DE102016123773A1

DE102016123773A1 - System und Verfahren zur Emissionssteuerung in Kraftwerken

Info

Publication number: DE102016123773A1
Application number: DE102016123773.6A
Authority: DE
Inventors: Sidharth Abrol; Prem Kumar Patchaikani; Sangeeta Balram
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2017-06-14
Also published as: IT201600124694A1; CN106870079A; US20170167341A1

Abstract

Ein Verfahren zur Emissionssteuerung enthält ein Empfangen eines Schlupfsollwertes und eines Restsollwertes, die einem Reduktionsmittel entsprechen, von einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Das Verfahren enthält ferner ein Empfangen mehrerer Einlassparameter des SCR-Reaktors und eines Schlupfwertes, der dem Reduktionsmittel entspricht, aus einem Auslass des SCR-Reaktors. Das Verfahren enthält ferner ein Generieren eines Rückkopplungssignalwertes und eines Vorwärtskopplungssignals unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode. Das Rückkopplungssignal wird basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert bestimmt. Der Vorwärtskopplungssignalwert wird basierend auf einem Restwert des Reduktionsmittels und den mehreren Einlassparametern unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Modells bestimmt. Das Verfahren enthält ferner ein Bestimmen eines Flusssollwertes, der dem Reduktionsmittel entspricht, basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtskopplungssignalwert und Regeln einer Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor basierend auf dem Flusssollwert.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft allgemein Systeme zur Emissionssteuerung in Kraftwerken und insbesondere Systeme zur Steuerung einer Reduktionsmittelströmung, um Emissionen in den Kraftwerken zu steuern.
Industrielle Emissionen, wie beispielsweise Stickoxide und Schwefeldioxid, rufen Umweltverschmutzung hervor. Umweltverschmutzung wird in den meisten Industrien durch Vorschriften geregelt. Es werden strenge Regulierungsanforderungen durch Regierungen und Standardisierungsgremien verabschiedet, um die Ausgabe von schadhaften Gasen in die Atmosphäre durch industrielle Anlagen zu minimieren.
Eine Analyse von Emissionen aus Abgasen wird durchgeführt, um die Emissionsmenge zu dem Zweck der Einhaltung der Regulierungsanforderungen zu bestimmen. Eine Emissionsanalyse kann durch Verwendung eines in dem Abgasschacht installierten Gasanalysators kontinuierlich durchgeführt werden. Alternativ kann die Emissionsanalyse unter Verwendung des Gasanalysators durchgeführt werden, der mit dem Abgasschacht über ein extraktives System verbunden ist. Jedoch ist eine kontinuierliche Analyse aufgrund der Installationskosten, der Instandhaltung und der Kalibrierungsanforderungen kostspielig. Ein Computer basiertes Modell kann verwendet werden, um Emissionen, wie beispielsweise Stickoxid(NOx)-Emission, vorherzusagen, um die Kosten der Analyse der Emissionen zu reduzieren. Es werden etliche prognostische Parameter, die mit dem Brennstoffumwandlungsprozess in Zusammenhang stehen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, von dem Computer basierten Modell verwendet, um eine Schätzung der Menge der Emissionen zu bestimmen.
In der Vergangenheit verwendete Methodiken umfassen nichtlineare 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.
Ein Reduktionsreaktor kann in dem Abgassystem eines Kraftwerks und von Antriebssystemen verwendet werden, um Ausströmungen zu behandeln, um Emissionen zu reduzieren. Insbesondere wird ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise Ammoniak, in den Abgasstrom injiziert, der in den Reduktionsreaktor eintritt, um Emissionen, wie beispielsweise NOx, aus dem Abgasstrom zu entfernen. Ein Teil des injizierten Reduktionsmittels kann verbleiben, ohne mit den Emissionen zu reagieren, und kann gemeinsam mit dem Abgas, kombiniert mit unreduzierten Emissionen, aus dem Reduktionsreaktor heraustreten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Beschreibung ist ein Verfahren zur Emissionssteuerung offenbart. Das Verfahren enthält ein Empfangen eines Schlupfsollwertes und eines Restsollwertes, die einem Reduktionsmittel entsprechen, von einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Das Verfahren enthält ferner ein Empfangen mehrerer Einlassparameter des SCR-Reaktors, wobei die mehreren Einlassparameter eine Konzentration eines Emissionsgases aufweisen. Das Verfahren enthält ferner ein Empfangen eines Schlupfwertes, der dem Reduktionsmittel entspricht, aus einem Auslass des SCR-Reaktors. Das Verfahren enthält ein Generieren eines Rückkopplungssignalwertes unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode („Gain Scheduling“ = arbeitspunktabhängige Verstärkungseinstellung) basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert. Das Verfahren enthält ferner ein Generieren eines Vorwärtskopplungssignalwertes unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf einem Restwert des Reduktionsmittels auf einer Katalysatoroberfläche im Inneren des SCR-Reaktors und den mehreren Einlassparametern unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Modells. Das Verfahren enthält ferner ein Bestimmen eines Flusssollwertes, der dem Reduktionsmittel entspricht, basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtskopplungssignalwert. Das Verfahren enthält ein Regulieren der Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor auf der Basis des Flusssollwertes.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann das Empfangen des Schlupfwertes ein Empfangen eines Reduktionsmittelmesswertes von einem Reduktionsmittelsensor, der an dem Auslass des SCR-Reaktors angeordnet ist, Generieren eines Reduktionsmittelschätzwertes anhand des zeitabhängigen kinetischen Modells und Bestimmen des Schlupfwertes auf der Basis des Reduktionsmittelschätzwertes und des Reduktionsmittelmesswertes unter Verwendung einer komplementären Filterung aufweisen.
Ferner kann das Generieren des Rückkopplungssignalwertes ein Bestimmen einer Differenz zwischen dem Schlupfwert und dem Schlupfsollwert, um einen Schlupfdifferenzwert zu generieren, Anwenden einer Rückkopplungsverstärkung auf den Schlupfdifferenzwert und Bestimmen des Rückkopplungssignalwertes anhand einer Proportional-Integral(PI)-Steuerung basierend auf dem Schlupfdifferenzwert aufweisen.
Noch weiter kann die Rückkopplungsverstärkung dynamisch, basierend auf wenigstens einem der Einlassparameter, die an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessen werden, bestimmt werden.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann der Restwert anhand eines zeitabhängigen kinetischen Modells generiert werden.
Zusätzlich kann das Generieren des Vorwärtskopplungssignalwertes ein Bestimmen eines Restdifferenzwertes basierend auf dem Restwert und einem Restsollwert, Anwenden einer Vorwärtskopplungsverstärkung auf den Restdifferenzwert und Anwenden der Vorwärtskopplungsverstärkung auf den Restdifferenzwert zur Generierung des Vorwärtskopplungssignalwertes aufweisen.
