船用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)控制策略研究

張韓西子，宋 鑫

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

0 引 言

根據(jù)國(guó)際海事組織提出的船用柴油機(jī)NOX排放要求，2016年1月1日起建造的船舶應(yīng)滿(mǎn)足TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)作為《MARPOL公約》締約國(guó)，應(yīng)積極應(yīng)對(duì)該規(guī)則內(nèi)容，大力發(fā)展船舶對(duì)大氣污染控制的先進(jìn)技術(shù)。

選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是目前研究最廣泛的排氣凈化技術(shù)?？刂撇呗允荢CR系統(tǒng)的核心，在SCR系統(tǒng)中提高尿素溶液噴射量可提高NOX的轉(zhuǎn)化效率，但同時(shí)也會(huì)增加NH3的泄漏量及裝置成本，這就需要采取合適的控制策略，在保證高NOX轉(zhuǎn)化效率的前提下，將NH3的泄漏量控制在限值之下，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)外在SCR控制策略研究方面都已取得一定的成果，如文獻(xiàn)[1-2]中采用的開(kāi)環(huán)控制策略，文獻(xiàn)[3-4]中采用的閉環(huán)控制策略，羅嘯[5]分析研究了基于離散 PID 控制的5種控制模式，并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)控制系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證[5]。

為了滿(mǎn)足排放法規(guī)要求，本文針對(duì)某型船用柴油機(jī)的SCR系統(tǒng)分別采用開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制策略對(duì)NOX轉(zhuǎn)化效率和NH3泄漏量進(jìn)行控制，并在Matlab中對(duì)催化器及控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上對(duì)SCR系統(tǒng)控制策略進(jìn)行研究。

1 尿素理論噴射量計(jì)算

SCR的催化還原基本原理為通過(guò)催化劑作用，用還原劑（NH3）有選擇性地與柴油機(jī)排氣NOX進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使得有害的排放物NOX轉(zhuǎn)化成無(wú)害的氮?dú)夂退魵?。催化還原過(guò)程中涉及到的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

1）氨氣的生成

步驟1 尿素水溶液蒸發(fā)析出尿素顆粒：

步驟2 尿素?zé)峤馍傻饶柕陌睔夂颓杷幔℉NCO）：

步驟3 氰酸進(jìn)一步水解生成等摩爾的氨氣和二氧化碳：

2）NOX的催化還原

其中，快速反應(yīng)的反應(yīng)速度是標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)的大約10倍，但由于排氣中NO2的含量較少，SCR催化器中主要發(fā)生的催化還原反應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)。

3）NH3的氧化

根據(jù)以上化學(xué)反應(yīng)方程式，可計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)某穩(wěn)定工況下降低排氣中NOX所需的理論尿素噴射量。

對(duì)于穩(wěn)定工況i，柴油機(jī)排氣流量、原機(jī)NOX排放濃度及NOX的最大轉(zhuǎn)化效率都可以通過(guò)相應(yīng)的脈譜圖進(jìn)行確定。

排氣中單位時(shí)間內(nèi)需要降低的NOX的物質(zhì)量為：

其中，DeNOX（i）為單位時(shí)間內(nèi)需要降低的NOX的物質(zhì)量，kmol/h；為排氣的摩爾質(zhì)量，取29，kg/kmol；NOX（i）為工況 i的原機(jī) NOX濃度值，ppm；為工況i的排氣流量，kg/h；Cconv（i）為工況i的NOX的最大轉(zhuǎn)化效率。

由反應(yīng)（1）～反應(yīng)（3）可知，1 mol尿素可分解為2 mol氨氣，由NOX的催化還原反應(yīng)，氮氧化物與氨氣之間的反應(yīng)系數(shù)比為1:1。因此對(duì)于工況i，氮氧化物濃度值降到最低所需尿素的摩爾流量為：

式中： W（i）為使工況i的NOX最低所需尿素的摩爾流量，kmol/h。

尿素的摩爾質(zhì)量為60 g/mol，配制的尿素水溶液質(zhì)量濃度為32.5%，則使排氣中氮氧化物排放最低所需尿素水溶液的體積流量為：

其中，VAdblue（i）為使工況i的氮氧化物最低所需尿素水溶液的體積流量，ml/h；ρ為尿素水溶液的密度，kg/l。

應(yīng)用式（9）～式（11），即可獲得每一發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)應(yīng)的理論尿素噴射量。

在Matlab中進(jìn)行仿真，得尿素理論噴射量模塊模型如圖1所示。

圖1 尿素理論噴射量模塊Fig.1 Urea theoretical injection quantity model

2 催化器建模與仿真

根據(jù)SCR催化器中的4個(gè)主要化學(xué)反應(yīng)（4）～反應(yīng)（8）建立催化器的三階模型[6]，方程如下：

其中：Ci為物質(zhì)i的濃度；θ為催化劑表面氨覆蓋率；為催化劑的吸附能力，即每立方米的排氣中可吸附的NH3摩爾數(shù)；k2，k4，k5，k6分別為反應(yīng)（4）～反應(yīng)（8）的化學(xué)反應(yīng)速率，定義如式（15）；Ai為指數(shù)前因子；Ei為反應(yīng)活化能；R為通用氣體常數(shù)；T為催化器進(jìn)出口溫度的平均值。

