DE102016122315A1

DE102016122315A1 - System und Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Emissionssteuerungssystem

Info

Publication number: DE102016122315A1
Application number: DE102016122315.8A
Authority: DE
Inventors: Sangeeta Balram; Prem Kumar Patchaikani; Sidharth Abrol
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2017-06-14
Also published as: CN106930809A; US10612444B2; US20170167349A1; IT201600123989A1

Abstract

Ein Fehlererkennungsverfahren für ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), das einen SCR-Reaktor aufweist, enthält ein Empfangen mehrerer Betriebsparameter (702) des SCR-Reaktors von mehreren Sensoren. Das Verfahren enthält ferner ein Schätzen eines Zustands eines adaptiven Reaktormodells (704), das den SCR-Reaktor repräsentiert, auf der Basis der mehreren Betriebsparameter. Das Verfahren enthält ferner ein Generieren eines Merkmalsparameters (706) auf der Basis der mehreren Betriebsparameter und des geschätzten Zustands des adaptiven Reaktormodells. Das Verfahren enthält ein Erkennen eines Fehlers in dem SCR-System (708) auf der Basis des Merkmalsparameters.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft allgemein eine Technik zur Fehlerdiagnose in Emissionssteuerungssystemen und insbesondere eine Technik zur Detektion von Fehlern in selektiven katalytischen Reduktionseinheiten.
Industrielle Emissionen, wie bspw. Stickoxide und Schwefeldioxid, verursachen Umweltverschmutzung. Umweltverschmutzung wird in den meisten Industrien durch Vorschriften geregelt. Es werden strenge Regulierungsanforderungen durch Regierungen und Standardisierungsgremien verabschiedet, um die Abgabe von schadhaften Gasen in die Atmosphäre durch industrielle Anlagen zu minimieren. Gewöhnlich enthält ein Emissionssteuerungssystem einen Reduktionsreaktor, in dem die industriellen Ausströmungen mit einem Reduktionsmittel chemisch behandelt werden, um Emissionen zu reduzieren. Insbesondere wird ein Reduktionsmittel, wie bspw. Ammoniak, in den Abgasstrom, der in den Reduktionsreaktor eintritt, injiziert, um Emissionen, wie bspw. NOx, aus dem Abgasstrom zu reduzieren.
Es wird eine Analyse und Steuerung der Abgasemissionen durchgeführt, um die Regulierungsanforderungen einzuhalten. Eine Emissionsanalyse kann durch Verwendung eines in dem Abgasschacht installierten Gaszusammensetzungsanalysators kontinuierlich durchgeführt werden. Alternativ kann die Emissionsanalyse unter Verwendung des Gaszusammensetzungsanalysators durchgeführt werden, der mit dem Abgasschacht über ein extraktives System verbunden ist. Jedoch ist eine kontinuierliche Analyse aufgrund der Installationskosten, Aufrechterhaltungs- und Kalibrierungsanforderungen kostspielig. Ein Computer basiertes Modell kann verwendet werden, um Emissionen, wie bspw. Stickoxid(NOx)-Emission, vorherzusagen, um die Kosten der Analyse der Emissionen zu reduzieren. Es werden etliche prognostische Parameter, die mit dem Brennstoffumwandlungsprozess im Zusammenhang stehen, wie bspw. Temperatur und Abdeckungsbereich des Reduktionsmittels, von dem Computer basierten Modell verwendet, um eine Schätzung der Menge der Emissionen zu bestimmen.
In der Vergangenheit verwendete Methodiken umfassen nicht lineare statistische, neuronale Netzwerk-, Eigenwert-, stochastische und andere Verfahren zur Verarbeitung der Eingangsparameter von verfügbaren Feldvorrichtungen und zur Vorhersage von Prozessemissionsraten und der Verbrennungs- oder Prozesseffizienz.
Emissionssteuersysteme in Kraftwerken können während des Betriebs eine Verschlechterung der Leistung und Fehler erfahren. Auf einer Analyse basierende Emissionssteuertechniken sind bei Vorliegen von Fehlern nicht voll wirksam. Eine Kenntnis der Fehler kann verwendet werden, um die Effektivität der Emissionssteuerungstechniken zu verbessern. Eine Detektion von Fehlern hilft auch bei der Vorhersage von Ausfällen von Komponenten und bei der Vorbereitung einer planmäßigen Instandhaltung.
KURZBESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Beschreibung ist ein Fehlererkennungsverfahren für ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), das einen SCR-Reaktor aufweist, offenbart. Das Verfahren enthält ein Empfangen mehrerer Betriebsparameter des SCR-Reaktors von mehreren Sensoren. Das Verfahren enthält ferner ein Schätzen eines Zustands eines adaptiven Reaktormodells, das den SCR-Reaktor repräsentiert, auf der Basis der mehreren Betriebsparameter. Das Verfahren enthält ferner ein Generieren eines Merkmalsparameters auf der Basis der mehreren Betriebsparameter und des geschätzten Zustands des adaptiven Reaktormodells. Das Verfahren enthält ein Feststellen eines Fehlers in dem SCR-System auf der Basis des Merkmalsparameters.
In dem zuvor erwähnten Verfahren können die mehreren Betriebsparameter einen oder mehrere von mehreren Einlassparametern, mehreren Auslassparametern, einem Reduktionsmittelschlupfwert, einem Emissionswert und einem Strömungsparameter aufweisen.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann das adaptive Reaktormodell ein zeitabhängiges thematisches Modell für den SCR-Reaktor enthalten.
Zusätzlich kann das Schätzen ein Bestimmen von Schätzungen von Zuständen des adaptiven Reaktormodells unter Verwendung erweiterter Kalman-Filterung aufweisen.
In bevorzugten Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann das Feststellen des Fehlers ein Schätzen eines symptomatischen Parameters, der einem Subsystem des SCR-Systems entspricht, unter Verwendung des adaptiven Reaktormodells mit den mehreren Betriebsparametern und Bestimmen des Merkmalsparameters, der dem Subsystem entspricht, auf der Basis des symptomatischen Parameters und der mehreren Betriebsparameter aufweisen.
In den zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen kann der symptomatische Parameter wenigstens einen von einem Emissionsoffsetparameter und einem Reduktionsmittelschlupfoffsetparameter aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Merkmalsparameter wenigstens einen von einem Luftströmungsoffset-, Reduktionsmittelströmungsoffset-, Reduktionsmittelventiloffset-, Einlassemissionsoffset-, Auslassemissionsoffsetund Schlupfoffsetwert aufweisen.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann das Subsystem wenigstens eines von einem Injektionsgittersubsystem, einem Reaktoreinlasssubsystem, einem Reaktorsubsystem und einem Reaktorschachtsubsystem aufweisen.
