（环境工程专业论文）湿法烟气脱硫专家帮助和故障诊断系统的开发研究.pdf

f ， ， 害口目 l l i il llll l llll lll le ii i i n l a ln un nn n ln i n l iun i ! i i l u l i 尸明 j 。y 1 7 8 5 5 8 6 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 ：湿法烟气脱硫专家帮助和故障 诊断系统的开发研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：业鱼日 期：兰l 三： 关于学位论文使用授权的说明- 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：韭导师签名： 日期：日 期：幽雄p ， 府 ； 华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 以火电厂应用广泛的石灰石石膏湿法烟气脱硫系统为研究对象，对其技术原 理、运行维护、常见故障、专业术语等知识进行了总结；利用a c c e s s 建立了湿 法烟气脱硫专家系统的知识库；以v i s u a lb a s i c6 0 为语言开发工具，对湿法烟气 脱硫专家系统软件进行了开发，包括专家帮助界面、故障诊断界面、工艺仿真界 面、知识库管理界面等；最终软件打包生成简易的安装程序，可以为运行人员提 供湿法烟气脱硫系统的知识查询和故障诊断以及对知识的添加、修改和删除等功 能。对帮助维护火电厂脱硫设备的运行和管理有重要的理论意义和实用价值。 关键词：火电厂，湿法脱硫，专家系统，故障诊断 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no fl i m e s t o n e - g y p s u mw e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ns y s t e mw h i c h w a st h e r m a lp o w e rp l a n t sw i d e l yu s e d ，o ni t st e c h n o l o g yp r i n c i p l e s ，o p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c e ，c o m m o nf a i l u r e s ，p r o f e s s i o n a lt e r m i n o l o g yw a sb es u m m a r i z e ；w e t d e s u l f u r i z a t i o ne x p e r ts y s t e mk n o w l e d g eb a s eh a sb ee s t a b l i s h e db ya c c e s s ；a s v i s u a lb a s i c6 0w a sal a n g u a g ed e v e l o p m e n tt o o l ，w e td e s u l f u r i z a t i o ne x p e r ts y s t e m s o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e d ，i n c l u d i n ge x p e l sh e l pi n t e r f a c e ，f a u l td i a g n o s i si n t e r f a c e ， p r o c e s ss i m u l a t i o ni n t e r f a c e ，k n o w l e d g eb a s em a n a g e m e n ti n t e r f a c e ，a n ds oo n ；f i n a l s o f t w a r ep a c k a g ei sg e n e r a t e dw i t he a s yi n s t a l l a t i o np r o c e d u r e st h a tc a np r o v i d ew e t d e s u l f u r i z a t i o ns y s t e mf o rr u n n i n gq u e r i e sa n df a u l td i a g n o s i so fk n o w l e d g ea n dt h e k n o w l e d g e t o a d d ，m o d i f y , a n dd e l e t e f u n c t i o n s i th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u et oh e l pm a i n t a i nt h eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to f t h e r m a lp o w e rp l a n td e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n t l i ub o ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h uz h i g u a n g k e yw o r d s ：c o a l f i r e dp o w e r p l a n t ，w e td e s u l f u r i z a t i o n ，e x p e r ts y s t e m s ， f a u l td i a g n o s i s 中文摘 英文摘 第一章 1 1 1 2 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 华北电力大学硕+ 学位论文目录 3 3 4 浆液停留时间1 7 3 3 5 氧化空气量1 7 3 3 6 烟气含尘浓度1 7 3 3 7 浆液c 1 浓度1 7 3 3 8 石灰石粒径1 8 3 4 火电厂石灰石一石膏湿法f g d 系统的运行优势1 8 第四章湿法烟气脱硫专家系统的开发2 0 4 1 湿法烟气脱硫专家帮助和故障诊断系统的需求分析2 0 4 2 湿法烟气脱硫专家系统开发工具的选择2 0 4 3 湿法烟气脱硫专家系统知识库的建立2 l 4 3 1 湿法烟气脱硫专家系统知识库的设计2 l 4 3 2 湿法烟气脱硫专家系统知识库的开发2 2 4 4 湿法烟气脱硫专家系统的推理机制2 5 4 5 湿法烟气脱硫专家系统的界面开发和功能实现2 6 4 5 1 启动界面的开发2 6 4 5 2 专家帮助界面的开发2 7 4 5 3 故障诊断界面的开发3 0 4 5 4i 艺仿真界面的开发：3 2 4 5 5 知识库管理界面的开发3 3 4 5 6 关于界面的开发及软件打包3 6 4 6 湿法烟气脱硫专家系统的测试和评价3 7 4 6 1 湿法烟气脱硫专家帮助功能的测试3 7 4 6 2 湿法烟气脱硫故障诊断功能的测试3 9 4 6 3 湿法烟气脱硫系统仿真功能的测试3 9 4 6 4 湿法烟气脱硫知识库管理功能的测试4 0 第五章结论4 l 5 1 结论4 l 5 2 后续工作展望4 2 参考文献4 3 致谢4 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 7 华北电力人学 1 1 课题研究背景 1 1 1 选题背景及意义 第一章引言 随着国民经济的快速发展和产业界的优化调整，我国工业自动化程度和电气 化程度不断提高，服务业和居民用电需求增长迅速，促进了我国发电装机容量和 发电量的快速增长和强劲需求，全国电力发展“十一五”规划及中长期规划表明， “十一五”期间全国电力开工规模为2 0 0 g w ，2 0 1 0 年发电装机容量达到6 5 0 g w ， 中长期规划方面，2 0 1 1 2 0 2 0 年年均净增装机容量为3 0 w g ，到2 0 2 0 年发电装机 容量达到9 5 0 g w 左右，其中煤电为6 0 5 g w ，约6 3 t 。这说明在很长的一段时 间，我国一次能源以煤为主体的格局不会改变。 大量的燃煤和煤种较高的含硫量必然导致大量的s 0 2 排放，1 9 9 5 年我国s 0 2 排放量超过美国和欧洲，达到2 3 7 0 万t ，成为世界上s 0 2 排放第一大国。之后连 续许多年排放超过2 0 0 0 万t 【2 1 。图1 1 是2 0 0 0 2 0 0 8 年我国s 0 2 的排放情况。 一| 2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 年份 图1 1 我国2 0 0 0 2 0 0 8 年s 0 2 排放 我国s 0 2 大量排放造成了严重的污染。目前我国酸雨区已从八十年代西南少 数地区发展到长江以南、青藏高原以东和四川盆地的大部分地区，降水p h 值小于 5 6 的面积( 国际评价酸雨的标准) 约占国土面积的3 0 。华中地区酸雨污染程度 已经超过八十年代污染最重的西南地区，酸性降水频率高达9 0 。我国已有6 2 的城市环境空气s 0 2 平均浓度超过国家环境空气质量标准二级标准，日平均 浓度超过国家环境空气质量标准三级标准【3 】。中国环境科学研究院和清华大 o o o o o o o o o o o o 0 o 5 o 5 o 5 3 2 2 l l pr一哪辎枯ho 华北电力火学硕士学位论文 学等单位的研究结果表明，酸雨给我国造成的损失每年超过1 1 0 0 亿元，大气污染 所造成的损失每年约占我国g d p 的2 3 之间【4 1 。 因此控制s 0 2 排放已成社会和经济可持续发展的迫切要求，2 0 0 3 年出台的 g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ：火电厂大气污染物排放标准，对不同时期的火电厂建设项目分别 规定了对应的大气污染物排放控制要求【5 】，与原有标准相比，新标准明确了我国 火电厂大气污染物的排放控制目标。