船用柴油機(jī)SCR監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

肖丹丹 王龍

摘要：船用柴油機(jī)上配備排放后處理裝置已成大勢所趨，選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是機(jī)外凈化技術(shù)，目前是最流行和成熟的，國內(nèi)外很多國家和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了SCR系統(tǒng)的研究，考慮到SCR系統(tǒng)優(yōu)劣的判斷極大依賴于本身的控制方案和監(jiān)控制系統(tǒng)，針對SCR系統(tǒng)的工作模式，分析SCR的功能需求、控制模型，完成系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計，構(gòu)建穩(wěn)定、可靠的船用SCR監(jiān)控系統(tǒng)。

Abstract： NOX is one of the main pollutants in Marine diesel exhaust. With the increasingly stringent requirements of emission regulations， it is a general trend to equip marine diesel engine with exhaust after treatment device.Selective catalytic reduction （SCR） technology is the most popular and mature off-line purification technology， the International Maritime Organization （IMO） has listed this technology as the technical guideline for NOX emission control of marine diesel engines in July 2011. This paper mainly introduces a stable and reliable marine SCR control system.

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī);SCR技術(shù);監(jiān)控系統(tǒng)

Key words： marine diesel engine;SCR technology;the monitoring system

中圖分類號：U662.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0027-03

0 ?引言

SCR控制系統(tǒng)通過控制尿素噴射量，在催化劑作用下實現(xiàn)柴油機(jī)尾氣中氮氧化物的轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)的做法是通過PID閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)尿素噴射量使脫銷率基本穩(wěn)定在期望值，然而其控制精準(zhǔn)度并不十分理想，如控制的超調(diào)量、穩(wěn)定時間和響應(yīng)時間等還有待提高。因此有必要建立一套SCR系統(tǒng)的模型，采用一種先進(jìn)控制算法，提升SCR控制系統(tǒng)的性能。

本文在分析了船用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，對SCR控制系統(tǒng)模型進(jìn)行了研究，采用高性能硬件模塊，基于經(jīng)典控制理論，設(shè)計開發(fā)出一套船用SCR監(jiān)控系統(tǒng)，并通過試驗驗證系統(tǒng)軟硬件功能及控制策略，滿足SCR系統(tǒng)控制目標(biāo)。

1 ?系統(tǒng)構(gòu)建

船用SCR系統(tǒng)主要由尿素溶液供給單元、尿素溶液計量噴射單元、吹灰單元、SCR反應(yīng)器單元組成。SCR系統(tǒng)組成如圖1所示。

本系統(tǒng)采用西門子PLC作為SCR系統(tǒng)控制器，運用博圖軟件組態(tài)、編程。采用模塊化分割方法對系統(tǒng)級模型進(jìn)行分割，設(shè)計基于模塊化的上層應(yīng)用軟件，可實現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測、功能故障診斷、MAP圖查詢等功能。

2 ?控制模型

目前系統(tǒng)采用PID加前饋的閉環(huán)控制算法，采用自回歸滑動平均模型。

自回歸滑動平均模型（Auto Regressive Moving Average，ARMA）是時間序列模型中的一種典型模型。ARMA模型是一種常用的工程實用模型，它是最小二乘法的推廣應(yīng)用。該方法考慮了實際系統(tǒng)噪聲的有色性、抗噪性較強(qiáng)，可對模型參數(shù)進(jìn)行無偏估計。

考慮到SCR反應(yīng)器是一個二輸入一輸出的系統(tǒng)，其表達(dá)式如下：

y（k）=a1y（k-1）-a2y（k-2）-…-any（k-n）+b0u（k）+b1u（k-1）+b2u（k-2）+…+bnu（k-n）+c0v（k）+c1v（k-1）+c2v（k-2）+…+cnv（k-n）