In dem Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann der Fehler wenigstens einen von einem Gebläsefehler, einem Durchflusssensorfehler, einem Durchflussventilfehler, einem Einlasssensorfehler, einem Schachtsensorfehler, einem Schlupfsensorfehler und einem Katalysatorfehler aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung ist ein Fehlerdiagnosesystem für ein SCR-System offenbart. Das System enthält einen selektiven katalytischen Reduktions(SCR)-Reaktor und eine Signalakquisitionseinheit. Das System enthält ferner mehrere Sensoren zur Lieferung mehrerer Betriebsparameter des SCR-Reaktors zu der Signalakquisitionseinheit. Das System enthält ferner eine Emissionssteuerungseinheit, die mit der Signalakquisitionseinheit kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet ist, um Zustände eines den SCR-Reaktor repräsentierenden adaptiven Reaktormodells auf der Basis der mehreren Betriebsparameter zu schätzen. Das System enthält ferner eine Fehlermanagementeinheit, die mit dem SCR-Reaktor und der Emissionssteuerungseinheit gekoppelt und eingerichtet ist, um mehrere Merkmalsparameter auf der Basis der mehreren Betriebsparameter und des adaptiven Reaktormodells zu generieren. Die Fehlermanagementeinheit ist ferner eingerichtet, um einen Fehler in dem SCR-System auf der Basis der mehreren Merkmalsparameter zu bestimmen.
In dem zuvor erwähnten System können die mehreren Sensoren eingerichtet sein, um mehrere Einlassparameter, mehrere Auslassparameter, einen Reduktionsmittelschlupfwert, einen Emissionswert und einen Strömungsparameter zu messen.
In einigen Ausführungsformen des Systems einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das adaptive Reaktormodell ein zeitabhängiges mathematisches Modell für den SCR-Reaktor aufweisen.
Zusätzlich kann die Emissionssteuerungseinheit eingerichtet sein, um Schätzungen der Zustände des adaptiven Reaktormodells unter Verwendung eines erweiterten Kalman-Filters (EKF) zu bestimmen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Systems kann die Fehlermanagementeinheit eingerichtet sein, um einen symptomatischen Parameter, der einem Subsystem des SCR-Systems entspricht, unter Verwendung des adaptiven Reaktormodells mit den mehreren Betriebsparametern zu schätzen und einen Merkmalsparameter, der dem Subsystem entspricht, basierend auf dem symptomatischen Parameter und den mehreren Betriebsparametern zu bestimmen.
In den zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen kann die Fehlermanagementeinheit eingerichtet sein, um wenigstens einen von einem Emissionsoffsetparameter und einem Reduktionsmittelschlupfoffsetparameter zu bestimmen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Fehlermanagementeinheit eingerichtet sein, um wenigstens einen von einem Luftströmungsoffset-, einem Reduktionsmittelströmungsoffset-, Reduktionsmittelventiloffset-, Einlassemissionsoffset-, Auslassemissionsoffset- und Schlupfoffsetwert zu bestimmen.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann die Fehlermanagementeinheit eingerichtet sein, um wenigstens einen von einem Fehler in wenigstens einem von einem Injektionsgittersubsystem, einem Reaktoreinlasssubsystem, einem Reaktorsubsystem und einem Reaktorschachtsubsystem festzustellen.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten System kann die Fehlermanagementeinheit eingerichtet sein, um wenigstens einen von mehreren Fehlern festzustellen, die einen Gebläsefehler, einen Durchflusssensorfehler, einen Durchflussventilfehler, einen Einlasssensorfehler, einen Schachtsensorfehler, einen Schlupfsensorfehler und einen Katalysatorfehler aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung ist ein nicht-transitorisches Computer lesbares Medium mit Instruktionen offenbart. Die Instruktionen ermöglichen wenigstens einer Prozessoreinheit, mehrere Betriebsparameter betreffend einen Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von mehreren Sensoren zu empfangen. Die Instruktionen ermöglichen ferner dem wenigstens einen Prozessor, Zustände eines adaptiven Reaktormodells, das den SCR-Reaktor repräsentiert, basierend auf den mehreren Betriebsparametern zu schätzen. Die Instruktionen ermöglichen ferner dem wenigstens einen Prozessor, einen Merkmalsparameter basierend auf den mehreren Betriebsparametern und dem adaptiven Reaktormodell zu generieren. Die Instruktionen ermöglichen ferner den wenigstens einen Prozessor, einen Fehler in einem SCR-System auf der Basis des Merkmalsparameters festzustellen.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale und Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durch die Zeichnungen hinweg kennzeichnen, worin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Fehlerdiagnose in einem Emissionssteuerungssystem gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
2 ein Signalflussdiagramm für das System nach 1 gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
3 ein Blockdiagramm, das Komponenten eines selektiven katalytischen Reduktions(SCR)-Modells gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung veranschaulicht;
4 eine grafische Darstellung unter Veranschaulichung des Leistungsverhaltens einer Ausführungsform zur Schätzung des SCR-Modells gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
5 eine beispielhafte Architektur zur Fehlerdiagnose in einem Emissionssteuerungssystem gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
6 ein Blockdiagramm, das symptomatische Parameter, Ereignisse und Fehler in einem SCR-System und ihre Wechselbeziehungen veranschaulicht, gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung; und
7 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Fehlerdiagnose in einem Emissionssteuerungssystem gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In manchen Ausführungsformen enthalten Verfahren und Systeme zur Fehlerdiagnose eines Emissionssteuerungssystems ein Empfangen mehrerer Betriebsparameter von einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und Bestimmen eines SCR-Modells auf der Basis der mehreren Betriebsparameter. Auf der Basis der mehreren Betriebsparameter und des SCR-Modells werden mehrere Merkmalsparameter, die mehrere Betriebsereignisse des SCR-Systems kennzeichnen, bestimmt. In Fällen, in denen ein oder mehrere Fehler in dem System vorliegen, wird wenigstens einer von dem einen oder den mehreren Fehlern des SCR-Systems auf der Basis der mehreren Merkmalsparameter festgestellt.
Der Ausdruck „Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR)“ bzw. „selektiver katalytischer Reduktions(SCR)-Reaktor“ wird verwendet, um auf eine Einheit Bezug zu nehmen, die verwendet wird, um Emissionen von einer industriellen Anlage, wie bspw. einem Kraftwerk, einem Antriebssystem und einer Produktionseinrichtung, zu reduzieren. Die Ausdrücke „SCR-Modell“ und das „Reaktormodell“ werden in äquivalenter Weise und gegeneinander austauschbar verwendet, um auf ein Modell Bezug zu nehmen, das den SCR-Reaktor repräsentiert. Der Ausdruck „Emissionen“ bezieht sich auf eines oder mehrere von Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid und wird in äquivalenter Weise und austauschbar mit NOx verwendet. Der Ausdruck „Reduktionsmittel“ bezieht sich auf einen chemischen Stoff, wie bspw. Ammoniak, der verwendet wird, um Emissionen von der industriellen Anlage durch einen chemischen Reduktionsprozess zu reduzieren. Der Ausdruck „Emissionssteuerungssystem“ bezieht sich auf ein Prozessor basiertes Hardwareelement, das in der Lage ist, eine Menge des Reduktionsmittels, die in den SCR-Reaktor zur Reduktion der Emissionen von einem Kraftwerk auf ein gewünschtes Niveau einzubringen ist, zu bestimmen. Der Ausdruck „Fehler“ bezieht sich auf einen betrieblichen Defekt in einem oder mehreren Subsystemen oder in einer oder mehreren Komponenten des SCR-Systems.
