柴油機(jī)臺架群的NOx排放分布式控制技術(shù)

雷 艷，秦 超，仇 滔，岳廣照 ，丁夢竹，陳新宇

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124；2. 河北索奇汽車電子科技有限公司，河北 遷安 064400；3. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

柴油機(jī)具有動力強(qiáng)、熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程機(jī)械和船舶動力等領(lǐng)域[1]．在柴油機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)和測試過程中，柴油機(jī)臺架試驗是必不可少的環(huán)節(jié)．通常一個柴油機(jī)試驗基地由多個柴油機(jī)臺架組成，各個臺架并聯(lián)且共用一個排氣總管，將每個柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣排向大氣[2-5]．GB16297—2017規(guī)定了柴油機(jī)臺架群通過排氣總管排放出的NOx限值，因而必須開展柴油機(jī)臺架群的NOx排放治理．

工業(yè)中常采用選擇性催化還原(SCR)技術(shù)控制NOx排放(脫硝)，還原劑為尿素．電廠、鋼廠的燃燒爐SCR技術(shù)多采用集中式處理系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)針對電廠、鋼廠等排氣流量穩(wěn)定、空間面積大的治理效果較好[7]．然而，實際發(fā)動機(jī)廠中布置的多臺柴油機(jī)測試臺架(柴油機(jī)臺架群)，其排氣溫度遠(yuǎn)小于電廠鍋爐排放溫度．此外，由于廠房的空間限制，每個柴油機(jī)臺架分散布置，留給尾氣治理設(shè)備安裝的空間十分有限，主要存在如下問題：(1)由于每個柴油機(jī)臺架距離排氣總管距離不等，距SCR系統(tǒng)較遠(yuǎn)的柴油機(jī)臺架尾氣溫度下降較多，對溫度管理提出了很高的要 求[8]；(2)由于多個柴油機(jī)臺架共有一個混合腔，易出現(xiàn)柴油機(jī)尾氣竄氣現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)入SCR系統(tǒng)的尾氣不穩(wěn)定，增大SCR系統(tǒng)尿素噴射量的控制難度，而尿素的噴射量決定了NOx轉(zhuǎn)化效率和NH3泄露程 度[9]，控制的精度過低會出現(xiàn)NOx排放超標(biāo)、NH3泄露造成二次污染等問題[10-11]；(3)在實際應(yīng)用過程中，每臺發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況多變，導(dǎo)致總管尾氣濃度和排量變化快且變化幅度大，SCR尿素噴射系統(tǒng)需要按照最大NOx治理量來設(shè)計，量程較大，而臺架群也可能出現(xiàn)單臺運(yùn)行于小排量、低排放的工況，即尿素的噴射量控制在保證大量程同時還要保證高精度，成本增加．因而實際的發(fā)動機(jī)廠柴油機(jī)臺架群尾氣治理不適用于集中處理的方式．

柴油機(jī)臺架群是一個多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，分布式控制適合多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)方案，且已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，如分布式發(fā)電系統(tǒng)能夠顯著提高配電質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)作的靈活性[12-14]．賀泓等[15]借鑒車用柴油機(jī)后處理技術(shù)，利用SCR對每個臺架實行NOx排放控制，按照每個臺架對應(yīng)一個SCR系統(tǒng)的方式構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)．該方案能縮短發(fā)動機(jī)與SCR之間的距離，減小溫度控制的難度，降低對控制器的精度要求，且靈活性較高，占用空間?。?/p>

每個臺架均配置有SCR系統(tǒng)，系統(tǒng)需要針對不同工況為每個臺架分配合理的轉(zhuǎn)化效率．根據(jù)排放法規(guī)的要求，柴油機(jī)臺架群同時工作只能共用一個煙囪排放廢氣，因而實際的柴油機(jī)臺架群一般采用集中監(jiān)測、分布式處理的尾氣治理方案．該方案采用綜合監(jiān)控單元監(jiān)測煙囪處的NOx排放，分配每一個后處理單元的SCR需要達(dá)到的轉(zhuǎn)化效率．可知，在保證煙囪廢氣排放達(dá)到排放法規(guī)的要求下，每個臺架的轉(zhuǎn)化效率可任意調(diào)整，形成不同的轉(zhuǎn)換效率組合；綜合監(jiān)控單元對每一個處理節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)化效率分配要求及所有轉(zhuǎn)化效率構(gòu)成的效率組合會決定最終系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化量，是整個系統(tǒng)是否達(dá)標(biāo)法規(guī)要求的關(guān)鍵．

