[0001]
本发明脱硫装置监测评价技术领域，特别涉及一种基于在线脱硫设备和模块的评价系统及其应用方法。
背景技术：
[0002]
由于对环保的要求，企业和工厂多设置有脱硫装置；但现有的脱硫装置自身的运行和使用，也存在着能源消耗和人工浪费的问题。现有的脱硫装置应用时，对于系统处理过程中性能的判断，多是通过专业工作人员进行监视分析判断，通过以往经验结合专业知识进行人工的判断和控制，此种方式一是对专业人员的依赖度较高，二是在长时间高强度的监盘工作中极易产生人工误差，造成安全事故或经济损失。已有的智能监盘系统，多是对整体系统的控制，对于主要设备以及对应模块的针对化控制和评价缺少对应的评价方法和应用框架结构；进一步的对于经济性评价和预警，多通过第三方软件，尚缺少实时和针对模块和设备对应的经济性评价。
技术实现要素：
[0003]
本发明提供了一种基于在线脱硫设备和模块的评价系统及其应用方法，用以脱硫装置中脱硫设备和对应模块的分别评价、评价框架的构件、评价数据和规则的确定以及对应的经济性评价和预警的设计等技术问题。
[0004]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于在线脱硫设备和模块的评价系统，包含设备级评价单元和模块级评价单元；两评价单元均通过基本指标单独集成并通过计算机显示控制，计算机与安装至设备上各处的数据采集器连接，数据采集器对应各获取的基本指标数据一一设置；同一类的设备和/或相同属性的设备作为一个评价模块，并将模块级评价单元的数据采集器与报警装置连接；对应模块级评价单元或设备级评价单元中基本指标的数据采集器中保留拓展接口，拓展接口对应基本指标设定不同权重值；dcs系统中对应的工艺参数作为基本指标。
[0005]
进一步的，所述设备级评价单元包含的设备为泵类、机类和器类，其中泵类包含浆液循环泵、真空泵、磨机再循环泵、旋流泵、工艺水泵、清水输送泵、除雾器冲洗水泵、石灰石浆液泵、石灰乳加药泵；机类包含氧化风机、湿式球磨机、真空皮带脱水机、振动给料机、斗式提升机、埋刮板输送机、澄清池刮泥机；器类包含吸收塔搅拌器、石灰石旋流器、汽水分离器、仓顶布袋除尘器和各箱罐搅拌器。
[0006]
进一步的，所述泵类、机类和器类对应的基本指标数据采集器包含电流指标数据采集器、温度指标数据采集器、压差指标数据采集器和振动指标数据采集器。
[0007]
进一步的，所述模块级评价单元对应的模块包含泵类模块、机类模块、器类模块以及其他模块；所述泵类模块、机类模块、器类模块以及其他模块为两个及以上相同种类、相同安全属性或经济属性的设备构成且通过编码依次对应连接。
[0008]
进一步的，所述其他模块为影响设备运行、安全和生产效率的设备，或相同数量或
属性的设备在两个及以上构成的单元模块。
[0009]
进一步的，还包含经济评价单元，经济评价单元包含能耗子单元和物耗子单元，能耗子单元的基本指标采集器对应包含电流数据采集器、电压数据采集器、电度数据采集器、辅机数据采集器；物耗子单元的基本指标采集器对应包含石灰石浆液流量数据采集器、密度数据采集器和石灰石实时数据采集器。
[0010]