其中，y（k）、u（k）、v（k）分別表示輸入和輸出序列;

u——處理前NOX質(zhì)量流量（g/s）;

v——氨水溶液噴射體積流量（L/hr）;

y——處理后NOX質(zhì)量流量（g/s）。

ARMA模型的辨識過程中，最重要的是各個變量樣本數(shù)據(jù)的階數(shù)確定，在階數(shù)確定的同時，回歸參數(shù)也可以跟著確定。因此，ARMA模型的辨識，就是階次的確定過程，伴隨著各個參數(shù)的產(chǎn)生，從而得到完整的ARMA模型。

本文主要以擬合誤差為訂階準(zhǔn)則，在性能相差不大的情況下，優(yōu)先選取低階模型。

3 ?本系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

SCR系統(tǒng)模型，主要指反應(yīng)器模型，反應(yīng)器模型是一個兩輸入一輸出的模型，輸入為處理前NOX排放質(zhì)量流量和氨水溶液噴射體積流量，輸出為處理后NOX排放質(zhì)量流量（如圖2）。

使用以下公式計算處理后的NOX質(zhì)量流量：

NOX質(zhì)量流量=排氣體積流量*排氣總管截面*排氣密度*NOX質(zhì)量濃度

其中：排氣總管截面積=3.14*0.3*0.3=0.2826m2

排氣密度=1.293*（排氣氣壓/標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）*[273/（273+排氣溫度）]kg/m3

排氣流速=0.79*sqrt[2*排氣壓差*（273+排氣溫度）/（273*1.293）]

排氣體積流量=排氣流速*壓差傳感器截面積=排氣流速*0.2826m2

綜合以上，NOX質(zhì)量流量=5.9319*sqrt[排氣壓差/（273+K）* NOX質(zhì)量濃度]

4 ?系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件分為兩部分：PLC控制程序，機(jī)旁監(jiān)控HMI。軟件總體設(shè)計采用模塊化的程序設(shè)計思想。PLC主要做信號采集與處理、邏輯控制、尿素溶液計量控制、泵閥的控制等。監(jiān)控HMI主要進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、控制參數(shù)在線修改、報警信息處理、歷史數(shù)據(jù)的保存和顯示，以及手動開關(guān)泵閥等。

軟件采取安全措施保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性參數(shù)、原始設(shè)計及一些重要參數(shù)的安全性，非授權(quán)人員不能修改這些參數(shù)，必要時可恢復(fù)原設(shè)計設(shè)定。

控制軟件具有較全面的控制對象安全保護(hù)措施和限制功能，包括運行聯(lián)鎖限制;操作指令邏輯判斷、錯誤提示;設(shè)定值修改密碼、邊界限制;容錯糾錯設(shè)計。

4.1 控制軟件設(shè)計

軟件設(shè)計由主流程和子流程組成，子流程主要有：系統(tǒng)自檢、準(zhǔn)備狀態(tài)控制、給料狀制、停機(jī)控制、吹掃控制。

4.1.1 系統(tǒng)自檢

開機(jī)上電，檢查是否有機(jī)旁緊停和遙控緊停，系統(tǒng)是否有綜合故障停機(jī)報警，壓縮空氣入口壓力、泵后壓力、反應(yīng)器出入口溫度、流量計、NOX傳感器、等重要傳感器是否斷線，如有，系統(tǒng)無法啟動。滿足啟動條件HMI上指示燈點亮。

4.1.2 準(zhǔn)備狀態(tài)控制

滿足初始化和啟動狀態(tài)后，判斷單個SCR遙控緊停是否報警，是否檢測到柴油機(jī)的開機(jī)信號，檢測到開機(jī)信號后，打開壓縮空氣給定閥，清洗閥和噴射閥，60s后關(guān)閉清洗閥，檢查離心泵后壓力是否斷線，如果斷線切換至備用離心泵，如果未斷線繼續(xù)執(zhí)行以下操作，離心泵啟動，離心泵過載或1min后判斷泵后壓力，如果小于0.2MPa，離心泵啟動失敗，切換至備用離心泵。備用離心泵過載或啟動1min后判斷泵后壓力，如果小于0.2MPa，備用離心泵啟動失敗，關(guān)閉壓縮空氣給定閥和噴射閥，系統(tǒng)停機(jī)。上述泵啟動后，無故障，泵后壓力大于0.2MPa，允許進(jìn)入給料狀態(tài)。

