CN109339912B - 一种适用于大功率柴油机氮氧化物控制的方法及装置 - Google Patents

一种适用于大功率柴油机氮氧化物控制的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种适用于大功率柴油机氮氧化物控制的方法及装置属于柴油机技术领域，装置由第一级SCR系统和第二级SCR系统组成，对于柴油机稳态和动态工况同样适用。通过入口处上游氮氧化物的浓度变化率判断柴油机所处工况，当处于稳态工况下，此装置只有第一级SCR系统与第二级SCR系统的下游氮氧传感器工作，相当于一个闭环控制，由出口处的下游氮氧传感器反馈回来的信息调整尿素喷射量，使最终排气氮氧化物含量趋近于目标值；当检测到柴油机处于动态工况下，两级SCR系统都工作，其中第一级是开环控制，排气首先经过第一级SCR系统，除去95％以上的氮氧化物，第二级是闭环控制，通过反馈调节细微调整尿素喷射量，提高尿素喷射的响应速度和控制精度。

Description

一种适用于大功率柴油机氮氧化物控制的方法及装置
技术领域
本发明涉及的是稳态和动态工况下大功率柴油机后处理系统氮氧化物的处理方法，提出双级SCR(选择性催化还原)后处理系统解决了传统后处理过程响应速度慢且精度控制较差的问题，属于大功率柴油机氮氧化物(NOX)处理技术领域。
背景技术
SCR是一种广泛应用于氮氧化物处理的方法，如应用在电厂、钢厂锅炉的烟气脱硝处理以及柴油机的尾气中氮氧化物处理方面。其中电厂、钢厂的锅炉的运行工况比较稳定，它所释放的烟气的流量和氮氧化物的含量很稳定，一般会建设一个大型的脱硝塔来处理。
对于应用于船舶、大型工程机械的等领域的大功率柴油机，在额定功率点的时候对应的排气流量很大，同时由于工况的变化排气流量也会发生变化。若用由一个催化箱组成的单级SCR系统来处理的话，尾气排量比较大时，相应的催化箱体积很大就会造成响应时间长、反馈滞后的问题；尿素喷嘴的喷射精度也是有限的，喷射量程大时相应的喷射误差也会增大。为解决上述单级SCR后处理系统的问题，特发明双级SCR后处理系统。
发明内容：
为解决动态工况下排气量大的大功率柴油机氮氧化物处理问题，提升动态过程中的控制精度和响应速度，从而实现尾气排放能够达标的目的，发明了如图1所示的双级SCR后处理系统，且此双级处理系统也可用于稳态工况下氮氧化物的处理。
本发明的系统组成包括第一喷嘴、第一温度传感器、上游氮氧传感器、第一取压管路、第一压差传感器、控制器(ACU)、第一尿素泵、尿素箱、第一催化箱、中游氮氧传感器、第二温度传感器、第二喷嘴、第二取压管路、第二压差传感器、第二尿素泵，第二催化箱、下游氮氧传感器。双级SCR系统都是由同一个控制单元分别控制的，在第一级SCR系统中，控制器与第一温度传感器、上游氮氧传感器、第一压差传感器、第一催化箱、第一尿素泵之间通过线束连接，实现信息的传递；在第二级SCR系统中，控制器与第二温度传感器、中游氮氧传感器、下游氮氧传感器、第二压差传感器、第二尿素泵之间也用线束连接，实现通讯，尿素箱、控制器与尿素泵之间也是通过线束连接的，以达到控制调整尿素泵喷射量的目的。
判断大功率柴油机处于稳态还是动态工况的方法：利用上游氮氧传感器3s内5次测量氮氧化物的浓度，每隔500ms测一次，前一次与本次氮氧化物浓度的差值与前一次氮氧化物浓度的比值的绝对值就是氮氧化物的浓度变化率，若4个变化率中任意一个大于10％则视为柴油机处于动态工况，若都小于10％则视为柴油机处于稳态工况下；当任意氮氧化物变化率α＜10％,大功率柴油机排气处于稳态工况下，双级SCR后处理系统中仅仅第一级系统工作，出口处的一个下游氮氧传感器，起一个反馈调节的作用；当存在氮氧化物变化率α≥10％,其处于动态工况下，整个双级SCR后处理系统共同工作，其中，第一级SCR系统采用开环控制，作为基准控制清除95％以上含量的氮氧化物，第二级SCR系统采用闭环控制。
根据第一温度传感器可以得到排气密度ρ1，根据第二温度传感器可以得到经过一级处理后的排气密度ρ2。
