Μάθημα: Ειδικά Συστήματα Ελέγχου Πλοίου( ) Κεφάλαιο: Συστήματα Ελέγχου Μηχανής

Transcript

1 Μάθημα: Ειδικά Συστήματα Ελέγχου Πλοίου( ) Κεφάλαιο: Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Δρ.ΓεώργιοςΠαπαλάμπρου 1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται συστήματα ελέγχου μηχανών Diesel που χρησιμοποιούνται κυρίως για την μείωση αερίων ρύπων. Παρουσιάζεται έτσι ένα σύστημα ελέγχου ανακυκλοφορίας καυσαερίου καθώς επίσης και ένα σύστημα ελέγχου ρύπων NOx με αμμωνία. 2 Συστήματα με Επανακυκλοφορία Αερίων Εξαγωγής Το παγκόσμιο ενδιάφερον σε περιβαλλοντικό ζητήματα, όπως οι εκπομπές NOx και η επιρροή τους στην ανθρώπινη υγεία και στη δημιουργία όξινης βροχής, καθώς επίσης και οι νομικοί περιορισμοί, ώθησαν ολόκληρη την βιομηχανία μηχανών, στη μελέτη και εφαρμογή τεχνολογιών μείωσης NOx. Οικανονισμοί IMO Tier II, IMO Tier IIIπουαναμένεταινατεθούνσεισχύ το 2011 και το αντίστοιχα επιβάλουν αυστηρή μείωση σε εκπομπές NOx. Το σύστημα EGR(επανακυκλοφορία αερίων εξαγωγής) έχει παρουσιάσει ελπιδοφόρα αποτελέσματα στη μείωση NOx σε μηχανές Diesel για δεκαετίες και χρησιμοποιείται συνήθως στα φορτηγά. Από το 2002, η τεχνολογία EGR έχει βελτιωθεί με την εισαγωγή δοχείων ψύξης όπου μειώνονται περαιτέρω τα NOx. Μειώσεις μέχρι 60% έχουν επιτευχθεί από τότε στα φορτηγά. Το EGR δεν έχει χρησιμοποιηθεί στα μεγάλα σκάφη λόγω δυσχεριών από την χρήση residual fuels. Αυτές οι δυσκολίες προκαλούνται κυρίως από τις όξινες επικαθίσεις αιθάλης που θα έβλαπταν το στροβιλοσυμπιεστή και θα προκαλούσαν αυξημένες εκπομπές καπνού. Η MAN BW δοκίμασε το 2007 σύστημα EGR στον αργόστροφο πειραματικό κινητήρα 4Τ50ΜΕ-Χ στην Κοπεγχάγη. Με την χρησιμοποίηση του πρωτότυπου συστήματος EGR, η μέγιστημείωσησε NOxήταν70%σεφορτίο75%καιμείωσησε NOx60%στο MCR,με ΕΝΜ/ΕΜΠ, george.papalambrou@lme.ntua.gr 1

2 ελαφρώς αρνητικό SFOC. Σύμφωνα με μετρήσεις επαλήθευσης, άλλοι παράμετροι εκπομπών και τμήματα μηχανής επηρεάσθηκαν σχετικά λίγο κατά την λειτουργία του EGR. Η διαδικασία που χρησιμοποιείται είναι βασισμένη στην επανακυκλοφορία των αερίων εξαγωγής στην πλευρά του στροβιλοσυμπιεστή. ΣτοΣχήμα1φαίνεταιτοσύστημα EGR. Σχήμα 1: Σύστημα EGR ναυτικού κινήτηρα Diesel Μέρος των αερίων εξαγωγής ανακυκλοφορεί από το exhaust gas receiver προς το σύστημα scavenge air κατάντι του συμπιεστή. Ενας ηλεκτρικός ανεμιστήρας blower με υψηλή πίεση αναγκάζει το καυσαέριο να περάσει από μία μονάδα wet scrubber(καθαριστής κατιονισμού) προτού οδηγηθεί στο τμήμα εισαγωγής scavenge air receiver. Η μονάδα scrubber καθαρίζει τα καυσαέρια αφαιρώντας SOx και σωματίδια αλλά και τα κρυώνει με ύγρανση, προτού τελικά αυτά οδηγηθούν στον θάλαμο καύσης. Ως επακόλουθο της αντικατάστασης του οξυγόνου με CO 2 έχουμετηνμείωσητων NOx,εφόσονμειώνεταιημέγιστηθερμοκρασίακατάτηνκαύση. Στο Σχήμα 2 φαίνονται συστήματα EGR Scrubber και EGR Blower. Περιλαμβάνεται επίσης μια βαλβίδα ελέγχου, ένα σύστημα επεξεργασίας νερού για την υποστήριξητου scrubberκαιένα PLC 1 γιατονέλεγχοτουσυστήματοςεπεξεργασίαςνερού. Το scrubber και ο ανεμιστήρας είναι ζωτικής σημασίας συστήματα που σχεδιάστηκαν ειδικά για το σύστημα EGR. 1 Programmable Logic Controller:βιομηχανικούτύπουελεγκτής,μεπρογραμματιζόμενηλογική 2