基于此，筆者為了合理分配各個臺架的轉(zhuǎn)換效率，提出單臺架控制難度系數(shù)和適用于多臺架的綜合控制難度系數(shù)兩個指標(biāo)，并提出根據(jù)綜合控制難度系數(shù)最小來控制各個后處理控制單元NOx轉(zhuǎn)化效率的方法．

1 方案設(shè)計

圖1為集中式處理系統(tǒng)和分布式處理系統(tǒng)示意．由于柴油機(jī)臺架群采用集中式處理存在很多問題，實際中一般采用分布式處理系統(tǒng)(圖1b)．

圖1 柴油機(jī)臺架群NOx集中式和分布式處理系統(tǒng)Fig.1 NOx centralized and distributed treatment system of diesel engine bench group

某柴油機(jī)企業(yè)發(fā)動機(jī)測試包含了4個柴油機(jī)試驗臺架，具體的柴油機(jī)參數(shù)如表1所示．

表1 柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of the diesel engine

1.1 SCR后處理單元設(shè)計

1.1.1 SCR轉(zhuǎn)化效率要求

柴油機(jī)臺架群中所有柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下工作，且均處于滿負(fù)荷時，尾氣排放是最惡劣的狀態(tài)，各個柴油機(jī)臺架NOx排放及轉(zhuǎn)化效率見表2，通過進(jìn)氣流量計測量進(jìn)氣質(zhì)量流量數(shù)據(jù)，等效為排氣質(zhì)量流量．GB16297—2017中要求NOx排放限值包括排放質(zhì)量濃度和排放速率兩個指標(biāo)，采用SCR技術(shù)治理NOx排放時，要考慮同時滿足NOx體積分?jǐn)?shù)和排放速率的要求．NOx排放速率qi為

表2 滿負(fù)荷時各臺架NOx轉(zhuǎn)化效率Tab.2 NOx conversion efficiency of each bench at full load

式中：i為柴油機(jī)臺架群中的各柴油機(jī)；Qi為臺架i的發(fā)動機(jī)排氣質(zhì)量流量；Ci為臺架i中的NOx排放體積分?jǐn)?shù)．

排煙總管處NOx排放速率q為

由式(2)計算q為5.67kg/h，而NOx排放速率排放限值為2.85kg/h，所以根據(jù)排放速率，該系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率最低為49.8%．

排煙總管處的NOx排放質(zhì)量濃度C為

式中：M為NOx的摩爾質(zhì)量，NOx以NO2計算，為46 g/mol．由式(3)計算排煙總管處NOx質(zhì)量濃度為2894mg/m3，NOx質(zhì)量濃度排放限值為240mg/m3，因而根據(jù)排放質(zhì)量濃度，每個SCR對應(yīng)的NOx轉(zhuǎn)化效率最低需為91.8%．

1.1.2 單臺SCR設(shè)計

SCR反應(yīng)器的反應(yīng)時間是影響SCR-NOx還原效果的因素之一，催化劑與排氣的接觸時間越長，反應(yīng)效果越好，而反應(yīng)時間又與空速相關(guān)，空速過高，排氣在SCR反應(yīng)器的停留時間越短，NOx的還原效果較差[16-17]．因而單臺SCR的空速選擇十分重要．

SCR反應(yīng)器的空速取值為30000h-1，既能夠保證NOx的還原效果，還能保持控制難度適中．體積空速與催化劑體積、廢氣體積流量和廢氣密度有關(guān)．而廢氣體積流量就是每個臺架發(fā)動機(jī)的排氣質(zhì)量流量Qi，按照最大設(shè)計原則，4個臺架上發(fā)動機(jī)的最大排氣質(zhì)量流量均為1800kg/h．體積空速v可表示為