根据上游氮氧传感器可以得到排气中氮氧化物的体积浓度fNOX，根据中游氮氧传感器可以得到排气中氮氧化物的体积浓度f'NOX，根据下游氮氧传感器可以得到排气中氮氧化物的体积浓度f”NOX。
根据第一取压管路可以得到前后截面积S1、S2，根据第二取压管路可以得到前后截面积S3、S4。
根据第一压差传感器可以得到第一催化箱的变截面压差△p1，根据第二压差传感器可以得到第二催化箱的变截面压差△p2。
利用上游氮氧传感器3s内5次测量氮氧化物浓度，求出氮氧化物浓度变化率α。具体的计算方法为:假设第1、2、3、4、5次测量的氮氧化物浓度分别是
Figure GDA0002485596250000021
计算
Figure GDA0002485596250000022
Figure GDA0002485596250000023
α1、α2、α3、α4之中只要有一个变化率大于10％，则视为柴油机处于动态工况下，若都小于10％,则视为处于稳态工况下。
如图2所示，当3s内氮氧化物变化率α都小于10％，柴油机看以看作处于一个稳态工况下，双级SCR后处理系统的第一级SCR系统与下游氮氧传感器工作，通过一个反馈调节细微调整尿素喷射量，以达到更好地处理效果。
具体的过程是：尾气从排气管入口进入第一催化箱，根据图1所示入口处的第一温度传感器、上游氮氧传感器、第一压差传感器、第一取压管路获得的相关参数利用伯努利方程的方法求出氮氧化物的质量流量，控制器会驱动第一尿素泵喷射对应量的尿素，进入到第一催化箱反应。根据下游氮氧传感器测得的氮氧化物的体积浓度可以得到氮氧化物的质量流量，将其与目标值进行比较，当大于目标值时，会相应增加尿素的喷射量，从而使排气的氮氧化物含量趋近于目标值。
如图2所示，当3s内氮氧化物变化率任意一个大于10％时，柴油机看以看作处于一个动态工况，此双级SCR后处理系统的两级系统共同工作，其中，第一级系统采用的是开环控制，第二级系统采用的是闭环控制。
同理，首先尾气从排气管入口进入第一催化箱，根据图1所示的第一温度传感器、上游氮氧传感器、第一压差传感器、第一取压管路得到的相关参数通过伯努利方程求出氮氧化物的质量流量，运用开环控制的方式，控制器会命令第一尿素泵喷射能够除掉95％以上氮氧化物的尿素，在第一催化箱内反应。经过第一催化箱处理后的尾气进入到第二级SCR系统，同样根据第一二级之间管路上的第二温度传感器、中游氮氧传感器、第二压差传感器、第二取压管路得到的相关参数求出一级处理后的氮氧化物的质量流量，这样能够得到一个尿素喷射量的基准值。根据下游氮氧传感器可以求出氮氧化物的质量流量，与目标值进行比较，对尿素的喷射量进行细微调节，在这个调节过程中，由于第二催化箱体积小以及要处理的氮氧化物的量比较少，反馈调节响应时间的大大缩短，同时所要求的第二尿素泵流量比较小，量程小的尿素泵的喷射精度也大大提高，所以第二级SCR系统中，能够快速精确的完成闭环控制的目标。
运用双级SCR系统，先由第一催化箱去除绝大部分的氮氧化物，再经过第二催化箱的细微调节，解决了大功率柴油机动态工况下氮氧化物的处理问题。本发明的特点：1、此双级SCR后处理系统可用于柴油机的稳态和动态工况，尤其是对于动态工况氮氧化物的处理效果更好。2、根据3s内任一氮氧化物变化率α与10％比较判断柴油机处于动态还是稳态工况下。3、对于动态工况下的大功率柴油机，采用双级SCR后处理系统，大大提高了尿素喷射的响应速度和控制精度。
附图说明
图1双级SCR后处理系统附图标记说明：
1-第一温度传感器
2-上游氮氧传感器
3-第一喷嘴
4-第一压差传感器
5-第一尿素泵
6-尿素箱
7-控制器
8-第一取压管路上端
9-第一取压管路下端
10-第一催化箱
11-第二温度传感器
12-中游氮氧传感器
13-第二喷嘴
14-第二取压管路上端
15-第二取压管路下端
16-第二压差传感器
17-第二尿素泵
18-第二催化箱
19-下游氮氧传感器
图2是本发明的方法示意图。
具体实施方式
