船用柴油机SCR系统控制策略试验研究

李文听 谢宗序 郑添

摘要： 为降低船用柴油机NO  x 排放，分析柴油机选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）后处理系统的开环、闭环控制策略，对不同策略及工况下NO  x 转化率及NH 3泄露进行试验对比。结果表明：采用开环策略，柴油机功率与额定功率的比为75%以上时，NO  x 转化效率可达到83%，但不同工况下NO  x 转化率波动超过20%；采用闭环控制策略，不同工况下NO  x 转化率稳定在85%左右，尾气中NH 3的体积分数低于20×10-6；闭环控制策略下NO  x 转化率具有自调整、高稳定性、响应速度快等优势，可降低NO  x 排放且尾气中NH 3的体积分数在规定范围内。

关键词： SCR系统；开环控制；闭环控制；NO  x 排放

中图分类号：TK421+.5 文献标志码：A 文章编号：1673-6397（2024）01-0075-06

引用格式：  李文听，谢宗序，郑添.船用柴油机SCR系统控制策略试验研究［J］.内燃机与动力装置，2024，41（1）：75-80.

LI Wenting， XIE Zongxu，ZHENG Tian.Experimental study on SCR control strategy for a marine diesel engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：75-80.

0 引言

随着全球航运业不断发展，船用柴油机NO  x 排放带来的环境问题得到了广泛关注，如何满足相关的排放标准成为研究重点。国际海事组织（international maritime organization，IMO）要求，2016年1月1日后建造的船舶用柴油机在排放控制区（emission control area，ECA）航行时，产生的NO  x 排放应符合船舶Tier 3标准。Tier 3标准规定的NO  x 排放限值比Tier 1标准减少了80%[1]。

选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）技术是指向主机废气中喷入适量的尿素溶液，在催化剂作用下，尿素溶液水解后生成NH 3和CO 2，NH 3和尾气中NO  x 反应生成N 2排出，降低NO  x 排放。船用SCR系统运行过程中，柴油机负荷变化导致反应器排气温度、废气质量流量及NO  x 排放密度不同，对尿素溶液喷射量的要求发生变化，若喷射过多，造成NH 3泄露；若喷射过少，增大NO  x 排放，因此精确控制尿素溶液喷射量是一项非常重要的研究内容[2]。

目前，国内船用SCR系统主要采用开环控制方式，通过柴油机试验标定各参数map图，并结合排气温度、发动机工况等进行修正，实现对尿素溶液喷射量的控制。但开环控制存在瞬态工况响应滞后、动态修正差、不能根据主机负荷变化实时快速调节等问题，导致瞬态排放超标，需与闭环控制相结合。国外闭环策略通常采用在SCR系统前、后分别安装NO  x 及NH 3传感器，通过传感器数据实时调节尿素溶液喷射量，但国内船用排放标准中未明确规定NH 3泄露限值，主要采用SCR系统前、后安装NO  x 传感器的方式。对于大型船用柴油机，SCR系统响应时间过长，控制明显滞后，将前馈控制和闭环控制结合，可提高大型船用柴油机系统响应速度[3]。

本文中以某船用柴油机SCR系统为研究对象，对比开、闭环控制策略下尾气中NO  x 的体积分数及NH 3的體积分数，提出有效控制策略，降低NO  x 排放。

1 试验系统

某KM493G-1型直列柴油机，四冲程、增压中冷、直喷，主要技术参数如表1所示。

基于该发动机搭建SCR系统试验台架，试验系统包括柴油机、加热器、反应器、SG1600氨分析仪、DME 48型计量泵、PT100热电阻温度传感器、威力巴排气质量流量计、西门子可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）等，其中，温度传感器用于测量反应器出、入口的排气温度，加热器用于加热柴油机排出的尾气温度，反应器出、入口分别安装NB1500型NO  x 传感器，测量反应器出、入口NO  x 体积分数，以便计算实际NO  x 转化率；采用SG1600氨分析仪内的传感器测量反应器出、入口NH 3的体积分数，确保尿素溶液计量的准确和稳定；DME 48型计量泵输出尿素溶液体积流量；PLC实时采集SCR系统运行参数，以控制尿素溶液喷射量。SCR系统试验台架结构组成示意如图1所示。