4.1.3 給料控制

進(jìn)入給料狀態(tài)后，當(dāng)SCR的反應(yīng)器后溫度大于250℃，開啟尿素溶液出口閥，給MAP圖調(diào)整比例調(diào)節(jié)閥允許信號，在這一過程中比較尿素流量設(shè)定值與實際值，比較值大于1.5L后，如果300s內(nèi)持續(xù)保持大于這一值，報對應(yīng)SCR噴嘴故障。MAP圖的設(shè)定以及PID的設(shè)定都在觸摸屏上進(jìn)行設(shè)定，并保持?jǐn)?shù)據(jù)。

4.1.4 停機(jī)控制

主電源斷電，系統(tǒng)故障，本地緊停，按下系統(tǒng)停止按鈕，均導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。關(guān)閉離心泵，1s之后關(guān)閉尿素溶液出口閥，同時給比例調(diào)節(jié)閥50%開度，打開清洗閥，300s之后關(guān)閉噴射閥、清洗閥和0%開度關(guān)閉比例調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉壓縮空氣給定閥。

4.1.5 吹掃控制

當(dāng)反應(yīng)器壓差大于1200Pa或4小時內(nèi)未執(zhí)行吹掃， 3s后開啟反應(yīng)器1號吹掃裝置，5s之后關(guān)閉，120s之后開啟反應(yīng)器2號吹掃裝置，5s之后關(guān)閉，120s反應(yīng)器壓差還是大于1200Pa，重復(fù)上次吹掃動作，執(zhí)行循環(huán)3次后反應(yīng)器壓差仍大于1200Pa報警，SCR吹掃失效報警。

4.2 監(jiān)測軟件設(shè)計

監(jiān)測軟件為SCR監(jiān)控系統(tǒng)提供人機(jī)界面，實現(xiàn)圖形、報警列表、參數(shù)列表等顯示功能以及數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)閱及打印等功能。本系統(tǒng)監(jiān)測軟件界面動態(tài)實時顯示柴油機(jī)SCR重要設(shè)備的運行工況，以圖形形式直觀地顯示系統(tǒng)單線圖、參數(shù)顯示圖、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)、實時曲線圖等，以表格頁分組顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場采集實時數(shù)據(jù)和歷史同步數(shù)據(jù)，對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示刷新，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。提供實時數(shù)據(jù)查詢接口、歷史數(shù)據(jù)查詢接口、報警與事件查詢接口、統(tǒng)計數(shù)據(jù)查詢接口。本系統(tǒng)監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

①數(shù)據(jù)處理：將大容量存儲的數(shù)據(jù)庫類型歸成幾類，制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口驅(qū)動協(xié)議。

②數(shù)據(jù)檢索：檢索條件分析、檢索功能調(diào)用、檢索結(jié)果遍歷、檢索結(jié)果格式化以及檢索結(jié)果輸出。

③訪問控制：訪問控制方法分前置和后置為兩類，分類條件過濾及檢索條件擴(kuò)展屬于前置，后置是在檢索操作完成后進(jìn)行的訪問控制，對結(jié)果集中的數(shù)據(jù)逐條進(jìn)行授權(quán)過濾。

軟件在設(shè)計階段應(yīng)采用自頂至下，逐步細(xì)化成由許多功能模塊組成的層次結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)。