1 veranschaulicht ein System 100 zur Fehlerdiagnose in einem Kraftwerk, das mit einem Emissionssteuerungssystem 102 ausgestattet ist. Das Emissionssteuerungssystem 102 enthält einen Reaktor 108 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), der mit einem Abgasauslass 106, bspw. einem Gasturbinenauslass, der zur Ausgabe eines Abgasstroms eingerichtet ist, verbunden ist. Der SCR-Reaktor 108 enthält einen Einlas 114, einen Auslass 110 und einen Katalysator 112, der im Inneren des SCR-Reaktors 108 angeordnet ist. Der Einlass 114 ist eingerichtet, um den Abgasstrom des Gasturbinenauslasses 106 aufzunehmen, und der Auslass 110 ist eingerichtet, um behandelte Emissionen in die Atmosphäre freizusetzen. Der SCR-Reaktor 108 enthält ferner einen Injektor 116 zur Einbringung des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor 108. Das Reduktionsmittel wirkt in der Gegenwart des Katalysators 112 mit den Emissionen zusammen, um behandelte Emissionen zu erzeugen, die in die Umgebung freigelassen werden sollen. Das System 100 enthält eine Signalakquisitionseinheit 118, eine Emissionssteuerungseinheit 120 und eine Fehlermanagementeinheit 122. Die Emissionssteuerungseinheit 120 enthält ein adaptives Reaktormodell 134. Das System 100 enthält ferner eine Prozessoreinheit 124 und eine Speichereinheit 126.
Die Signalakquisitionseinheit 118 ist mit dem Emissionssteuerungssystem 102 kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet, um mehrere Betriebsparameter 104 des Emissionssteuerungssystems 102 zu erhalten. Es können z.B. mehrere (in 1 nicht veranschaulichte) Sensoren durch das Emissionssteuerungssystem 102 verwendet werden, um die mehreren Betriebsparameter 104 zu messen. In einer Ausführungsform sind die mehreren Sensoren an dem Einlass 114 des SCR-Reaktors 108 und dem Auslass 110 des SCR-Reaktors 108 zur Lieferung mehrerer Betriebsparameter zu der Signalakquisitionseinheit 118 angeordnet. In einer Ausführungsform enthalten die mehreren Parameter mehrere Einlassparameter des SCR-Reaktors 108, mehrere Auslassparameter des SCR-Reaktors 108, einen Reduktionsmittelschlupfwert, der von dem Auslass 110 akquiriert wird, einen Emissionswert aus dem SCR-Reaktor 108 und einen Strömungsparameter, der einen Reduktionsmittelzufluss zu dem SCR-Reaktor 108 kennzeichnet. Die mehreren Einlassparameter können einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Ammoniak (NH₃), Sauerstoff (O₂), Stickstoffmonooxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂) enthalten. Die mehreren Auslassparameter können einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, einen Schlupfwert und einen Emissionswert, der an dem Auslass 110 des SCR-Reaktors 108 gemessen wird, enthalten. Die Signalakquisitionseinheit 118 kann ferner eingerichtet sein, um einen Schlupfsollwert aus einem vorbestimmten Speicherort in dem System 100 abzurufen. In einer Ausführungsform wird der Schlupfsollwert durch Offline-Experimente ermittelt und in der Speichereinheit 126 gespeichert, die für die Signalakquisitionseinheit 118 zugänglich sein kann. In einer Ausführungsform werden die mehreren Einlassparameter und die mehreren Auslassparameter von einem kontinuierlichen Emissionsüberwachungssystem (CEMS, Continuous Emission Monitoring System) erhalten.
Die Emissionssteuerungseinheit 120 ist mit der Signalakquisitionseinheit 118 kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet, um die mehreren Betriebsparameter 104 von der Signalakquisitionseinheit 118 zu empfangen. Die Emissionssteuerungseinheit 120 ist eingerichtet, um ein adaptives Reaktormodell 134, das den SCR-Reaktor 108 repräsentiert, auf der Basis der mehreren Betriebsparameter zu schätzen. Das adaptive Reaktormodell 134 ist eingerichtet, um chemische Reaktionen des SCR-Reaktors zu simulieren und Schätzwerte von mehreren Betriebsparametern zu generieren. In einer Ausführungsform ist das adaptive Reaktormodell 134 ein zeitabhängiges nichtlineares Modell, das in mehreren Zuständen arbeitet. Ein Zustand des adaptiven Reaktormodells bezieht sich auf eine Kombination von Betriebsparametern des adaptiven Reaktormodells in einem bestimmten Zeitpunkt. Die Schätzung des adaptiven Reaktormodells 134 durch die Emissionssteuerungseinheit 120 enthält eine Bestimmung eines oder mehrerer Parameter des adaptiven Reaktormodells 134 in Echtzeit. In einer Ausführungsform enthält die Schätzung des adaptiven Reaktormodells 134 eine Schätzung von Zuständen basierend auf den mehreren Betriebsparametern. In einigen Ausführungsformen ist die Emissionssteuerungseinheit 120 ferner eingerichtet, um einen Reduktionsmittelflusssollwert basierend auf dem adaptiven Reaktormodell 134 und den mehreren Betriebsparametern zu schätzen. Der Reduktionsmittelflusssollwert wird dem Injektor 116 zur Steuerung des Flusses des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor 108 hinein zugeführt. Als ein Beispiel kann der Reduktionsmittelflusssollwert dem Injektor 116 unter Verwendung einer automatischen Steuerung durch die Emissionssteuerungseinheit 120 oder einer manuellen Steuerung zugeführt werden, um eine Reduktion von Ausströmungen aus dem Auslass 110 des SCR-Reaktors 108 zu unterstützen. In dem Fall der manuellen Steuerung kann ein Bediener ein Reduktionsmittelventil von Hand einstellen, um eine Reduktion von Ausströmungen aus dem Auslass 110 des SCR-Reaktors 108 zu ermöglichen. Die Emissionssteuerungseinheit 120 kann durch den Bediener bei der Schätzung des Reduktionsmittelflusssollwertes, der mittels eines Speicherorts abgerufen wird, verwendet werden.
In einer Ausführungsform enthält das adaptive Reaktormodell 134 ein zeitabhängiges mathematisches Modell für den SCR-Reaktor. In einer weiteren Ausführungsform basiert das adaptive Reaktormodell 134 auf einer dynamischen Antwort wenigstens eines der mehreren Sensoren. Als ein Beispiel enthält das zeitabhängige mathematische Modell ein erweitertes Kalman-Filter (EKF). In einem weiteren Beispiel kann das zeitabhängige mathematische Modell andere Filterungstechniken auf der Basis von Filtern, wie bspw. eines Kalman-Filters und seiner Varianten, bspw. eines Unscented Kalman-Filters (UKF), enthalten. Das zeitabhängige mathematische Modell ist eingerichtet, um in adaptiver Weise Zustände des adaptiven Reaktormodells in Echtzeit zu schätzen.