进一步的，一种基于在线脱硫设备和模块的评价系统的应用方法，具体步骤如下：步骤一、将脱硫装置各设备中在dcs系统中对应的工艺参数作为基本指标进行分类，将基本指标分为设备级和模块级两类；其中对于模块级评价单元的划分根据不同设备的数量和属性对应划分和连接，设备级评价单元为影响运行、安全和生产效率的设备，并将模块级评价单元的数据采集器与报警装置连接；步骤二、建立数学模型，收集对应基本指标的历史数据，选取正常工况下数据再选择线性或非线性回归数学模型进行拟合并进行基本指标分析，找出关联指标和动态期望值；其中基本指标数据选取时，数据概率在85%以上数值或范围的为特征值，在特征值上下10%的数据为允许浮动范围；单个基本指标中动态正常参数值范围，在数据分析时结合环境条件的变化，环境条件包含背景值、季节变换，室内室外及天气突变等因素；步骤三、基于基本指标制定对应的数据检测收集器，并对应的安装至设备的相应位置，且各数据检测收集器均与计算机中在线数据控制平台连接；将基本指标根据设备级评价单元和模块级评价单元进行关联连接，形成对应的评价单元；结合专家经验将每个指标控制范围划分为4个区间，依次为极限小值、允许小值、最优值、允许大值、极限大值，其中极限小值和极限大值为报警限值；根据基本指标的重要性设定权重系数，权重系数分为0、1、2三个级别并对应保留拓展接口；步骤四、每个基本指标的期望值与在线运行值比较，得出单个基本指标的评分，确定评价单元中基本指标的评价规则，对设备级评价单元和模块级评价单元中正常运行时、出现应急状况以及正常停运等三种状况下基本指标进行评价；根据基本指标对模块的影响设立应急级别，分别为1、2、3、4和5级别并保留拓展接口；经济评价单元在评价过程中通过一定时间段的小指标累计值，计算各运行班组值班期间的小指标累计量，自动评比；通过全负荷工况下的历史数据，显示实时负荷工况下的能耗，物耗，并与最优值进行对比，提出经济性运行的分级反馈；步骤五、对应评价规则通过在线数据控制平台进行实时数据收集和评价，在线数据控制平台根据评价结果进行反馈控制。
[0011]
进一步的，对于基本指标的应急级别：其中，一般属性基本指标确定为应急级别1；具备安全或经济属性的确定为应急级别2；对于装置事故跳闸、保护跳闸等开关量，表现为重要安全属性，确定为应急级别3；停运后对系统运行没有影响的定位应急级别4；对模拟量有关品质判断点为坏点时确定为应急级别5；根据各类属性的数量和分值定义，自动赋予各类基本指标在评价中的占比；对于有备用设备的，可通过备用连锁自动投入；备用设备投入后，非正常停运设备将不再作为安全类拉低该设备分值；但设备影响的参数，如流量等，仍按找该基本指标的评分规则计分。
[0012]
进一步的，设备级评价单元和模块级评价单元的评价规则为：
①
所有基本指标均
高于80分的，按权重系数加权平均；
②
任一基本指标低于80分的，取该基本指标作为系统得分；
③
多个基本指标低于80分的，取最低值作为该系统得分；
④
所有基本指标任一触发应急项3时，得分为0分；
⑤
所有基本指标任一触发应急项5时，将该基本指标分数记为0分，并按照基本指标加权平均计入到系统得分。
[0013]
进一步的，对于步骤二、历史数据至少选取对应基本指标一年的数据或一个工作周期，并对应的通过实际监测数据对模型进行验证和修正；对应的评价结果在步骤五中通过在线数据控制平台评分在80-100内显示绿色，60-79内显示黄色，60分一下显示红色；其中绿色代表正常状态，黄色代表关注状态，红色代表警示状态。
[0014]
本发明的有益效果体现在：1）本发明通过设备级评价单元和模块级评价单元，对脱硫装置中的设备和对应的模块进行分别评价，由此利于对不同的设备和工艺模块进行针对性控制；且各对应单元均通过计算机和数据采集器进行在线控制，可进一步减少人工和降低误差；2）本发明通过对基本指标的建模处理、数据取值的阈值划分以及在不同工况下的评分规则，利于在多种情景下对设备和模块进行针对性评价，增加了其实际施工的适用性和应用性；3）本发明通过对设备和模块的单元化集成和计算机在线控制预警等措施，可实时进行监测和预警；还通过经济性评价，可在设备正常运行下，对其运行性能进行最优化设置，利于节约成本；且经济性评价的评价规则同样基于基本指标建立，利于统一化数据处理和设计。
