基于SCR的船舶尾气脱硝装置尿素喷射控制方法研究

摘要

为应对船舶柴油机排气中氮氧化物带来的大气污染问题，国际海事组织制定并通过了一系列法规，对船舶柴油机排气中NOX的含量作出严格限值要求。选择性催化还原（SCR）技术是目前航运业界公认最为有效的NOX减排技术。SCR系统实现NOX减排目标的关键在于对尿素喷射量的控制，为此本文建立柴油机SCR系统控制模型和柴油机排气NOX浓度预测模型，进而对SCR系统尿素喷射控制方法展开研究。 分析确定SCR催化器内化学反应遵循的机理以及主要的反应过程，确定NOX和NH3的标准反应和快速反应，NH3的吸附与解吸附反应以及吸附态的NH3的氧化反应，以各组分浓度的变化量为状态变量建立SCR系统数学模型。并在此基础上验证模型的有效性，仿真结果表明将SCR系统划分成两个微元的仿真模型完全符合真实SCR系统特性。 针对柴油机SCR系统对排气质量流量、排气成分和排气温度控制精度要求高的特点，采用最小二乘支持向量机（LSSVM）建立柴油机排气NOX浓度预测模型，使用改进粒子群算法对LSSVM核函数参数和惩罚因子迭代寻优，根据船舶正常航行时柴油发动机的转速与负荷，实时预测排气中NOX浓度以及排气温度、质量流量，从而计算尿素的基本喷射量。仿真结果表明NOX浓度预测模型可以准确预测柴油机排气中NOX浓度、排气质量流量以及温度，最大相对误差分别为1.51%、1.24%、1.05%。 将SCR系统气态NOX和气态NH3看成静态元素，针对船舶柴油机SCR系统设计非线性模型预测控制器，以SCR系统催化器出口NOX浓度作为控制输出，氨逃逸作为系统的约束输出，控制尿素的喷射量。分别在稳定工况和循环工况下仿真试验，验证其控制性能，仿真结果显示稳定工况下SCR系统NOX转化效率最高为93.30%，同时能保证氨逃逸在9.545ppm以下；循环工况下，NOX的排放为1.095h)g/(kW·h)，符合TierⅢ排放标准。

目录

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第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 船舶NOX排放控制技术及问题

1.2.1 船舶NOX排放控制技术

1.2.2 船用SCR系统面临的问题

1.3 SCR系统控制策略研究现状

1.3.1 国外SCR系统控制策略研究现状

1.3.2 国内SCR系统控制策略研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 SCR催化还原反应模型研究

2.1 Urea-SCR催化反应原理

2.1.1 Urea-SCR催化反应机理

2.1.2 Urea-SCR催化反应过程

2.2 Urea-SCR催化还原数学模型

2.2.1 尿素水解

2.2.2 氨气的吸附与解吸附

2.2.3 吸附态的氨与NOX催化还原

2.2.4 吸附态的氨氧化

2.3 Urea-SCR反应器模型

2.3.1 NOX 模型

2.3.2 NH3模型

2.3.3 氨覆盖率模型

2.3.4 温度模型

2.4 本章小结

第3章 SCR反应器模型分析与验证

3.1 SCR系统性能评价指标

3.1.1 NOX转化效率

3.1.2 NH3逃逸率

3.1.3 SO2/SO3转化率

3.1.4 SCR系统运行寿命

3.2 SCR反应器模型验证

3.2.1 氨氮比对模型输出影响

3.2.2 排气温度对模型输出影响

3.2.3 排气质量流量对模型输出影响

3.3 本章小结

第4章 柴油机排气NOX浓度预测模型

4.1 支持向量机预测方法

4.1.1 支持向量机基本原理

4.1.2 最小二乘支持向量机

4.1.3 最小二乘支持向量机建模步骤

4.2 粒子群优化算法分析

4.2.1 粒子群算法基本原理

4.2.2 粒子群算法流程

4.3 改进PSO-LSSVM的NOX浓度预测模型

4.3.1 学习样本的选取和预处理

4.3.2 柴油机NOX浓度预测模型

4.3.3 NOX浓度预测模型训练结果验证

4.3.4 NOX浓度预测模型泛化能力验证

4.4 本章小结

第5章 柴油机SCR系统尿素喷射控制策略研究

5.1 SCR系统闭环控制策略

5.2 双微元SCR系统预测控制

5.2.1 模型预测控制

5.2.2 双微元SCR系统预测模型

5.3 基于非线性模型预测控制的SCR控制系统

5.3.1 非线性模型预测控制问题描述

5.3.2 SCR系统非线性模型预测控制器设计

5.4 NMPC控制系统仿真分析

5.4.1 稳定工况仿真研究

5.4.2 循环工况仿真研究

5.5 SCR系统闭环控制效果对比

5.5.1 基于串级PID控制的SCR控制系统

5.5.2 控制效果对比分析

5.6 本章小结

全文总结与工作展望

全文总结

工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果

致谢