式中：ρ為廢氣密度，此處選擇發(fā)動機(jī)排氣溫度為450℃時的廢氣密度，其值為0.4832kg/m3；V為催化劑體積．可知4個臺架的SCR催化劑體積為0.124m3．

催化劑的類型是影響SCR脫硝的主要因素[18]，為了滿足發(fā)動機(jī)排氣溫度為200～450℃的NOx處理需求，選用銅基催化劑，圖2為200～450℃溫度區(qū) 間內(nèi)的NOx轉(zhuǎn)化效率[19]．

圖2 銅基催化劑的NOx轉(zhuǎn)化效率Fig.2 NOx conversion efficiency of copper-based catalysts

1.2 分布式控制系統(tǒng)

對某柴油機(jī)臺架群(共4臺)開展了分布式處理方法的應(yīng)用．綜合監(jiān)控單元控制多個控制器，并通過排放監(jiān)管模塊獲得煙囪排出NOx數(shù)據(jù)．每臺柴油機(jī)均配置SCR、控制器、尿素計量噴射模塊、尿素箱、氮氧傳感器、進(jìn)氣流量計和測功模塊．其中控制器控制還原劑的噴射量，而決定噴射量的單臺NOx轉(zhuǎn)化效率由綜合控制單元分配．

2 臺架NOx轉(zhuǎn)化效率分配方法

由于實際的柴油機(jī)臺架群運(yùn)行工況多變，各個臺架NOx排放也是變化的．為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，各個臺架SCR轉(zhuǎn)化效率μi可以是多變的．因而存在多種不同的效率組合．表3為4個臺架不同SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率組合，當(dāng)所有柴油機(jī)均處于標(biāo)定轉(zhuǎn)速(1900r/min)且滿負(fù)荷時，存在k個效率組合均能使NOx排放達(dá)標(biāo)，k∈N*．

表3 NOx轉(zhuǎn)化效率組合Tab.3 Combination of NOx conversion efficiency

此時，需要尋找一個指標(biāo)來評價這些能夠達(dá)到相同處理效果的多個效率組合，因而筆者引入單臺架控制難度系數(shù)和綜合控制難度系數(shù)．

2.1 單臺架控制難度系數(shù)

SCR的NOx轉(zhuǎn)化率與催化劑類型、排氣溫度、空速和尿素噴射量有關(guān)[20]．發(fā)動機(jī)的工況狀態(tài)直接表現(xiàn)為排氣質(zhì)量流量的大小，在確定了催化劑體積與催化劑類型后，排氣質(zhì)量流量本質(zhì)上決定了空速的大?。蚨_架當(dāng)前排氣質(zhì)量流量的大小能夠表征空速的大?。账僭叫。艢庠赟CR反應(yīng)器上停留的時間越長，反應(yīng)更充分，當(dāng)前臺架SCR系統(tǒng)達(dá)到治理目標(biāo)的NOx轉(zhuǎn)化效率的難度越?。粗?，空速越大，達(dá)到目標(biāo)NOx轉(zhuǎn)化效率的難度越大．

當(dāng)排氣溫度確定時，催化劑活性和反應(yīng)速率均保持不變，此時NOx轉(zhuǎn)化效率只與尿素噴射量有關(guān)，尿素噴射量越大，NOx轉(zhuǎn)化效率越高，NOx排放更容易達(dá)標(biāo)，但會產(chǎn)生尿素沉積、NH3泄露的問題[21-23]．同時，對于SCR系統(tǒng)，反應(yīng)物總量提高意味著系統(tǒng)控制難度增大．