Weiter zusätzlich kann die Vorwärtskopplungsverstärkung dynamisch, basierend auf wenigstens einem der Einlassparameter, die an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessen werden, bestimmt werden.
In dem Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art können die mehreren Einlassparameter einen Konzentrationswert, einen Durchflusswert, einen Temperaturwert und einen Druckwert einer an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessenen gasförmigen Komponente aufweisen.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann das Bestimmen des Flusssollwertes ein Bestimmen eines Kompromisses zwischen der Menge des Emissionsgases und dem Schlupfwert aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung ist ein System zur Emissionssteuerung offenbart. Das System enthält einen Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), der einen Einlass, einen Auslass und einen Katalysator aufweist, der in dem SCR-Reaktor angeordnet ist. Das System enthält ferner eine Signalakquisitionseinheit, die eingerichtet ist, um einen Schlupfsollwert und einen Restsollwert aus dem selektiven katalytischen Reduktions(SCR)-Reaktor zu akquirieren und mehrere Einlassparameter des SCR-Reaktors sowie einen Schlupfwert aus dem Auslass des SCR-Reaktors zu messen. Die mehreren Einlassparameter weisen einen Konzentrationswert des Emissionsgases auf. Das System enthält ferner eine Injektoreinheit, die mit dem SCR-Reaktor gekoppelt und eingerichtet ist, um ein Reduktionsmittel in den SCR-Reaktor zu injizieren. Das System enthält ferner eine Reglereinheit, die mit der Signalakquisitionseinheit und der Injektoreinheit gekoppelt und eingerichtet ist, um einen Rückmeldesignalwert unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert zu generieren. Die Reglereinheit ist ferner eingerichtet, um einen Vorwärtskopplungssignalwert unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf einem Restwert auf einer Katalysatoroberfläche innerhalb des SCR-Reaktors und den mehreren Einlassparametern unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Modells zu generieren. Die Reglereinheit ist ferner eingerichtet, um einen Flusssollwert basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtskopplungssignalwert zu bestimmen. Die Reglereinheit ist eingerichtet, um eine Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor basierend auf dem Flusssollwert zu regeln.
In dem zuvor erwähnten System kann die Reglereinheit ferner eingerichtet sein, um einen Reduktionsmittelmesswert von einem Reduktionsmittelsensor zu empfangen, der an dem Auslass des SCR-Reaktors angeordnet ist, einen Reduktionsmittelschätzwert zu generieren, der anhand der des zeitabhängigen kinetischen Modells generiert wird, und einen Schlupfwert auf der Basis des Reduktionsmittelschätzwertes und des Reduktionsmittelmesswertes unter Verwendung einer komplementären Filterungstechnik zu bestimmen.
Zusätzlich kann die Reglereinheit ferner eingerichtet sein, um eine Rückkopplungsverstärkung dynamisch für den Schlupfwert basierend auf wenigstens einem von den Einlassparametern, die an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessen werden, zu bestimmen, einen Schlupfdifferenzwert zwischen dem Schlupfwert und dem Schlupfsollwert zu bestimmen und den Rückkopplungssignalwert anhand einer Proportional-Integral(PI)-Steuerung basierend auf dem Schlupfdifferenzwert zu bestimmen.
Weiter zusätzlich kann die Reglereinheit ferner eingerichtet sein, um den Restwert anhand eines zeitabhängigen kinetischen Modells zu generieren.
Noch weiter zusätzlich kann die Reglereinheit ferner eingerichtet sein, um einen Restdifferenzwert auf der Basis des Restwertes und eines Restsollwertes zu bestimmen, eine Vorwärtskopplungsverstärkung dynamisch, basierend auf wenigstens einem von den Einlassparametern, die an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessen werden, zu bestimmen und die Vorwärtskopplungsverstärkung auf den Restdifferenzwert anzuwenden, um den Vorwärtskopplungssignalwert zu generieren.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten System kann die Signalakquisitionseinheit ferner eingerichtet sein, um wenigstens einen von einem Konzentrationswert, einem Durchflusswert, einem Temperaturwert und einem Druckwert einer an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessenen gasförmigen Komponente zu empfangen.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Systems kann die Reglereinheit ferner eingerichtet sein, um einen Kompromiss zwischen dem Emissionskonzentrationswert und dem Schlupfwert zu bestimmen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Beschreibung ist ein nicht-transitorisches Computer lesbares Medium mit einem Programm offenbart. Das Programm instruiert wenigstens einen Prozessor, einen Schlupfsollwert und einen Restsollwert, die einem Reduktionsmittel entsprechen, von einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zu empfangen. Das Programm instruiert ferner den wenigstens einen Prozessor, mehrere Einlassparameter des SCR-Reaktors zu empfangen und einen Schlupfwert von einem Auslass des SCR-Reaktors zu empfangen. Das Programm instruiert ferner den wenigstens einen Prozessor, einen Rückkopplungssignalwert unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert zu generieren. Das Programm instruiert den wenigstens einen Prozessor, einen Vorwärtskopplungssignalwert unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf einem Restwert auf einer Katalysatoroberfläche innerhalb des SCR-Reaktors und den mehreren Einlassparametern unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Modells zu generieren. Das Programm instruiert ferner den wenigstens einen Prozessor, einen Flusssollwert basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtskopplungssignalwert zu bestimmen. Das Programm instruiert ferner den wenigstens einen Prozessor, eine Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor basierend auf dem Flusssollwert zu regeln.
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 überall in den Zeichnungen darstellen, worin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Emissionssteuerung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 ein Blockdiagramm einer Reglereinheit, die zur Emissionssteuerung verwendet wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
3A eine grafische Darstellung, die das Festsetzen einer Vorwärtskopplungsverstärkung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht;
3B eine grafische Darstellung, die das Festsetzen einer Rückkopplungsverstärkung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht;
3C eine grafische Darstellung, die eine Reduktion von Emissionen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht;
3D eine grafische Darstellung, die eine Reduktion eines Reduktionsmittels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht
4 ein Blockdiagramm einer komplementären Filterungstechnik zur Schätzung eines Schlupfwertes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
5 eine grafische Darstellung, die eine Leistungsverbesserung bei der Schätzung eines Schlupfwertes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht; und
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Emissionssteuerung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen von Verfahren und Systemen zur Emissionssteuerung in Kraftwerken umfassen ein Empfangen eines Schlupfsollwertes und eines Restsollwertes von einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und Messen mehrerer Einlassparameter des SCR-Reaktors. Ein Schlupfwert aus einem Auslass des SCR-Reaktors wird ebenfalls gemessen. Es wird ein Rückkopplungssignalwert unter Verwendung einer zeitabhängigen Proportional-Integral(PI)-Steuerung basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert generiert. Ein Vorwärtskopplungssignalwert, der das Reduktionsmittel auf einer Katalysatoroberfläche im Inneren des SCR-Reaktors kennzeichnet, wird auf der Basis der mehreren Eingangsparameter unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Modells geschätzt. Ein Flusssollwert wird basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtskopplungssignalwert bestimmt. Der Zufluss des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor hinein wird auf der Basis des Flusssollwertes geregelt.
