APP下载

船用柴油机SCR监控系统设计

2022-01-17肖丹丹王龙

内燃机与配件 2022年2期
关键词:监控系统

肖丹丹 王龙

摘要:船用柴油机上配备排放后处理装置已成大势所趋,选择性催化还原(SCR)技术是机外净化技术,目前是最流行和成熟的,国内外很多国家和机构进行了SCR系统的研究,考虑到SCR系统优劣的判断极大依赖于本身的控制方案和监控制系统,针对SCR系统的工作模式,分析SCR的功能需求、控制模型,完成系统架构和功能设计,构建稳定、可靠的船用SCR监控系统。

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.

关键词:船用柴油机;SCR技术;监控系统

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

中图分类号:U662.1                               文献标识码:A                                  文章编号:1674-957X(2022)02-0027-03

0  引言

SCR控制系统通过控制尿素喷射量,在催化剂作用下实现柴油机尾气中氮氧化物的转化。传统的做法是通过PID闭环控制算法调节尿素喷射量使脱销率基本稳定在期望值,然而其控制精准度并不十分理想,如控制的超调量、稳定时间和响应时间等还有待提高。因此有必要建立一套SCR系统的模型,采用一种先进控制算法,提升SCR控制系统的性能。

本文在分析了船用柴油机SCR系统需求的基础上,对SCR控制系统模型进行了研究,采用高性能硬件模块,基于经典控制理论,设计开发出一套船用SCR监控系统,并通过试验验证系统软硬件功能及控制策略,满足SCR系统控制目标。

1  系统构建

船用SCR系统主要由尿素溶液供给单元、尿素溶液计量喷射单元、吹灰单元、SCR反应器单元组成。SCR系统组成如图1所示。

本系统采用西门子PLC作为SCR系统控制器,运用博图软件组态、编程。采用模塊化分割方法对系统级模型进行分割,设计基于模块化的上层应用软件,可实现状态参数监测、功能故障诊断、MAP图查询等功能。

2  控制模型

目前系统采用PID加前馈的闭环控制算法,采用自回归滑动平均模型。

自回归滑动平均模型(Auto Regressive Moving Average,ARMA)是时间序列模型中的一种典型模型。ARMA模型是一种常用的工程实用模型,它是最小二乘法的推广应用。该方法考虑了实际系统噪声的有色性、抗噪性较强,可对模型参数进行无偏估计。

考虑到SCR反应器是一个二输入一输出的系统,其表达式如下:

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)分别表示输入和输出序列;

u——处理前NOX质量流量(g/s);

v——氨水溶液喷射体积流量(L/hr);

y——处理后NOX质量流量(g/s)。

ARMA模型的辨识过程中,最重要的是各个变量样本数据的阶数确定,在阶数确定的同时,回归参数也可以跟着确定。因此,ARMA模型的辨识,就是阶次的确定过程,伴随着各个参数的产生,从而得到完整的ARMA模型。

本文主要以拟合误差为订阶准则,在性能相差不大的情况下,优先选取低阶模型。

3  本系统模型结构

SCR系统模型,主要指反应器模型,反应器模型是一个两输入一输出的模型,输入为处理前NOX排放质量流量和氨水溶液喷射体积流量,输出为处理后NOX排放质量流量(如图2)。

使用以下公式计算处理后的NOX质量流量:

NOX质量流量=排气体积流量*排气总管截面*排气密度*NOX质量浓度

其中:排气总管截面积=3.14*0.3*0.3=0.2826m2

排气密度=1.293*(排气气压/标准大气压)*[273/(273+排气温度)]kg/m3

排气流速=0.79*sqrt[2*排气压差*(273+排气温度)/(273*1.293)]

排气体积流量=排气流速*压差传感器截面积=排气流速*0.2826m2

综合以上,NOX质量流量=5.9319*sqrt[排气压差/(273+K)* NOX质量浓度]