一种适用于大功率柴油机氮氧化物控制的装置，所述大功率为1000千瓦以上；其特征在于：包括第一级SCR系统和第二级SCR系统；第一级SCR系统是由安装在排气管道入口处的第一温度传感器(1)、上游氮氧传感器(2)、第一喷嘴(3)和后面的第一压差传感器(4)、第一尿素泵(5)、第一取压管路、第一催化箱(10)组成，其中，第一压差传感器测量的就是第一取压管路的压差，即入口管路与第一催化箱之间的变截面压差；第二级SCR系统是由安装在第一二催化箱之间中间管路的第二温度传感器(11)、中游氮氧传感器(12)、第二喷嘴(13)和后面的第二压差传感器(16)、第二取压管路、第二尿素泵(17)、第二催化箱(18)和安装在排气管道出口处的下游氮氧传感器(19)组成，其中，第二压差传感器测量的就是第二取压管路的压差，即中间管路与第二催化箱之间的变截面压差；一级SCR系统与二级SCR系统共用同一个控制器(7)和尿素箱(6)，所述第一温度传感器、上游氮氧传感器、第一压差传感器、第二温度传感器、中游氮氧传感器、第二压差传感器、下游氮氧传感器是通过线束连接以实现通讯，控制器与第一尿素泵、第二尿素泵也是通过线束连接实现对尿素泵喷射量的控制，第一喷嘴、第二喷嘴、尿素箱、第一二尿素泵之间通过管路连接实现尿素的供应，由这两级系统共同组成双级SCR后处理系统。
上游氮氧传感器在3s内5次测量氮氧化物的体积浓度，每隔500ms得到一个测量值，取氮氧化物变化率与10％进行比较。首先假设第1、2、3、4、5次测量的氮氧化物浓度分别是
Figure GDA0002485596250000051
Figure GDA0002485596250000052
Figure GDA0002485596250000053
Figure GDA0002485596250000054
Figure GDA0002485596250000055
比较α1、α2、α3、α4与10％的大小，
Figure GDA0002485596250000056
则柴油机处于动态工况下，
Figure GDA0002485596250000057
则柴油机处于稳态工况下。
在测量排气流量的过程中有多种方式，比如采用热线式流量计和伯努利方程计算等多种方法，本文采用伯努利方程计算的方式得到排气流量。当
Figure GDA0002485596250000058
时，柴油机的工况可看作一个稳态过程，此时由第一级SCR系统与下游氮氧传感器组成了一个闭环控制。
首先假设第一压差传感器两个截面的面积分别是S1、S2，两个截面之间的压差为△p1，排气的密度为ρ1，由伯努利方程可知，
Figure GDA0002485596250000061
其中，m1为一级排气的质量流量，单位是kg/h；ρ1为排气密度，单位kg/m3；S1、S2为排气管两个截面积，单位m2；Δp1为第一催化箱变截面压差，单位Pa。
根据得到排气的质量流量和上游氮氧传感器所测得的氮氧化物的体积浓度
Figure GDA0002485596250000062
可以得到：
Figure GDA0002485596250000063
其中，
Figure GDA0002485596250000064
表示氮氧化物的质量流量，单位是kg/h；
Figure GDA0002485596250000065
表示氮氧化物的体积浓度，单位是ppm；
Figure GDA0002485596250000066
表示氮氧化物的摩尔质量，根据氮氧化物的比例，一般取46g/mol；M表示排气的摩尔质量。
由得到的氮氧化物的质量流量，第一尿素泵会喷射对应量的尿素清除氮氧化物，出口处下游氮氧传感器起一个反馈的作用，根据它得到的氮氧化物的体积浓度进而求出氮氧化物质量流量，与目标值比较，调节尿素的喷射量，使其趋近于目标值。
当
Figure GDA0002485596250000067
柴油机的工况可看作一个动态过程，双级SCR后处理系统的第一级和第二级分别采用开环控制和闭环控制。
与稳态下第一级SCR系统氮氧化物质量流量的计算相同，所以动态工况下第一级系统的氮氧化物质量流量也是
Figure GDA0002485596250000068
但是动态工况下第一级系统采用的是开环控制，控制器控制第一尿素泵喷射除掉95％以上氮氧化物的尿素。