见表1 1 。此外国家环保总局制定的现有燃 煤电厂二氧化硫治理“十一五”规划中指出“十一五”期间全国二氧化硫排放总量 减少1 0 ，即到2 0 1 0 年全国二氧化硫总量控制目标为2 2 9 4 4 万吨，其中，电力 为9 5 1 7 万吨【6 】。 表1 1 火力发电锅炉s 0 2 最高允许排放值 时段第一时段第二时段 第三时段 实施时间2 0 0 5 年 2 0 1 0 年 2 0 0 5 年2 0 1 0 年2 0 0 4 年 1 月1 日1 月1 日1 月1 日1 月1 日1 月1 日 燃煤锅炉 2 0 0 1 ( ”1 2 0 0 ( 1 2 1 0 04 0 04 0 0 及燃油锅炉1 2 0 0 ( z 1 2 0 0 2 8 0 0 ，l 1 2 0 0 ( 4 ) 注：( 1 ) 该限值为全厂第l 时段火力发电锅炉平均值 ( 2 ) 在标准实旅前，环境影响报告书已批复的脱硫机组，以及西部非两控区的燃 用特低硫煤( 入炉燃煤收到基硫分小于0 5 ) 的坑口电厂锅炉执行该限值。 ( 3 ) 以煤矸石等为主要燃料( 入炉燃料收到基低位发热量小于1 2 5 5 0 k j k g ) 的资 源综合利用火力发电锅炉执行该限值。 ( 4 ) 位于西部非两控区的燃用特低硫煤( 入炉燃煤收到基硫分小于0 5 ) 的坑 口电厂锅炉执行该限值。 要实现我国火电厂s 0 2 的控制目标，关键靠加装烟气脱硫装置。节能减排方 案指出：推动燃煤电厂二氧化硫治理。“十一五”期间投运脱硫机组3 5 5 亿l 【w ， 形成消减s c h 能力5 9 0 万t 【 。 截至2 0 0 6 年底，建成投产的脱硫机组容量达1 5 7 亿k w ，仅2 0 0 6 年就达1 0 4 亿k w ，而2 0 0 7 年新建投产的脱硫机组容量超过了1 1 亿k w t 引。为我国的s 0 2 的 污染控制发挥了积极地作用。 2 华北电力人学硕士学位论文 火电厂采用湿法烟气脱硫技术无疑是一个减少s 0 2 排放的最有效措施，其中 石灰石石膏湿法最为成熟，脱硫率可达到9 0 以上，占世界上投入运行的8 5 左 右，我国的大型发电机组烟气脱硫也以石灰石石膏湿法为主【9 l 。但是，我国f g d 系统运行时间相对较短，专业技术经验积累还比较少，各种现场运行技术资料也 比较缺乏，而且石灰石石膏湿法烟气脱硫系统复杂，变化因素众多，运行过程中 常常出现各种异常现象，一个普通的操作人员不可能熟悉系统的各个运行过程和 操作步骤。然而，专家系统是一个拥有大量的专业知识与经验的程序系统，它可 以模拟一个或多个专家对专业问题的处理，是人工智能的发展方向【1 0 】。 本文的研究目的就是开发一套石灰石石膏湿法烟气脱硫的专家系统，使其拥 有石灰石石膏湿法的全部知识，可提供湿法f g d 系统运行维护的咨询帮助、推 理解释、故障诊断等功能，使每一个操作员专家化，减少操作错误，提高运行水 平，高效的解决工程运行中出现的问题。此研究将人工智能领域的专家系统原理 应用于湿式石灰石石膏法烟气脱硫系统，可帮助运行人员稳定和优化火电厂脱硫 设备的运行管理；可为电厂培训脱硫运行人员提供专业资料，充实我国f g d 运行 经验和技术知识，为我国自主研发脱硫技术提供理论支持；并且湿法烟气脱硫作 为电力发展的重要组成部分，其专家帮助和故障诊断系统对火电厂的智能化发展 有着重大的理论意义和广阔的应用前景。 1 1 2 国内外研究动态 烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，简称f g d ) 是世界上唯一大规模商业化 应用的脱硫方法，湿法f g d 工艺已有几十年的发展历史，石灰石石膏工艺也已 开发了第二代、第三代，逐步改善了传统湿法工艺中的堵塞、结垢、腐蚀等问题。 目前湿法f g d 的供应商将他们的注意力集中的研发第三代吸收塔上。发展之一为 开发大容量的吸收塔，把过去的“一炉多塔”，提高为“一炉一塔 。发展之二 为提高吸收塔的烟气流速，来减少吸收塔的尺寸，进一步降低f g d 投资和运行的 费用。此外，开发f g d 设备的材料和耐腐蚀也一直是研究之重。 人工智能的应用起源于二十世纪六十年代，1 9 6 8 年，第一个专家系统 d e n d r a l 研发出世，被应用于质谱仪分析有机化合物的分子结构。继后，医疗 专家系统m y c i n ，地质勘测专家系统p r o s p e c t o r 等被相继开发【】，为工矿数 据分析处理、医疗诊断、计算机设计等提供了强有力的工具。到7 0 年代，专家系 统由数据信号解释型和故障诊断型系统慢慢发展增加了设计型、规划型多任务交 叉的专家系统，并渐渐的应用于工业运行控制。 将f g d 技术和计算机技术相结合，以寻求创新应用有很多。