3 Σχήμα 2: Σύστηματα EGR Scrubber(αριστερά) και EGR Blower Κατά τις δοκιμές αξιολόγησης, πραγματοποιήθηκαν μεταβολές σε παράγοντες όπως το ποσοστό ανακυκλοφορίας μέσω EGR, το φορτίο, τη θερμοκρασία αέρα στο σύστημα scavenge air, το προφίλ του ψεκασμού του καυσίμου, προκειμένου να εξεταστεί η επίδρασή τους στους ρύπους NOx και στην κατανάλωση. Στο φορτίο 75%, τα NOx μειώθηκαν μέχρι 70%(συγκρινόμενα με την βασική μηχανή), με 30% επανακυκλοφορία του καυσαερίου. Στο MCR τα NOx μειώθηκαν κατά 60% με επανακυκλοφορία 24%, με μικρή αρνητική επίδραση στην κατανάλωση. Ηκατάστασητωνκυλίνδρωνμελετήθηκεπρινκαιμετάαπότηνχρήσητου EGRχωρίς εμφανή αρνητικά αποτελέσματα, αλλά ο έλεγχος των συνθηκών του αέρα προσαγωγής ώστε να παραμένει χωρίς σταγονίδια νερού είναι ζωτικής σημασίας για την προστασία των χιτωνίων και ελατηρίων των εμβόλων. Η Wartsila έχει μελετήσει συστήματα EGR για τις μεγάλες θαλάσσιες μηχανές και έχει καταλήξει στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν προβλήματα λόγω επικαθίσεων και διάβρωσης από την χρήση βαρέος καυσίμου. Για να αποφύγουν αυτά τα προβλήματα χρησιμοποιούν εσωτερική επανακυκλοφορία για να κρατήσουν μέρος των αέριων που συμμετείχαν στην καύση μέσα στον θάλαμο καύσης με μικρότερες θυρίδες αέρα εισαγωγής και μικρότερους στροβιλοσυμπιεστές. Η θερμοκρασία μέσα στον θάλαμο καύσης μειώνεται στο επίπεδο που θα ήταν χωρίς επανακυκλοφορία με τη χρησιμοποίηση απευθείας ψεκασμού νερού. Η Wartsilα επιτυγχάνει τώρα τη μείωση NOx μέχρι 70% (5 g/kwh) με το σύστημα Water Cooled Residula Gas, ως συνδιασμό εσωτερικού EGR, απευθείας ψεκασμού νερού και τεχνολογίας παροχής καυσίμου common rail και μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων εξαγωγής (variable exhaust valve timing) στην ηλεκτρονική μηχανή RT-flex. 3