Das adaptive Reaktormodell 134 kann eine Elektronik (Hardware und/oder Software) enthalten, die in der Lage ist, Operationen, einschließlich einer Signaldekodierung und/oder Einfügung einer Verzögerung, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, durchzuführen. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann das adaptive Reaktormodell 134, um bei den oben erwähnten Operationen zu unterstützen, einen Mikroprozessor, einen Speicher oder Kombinationen von diesen enthalten. Der Mikroprozessor kann einen Mikroprozessor der Architekturart eines Rechners mit reduziertem Befehlssatz (RISC) oder einen Mikroprozessor der Architekturart eines Rechners mit komplexem Befehlssatz (CISC) enthalten. Ferner kann der Mikroprozessor von einer Einzelkern-Bauart oder von einer Mehrkern-Bauart sein.
Die Fehlermanagementeinheit 122 ist mit der Emissionssteuerungseinheit 120 verbunden und eingerichtet, um einen Fehler des SCR-Reaktors 108 zu erkennen. In Ausführungsformen, in denen ein oder mehrere Fehler erkannt werden, kann die Fehlermanagementeinheit 122 Vorschläge für einen Bediener zur Handhabung und Korrektur der Fehler liefern. Ferner ist die Fehlermanagementeinheit 122 eingerichtet, um einen symptomatischen Parameter, der einem Subsystem des Emissionssteuerungssystems 102 entspricht, basierend auf dem Reaktormodell 134 und mehreren Betriebsparametern zu schätzen. In einer Ausführungsform enthält der symptomatische Parameter wenigstens einen von dem Emissionsoffset- und einem Reduktionsmittelschlupfoffsetparameter. Der Ausdruck „Emissionsoffset“ bezieht sich auf eine Differenz zwischen den Emissionswerten von dem Auslass 110 und einem Schätzwert des Emissionswertes von dem SCR-Modell. Ebenso bezieht sich der Ausdruck „Reduktionsmittelschlupfoffset“ auf eine Differenz zwischen dem Reduktionsmittelflusssollwert und dem tatsächlichen Reduktionsmittelfluss, der durch einen Sensor gemessen wird. Es sollte hierin erwähnt werden, dass der symptomatische Parameter auch einen der mehreren Betriebsparameter enthalten kann. Die Fehlermanagementeinheit 122 ist ferner eingerichtet, um mehrere Merkmalsparameter, die wenigstens einem Subsystem des Emissionssteuerungssystems 102 entsprechen, basierend auf dem symptomatischen Parameter und den mehreren Betriebsparametern zu bestimmen. Das wenigstens eine Subsystem des Emissionssteuerungssystems 102 kann wenigstens eines von einem Injektionsgittersubsystem, einem Reaktoreinlasssubsystem, einem Reaktorkatalysatorsubsystem, einem Reaktorsubsystem, einem Reaktorschachtsubsystem und einem Abhitzewärmeerzeuger(HRSG)-Schacht-Subsystem enthalten. Die mehreren Merkmalsparameter können verwendet werden, um Betriebsereignisse des SCR-Reaktors 108 zu identifizieren. Die mehreren Merkmalsparameter weisen kennzeichnende Parameter auf, die in der Lage sind, mehrere Ereignisse während des Betriebs des Emissionssystems zu bestimmen, und können z.B. wenigstens einen von einem Luftflussoffset, einem Reduktionsmittelflussoffset, einem Reduktionsmittelventiloffset, einem Einlassemissionsoffset, einem Auslassemissionsoffset und einem Schlupfoffsetwert enthalten.
Die mehreren Merkmalsparameter stehen mit dem wenigstens einen der Subsysteme in Beziehung. Die Betriebsereignisse, die basierend auf den mehreren Merkmalsparametern ermittelt werden, sind für einen Betriebszustand eines zugehörigen Subsystems kennzeichnend. Ferner können die Betriebsereignisse von der Fehlermanagementeinheit 122 verwendet werden, um einen Fehlerindikator 128 zu generieren. Als ein Beispiel wird ein Durchflusssensorfehler durch Erfassung eines Betriebsereignisses, wie bspw. eines Reduktionsmittelflussereignisses, festgestellt. Ferner wird das Reduktionsmittelflussereignis wiederum basierend auf dem Merkmalsparameter, wie bspw. dem Reduktionsmittelflussoffset, festgestellt. Die mehreren Fehler, die durch die hierin offenbarten beispielhaften Techniken erkannt werden, enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einen Gebläsefehler, einen Durchflusssensorfehler, einen Druchflussventilfehler, einen Einlasssensorfehler, einen Schaftsensorfehler, einen Schlupfsensorfehler und einen Katalysatorfehler.
In dem System 100 ist die Prozessoreinheit 124 mit dem Kommunikationsbus 130 kommunikationsmäßig verbunden und kann wenigstens eine arithmetische Logikeinheit, einen Mikroprozessor, einen Universalzweck-Controller oder ein Prozessorarray enthalten, um die gewünschten Berechnungen durchzuführen oder das Computerprogramm auszuführen. In einer Ausführungsform kann die Funktionalität der Prozessoreinheit 124 auf Aufgaben beschränkt sein, die von der Signalakquisitionseinheit 118 durchgeführt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Funktionalität der Prozessoreinheit 124 auf den durch die Emissionssteuerungseinheit 120 durchgeführten Funktionen basieren. In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Funktionalität der Prozessoreinheit 124 auf den durch die Fehlermanagementeinheit 122 durchgeführten Funktionen basieren. Die Prozessoreinheit 124 kann eingerichtet sein, um die Funktionalität einer oder mehrerer von der Signalakquisitionseinheit 118, der Emissionssteuerungseinheit 120 und der Fehlermanagementeinheit 122 zur Verfügung zu stellen. Während die Prozessoreinheit 124 als eine einzelne Einheit veranschaulicht ist, kann erwähnt werden, dass die Prozessoreinheit 124 in dem System 100 in Form von zwei oder mehreren Einheiten vorhanden sein kann, wobei jede Einheit der zwei oder mehreren Einheiten einen oder mehrere Prozessoren enthalten kann, die eingerichtet sind, um die Funktionalität einer oder mehrerer von der Signalakquisitionseinheit 118, der Emissionssteuerungseinheit 120 und der Fehlermanagementeinheit 122 bereitzustellen.