[0015]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
具体实施方式
[0016]
对于脱硫装置整体系统中可分为不同的设备和对应的模块，而对主要设备和模块进行监测和评价在应用中则有着重要作用。基于在线脱硫设备和模块的评价系统，包含设备级评价单元和模块级评价单元；两评价单元均通过基本指标单独集成并通过计算机显示控制，计算机与安装至设备上各处的数据采集器连接，数据采集器对应各获取的基本指标数据一一设置；同一类的设备和/或相同属性的设备作为一个评价模块，并将模块级评价单元的数据采集器与报警装置连接；对应模块级评价单元或设备级评价单元中基本指标的数据采集器中保留拓展接口，拓展接口对应基本指标设定不同权重值；dcs系统中对应的工艺参数作为基本指标。
[0017]
本实施例中，设备级评价单元包含的设备为泵类、机类和器类，其中泵类包含浆液循环泵、真空泵、磨机再循环泵、旋流泵、工艺水泵、清水输送泵、除雾器冲洗水泵、石灰石浆液泵、石灰乳加药泵；机类包含氧化风机、湿式球磨机、真空皮带脱水机、振动给料机、斗式提升机、埋刮板输送机、澄清池刮泥机；器类包含吸收塔搅拌器、石灰石旋流器、汽水分离器、仓顶布袋除尘器和各箱罐搅拌器。
[0018]
本实施例中，所述泵类、机类和器类对应的基本指标数据采集器包含电流指标数据采集器、温度指标数据采集器、压差指标数据采集器和振动指标数据采集器、
本实施例中，所述模块级评价单元对应的模块包含泵类模块、机类模块、器类模块以及其他模块；所述泵类模块、机类模块、器类模块以及其他模块为两个及以上相同种类、相同安全属性或经济属性的设备构成且通过编码依次对应连接。
[0019]
本实施例中，所述其他模块为影响设备运行、安全和生产效率的设备，或相同数量或属性的设备在两个及以上构成的单元模块。
[0020]
本实施例中，还包含经济评价单元，经济评价单元包含能耗子单元和物耗子单元，能耗子单元的基本指标采集器对应包含电流数据采集器、电压数据采集器、电度数据采集器、辅机数据采集器；物耗子单元的基本指标采集器对应包含石灰石浆液流量数据采集器、密度数据采集器和石灰石实时数据采集器。
[0021]
进一步说明，一种基于在线脱硫设备和模块的评价系统的应用方法，具体步骤如下：步骤一、将脱硫装置各设备中在dcs系统中对应的工艺参数作为基本指标进行分类，将基本指标分为设备级和模块级两类；其中对于模块级评价单元的划分根据不同设备的数量和属性对应划分和连接，设备级评价单元为影响运行、安全和生产效率的设备，并将模块级评价单元的数据采集器与报警装置连接。
[0022]
步骤二、建立数学模型，收集对应基本指标的历史数据，选取正常工况下数据再选择线性或非线性回归数学模型进行拟合并进行基本指标分析，找出关联指标和动态期望值；其中基本指标数据选取时，数据概率在85%以上数值或范围的为特征值，在特征值上下10%的数据为允许浮动范围；单个基本指标中动态正常参数值范围，在数据分析时结合环境条件的变化，环境条件包含背景值、季节变换，室内室外及天气突变等因素。
[0023]
动态期望值寻优过程主要包含以下几个步骤，分别为：数据导出、数据清洗、数据线性寻优、数据非线性寻优、线性非线性寻优结果对比、寻优结果验证。
[0024]
①
数据导出。在工程师站查询各测点的历史数据，之后选取符合要求的数据，本实施例所使用的的数据是2019年1月1日00时00分00秒开始，每隔一分钟取一个数据，到2019年12月31日23点59分00秒结束，每个测点525600个数据。
[0025]
②