綜上，選取臺架當(dāng)前排氣質(zhì)量流量與發(fā)動機(jī)標(biāo)定功率下排氣質(zhì)量流量的相對值，以及當(dāng)前臺架NOx實際轉(zhuǎn)化效率與當(dāng)前排氣溫度下催化劑的極限NOx轉(zhuǎn)化效率的相對值作為單臺架控制難度系數(shù)的變量，來判斷每個臺架的NOx處理難度．其中，臺架當(dāng)前排氣質(zhì)量流量由測量發(fā)動機(jī)排放體積分?jǐn)?shù)、實際排氣質(zhì)量濃度等效換算．當(dāng)前臺架的NOx實際轉(zhuǎn)化效率可以通過SCR前、后NOx傳感器測量值計算得出，當(dāng)前排氣溫度下極限NOx轉(zhuǎn)化效率可由圖2中數(shù)據(jù) 獲得．

定義單臺架控制難度系數(shù)為Si，有

式中：μi為當(dāng)前臺架NOx實際轉(zhuǎn)化效率；μm為SCR系統(tǒng)最大NOx轉(zhuǎn)化效率，即μi在當(dāng)前臺架的排氣溫度下，SCR催化劑能達(dá)到的最大NOx轉(zhuǎn)化效率；Q0為該發(fā)動機(jī)標(biāo)定功率下的排氣質(zhì)量流量．

圖3為單臺架控制難度系數(shù)變化，由式(5)可知，對于單臺架運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化，其Qi變化且導(dǎo)致其排氣溫度變化，μm也相應(yīng)變化，因而可改變尿素噴射量以調(diào)整實際的SCR轉(zhuǎn)化效率，獲得不同的控制難度系數(shù)．圖3中任一點(diǎn)到原點(diǎn)的直線距離等于Si，表明當(dāng)效率比和流量比的值一定時，坐標(biāo)軸上的點(diǎn)離原點(diǎn)的直線距離越遠(yuǎn)，該單臺架控制難度系數(shù)越大．

圖3 單臺架控制難度系數(shù)Fig.3 Control difficulty coefficient of single test bench

2.2 最小綜合控制難度系數(shù)

由表3可知，與效率組合1相比，效率組合2達(dá)到99%轉(zhuǎn)化效率消耗了更多的控制資源，噴射了較多NH3，提高了NH3泄露風(fēng)險．為了在實現(xiàn)NOx排放達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上降低NH3的泄露風(fēng)險，有必要評價不同效率組合的應(yīng)用難度．

筆者在單臺架控制難度系數(shù)的基礎(chǔ)上，提出整個柴油機(jī)臺架群的綜合控制難度系數(shù)，表征在達(dá)到NOx排放標(biāo)準(zhǔn)前提下的整個控制系統(tǒng)的風(fēng)險和控制難度大小，綜合控制難度系數(shù)越大，控制難度越大，風(fēng)險越大．定義S為整個臺架群的綜合控制難度系數(shù)，有

綜上可知，實際應(yīng)用過程中，系統(tǒng)風(fēng)險最小、控制難度最小的NOx達(dá)標(biāo)治理問題可轉(zhuǎn)化為以獲得綜合控制難度系數(shù)S最小為目標(biāo)，約束條件為NOx的排放速率和排放質(zhì)量濃度均達(dá)到排放要求，求解效率組合，即目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為

2.3 控制流程和分配方法分析

圖4為控制流程示意，是基于單臺架控制難度系數(shù)Si和綜合控制難度系數(shù)S的優(yōu)化控制方法．首先，根據(jù)測量得到的發(fā)動機(jī)工況、NOx排放判斷是否達(dá)標(biāo)．如不達(dá)標(biāo)，根據(jù)NOx排放速率、排放質(zhì)量濃度分別計算各個臺架SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率，得到不同的效率組合；進(jìn)一步計算各種效率組合的綜合控制難度系數(shù)，選擇最小綜合控制難度系數(shù)對應(yīng)的效率組合，優(yōu)化各臺架的NOx轉(zhuǎn)化效率．在完成當(dāng)前效率分配任務(wù)后，開始下一時段的NOx排放監(jiān)控，重復(fù)上述步驟，形成連續(xù)循環(huán)的過程．

圖4 控制流程Fig.4 Control flow chart

表4為4臺柴油機(jī)臺架均滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、不同效率組合時的單臺架控制難度系數(shù)Si，根據(jù)各單臺架的控制難度系數(shù)可以得到不同效率組合情況下的綜合控制難度系數(shù)S；由此，可選取綜合難度系數(shù)最小的效率組合為最優(yōu)方案．由表4可知，效率組合5的綜合系數(shù)最小(Smin＝4.86482)，此轉(zhuǎn)化效率分配方案為 最佳．

