故障诊断专家帮助系统开发及其在电厂脱硝设备中的应用*

王淑勤 王静 李芳

(华北电力大学环境科学与工程系 河北保定 071003)

0 引言

当今社会，工业飞速发展，除了给国家带来巨大的经济效益外，其所带来的环境问题也不容忽视。在所有的污染物当中，燃煤锅炉所排放的NOx对环境造成的危害尤为突出。为此，国家环保总局下发了一系列的法规来控制NOx的排放。GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》要求的燃煤机组排放限值比2014年《煤电节能减排升级与改造行动计划》更严格。为了满足国家排放标准，企业必须进行超低排放技术改造[1]。2016年，燃煤电厂超低排放改造发展迅速，这与脱硝装置在电厂的普及密切相关。选择性催化还原法(SCR)以其简便的操作、稳定的运行等优势，得到了广泛的应用[2-5]。

在火电厂脱硝系统中，安全、稳定、可靠是反应器较为重要的特征，它在整体运作中发挥着至关重要的作用。希望开发出一套脱硝设备故障诊断专家帮助系统，并将其放在火电厂、煤化工等相关行业应用，实现专家知识库中故障诊断知识管理功能，能够查找、阅读脱硝设备故障类型、解决措施，实现故障知识的增添、删减、修改等。此外，还需满足界面美观友好、通用性能强的效用，提高人类的工作效率，大大降低工作、研究的失败率。 脱硝设备故障诊断专家帮助系统将会成为环保工作者的便利工具,亦可为从事相关的学习、培训提供帮助,并实现远程培训。 此外,专家帮助系统也是人工智能的一个重要实践,对经济社会的发展至关重要, 急需对其进行开发和研究[6]。

国内学者牵头制作开发了火电厂脱硫系统，它将人工智能与脱硫系统的各个专业性的功能结合，并将这一改进应用到了电子设备的故障诊断研究上，通过实验取得了成功，运用Visual Basis 6.0进行开发，建立并且不断完善自我知识库[6]。

杜宇[7]实现了污水处理厂专家帮助系统的开发，最终运行结果表明，专家系统软件实现了多种功能、系统的内容完善，同时还能够查找、阅读及打印污水处理厂各种运行管理方面的知识，具有很强的普遍性。

为提高工作效率，节约人力成本，帮助人类专家解决难题，对电力行业的脱硝系统、设备故障、解决措施构建知识库，以计算机程序模拟人类专家的决策过程，其开发过程及应用效果如下。

1 专家帮助知识库的构建

1.1 专家帮助系统的主要设计内容

(1)清楚的层次安排。系统主要分为三个部分：专家帮助部分、故障诊断部分以及知识库管理部分，用主界面把每个部分相联系，使每一个部分都可以实现其功能。

(2)界面美观、操作便捷。故障诊断专家帮助系统是为了方便工作人员及时发现、排查故障并解决处理的软件，如果界面复杂难以操作反而会适得其反。

(3)具有通用性。要让本系统在各类脱硝设备中通用，就需要其知识库、数据库的完善，需要有完备的知识系统。

1.2 软件开发的主要步骤

(1)数据库的建立。要查阅大量资料后进行系统的整理，分为专家知识库和故障诊断的数据库，前者的知识要体现专业性，让用户对脱硝设备有一定的了解，而故障诊断则是专家系统的另一重要板块。

(2)编写代码，设计界面，先设立好预期的功能，再逐步地实现每一个功能并测试运行。预期功能除了主要的专家帮助、故障诊断外，还要考虑到界面的美观、界面是否可调节大小、背景图片的选择、文本框里内容的字体大小等细节。

(3)测试运行情况。完工后，利用打包程序进行打包安装编译生成EXE格式的文件，使脱硝设备故障诊断专家系统可以实现脱离开VB开发环境进行独立操作。

2 脱硝系统的主要故障类型

2.1 系统泄漏故障

在火电厂系统最常见的问题是泄漏，例如阀门和接口处的泄漏。在接口最容易出现问题的是液氨管路，因为液态氨容易外泄，会对环境造成无法估计的后果。因其亲水性强，吸水会产生强酸，少量的液氨泄漏会腐蚀周围系统，包括金属管路、阀门等[8]。当液态氨泄漏足够多时,不仅会大面积污染环境,甚至会引发爆炸。通常，器件质量不达标是液氨泄漏的另一重要原因，比如阀门管道和垫片的不合格。另外，人为操作不当，也会引起泄漏，例如管路和承压器的工作异常。

2.2 卸氨速度缓慢

在脱硝过程中，液氨由槽车供应，一般储存在仓库特定区域。在实际操作时，液氨运输缓慢会造成严重后果，轻则造成时间成本的提高，重则对环境和人员造成伤害。主要有两方面的原因造成液氨运输速度极为缓慢[9]：第一，是因为工作人员操作不当；第二，由于设备问题，不能正常工作，例如，管路气动门引起的气压和排气异常。

2.3 脱硝系统中严重积灰

脱硝系统中烟道入口处风速较大或尺寸不达标都会造成粉尘量较大，进而出现积灰现象，如图1所示。积灰又会导致导流板和催化剂的磨损，如图2所示。而这些都会使系统的脱硝效率降低。

图1 SCR内部积灰

图2 催化剂磨损图

3 采取的措施

3.1 脱硝出口加装烟气取样枪

若要准确地反映催化剂各部位最真实的情况，通常应在脱硝出口尾部水平烟道进行取样。普通的取样枪没有办法对深几米的催化剂烟气流场和催化剂含有的成分进行网格式采样，因而在最底部加上取样枪，就可以完整得到催化剂在烟道不同位置的消耗情况[10]。