Ferner ist die Speichereinheit 126 des Systems 100 mit der Prozessoreinheit 124 kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet, damit wenigstens ein Prozessor, der sich in wenigstens einer der Einheiten 118, 120 und 122 befindet, auf sie zugreift. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Speichereinheit 126 sich auf ein oder mehrere Speichermodule beziehen. Die Speichereinheit 126 kann ein nicht-transitorisches Speichermedium sein. Zum Beispiel kann die Speichereinheit 126 eine dynamische Speichervorrichtung mit wahlfreiem Zugriff (DRAM), eine statische Speichervorrichtung mit wahlfreiem Zugriff (SRAM), ein Flash-Speicher oder andere Speichervorrichtungen sein. In einer Ausführungsform kann der Speicher einen nichtflüchtigen Speicher oder eine ähnliche dauerhafte Speichervorrichtung, ein dauerhaftes Speichermedium, wie bspw. ein Festplattenlaufwerk, ein Floppydisk-Laufwerk, eine CD-ROM(Compakt Disc Read Only Memory)-Vorrichtung, eine DVD-ROM(Digital Versatile Disc Read Only Memory)-Vorrichtung, eine DVD-RAM(Digital Versatile Disc Random Access Memory)-Vorrichtung, eine DVD-RW(Digital Versatile Disc Rewriteable)-Vorrichtung, eine Flash-Speicher-Vorrichtung oder andere nichtflüchtige Speichervorrichtungen enthalten. In einer speziellen Ausführungsform kann ein nichttransitorisches Computer lesbares Medium mit einem Programm kodiert sein, das Instruktionen aufweist, um wenigstens einen Prozessor anzuweisen, Funktionen einer oder mehrerer von der Signalakquisitionseinheit 118, der Emissionssteuerungseinheit 120 und der Fehlermanagementeinheit 122 auszuführen.
2 veranschaulicht ein Signalflussdiagramm 200 für das Fehlerdiagnosesystem 100 nach 1. Das Signalflussdiagramm 200 enthält ein SCR-System 226 mit einem Gasturbineneinlass, einem Abgasauslass und einem SCR-Reaktor zwischen dem Einlass und dem Auslass. Emissionen aus dem SCR-System werden durch eine Emissionssteuerungseinheit 202 überwacht und gesteuert, die ein den SCR-Reaktor repräsentierendes adaptives Reaktormodell 214 aufweist. Eine Fehlermanagementeinheit 212 ist mit der Emissionssteuerungseinheit und dem SCR-System 226 kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet, um mehrere Fehler 220 festzustellen.
Mehrere Sensoren sind in dem SCR-System 26 angeordnet und eingerichtet, um mehrere Betriebsparameter 206 zu messen. Die mehreren Betriebsparameter 206 enthalten gewöhnlich mehrere Einlassparameter, die an dem Einlass des SCR-Systems 226 gemessen werden, und auch mehrere Auslassparameter, die an dem Auslass des SCR-Systems 226 gemessen werden. Die mehreren Betriebsparameter 206 können durch die Emissionssteuerungseinheit 202, das adaptive Reaktormodell 214 und/oder die Fehlermanagementeinheit 212 genutzt werden. Die Emissionssteuerungseinheit 202 ist ferner eingerichtet, um ein Vorwärtsmeldungssignal 204, das eine Schätzung des restlichen Reduktionsmittels in dem SCR-Reaktor repräsentiert, und ein Rückmeldungssignal 210 zu empfangen, das den Reduktionsmittelschlupfwert aus dem Auslass des SCR-System 226 repräsentiert. Die Emissionssteuerungseinheit 202 ist ferner eingerichtet, um Schätzwerte der mehreren Betriebsparameter von dem adaptiven Reaktormodell 214 zu empfangen. Die Emissionssteuerungseinheit 202 ist eingerichtet, um Zustände 208 des SCR-Reaktors zu schätzen. Ferner ist die Emissionssteuerungseinheit 202 auch eingerichtet, um einen Reduktionsmittelflusssollwert 224 zu schätzen, der zu einem Injektionssubsystem des SCR-Systems 226 geliefert werden soll. In einer Ausführungsform wird der Reduktionsmittelsollwert 224 auf der Basis des Vorwärtsmeldungssignals 204 und des Rückmeldesignals 210 bestimmt. In einer Ausführungsform wird ein erweitertes Kalman-Filter verwendet, um die Zustände 208 des SCR-Reaktormodells zu bestimmen. In einer Ausführungsform werden Schätzwerte von mehreren Betriebsparametern des SCR-Systems 226 anhand des adaptiven Reaktormodells 214 gewonnen.
Die Fehlermanagementeinheit 212 ist eingerichtet, um die mehreren Betriebsparameter 206 und die Zustände 208 des adaptiven Reaktormodells zu empfangen. Die Fehlermanagementeinheit 212 ist ferner eingerichtet, um fehlerbezogene Informationen 222 mit dem SCR-Reaktor 226 auszutauschen. Die Fehlermanagementeinheit 212 ist eingerichtet, um mehrere symptomatische Parameter 216 auf der Basis der mehreren Parameter 206 zu generieren. Die Fehlermanagementeinheit 212 ist ferner eingerichtet, um mehrere Merkmalsparameter 218 auf der Basis der mehreren symptomatischen Parameter 216 zu generieren. Die Fehlermanagementeinheit 212 ist ferner eingerichtet, um mehrere Ereignisse, die mehrere Fehler 212 repräsentieren, auf der Basis der mehreren symptomatischen Parameter 216 und der mehreren Merkmalsparameter 218 zu bestimmen.
3 zeigt ein Blockdiagramm, das Komponenten eines mathematischen Modells 300 für ein SCR-Modell, das sich in der Emissionssteuerungseinheit 120 nach 1 befindet, veranschaulicht. Das mathematische Modell 300 ist ein kinetisches Modell, das chemische Reaktionen repräsentiert, die in der SCR-Einheit stattfinden. In der SCR-Einheit wird Ammoniak von dem Injektor in den Abgasstrom hinein injiziert, und dieses kann in Gegenwart des Katalysators mit NOx reagieren, um Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) zu erzeugen. Die chemischen Reaktionen enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine Ammoniakabsorptions- und -desorptionsreaktion mit dem Katalysator, Ammoniakoxidationsreaktion, standardgemäße SCR-Reaktion, schnelle SCR-Reaktion, NO₂-SCR-Reaktion und NO-Oxidationsreaktion. Das mathematische Modell 300 enthält einen Satz algebraischer Gleichungen 304, 306, 308 und einen Satz gewöhnlicher Differentialgleichungen 310, die Reaktionen im Inneren des SCR-Reaktors kennzeichnen. Der Satz algebraischer Gleichungen enthält mehrere Ratengleichungen 304, die Besonderheiten der einzelnen Reaktionen, die bspw. eine Konzentrationsänderung jedes chemischen Reaktionsmittels oder Produktes, beschreiben. Der Satz algebraischer Gleichungen enthält ferner Gleichungen für die Katalysatortemperatur 306, Massenbilanzgleichung bzgl. Ammoniak, Stickstoffoxid und Stickstoffdioxid 308. Der Satz gewöhnlicher Differentialgleichungen 310 enthält Gleichungen für die Massenbilanz bzgl. der Oberflächenabdeckung von Ammoniak. Das SCR-Modell enthält mehrere Parameter, wie bspw. die chemische Zusammensetzung und Konzentration jedes chemischen Reaktionsmittels oder Produktes und den Deckungsgrad von Ammoniak auf dem Katalysator. Der Deckungsgrad von Ammoniak auf dem Katalysator kann ferner wenigstens von den Eigenschaften des Katalysators, wie bspw. der chemischen Zusammensetzung, dem Katalysatorsubstrat, der physikalischen Geometrie und der Einsatzzeit, abhängig sein.