北京科技大学张 晓刚和王亮等【1 2 】研发了基于层次s d g 分析方法的脱硫系统的故障诊断；东南大学 3 华北电力大学硕士学位论文 孙志翱和金保升等【1 3 建立了基于a s p e np l u s 软件的湿法烟气脱硫的模型：华北 电力大学杨维波和王惠敏等【1 4 】开发了火电厂脱硫系统设备状态分析的神经网络专 家系统；华北电力大学胡满银和汪黎东等【1 5 】湿法脱硫装置故障诊断专家系统的研 究；胡志光和张雪杰等【1 6 】湿法烟气脱硫系统优化控制的仿真研究；胡志光和潘晓 等【1 7 l 湿式石灰石石膏法烟气脱硫帮助系统的开发研究；林如丹和何雄等i i s 烟气脱 硫实对模拟监控软件的设计；江苏大学赵光明和陈金玉等【1 9 】，运用模糊决策方法和 推理机原理，研制了综合评选f g d 技术的专家系统；y iz h o n g 和x i a n gg a o 等1 2 0 】 研究了火电厂湿法烟气脱硫系统的优化设计。 1 2 课题的研究内容 1 2 1 课题的研究内容 以燃煤电厂6 0 0 m w 机组配套的石灰石石膏湿法烟气脱硫系统为研究对象， 以v i s u a lb a s i c6 0 为语言开发工具，使用a c c e s s 数据库建立湿式石灰石石膏法 烟气脱硫专家帮助和故障诊断系统地知识库结构模型，并进行石灰石石膏湿法烟 气脱硫专家帮助和故障诊断软件的总体设计、开发和调试。 1 分析湿法烟气脱硫的技术原理和运行维护知识，建立湿法烟气脱硫知识库， 开发湿式石灰石石膏法烟气脱硫系统的专家帮助，它是由知识库，推理机和人机 界面等组成，可提供石灰石石膏湿法烟气脱硫系统的启停操作帮助、运行中的检 查和维护帮助、系统的事故处理帮助、优化改造帮助、工作原理、术语解释帮助 以及专家帮助的知识库的管理帮助。 2 总结湿式石灰石石膏法烟气脱硫系统的常见故障和处理措施，开发石灰 石石膏湿法的烟气脱硫系统的故障诊断界面，可以各种离线故障诊断、各种在线 故障诊断、故障的储存、管理。这部分采用单独的推理机制，利用自建的推理模 型，采取j 下向思维方式模拟，可推断系统发生的故障。 3 在以上主要功能的基础上，添加如检索、打印、管理的辅助功能，增强软 件的通用性，操作界面的设计也要更多考虑使用者，减少误差、减少劳动强度， 务必实现良好的人机交流界面。 开发此软件除了对v i s u a lb a s i c6 0 编程和a c c e s s 数据库的一定的要求外， 主要需掌握石灰石石膏湿法脱硫的全部知识并做出系统分析，包括其各种设备、 工艺流程、s 0 2 吸收的化学原理、设备的防腐、运行的启停操作、各种故障的原 因及解决办法等。 4 华北电力火学硕士学位论文 1 2 2 课题的创新点和难点 1 课题的创新点 将专家系统和石灰石石膏湿法烟气脱硫系统结合起来，开发一套内含烟气湿 法脱硫知识的计算机软件，不仅可以达到知识共享，帮助运行人员提过烟气脱硫 设备的运行维护水平，指导运行人员实现优化控制调整，还规范石灰石石膏湿法 烟气脱硫系统的专家帮助和故障诊断系统，希望可以为烟气脱硫专家控制系统的 建立提供专业的生产工艺知识，促进智能控制在烟气脱硫工艺上的应用。 软件开发完成后具有良好的可移植性和可维护性，无需开发工具的支持，是 一个独立的可安装程序。 2 课题的难点 ( 1 ) 开发专家系统的难点在知识库的建立，既脱硫系统的知识库的建立，石 灰石石膏湿法脱硫的系统复杂，影响因素众多，并存在一些随机的实际工作中存 在的问题、经验的归纳和推理，这部分知识在实际应用中最有价值，而这种知识 往往难于用某种语言来表达，更难以用计算机的逻辑结构或数据结构来表达。 ( 2 ) 专家系统还应具有把处理过的问题充实进知识库的能力，使专家系统的 数据库得到不断的补充，完善。因此，采用何种智能算法、确立什么样的数学模 型是一个难点。 ( 3 ) 工况、设备存在差异性，模型条件不可能完全贴近实际，专家系统如果 要良好的实际应用还需大量实践、优化。 5 华北电力人学硕士学位论文 2 1 专家系统的定义 第二章专家系统概述 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 实质上为一计算机程序，其内部含有大量的 某个领域专家水平的知识与经验，应用人工智能技术和计算机技术，依据其内部 知识与经验，进行推理和判断，模拟人类专家决策过程，以便快速优质的解决那 些需要人类专家处理的复杂问题。它是人工智能最活跃、广泛的研究领域之一【2 。 2 2 专家系统的特点 1 启发性 专家系统内部的专业知识，大都是领域专家长期实践中积累的宝贵经验，通常 没有严谨的理论依据，很难保证其在各种情况下的普遍正确性，但是在一定条件 下能很好的解决问题，简洁而有效，我们称具有这种特点的知识为启发性知识 ( h e u r i s t i ck n o w l e d g e ) 2 2 】。使用启发性知识处理问题是人类专家处理问题的方法 之一，因此，专家系统要达到人类专家处理问题的水平就必须储存和利用这些启 发性知识。 2 透明性 由于专家系统的解释功能，系统能够解释本身的推理过程和回答用户的提问， 以便告诉用户是如何解决问题的，使用了哪些知识，知识的内容、来源和合理性 等，是专家系统对用户来说是透明的。 