一种串联选择性催化还原系统的模糊控制方法与流程

本发明涉及选择性催化还原系统，具体涉及一种串联选择性催化还原系统的模糊控制方法。

背景技术：

近些年来随着全球环境的恶化和人们环保意识的增强，远洋船舶废气排放问题受到了越来越多国家和相关组织的关注，与船舶废气排放有关的法规也越来越严格。船舶排放的废气中的氮氧化物(NO_X)对地球的大气环境造成了严重污染，所以一些国家组织对NO_X排放制定了标准。国际海事组织(IMO)规定废气中的NO_X含量应降至70％，某些国家对NO_X的排放制定了更加严格的要求,例如，瑞典提出国内船舶NO_X排放限制为2g/(kW·h)，美国海域航行船舶NO_X排放限值为6.4g/(kW·h)，这必须采取后处理方法才能达到。现有的处理NO_X的后处理方法中选择性催化还原法是比较有效和成熟的一种方法，这种后处理方法处理NO_X的效果显著，一般能够降低80％的NO_X，并且这种方法已经应用到实船中，在更好的方法发现之前，选择性催化还原法是目前处理氮氧化物的最好方法。所以，发展和完善这种方法对于保护全球环境有着重大意义。

选择性催化还原法的原理是以氨作为还原剂在催化剂的作用下把NO_X转化为对环境无害的氮气和水。通常为了实现NO_X高的转化效率，会期望加入一个高剂量的氨。但另一方面，加入过多的氨会引起氨泄漏问题，造成二次污染。最终，喷氨量的决定要权衡这两个问题。传统的选择性催化还原系统(SCR)运用的控制方法是PID控制，经过反应后的氮氧化物浓度作为反馈量。但是，只运用PID控制的单SCR系统通常会出现氨泄漏问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种串联选择性催化还原系统的模糊控制方法，该模糊控制方法解决了传统的只运用PID控制的单SCR系统出现氨泄漏的问题，在原始的SCR系统中做了一些改变，通过串联SCR和改变控制方法解决了上述问题，能够避免氨泄漏引起的二次污染，而且能够很好的实现NO_X高的转化效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种串联选择性催化还原系统的模糊控制方法，该方法包含：

第一步，根据选择性催化还原的化学反应方程式，用状态方程表示选择性催化还原，建立数学模型；

第二步，采用第一步建立的数学模型，利用Simulink建立控制模型，所述的控制模型包含：模糊控制模块和串联SCR模糊控制器，所述的模糊控制模块和串联SCR模糊控制器均设有NH₃和NO的输入和输出；

第三步，根据模糊控制模块的NH₃和NO的输入和输出的隶属度函数，以及NH₃和NO的输入和输出的论域，获得隶属度函数图，建立模糊控制方法，用于控制选择性催化还原系统的喷氨量；

第四步，将第三步建立的模糊控制方法设置于模糊控制模块中，运行所述的控制模型，得到仿真结果。

第一步中所述的选择性催化还原的化学反应方程式包含：

氨吸附催化剂反应：

氨解吸附反应：

气相氮氧化物减少反应：

在高温下氨被氧化为NO的反应：

第一步中所述的状态方程如下：

式(5)和式(6)中，C_NO表示串联SCR模糊控制器输出的NO的浓度，C_NH3表示串联SCR模糊控制器输出的NH₃浓度，U表示输入NH₃的浓度，d表示输入NO的浓度，Y表示反应完成后输出NO的浓度，Θ_SC表示氨的总存储量，θ表示表面覆盖率，F表示流量，V_cat表示SCR反应设备的容积，R_j表示反应j的反应率，j代表ads、des、red或ox，ads表示氨吸附催化剂反应，des表示氨解吸附反应，red表示气相氮氧化物减少反应，ox表示在高温下氨被氧化为NO的反应；