Der Ausdruck Emission bezieht sich auf gefährliche chemische Komponenten, die in Abgasausströmungen vorhanden sind, wie beispielsweise Stickoxidemissionen, die in Teilen pro Million (ppm) gemessen werden. Der Ausdruck selektive katalytische Reduktion (SCR) bezieht sich auf eine chemische Reaktion, die Stickoxide in zweiatomigen Stickstoff und Wasser mit Hilfe eines Katalysators umwandelt. Der Ausdruck „SCR-Reaktor“ bezieht sich auf eine Kammer, in der die selektive katalytische Reduktionsreaktion stattfindet. Der Ausdruck „Reduktionsmittel“ bezieht sich allgemein auf ein chemisches Element oder eine Verbindung, die in einer chemischen Reaktion mit einem anderen chemischen Element oder einer Verbindung ein Elektron verliert. Der Ausdruck „Schlupfsollwert“ bezieht sich auf einen Entwurfsparameter, der eine Referenzmenge eines Reduktionsmittels kennzeichnet, das aus dem Auslass des SCR-Reaktors heraustritt. Der Ausdruck „Restsollwert“ bezieht sich auf einen Entwurfsparameter, der eine Referenzmenge eines Reduktionsmittelrestes kennzeichnet, der auf einem Katalysator im Inneren des SCR-Reaktors abgelagert ist. Der Ausdruck „Schlupfwert“ bezieht sich auf eine Menge des Reduktionsmittels an dem Auslass des SCR-Reaktors. Der Ausdruck „Restwert“ bezieht sich auf eine geschätzte Menge des Reduktionsmittels, das auf einem Katalysator im Inneren des SCR-Reaktors abgelagert ist. Der Ausdruck „Reduktionsmittelschätzwert“ bezieht sich auf einen Schätzwert des Schlupfwertes des Reduktionsmittels. Der Ausdruck „Flusssollwert“ bezieht sich auf eine Referenzmenge des Reduktionsmittels, das in den SCR-Reaktor zur Reduktion von Stickoxiden einzubringen ist. Der Ausdruck „Rückkopplungssignal“ bezieht sich auf eine Komponente des Flusssollwertes, die dem Schlupfwert entspricht. Der Ausdruck „Vorwärtskopplungssignal“ bezieht sich auf eine Komponente des Flusssollwertes, die dem Restwert entspricht.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 zur Emissionssteuerung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Emissionssteuerungssystem 100 empfängt mehrere Parameter, die allgemein anhand des Bezugszeichens 104 dargestellt sind, von einem Kraftwerk 102 und ist eingerichtet, um einen Reduktionsmittelzufluss zu dem System 100 zu regeln, um Emissionen aus dem Kraftwerk zu steuern. Das Kraftwerk 102 enthält einen Reaktor 108 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), der mit einem Gasturbinenauslass 106 gekoppelt ist. Der SCR-Reaktor 108 enthält einen Einlass 114, einen Auslass 110 und einen Katalysator 112, der sich im Inneren des SCR-Reaktors 108 befindet. Der Einlass 114 ist eingerichtet, um Ausströmungen aus dem Gasturbinenauslass 106 zu empfangen. Ferner ist der Auslass 110 eingerichtet, um die Ausströmungen in die Atmosphäre freizusetzen, nachdem die empfangenen Ausströmungen wenigstens teilweise einer SCR unterzogen worden sind. Der SCR-Reaktor 108 enthält ferner einen Injektor 116 zur Einleitung des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor 108. Das Reduktionsmittel wirkt in Gegenwart des Katalysators 112 mit den Ausströmungen zusammen und reduziert die in die Umgebung freigesetzten Emissionen. Das Emissionssteuerungssystem 100 enthält eine Signalakquisitionseinheit 118, eine Injektoreinheit 120, eine Reglereinheit 122, eine Prozessoreinheit 124 und eine Speichereinheit 126, die über einen Kommunikationsbus 132 miteinander verbunden sind.
Die Signalakquisitionseinheit 118 ist mit dem Kraftwerk 102 kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet, um die mehreren Parameter 104 zu empfangen. In einer Ausführungsform enthalten die mehreren Parameter mehrere Einlassparameter und einen Schlupfwert, der an dem Auslass des SCR-Reaktors 108 gemessen wird. Die mehreren Einlassparameter enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Ammoniak (NH₃), Sauerstoff (O₂), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂) und Kombination von diesen. Die Signalakquisitionseinheit 118 ist ferner eingerichtet, um einen Schlupfsollwert aus einem vorbestimmten Speicherplatz abzurufen. In einer Ausführungsform wird der Schlupfsollwert anhand von Offline-Experimenten bestimmt und in einem Speicherplatz, der für die Signalakquisitionseinheit 118 zugänglich ist, gespeichert.
Die Injektoreinheit 120 ist mit dem Kraftwerk 102 gekoppelt und eingerichtet, um ein Reduktionsmittel in den SCR-Reaktor 108 durch den Injektor 116 in einer gesteuerten Weise einzuleiten, um die Emissionen aus dem Auslass 110 des SCR-Reaktors 108 optimal zu reduzieren. In einer Ausführungsform empfängt die Injektoreinheit 120 einen Fußsollwert, der basierend auf den mehreren Einlassparametern und dem Schlupfsollwert bestimmt wird. Die Injektoreinheit 120 bestimmt einen Zufluss des Reduktionsmittels zu dem SCR-Reaktor auf der Basis des Flusssollwertes.