4 zeigt eine grafische Darstellung 400, die das Leistungsverhalten einer Technik zur Schätzung des SCR-Modells veranschaulicht. Die Grafik 400 enthält eine x-Achse 402, die die Zeit in Minuten repräsentiert, und eine y-Achse 404, die Emissionen an dem SCR-Auslass in Teilen pro Million repräsentiert. Kurven 406, 408, 410 kennzeichnen Emissionswerte, die von der SCR-Einheit erhalten werden, bzw. entsprechende Schätzwerte, die von zwei verschiedenen Modellen erhalten werden. Die Kurve 406 repräsentiert Messwerte der Emissionen an dem Auslass der SCR-Einheit. Die Kurve 408 repräsentiert Schätzwerte der Emissionen, die anhand eines SCR-Modells ohne irgendeine Zustandsschätztechnik gewonnen werden. Die Kurve 410 repräsentiert Schätzwerte der Emissionen, die anhand des SCR-Modells unter Verwendung eines erweiterten Kalman-Filters gewonnen werden. Es kann beobachtet werden, dass sich die Kurven 408 und 410 weitgehend decken im Vergleich zu der Kurve 406.
5 veranschaulicht eine Architektur 500 für eine Fehlerdiagnose in einem Emissionssteuerungssystem, wie bspw. der Emissionssteuerungseinheit 120 nach 1. Die Architektur 500 enthält zwei Kategorien von Steuereinheiten, nämlich eine SCR-Steuereinheit 502 und eine Gasturbinensteuereinheit 504, die der SCR-Einheit bzw. einem Abgasgenerator (bspw. einer Gasturbine) entsprechen. Die SCR-Steuereinheit 502 enthält ein Amoniaksteuerungsventil 506, ein Zerstäuberluft-Steuerungsventil 508 und Verdünnungslüfter 510, die den Betrieb eines Verdampfers steuern, der die Reduktionsmittelströmung dem Injektionsgitter 514 zuführt. Die Gasturbinensteuerungseinheit 504 enthält Mechanismen zur Brennstoffaufteilung, eine Position der Brennstofftaktreferenz (FSR, Fuel Stroke Reference) und ein Einlasszapflufterwärmungssystem (IBH, Inlet Bleed Heating System), die den Betrieb des Gasturbinen(GT)-Systems 512 steuern. Die mehreren Sensoren enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einen Reduktionsmittelflusssensor, der einen Reduktionsmittelzufluss zu dem SCR-Reaktor misst, einen SCR-Einlasssensor zur Messung von Einlassemissionen, einen Emissionssensor zur Messung der Emission aus dem Auslass und einen Schlupfsensor, der das restliche Reduktionsmittel aus dem Auslass des SCR-System misst.
Mehrere Betriebsparameter 522 umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, FCV (Flusssteuerventil-Position), F_E(Flusselement-Durchfluss durch das Steuerventil), P (Druck), T (Temperatur), F_exh (Fluss vom Gasturbinenauslass), O₂ (Sauerstoffanteil), CO (Kohlenmonoxid-ppm), Messwerte von NO, NO₂ und NH₃, die von dem CEMS (kontinuierlichen Emissionsüberwachungssystem) erhalten werden. Die mehreren Betriebsparameter 522 können verwendet werden, um einen oder mehrere symptomatische Parameter zu detektieren, die für einen Fehler des Emissionssteuerungssystems kennzeichnend sind. Das Emissionssteuerungssystem enthält mehrere Subsysteme, wie bspw. das Injektionsgitter 514, einen SCR-Einlass 516, einen SCR-Katalysator 518 und einen HRSG 520. Die Fehlerdiagnosearchitektur 500 enthält mehrere Techniken 524 zur Bestimmung wenigstens eines Ereignisses, der einem oder mehreren der Subsysteme 514, 516, 518 und 520 zugeordnet ist. Das wenigstens eine Ereignis wird basierend auf einem oder mehreren symptomatischen Parametern bestimmt. Ein Fehlerzustand des Emissionssteuerungssystem, der einem bestimmten Subsystem zugeordnet ist, kann auf der Basis des einen oder der mehreren symptomatischen Parameter und wenigstens eines der detektierten Ereignisse bestimmt werden.
6 zeigt ein Blockdiagramm 600, das eine Beziehung zwischen mehreren symptomatischen Parametern 602, die Symptome eines oder mehrerer Fehler in dem Emissionssteuerungssystem kennzeichnen, mehreren Ereignissen 604, die Fehlern zugeordnet sind, und mehreren Fehlern 606, die einem speziellen Subsystem in einem SCR-Emissionssteuerungssystem zugeordnet sind, veranschaulichen. In einer beispielshaften Ausführungsform enthalten die mehreren symptomatischen Parameter, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine verringerte Schachtemissionsreduktion 608 und einen erhöhten Schachtammoniakschlupfwert 610. Es werden mehrere Offsetwerte auf der Basis der mehreren Betriebsparameter in jedem der Subsysteme bestimmt. Zum Beispiel können entsprechend dem Injektionsgitter-Subsystem ein Luftzerstäubungsoffset, ein Gebläsedrehzahloffset, ein Reduktionsmittelflussoffset und ein Reduktionsmittelventiloffset basierend auf den Betriebsparametern bestimmt werden. In einem weiteren Beispiel kann ein Einlassemissionsoffset bestimmt werden, der dem SCR-Einlasssubsystem entspricht. In einem weiteren Beispiel können ein Auslassemissionsoffset und ein Schlupfoffset basierend auf den mehreren Betriebsparametern, die dem SCR-Katalysator-Subsystem und dem SCR-Schacht-Subsystem entsprechen, bestimmt werden.
Der Luftzerstäubungsoffset bezieht sich auf eine Abweichung (ein Offset) zwischen tatsächlicher und gewünschter Position eines Luftzerstäubungsaktuators. Das Gebläsedrehzahloffset bezieht sich auf eine Differenz zwischen einer tatsächlichen Gebläsedrehzahl und einer gewünschten Gebläsedrehzahl. Der Ausdruck „Reduktionsmittelflussoffset“ bezieht sich auf eine Differenz zwischen einem tatsächlichen Reduktionsmittelfluss, der von einem Reduktionsmittelsensor gemessen wird, und einem Schätzwert des benötigten Reduktionsmittelflusses, wie er durch die Emissionssteuerungseinheit 120 nach 1 geschätzt wird. Der Ausdruck „Reduktionsmittelventiloffset“ bezieht sich auf eine Differenz zwischen einer Reduktionsmittelanforderung, die anhand des SCR-Modells geschätzt wird, und dem tatsächlichen Reduktionsmittelfluss, wie er auf der Basis einer Durchflussventilposition bestimmt wird. Der Ausdruck „Einlassemissionsoffset“ bezieht sich auf eine Differenz zwischen einem Emissionsschätzwert, der einer Gasturbine und einem HRSG entspricht, auf der Basis eines Gasturbinenmodells und tatsächlichen Messwerten von Emissionen, die zu dem SCR-Einlass durch den Abgasauslass 106 geliefert werden. Der Ausdruck „Auslassemissionsoffset“ bezieht sich auf eine Differenz zwischen Emissionen, die anhand des SCR-Modells geschätzt werden, und Emissionen, die an dem Auslass der SCR-Einheit gemessen werden. Die Ausdrücke „Auslassemissionsoffset“ und „Emissionsoffset“ werden in dieser Beschreibung in einer gegeneinander austauschbaren und äquivalenten Weise verwendet. Der Ausdruck „Schlupfoffsetwert“ bezieht sich auf eine Differenz zwischen einem Schlupfwert, der anhand des SCR-Modells geschätzt wird, und dem gemessenen Schlupfwert.
