面美觀友好、通用性能強的效用，提高人類的工作效率，大大降低工作、研究的失敗率。 脫硝設備故障診斷專家幫助系統將會成為環保工作者的便利工具,亦可為從事相關的學習、培訓提供幫助,并實現遠程培訓。 此外,專家幫助系統也是人工智能的一個重要實踐,對經濟社會的發展至關重要, 急需對其進行開發和研究[6]。

國內學者牽頭制作開發了火電廠脫硫系統，它將人工智能與脫硫系統的各個專業性的功能結合，并將這一改進應用到了電子設備的故障診斷研究上，通過實驗取得了成功，運用Visual Basis 6.0進行開發，建立并且不斷完善自我知識庫[6]。

杜宇[7]實現了污水處理廠專家幫助系統的開發，最終運行結果表明，專家系統軟件實現了多種功能、系統的內容完善，同時還能夠查找、閱讀及打印污水處理廠各種運行管理方面的知識，具有很強的普遍性。

為提高工作效率，節約人力成本，幫助人類專家解決難題，對電力行業的脫硝系統、設備故障、解決措施構建知識庫，以計算機程序模擬人類專家的決策過程，其開發過程及應用效果如下。

1 專家幫助知識庫的構建

1.1 專家幫助系統的主要設計內容

(1)清楚的層次安排。系統主要分為三個部分：專家幫助部分、故障診斷部分以及知識庫管理部分，用主界面把每個部分相聯系，使每一個部分都可以實現其功能。

(2)界面美觀、操作便捷。故障診斷專家幫助系統是為了方便工作人員及時發現、排查故障并解決處理的軟件，如果界面復雜難以操作反而會適得其反。

(3)具有通用性。要讓本系統在各類脫硝設備中通用，就需要其知識庫、數據庫的完善，需要有完備的知識系統。

1.2 軟件開發的主要步驟

(1)數據庫的建立。要查閱大量資料后進行系統的整理，分為專家知識庫和故障診斷的數據庫，前者的知識要體現專業性，讓用戶對脫硝設備有一定的了解，而故障診斷則是專家系統的另一重要板塊。

(2)編寫代碼，設計界面，先設立好預期的功能，再逐步地實現每一個功能并測試運行。預期功能除了主要的專家幫助、故障診斷外，還要考慮到界面的美觀、界面是否可調節大小、背景圖片的選擇、文本框里內容的字體大小等細節。

(3)測試運行情況。完工后，利用打包程序進行打包安裝編譯生成EXE格式的文件，使脫硝設備故障診斷專家系統可以實現脫離開VB開發環境進行獨立操作。

2 脫硝系統的主要故障類型

2.1 系統泄漏故障

在火電廠系統最常見的問題是泄漏，例如閥門和接口處的泄漏。在接口最容易出現問題的是液氨管路，因為液態氨容易外泄，會對環境造成無法估計的后果。因其親水性強，吸水會產生強酸，少量的液氨泄漏會腐蝕周圍系統，包括金屬管路、閥門等[8]。當液態氨泄漏足夠多時,不僅會大面積污染環境,甚至會引發爆炸。通常，器件質量不達標是液氨泄漏的另一重要原因，比如閥門管道和墊片的不合格。另外，人為操作不當，也會引起泄漏，例如管路和承壓器的工作異常。

2.2 卸氨速度緩慢

在脫硝過程中，液氨由槽車供應，一般儲存在倉庫特定區域。在實際操作時，液氨運輸緩慢會造成嚴重后果，輕則造成時間成本的提高，重則對環境和人員造成傷害。主要有兩方面的原因造成液氨運輸速度極為緩慢[9]：第一，是因為工作人員操作不當；第二，由于設備問題，不能正常工作，例如，管路氣動門引起的氣壓和排氣異常。

2.3 脫硝系統中嚴重積灰

脫硝系統中煙道入口處風速較大或尺寸不達標都會造成粉塵量較大，進而出現積灰現象，如圖1所示。積灰又會導致導流板和催化劑的磨損，如圖2所示。而這些都會使系統的脫硝效率降低。

圖1 SCR內部積灰

圖2 催化劑磨損圖

3 采取的措施

3.1 脫硝出口加裝煙氣取樣槍

若要準確地反映催化劑各部位最真實的情況，通常應在脫硝出口尾部水平煙道進行取樣。普通的取樣槍沒有辦法對深幾米的催化劑煙氣流場和催化劑含有的成分進行網格式采樣，因而在最底部加上取樣槍，就可以完整得到催化劑在煙道不同位置的消耗情況[10]。

3.2 嚴格控制噴氨量

因氨逃逸體積分數大于3×10-6時，不滿足相應的環保指標，噴氨量越大，氨逃逸越嚴重，若要控制噴氨量則應控制SCR反應器出口NOx的含量，也可對機組負荷和燃燒進行調節來滿足環保要求，而不是一味加大噴氨量[11-12]。

3.3 脫硝低負荷投運條件

火電廠中脫硝系統正常運行需要合適的溫度，最合適的運行溫度與換熱面積息息相關，面積大，溫度低，而溫度的降低使系統在低負荷狀態下無法正常運行。溫度異常時為使系統正常工作，可對機組進行改造，通常采用改變負荷率的方式，使得 SCR 入口煙氣溫度升高，具體措施包括：升高水溫，增加省煤器煙氣旁路，省煤器采用分級布置的方式[13]。

