柴油机台架群的NOx排放分布式控制技术
时间：2023-02-12 18:50:08 来源：千叶帆 本文已影响人
雷 艳，秦 超，仇 滔，岳广照 ，丁梦竹，陈新宇
(1. 北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124；
2. 河北索奇汽车电子科技有限公司，河北 迁安 064400；
3. 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255000)
柴油机具有动力强、热效率高、经济性好且可靠性高等优点，广泛应用于交通运输、工程机械和船舶动力等领域[1]．在柴油机研发、生产和测试过程中，柴油机台架试验是必不可少的环节．通常一个柴油机试验基地由多个柴油机台架组成，各个台架并联且共用一个排气总管，将每个柴油机产生的废气排向大气[2-5]．GB16297—2017规定了柴油机台架群通过排气总管排放出的NOx限值，因而必须开展柴油机台架群的NOx排放治理．
工业中常采用选择性催化还原(SCR)技术控制NOx排放(脱硝)，还原剂为尿素．电厂、钢厂的燃烧炉SCR技术多采用集中式处理系统[6]，该系统针对电厂、钢厂等排气流量稳定、空间面积大的治理效果较好[7]．然而，实际发动机厂中布置的多台柴油机测试台架(柴油机台架群)，其排气温度远小于电厂锅炉排放温度．此外，由于厂房的空间限制，每个柴油机台架分散布置，留给尾气治理设备安装的空间十分有限，主要存在如下问题：(1)由于每个柴油机台架距离排气总管距离不等，距SCR系统较远的柴油机台架尾气温度下降较多，对温度管理提出了很高的要 求[8]；
(2)由于多个柴油机台架共有一个混合腔，易出现柴油机尾气窜气现象，导致进入SCR系统的尾气不稳定，增大SCR系统尿素喷射量的控制难度，而尿素的喷射量决定了NOx转化效率和NH3泄露程 度[9]，控制的精度过低会出现NOx排放超标、NH3泄露造成二次污染等问题[10-11]；
(3)在实际应用过程中，每台发动机运转工况多变，导致总管尾气浓度和排量变化快且变化幅度大，SCR尿素喷射系统需要按照最大NOx治理量来设计，量程较大，而台架群也可能出现单台运行于小排量、低排放的工况，即尿素的喷射量控制在保证大量程同时还要保证高精度，成本增加．因而实际的发动机厂柴油机台架群尾气治理不适用于集中处理的方式．
柴油机台架群是一个多节点系统，分布式控制适合多节点系统方案，且已广泛应用于工业过程控制，如分布式发电系统能够显著提高配电质量和系统运作的灵活性[12-14]．贺泓等[15]借鉴车用柴油机后处理技术，利用SCR对每个台架实行NOx排放控制，按照每个台架对应一个SCR系统的方式构建分布式控制系统．该方案能缩短发动机与SCR之间的距离，减小温度控制的难度，降低对控制器的精度要求，且灵活性较高，占用空间小．
每个台架均配置有SCR系统，系统需要针对不同工况为每个台架分配合理的转化效率．根据排放法规的要求，柴油机台架群同时工作只能共用一个烟囱排放废气，因而实际的柴油机台架群一般采用集中监测、分布式处理的尾气治理方案．该方案采用综合监控单元监测烟囱处的NOx排放，分配每一个后处理单元的SCR需要达到的转化效率．可知，在保证烟囱废气排放达到排放法规的要求下，每个台架的转化效率可任意调整，形成不同的转换效率组合；
综合监控单元对每一个处理节点的转化效率分配要求及所有转化效率构成的效率组合会决定最终系统的NOx转化量，是整个系统是否达标法规要求的关键．
基于此，笔者为了合理分配各个台架的转换效率，提出单台架控制难度系数和适用于多台架的综合控制难度系数两个指标，并提出根据综合控制难度系数最小来控制各个后处理控制单元NOx转化效率的方法．
图1为集中式处理系统和分布式处理系统示意．由于柴油机台架群采用集中式处理存在很多问题，实际中一般采用分布式处理系统(图1b)．
图1 柴油机台架群NOx集中式和分布式处理系统Fig.1 NOx centralized and distributed treatment system of diesel engine bench group
某柴油机企业发动机测试包含了4个柴油机试验台架，具体的柴油机参数如表1所示．
表1 柴油机相关参数Tab.1 Parameters of the diesel engine
1.1 SCR后处理单元设计
1.1.1 SCR转化效率要求
柴油机台架群中所有柴油机在标定转速下工作，且均处于满负荷时，尾气排放是最恶劣的状态，各个柴油机台架NOx排放及转化效率见表2，通过进气流量计测量进气质量流量数据，等效为排气质量流量．GB16297—2017中要求NOx排放限值包括排放质量浓度和排放速率两个指标，采用SCR技术治理NOx排放时，要考虑同时满足NOx体积分数和排放速率的要求．NOx排放速率qi为
表2 满负荷时各台架NOx转化效率Tab.2 NOx conversion efficiency of each bench at full load
