CN110314517A - 一种船用scr脱硝工艺的尿素喷射控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气瓶阀门结构的技术领域，公开了一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统及其控制方法，用于测定柴油机油耗的油耗测定装置、尿素喷射装置、SCR反应装置、NH3分析仪和控制模块，所述SCR反应装置的前置连接有烟气进气管路且后置连接有烟气排放管路，所述SCR反应装置与所述尿素喷射装置之间连接有尿素喷射管路，所述尿素喷射管路上设有尿素泵，所述烟气进气管路上设有气体质量流量计、NOx进气浓度传感器和NOx进气温度传感器，所述烟气排放管路上设有NOx排气浓度传感器、NOx排气温度传感器和NH3分析仪。本发明灵敏度高，模式多样，可根据实际参数状态迅速做出调整，能实现不同工况的自由切换。

Description

一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及船用废气处理技术领域，尤其涉及一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统。
背景技术
随着IMO和各国政府日益严格的船舶尾气排放限制标准的颁布，不断扩大的ECA区域涵盖了全球主要贸易国家和港口，对全球航运界产生了极大的影响。为了更好地发挥船舶在全球经济及贸易中的重要作用，降低船舶发动机尾气对港口、海峡和一些航线密集、船舶流量大的海区的污染，船舶柴油机尾气必须经过处理，达到相关标准后排放。SCR脱硝工艺是目前主流的船用处理NOx的技术，尿素是常用的还原剂。
而目前常用的SCR脱硝工艺尿素喷射控制系统主要采用开环控制，根据船用柴油机脉谱图得到各个工况的废气质量流量、NOx排放量等参数，计算出相应的尿素喷射量。但是此方法会随着柴油机的使用，实际排放各项废气参数和原始脉谱图产生偏差，无法保证系统稳态精确控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统及其控制方法，灵敏度高，模式多样，可根据实际参数状态迅速做出调整，能实现不同工况的自由切换。
本发明实施例提供了一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，包括用于测定柴油机油耗的油耗测定装置、尿素喷射装置、SCR反应装置、NH3分析仪和控制模块，所述SCR反应装置的前置连接有烟气进气管路且后置连接有烟气排放管路，所述SCR反应装置与所述尿素喷射装置之间连接有尿素喷射管路，所述尿素喷射管路上设有尿素泵，所述烟气进气管路上设有气体质量流量计、NOx进气浓度传感器和NOx进气温度传感器，所述烟气排放管路上设有NOx排气浓度传感器、NOx排气温度传感器和NH3分析仪；
所述控制模块具有设定脱硝效率键、设定氨氮比键和中央控制单元；
所述油耗测定装置、NOx进气浓度传感器、NOx进气温度传感器、NOx排气浓度传感器、NOx排气温度传感器和NH3分析仪分别与中央控制单元信号连接，所述尿素泵与中央控制单元电线连接。
进一步地，还包括排气吹扫装置，所述排气吹扫装置包括空压机，所述空压机与尿素泵通过压缩空气管路连接，所述尿素泵与所述尿素喷射装置之间连接有废液回流管路，所述空压机与中央处理单元电线连接。
进一步地，所述压缩空气管路上设有空气滤清器、压力传感器和放液口，所述压力传感器与中央处理单元信号连接。
进一步地，所述尿素喷射管路设有两组，分别为主尿素喷射管路和副尿素喷射管路，所述主尿素喷射管路上设有主尿素泵，所述副尿素喷射管路上设有副尿素泵。所述主尿素泵和所述副尿素泵分别与中央控制单元电线连接。
进一步地，所述尿素喷射管路上设有控制尿素喷出量的尿素喷量阀。
进一步地，所述尿素喷射装置内的尿素溶液的浓度为32.5％，密度ρ为1090kg/m3。
进一步地，所述尿素喷射装置内设有最低液位传感器。
进一步地，所述尿素喷射控制系统包括开环尿素喷射模式和闭环尿素喷射模式。
还提供了一种应用于所述船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、通过油耗测量装置采用定时、定量两种模式测得船用柴油机油耗；