其中，

式(7)中，k_j表示反应j的指数前因子，E_j表示反应j需要消耗的能量，R表示通用气体常数，T表示反应温度。

所述的串联SCR模糊控制器包含：SCR模块一、SCR模块二。

其中，所述的SCR模块一能用于监测和控制NO的消除，所述的SCR模块二能用于监测和控制NH₃的消除。

所述的模糊控制模块的输入包含：输入的NO输入量、输入的NH₃输出量-1、输入的NH₃输出量-2和输入的NO输出量-1；

所述的NH₃输出量-1表示SCR模块一监测的经过气相氮氧化物减少反应后的NH₃输出量；

所述的NH₃输出量-2表示SCR模块二监测的经过消除NH₃后的NH₃输出量；

所述的NO输出量-1表示SCR模块一监测的经过气相氮氧化物减少反应后的NO输出量；

所述的模糊控制模块的输出包含：输出的喷氨量。

所述的模糊控制模块的输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属度函数。

所述的模糊控制模块的输入均选择3个隶属度函数。

所述的模糊控制模块的输出选择8个隶属度函数。

所述的模糊控制模块的输入和输出的论域的确定方法如下：

首先，通过模糊控制模块输入的NO输入量的数据曲线确定NO输入量的论域；

其次，通过NO输入量的论域确定喷氨量的论域；

最后，通过NO输入量的范围确定模糊控制模块输入的NH₃输出量-1、和NO输出量-1的论域的最大值，获得NH₃输出量-1、和NO输出量-1的论域的范围，通过喷氨量的论域设置不同的NH₃输出量-2的论域，将NH₃输出量-2的论域设置于模糊控制模块中，并进行运行，得到仿真结果，进行比较得到NH₃输出量-2最优的论域。

所述的控制模型运行方法如下：

所述的模糊控制模块输出喷氨量，将喷氨量信息传递给所述的SCR模块一，SCR模块一输出NH₃输出量-1的信息传递给所述的SCR模块二，并将该信息反馈到模糊控制模块，SCR模块二输出NH₃输出量-2的信息，并将该信息反馈给模糊控制模块，所述的模糊控制模块获得NH₃输出量-1和NH₃输出量-2的信息；

将NO输入量、温度T和流量F的信息输入所述的SCR模块一，SCR模块一输出NO输出量-1的信息，将该信息传递给所述的SCR模块二，同时将该信息反馈给模糊控制模块，将温度T-20K和流量F的信息输入SCR模块二，SCR模块二输出NO输出量-2的信息，所述的模糊控制模块获得NO输出量-1的信息；

将NO输入量的信息输入所述的模糊控制模块，模糊控制模块将获得的NH₃输出量-1、NH₃输出量-2、NO输出量-1和NO输入量的信息，通过第三步所述的模糊控制方法进行计算，获得仿真结果。

本发明提供的一种串联选择性催化还原系统的模糊控制方法，解决了传统的单SCR系统容易造成NH₃泄露，引起二次污染的问题，具有以下优点：

本发明的SCR系统为串联SCR系统，有两个SCR模块，SCR模块一主要用于监测和控制NO的消除，SCR模块二主要用于监测和控制NH₃的消除，能够高效的消除废气中NO和NH₃；本发明采用了模糊控制模块，能够控制喷NH₃量，防止氨的泄露，避免引起二次污染。

附图说明

图1为本发明的NH₃输出量-1、NO输入量或NO输出量-1的隶属函数图。

图2为本发明的NH₃输出量-2的隶属函数图。

图3为本发明的喷氨量的隶属函数图。

图4为本发明的带有模糊控制模块的串联SCR模糊控制器的模型示意图。

图5为本发明的喷氨量和NO输入量的浓度-时间曲线图。

图6为本发明的NO输入量、NO输出量-1和NO输出量-2的浓度-时间曲线图。

图7为本发明的喷氨量、NH₃输出量-1和NH₃输出量-2的浓度-时间曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提供的一种串联选择性催化还原系统的模糊控制方法，该方法包含：

