船用柴油機SCR系統控制策略研究

張韓西子，宋 鑫

(中國艦船研究院，北京 100192)

0 引 言

根據國際海事組織提出的船用柴油機NOX排放要求，2016年1月1日起建造的船舶應滿足TierⅢ排放標準。我國作為《MARPOL公約》締約國，應積極應對該規則內容，大力發展船舶對大氣污染控制的先進技術。

選擇性催化還原（SCR）技術是目前研究最廣泛的排氣凈化技術。控制策略是SCR系統的核心，在SCR系統中提高尿素溶液噴射量可提高NOX的轉化效率，但同時也會增加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轉化效率的前提下，將NH3的泄漏量控制在限值之下，同時具有較好的經濟性。目前國內外在SCR控制策略研究方面都已取得一定的成果，如文獻[1-2]中采用的開環控制策略，文獻[3-4]中采用的閉環控制策略，羅嘯[5]分析研究了基于離散 PID 控制的5種控制模式，并通過樣機試驗對控制系統功能進行驗證[5]。

為了滿足排放法規要求，本文針對某型船用柴油機的SCR系統分別采用開環和閉環控制策略對NOX轉化效率和NH3泄漏量進行控制，并在Matlab中對催化器及控制系統進行仿真，在此基礎上對SCR系統控制策略進行研究。

1 尿素理論噴射量計算

SCR的催化還原基本原理為通過催化劑作用，用還原劑（NH3）有選擇性地與柴油機排氣NOX進行化學反應，使得有害的排放物NOX轉化成無害的氮氣和水蒸氣。催化還原過程中涉及到的主要化學反應如下：

1）氨氣的生成

步驟1 尿素水溶液蒸發析出尿素顆粒：

步驟2 尿素熱解生成等摩爾的氨氣和氰酸（HNCO）：

步驟3 氰酸進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，快速反應的反應速度是標準反應的大約10倍，但由于排氣中NO2的含量較少，SCR催化器中主要發生的催化還原反應為標準反應。

3）NH3的氧化

根據以上化學反應方程式，可計算得到發動機某穩定工況下降低排氣中NOX所需的理論尿素噴射量。

對于穩定工況i，柴油機排氣流量、原機NOX排放濃度及NOX的最大轉化效率都可以通過相應的脈譜圖進行確定。

排氣中單位時間內需要降低的NOX的物質量為：

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

由反應（1）～反應（3）可知，1 mol尿素可分解為2 mol氨氣，由NOX的催化還原反應，氮氧化物與氨氣之間的反應系數比為1:1。因此對于工況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。

尿素的摩爾質量為60 g/mol，配制的尿素水溶液質量濃度為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。

應用式（9）～式（11），即可獲得每一發動機工況對應的理論尿素噴射量。

在Matlab中進行仿真，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SCR催化器中的4個主要化學反應（4）～反應（8）建立催化器的三階模型[6]，方程如下：

其中：Ci為物質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；k2，k4，k5，k6分別為反應（4）～反應（8）的化學反應速率，定義如式（15）；Ai為指數前因子；Ei為反應活化能；R為通用氣體常數；T為催化器進出口溫度的平均值。

其中，Q為排氣體積流量，m3/s；V為催化器內排氣體積。

將式（12）～式（14）在平衡點處線性化，可得狀態空間模型如下：

利用該狀態空間模型對催化器進行仿真，設定輸入的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，開始隨時間逐漸下降，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

仿真結果如圖3所示。在輸入NH3濃度與輸入NOX值比例為1:1時，NOX轉化效率穩定在94.6%，NH3泄漏量穩定在27.8 ppm，隨后，在原機排放不變的情況下，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催化器性能。

圖3 仿真結果Fig.3 Simulation results

3 開環控制策略

選擇某型船用柴油機進行臺架試驗，獲得原機排放脈譜圖以及排氣流量脈譜圖如圖4所示。

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

該型船用柴油機加權比排放為9.4 g/kWh，若要滿足TierⅢ排放標準，則NOX加權轉化效率需達到77.9%以上。目前，我國對船用柴油機SCR系統的氨泄漏量尚無規定[7]，同時NOX加權轉化效率應有一定裕量，本文設定最大轉化效率為85%時，NOX降到最低，且氨泄漏恰好為超標，即加權轉化效率為85%。

將原機排放、排氣流量脈譜圖及最大轉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加權轉化效率為80.4%，氨泄漏量分別為 23.6 ppm，21.9 ppm，16.7 ppm，12.3 ppm，8.1 ppm。從仿真結果中可以看出，與設定的轉化效率85%相比，開環控制的轉化效率偏低，氨泄漏量最大為23.6 ppm。工況1的仿真結果如圖6和圖7所示。

圖5 開環控制模型Fig.5 Open-loop control model

4 閉環控制策略

采用PID控制策略，建立閉環控制仿真模型，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加權轉化效率為85%，氨泄漏量分別為25 ppm，23.2 ppm，17.6 ppm，13 ppm，8.6 ppm。從仿真結果中可以看出，NOX加權轉化效率為0.85，為設定的最大轉化效率。氨泄漏量最大為25 ppm，為臨界值。工況1的仿真結果如圖9和圖10所示。

圖6 開環控制 NOX 轉化效率仿真結果（工況 1）Fig.6 NOX efficiency of open-loop control (condition1)

圖7 開環控制氨泄漏量仿真結果（工況 1）Fig.7 NH3 leakage of open-loop control (condition 1)

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

圖8 閉環控制模型Fig.8 Closed-loop control model

圖9 閉環控制NOX轉化效率仿真結果（工況1）Fig.9 NOX efficiency of closed-loop control (condition 1)

5 結 語

本文對基于SCR的船用柴油機排放控制策略進行研究。首先對尿素噴射量模塊及催化器進行建模，接著分別建立了開環控制與閉環控制仿真模型，對某型船用柴油機加裝SCR后處理裝置后的NOX轉化效率及氨泄漏量進行仿真。

根據仿真結果，開環控制策略由于缺乏控制目標的反饋環節，控制精度不高，無法達到預設的最大轉化效率。閉環控制策略可令NOX轉化效率穩定在最大轉化效率，與開環控制策略相比，可以達到更為理想的控制目標。但在實際應用中，開環控制具有結構簡單、反應時間短的優點，在控制精度要求不高，且有經濟性要求時可考慮采用開環控制策略。