4  系统软件实现

系统软件分为两部分:PLC控制程序,机旁监控HMI。软件总体设计采用模块化的程序设计思想。PLC主要做信号采集与处理、逻辑控制、尿素溶液计量控制、泵阀的控制等。监控HMI主要进行数据显示、控制参数在线修改、报警信息处理、历史数据的保存和显示,以及手动开关泵阀等。

软件采取安全措施保证系统结构性参数、原始设计及一些重要参数的安全性,非授权人员不能修改这些参数,必要时可恢复原设计设定。

控制软件具有较全面的控制对象安全保护措施和限制功能,包括运行联锁限制;操作指令逻辑判断、错误提示;设定值修改密码、边界限制;容错纠错设计。

4.1 控制软件设计

软件设计由主流程和子流程组成,子流程主要有:系统自检、准备状态控制、给料状制、停机控制、吹扫控制。

4.1.1 系统自检

开机上电,检查是否有机旁紧停和遥控紧停,系统是否有综合故障停机报警,压缩空气入口压力、泵后压力、反应器出入口温度、流量计、NOX传感器、等重要传感器是否断线,如有,系统无法启动。满足启动条件HMI上指示灯点亮。

4.1.2 准备状态控制

满足初始化和启动状态后,判断单个SCR遥控紧停是否报警,是否检测到柴油机的开机信号,检测到开机信号后,打开压缩空气给定阀,清洗阀和喷射阀,60s后关闭清洗阀,检查离心泵后压力是否断线,如果断线切换至备用离心泵,如果未断线继续执行以下操作,离心泵启动,离心泵过载或1min后判断泵后压力,如果小于0.2MPa,离心泵启动失败,切换至备用离心泵。备用离心泵过载或启动1min后判断泵后压力,如果小于0.2MPa,备用离心泵启动失败,关闭压缩空气给定阀和喷射阀,系统停机。上述泵启动后,无故障,泵后压力大于0.2MPa,允许进入给料状态。

4.1.3 给料控制

进入给料状态后,当SCR的反应器后温度大于250℃,开启尿素溶液出口阀,给MAP图调整比例调节阀允许信号,在这一过程中比较尿素流量设定值与实际值,比较值大于1.5L后,如果300s内持续保持大于这一值,报对应SCR喷嘴故障。MAP图的设定以及PID的设定都在触摸屏上进行设定,并保持数据。

4.1.4 停机控制

主电源断电,系统故障,本地紧停,按下系统停止按钮,均导致系统停机。关闭离心泵,1s之后关闭尿素溶液出口阀,同时给比例调节阀50%开度,打开清洗阀,300s之后关闭喷射阀、清洗阀和0%开度关闭比例调节阀,关闭压缩空气给定阀。

4.1.5 吹扫控制

当反应器压差大于1200Pa或4小时内未执行吹扫, 3s后开启反应器1号吹扫装置,5s之后关闭,120s之后开启反应器2号吹扫装置,5s之后关闭,120s反应器压差还是大于1200Pa,重复上次吹扫动作,执行循环3次后反应器压差仍大于1200Pa报警,SCR吹扫失效报警。

4.2 监测软件设计

监测软件为SCR监控系统提供人机界面,实现图形、报警列表、参数列表等显示功能以及数据的存储、调阅及打印等功能。本系统监测软件界面动态实时显示柴油机SCR重要设备的运行工况,以图形形式直观地显示系统单线图、参数显示图、系统网络通讯状态、实时曲线图等,以表格页分组显示监测数据。

现场采集实时数据和历史同步数据,对实时数据进行显示刷新,对历史数据进行存储。提供实时数据查询接口、历史数据查询接口、报警与事件查询接口、统计数据查询接口。本系统监测软件结构如图3所示。