Die Reglereinheit 122 ist mit der Signalakquisitionseinheit 118 und der Injektoreinheit 120 kommunikationsmäßig verbunden. Ferner ist die Reglereinheit 122 eingerichtet, um mehrere Einlassparameter und den Schlupfwert aus dem Auslass 110 zu empfangen. In einer Ausführungsform ist die Reglereinheit 122 eingerichtet, um einen Reduktionsmittelmesswert von einem Reduktionsmittelsensor zu empfangen, der an dem Auslass des SCR-Reaktors 108 angeordnet ist. Jedoch liegt eine Zeitverzögerung vor, die mit der Reduktionsmittelmessung von dem Reduktionsmittelsensor verbunden ist. Vorteilhafterweise wird ein zeitabhängiges kinetisches Model verwendet, um einen Schätzwert des Reduktionsmittelschlupfwertes basierend auf der Reduktionsmittelmessung zu liefern. Die Verwendung des zeitabhängigen kinetischen Models gleicht wenigstens zum Teil den Effekt einer Zeitverzögerung aus, der ansonsten in derartigen Messungen hervorgerufen wird. In einigen Ausführungsformen kann eine Rückkopplungsverstärkung durch die Reglereinheit 122 auf den durch das zeitabhängige kinetische Model gelieferten Schlupfwert angewandt werden. Ferner ist die Reglereinheit 122 eingerichtet, um einen Vorwärtskopplungssignalwert, der das Reduktionsmittel auf der Katalysatoroberfläche im Inneren des SCR-Reaktors kennzeichnet, basierend auf den mehreren Einlassparametern unter Verwendung des zeitabhängigen kinetischen Models zu schätzen. Die Reglereinheit 122 ist ferner eingerichtet, um einen Rückkopplungssignalwert unter Verwendung einer zeitabhängigen Proportional-Integral-(PE-)Steuerung basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert zu generieren. In einer Ausführungsform wird eine Differenz zwischen dem Schlupfwert und dem Schlupfsollwert verwendet, um einen Schlupfdifferenzwert zu generieren. Der Schlupfdifferenzwert wird verwendet, um das Rückkopplungssignal zu generieren. Die Reglereinheit 122 ist ferner eingerichtet, um einen Flusssollwert basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtskopplungssignalwert zu bestimmen. In einer Ausführungsform wird der Flusssollwert basierend auf der Menge von Emissionen aus dem Auslass des SCR-Reaktors bestimmt. In einer weiteren Ausführungsform ist die Reglereinheit 122 eingerichtet, um den Flusssollwert basierend auf einem Verstärkungswert zu bestimmen, der den Stickoxidemissionen entspricht. Der Flusssollwert wird unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Models mit einer komplementären Filterungstechnik geschätzt. Die Reglereinheit 122 ist ferner eingerichtet, um die Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor 108 auf der Basis des Flusssollwertes zu regeln.
Die Reglereinheit 122, wie sie hierin offenbart ist, ist eingerichtet, um einen Kompromiss zwischen der Emissionsmenge und dem Schlupfwert zu bestimmen. Für eine gegebene regulatorische Vorgabe können die Vorwärtskopplungsverstärkung und die Rückkopplungsverstärkungen der Reglereinheit 122 verwendet werden, um sowohl die Emissionen, beispielsweise NOx, als auch den Reduktionsmittelrest, wie beispielsweise Ammoniak, innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten. In einer Ausführungsform werden die Vorwärtskopplungsverstärkung und die Rückkopplungsverstärkungen basierend auf einer Gain-Scheduling-Methode (Methode mit arbeitspunktabhängiger Verstärkungseinstellung) bestimmt. Die Gain-Scheduling-Methode enthält ein Bestimmen der Vorwärtskopplungsverstärkung und der Rückkopplungsverstärkung in dynamischer Weise basierend auf wenigstens entweder der Menge an Emissionen an dem Einlass des SCR- und/oder der Temperatur und/oder dem Fluss der Emissionen an dem Einlass des SCR. In einigen Ausführungsformen ist die Reglereinheit 122 eingerichtet, um wenigstens eine von der Rückkopplungsverstärkung und der Vorwärtskopplungsverstärkung aus einem Speicher abzurufen. In einigen dieser Ausführungsformen können die Verstärkungswerte basierend auf Offline-Experimenten apriori berechnet und anschließend in dem Speicher gespeichert werden. In anderen Ausführungsformen wird wenigstens eine von der Vorwärtskopplungsverstärkung und der Rückkopplungsverstärker durch einen Bediener bereitgestellt.
Die Prozessoreinheit 124 ist mit dem Kommunikationsbus 132 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 ablaufen zu lassen. In einer Ausführungsform kann die Funktionalität der Prozessoreinheit 124 auf Aufgaben beschränkt sein, die durch die Signalakquisitionseinheit 118 durchgeführt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Funktionalität der Prozessoreinheit 124 von den durch die Injektoreinheit 120 durchgeführten Funktionen abhängen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Funktionalität der Prozessoreinheit 124 von den durch die Reglereinheit 122 durchgeführten Funktionen abhängen. Während die Prozessoreinheit 124 als eine einzige Einheit veranschaulicht ist, kann das Emissionssteuersystem 100 in beispielhaften Ausführungsformen zwei oder mehrere Prozessoreinheiten enthalten. Ferner kann die einzige oder können die mehreren Prozessoreinheiten die Funktionalität einer oder mehrerer von der Signalakquisitionseinheit 118, der Injektoreinheit 120 und der Reglereinheit 122 aufweisen. Obwohl das System 100 als eine von dem Kraftwerk 102 abweichende Einheit veranschaulicht ist, kann das System 100 in einigen Ausführungsformen bei dem Kraftwerk 102 integriert sein.
Die Speichereinheit 126 ist mit der Prozessoreinheit 124 kommunikationsmäßig verbunden und ist eingerichtet, damit wenigstens eine der Einheiten 118, 120 und 122 auf sie zugreifen kann. 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 der Speicher 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 beispielsweise ein Festplattenlaufwerk, ein Floppy-Disk-Laufwerk, eine CD-ROM (compact 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 rewritable)-Vorrichtung, eine Flash-Speicher-Vorrichtung oder andere nichtflüchtige Speichervorrichtungen enthalten. Die in einer speziellen Ausführungsform kann ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium mit einem Programm kodiert sein, das Instruktionen aufweist, um wenigstens einen Prozessor anzuweisen, Funktionen einer oder mehrerer von der Signalakquisitionseinheit 118, der Injektoreinheit 120 und der Reglereinheit 122 auszuführen.
2 zeigt ein Blockdiagramm der Reglereinheit 200, die zur Emissionssteuerung verwendet wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die Reglereinheit 200 ist eingerichtet, um eine Referenzeingabe 202 zu empfangen, die einem Reduktionsmittelschlupfsollwert entspricht. Der Reduktionsmittelschlupfsollwert wird durch den Benutzer bereitgestellt oder basierend auf Experimenten ermittelt und in einem Speicherplatz gespeichert. In Ausführungsformen, in denen der Reduktionsmittelschlupfsollwert durch den Benutzer bereitgestellt wird, kann der Wert durch eine geeignete Benutzerschnittstelle, wie beispielsweise eine Tastatur, ein Bedienpanel oder einen Berührungsbildschirm eingegeben werden. In Ausführungsformen, in denen der Reduktionsmittelschlupfsollwert automatisch bereitgestellt wird, kann die Reglereinheit die experimentell ermittelten Werte aus dem Speicherplatz abrufen.