S2、通过氨氮比键设定氨氮摩尔比ANR为0.7-1，通过设定脱硝效率键设定脱硝设定效率η设定；
S3、通过气体质量流量计获得烟气进气管路中的废气质量流量，M(kg/h)；
再通过公式a计算废气体积流量，公式a为：V(m3/h)；
公式a中的T废气为烟气进气管路中废气的进气温度，单位为℃；
M为废气质量流量，单位为kg/h；
V为废气体积流量，单位为m3/h；
然后通过公式b计算废气摩尔流量，公式b为：n(kmol/h)；
公式b中的T废气为烟气进气管路中废气的进气温度，单位为℃；
V为废气体积流量，单位为m3/h；
NOx为废气中氮氧化物的体积浓度，单位为ppm；
n为废气摩尔流量，单位为kmol/h；
最后通过公式c计算尿素溶液流量，公式c为：V尿素(m3/h)；
公式c中n为废气摩尔流量，单位为kmol/h；
ANR为氨氮比；
η设定为脱硝效率；
ρ密度为尿素溶液；
S4、当烟气进气管路上的NOx进气温度传感器感应到温度≥130℃，并且持续≥30s，中央处理器控制尿素喷射泵启动；
S5、采用开环尿素喷射模式或闭环尿素喷射模式进行废气脱硝。
进一步地，还包括在启动尿素泵前，先进行对尿素泵进行排空；关闭尿素泵前，对尿素泵进行吹扫，将多余尿素溶液回流至尿素喷射装置中，持续时间≥30s，防止喷嘴堵塞。
进一步地，设定尿素的起始喷射温度为140-160℃。
基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明实施例提出的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统及其控制方法，通过油耗测量装置测得油耗，计算出相应的废气质量流量。通过NOx传感器测得SCR反应器前后的NOx浓度。控制模块根据废气质量流量、NOx进口浓度、脱硝设定效率η设定、氨氮比ANR、温度等参数计算出尿素的初始喷射量，然后根据NOx出口浓度对尿素喷射量进行调整。通过控制尿素喷射装置阀门开度，实现定量喷射，以此实现对尾气中NOx排放浓度的控制；
本发明在满足排放限制值的情况下尽可能减少尿素的消耗量，在系统运行过程中，通过控制模块设定相应的启停模式，保护相应的模块及装置；整个控制系统灵敏度高，模式多样，可根据实际参数状态迅速做出调整，能实现不同工况的自由切换；经过本发明处理后尾气中NOx的实际脱除效率分别为：10％工况达到91％，25％工况达到94％，50％工况达到94％，75％工况达到94％，100％工况达到97％，各工况根据D2循环加权后的NOx比排放值达到排放标准。
附图说明
图1为本发明实施例的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统的工艺流程图；
图2为本发明实施例的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统的控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
本发明实施例提出了一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，如图1和图2所示，包括用于测定柴油机油耗的油耗测定装置、尿素喷射装置1、SCR反应装置2、NH3分析仪3和控制模块，所述SCR反应装置的前置连接有烟气进气管路5且后置连接有烟气排放管路6，所述SCR反应装置与所述尿素喷射装置之间连接有尿素喷射管路7，所述尿素喷射管路上设有尿素泵8，所述烟气进气管路上设有气体质量流量计9、NOx进气浓度传感器10和NOx进气温度传感器11，所述烟气排放管路上设有NOx排气浓度传感器12、NOx排气温度传感器13和NH3分析仪；
所述控制模块具有设定脱硝效率键、设定氨氮比键和中央控制单元；
所述油耗测定装置、NOx进气浓度传感器、NOx进气温度传感器、NOx排气浓度传感器、NOx排气温度传感器和NH3分析仪分别与中央控制单元信号连接，所述尿素泵与中央控制单元电线连接。