5 ?成果及數(shù)據(jù)處理

5.1 數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)的所有參數(shù)都以參數(shù)表的形式顯示。參數(shù)頁顯示測點的各項屬性和實時的參數(shù)值/報警，包括測點號、測點名稱、單位、量程、測量值、報警限值、測點位置等信息。表格頁可顯示選中測點的屬性、實時曲線，也可對測點進(jìn)行報警屏蔽。參數(shù)頁可通過頁面導(dǎo)航按鈕進(jìn)行頁面切換。

監(jiān)測軟件分為主界面、趨勢圖、報警顯示、啟動條件、設(shè)備明細(xì)、手動操作、參數(shù)設(shè)置。點左側(cè)任一按鈕可進(jìn)入相應(yīng)界面。其中參數(shù)設(shè)置和手動操作需管理權(quán)限，輸入密碼方可登錄。主界面明確了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可實時顯示參數(shù)狀態(tài)。主界面中也可手動選擇兩臺泵的運行順序。

趨勢圖中，可以對重要參數(shù)進(jìn)行實時曲線顯示，便于對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析。

啟動條件中，滿足條件的指示燈點亮，當(dāng)所有條件都滿足，所有指示燈都點亮SCR系統(tǒng)才允許啟動。

報警顯示分實時報警和歷史報警。實時報警中顯示正在發(fā)生的報警，歷史報警中顯示發(fā)生過已人為確認(rèn)過，及發(fā)生過但已經(jīng)恢復(fù)正常的報警。當(dāng)發(fā)生報警時，發(fā)出報警聲音，文字圖標(biāo)閃爍紅色。

手動操作，可手動開啟或關(guān)閉所有的泵、閥，也可手動設(shè)置比例閥的開度及目標(biāo)流量值。

參數(shù)設(shè)置，可設(shè)置傳感器的量程，模擬量的報警限值，PID的Kp、Ki、Kd參數(shù)，根據(jù)MAP圖柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和功率計算出目標(biāo)流量值。

用戶管理功能，具有用戶登錄、修改密碼、重新登陸和權(quán)限管理功能，對登陸用戶進(jìn)行權(quán)限管理，只有具備相應(yīng)操作權(quán)限的用戶才能進(jìn)行操作。

日志功能，對用戶重要的操作進(jìn)行記錄、查詢，包括用戶管理操作、系統(tǒng)開關(guān)機(jī)時間、控制操作及參數(shù)屬性修改等操作，記錄每個操作的人員、事件、說明和時間。

數(shù)據(jù)存儲功能，具有數(shù)據(jù)的實時收集、處理、存儲和管理功能，可實時記錄各發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、滑油溫度，滑油壓力，冷卻水溫度及故障報警等參數(shù)，并支持?jǐn)?shù)據(jù)和報警的查詢和導(dǎo)出。

5.2 數(shù)據(jù)處理

軟件設(shè)置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，存儲系統(tǒng)配置和用戶管理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)配置包括故障數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)參數(shù)、用戶管理數(shù)據(jù)存儲用戶的登記信息、權(quán)限分配，靈活切換不同的數(shù)據(jù)，不同的用戶級別軟件功能有安全性限值。

柴油機(jī)振動對傳感器信號會產(chǎn)生雜波，同時信號經(jīng)過長距離混合傳輸，也會產(chǎn)生衰減和受到干擾信號，因此在硬件濾波基礎(chǔ)上，還需采取軟件濾波手段。本項目使用了2種方法：去除極值法（去除脈沖尖峰）和數(shù)據(jù)平滑法（去除文波）（如圖4）。

6 ?總結(jié)

本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、制定了合理的控制策略，實現(xiàn)了對尿素噴射過程的控制以及數(shù)據(jù)的監(jiān)測、報警、數(shù)據(jù)存儲等。對變頻器的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并標(biāo)定，結(jié)果表明采用閉環(huán)前饋結(jié)合串級MAP圖控制模式的脫銷效果最合理。

該系統(tǒng)可實現(xiàn)尿素噴射量的靈活控制，運行穩(wěn)定，目前已應(yīng)用于實船上。

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