Die Reglereinheit 200 ist eingerichtet, um eine Rückkopplungseingabe zu empfangen, die allgemein durch das Bezugszeichen 204 dargestellt ist. Die Rückkopplungseingabe ist für den Schlupfwert kennzeichnend, der aus Messungen erhalten wird. In einer Ausführungsform ist ein Messwert 228 der für den Schlupfwert kennzeichnende Reduktionsmittelmesswert, der von einem Reduktionsmittelsensor gewonnen wird, der in dem Auslass des SCR-Reaktors 108 angeordnet ist. Es sollte erwähnt werden, dass der Messwert 228 eine verzögerte Antwort des Schlupfwertes ist. In einer Ausführungsform wird eine komplementäre Filterungstechnik auf den Messwert 228 angewandt, um die Rückkopplungseingabe 204 zu erhalten. Insbesondere generiert die komplementäre Filterung die Rückkopplungseingabe 204 auf der Basis eines Reduktionsmittelschätzwertes, der anhand eines SCR-Models 224 generiert wird, das das zeitabhängige kinetische Model repräsentiert, das auf dem Reduktionsmittelmesswert basiert.
In einer Ausführungsform ist das zeitabhängige kinetische Model ein mathematisches Model, das chemische Reaktionen kennzeichnet, die in dem SCR-Reaktor stattfinden. In dem SCR-Reaktor wird Ammoniak aus dem Injektor in den Abgasstrom injiziert, und es kann in Gegenwart des Katalysators mit NOx reagieren, um Stickstoff (N₂) sowie Wasser (H₂O) zu erzeugen. Die chemischen Reaktionen umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine Ammoniakabsorptions- und Desorptionsreaktion mit dem Katalysator, Ammoniakoxidationsreaktion, standartmäßige SCR-Reaktion, schnelle SCR-Reaktion, NO₂-SCR-Reaktion und NO-Oxidationsreaktion. Das mathematische Model enthält einen Satz algebraischer Gleichungen und einen Satz gewöhnlicher Differentialgleichungen, die Reaktionen im Inneren des SCR-Reaktors kennzeichnen. Der Satz algebraischer Gleichungen enthält mehrere Ratengleichungen, die Besonderheiten der einzelnen Reaktionen, wie beispielsweise eine Konzentrationsänderung jedes chemischen Reaktionsmittels oder Produktes, beschreiben. Der Satz algebraischer Gleichungen enthält ferner Gleichungen für die Katalysatortemperatur, eine Massenbilanzgleichung bezüglich Ammoniak, Stickstoffoxid und Stickstoffdioxid. Der Satz gewöhnlicher Differentialgleichungen enthält Gleichungen für die Massenbilanz bezüglich der Oberflächenabdeckung von Ammoniak. Der Satz algebraischer Gleichungen und der Satz gewöhnlicher Differentialgleichungen des mathematischen Models weisen die mehreren Parameter, wie beispielsweise eine chemische Zusammensetzung und Konzentration jedes chemischen Reaktionsmittels oder Produktes und das Abdeckungsverhältnis von Ammoniak auf dem Katalysator auf.
Es wird ein Fehlerwert 206 auf der Basis der Referenzeingabe 202 und der Rückkopplungseingabe 204 unter Verwendung eines Subtrahierers 208 generiert. Der Subtrahierer 208 wird verwendet, um einen Differenzwert zwischen der Referenzeingabe 202 und der Rückkopplungseingabe 204 zu bestimmen. Eine zeitabhängige Proportional-Integral-Steuerung 212 wird verwendet, um einen Rückkopplungssignalwert 210 auf der Basis des Fehlersignals 206 zu generieren. Eine Rückkopplungsverstärkung 238 wird in der Steuerung 212 bei der Generierung des Rückkopplungssignalwertes 210 angewandt. In einer Ausführungsform kann das SCR-Modell 224 die Rückkopplungsverstärkung 238 auch auf der Basis wenigstens eines von der Temperatur, dem Fluss und/oder der Menge an Emissionsabgas, die an dem Einlass des SCR gemessen wird, generieren. Der Rückkopplungssignalwert 210 wird um einen Vorwärtsmeldungssignalwert 216 modifiziert, um einen Flusssollwert 214 zu generieren. In der veranschaulichten Ausführungsform wird der Vorwärtsmeldungssignalwert 216 basierend auf einem Restfehlersignal 234 bestimmt, das als eine Differenz zwischen einem Restsollwert 232 und einem Restwert 236 generiert wird. Es kann erwähnt werden, dass der Restwert 236 für eine Menge des Reduktionsmittels, das auf einem Katalysator des SCR-Reaktors 230 abgelagert ist, kennzeichnend ist. In einer Ausführungsform wird der Restwert 236 anhand des SCR-Modells 224 basierend auf mehreren SCR-Einlassparametern 226 bestimmt. Zu den mehreren SCR-Einlassparametern 226 gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, der Durchfluss von Ammoniak (NH₃), die prozentuale Konzentration von Sauerstoff (U₂), Konzentrationswerte von Emissionen, die an dem SCR-Einlass gemessen werden, Temperatur einer gasförmigen Komponente an dem Einlass des SCR (gekennzeichnet durch das Symbol T_g), Druck einer gasförmigen Komponente, der an dem Einlass des SCR gemessen wird (dargestellt durch das Symbol P_g), Fluss einer gasförmigen Komponente an dem Einlass des SCR (dargestellt durch das Symbol F_g), ein Verhältnis von NH₃ zu NO_x. Die Konzentrationswerte werden in Einheiten von Teilen pro Million (ppm) gemessen. Der Durchfluss wird in Einheiten von Pfund pro Stunde (lb/hr) gemessen. Die Emissionen umfassen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). Die Vorwärtskopplungsverstärkung 222 wird auf das Restfehlersignal 234 angewandt, um einen Vorwärtskopplungssignalwert 216 zu generieren. Die Vorwärtskopplungsverstärkung enthält eine erste Komponente, die dem Restwert 236 entspricht. Ferner enthält die Vorwärtskopplungsverstärkung auch eine zweite Komponente, die dem NO_x-Signal 218 zugeordnet ist, entsprechend einer Menge der in den SCR-Reaktor eintretenden Emission 220.
In einer Ausführungsform kompensiert die komplementäre Filterungstechnik die Zeitverzögerung, die dem aus dem SCR-Reaktor 108 akquirierten Schlupfmesswert 228 inhärent ist. Die komplementäre Filterung, wie sie hierin offenbart ist, wird unter Verwendung eines komplementären Filters durchgeführt, das eine Tiefpassfilterschaltung aufweist, die mit einer Zeitverzögerungskompensationsschaltung gekoppelt ist. In einer Ausführungsform weist die Zeitverzögerungskompensationsschaltung eine erste Zeitkonstante auf, und die Tiefpassfilterschaltung weist eine zweite Zeitkonstante auf, die mit der ersten Zeitkonstante zusammenpasst. Eine Ausgabe des Tiefpasses ist ein zeitverzögertes Signal, das den Schlupfmesswert 228 kennzeichnet. In einer weiteren Ausführungsform wird die für den Schlupfwert kennzeichnende Rückkopplungseingabe 204 unter Verwendung einer komplementären Filterungstechnik bestimmt.