表4 滿負(fù)荷時控制難度系數(shù)Tab.4 Control difficulty coefficient with each test bench runs at full load

可知，各單臺架運(yùn)轉(zhuǎn)工況相同(滿負(fù)荷)時，不同效率組合對應(yīng)的綜合難度系數(shù)變化不大．針對單臺架運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化的情況進(jìn)行不同效率組合的綜合難度系數(shù)計算，其結(jié)果見表5、表6．

表5為4臺柴油機(jī)臺架中有一臺柴油機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)、其余臺架均滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，不同效率組合的單臺架控制難度系數(shù)Si及綜合控制難度系數(shù)S，由表5可知，效率組合4的綜合系數(shù)最小(Smin＝3.68193)，此轉(zhuǎn)化效率分配方案為最佳．

表5 臺架4停轉(zhuǎn)時控制難度系數(shù)Tab.5 Control difficulty coefficient with the fourth test bench stops

表6為臺架1和臺架3滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、臺架2和臺架4運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷為50%的計算結(jié)果，對于此案例，效率組合2(Smin＝4.17181)的綜合系數(shù)最小，此轉(zhuǎn)化效率分配方案為最佳．

表6 不同負(fù)荷時各臺架控制難度系數(shù)Tab.6 Control difficulty coefficient of each test bench runs at varied load

可見，采用控制難度系數(shù)的方法適用于各種變化 工況．當(dāng)系統(tǒng)中各單臺架運(yùn)轉(zhuǎn)工況相同時，各個效率組合對應(yīng)的綜合難度系數(shù)差距不大，每個臺架可分配相同的轉(zhuǎn)化效率．當(dāng)變工況時，綜合難度系數(shù)變化較大，此時分布式處理方法的優(yōu)勢能夠體現(xiàn)．

3 實際應(yīng)用結(jié)果

柴油機(jī)臺架群屬于固定排放源，與機(jī)動車的排放檢測不同，GB16297—2017要求NOx穩(wěn)態(tài)排放在排氣總管處達(dá)標(biāo)，并不關(guān)注發(fā)動機(jī)的NOx排放．因而當(dāng)所有柴油機(jī)都處于最惡劣排放工況點(diǎn)時，總管處的NOx穩(wěn)態(tài)排放達(dá)標(biāo)即可．

筆者通過排放監(jiān)管模塊來測試NOx的排放速率和質(zhì)量濃度，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速(1900r/min)下，排煙總管處的NOx排放速率始終低于2.85kg/h，而NOx質(zhì)量濃度低于240mg/m3，完全能夠達(dá)到該企業(yè)所在地的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)．證明了分布式控制技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于柴油機(jī)臺架群的NOx排放控制．

柴油機(jī)工況瞬態(tài)變化時分布式控制技術(shù)也具有較好的處理效果．圖5示出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速恒為1900r/min、完整運(yùn)行一個測試工況下，臺架的發(fā)動機(jī)排氣溫度與排氣質(zhì)量流量、NOx經(jīng)過SCR反應(yīng)器前、后的排放速率和質(zhì)量濃度．可知在發(fā)動機(jī)工況瞬 態(tài)變化的測試過程中，單臺架的NOx排放速率始終低于2.85kg/h，NOx排放質(zhì)量濃度低于240mg/m3．

圖5 發(fā)動機(jī)臺架排放Fig.5 Emissions of engine test bench

4 結(jié) 論

(1) 提出了一種適用于柴油機(jī)臺架群的分布式治理、綜合協(xié)調(diào)管理的方案．

(2) 引入單臺架的控制難度系數(shù)，用于單個臺架治理的轉(zhuǎn)化效率評價；提出基于最小綜合控制難度系數(shù)，選擇最優(yōu)的效率組合；通過工程應(yīng)用，證明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機(jī)臺架群的NOx排放控制．