CN110276167B - 一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法 - Google Patents

一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法，主要发明内容包括接收尿素SCR系统的状态；由NOx排放限值得到氨覆盖率下界；由NH3排放限值得到氨覆盖率上界；求得氨覆盖率参考目标。本发明提出的氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法，能够根据实时状态动态生成氨覆盖率参考目标，同时考虑到了排放限值和系统老化程度。

Description

一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法
技术领域
本发明属于尿素SCR排放后处理系统状态估计控制技术领域，具体涉及一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法。
背景技术
随着全世界范围内针对NOx排放越来越严格的法规出台，多种为降低NOx的排放后处理系统面世了。这些技术就包括尿素选择性催化还原(SCR)系统。在我国，目前的实际国情是燃油中硫含量较高，而且许多种排放控制技术推广都受到限制。所以，凭借其对硫的敏感性较低的特性，尿素SCR排放后处理技术在我国的发展更具优势。尿素SCR技术的基本原理是利用NOx与氨(NH3)之间的氧化还原反应，而所用的氨一般都来源于32.5％的尿素溶液(添蓝溶液)。虽然氨能够还原NOx，但其较高的排放也是对人体有害的，并且有着刺鼻的气味。为实现较高的NOx转化效率，要有充分的氨作为还原剂；但是，这一点反过来会增加氨的逃逸量，这一矛盾成为了尿素SCR系统研究面临的主要挑战之一。
目前更为普遍的共识是，通过改进尿素喷射控制技术达到上述目标，是一种较便捷且经济的方法。一部分尿素喷射反馈控制是基于NOx传感器的，但NOx传感器对氨有交叉敏感性。最近，德尔福公司推出了NH3传感器，但由于其还未被量产，在实际的工业应用中很少用到。这就使得单独的NOx和NH3反馈都很难达到理想的控制目的。于是，有学者提出了一种综合的反馈方法，即以氨覆盖率为反馈控制目标。
但是，氨覆盖率参考目标很难确定。尽管针对此问题，有学者已经提出了一些方法。但当前的氨覆盖率参考目标问题，依然面临以下挑战：1、根据尿素SCR系统的实时状态动态生成氨覆盖率参考目标；2、氨覆盖率参考目标的产生考虑排放限值。3、氨覆盖率参考目标的产生考虑系统老化程度。
发明内容
本发明的目的是要提出一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法，能够根据实时状态动态生成氨覆盖率参考目标，同时考虑到了排放限值和系统老化程度。
本发明提出的一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法，其特征在于包括以下步骤：
一、建立面向控制的两核八阶尿素SCR系统模型：
Figure BDA0002130291560000021
其中：
Figure BDA0002130291560000022
表1和表2分别显示了模型中所有常量和变量的相关定义及参数名义参考值，
表1常量命名法
Figure BDA0002130291560000023
Figure BDA0002130291560000031
表2变量命名法
Figure BDA0002130291560000032
单核尿素SCR系统结构能够大致表述系统化学反应；然而，要想精确地描述尿素SCR系统化学反应动态特性，级联的多核结构是必不可少的；而且，有学者经过试验验证指出，至少需要两核结构，为了更好地描述尿素SCR系统沿催化器轴向的状态分布特性，同时对模型复杂程度保持一个可操作的水平，本发明提出一种由主从两个单元构成的模型，
基于公式(1)的单核模型和气体成分的流量与浓度关系公式(3)，提出了一个面向控制的两核八阶尿素SCR系统模型，如公式(4)所示：
Figure BDA0002130291560000033
Figure BDA0002130291560000041
二、由排放限值动态生成氨覆盖率参考目标
Figure BDA00021302915600000413
本发明假设尿素SCR系统处在较好的热管理控制条件下，氨覆盖率的上界需求总会比下届需求高，为了推导出氨覆盖率的参考目标的上下界，由公式(4)可以推导出部分NOx，NH3的浓度动态如下：
Figure BDA0002130291560000042
由于
Figure BDA0002130291560000043
和
Figure BDA0002130291560000044
的动态变化要比
Figure BDA0002130291560000045
的动态更快，公式(5)可以推导得到：
Figure BDA0002130291560000046
Figure BDA0002130291560000047
Figure BDA0002130291560000048
由于本发明提出NOx转化率在92％以上，根据公式(6a)和(6b)可以得到不等式：
Figure BDA0002130291560000049
其中，
Figure BDA00021302915600000410
被定义为8％的
Figure BDA00021302915600000411
由公式(7)可以得到氨覆盖率的下界
Figure BDA00021302915600000412
为：
Figure BDA0002130291560000051
其中，
Figure BDA0002130291560000052
本发明提出的氨逃逸限值为
Figure BDA0002130291560000053
由公式(6c)可得：
Figure BDA0002130291560000054
为了同时满足上限和下限的要求，即同时满足较高的NOx转化率和较低的氨逃逸，可以将氨覆盖率参考目标定义为：
Figure BDA0002130291560000055
为了考虑到尿素SCR系统老化程度对状态的影响，最终实时调整的氨覆盖率参考目标为：
Figure BDA0002130291560000056
其中，α为系统老化因子。
本发明的优点和技术效果是：
1、能够根据尿素SCR系统的实时状态动态生成氨覆盖率参考目标；
2、氨覆盖率参考目标的产生考虑到了排放限值。
3、氨覆盖率参考目标的产生考虑到了系统老化程度。
附图说明
图1是一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法流程图。
图2是一种氨覆盖率参考目标动态产生器控制效果图。
具体实施方式
本发明提出的一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法，其特征在于
包括以下步骤：
一、建立面向控制的两核八阶尿素SCR系统模型：
Figure BDA0002130291560000061
其中：
Figure BDA0002130291560000062
表1和表2分别显示了模型中所有常量和变量的相关定义及参数名义参考值，
表1常量命名法
Figure BDA0002130291560000063
表2变量命名法
Figure BDA0002130291560000064
Figure BDA0002130291560000071
单核尿素SCR系统结构能够大致表述系统化学反应；然而，要想精确地描述尿素SCR系统化学反应动态特性，级联的多核结构是必不可少的；而且，有学者经过试验验证指出，至少需要两核结构，为了更好地描述尿素SCR系统沿催化器轴向的状态分布特性，同时对模型复杂程度保持一个可操作的水平，本发明提出一种由主从两个单元构成的模型，
基于公式(1)的单核模型和气体成分的流量与浓度关系公式(3)，提出了一个面向控制的两核八阶尿素SCR系统模型，如公式(4)所示：
Figure BDA0002130291560000072
Figure BDA0002130291560000073
二、由排放限值动态生成氨覆盖率参考目标
Figure BDA0002130291560000074
本发明假设尿素SCR系统处在较好的热管理控制条件下，氨覆盖率的上界需求总会比下届需求高，为了推导出氨覆盖率的参考目标的上下界，由公式(4)可以推导出部分NOx，NH3的浓度动态如下：
Figure BDA0002130291560000081
由于
Figure BDA0002130291560000082
和
Figure BDA0002130291560000083
的动态变化要比
Figure BDA0002130291560000084
的动态更快，公式(5)可以推导得到：
Figure BDA0002130291560000085
Figure BDA0002130291560000086
Figure BDA0002130291560000087
由于本发明提出NOx转化率在92％以上，根据公式(6a)和(6b)可以得到不等式：
Figure BDA0002130291560000088
其中，
Figure BDA0002130291560000089
被定义为8％的
Figure BDA00021302915600000810
由公式(7)可以得到氨覆盖率的下界
Figure BDA00021302915600000811
为：
Figure BDA00021302915600000812
其中，
Figure BDA00021302915600000813
本发明提出的氨逃逸限值为
Figure BDA00021302915600000814
由公式(6c)可得：
Figure BDA00021302915600000815
为了同时满足上限和下限的要求，即同时满足较高的NOx转化率和较低的氨逃逸，可以将氨覆盖率参考目标定义为：
Figure BDA00021302915600000816
为了考虑到尿素SCR系统老化程度对状态的影响，最终实时调整的氨覆盖率参考目标为：
Figure BDA0002130291560000091
其中，α为系统老化因子。
本发明提出的一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法，具体实施方式如图1所示，包括以下几个步骤：1)接收尿素SCR系统的
Figure BDA0002130291560000092
和T信号以及系统老化因子α；2)由NOx排放限值
Figure BDA0002130291560000093
得到氨覆盖率下界
Figure BDA0002130291560000094
3)由NH3排放限值
Figure BDA0002130291560000095
得到氨覆盖率上界
Figure BDA0002130291560000096
4)动态生成氨覆盖率参考目标
Figure BDA0002130291560000097
在瞬态测试循环下，具体的控制效果如图2所示。氨覆盖率参考目标“idealtarget”，在整个瞬态循环测试区间内，始终处于氨覆盖率下界“minimumlimit”和氨覆盖率上界“maximumlimit”之间。