3A zeigt eine Grafik 300, die ein Festsetzen der Vorwärtskopplungsverstärkung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Die Grafik 300 enthält eine x-Achse 302, die die Zeit in Minuten kennzeichnet, und eine y-Achse 304, die die Vorwärtskopplungsverstärkung kennzeichnet. Die Grafik 300 enthält eine Gain-Scheduling-Kurve 306, die eine zeitabhängige Vorwärtskopplungsverstärkung repräsentiert. Ein Zeitindex von 0 ist für den Beginn des Starts des Kraftwerks 102 kennzeichnend. In einer Ausführungsform wird die Vorwärtskopplungsverstärkung als Funktion von einem oder mehreren von in den SCR-Reaktor eintretendem NO, in den SCR-Reaktor eintretendem NO₂, Fg und Tg festgesetzt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Vorwärtskopplungsverstärkung hoch während des Starts, und sie erreicht einen niedrigeren Wert in einem späteren Zeitpunkt, etwa 30 Minuten nach dem Startzeitpunkt.
3B zeigt eine Grafik 320, die ein Festsetzen der Rückkopplungsverstärkung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Die Grafik 320 enthält eine x-Achse 322, die die Zeit in Minuten kennzeichnet, und eine y-Achse 324, die die Vorwärtskopplungsverstärkung kennzeichnet. Die Grafik 320 enthält eine Gain-Scheduling-Kurve 326, die eine zeitabhängige Rückkopplungsverstärkung repräsentiert.
Ein Zeitindex von 0 kennzeichnet den Beginn des Starts des Kraftwerks 102. In einer Ausführungsform wird die Rückkopplungsverstärkung als Funktion von einem oder mehreren von in den SCR-Reaktor eintretendem NO, in den SCR-Reaktor eintretendem NO₂, Fg und Tg festgesetzt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Rückkopplungsverstärkung niedrig während des Starts und erreicht einen Höhenwert in einem späteren Zeitpunkt, etwa 20 Minuten nach dem Startzeitpunkt, bevor sie auf einen Wert von 20 bei 40 Minuten sinkt. Wie veranschaulicht, variieren die Vorwärtskopplungsverstärkung, die durch die Kurve 306 dargestellt ist, und die Rückkopplungsverstärkung, die durch die Kurve 326 dargestellt ist, die anhand der Gain-Scheduling-Methode erhalten werden, um einen Faktor von 80 über einen Zeitraum von 50 Minuten.
3C zeigt eine Grafik 340, die eine Reduktion von Emissionen aus dem SCR-Reaktor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Die Grafik 340 enthält eine x-Achse 342, die die Zeit kennzeichnet, und eine y-Achse 344, die eine Menge an Emissionen kennzeichnet. Die Grafik 340 enthält mehrere Kurven 346, 348, 350, die Emissionen an dem Einlass des SCR, eine Bezugslinie zum Vergleich der Emissionsreduktion an dem Auslass des SCR bzw. die Emissionen repräsentieren, die basierend auf der komplementären Filterungstechnik erhalten werden. Wie veranschaulicht, weist die komplementäre Filterungstechnik (Kurve 350) niedrigere Emissionswerte im Vergleich zu der Kurve 348, die eine Basisleistung repräsentiert, und der SCR-Einlasskurve 346 auf.
3D zeigt eine Grafik 360, die eine Reduktion des Reduktionsmittels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Die Grafik 360 enthält eine x-Achse 362, die die Zeit kennzeichnet, und eine y-Achse 364, die Schlupfwerte kennzeichnet. In der veranschaulichten Ausführungsform werden die Schlupfwerte in Teilen pro Million (ppm) gemessen. Die Grafik 360 enthält mehrere Kurven 366, 368, 370 und 372, die Schlupfwerte, die unter Verwendung verschiedener Techniken erhalten werden, repräsentieren. Die Kurve 366 repräsentiert Schlupfwerte, die unter Verwendung einer Vorwärtskopplungskomponente ohne Anwendung einer komplementären Filterung erhalten werden. Die Kurve 368 repräsentiert Schlupfwerte, die unter Verwendung sowohl einer Vorwärtskopplungskomponente als auch der Rückkopplungskomponente erhalten werden. Die Kurve 370 repräsentiert der Kurve 348 entsprechende Schlupfwerte, die die Basisleistung in 3C repräsentierten. Die Kurve 372 repräsentiert Schlupfwerte entsprechend einer Technik, die sowohl Vorwärtskopplungs- als auch Rückkopplungskomponenten verwendet, die unter Verwendung einer komplementären Filterungstechnik bestimmt werden. Es kann beobachtet werden, dass die Kurven 366, 368, 370, die die anhand der offenbarten Technik erhaltene Leistung repräsentieren, die Fähigkeit aufweisen, den Schlupfwert gegen die Emissionen abzuwägen, was in unterschiedlichen Regionen, die verschiedene Regulierungsanforderungen aufweisen, nützlich sein kann.
4 zeigt ein Blockdiagramm 400, dass eine komplementäre Filterung zur Schätzung des Schlupfwertes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Eine erste Eingabe 402, die dem Reduktionsmittelschätzwert entspricht, wird einem komplementären Filter 406 und parallel einem Addierer 412 zugeführt. Eine zweite Eingabe 404, die dem Reduktionsmittelmesswert entspricht, wird dem Addierer 412 zugeführt. Das komplementäre Filter 406 enthält eine
Transportverzögerung 408 und ein Verzögerungsfilter 410 erster Ordnung. Das komplementäre Filter 406 empfängt die erste Eingabe 402, die den Reduktionsmittelschätzwert kennzeichnet, und generiert eine komplementär gefilterte Ausgabe 416, die die hinsichtlich der Zeitverzögerung kompensierte Version des Reduktionsmittelschätzwertes kennzeichnet. Ein Addierer 412 kombiniert die Signale, die der ersten Eingabe 402, der zweiten Eingabe 404 entsprechen, und subtrahiert die komplementär gefilterte Ausgabe 416. Ferner wird eine Sättigungseinrichtung 414 verwendet, um Ausreißerwerte in den addierten Signalen zu entfernen. Eine Ausgabe 418, die auf diese Weise durch die Sättigungseinrichtung 414 generiert wird, stellt einen Schätzwert für den Schlupfwert dar.