表2 1 专家系统与传统的计算机程序的主要区别 列项 传统程序 专家系统 处理对象 数字的 符号的 处理方法算法式启发式 结构特点信息和控制集成知识和控制分离 系统修改难于修改易于修改 数据类型精确信息不确定信息 处理结果最优单一解可接受多解 6 华北电力大学硕士学位论文 3 灵活性 领域知识多是启发性知识，相对于逻辑性知识来说是不稳定的，一旦遇到新 情况、新问题，人类专家需要随时修正已有的知识，所以专家系统要易于修改和 扩充知识，以便不断的适应新情况的需要。 4 知识与控制分离 知识库和推理机是专家系统中独立的模块，把系统的知识与其控制分离是专 家系统颇具价值的特征。 专家系统与传统的计算机程序的主要区别如表2 - 1 所示。 2 3 专家系统的基本结构 专家系统的基本结构如图2 1 所示，其中箭头方向为信息流动的方向。专家系 统通常由知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取、人机交互界面、等 6 部分构成【2 3 1 。 2 3 1 知识库 铜潋r 程炸 j l 户 图2 - 1 专家系统的基本结构 知识库是专家系统的重要组成部分，存储着某领域系统专家的专门知识，包括 基本事实、规则和其他启发性知识。知识的表示形式可以是多种多样的，包括框 架、规则、语义网络等都是计算机能够理解的表达形式。知识库是否完善、正确、 可用，是决定专家系统性能的关键，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系 统的质量水平【2 4 1 。系统运行时知识库是不稳定的，可不断修改、扩充；但其与推 理机分离，推理机的稳定可保证系统的运行。 7 华北电力大学硕士学位论文 另外，由于系统具有解释机制，所以基于知识的系统将应用领域的问题求解 知识显式地表达，并单独地组成一个相对独立的程序实体而一般的应用程序只 是把问题求解的知识隐含地编码在程序中。 2 3 2 推理机 推理机是实施问题求解的核心执行机构，它用于记忆所采用的规则和控制策 略的程序，使整个专家系统能够以逻辑的方式解决工作。推理机能够根据指示进 行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。 推理方式从条件和结论的可靠性出发，有两种方式，逻辑推理和似然推理。 推理过程中所采用的知识都为必然的成果关系，推理结果都是肯定的或是否定的， 但是在实际应用中这种逻辑推理并不多见。因为领域内的许多知识不是一一对应 的，没有明确的逻辑关系，这种情况下，精确推理就不能奏效。似然推理，是不 能确定结论正确性的推理，他可能是计算机模拟领域专家的经验值，在程序内结 论是最优的，但是有错误的可能。 2 3 3 解释器 解释器是向用户解释专家系统的求解过程，根据什么知识求解出系统得出的 结论。解释机制增加了程序的透明性。为了解释专家系统的行为，系统通常需要 反向跟踪动态库中保存的推理路径，并把它翻译成用户能接受的自然语言表达方 式。 2 3 4 综合数据库 综合数据库也称为动态库，用于存放系统运行过程中所需要和产生的所有信 息，包括用户提供的已知数据、推理的中间结果、推理过程的记录及最终结论等。 综合数据库是解释机制获得推理路径的来源。 2 3 5 知识获取 知识获取负责采集新的知识不断扩充知识库，分为手工获取、半自动知识获 取方法或自动知识获取方法。可以人工输入新的知识，也可也自动捕集系统运行 中所增加的新的知识、经验。 2 3 6 人机界面 人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、 系统输出用户所需的结论。系统输出推理结果及相关的解释也是通过人机交互界 面。良好的人机界面也是专家系统的一个必要要求。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 4 专家系统的开发过程 1 用户的需求分析 建立一个实用的专家系统，首先应对用户的需求进行详细的调查和仔细分析， 需求分析的好坏是系统成败的第一步，因此系统工程师在设计之前，应反复的与 用户和领域专家讨论，选择有代表性的用户和专家对需求报告进行评审，才能确 保专家系统的高效性和实用性。 2 原型化设计 即在开发一个实用专家系统之前先开发出一个专家系统原型，然后对原型开 发取得一定经验的基础上，再逐步开发实用的专家系统。主要步骤有初步知识的 获取、推理方法的确定、知识表示方法的确定、开发工具的选择、原型系统的开 发、测试、修正等。这部分设计主要追求主要功能的实现，暂不考虑处理效率和 次要功能。 3 规划与设计 加深对系统的进一步理解，制定好开发规划，确定实施策略。主要任务包括 知识的具体描述、系统结构、工具选择、知识表示方式、推理方式以及对话模型 等，即问题知识化、知识概念化、概念形式化、形式规则化、规则合法化等【2 5 1 。 4 系统实现 按照设计对专家系统进行编程开发，因此应该首先选择适当的语言环境和软 件开发工具。主要工作包括原型系统修改，系统实现，系统集成与验证。 5 系统测试与评价 开发完成后需要对系统进行测试和评估，进行必要的修改，以达到在任务确 定阶段所确定的性能与功能指标。 