式中：i为柴油机台架群中的各柴油机；
Qi为台架i的发动机排气质量流量；
Ci为台架i中的NOx排放体积分数．
排烟总管处NOx排放速率q为
由式(2)计算q为5.67kg/h，而NOx排放速率排放限值为2.85kg/h，所以根据排放速率，该系统NOx转化效率最低为49.8%．
排烟总管处的NOx排放质量浓度C为
式中：M为NOx的摩尔质量，NOx以NO2计算，为46 g/mol．由式(3)计算排烟总管处NOx质量浓度为2894mg/m3，NOx质量浓度排放限值为240mg/m3，因而根据排放质量浓度，每个SCR对应的NOx转化效率最低需为91.8%．
1.1.2 单台SCR设计
SCR反应器的反应时间是影响SCR-NOx还原效果的因素之一，催化剂与排气的接触时间越长，反应效果越好，而反应时间又与空速相关，空速过高，排气在SCR反应器的停留时间越短，NOx的还原效果较差[16-17]．因而单台SCR的空速选择十分重要．
SCR反应器的空速取值为30000h-1，既能够保证NOx的还原效果，还能保持控制难度适中．体积空速与催化剂体积、废气体积流量和废气密度有关．而废气体积流量就是每个台架发动机的排气质量流量Qi，按照最大设计原则，4个台架上发动机的最大排气质量流量均为1800kg/h．体积空速v可表示为
式中：ρ为废气密度，此处选择发动机排气温度为450℃时的废气密度，其值为0.4832kg/m3；
V为催化剂体积．可知4个台架的SCR催化剂体积为0.124m3．
催化剂的类型是影响SCR脱硝的主要因素[18]，为了满足发动机排气温度为200～450℃的NOx处理需求，选用铜基催化剂，图2为200～450℃温度区 间内的NOx转化效率[19]．
图2 铜基催化剂的NOx转化效率Fig.2 NOx conversion efficiency of copper-based catalysts
1.2 分布式控制系统
对某柴油机台架群(共4台)开展了分布式处理方法的应用．综合监控单元控制多个控制器，并通过排放监管模块获得烟囱排出NOx数据．每台柴油机均配置SCR、控制器、尿素计量喷射模块、尿素箱、氮氧传感器、进气流量计和测功模块．其中控制器控制还原剂的喷射量，而决定喷射量的单台NOx转化效率由综合控制单元分配．
由于实际的柴油机台架群运行工况多变，各个台架NOx排放也是变化的．为了达到排放标准，各个台架SCR转化效率µi可以是多变的．因而存在多种不同的效率组合．表3为4个台架不同SCR的NOx转化效率组合，当所有柴油机均处于标定转速(1900r/min)且满负荷时，存在k个效率组合均能使NOx排放达标，k∈N*．
表3 NOx转化效率组合Tab.3 Combination of NOx conversion efficiency
此时，需要寻找一个指标来评价这些能够达到相同处理效果的多个效率组合，因而笔者引入单台架控制难度系数和综合控制难度系数．
2.1 单台架控制难度系数
SCR的NOx转化率与催化剂类型、排气温度、空速和尿素喷射量有关[20]．发动机的工况状态直接表现为排气质量流量的大小，在确定了催化剂体积与催化剂类型后，排气质量流量本质上决定了空速的大小．因而台架当前排气质量流量的大小能够表征空速的大小．而空速越小，排气在SCR反应器上停留的时间越长，反应更充分，当前台架SCR系统达到治理目标的NOx转化效率的难度越小．反之，空速越大，达到目标NOx转化效率的难度越大．
当排气温度确定时，催化剂活性和反应速率均保持不变，此时NOx转化效率只与尿素喷射量有关，尿素喷射量越大，NOx转化效率越高，NOx排放更容易达标，但会产生尿素沉积、NH3泄露的问题[21-23]．同时，对于SCR系统，反应物总量提高意味着系统控制难度增大．
综上，选取台架当前排气质量流量与发动机标定功率下排气质量流量的相对值，以及当前台架NOx实际转化效率与当前排气温度下催化剂的极限NOx转化效率的相对值作为单台架控制难度系数的变量，来判断每个台架的NOx处理难度．其中，台架当前排气质量流量由测量发动机排放体积分数、实际排气质量浓度等效换算．当前台架的NOx实际转化效率可以通过SCR前、后NOx传感器测量值计算得出，当前排气温度下极限NOx转化效率可由图2中数据 获得．
定义单台架控制难度系数为Si，有
式中：µi为当前台架NOx实际转化效率；
µm为SCR系统最大NOx转化效率，即µi在当前台架的排气温度下，SCR催化剂能达到的最大NOx转化效率；
Q0为该发动机标定功率下的排气质量流量．
图3为单台架控制难度系数变化，由式(5)可知，对于单台架运转工况变化，其Qi变化且导致其排气温度变化，µm也相应变化，因而可改变尿素喷射量以调整实际的SCR转化效率，获得不同的控制难度系数．图3中任一点到原点的直线距离等于Si，表明当效率比和流量比的值一定时，坐标轴上的点离原点的直线距离越远，该单台架控制难度系数越大．