5 zeigt eine Grafik 500, die die Leistungsverbesserung bei der Schätzung des Schlupfwertes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Die Grafik 500 enthält eine x-Achse 502, die die Zeit in Sekunden kennzeichnet, und eine y-Achse 504, die den Schlupfwert in Teilen pro Million (ppm) kennzeichnet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die y-Achse für den Ammoniakschlupfwert kennzeichnend. Die Grafik 500 enthält mehrere Kurven 506, 508, 510, 512, die Schlupfwerte repräsentieren, die anhand der offenbarten Ausführungsformen generiert werden. Die Kurve 506 repräsentiert tatsächliche Schlupfwerte an dem Auslass des SCR-Reaktors. Die Kurve 508 repräsentiert einen geschätzten Schlupfwert, der unter Verwendung des SCR-Modells bestimmt wird. Die Kurve 510 repräsentiert einen Reduktionsmittelmesswert, der von einem Schlupfsensor an dem Auslass des SCR-Reaktors akquiriert wird. Die Kurve 512 repräsentiert den Schlupfwert des Reduktionsmittels, der unter Verwendung einer komplementären Filterungstechnik bestimmt wird.
6 zeigt ein Flussdiagramm 600 eines Verfahrens zur Emissionssteuerung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Verfahren enthält ein Empfangen eines Schlupfsollwertes und eines Restsollwertes von einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), wie in 602 veranschaulicht. Das Verfahren enthält ferner ein Messen mehrerer Einlassparameter des SCR-Reaktors im Schritt 604. Die mehreren Einlassparameter enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, die Zuflussrate von Ammoniak (NH₃), die prozentuale Konzentration von Sauerstoff (O₂), Konzentrationswerte von Emissionen, die an dem SCR-Einlass gemessen werden, Temperatur einer gasförmigen Komponente an dem Einlass des SCR, Druck einer gasförmigen Komponente, der dem Einlass des SCR gemessen wird, Fluss einer gasförmigen Komponente an dem Einlass des SCR, ein Verhältnis von NH₃ zu NO_x. Das Verfahren enthält ferner ein Empfangen eines Schlupfwertes von einem Auslass des SCR-Reaktors im Schritt 606. Der Schritt 606 des Empfangs des Schlupfwertes enthält ferner ein Messen einer Reduktionsmittelkonzentration anhand eines Reduktionsmittelsensors an dem Auslass des SCR-Reaktors. Ferner enthält der Schritt 606 ein Generieren eines Schätzwertes für den Schlupfwert anhand des zeitabhängigen kinetischen Modells. Der Schritt 606 enthält ferner ein Bestimmen des Schlupfwertes auf der Basis des Schätzwertes des Schlupfwertes und des Reduktionsmittelmesswertes unter Verwendung einer komplementären Filterung.
Im Schritt 608 wird eine zeitabhängige Vorwärtskopplungsverstärkung auf der Basis mehrerer Einlassparameter des SCR-Reaktors bestimmt. Ferner wird in dem gleichen Schritt eine Rückkopplungsverstärkung ebenfalls auf der Basis der mehreren Einlassparameter des SCR-Reaktors bestimmt. In einer Ausführungsform werden die Vorwärtskopplungsverstärkung und die Rückkopplungsverstärkungen unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode bestimmt. In einer weiteren Ausführungsform werden die Vorwärtskopplungsverstärkung und die Rückkopplungsverstärkung aus dem Speicher abgerufen. Die Vorwärtskopplungsverstärkung und die Rückkopplungsverstärkungen werden verwendet, um die Emissionsniveaus und die Schlupfwerte an dem Auslass des SCR-Reaktors gleichzeitig zu optimieren.
Es wird ein Rückkopplungssignalwert unter Verwendung einer zeitabhängigen Proportional-Integral(PI)-Steuerung basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert im Schritt 610 generiert. In einer Ausführungsform wird eine Gain-Scheduling-Methode in der PI-Steuerung zur Bestimmung des Rückkopplungssignalwertes verwendet. Die Gain-Scheduling-Methode enthält ein Anwenden einer Rückkopplungsverstärkung, die auf den Schlupfwert angewandt wird. In einer Ausführungsform wird die zeitabhängige Rückkopplungsverstärkung auf der Basis einer Konzentration von Emissionsgasen, einer Temperatur des Abgases und eines Flusswertes des Reduktionsmittels bestimmt. Im Schritt 612 wird ein Vorwärtskopplungssignalwert, der das Reduktionsmittel auf einer Katalysatoroberfläche im Inneren des SCR-Reaktors kennzeichnet, generiert. Die Generierung des Vorwärtskopplungssignalwertes basiert auf einem Restdifferenzwert, der auf einem Restwert und dem Restsollwert basiert. Der Restwert wird anhand des SCR-Modells geschätzt und kennzeichnet die Konzentration des Reduktionsmittels auf der Katalysatoroberfläche innerhalb des SCR-Reaktors. In einer Ausführungsform wird eine Gain-Scheduling-Methode zur Bestimmung des Vorwärtskopplungssignalwertes verwendet. In einer Ausführungsform wird eine zeitabhängige Vorwärtskopplungsverstärkung basierend auf einer oder mehreren Kombinationen aus einer Konzentration von Emissionensgasen, Temperaturwerten von Abgasen und dem Flusswert des Reduktionsmittels bestimmt. In anderen Ausführungsformen können auch andere eines Parameters verwendet werden, um den Vorwärtskopplungsverstärkungswert zu bestimmen. In einer Ausführungsform wird wenigstens eine von der Vorwärtskopplungsverstärkung und der Rückkopplungsverstärkung apriori, basierend auf Offline-Experimenten bestimmt.
Das Verfahren enthält ferner ein Bestimmen eines Flusssollwertes basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtsmeldungssignalwert im Schritt 614. Der Schritt 614 der Bestimmung des Flusssollwertes enthält eine Aufnahme eines Schätzwertes für die Emissionsgasmenge. Im Schritt 616 wird eine Injektion des Reduktionsmittelflusses basierend auf dem Flusssollwert geregelt. Es sollte hierin beachtet werden, dass der Schritt 614 der Bestimmung des Flusssollwertes einen Kompromiss zwischen der Emissionsmenge und dem Schlupfwert ergibt. Das Verfahren gemäß dem Flussdiagramm 600 enthält ferner eine Regelung der Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor basierend auf dem Flusssollwert im Schritt 616.