4 3 Συστήματα Selective Catalytic Reduction-SCR Λόγω των αυστηρών ορίων αερίων ρύπων που επιβάλλονται σε μηχανές diesel, παρουσιάζεται η ανάγκη χρήσης συστημάτων μείωσης ρύπων μετά την εξαγωγή του κινητήρα(aftertreatment). Οι κυριώτεροι τέτοιοι τρόποι μείωσης αερίων ρύπων σε μηχανές diesel είναι οι εξής Φίλτρα σωματιδίων(particulate filters) Παγίδες NOx(NOx traps) Επιλεκτική καταλυτική μείωση(selective Catalytic Reduction-SCR) Τα πρώτα δύο συστήματα έχουν το μειονέκτημα ότι για την αναγέννησή τους απαιτείται για τα μεν φίλτρα υψηλή θερμοκρασία και για τις δε παγίδες καυσαέρια πλούσια σε ρύπους. Το αποτέλεσμα είναι ότι κατά την φάση της αναγέννησης θα αυξηθεί η κατανάλωση καυσίμου. Η μέθοδος SCR απαιτεί έναν επιπλέον φορέα(agent), την ουρία(urea) σε ξεχωριστό δοχείο, που όμως είναι μη τοξική και οικονομική. Το σύστημα SCR με ουρία έχει μεγάλες δυνατότητες μείωσης NOx, είναι δε ευρέως διαδεδομένο σε εργοστάσια παραγωγής, όπου επικρατούν σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Σε εφαρμογές μεταφορών όμως ο όγκος του καταλυτικού μετατροπέα είναι περιορισμένος και ο κινητήρας λειτουργεί σε συνθήκες μεταβατικής φόρτισης τον περισσότερο χρόνο. Λόγω των γρήγορων μεταβολών στη θερμοκρασία των καυσερίων καιστονυψηλόπαράγοντα GHSV 2 παρατηρείταιέκλυσηαμμωνίαςπουδενέχειαντιδράσει, φαινόμενο γνωστό ως ammonia slip. Ενας καταλυτικός μετατροπέας για μηχανές Diesel δεν μπορεί να λειτουργήσει όπως σε μηχανές SI, λόγω της περίσσειας οξυγόνου στα καυσαέρια. Αυτό αντιμετωπίζεται με χρήση φορέα μείωσης όπως είναι η αμμωνία. Για λόγους δοσομετρίας και ασφαλείας, η αμμωνία εγχέεται σαν διάλυμμα νερού-ουρίας όπου διασπάται στον καταλυτικό μετατροπέα σε αμμωνία και διοξείδιο του άνθρακα. Στο Σχήμα 3 φαίνεται σύστημα SCR, με τους δύο καταλυτικούς μετατροπείς και την έγχυση της ουρίας. Αποτελείται από ένα καταλύτη οξείδωσης(oxidation catalyst), τον εγχυτήρα του διαλύμματος ουρίας(urea injector) και τον καταλυτικό μετατροπέα(catalytic converter). Οι δείκτες u,m,dπροσδιορίζουνταμεγέθηθερμοκρασίας θ πίεσης p, συγκέντρωσης NOx,NH 3 και παροχής ṁ στις θέσεις ανάντι, μέση και κατάντι αντίστοιχα της εγκατάστασης. 2 Ως Gas Hourly Space Velocity θεωρείται το αντίστροφο του χρόνου παραμονής και ορίζεται ως η ογκομετρική παροχή του αερίου ανά όγκο καταλύτη. Υψηλότερη τιμή GHSV σημαίνει μείωση χρόνου επαφής μεταξύ του αερίου και του καταλύτη 4