图3 单台架控制难度系数Fig.3 Control difficulty coefficient of single test bench
2.2 最小综合控制难度系数
由表3可知，与效率组合1相比，效率组合2达到99%转化效率消耗了更多的控制资源，喷射了较多NH3，提高了NH3泄露风险．为了在实现NOx排放达标的基础上降低NH3的泄露风险，有必要评价不同效率组合的应用难度．
笔者在单台架控制难度系数的基础上，提出整个柴油机台架群的综合控制难度系数，表征在达到NOx排放标准前提下的整个控制系统的风险和控制难度大小，综合控制难度系数越大，控制难度越大，风险越大．定义S为整个台架群的综合控制难度系数，有
综上可知，实际应用过程中，系统风险最小、控制难度最小的NOx达标治理问题可转化为以获得综合控制难度系数S最小为目标，约束条件为NOx的排放速率和排放质量浓度均达到排放要求，求解效率组合，即目标函数为
约束条件为
2.3 控制流程和分配方法分析
图4为控制流程示意，是基于单台架控制难度系数Si和综合控制难度系数S的优化控制方法．首先，根据测量得到的发动机工况、NOx排放判断是否达标．如不达标，根据NOx排放速率、排放质量浓度分别计算各个台架SCR系统转化效率，得到不同的效率组合；
进一步计算各种效率组合的综合控制难度系数，选择最小综合控制难度系数对应的效率组合，优化各台架的NOx转化效率．在完成当前效率分配任务后，开始下一时段的NOx排放监控，重复上述步骤，形成连续循环的过程．
图4 控制流程Fig.4 Control flow chart
表4为4台柴油机台架均满负荷运转、不同效率组合时的单台架控制难度系数Si，根据各单台架的控制难度系数可以得到不同效率组合情况下的综合控制难度系数S；
由此，可选取综合难度系数最小的效率组合为最优方案．由表4可知，效率组合5的综合系数最小(Smin＝4.86482)，此转化效率分配方案为 最佳．
表4 满负荷时控制难度系数Tab.4 Control difficulty coefficient with each test bench runs at full load
可知，各单台架运转工况相同(满负荷)时，不同效率组合对应的综合难度系数变化不大．针对单台架运转工况变化的情况进行不同效率组合的综合难度系数计算，其结果见表5、表6．
表5为4台柴油机台架中有一台柴油机不运转、其余台架均满负荷运转情况下，不同效率组合的单台架控制难度系数Si及综合控制难度系数S，由表5可知，效率组合4的综合系数最小(Smin＝3.68193)，此转化效率分配方案为最佳．
表5 台架4停转时控制难度系数Tab.5 Control difficulty coefficient with the fourth test bench stops
表6为台架1和台架3满负荷运转、台架2和台架4运转负荷为50%的计算结果，对于此案例，效率组合2(Smin＝4.17181)的综合系数最小，此转化效率分配方案为最佳．
表6 不同负荷时各台架控制难度系数Tab.6 Control difficulty coefficient of each test bench runs at varied load
可见，采用控制难度系数的方法适用于各种变化 工况．当系统中各单台架运转工况相同时，各个效率组合对应的综合难度系数差距不大，每个台架可分配相同的转化效率．当变工况时，综合难度系数变化较大，此时分布式处理方法的优势能够体现．
柴油机台架群属于固定排放源，与机动车的排放检测不同，GB16297—2017要求NOx稳态排放在排气总管处达标，并不关注发动机的NOx排放．因而当所有柴油机都处于最恶劣排放工况点时，总管处的NOx稳态排放达标即可．
笔者通过排放监管模块来测试NOx的排放速率和质量浓度，在标定转速(1900r/min)下，排烟总管处的NOx排放速率始终低于2.85kg/h，而NOx质量浓度低于240mg/m3，完全能够达到该企业所在地的NOx排放标准．证明了分布式控制技术能够很好地应用于柴油机台架群的NOx排放控制．
柴油机工况瞬态变化时分布式控制技术也具有较好的处理效果．图5示出发动机转速恒为1900r/min、完整运行一个测试工况下，台架的发动机排气温度与排气质量流量、NOx经过SCR反应器前、后的排放速率和质量浓度．可知在发动机工况瞬 态变化的测试过程中，单台架的NOx排放速率始终低于2.85kg/h，NOx排放质量浓度低于240mg/m3．
图5 发动机台架排放Fig.5 Emissions of engine test bench
(1) 提出了一种适用于柴油机台架群的分布式治理、综合协调管理的方案．
(2) 引入单台架的控制难度系数，用于单个台架治理的转化效率评价；
提出基于最小综合控制难度系数，选择最优的效率组合；
通过工程应用，证明该方法能够实现柴油机台架群的NOx排放控制．