6 系统的维护和完善 每一个软件开发完毕之后都要不断的进行维护和完善，是其持续的满足用户 需求。这部分的主要工作是不断增加系统功能；不断修改系统尤其是扩充知识库， 增加新知识；增强系统的求解能力，是系统更为完善。 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺技术原理分析 石灰石石膏湿法烟气脱硫属于燃煤后烟气脱硫，整个系统位于燃煤锅炉、除 尘系统之后，燃煤烟气经气气热交换器( g g h ) 降温后引入吸收塔，与泵入的湿 态石灰石浆液充分混合，烟气中的s 0 2 与浆液中的c a c 0 3 以及从塔下部鼓入的空 气进行氧化反应生成硫酸钙，硫酸钙达到一定饱和度后，结晶形成二水石膏。此 法属钙法脱硫，反应在溶液中进行，为气液反应，速率快，脱硫率高，钙利用率 高，且脱硫生成物石膏，经浓缩、脱水后可作商用副产品。脱硫后的烟气经过除 雾器除去雾滴，温度仍低于露点( 5 0 c ) ，为避免形成酸雾，腐蚀烟囱，不利于扩 散，需再经气气换热器加热升温后( 8 0 ) ，才排入大气。 3 1 石灰石石膏湿法烟气脱硫系统工艺流程和运行控制分析 图3 1 为石灰石石膏湿法脱硫工艺流程图【2 6 l 。主要包括由石灰石料仓、湿式 球磨机和石灰石浆液槽组成的石灰石浆液制备系统；由增压风机、回转式烟气烟 气换热器和烟气挡板门等构成的烟气系统；有吸收塔、除雾器、循环浆泵和氧化 风机等设备组成的s 0 2 吸收系统；由水力旋流器、皮带过滤机和废水旋流站等组 成的石膏制备系统；由工艺水和压缩空气系统构成的f g d 公用系统；控制系统； 电气系统。f g d 正常运行的情况下，运行人员必须注意运行中的设备以预防故障， 注意各运行参数并与设计值比较，发现异常及时处理，保证f g d 系统的安全稳定 的运行。 图3 1 石灰石石膏湿法脱硫t 艺流程图 1 0 统 由 右 目前我国大部分电厂采用卧式球磨机。 将石灰石储仓中的石灰石块( 粒径不大于2 0 m m ) 运至称重式皮带给料机， 经计量后送入湿式球磨机内，在球磨机内石灰石块被钢球砸击、挤压和碾磨；并 根据称重式给料量信号和磨机循环浆罐的浆液密度调节加入磨机的最佳供水量， 供水可以是工业水或石膏旋流器的溢流或过滤机的滤液。制成碾磨浆液后送至装 有搅拌器的浆液罐中。球磨机浆液罐中的石灰石浆液被输送到旋流器，分离粗颗 粒和细颗粒。粗颗粒返回球磨机再循环，细颗粒直接输送到吸收剂浆液罐中。制 备系统最终将石灰石磨制成含固率为2 0 3 0 的石灰石浆液，浆液中石灰石的粒 度一般为9 0 9 5 通过3 2 5 目，平均粒径为l o 2 0 9 i n ，以保证是石灰石的反应活 性和消耗率【2 3 1 。合格的浆液经石灰石浆液泵送至吸收塔下部持液槽，根据烟气负 荷、脱硫塔烟气入口s 0 2 浓度和p h 值来控制喷入吸收塔的浆液量，剩余部分返回 浆液罐中。浆液罐中置有搅拌器，保证浆液不断流动循环来防止结块和堵塞。 2 石灰石浆液制备系统的运行控制分析 对石灰石粉制浆系统，主要调节浆液密度。石灰石浆液必须满足一定的密度 要求，密度过高易造成石灰石浆液泵及管道磨损堵塞，对石灰石浆液箱和衬胶极 为不利。密度过低可能出现吸收塔给浆调节阀全开仍不能满足石灰石用量要求。 脱硫设计一般要求石灰石浆液含固率在2 5 左右，通过校验密度计的准确性及调 节制浆程序，石灰石浆液密度可自动得到控制。除此之外，还应注意其他调节。 ( 1 ) 运行中应严格控制石灰石给料量和进入球磨机滤液量的配比，及时调整 称重皮带机转速，保证球磨机内给料量在额定值。 ( 2 ) 运行中若发现球磨机电流小于设定值，应及时补充合格的钢球。 ( 3 ) 及时调整石灰石浆液循环箱液位在一定范围内，严禁循环箱溢流。 ( 4 ) 控制进入球磨机的石灰石粒径在设计值范围内，若运行中发现石灰石给 料粒径过大，应及时通知检修，适当调整破碎机磨道间隙或控制石灰石粒径。 ( 5 ) 运行中要密切监视石灰石浆液旋流器入口压力在适当范围内。 华北电力大学硕士学位论文 ( 6 ) 定期化验浆液细度和密度，为调整提供依据。 ( 7 ) 运行中若石灰石浆液品质不符合要求，且通过调整仍不合格时，应及时 调整化学化验石灰石给料品质。 3 1 2 烟气系统 1 烟气系统的工艺流程分析 烟气系统的主要功能是将含硫烟气安全稳定的引入f g d 设备，顺利的脱除 s 0 2 的污染，并顺利的排入大气。未经过f g d 净化的烟气称为原烟气，而净化后 的烟气称为净烟气。原烟气经过增压风机进入换热器降温，在吸收塔中脱除s 0 2 后，再经换热器加热升温，通过烟囱排放。烟道设有旁路挡板门和f g d 进、出口 挡板门。f g d 运行时打开进、出口挡板门，旁路挡板门关闭。当吸收塔系统停运、 事故或维修时，入口挡板和出口关闭，旁路挡板全开，烟气绕过f g d 系统通过旁 路烟道直接排入烟囱【2 引。烟道留有适当的取样接1 ：3 、实验接口、入孔门和烟气排 放连续监测系统( c e m s ) ，并且设有冲洗和排放漏斗、膨胀节、导流板等设备。 在f g d 系统中，增压风机是用来克服烟气的输送过程中烟道、烟气挡板、 g g h 、吸收塔、烟囱和其他设备的阻力。