4 脫硝設備故障診斷系統的開發

本系統的知識庫是獨立的，是經過不斷地收集、查閱大量的相關專業知識資料并進行系統和科學的整理后利用Access建立的。若要實現在Visual Basic 6.0 的用戶界面與使用者所需要的專業的專家知識庫的連接，需要通過插入Data控件。

以ID和字段1為字段名，專家知識庫采用二級分類的形式，分別將父菜單和子菜單的數據各放置于一個表中來表示，設置表的名稱分別為“表1”、“表2”。表1的內容分別是燃煤電廠NOx的排放和控制、低NOx燃燒、SCR脫硝系統、SNCR脫硝系統和聯合工藝，見圖3。表2的字段名也是ID和字段1作為小標題的編號和名稱列。詳細的子菜單的主要內容以“rtf”格式的文件存放在Word中，見圖4。

圖3 知識庫父菜單

圖4 知識庫子菜單

脫硝設備故障診斷系統的內容按照SCR和SNCR進行劃分，放在兩個表中表示。通過輸入之前查到的大量數據建立表，兩個表的名稱分別為SCR故障類型診斷和SNCR故障類型診斷，以故障名稱、原因、案例現象和解決措施為字段的名稱，把之前脫硝設備的故障進行輸入。另外，為了方便故障診斷時的關鍵詞查詢功能，還制作了一個SNCR故障診斷總表，見圖5。

圖5 SNCR故障類型診斷總表

5 專家幫助系統的功能

5.1 瀏覽查詢功能

專家知識庫界面控件包括Command、RichTextBox、Treeview，可以用目錄的方法顯示出來。從主界面的專家幫助菜單處獲取得到，其中RichTextBox控件的Multiline屬性設置為True，ScrollbaRS屬性設置為3-rtfboth，這可使顯示的內容更完整美觀地展現在用戶面前。

該界面的目錄查詢功能是通過Treeview控件實現的，該控件可以把數據庫中的內容顯示出來，用戶可以通過點擊加載出來的子菜單，在右側的RichTextBox控件中查看顯示的文檔內容，見圖6。

圖6 樹形目錄瀏覽知識庫

故障診斷總界面是故障診斷功能的主體樞紐，其中用到的控件有Combo、Command、Text， Combo，控件的Style屬性設置為2-dropdown list，也就是只有下拉菜單選項的功能，在list屬性中寫上“SCR脫硝系統”和“SNCR脫硝系統”，并編寫代碼來實現故障診斷其他窗體的啟動，見圖7。圖8可以清楚地看到選定所需查詢的脫硝系統后所顯示的詳細界面，圖8(a)為診斷總界面選擇SCR脫硝系統時所呈現出的界面，圖8(b)為診斷總界面選擇SNCR脫硝系統時所呈現出的界面。

圖7 故障診斷總界面

(a)SCR

(b)SNCR

下述界面實現了故障的模糊查詢，設置故障名稱為查詢目標，界面中用到的控件有Command、Label、Listview、Data、Text。該界面見圖9，其中圖9(a)是輸入關鍵字后可提取到的相關內容，圖9(b)是直接點擊查詢可以瀏覽的所有故障類型。

(a)輸入關鍵字后相關內容

(b)直接點擊查詢后瀏覽的界面

5.2 知識庫管理功能

知識庫管理界面用到的控件有Command、RichTextBox、Adodc、Datagrid、Image、Label和Text，利用Datagrid控件加載知識庫，點擊即可在右側副文本框中顯示出來，見圖10，單擊保存文本就可輔助實現相應功能。

響應添加按鈕，在兩個Text文本框中輸入要添加的ID編號和標題內容后再點擊修改即可，用到了vbCritical警告語句和vbYesNo選擇語句。圖11中出現了警告指示，這是因為兩個Text文本框在添加文件處是空白所導致的。

除了知識庫管理之外，本界面還實現了記錄的指針移動，用戶可以單擊上一條下一條進行逐條的查看、管理，現以首記錄和上一條為例進行了開發和研究。

關于和幫助界面主要是對系統開發環境的介紹和對用戶操作的指導。首先使用各種計算機語言編碼VB控件，開發主要的兩個界面，然后點擊主界面的關于和幫助菜單時，使想要查詢的界面都能顯示出來。

圖10 知識庫管理界面

圖11 知識庫管理的警告對話框

6 結語

文章總結了兩種典型脫硝系統相關知識以及工作原理，并將其加入專家知識庫中。通過Access建立故障診斷數據庫和專家知識庫，使用Visual Basis6.0完成專家幫助系統界面和窗體的開發。用戶可以簡單便捷地通過專家幫助界面查詢到想了解的相關知識。在故障診斷界面的目錄瀏覽或總界面的關鍵字查詢中，可以知道脫硝系統的故障原因、現象及改進的手段。通過對脫硝系統故障類型及所對應的不同措施的總結，加深了對脫硝系統的了解。在系統的開發和功能的學習中，對導致不同故障的原因以及具體案例現象和措施進行分析，可對脫硝系統中的故障解決有更加深刻和全面的認識。而專家幫助系統也提高了學習者將人工智能與解決實際工程應用中的問題結合起來的理念和能力。