①数据处理:将大容量存储的数据库类型归成几类,制定相应的数据接口驱动协议。

②数据检索:检索条件分析、检索功能调用、检索结果遍历、检索结果格式化以及检索结果输出。

③访问控制:访问控制方法分前置和后置为两类,分类条件过滤及检索条件扩展属于前置,后置是在检索操作完成后进行的访问控制,对结果集中的数据逐条进行授权过滤。

软件在设计阶段应采用自顶至下,逐步细化成由许多功能模块组成的层次结构的软件系统。

5  成果及数据处理

5.1 数据显示

系统的所有参数都以参数表的形式显示。参数页显示测点的各项属性和实时的参数值/报警,包括测点号、测点名称、单位、量程、测量值、报警限值、测点位置等信息。表格页可显示选中测点的属性、实时曲线,也可对测点进行报警屏蔽。参数页可通过页面导航按钮进行页面切换。

监测软件分为主界面、趋势图、报警显示、启动条件、设备明细、手动操作、参数设置。点左侧任一按鈕可进入相应界面。其中参数设置和手动操作需管理权限,输入密码方可登录。主界面明确了系统结构,可实时显示参数状态。主界面中也可手动选择两台泵的运行顺序。

趋势图中,可以对重要参数进行实时曲线显示,便于对系统状态进行分析。

启动条件中,满足条件的指示灯点亮,当所有条件都满足,所有指示灯都点亮SCR系统才允许启动。

报警显示分实时报警和历史报警。实时报警中显示正在发生的报警,历史报警中显示发生过已人为确认过,及发生过但已经恢复正常的报警。当发生报警时,发出报警声音,文字图标闪烁红色。

手动操作,可手动开启或关闭所有的泵、阀,也可手动设置比例阀的开度及目标流量值。

参数设置,可设置传感器的量程,模拟量的报警限值,PID的Kp、Ki、Kd参数,根据MAP图柴油机转速和功率计算出目标流量值。

用户管理功能,具有用户登录、修改密码、重新登陆和权限管理功能,对登陆用户进行权限管理,只有具备相应操作权限的用户才能进行操作。

日志功能,对用户重要的操作进行记录、查询,包括用户管理操作、系统开关机时间、控制操作及参数属性修改等操作,记录每个操作的人员、事件、说明和时间。

数据存储功能,具有数据的实时收集、处理、存储和管理功能,可实时记录各发电机组的转速、滑油温度,滑油压力,冷却水温度及故障报警等参数,并支持数据和报警的查询和导出。

5.2 数据处理

软件设置基础数据库,存储系统配置和用户管理数据。系统配置包括故障数据和历史数据参数、用户管理数据存储用户的登记信息、权限分配,灵活切换不同的数据,不同的用户级别软件功能有安全性限值。

柴油机振动对传感器信号会产生杂波,同时信号经过长距离混合传输,也会产生衰减和受到干扰信号,因此在硬件滤波基础上,还需采取软件滤波手段。本项目使用了2种方法:去除极值法(去除脉冲尖峰)和数据平滑法(去除文波)(如图4)。

6  总结

本监控系统设计、制定了合理的控制策略,实现了对尿素喷射过程的控制以及数据的监测、报警、数据存储等。对变频器的PID参数进行调整并标定,结果表明采用闭环前馈结合串级MAP图控制模式的脱销效果最合理。

该系统可实现尿素喷射量的灵活控制,运行稳定,目前已应用于实船上。

参考文献:

[1]张伟伟.工业锅炉燃烧系统辨识与建模研究[D].上海交通大学,2007.

[2]王传航.基于PLC的船用SCR装置控制系统设计与仿真[D].大连海事大学,2016.

[3]董晶.SCR装置在船舶氮氧化物排放控制中的应用[J].江苏船舶,2012(4).

[4]王传航.船用柴油机SCR控制系统研究与开发[D].哈尔滨工程大学,2015.

[5]宋佩茜.船舶柴油机故障诊断数据库系统设计[J].柴油机,2018(6).

猜你喜欢

监控系统
基于Ganglia和Nagios的云计算平台智能监控系统
KJJ58型井下移动目标监控系统在麦垛山煤矿的应用
无线广播电视安全优质播出的技术分析
县级区域雨量站观测设备监控系统的研究与设计
基于Zigbee技术的煤矿井下通风机监控系统设计