5 Σχήμα 3: Πλήρες σύστημα SCR με τους δύο καταλυτικούς μετατροπείς και την έγχυση της ουρίας Συστήματα SCR με αμμωνία ή ουρία έχουν χρησιμοποιηθεί για πολλά έτη σε εργοστάσια παραγωγής και θαλάσσιες εφαρμογές με κινητήρες diesel όπως επίσης και για τον έλεγχο NOx στροβιλομηχανών. Οι πρώτες θαλάσσιες μονάδες SCR εγκαταστάθηκαν το 1989 και το 1990 σεδύοκορεατικά carriers MT.Ταδύοσκάφηδιέθετανμηχανές diesel8mw. Τα συστήματα SCR αμμωνίας σχεδιάστηκαν για 92% μείωση NOx. Από τότε πολυάριθμα σκάφη ιδίως στην Ευρώπη έχουν εξοπλιστεί με διάφορα συστήματα μείωσης SCR. Η αμμωνία και η ουρία έχουν αποδειχθεί οι μόνοι φορείς που είναι εμπορικά εφαρμόσιμοι. Και οι δύο χημικές ουσίες χρησιμοποιούνται ευρέως ως πηγή αζώτου στις γεωργικές εφαρμογές και επομένως είναι εύκολα διαθέσιμες σε μια λογική τιμή. Το αέριο αμμωνίας είναι δυσκολότερο στο χειρισμό και την αποθήκευση, ενώ η ουρία χρησιμοποιείται σε διάλυμμα, τυπικά περίπου σε 40% σε βάρος. Η ουρία με θέρμανση διασπάται σε αμμωνία, διαδικασία που απαιτεί μήκος σωλήνα εξαγωγής ίσο με 2-3 μέτρα. Στο Σχήμα 4 φαίνεται ένα πλήρες σύστημα SCR για 4-Χ κινητήρα diesel της εταιρείας Wartsila. Για ένα αργόστροφο 2-Χ κινητήρα Diesel, ο καταλύτης εγκαθίσταται συνήθως πριν από το στροβιλοσυμπιεστή. Το ποσοστό προσθήκης της ουρίας σε αυτό το σύστημα Wartsila ελέγχεται από το ποσό του NOx που μετριέται στο ρεύμα καυσεαρίων εξαγωγής(feed-back control system). Χρησιμοποιείται επίσης έλεγχος feed-forward. Το περίβλημα ενος SCR, συμπεριλαμβανομένης της μόνωσης, έχει έναν όγκο περίπου 2-5 m 3 ανά MW(ανάλογαμετονκαταλύτη,οοποίοςεξαρτάταιαπότηνποιότητακαυσίμων).Το 5

6 Σχήμα 4: Πλήρες σύστημα SCR μέγεθος είναι ανεξάρτητο από τη συγκέντρωση NOx εισαγωγής. Η εταιρεία Hug Engineering, με εγκατεστημένο περίπου το 70% των μονάδων SCR στην Ευρώπη, χρησιμοποιεί σήμα από το φορτίο της μηχανής για να ελέγξει το ποσό ουρίας που εγχέεται στην εξαγωγή. Αυτό επιτρέπει πολύ γρηγορότερη απόκριση που δεν θα ήταν εφικτή εάν χρησιμοποιείτο μόνο feedback control. 3.1 Σύστημα ελέγχου SCR Παρουσιάζεται λεπτομερώς ένα σύστημα ελέγχου μονάδας SCR για την μείωση NOx σε υπετροφοδοτούμενο κινητήρα Diesel 10 lt βαρέως τύπου. Η ισχύς του κινητήρα είναι 275 kw, με μέγιστη ταχύτητα τις 2150 rpm. Το αποδεκτό όριο στον παράγοντα ammonia slip είναι 10 ppm. Προκειμένου το σύστημα ελέγχου να μπορεί να λειτουργεί σε διαφορετικά φορτία, απαιτούνται οι σχετικοί χάρτες που θα απεικονίζουν τους ρύπους σε συνάρτηση της ροπής και ταχύτητας μηχανής. Ενας τέτοιος χάρτης φαίνεται στο σχήμα 5, με τον οποίο υπολογίζονται οι εκπομπές NOx σε μόνιμη κατάσταση του κινητήρα. Οι τιμές του χάρτη έχουν περαστεί από φίτρο προπορευόμενης-υπολειπόμενης φάσης(leadlag) NOx ώστε να ληφθεί υπόψη η δυναμική της διεργασίας. Στο Σχήμα 6 φαίνονται μετρημένες 6