3.2 严格控制喷氨量

因氨逃逸体积分数大于3×10-6时，不满足相应的环保指标，喷氨量越大，氨逃逸越严重，若要控制喷氨量则应控制SCR反应器出口NOx的含量，也可对机组负荷和燃烧进行调节来满足环保要求，而不是一味加大喷氨量[11-12]。

3.3 脱硝低负荷投运条件

火电厂中脱硝系统正常运行需要合适的温度，最合适的运行温度与换热面积息息相关，面积大，温度低，而温度的降低使系统在低负荷状态下无法正常运行。温度异常时为使系统正常工作，可对机组进行改造，通常采用改变负荷率的方式，使得 SCR 入口烟气温度升高，具体措施包括：升高水温，增加省煤器烟气旁路，省煤器采用分级布置的方式[13]。

4 脱硝设备故障诊断系统的开发

本系统的知识库是独立的，是经过不断地收集、查阅大量的相关专业知识资料并进行系统和科学的整理后利用Access建立的。若要实现在Visual Basic 6.0 的用户界面与使用者所需要的专业的专家知识库的连接，需要通过插入Data控件。

以ID和字段1为字段名，专家知识库采用二级分类的形式，分别将父菜单和子菜单的数据各放置于一个表中来表示，设置表的名称分别为“表1”、“表2”。表1的内容分别是燃煤电厂NOx的排放和控制、低NOx燃烧、SCR脱硝系统、SNCR脱硝系统和联合工艺，见图3。表2的字段名也是ID和字段1作为小标题的编号和名称列。详细的子菜单的主要内容以“rtf”格式的文件存放在Word中，见图4。

图3 知识库父菜单

图4 知识库子菜单

脱硝设备故障诊断系统的内容按照SCR和SNCR进行划分，放在两个表中表示。通过输入之前查到的大量数据建立表，两个表的名称分别为SCR故障类型诊断和SNCR故障类型诊断，以故障名称、原因、案例现象和解决措施为字段的名称，把之前脱硝设备的故障进行输入。另外，为了方便故障诊断时的关键词查询功能，还制作了一个SNCR故障诊断总表，见图5。

图5 SNCR故障类型诊断总表

5 专家帮助系统的功能

5.1 浏览查询功能

专家知识库界面控件包括Command、RichTextBox、Treeview，可以用目录的方法显示出来。从主界面的专家帮助菜单处获取得到，其中RichTextBox控件的Multiline属性设置为True，ScrollbaRS属性设置为3-rtfboth，这可使显示的内容更完整美观地展现在用户面前。

该界面的目录查询功能是通过Treeview控件实现的，该控件可以把数据库中的内容显示出来，用户可以通过点击加载出来的子菜单，在右侧的RichTextBox控件中查看显示的文档内容，见图6。

图6 树形目录浏览知识库

故障诊断总界面是故障诊断功能的主体枢纽，其中用到的控件有Combo、Command、Text， Combo，控件的Style属性设置为2-dropdown list，也就是只有下拉菜单选项的功能，在list属性中写上“SCR脱硝系统”和“SNCR脱硝系统”，并编写代码来实现故障诊断其他窗体的启动，见图7。图8可以清楚地看到选定所需查询的脱硝系统后所显示的详细界面，图8(a)为诊断总界面选择SCR脱硝系统时所呈现出的界面，图8(b)为诊断总界面选择SNCR脱硝系统时所呈现出的界面。

图7 故障诊断总界面

(a)SCR

(b)SNCR

下述界面实现了故障的模糊查询，设置故障名称为查询目标，界面中用到的控件有Command、Label、Listview、Data、Text。该界面见图9，其中图9(a)是输入关键字后可提取到的相关内容，图9(b)是直接点击查询可以浏览的所有故障类型。

(a)输入关键字后相关内容

(b)直接点击查询后浏览的界面

5.2 知识库管理功能

知识库管理界面用到的控件有Command、RichTextBox、Adodc、Datagrid、Image、Label和Text，利用Datagrid控件加载知识库，点击即可在右侧副文本框中显示出来，见图10，单击保存文本就可辅助实现相应功能。

响应添加按钮，在两个Text文本框中输入要添加的ID编号和标题内容后再点击修改即可，用到了vbCritical警告语句和vbYesNo选择语句。图11中出现了警告指示，这是因为两个Text文本框在添加文件处是空白所导致的。

除了知识库管理之外，本界面还实现了记录的指针移动，用户可以单击上一条下一条进行逐条的查看、管理，现以首记录和上一条为例进行了开发和研究。

关于和帮助界面主要是对系统开发环境的介绍和对用户操作的指导。首先使用各种计算机语言编码VB控件，开发主要的两个界面，然后点击主界面的关于和帮助菜单时，使想要查询的界面都能显示出来。

图10 知识库管理界面

图11 知识库管理的警告对话框

6 结语

文章总结了两种典型脱硝系统相关知识以及工作原理，并将其加入专家知识库中。通过Access建立故障诊断数据库和专家知识库，使用Visual Basis6.0完成专家帮助系统界面和窗体的开发。用户可以简单便捷地通过专家帮助界面查询到想了解的相关知识。在故障诊断界面的目录浏览或总界面的关键字查询中，可以知道脱硝系统的故障原因、现象及改进的手段。通过对脱硝系统故障类型及所对应的不同措施的总结，加深了对脱硝系统的了解。在系统的开发和功能的学习中，对导致不同故障的原因以及具体案例现象和措施进行分析，可对脱硝系统中的故障解决有更加深刻和全面的认识。而专家帮助系统也提高了学习者将人工智能与解决实际工程应用中的问题结合起来的理念和能力。