同理，假设第二压差传感器两个截面的面积分别是S3、S4，两个截面之间的压差为△p2，排气的密度为ρ2可得，经过第一催化箱之后的排气质量流量为：
Figure GDA0002485596250000069
根据得到的经过一级处理后的排气质量流量m2与中游氮氧传感器得到的氮氧化物的体积浓度
Figure GDA00024855962500000610
我们可以得到经过一级处理后的氮氧化物的质量流量。
Figure GDA00024855962500000611
其中，
Figure GDA00024855962500000612
表示氮氧化物的质量流量，单位是kg/h；
Figure GDA00024855962500000613
表示中游氮氧传感器测得的氮氧化物体积浓度，单位是ppm；
Figure GDA0002485596250000071
表示氮氧化物的摩尔质量，根据氮氧化物的比例，一般取46g/mol；M表示排气的摩尔质量。
由得到的氮氧化物的质量流量
Figure GDA0002485596250000072
可以确定对应的第二尿素泵喷射量的基准值。
因为第二级系统中处理的氮氧化物的量很少，所以第二催化箱入口和出口处的排气流量m2基本不变，再根据下游氮氧传感器测得的出口处氮氧化物的体积浓度
Figure GDA0002485596250000073
可以计算出出口处氮氧化物的流量
Figure GDA0002485596250000074
Figure GDA0002485596250000075
把出口处的氮氧化物的流量与目标值进行比较，若
Figure GDA0002485596250000076
大于目标值，控制器就会增加第二尿素泵的喷射量，通过反馈调节的方式调节细微调节第二尿素泵的喷射量。

Claims (1)

1.一种适用于大功率柴油机氮氧化物控制的方法，所述大功率为1000千瓦以上；所应用装置包括第一级SCR系统和第二级SCR系统；第一级SCR系统是由安装在排气管道入口处的第一温度传感器(1)、上游氮氧传感器(2)、第一喷嘴(3)和后面的第一压差传感器(4)、第一尿素泵(5)、第一取压管路、第一催化箱(10)组成，其中，第一压差传感器测量的就是第一取压管路的压差，即入口管路与第一催化箱之间的变截面压差；第二级SCR系统是由安装在第一二催化箱之间中间管路的第二温度传感器(11)、中游氮氧传感器(12)、第二喷嘴(13)和后面的第二压差传感器(16)、第二取压管路、第二尿素泵(17)、第二催化箱(18)和安装在排气管道出口处的下游氮氧传感器(19)组成，其中，第二压差传感器测量的就是第二取压管路的压差，即中间管路与第二催化箱之间的变截面压差；一级SCR系统与二级SCR系统共用同一个控制器(7)和尿素箱(6)，所述第一温度传感器、上游氮氧传感器、第一压差传感器、第二温度传感器、中游氮氧传感器、第二压差传感器、下游氮氧传感器是通过线束连接以实现通讯，控制器与第一尿素泵、第二尿素泵也是通过线束连接实现对尿素泵喷射量的控制，第一喷嘴、第二喷嘴、尿素箱、第一、 二尿素泵之间通过管路连接实现尿素的供应，由这两级系统共同组成双级SCR后处理系统；
其特征在于：
判断大功率柴油机处于稳态还是动态工况的方法：利用上游氮氧传感器3s内5次测量氮氧化物的浓度，每隔500ms测一次，前一次与本次氮氧化物浓度的差值与前一次氮氧化物浓度的比值的绝对值就是氮氧化物的浓度变化率，若4个变化率中任意一个大于10％则视为柴油机处于动态工况，若都小于10％则视为柴油机处于稳态工况下；
当任意氮氧化物浓度变化率α＜10％,大功率柴油机排气处于稳态工况下，双级SCR后处理系统中仅仅第一级系统工作，出口处的一个下游氮氧传感器，起一个反馈调节的作用；当存在氮氧化物浓度变化率α≥10％,其处于动态工况下，整个双级SCR后处理系统共同工作，其中，第一级SCR系统采用开环控制，作为基准控制清除95％以上含量的氮氧化物，第二级SCR系统采用闭环控制。
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