第一步，根据选择性催化还原的化学反应方程式，用状态方程表示选择性催化还原，建立数学模型；

第二步，采用第一步建立的数学模型，利用Simulink建立控制模型，Simulink能够提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，所述的控制模型包含：模糊控制模块和串联SCR模糊控制器，所述的模糊控制模块和串联SCR模糊控制器均设有NH₃和NO的输入和输出；

第三步，根据模糊控制模块的NH₃和NO输入和输出的隶属度函数，以及NH₃和NO输入和输出的论域，获得隶属度函数图，建立模糊控制方法，用于控制选择性催化还原系统的喷氨量；

第四步，将第三步建立的模糊控制方法设置于串联SCR模糊控制器的模糊控制模块中，运行控制模型得到仿真结果。

1、数学模型的建立

第一步中的择性催化还原的化学反应方程式包含：

氨吸附催化剂反应：

氨解吸附反应：

气相氮氧化物减少反应：

在高温下氨被氧化为NO的反应：

根据上述的化学反应方程式，通过如下状态方程，建立数学模型：

式(5)和式(6)中，C_NO表示串联SCR模糊控制器输出的NO的浓度，C_NH3表示串联SCR模糊控制器输出的NH₃浓度，U表示输入NH₃的浓度，d表示输入NO的浓度，Y表示反应完成后输出NO的浓度，Θ_SC表示氨的总存储量，θ表示表面覆盖率，F表示流量，V_cat表示SCR反应设备的容积，R_j表示反应j的反应率(j＝ads,des,red,ox)，ads表示氨吸附催化剂反应，des表示氨解吸附反应，red表示气相氮氧化物减少反应，ox表示在高温下氨被氧化为NO的反应。

其中，

式(7)中，k_j表示反应j的指数前因子，E_j表示反应j需要消耗的能量，R表示通用气体常数，T表示反应温度。

当此状态方程建立的数学模型用于控制SCR模块一时，式(5)和式(6)中，C_NO具体代表SCR模块一输出的NO的浓度，C_NH3表示SCR模块一输出的NH₃浓度，Y表示反应完成后SCR模块一输出的NO的浓度；当此状态方程建立的数学模型用于控制SCR模块二时，式(5)和式(6)中，C_NO具体代表SCR模块二输出的NO的浓度，C_NH3表示SCR模块二输出的NH₃浓度，Y表示反应完成后SCR模块二输出的NO的浓度。

2、控制模型

如图4所示，控制模型包含：模糊控制模块和串联SCR模糊控制器，串联SCR模糊控制器包含：SCR模块一、SCR模块二。

其中，模糊控制模块设有4个输入和1个输出，4个输入分别为输入的NO输入量、输入的NH₃输出量-1、输入的NH₃输出量-2和输入的NO输出量-1，1个输出为输出的喷氨量。

NH₃输出量-1表示SCR模块一监测的经过气相氮氧化物减少反应后的NH₃输出量。

NH₃输出量-2表示SCR模块二监测的经过消除NH₃后的NH₃输出量。

NO输出量-1表示SCR模块一监测的经过气相氮氧化物减少反应后的NO输出量。

SCR模块一能用于监测和控制NO的消除，SCR模块二能用于监测和控制NH₃的消除。

3、获得隶属度函数图

(1)隶属度函数

为了减少仿真时间，并且简化模糊控制规则，模糊控制模块的NH₃输出量-1的输入、NO输入量的输入、NO输出量-1的输入及喷氨量的输出的隶属度函数均采用三角形隶属度函数。其中，NH₃和NO输入的隶属度函数的个数均定位为3个，名称分别为底、中、高，存在3⁴＝81种结果。其中，NH₃输出的隶属度函数的个数定为8个，名称分别为1到8。