Claims (1)

1.一种氨覆盖率参考目标动态产生器设计方法，其特征在于包括以下步骤：
一、建立面向控制的两核八阶尿素SCR系统模型
建立的单核SCR系统模型为：
Figure FDA0004065623770000011
其中：
Figure FDA0004065623770000012
表1和表2分别显示了模型中所有常量和变量的相关定义及参数名义参考值，表1常量命名法
Figure FDA0004065623770000013
表2变量命名法
Figure FDA0004065623770000021
基于公式(1)的单核模型和气体成分的流量与浓度关系公式(3)，提出了一个面向控制的两核八阶尿素SCR系统模型，如公式(4)所示：
Figure FDA0004065623770000022
Figure FDA0004065623770000023
二、由排放限值动态生成氨覆盖率参考目标
Figure FDA0004065623770000028
假设尿素SCR系统处在热管理控制条件下，氨覆盖率的上界需求总会比下届需求高，由公式(4)可以推导出部分NOx，NH3的浓度动态如下：
Figure FDA0004065623770000024
公式(5)可以推导得到：
Figure FDA0004065623770000025
Figure FDA0004065623770000026
Figure FDA0004065623770000027
根据公式(6a)和(6b)可以得到不等式：
Figure FDA0004065623770000031
其中，
Figure FDA0004065623770000032
被定义为8％的
Figure FDA0004065623770000033
由公式(7)可以得到氨覆盖率的下界
Figure FDA0004065623770000034
为：
Figure FDA0004065623770000035
其中，
Figure FDA0004065623770000036
提出的氨逃逸限值为
Figure FDA0004065623770000037
由公式(6c)可得：
Figure FDA0004065623770000038
将氨覆盖率参考目标定义为：
Figure FDA0004065623770000039
最终实时调整的氨覆盖率参考目标为：
Figure FDA00040656237700000310
其中，α为系统老化因子。
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