7 Σχήμα 5: Χάρτης NOx σε ppm ενός κινητήρα Diesel σε συνάρτηση της ροπής και ταχύτητας μηχανής καιεκτιμούμενεςτιμές NOxκατάτηδιάρκειαδοκιμήςτύπου ESC 3 Σχήμα 6: Εκπομπές NOx από μετρήσεις και προσομοίωση Στο Σχήμα 7 φαίνονται σήματα από αισθητήριο NOx (SNS), πραγματικού NO (NO), αμμωνίας (NH3) και επεξεργασμένου σήματος αισθητηρίου (SNS,pp). Τα μεγέθη δίνονται σε συνάρτησημετονλόγο α/α OD,όπου α OD είναιοβέλτιστοςρυθμόςτροφοδοσίαςμεαμμωνία. Το σήμα NOx SNS χρησιμοποιείται στο σύστημα ελέγχου. Στο Σχήμα 8 φαίνεται το πλήρες 3 Ηδοκιμήτύπου ESCγίνεταιαπότο2000στηνΕυρώπηγιαπιστοποίησηεκπομπώνρύπωναπόκινητήρες Diesel βαρέως τύπου. Ο κινήτηρας δοκιμάζεται σε δυναμόμετρο σε 13 καταστάσεις μόνιμης λειτουργίας steady state. Η δοκιμή ESC χαρακτηρίζεται από υψηλή μέση φόρτιση και πολύ υψηλές θερμοκρασίες καυσαερίων. 7

8 Σχήμα 7: Σήματα NOx σύστημα ελέγχου SCR. Τα κυριώτερα μέρη του συστήματος ελέγχου είναι τα ακόλουθα. Σχήμα 8: Σύστημα ελέγχου SCR Μοντέλο μηχανής. Με σήματα εισόδου την ταχύτητα της μηχανής, του φορτίου, την θερμοκρασία και πίεση του ψυγείου intercooler, τη θερμοκρασία ανάντι και κατάντι του καταλυτικού μετατροπέα κ.α., και με την βοήθεια χαρτών εκτιμάται η συγκέντρωση NOx και η παροχή μάζας. Μοντέλο συστήματος SCR. Οι έξοδοι του μοντέλου της μηχανής και οι μετρημένες θερμοκρασίες καυσαερίου ανάντι του καταλυτικού μετατροπέα αποτελούν είσοδο σε έναν 8

9 παρατηρητή(observer). Ο παρατηρητής χρησιμοποιεί απλουστευμένο μαθηματικό μοντέλο για να εκτιμήσει τις καταστάσεις(states) του μοντέλου, λαμβάνοντας υπόψη την πραγματική έγχυση της ουρίας. Ελεγχος feed-forward. Με χρήση κατάλληλων αλγεβρικών εξισώσεων, υπολογίζεται το απαιτούμενο ποσό έγχυσης διαλύμματος ουρίας καθώς και το ποσό NOx(τιμές αναφοράς). Ελεγχος feed-back. Η απαιτούμενη τιμή έγχυσης διαλύμματος ουρίας πολλαπλασιάζεται με την έξοδο του ελεγκτή feed-back. Ως σφάλμα θεωρείται η διαφορά μεταξύ του υπολογισμένου ποσού NOx και του σήματος του αισθητηρίου. Ο ελεγκτής είναι τύπου PI. Στο Σχήμα 9 φαίνεται η αξιολόγηση συστήματος SCR κατά την δοκιμή ESC του κινητήρα Diesel 10 lt. Οι πειραματικές μετρήσεις δείχνουν μέση μείωση κατά περίπου 90%, με διατήρηση του παράγοντα ammonia slip στα 10 ppm. Σχήμα 9: Αξιολόγηση συστήματος SCR 4 Σημειώσεις και Αναφορές Οι πληροφορίες για συστήματα ελέγχου EGR βασίστηκαν στα 9

10 Guzella, L. and Amstutz, A. Control of Diesel Engines. IEEE Control Systems. October, και MAN Diesel DieselFacts Το υλικό για τα συστήματα μείωσης ρύπων SCR βασίστηκε στις πηγές Guzella, L. and Onder, C. Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion Engine Systems. Springer, και Genesis Engineering Inc. & Levelton Engineering Ltd. Non-road Diesel Emission Reduction Study Prepared for Puget Sound Clean Air Agency Oregon Department of Environmental Quality And U.S. Environmental Protection Agency. October14,2003. ενημέρωση: 12 Ιουνίου 2009 ΓΠ L A TEX2ε 10