其中，Q為排氣體積流量，m3/s；V為催化器內(nèi)排氣體積。

將式（12）～式（14）在平衡點(diǎn)處線性化，可得狀態(tài)空間模型如下：

利用該狀態(tài)空間模型對(duì)催化器進(jìn)行仿真，設(shè)定輸入的NOX值為固定值，初始NH3濃度與輸入NOX值比例為1:1，保持5 s后，開(kāi)始隨時(shí)間逐漸下降，氨覆蓋率初始值為0，如圖2所示。

圖2 催化器仿真模型Fig.2 Catalyst simulation model

仿真結(jié)果如圖3所示。在輸入NH3濃度與輸入NOX值比例為1:1時(shí)，NOX轉(zhuǎn)化效率穩(wěn)定在94.6%，NH3泄漏量穩(wěn)定在27.8 ppm，隨后，在原機(jī)排放不變的情況下，二者皆隨著輸入NH3濃度的下降而減小。該仿真模型可模擬真實(shí)催化器性能。

圖3 仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results

3 開(kāi)環(huán)控制策略

選擇某型船用柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，獲得原機(jī)排放脈譜圖以及排氣流量脈譜圖如圖4所示。

圖4 原機(jī)排放及排氣流量脈譜圖Fig.4 Maps of primary emission and extraction flow

該型船用柴油機(jī)加權(quán)比排放為9.4 g/kWh，若要滿(mǎn)足TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)，則NOX加權(quán)轉(zhuǎn)化效率需達(dá)到77.9%以上。目前，我國(guó)對(duì)船用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的氨泄漏量尚無(wú)規(guī)定[7]，同時(shí)NOX加權(quán)轉(zhuǎn)化效率應(yīng)有一定裕量，本文設(shè)定最大轉(zhuǎn)化效率為85%時(shí)，NOX降到最低，且氨泄漏恰好為超標(biāo)，即加權(quán)轉(zhuǎn)化效率為85%。

將原機(jī)排放、排氣流量脈譜圖及最大轉(zhuǎn)化效率帶入尿素理論噴射量模塊，可得不同工況下的理論尿素噴射量如表1所示。

表1 理論尿素噴射量Tab.1 Urea theoretical injection quantity

將尿素理論噴射量模塊與催化器模塊相連，可得前饋控制模型如圖5所示，按工況1～工況5的順序改變輸入功率值，階躍輸入，輸出NOX加權(quán)轉(zhuǎn)化效率為80.4%，氨泄漏量分別為 23.6 ppm，21.9 ppm，16.7 ppm，12.3 ppm，8.1 ppm。從仿真結(jié)果中可以看出，與設(shè)定的轉(zhuǎn)化效率85%相比，開(kāi)環(huán)控制的轉(zhuǎn)化效率偏低，氨泄漏量最大為23.6 ppm。工況1的仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 開(kāi)環(huán)控制模型Fig.5 Open-loop control model

4 閉環(huán)控制策略

采用PID控制策略，建立閉環(huán)控制仿真模型，如圖8所示。

按工況1～工況5的順序改變輸入功率值，階躍輸入，輸出NOX加權(quán)轉(zhuǎn)化效率為85%，氨泄漏量分別為25 ppm，23.2 ppm，17.6 ppm，13 ppm，8.6 ppm。從仿真結(jié)果中可以看出，NOX加權(quán)轉(zhuǎn)化效率為0.85，為設(shè)定的最大轉(zhuǎn)化效率。氨泄漏量最大為25 ppm，為臨界值。工況1的仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖6 開(kāi)環(huán)控制 NOX 轉(zhuǎn)化效率仿真結(jié)果（工況 1）Fig.6 NOX efficiency of open-loop control (condition1)

圖7 開(kāi)環(huán)控制氨泄漏量仿真結(jié)果（工況 1）Fig.7 NH3 leakage of open-loop control (condition 1)

圖10 閉環(huán)控制氨泄漏量仿真結(jié)果（工況 1）Fig.10 NH3 leakage of closed-loop control (condition 1)

圖8 閉環(huán)控制模型Fig.8 Closed-loop control model

圖9 閉環(huán)控制NOX轉(zhuǎn)化效率仿真結(jié)果（工況1）Fig.9 NOX efficiency of closed-loop control (condition 1)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)基于SCR的船用柴油機(jī)排放控制策略進(jìn)行研究。首先對(duì)尿素噴射量模塊及催化器進(jìn)行建模，接著分別建立了開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制仿真模型，對(duì)某型船用柴油機(jī)加裝SCR后處理裝置后的NOX轉(zhuǎn)化效率及氨泄漏量進(jìn)行仿真。

根據(jù)仿真結(jié)果，開(kāi)環(huán)控制策略由于缺乏控制目標(biāo)的反饋環(huán)節(jié)，控制精度不高，無(wú)法達(dá)到預(yù)設(shè)的最大轉(zhuǎn)化效率。閉環(huán)控制策略可令NOX轉(zhuǎn)化效率穩(wěn)定在最大轉(zhuǎn)化效率，與開(kāi)環(huán)控制策略相比，可以達(dá)到更為理想的控制目標(biāo)。但在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，在控制精度要求不高，且有經(jīng)濟(jì)性要求時(shí)可考慮采用開(kāi)環(huán)控制策略。