数据清洗。主要根据经验对数据进行分类整合，将因变量和与因变量相关的多个自变量整合到同一个csv文件，利用stata软件清洗出因变量和所有自变量正常运行范围值，剔除其负值、空值、0值。
[0026]
在实际使用时，由于存在设备启停状况，此时，会存在取值范围不重合的状态，导致清洗后数据量为0，无法进行寻优，所以在实际数据清洗时，采用了分组清洗的方式，即：将待使用的数据整合在同一张表中进行清洗。
[0027]
③
线性寻优。寻优使用了stata软件对输入和输出进行线性回归，第一步确定输入和输出，第二步使用输入对输出进行线性回归，第三步进行后验估计，第四步使用输入和后验估计结果进行绘图，并与输入输出的散点图进行对比，看线性回归结果的趋势。
[0028]
一对多时则使用多个输入对输出进行线性回归，之后进行后验估计操作，之后观察线性回归结果，看各项输入的t值的大小，t值大则此参数对于输出结果的影响较大。最后使用t值最大的输入值与线性回归后验估计值进行绘图，并与此输入和输出的散点图进行对比，看其趋势。
[0029]
线性回归操作可得出回归系数、模型拟合度、t值、p值等参数，使用回归系数列出
最优值算法公式，求出一元线性预测变量，作出散点图、作出一元线性回归预测结果，并作对比，同时根据公式对数据做验证。
[0030]
④
非线性寻优。非线性寻优使用的是matlab神经网络工具箱，使用的算法为bp算法，此寻优使用的是一对多的寻优。挑选线性回归使用的一对多的数据进行非线性寻优。为下一步线性非线性寻优结果对比做准备。
[0031]
⑤
寻优结果对比。经对比发现，线性寻优与非线性寻优结果的关联度并不大，线性寻优结果较好的非线性寻优结果不一定好。合理使用两种方法进行寻优可以有效避免单一方法存在的部分数据寻优结果非常差的问题。
[0032]
⑥
寻优结果验证验证时选取了2020年5月到7月两个月的数据，取值间隔同样是一分钟。经验证，线性寻优结果在使用负荷、流量、压力、液位、密度、浓度等无阶跃变化的量寻优结果较为准确，其准确率在95%以上，部分可达99%。
[0033]
例如，真空皮带机，其转速和滤饼厚度的关系，在正常运行范围内，真空皮带机转速越快，滤饼厚度越薄。其建模过程有以下步骤：第一步，将真空皮带机转速和滤饼厚度的历史数据导出到建模计算软件工作区域。第二步，参考实际运行工况对其进行数据清洗，具体步骤为去除空值、去除负值（滤饼厚度无负值，真空皮带机倒转时为负值），去除异常值、按照实际运行工况对数据范围进行限制。第三步，将清洗好的数据进行一系列计算，即：一元线性回归、后验估计、作图。以上模型中，变量b为滤饼厚度，变量c为真空皮带机转速，此次模型是进行了c对b的拟合，其结果分析如下：（1）样本容量：清洗后剩余数据量即为样本容量，此模型样本容量为64706。
[0034]
（2）模型拟合度：即r-squared和adj r-squared值，其值为1时拟合结果完美，一般情况下，此值≥0.2时表示拟合度较高，模型较好。此例中数值满足模型要求，模型可用。
[0035]
（3）模型标准误差：即root mse值，数值越小拟合结果越好，理论上0时拟合结果完美。此例中此值较小，模型可用。
[0036]
（4）t值：即t，此值越大，说明自变量显著性越大，对模型的影响越明显，一般来讲，＞2时对应自变量较为显著。
[0037]
（5）p值：即p＞，用于描述回归系数的显著性，越小越好，一般认为p＜0.05就算显著。
[0038]
以上可表征滤饼厚度线性回归模型正确可用其结果为：应变量滤饼厚度=-0.475373
×
真空皮带机转速+15.24705。其结果使用新数据验证后，误差范围在0~3%内，验证结果良好。将此结果作为滤饼厚度正常运行时的动态期望值，同时限定模型各参数的取值范围和条件，超出范围提示建模结果无效。