Es können mehrere Ereignisse, die mehrere dem Emissionssteuerungssystem zugeordnete Fehler kennzeichnen, basierend auf den mehreren Offsetwerten ermittelt werden. Es werden mehrere Schwellenwerte mit den mehreren Offsetwerten verwendet, um die mehreren Fehler festzustellen. In einem ersten Schritt wird, wenn ein Offsetwert einen entsprechenden vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, ein entsprechendes Ereignis erkannt. Ferner wird, wenn das entsprechende Ereignis erkannt wird, ein dem erkannten Ereignis zugeordneter Fehler als in dem Emissionssteuerungssystem vorhanden identifiziert. Die mehreren Ereignisse, die den mehreren Subsystemen zugeordnet sind, enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, ein Luftzerstäubungsereignis und ein Gebläsedrehzahlereignis 612, ein Reduktionsmittelflussereignis 614, ein Reduktionsmittelanforderungsereignis 616, ein Einlassemissionsereignis 618, ein Auslassemissionsereignis 620 und ein Schlupfoffsetereignis 622. Die mehreren Fehler, die durch eine beispielhafte Technik festgestellt werden, enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einen Luftzerstäubungs-Steuerventilfehler (und einen Gebläsefehler) 624, einen Durchflusssensorfehler 626, einen Druchflussventilfehler 628, einen Einlasssensorfehler 630, einen Schachtsensorfehler 632, einen Schlupfsensorfehler 634 und einen Katalysatorfehler 636.
In einem Beispiel wird ein oder werden mehrere Fehler, die dem Injektionsgitter-Subsystem zugeordnet sind, ermittelt. Als ein Beispiel wird, wenn der Luftzerstäubungsoffsetwert einen Zerstäubungsschwellenwert überschreitet, ein Luftzerstäubungsereignis detektiert, und es wird ein Fehler in einem für die Luftzerstäubung verwendeten Steuerungsventil erkannt. In einem anderen Beispiel wird, wenn der Gebläsedrehzahloffsetwert einen Gebläseoffsetschwellenwert überschreitet, ein Gebläsedrehzahlereignis detektiert, und es wird ein Gebläsefehler erkannt. Wenn der Reduktionsmittelflussoffsetwert einen Reduktionsmittelflussschwellenwert überschreitet, wird das Reduktionsmittelflussereignis detektiert und ein Flusssensorfehler erkannt. Wenn das Reduktionsmittelventiloffset einen Reduktionsmittelventilschwellenwert überschreitet, wird das Reduktionsmittelanforderungsereignis detektiert und ein Durchflusssteuerventilfehler erkannt.
In einem weiteren Beispiel werden Fehler, die dem SCR-Einlasssubsystem zugeordnet sind, erkannt. Insbesondere wird, wenn ein Einlassemissionsoffset einen Einlassemissionsschwellenwert überschreitet, das Einlassemissionsereignis detektiert und ein SCR-Einlass-Sensorfehler erkannt. Ferner wird in einem Beispiel ein oder werden mehrere Fehler, die dem SCR-Katalysator-Subsystem zugeordnet sind, festgestellt. Insbesondere wird, wenn das Schlupfoffset einen Schlupfschwellenwert überschreitet, ein Schlupfereignis detektiert und ein Schlupfsensorfehler erkannt. Wenn das Auslassemissionsoffset einen Auslassemissionsschwellenwert überschreitet, wird ein Auslassemissionsereignis detektiert und ein Emissionssensorfehler erkannt. Falls das Schlupfereignis und die Auslassemissionsereignisse gleichzeitig detektiert werden, wird ein Katalysatorfehler erkannt.
In einer Ausführungsform werden die mehreren Schwellenwerte, wie bspw. der Zerstäubungsschwellenwert, der Gebläseoffsetschwellenwert, der Reduktionsmittelflussschwellenwert, der Reduktionsmittelventilschwellenwert, der Einlassemissionsschwellenwert, der Schlupfschwellenwert und der Auslassemissionsschwellenwert apriori bestimmt und in Speicherplätzen gespeichert. In einer weiteren Ausführungsform können die mehreren Schwellenwerte durch einen Betreiber des Systems bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform wird auch eine Änderungsrate von Offsetwerten bei der Feststellung der mehreren Fehler verwendet. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Zeitdauer, während der einer der mehreren Schwellen einen entsprechenden Offsetwert überschreitet, zur Feststellung einer Fehlerbedingung verwendet. In einer Ausführungsform wird der Katalysatorfehler unter Verwendung zusätzlicher Werte für den Schlupfschwellenwert und Auslassemissionsschwellenwerte erkannt.
7 zeigt ein Flussdiagramm 700, das Schritte eines Verfahrens zur Fehlerdiagnose in einem Emissionssteuerungssystem veranschaulicht. Das Verfahren enthält ein Empfangen mehrerer Betriebsparameter von mehreren Sensoren, die in einem Einlass einer SCR-Einheit angeordnet sind, im Schritt 702. Die Sensoren in den mehreren Sensoren enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einen Reduktionsmittelflusssensor, einen SCR-Einlasssensor, einen Emissionssensor, einen Schlupfsensor oder Kombination von diesen. Die mehreren Betriebsparameter enthalten mehrere Einlassparameter, wie bspw. eine Reduktionsmitteldurchflussrate, mehrere Auslassparameter, wie bspw. Emission aus dem Auslass, und andere Parameter, wie bspw. Druck, Temperatur, Sauerstoff, Durchflussmesswert von dem Durchflusssteuerungsventil, FCV, FE, P, T, Fexh, O₂, CO, Messungen von NO, NO₂ und NH₃, die von dem CEMS erhalten werden. Im Schritt 704 enthält das Verfahren ferner ein Schätzen eines adaptiven Reaktormodells, das den SCR-Reaktor repräsentiert, auf der Basis der mehreren Betriebsparameter. Das adaptive Reaktormodell basiert auf einem Satz mathematischer Gleichungen, die chemische Reaktionen im Inneren der SCR-Einheit kennzeichnen. Eine Zustandsschätztechnik, wie bspw. ein erweitertes Kalman-Filter (EKF), wird verwendet, um das adaptive Reaktormodell in Echtzeit zu aktualisieren. Im Schritt 706 werden mehrere geschätzte Betriebsparameter basierend auf dem adaptiven Reaktormodell bestimmt. Ferner werden mehrere Offsetwerte basierend auf den mehreren geschätzten Betriebsparametern bestimmt. Im Schritt 708 wird ein Fehler des Emissionssteuerungssystems auf der Basis des Offsetwertes und des adaptiven Reaktormodells bestimmt.