还包括排气吹扫装置，所述排气吹扫装置包括空压机15，所述空压机与尿素泵通过压缩空气管路16连接，所述尿素泵与所述尿素喷射装置之间连接有废液回流管路17，所述空压机与中央处理单元电线连接。
所述压缩空气管路上设有空气滤清器18、压力传感器19和放液口20，所述压力传感器与中央处理单元信号连接。
所述尿素喷射管路设有两组，分别为主尿素喷射管路和副尿素喷射管路，所述主尿素喷射管路上设有主尿素泵，所述副尿素喷射管路上设有副尿素泵。所述主尿素泵和所述副尿素泵分别与中央控制单元电线连接。如图1所示尿素喷射系统的工艺流程图：系统设置两台尿素泵，一个主泵一个备用泵，当主泵出现故障时，切换使用备用泵；尿素溶液储罐中设置液位传感器，便于及时补充尿素；进入尿素泵的压缩空气经过空气滤清器，分离出大部分的水、油及杂质；并通过压力传感器实时监测压缩空气压力，保障尿素泵正常使用。
所述尿素喷射管路上设有控制尿素喷出量的尿素喷量阀。
所述尿素喷射装置内的尿素溶液的浓度为32.5％，密度ρ为1090kg/m3。
所述尿素喷射装置内设有最低液位传感器。
所述尿素喷射控制系统包括开环尿素喷射模式和闭环尿素喷射模式。
所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统的控制方法，包括以下步骤：
首先，通过油耗测量装置采用定时、定量两种模式测得船用柴油机油耗；
然后，通过氨氮比键设定氨氮摩尔比ANR为0.7-1，通过设定脱硝效率键设定脱硝设定效率η设定；
接着，通过气体质量流量计获得烟气进气管路中的废气质量流量，M(kg/h)；
再通过公式a计算废气体积流量，公式a为：V(m3/h)；
公式a中的T废气为烟气进气管路中废气的进气温度，单位为℃；
M为废气质量流量，单位为kg/h；
V为废气体积流量，单位为m3/h；
然后通过公式b计算废气摩尔流量，公式b为：n(kmol/h)；
公式b中的T废气为烟气进气管路中废气的进气温度，单位为℃；
V为废气体积流量，单位为m3/h；
NOx为废气中氮氧化物的体积浓度，单位为ppm；
n为废气摩尔流量，单位为kmol/h；
最后通过公式c计算尿素溶液流量，公式c为：V尿素(m3/h)；
公式c中n为废气摩尔流量，单位为kmol/h；
ANR为氨氮比；
η设定为脱硝效率；
ρ密度为尿素溶液；
再然后，当烟气进气管路上的NOx进气温度传感器感应到温度≥130℃，并且持续≥30s，中央处理器控制尿素喷射泵启动；
最后，采用开环尿素喷射模式或闭环尿素喷射模式进行废气脱硝。
还包括在启动尿素泵前，先进行对尿素泵进行排空；关闭尿素泵前，对尿素泵进行吹扫，将多余尿素溶液回流至尿素喷射装置中，持续时间≥30s，防止喷嘴堵塞。
设定尿素的起始喷射温度为140-160℃，起喷温度为柴油机出口废气温度T废气和SCR反应器温度TSCR中的较小值。
根据柴油机的运行工况，导入相应的参数，变工况时自动调整匹配参数；在某一工况下连续运行时，若采用开环控制，当SCR反应器温度TSCR≥140℃时，直接按照计算喷射量V尿素进行添加；若采用闭环控制，则在计算喷射量V尿素的基础上，采集NOx传感器实时监测数据，计算出实际脱硝效率η实际，η实际＝出口NOx浓度/入口NOx浓度，若η实际＞η设定，则通过PID减少V尿素，若η实际＜η设定，则通过PID增加V尿素，变化量ΔV尿素≤10％V尿素。
尿素喷射装置液位低于一定值会进行报警，提醒及时补充尿素溶液。
尿素喷射泵压力下限，压力上限，低于下限报警气源故障，高于上限报警喷嘴堵塞。
应用例
试验所用柴油机为旧船拆卸辅机DAIHATSU中速6冲程发动机6DL-20，试验所用柴油为加油站0#柴油。具体试验数据见下表：
以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，包括用于测定柴油机油耗的油耗测定装置、尿素喷射装置、SCR反应装置、NH3分析仪和控制模块，所述SCR反应装置的前置连接有烟气进气管路且后置连接有烟气排放管路，所述SCR反应装置与所述尿素喷射装置之间连接有尿素喷射管路，所述尿素喷射管路上设有尿素泵，所述烟气进气管路上设有气体质量流量计、NOx进气浓度传感器和NOx进气温度传感器，所述烟气排放管路上设有NOx排气浓度传感器、NOx排气温度传感器和NH3分析仪；