[0039]
步骤三、基于基本指标制定对应的数据检测收集器，并对应的安装至设备的相应位置，且各数据检测收集器均与计算机中在线数据控制平台连接；将基本指标根据设备级评价单元和模块级评价单元进行关联连接，形成对应的评价单元；结合专家经验将每个指标控制范围划分为4个区间，依次为极限小值、允许小值、最优值、允许大值、极限大值，其中极限小值和极限大值为报警限值；根据基本指标的重要性设定权重系数，权重系数分为0、1、2三个级别并对应保留拓展接口。
[0040]
进一步的，对于基本指标的应急级别：其中，一般属性基本指标确定为应急级别1；具备安全或经济属性的确定为应急级别2；对于装置事故跳闸、保护跳闸等开关量，表现为重要安全属性，确定为应急级别3；停运后对系统运行没有影响的定位应急级别4；对模拟量有关品质判断点为坏点时确定为应急级别5；根据各类属性的数量和分值定义，自动赋予各类基本指标在评价中的占比；对于有备用设备的，可通过备用连锁自动投入；备用设备投入后，非正常停运设备将不再作为安全类拉低该设备分值；但设备影响的参数，如流量等，仍按找该基本指标的评分规则计分。
[0041]
其中，对于关于基本指标中液位值范围设定：箱灌液位允许值为设计值，极限大值不超过溢流孔高度，极限小值设定原则为保证搅拌器和设备安全运行值。
[0042]
对于关于基本指标中电流值范围设定：
①
允许大值为历史值的1.05倍，允许小值为0;
ꢀ②
极限大值为历史值的1.1倍，极限小值为-1；
③
电流值应考虑两台机组联络开关合闸情况，如6kv脱硫工作变压器馈线电流，历史值应为两台机组历史值之和;
④
单一馈线电流极限值大值不得超过开关额定电流非设备额定电流。
[0043]
对于关于基本指标中压力值范围设定：允许值和极限值根据设备说明书、设计值或行业标准结合专家经验确定。
[0044]
对于关于基本指标中振动值范围设定：振动越低越好，极限小值为0，极限大值为在该转速条件下行业标准值范围内，允许值根据设备厂家说明书和专家经验值确定。
[0045]
对于关于基本指标中温度值范围设定：按照极限大值为设备联锁保护跳闸定值，允许值范围为设备不同季节下正常实际运行范围值。极限大值为允许值加5摄氏度。
[0046]
对于关于基本指标中环保指标范围设定：以设计值和国家及地方排放标准为限值。
[0047]
对于关于基本指标中电流值范围设定：允许大值为历史值的1.05倍，允许小值为0; 极限大值为历史值的1.1倍，极限小值为-1。
[0048]
对于关于基本指标中流量范围设定：流量允许值为设计值，极限大值不超过泵的额定流量，极限小值设定原则为废水运行正常运行的最小值。
[0049]
对于关于基本指标中电压值范围设定：
①
允许值为额定值
±
5%;
②
极限值为额定值
±
10%。
[0050]
对于关于基本指标中浊度值范围设定：允许大值为设计值，极限大值为设计值加30; 允许小值设为常规情况下的最低值，极限小值为允许小值减1。
[0051]
对于关于基本指标中频率值范围设定：真空皮带脱水机运行频率允许值为设计值，极限大值不超过额定频率，极限小值设定原则为保证石膏脱水正常和设备安全运行值。
[0052]
对于关于基本指标中料值范围设定：料场料位允许值为设计值，极限大值不超过料仓的最高高度，极限小值设定原则为保证磨制系统用料的安全运行值。
[0053]
对于关于基本指标中特殊设备定值设定：
①
ups系统输出电压允许值为额定值
±
2%，极限值为额定值
±
5%;
②
ups输出频率允许值为额定值
±
0.1%，极限值为额定值
±
0.5%;
③
dcs界面中所有报警、跳闸点均列为应急项3。