Als ein Beispiel wird ein Reduktionsmittelschlupfoffsetparameter mit einem Reduktionsmittelschlupfschwellenwert verglichen, um ein Symptom für einen Fehler zu erkennen. Wenn das Symptom für einen Fehler erkannt ist, werden mehrere Offsetwerte, die mit den mehreren Subsystemen des SCR-Reaktors in Beziehung stehen, bestimmt und mit jeweiligen Offsetschwellenwerten verglichen. Falls ein Luftzerstäubungsoffsetwert einen Zerstäubungsschwellenwert überschreitet, wird ein Luftzerstäubungsereignis detektiert, und es wird ein Fehler in einem Steuerventil, das zur Luftzerstäubung verwendet wird, erkannt.
Es sollte verstanden werden, dass nicht notwendigerweise all derartige Ziele oder Vorteile, wie sie vorstehend beschrieben sind, gemäß jeder beliebigen speziellen Ausführungsform erreicht werden können. Somit werden Fachleute auf dem Gebiet bspw. erkennen, dass die hierin beschriebenen Systeme und Techniken in einer Weise realisiert oder ausgeführt werden können, die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, wie sie hierin gelehrt werden, erreicht oder verbessert, ohne notwendigerweise andere Ziele oder Vorteile, wie sie hierin gelehrt oder suggeriert sein können, zu erreichen.
Während die Technologie im Einzelnen in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte ohne Weiteres verstanden werden, dass die Beschreibung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Technologie modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Veränderungen, Modifizierungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Schutzumfang der Ansprüche entsprechen. Außerdem sollte verstanden werden, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Technologie beschrieben worden sind, Aspekte der Beschreibung lediglich einige von den beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Demgemäß ist die Beschreibung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Ein Fehlererkennungsverfahren für ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), das einen SCR-Reaktor aufweist, enthält ein Empfangen mehrerer Betriebsparameter 702 des SCR-Reaktors von mehreren Sensoren. Das Verfahren enthält ferner ein Schätzen eines Zustands eines adaptiven Reaktormodells 704, das den SCR-Reaktor repräsentiert, auf der Basis der mehreren Betriebsparameter. Das Verfahren enthält ferner ein Generieren eines Merkmalsparameters 706 auf der Basis der mehreren Betriebsparameter und des geschätzten Zustands des adaptiven Reaktormodells. Das Verfahren enthält ein Erkennen eines Fehlers in dem SCR-System 708 auf der Basis des Merkmalsparameters.

Claims

Fehlererkennungsverfahren für ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), das einen SCR-Reaktor aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Empfangen mehrerer Betriebsparameter des SCR-Reaktors von mehreren Sensoren; Schätzen eines Zustands eines adaptiven Reaktormodells, das den SCR-Reaktor repräsentiert, auf der Basis der mehreren Betriebsparameter; Generieren eines Merkmalsparameters auf der Basis der mehreren Betriebsparameter und des geschätzten Zustands des adaptiven Reaktormodells; und Feststellen eines Fehlers in dem SCR-System auf der Basis des Merkmalsparameters.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehreren Betriebsparameter einen oder mehrere von mehreren Einlassparametern, mehreren Auslassparametern, einem Reduktionsmittelschlupfwert, einem Emissionswert und einem Durchflussparameter aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das adaptive Reaktormodell ein zeitabhängiges mathematisches Modell für den SCR-Reaktor enthält; und/oder wobei das Schätzen ein Bestimmen von Schätzungen von Zuständen des adaptiven Reaktormodells unter Verwendung einer erweiterten Kalman-Filterung aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feststellen des Fehlers aufweist: Schätzen eines symptomatischen Parameters, der einem Subsystem des SCR-Systems entspricht, unter Verwendung des adaptiven Reaktormodells mit den mehreren Betriebsparametern; und Bestimmen des Merkmalsparameters, der dem Subsystem entspricht, auf der Basis des symptomatischen Parameters und der mehreren Betriebsparameter.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der symptomatische Parameter wenigstens einen von einem Emissionsoffsetparameter und einem Reduktionsmittelschlupfoffsetparameter aufweist; und/oder wobei der Merkmalsparameter wenigstens einen von einem Luftflussoffset, einem Reduktionsmittelflussoffset, einem Reduktionsmittelventiloffset, einem Einlassemissionsoffset, einem Auslassemissionsoffset und einem Schlupfoffsetwert aufweist; und/oder wobei das Subsystem wenigstens eines von einem Injektionsgitter-Subsystem, einem Reaktoreinlass-Subsystem, einem Reaktor-Subsystem und einem Reaktorschacht-Subsystem aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fehler wenigstens einen von einem Gebläsefehler, einem Durchflusssensorfehler, einem Durchflussventilfehler, einem Einlasssensorfehler, einem Schachtsensorfehler, einem Schlupfsensorfehler und einem Katalysatorfehler aufweist.
Fehlerdiagnosesystem für ein SCR-System, das aufweist: einen Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR); eine Signalakquisitionseinheit; mehrere Sensoren zur Lieferung mehrerer Betriebsparameter des SCR-Reaktors zu der Signalakquisitionseinheit; eine Emissionssteuerungseinheit, die mit der Signalakquisitionseinheit kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet ist, um Zustände eines adaptiven Reaktormodells, das den SCR-Reaktor repräsentiert, auf der Basis der mehreren Betriebsparameter zu schätzen; eine Fehlermanagementeinheit, die mit dem SCR-Reaktor und der Emissionssteuerungseinheit verbunden und eingerichtet ist, um: mehrere Merkmalsparameter auf der Basis der mehreren Betriebsparameter und des adaptiven Reaktormodells zu generieren; und einen Fehler in dem SCR-System basierend auf den mehreren Merkmalsparametern festzustellen.
System nach Anspruch 7, wobei die mehreren Sensoren eingerichtet sind, um mehrere Einlassparameter, mehrere Auslassparameter, einen Reduktionsmittelschlupfwert, einen Emissionswert und einen Durchflussparameter zu messen und/oder wobei das adaptive Reaktormodell ein zeitabhängiges mathematisches Modell für den SCR-Reaktor aufweist, wobei die Emissionssteuerungseinheit vorzugsweise eingerichtet ist, um Schätzungen von Zuständen des adaptiven Reaktormodells unter Verwendung eines erweiterten Kalman-Filters (EKF) zu bestimmen.
System nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Fehlermanagementeinheit eingerichtet ist, um das Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 4–6 durchzuführen.
Nicht-transitorisches computerlesbares Medium mit Instruktionen, um wenigstens einer Prozessoreinheit zu ermöglichen: mehrere Betriebsparameter betreffend einen Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von mehreren Sensoren zu empfangen; Zustände eines adaptiven Reaktormodells, das den SCR-Reaktor repräsentiert, auf der Basis der mehreren Betriebsparameter zu schätzen; einen Merkmalsparameter auf der Basis der mehreren Betriebsparameter und des adaptiven Reaktormodells zu generieren; einen Fehler in einem SCR-System auf der Basis des Merkmalsparameters festzustellen.