Es sollte verstanden werden, dass nicht notwendigerweise all derartige Aufgabe und Vorteile, wie sie vorstehend beschrieben sind, gemäß jeder beliebigen speziellen Ausführungsform erreicht werden können. Somit werden Fachleute auf dem Gebiet beispielsweise 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 Aufgaben oder Vorteile, wie sie hierin gelehrt oder vorgeschlagen 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 Umfang 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 Verfahren zur Emissionssteuerung enthält ein Empfangen eines Schlupfsollwertes und eines Restsollwertes, die einem Reduktionsmittel entsprechen, von einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Das Verfahren enthält ferner ein Empfangen mehrerer Einlassparameter des SCR-Reaktors und eines Schlupfwertes, der dem Reduktionsmittel entspricht, aus einem Auslass des SCR-Reaktors. Das Verfahren enthält ferner ein Generieren eines Rückkopplungssignalwertes und eines Vorwärtskopplungssignals unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode. Das Rückkopplungssignal wird basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert bestimmt. Der Vorwärtskopplungssignalwert wird basierend auf einem Restwert des Reduktionsmittels und den mehreren Einlassparametern unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Modells bestimmt. Das Verfahren enthält ferner ein Bestimmen eines Flusssollwertes, der dem Reduktionsmittel entspricht, basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtskopplungssignalwert und Regeln einer Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor basierend auf dem Flusssollwert.

Claims

Verfahren zur Emissionssteuerung, das aufweist: Empfangen eines Schlupfsollwertes und eines Restsollwertes, die einem Reduktionsmittel entsprechen, von einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR); Empfangen mehrerer Einlassparameter des SCR-Reaktors, wobei die mehreren Einlassparameter eine Emissionsgaskonzentration aufweisen; Empfangen eines Schlupfwertes, der dem Reduktionsmittel entspricht, von einem Auslass des SCR-Reaktors; Generieren eines Rückkopplungssignalwertes unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert; Generieren eines Vorwärtskopplungssignalwertes unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf einem Restwert des Reduktionsmittels auf einer Katalysatoroberfläche im Inneren des SCR-Reaktors und den mehreren Einlassparametern unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Modells; Bestimmen eines Flusssollwertes, der dem Reduktionsmittel entspricht, basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtskopplungssignalwert; und Regeln einer Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor basierend auf dem Flusssollwert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Empfangen des Schlupfwertes aufweist: Empfangen eines Reduktionsmittelmesswertes von einem Reduktionsmittelsensor, der an dem Auslass des SCR-Reaktors angeordnet ist; Generieren eines Reduktionsmittelschätzwertes anhand des zeitabhängigen kinetischen Modells; und Bestimmen des Schlupfwertes basierend auf dem Reduktionsmittelschätzwert und dem Reduktionsmittelmesswert unter Verwendung einer komplementären Filterung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Generieren des Rückkopplungssignalwertes aufweist: Bestimmen einer Differenz zwischen dem Schlupfwert und dem Schlupfsollwert, um einen Schlupfdifferenzwert zu generieren; Anwenden einer Rückkopplungsverstärkung auf den Schlupfdifferenzwert; und Bestimmen des Rückkopplungssignalwertes anhand einer Proportional-Integral(PI)-Steuerung basierend auf dem Schlupfdifferenzwert; wobei die Rückkopplungsverstärkung vorzugsweise dynamisch, basierend auf wenigstens einem von den Einlassparametern, die an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessen werden, bestimmt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Restwert anhand eines zeitabhängigen kinetischen Modells generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Generieren des Vorwärtskopplungssignalwertes aufweist: Bestimmen eines Restdifferenzwertes auf der Basis des Restwertes und eines Restsollwertes; Anwenden einer Vorwärtskopplungsverstärkung auf den Restdifferenzwert; und Anwenden der Vorwärtskopplungsverstärkung auf den Restdifferenzwert, um den Vorwärtskopplungssignalwert zu generieren; wobei die Vorwärtskopplungsverstärkung vorzugsweise dynamisch, basierend auf wenigstens einem von den Einlassparametern, die an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessen werden, bestimmt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Einlassparameter einen Konzentrationswert, einen Durchflusswert, einen Temperaturwert und einen Druckwert einer gasförmigen Komponente, die an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessenen werden, aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Flusssollwertes ein Bestimmen eines Kompromisses zwischen der Emissionsgasmenge und dem Schlupfwert aufweist.
System zur Emissionssteuerung, das aufweist: einen Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), der einen Einlass, einen Auslass und einen in dem SCR-Reaktor angeordneten Katalysator aufweist; eine Signalakquisitionseinheit, die eingerichtet ist, um: einen Schlupfsollwert und einen Restsollwert aus dem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktions (SCR) zu akquirieren; und mehrere Einlassparameter des SCR-Reaktors und einen Schlupfwert aus einem Auslass des SCR-Reaktors zu messen, wobei die mehreren Einlassparameter einen Konzentrationswert des Emissionsgases aufweisen; eine Injektoreinheit, die mit dem SCR-Reaktor gekoppelt ist, um ein Reduktionsmittel in den SCR-Reaktor zu injizieren; und eine Reglereinheit, die mit der Signalakquisitionseinheit und der Injektoreinheit gekoppelt und eingerichtet ist, um: einen Rückkopplungssignalwert unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert zu generieren; einen Vorwärtskopplungssignalwert unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf einem Restwert auf einer Katalysatoroberfläche im Inneren des SCR-Reaktors und den mehreren Einlassparametern unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Modells zu generieren; einen Flusssollwert auf der Basis des Rückkopplungssignalwertes und des Vorwärtskopplungssignalwertes zu bestimmen; und eine Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor basierend auf dem Flusssollwert zu regeln.
System nach Anspruch 8, wobei die Signalakquisitionseinheit ferner eingerichtet ist, um wenigstens einen von einem Konzentrationswert, einem Durchflusswert, einem Temperaturwert und einem Druckwert einer gasförmigen Komponente zu empfangen, der an dem Einlass des SCR-Reaktors gemessenen wird; und/oder wobei die Reglereinheit ferner eingerichtet ist, um das Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2–5 und 7 auszuführen.
Nicht-transitorisches Computer lesbares Medium, das ein Programm aufweist, um wenigstens einen Prozessor anzuweisen: einen Schlupfsollwert und einen Restsollwert, die einem Reduktionsmittel entsprechen, von einem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion zu empfangen; mehrere Einlassparameter des SCR-Reaktors zu empfangen; einen Schlupfwert aus einem Auslass des SCR-Reaktors zu empfangen; einen Rückkopplungssignalwert unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf dem Schlupfsollwert und dem Schlupfwert zu generieren; einen Vorwärtskopplungssignalwert unter Verwendung einer Gain-Scheduling-Methode basierend auf einem Restwert auf einer Katalysatoroberfläche im Inneren des SCR-Reaktors und den mehreren Einlassparametern unter Verwendung eines zeitabhängigen kinetischen Modells zu generieren; einen Flusssollwert basierend auf dem Rückkopplungssignalwert und dem Vorwärtskopplungssignalwert zu bestimmen; und eine Injektion des Reduktionsmittels in den SCR-Reaktor basierend auf dem Flusssollwert zu regeln.