2 控制策略

2.1 尿素溶液理论量

假设排气中NO、NO 2的质量比为9 ： 1，NO  x 平均摩尔质量 M （NO  x ）=31.6 g/mol，忽略湿度对NO  x 体积浓度的影响，即湿度修正因数 k  hd=1。理论上1 mol NO  x 反应需要1 mol NH 3，尿素溶液理论喷射质量流量[4]

q   m ，N= q  m，1 c  M （NH 3 ）/［2 M （NO  x ） w （NH 3）］。  （1）

式中： q   m ，1为NO  x 排气质量流量，kg/h; c 为氨氮的质量比； M （NH 3）为尿素溶液中氨的摩尔质量， M （NH 3）=60.07 g/mol； w （NH 3）为尿素溶液中氨的质量分数， w （NH 3）=32.5%。

尿素溶液体积流量

q V ，N= q m， N/ ρ  N。  （2）

式中： ρ  N为尿素溶液密度，g/L。

2.2  c 修正

由于SCR反应器体积确定，可将排气质量流量换算为反应器空速，结合反应器温度，在满足最佳NO  x 转化率和最少NH 3泄漏的条件下， 通过试验标定c与反应器温度t、反应器空速 v  s 变化的map图。

2.3 尿素溶液温度修正

环境温度变化，尿素溶液密度发生波动，导致尿素体积流量变化[5-6]。环境温度与质量分数为32.5%的尿素溶液密度的关系如图2所示，由图2可知：尿素溶液密度随环境温度升高而降低。

SCR系统通过温度传感器确定实际环境温度，并根据环境温度与尿素溶液密度的关系曲线，修正理论尿素喷射量。

2.4 开环控制

基于尿素溶液理论喷射量，结合尿素溶液温度的变化，得到尿素溶液实际喷射量，开环控制框图如图3所示。

由图3可知：开环控制策略根据柴油机负荷、NO  x 体积分数计算尿素溶液理论喷射量； 根据t、 v  s进行最佳 c 修正； 结合环境温度修正尿素溶液密度；通过尿素溶液理论喷射量、修正后 c 及尿素溶液密度得到尿素溶液修正量，由计量泵根据上述参数完成实际尿素喷射量喷射。

2.5 闭环控制

由于反应器控制NO  x 排放有较大的滞后效应，但流量泵能及时迅速地控制尿素溶液流量。SCR閉环控制策略采用闭环前馈控制，主控制器为反应器，通过反应器出、入口NO  x 传感器，实现对目标NO  x 转化率的主动控制；副控制器为计量泵，响应快，实现稳定、准确地控制尿素溶液流量[7-8]。

为保持系统稳定且减小柴油机负荷造成的NO  x 体积分数和排气质量流量的干扰，采用比例积分（proportion integral，PI）控制器进行前馈控制，提前调节尿素喷射量，提高SCR对负荷干扰响应的快速性。闭环前馈控制框图如图4所示。

相关研究表明：SCR反应器采用闭环控制实际尿素溶液喷射量，在一定条件下，NO  x 转化率随尿素溶液喷射量的增加而升高，NO  x 转化率达80%以上；不同负荷条件下，目标NO  x 转化率不同，当实际NO  x 转化率低于设定目标，需增大尿素溶液喷射；若转化率高于设定目标，为防止尿素溶液喷射过量导致NH 3泄露，应减少尿素溶液喷射量[9-10]。

3 试验研究

3.1 开环控制试验

选取负荷比（发动机功率与额定功率的比）25%、50%、75%、85% 4个工况，通过排气加热器模拟不同的负荷比对应的排气温度分别为270、300、350、370 ℃，进行开环控制试验。试验中 c =1，通过NO  x 传感器采集反应器入口、出口NO  x 体积分数等，计算理论尿素喷射量，在压缩空气的雾化作用下喷入排气管道。开环控制下，不同负荷比及温度时NO  x 转化率及尾气中NH 3的体积分数随时间的变化曲线如图5所示。

由图5可知：柴油机工况为负荷比25%、排温为270 ℃时，未达到催化剂正常工作温度（280 ℃以上），尿素溶液分解后的NH 3未与排气中的NO  x 发生反应，NO  x 转化率基本在50%，同时尾气中NH 3的体积分数较高，为13×10-6左右；工况为负荷比50%、排温为300 ℃时，未达到催化剂最佳工作温度（350 ℃以上），NO  x 转化率升高，为60.7%，尾气中NH 3的体积分数减少；工况为负荷比75%、排温为350 ℃时，达到催化剂最佳工作温度，NO  x 转化率为83.8%，大部分NH 3与NO  x 发生反应，尾气中NH 3的体积分数最少；工况为负荷比85%、排温为370 ℃时，由于催化剂活性温度升高，NO  x 转化率升高幅度较小，尿素喷射量升高导致尾气中NH 3的体积分数增大。