所述控制模块具有设定脱硝效率键、设定氨氮比键和中央控制单元；
所述油耗测定装置、NOx进气浓度传感器、NOx进气温度传感器、NOx排气浓度传感器、NOx排气温度传感器和NH3分析仪分别与中央控制单元信号连接，所述尿素泵与中央控制单元电线连接。
2.如权利要求1所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，其特征在于，还包括排气吹扫装置，所述排气吹扫装置包括空压机，所述空压机与尿素泵通过压缩空气管路连接，所述尿素泵与所述尿素喷射装置之间连接有废液回流管路，所述空压机与中央处理单元电线连接。
3.如权利要求2所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，其特征在于，所述压缩空气管路上设有空气滤清器、压力传感器和放液口，所述压力传感器与中央处理单元信号连接。
4.如权利要求1所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，其特征在于，所述尿素喷射管路设有两组，分别为主尿素喷射管路和副尿素喷射管路，所述主尿素喷射管路上设有主尿素泵，所述副尿素喷射管路上设有副尿素泵。所述主尿素泵和所述副尿素泵分别与中央控制单元电线连接。
5.如权利要求1所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，其特征在于，所述尿素喷射管路上设有控制尿素喷出量的尿素喷量阀。
6.如权利要求1所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，其特征在于，所述尿素喷射装置内的尿素溶液的浓度为32.5％，密度ρ为1090kg/m3。
7.如权利要求1所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，其特征在于，所述尿素喷射装置内设有最低液位传感器。
8.如权利要求1所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统，其特征在于，所述尿素喷射控制系统包括开环尿素喷射模式和闭环尿素喷射模式。
9.一种如权利要求1-8的任一所述的船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过油耗测量装置采用定时、定量两种模式测得船用柴油机油耗；
S2、通过氨氮比键设定氨氮摩尔比ANR为0.7-1，通过设定脱硝效率键设定脱硝设定效率η设定；
S3、通过气体质量流量计获得烟气进气管路中的废气质量流量M(kg/h)；
再通过公式a计算废气体积流量，公式a为：V(m3/h)；
公式a中的T废气为烟气进气管路中废气的进气温度，单位为℃；
M为废气质量流量，单位为kg/h；
V为废气体积流量，单位为m3/h；
然后通过公式b计算废气摩尔流量，公式b为：n(kmol/h)；
公式b中的T废气为烟气进气管路中废气的进气温度，单位为℃；
V为废气体积流量，单位为m3/h；
NOx为废气中氮氧化物的体积浓度，单位为ppm；
n为废气摩尔流量，单位为kmol/h；
最后通过公式c计算尿素溶液流量，公式c为：V尿素(m3/h)；
公式c中n为废气摩尔流量，单位为kmol/h；
ANR为氨氮比；
η设定为脱硝效率；
ρ密度为尿素溶液。
S4、当烟气进气管路上的NOx进气温度传感器感应到温度≥130℃，并且持续≥30s，中央处理器控制尿素喷射泵启动；
S5、采用开环尿素喷射模式或闭环尿素喷射模式进行废气脱硝。
10.如权利要求9所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统的控制方法，其特征在于，还包括在启动尿素泵前，先进行对尿素泵进行排空；关闭尿素泵前，对尿素泵进行吹扫，将多余尿素溶液回流至尿素喷射装置中，持续时间≥30s。
11.如权利要求9所述的一种船用SCR脱硝工艺的尿素喷射控制系统的控制方法，其特征在于，设定尿素的起始喷射温度为140-160℃。
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