电厂常用的两种风机的基本类型是：离 心风机和轴流风机。烟气脱硫系统采用将升压风机布置在吸收塔上游烟气侧运行 的设计方案，以保证整个f g d 系统均为正压运行操作，同时还可以避免升压风机 可能受到的低温烟气腐蚀。 湿法脱硫后烟气再热的方式有很多种，目前应用于国内f g d 系统的再热器以 气气加热器为主( g g h ) ，g g h 是利用蓄热加热的原理，利用脱硫前未经过处 理的原烟气的热量加热脱硫后的洁净烟气，二者呈相反方向流动，正常运行的原 烟气温度一般在1 2 0 - - , 1 5 0 的范围内，而净烟气的温度在4 5 5 5 之间。 g g h 的运行条件是高腐蚀性的，它主要的防腐措施有：换热元件一般采用低 碳钢镀专用搪瓷，外部采用耐蚀钢、不锈钢、碳钢加玻璃鳞片涂层等。 2 烟气系统的运行控制分析 ( 1 ) 增压风机的调整主要是维持其入口压力，或使f g d 旁路烟气挡板两侧 的烟气差维持在一定范围内。目的是要求增压风机的运行出力刚好克服f g d 系统 增加的阻力。 ( 2 ) g g h 压差调整。运行中应注意监视g g h 压差，g g h 压差增大时应加 强吹灰。吹灰频率依照工况而定，以保持g g h 压降接近设计值，吹灰设计为两层， 即分别在“热端一和“冷端 装有吹灰器，按时吹扫，当g g h 积灰严重、蒸汽或 空气吹灰不理想时，应采用高压水清洗。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 3 1 3 吸收塔系统 1 吸收塔系统的工艺流程分析 吸收塔是f g d 系统的核心部分，有多种类型，主要有填料塔、液注塔、鼓泡 塔及喷淋塔等。吸收塔的主要作用是吸收烟气中的s 0 2 并产生石膏晶体。对喷淋 塔，其流程为：原烟气经g g h 降温冷却至1 0 1 和8 9 3 后进入塔体，烟气由下 往上流经吸收塔时，与来自吸收塔循环泵喷淋的浆液接触反应，浆液含有 1 0 0 o - , 2 0 左右的石灰石颗粒 2 6 l ，烟气中的s 0 2 、s 0 3 等被吸收塔内循环喷淋的石 灰石浆液洗涤，并与浆液中的c a c 0 3 发生反应，生成的亚硫酸钙悬浮颗粒在吸收 塔底部的循环浆池内，由氧化风机鼓入的空气氧化生成石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) ，并再 次被循环泵循环至喷淋层。与此同时，部分其他有害物质如飞灰、s 0 3 、h c i 、h f 等也得到清除，这时的原烟气温度己被降低至饱和温度4 7 2 2 和4 5 5 3 。在吸 收塔的出口设有除雾器，脱除s 0 2 后的烟气经除雾器除去烟气中携带的细小的液 滴，进入气气热交换器净烟气侧加热，此时的烟气温度进入g g h 升温到8 0 以 上，经脱硫系统净烟气挡板门最后送入烟囱，排向大气。 2 吸收塔系统的运行控制分析 ( 1 ) 吸收塔液位调整 对于喷淋塔，吸收塔液位太高会造成溢流，继而造成溢流管堵塞，甚至烟道 进浆；液位太低，会降低氧化反应空间，降低石膏品质，严重时可能造成搅拌器 振动损坏等。 每个吸收塔都有设计的液位运行范围，运行中应注意控制液位在正常范围内。 如果液位高，在石膏浆液排出泵正常运行的情况下，应适当延长除雾器冲洗时间 问隔，确认除雾器冲洗水门及吸收塔补充水门无内漏现象，或开启底部排浆阀排 浆至正常液位。反之，如果液位太低，应确认吸收塔补充水管道无泄漏或堵塞， 除雾器冲洗水控制正常，同时开大除雾器冲洗水门及吸收塔补充水门。 ( 2 ) 吸收塔浆液密度调整 正常运行中应控制吸收塔浆液密度在设计范围内，如调整不当，可能造成管 道及泵的磨损、堵塞等，或影响脱水效果，从而影响f g d 装置的正常运行。吸收 塔浆液密度低，可停运真空皮带脱水机。反之，可适当提高真空皮带机出力，或 在控制吸收塔液位的前提下，适当增加进入吸收塔工艺水量或滤液等。 ( 3 ) p h 值的调整 p h 值对f g d 系统的影响在前一节已经分析过，在此不再介绍。p h 值通过加 入石灰石浆液来自动控制。 1 3 检修用气和g g h 压缩空气吹扫用气。公共系统的主要控制调节如下： 1 保持各浆液箱、罐、地坑等的液位在j 下常范围内，各备用泵处于自动位， 搅拌器运行正常。 1 4 2 3 3 2 吸 吸 在石灰石浆液中，烟气中的s 0 2 被吸收并离解为亚硫酸根和亚硫酸氢根： s o s ( g ) + h 2 0 hs o s ( a q ) + h s 0 ( 3 - 1 ) s o s ( a q ) + h s 0 h h + + h s o ； ( 3 2 ) h s o ；付h + + s o 一 ( 3 - 3 ) 固态石灰石的溶解于水，消耗了溶液中的氢离子，产生了生成最终产物石膏所 需的钙离子： c a c 0 3 ( s ) hc a 2 + + + c 凹+ ( 3 4 ) 删一+ 日+ ”n c o ； ( 3 - 5 ) 嘲+ h + 付h 2 0 + c 0 2 ( a q ) ( 3 - 6 ) c 0 2 ( a q ) 付c 0 2 ( g ) ( 3 - 7 ) 强制氧化的情况下，吸收塔浆液中的亚硫氢根与氧化风机鼓入的空气发生氧 化反应，生成硫酸根，加大了s 0 2 溶解： h s o ；+ 圭0 2h 用叼 ( 3 8 ) h s o ：bh + s 醇 ( 3 - 9 ) 钙离子和硫酸根发生反应，产生溶解度较低的硫酸钙，并结晶为石膏： c 口2 + + 删一+ 2 h 2 0 付c a s 0 4 2 h 2 伏s ) ( 3 1 0 ) 在实际工程中，还会产生半水硫酸钙，是设备造成结垢的原因之一1 2 9 】： c a 2 + + s o 一+ 圭h 2 d 付c a s o s h 2 d ( s ) ( 3 - 1 1 ) s 0 2 吸收的总反应式可写成： c a c 0 3 + s 0 2 + 1 2 0 2 + 日2 0 hc a s 0 4 2 皿0 + c 0 2 个 ( 3 1 2 ) 此外，也有其他的反应，如：氯化氢和氢氟酸与碳酸钙的反应，反应生成氯 化钙或氟化钙化合物： c a c 0 3 + 2 h c i c a c l s 上+ c o s 个+ 巴0 ( 3 1 3 ) c a c o s + 2 厶咿c a f s 上+ c 0 2 个+ 巴0 ( 3 - 1 4 ) 1 5 华北电力大学硕士学位论文 3 3 影响f g d 系统性能的主要参数的分析 3 3 1 液气比( l g ) 在石灰石石膏湿法f g d 工艺中，液气比( l g ) 指吸收塔洗涤单位体积烟气 所需的循环浆液体积。单位为l m 3 ，它反映了吸收过程推动力和吸收速率的大小， 直接影响f g d 系统的技术性和经济性。 在吸收塔中，循环浆液量决定了吸收s 0 2 可利用的表面积的大小，在其他参 数一定的情况下，提高液气比相当于增大了气液间的接触面积，同时也增大了可 用于吸收s 0 2 的总碱度，固脱硫效率也将增大。但s 0 2 与吸收液有一个气液平衡， 液气比超过一定值后，脱硫率提高的非常缓慢。此时，由于液气比的增高而带来 的问题却显得突出，出口烟气的雾沫夹带增加，给后续设备带来玷污和腐蚀；循 环液量的增大导致系统设计功率及运行电耗的增加，运行成本提高，所以，需寻 找脱硫率和经济成本的最佳值，一般适宜的液气比( l g ) 操作范围为1 5 2 5 l m 3 。 3 3 2 浆液的p h 值 浆液的p h 值不仅影响s 0 2 的吸收，而且影响石灰石、c a s o r i 2 h 2 0 、 c a s 0 4 2 h 2 0 的溶解度。从s 0 2 的吸收来讲，p h 值的升高有利于s 0 2 的吸收，但 如果p h 值较高( 6 ) 时，石灰石的溶解和亚硫酸钙的氧化受到严重抑制，石灰 石的利用率下降，脱硫率提高的趋于缓慢，产品中出现大量结晶的亚硫酸钙 ( c a s 0 3 i 2 h 2 0 ) ，石膏综合利用难以实现，并造成系统严重结垢。而低的p h 值 有利于石灰石溶解和亚硫酸钙的氧化，浆液的利用率提高，原料成本降低，按一 定比例鼓入空气，亚硫酸钙几乎可以全部得到氧化，石膏的品质得以保证。但过 低的p h 值使s 0 2 的吸收受到严重抑制，脱硫效率大大降低，当p h 值降到4 0 以 下时，浆液几乎不再吸收s 0 2 。新鲜石灰石浆液的p h 值一般在8 9 之间，实际的 吸收塔浆液的p h 选择在5 叽6 0 之间，是通过控制石灰石浆液流量来调整的。 3 3 3 钙硫比( c “s ) 钙硫比( c a s ) 为吸收剂消耗量比，理论值为l 。在保持液气比不变的情况下， 钙硫比增大，浆液中未溶解的吸收剂含量提高，浆液p h 值升高，s 0 2 的吸收量增 高，提高脱硫效率，但是过高的吸收剂含量不仅不经济，还会引起石灰石的过饱 和凝聚，最终使反应的表面积减小，脱硫效率降低；同时使石膏中石灰石含量增 大，纯度降低。 最佳的钙硫比( c a s ) 的确定应考虑吸收剂的费用、投资成本、脱硫率及石 膏纯度的保证。我国现有电厂f g d 装置所采用的石灰石c a c 0 3 含量一般为 1 6 华北电力人学硕士学位论文 9 0 0 0 - - - 9 5 ，粒径d 5 0 为1 0 t t m 左右，脱硫石膏纯度一般要求不低于9 0 【3 1 1 ，为了 同时兼顾脱硫率，c a s 选择在1 0 2 1 0 8 范围内。 3 3 4 浆液停留时间 浆液在反应罐中停留时间长，有助于浆液中石灰石与s 0 2 完全反应，及能使 反应生成物c a s 0 3 有足够的时间完全氧化为c a s 0 4 ，有利于石膏结晶的长大和脱 水。设计时它是通过吸收塔浆液罐的体积来表示的。但过长的浆液停留时间会导 致反应罐的容积增大、氧化空气量和搅拌机的容量增大，运行成本增加。 浆液停留时间= 反应罐浆液体积循环浆液总流量 当反应罐浆液体积一定时，浆液停留时间随着循环浆液总流量的增大而减小， 也就是说与液气比有关。浆液循环停留时间在3 5 7 m i n ，浆液在吸收塔中的停留 时间为1 2 2 4 h ，一般不低于1 5 h 。 3 3 5 氧化空气量 目前都采用了强制氧化空气f g d 系统，即在吸收塔浆液池底部设氧化空