[0054]
指标权重级别设定：根据参数重要性设定指标权重系数分为1、2两个级别并保留拓展接口。
[0055]
以真空皮带机滤饼厚度基本指标为例：基本指标名称为真空皮带机滤饼厚度，应急级别为1；设备权重为1；极限小值为5；允许小值为10；最优值建模结果为10.06；允许大值为30；极限大值为35；评分判断为4；实际值为14.9。
[0056]
步骤四、每个基本指标的期望值与在线运行值比较，得出单个基本指标的评分，确定评价单元中基本指标的评价规则，对设备级评价单元和模块级评价单元中正常运行时、出现应急状况以及正常停运等三种状况下基本指标进行评价；根据基本指标对模块的影响设立应急级别，分别为1、2、3、4和5级别并保留拓展接口；经济评价单元在评价过程中通过一定时间段的小指标累计值，计算各运行班组值班期间的小指标累计量，自动评比；通过全负荷工况下的历史数据，显示实时负荷工况下的能耗，物耗，并与最优值进行对比，提出经济性运行的分级反馈。
[0057]
在评分中根据基本指标的属性不同，需要设置评分判断条件：（1）开关量条件判断：当条件满足时评分有效计算，当条件不满足时按照100分计算。如吸收塔ph值、密度值的评分，在设备冲洗时，评分为100分。
[0058]
（2）延时条件判断：当参数发生变化后，设置延时来过滤不稳定状态。当延时时间到达后，正常评分。
[0059]
（3）对于参数变化率判断：根据设定的具体数值如0.5m/h，从历史数据中来实时判断。通常变化速率是参数本身评分的判断条件。假如吸收塔液位实时评分在正常范围，但是变化速率超出设定值，液位按照应急级别3来评分。
[0060]
本实施例中，设备级评价单元和模块级评价单元的评价规则为：
①
所有基本指标均高于80分的，按权重系数加权平均；
②
任一基本指标低于80分的，取该基本指标作为系统得分；
③
多个基本指标低于80分的，取最低值作为该系统得分；
④
所有基本指标任一触发应急项3时，得分为0分；
⑤
所有基本指标任一触发应急项5时，将该基本指标分数记为0分，并按照基本指标加权平均计入到系统得分。
[0061]
步骤五、对应评价规则通过在线数据控制平台进行实时数据收集和评价，在线数据控制平台根据评价结果进行反馈控制。
[0062]
本实施例中，设备以#3真空皮带脱水机为例，按照参数评分规则将各参数评分计算如下：#3a石膏排出泵电机电流权重为2、得分为96；#3b石膏排出泵电机电流权重为2、得分为93；#3石膏排出泵滤网差压权重为2、得分为96；#3真空泵电机电流权重为2、得分为96；#3汽水分离器真空压力权重为2、得分为96；#3真空皮带脱水机得分：（96
×
2+93
×
2+95
×
1+95
×
2+94
×
1）
÷
（2+2+1+2+1）=94.625本实施例中，模块得分用于画面显示，将相同属性的设备放在一起，方便运行人员查找设备参数。以真空皮带脱水机整体作为一个模块级评价单元，其中真空皮带脱水机包含#3真空皮带脱水机和#4真空皮带脱水机；其中#3真空皮带脱水机权重为2得分为96，#4真空皮带脱水机权重为2得分为98，真空皮带脱水机模块级评价单元：（96
×
2+98
×
2）
÷
（2+2）=97。对于步骤二、历史数据至少选取对应基本指标一年的数据或一个工作周期，并对应的通过实际监测数据对模型进行验证和修正；对应的评价结果在步骤五中通过在线数据控制平台评分在80-100内显示绿色，60-79内显示黄色，60分一下显示红色；其中绿色代表正常状态，黄色代表关注状态，红色代表警示状态。
[0063]
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。