开环控制下，在满足催化剂工作温度的条件下，不同工况下NO  x 转化率波动超过20%；温度过低，NO  x 转化率低，造成尾气中NH 3的体积分数较高；温度过高，尿素喷射量升高，造成尾气中NH 3的体积分数较高。

3.2 闭环控制试验

为满足船用柴油机Tier 3排放标准，NO  x 转化率必须达到80%以上，尾气中NH 3的体积分数一般不超过20×10-6。NO  x 目标转化率设定为85%，可满足排放要求，同时降低尾气中NH 3的体积分数。

在负荷比75%、排温为350 ℃时进行闭环控制策略研究，由于SCR系统为大惯性，响应慢，在闭环比例微分积分（proportion integral differential，PID）计算中加入提前计算的前馈量，以适应SCR系统运行条件的变化，使实际NO  x 转化率在目标转化率附近，设置死区宽度为2.5%以降低闭环控制的灵敏度。闭环前馈PID控制下，NO  x 转化率、NO  x 体积分数及NH 3的体积分数随时间的变化曲线如图6所示。

由图6a）可知：由于此控制系统为大惯性系统，尿素溶液喷入反应器后需要一定的反应时间，因此开始反应时NO  x 转化率较低，大约经50 s稳定后，在目标转化率85%死区上、下限内波动，基本符合设定的控制目标。由图6b）可知：反应器出、入口NO  x 体积分数变化较为稳定，尾气中NH 3的体积分数一直稳定在15×10-6以下，不超过该机型尾气中NH 3的最大体积分数为20×10-6的规定。

对柴油机瞬态工况进行闭环控制策略研究，柴油机工况为第0～580秒负荷比为75%，第580～900秒负荷比为50%，第900～1 260秒负荷比为25%，第1 260～2 000秒负荷比为85%，第2 000～2 260秒为空载，第2 260～2 600秒负荷比为70%，各工况排温与3.1相同。不同负荷比下，反应器出、入口NO  x 体积分数，NO  x 转化率及尾气中NH 3的体积分数曲线如图7所示。

由图7可知：随着柴油机负荷比变化，NO  x 转化率基本稳定在目标转化率85%附近，具有较好的鲁棒性；负荷比85%下，由于排温升高，尿素溶液喷射量增加，尾气中NH 3中体积分数最大，接近20×10-6，仍然满足SCR控制系统要求。

4 结论

1）开环控制试验中在满足催化剂工作温度的条件下，不同柴油机工况下NO  x 转化率上下波动超过20%，易造成尿素溶液喷射量过多或喷射量不够等异常情况，无法实现对NO  x 转化率的主动控制。

2）相比开环控制，闭环控制在控制NO  x 转化率方面更稳定、高效，能够克服负荷扰动对转化率的干扰，NO  x 转化率基本稳定在85%附近，同时尾气中NH 3的体积分数在正常范围20×10-6内，满足船舶柴油机Tier 3排放标准的要求。

参考文献：

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Experimental study on SCR control strategy for a marine diesel engine

LI Wenting1， XIE Zongxu2， ZHENG Tian1

1.Wuxi Division， NO.703 Research Institute of CSSC，Wuxi 214000，China;

2.East China Branch， China Nuclear Power Engineering Co. ， Ltd. ，Jiaxing 314300，China

Abstract： In order to reduce marine diesel engines NO  x  emission，the open-loop and closed-loop control strategies of the diesel selective catalytic reduction aftertreatment system are analyzed，the NO  x  conversion and NH 3 leakage under different strategies and operating conditions are compared.The results show that with the open-loop control， when the load ratio of diesel engine is above 75% ，the NO  x  conversion efficiency can reach 83%，but the fluctuation of NO  x  conversion is more than 20%.With the closed-loop control strategy，the conversion of NO  x  is stable at about 85% ，and the volume fraction of NH 3 leakage is less than 20×10-6 under different operating conditions.The closed-loop control strategy has the advantages of self-adjustment of NO  x  conversion， high stability and fast response speed， which can reduce NO  x  emission and NH 3 leakage volume fraction within the specified range.

Keywords： SCR system;open-loop control;closed-loop control;NO  x  emission   （責任编辑：胡晓燕）