4种输入的隶属度函数可以有81种组合，每种组合与输出并不是一一对应的关系，这81种组合对应的输出存在着重叠，所以输出的隶属度函数个数选用8个是足够的。

在建立模糊控制时的基本方法为：模糊控制模块输出的喷氨量主要由输入的NO输入量决定，输入NO增多，则输出的喷氨量增加。同时，喷氨量还受输入的NH₃输出量-1，NH₃输出量-2，NO输出量-1这三个反馈量影响。当NH₃输出量-1，NH₃输出量-2增加时，则输出的喷氨量应适当减少。当NO输出量-1增加时，输出的喷氨量应适当增加。依据这个基本方法，使得模糊控制既能满足去除氮氧化物的要求又能使氨泄漏问题减少。

(2)确定论域

首先，根据模糊控制模块输入的NO输入量的数据曲线，确定模糊控制模块的NO输入量的输入论域为[0 0.017]；

其次，通过NO输入量的论域确定模糊控制模块的喷氨量的论域，即喷氨量论域为[0 0.017]；

最后，通过NO输入量的范围确定模糊控制模块输入的NH₃输出量-1、和NO输出量-1的论域的最大值0.017，获得NH₃输出量-1、和NO输出量-1的论域的范围为[0 0.017]，通过喷氨量的论域设置五种NH₃输出量-2的论域，这五种论域分别为[0 0.017]，[0 0.012]，[0 0.01]，[0 0.005]，[0 0.003]，将这五种论域设置于模糊控制模块中，并进行运行，得到仿真结果，进行比较得到NH₃输出量-2最优的论域为[0 0.005]。

(3)隶属度函数图

通过确定输入和输出的隶属度函数和论域，最终可以得到输入和输出的隶属函数图。由于模糊控制模块的NH₃输出量-1、NO输入量和NO输出量-1的隶属度函数个数和论域相同，因此它们的隶属函数图也相同。如图1所示，为NH₃输出量-1、NO输入量或NO输出量-1的隶属函数图。如图2所示，为NH₃输出量-2的隶属函数图。如图3所示，为喷氨量的隶属函数图。

4、仿真结果

控制模型的运行方法如下：

模糊控制模块输出喷氨量，将喷氨量信息传递给SCR模块一，SCR模块一输出NH₃输出量-1的信息传递给SCR模块二，并将该信息反馈到模糊控制模块，SCR模块二输出NH₃输出量-2的信息，并将该信息反馈给模糊控制模块，模糊控制模块获得NH₃输出量-1和NH₃输出量-2的信息。

将NO输入量、温度T和流量F的信息输入SCR模块一，SCR模块一输出NO输出量-1的信息，将该信息传递给SCR模块二，同时将该信息反馈给模糊控制模块，将温度T-20K和流量F的信息输入SCR模块二，SCR模块二输出NO输出量-2的信息，模糊控制模块获得NO输出量-1的信息。T-20K表示SCR模块二的温度比SCR模块一的温度低20K，为了避免高温下NH₃被氧化为NO，SCR模块二要控制好相应化学反应的温度。

将NO输入量的信息输入模糊控制模块，模糊控制模块将获得的NH₃输出量-1、NH₃输出量-2、NO输出量-1和NO输入量的信息，通过第三步所述的模糊控制方法进行计算，获得仿真的结果。

如图5、图6和图7所示的仿真结果。如图5所示，喷氨量和NO输出量基本一致，说明模糊控制模块输出的喷氨量主要由输入的NO输入量决定，输入NO增多，则输出的喷氨量增加。如图6所示，NO输出量-1与NO输入量的变化基本一致，当NO输入量增加，消除NO的难度也相应增加，NO输出量-1也随之增加。如图7所示，NH₃输出量-1和NH₃输出量-2与喷氨量变化基本一致，当NH₃输出量-1，NH₃输出量-2增加时，则输出的喷氨量应适当减少。

综上所述，本发明用于提供一种串联选择性催化还原系统的模糊控制方法，该方法不再采用原始的PID控制，而是运用模糊控制，将原本的单SCR系统改为串联SCR系统，能够很好的控制喷NH₃量，避免了氨泄漏引起的二次污染，而且能够很好的实现NO_X高的转化效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。