[发明专利]基于ARMAX和MMPC的船舶SCR系统喷氨量控制方法

说明书

本发明提出了一种基于ARMAX和MMPC的船舶SCR系统喷氨量控制方法，针对传统船舶柴油机SCR脱硝系统存在的在变工况条件下控制精度下降的问题进行改进。控制方法包括：依据入口氮氧化物浓度将船舶柴油机工况分为三种工况；在MATLAB中建立SCR脱硝系统的机理仿真实验平台并进行了三种工况下的仿真；根据仿真得到的离线数据，得到不同工况下的ARMAX模型辨识喷氨控制系统模型；并基于辨识的喷氨控制模型设计了MMPC控制器；本发明获得的控制模型可根据入口氮氧化物浓度来预测系统的工况，并根据工况变化自动切换不同的MPC算法来调整系统需要的喷氨量，在提高脱硝效率的同时还能降低氨气的逃逸量。

技术领域

本发明涉及船舶柴油机尾气脱硝，尤其涉及一种基于ARMAX辨识模型和MMPC的船舶柴油机SCR脱硝系统的多工况条件下的喷氨量控制方法。

背景技术

随着船舶数量的增加,由船舶柴油机排气造成的大气污染问题越来越严重，为了降低排气中氮氧化物(Nitric Oxide，NOx)的排放，国际海事组织(InternationalMaritime Organization，IMO)制定了相关的法规，第58次会议海上环境保护委员会通过了《MARPOL公约73/78附则》VI的修订法规，规定了更为严格的排放标准Tier III，Tier III规定从2016年1月1日开始，废气排放量降低为Tier I排放阶段的20％。为了满足Tier III排放标准，采用选择性催化还原脱硝(Selective Catalytic Reduction DeNOx，SCR-DeNOx)技术限制氮氧化物的排放成为船舶废气排放技术的首选，该技术也是目前唯一可商用的排气后处理技术。

在所有的船舶柴油机后处理技术中，选择性催化还原脱硝(SCR-DeNOx)技术是目前使用最广泛的脱硝技术，其脱硝效率高，可靠性强，而且容易维护。SCR-DeNOx控制系统包括反应器子系统、喷氨控制子系统、检测系统等多个组成部分。其反应机理是在温度为250℃～450℃以及在催化剂(V2O5/TiO2)的作用下，通过喷射氨水(37.5％的尿素水溶液)，将船舶尾气中的NOx还原为无污染的氮气(N2)和水。

SCR-DeNOx的主要化学反应如下所示：

(1)尿素水解反应：

CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂

(2)氨气的吸附和脱附反应：

(3)氨气的SCR反应：

快速反应比标准反应要快一个数量级，在催化剂钒基(Vanadium)中慢速反应十分缓慢，而在铁－沸石(Fe-Zeolite)中慢速反应比标准反应快。但在SCR-DeNOx系统中NO占NOx的90％，快速反应较弱。

在SCR-DeNOx控制系统中，喷氨量控制策略主要有两种方式：固定氨氮摩尔比控制和固定出口NOx浓度控制。两者在控制主回路上基本相同,但固定氨氮摩尔比控制是一种简单的单回路控制系统,根据氨氮摩尔比直接获取喷氨量，该方式忽略了出口NOx浓度值的变化,尤其是喷氨量过高时会造成脱硝过度，氨气的逃逸量大大增加而形成二次污染，而固定出口NOx浓度控制方法则是一个闭环控制系统，脱硝率为函数，其氨氮摩尔比是可变的，通过及时调节喷氨量可避免脱硝过度。