Ειδικά Συστήματα Ελέγχου Πλοίου 2017 Συστήματα Μείωσης Ρύπων Μέρος B-Συστήματα Ελέγχου. Γ. Παπαλάμπρου ΣΝΜΜ-ΕΜΠ 9/5/2017

Transcript

1 Ειδικά Συστήματα Ελέγχου Πλοίου 2017 Συστήματα Μείωσης Ρύπων Μέρος B-Συστήματα Ελέγχου Γ. Παπαλάμπρου ΣΝΜΜ-ΕΜΠ 9/5/2017

2 Μέρος Β Διεργασία SCR Μαθηματικά μοντέλα Σχεδιασμός ελεγκτών (Homework HW4) 2

3 Επιλεκτική Καταλυτική Μείωση - SCR Στόχος: η μείωση αέριων ρύπων NOx Ένα σύστημα SCR (SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION) αποτελείται από τα εξής υποσυστήματα: Καταλυτικός μετατροπέας Σύστημα ελέγχου Παροχή ουρίας

4 SCR σε Ναυτικούς Κινητήρες Hitachi Zosen Corporation, 2014, two-stroke marine diesel engines. 4

5 SCR σε Ναυτικούς Κινητήρες 5

6 SCR Control: Test beds PhD Hsieh, Ohio State,

7 SCR Control: Test beds PhD Hsieh, Ohio State,

8 Σύστημα Ελέγχου SCR

9 Σύστημα Ελέγχου SCR Δύο αισθητήρες NOx ανάντι (15) και κατάντι (16) του καταλύτη SCR, μετρούν τη συγκέντρωση στις αντίστοιχες θέσεις. Οι μετρήσεις τους CNOx,in, CNOx,out δίνονται στον Η/Υ ελέγχου 26. Δύο αισθητήρες θερμοκρασίας ανάντι (17) και κατάντι (18) του καταλύτη SCR, μετρούν θερμοκρασίες. Οι μετρήσεις δίνονται στον Η/Υ ελέγχου SCR 26. Ελεγκτές 9

10 Σύστημα Ελέγχου SCR 26. Ελεγκτές Ο Η/Υ ελέγχου 26 διαθέτει έναν ελεγκτή πρόσω-τροφοδότησης (feedforward) 19 και έναν ελεγκτή ανα-τροφοδότησης (feedback) 21 Η επιλογή ανάμεσα στους δύο ελεγκτές γίνεται με βάση ορισμένες συνθήκες λειτουργίας, όπως θερμοκρασία στον καταλύτη, κλπ. 10

11 Σύστημα Ελέγχου SCR-Ανασκόπηση 11

12 Σύστημα Ελέγχου SCR-Σχεδιασμός Αρχιτεκτονική ελεγκτών Σενάριο λειτουργίας ελεγκτών 12

13 Μη γραμμικό μοντέλο SCR προσρόφηση - Adsorption is the adhesion of atoms, ions, molecules of gas, liquid, or dissolved solids to a surface. [ εκρόφηση - Desorption is a phenomenon whereby a substance is released from or through a surface. 13

14 Λειτουργία Ελεγκτή SCR: 4 modes 14

15 SCR Controller Design- Feedforward Ο ελεγκτής πρόσω-τροφοδότησης (feedforward) βασίζεται σε κανονική (nominal) παροχή ουρίας από χάρτη. Η ποσότητα RED_NOM προέρχεται από τον πίνακα 20 και είναι συνάρτηση λειτουργικών παραμέτρων όπως η ταχύτητα του κινητήρα, φορτίο, έναρξη ψεκασμού καυσίμου (Start of Injection-SOI), θερμοκρασία καταλύτη, Tcat, συγκέντρωση NOx ανάντι και κατάντι, CNOx,in, CNOx,out στον καταλύτη. 15

16 SCR Controller Design- Feedback Ο ελεγκτής ανα-τροφοδότησης (feedback) περιλαμβάνει παρατηρητή με μοντέλο, 22. Το μαθηματικό μοντέλο αναπτύχθηκε με βασικές αρχές και βασίστηκε στη χημική κινητική των αντιδράσεων. Οι σημαντικές παράμετροι του μοντέλου εκτιμώνται από τα εμπειρικά δεδομένα του συγκεκριμένου καταλύτη. Είσοδοι στον παρατηρητή είναι η συγκέντρωση της εγχυόμενης αμμωνίας και η συγκέντρωση NOx ανάντι, CNOx,in, στον καταλύτη. Έξοδοι του παρατηρητή είναι εκτιμήσεις της αποθηκευμένης αμμωνίας στον καταλύτη (stored ammonia) Θ_hat, καθώς και η συγκέντρωση της αμμωνίας σε αέρια φάση κατάντι του καταλύτη (gas phase ammonia) CNH3_hat. Ο ελεγκτής ανα-τροφοδότησης U σχεδιάστηκε ώστε να θέτει το σύστημα κλειστού βρόχου ασυμπτωτικά ευσταθές. 16

17 SCR Controller Design-1 Στην κατάσταση 1, η θερμοκρασία καυσαερίων στο σημείο έγχυσης (Tinj) είναι χαμηλότερη από το όριο T1 (175 oc). Έτσι η ουρία δεν διασπάται σε αμμωνία, με αποτέλεσμα την συσσώρευση της αμμωνίας στον καταλύτη. Για τον λόγο αυτό δεν εγχύεται ουρία (FF OFF, FB OFF). 17

18 SCR Controller Design-2 Στην κατάσταση 2, η θερμοκρασία καυσαερίων στο σημείο έγχυσης (Tinj) είναι υψηλότερη από το όριο T1 (175 oc) αλλά η θερμοκρασία καταλύτη είναι χαμηλότερη από το όριο T2 (200 oc). O ελεγκτής FF εγχύει ουρία μέχρι η αποθήκευση (θstorage) να είναι μικροτερη ή ίση από το όριο, θthreshold (FF ON, FB OFF). Τότε σταματάει η έγχυση μέχρι η συνθήκη της κατάστασης 3 επαληθευτεί. 18

19 SCR Controller Design-3 Στην κατάσταση 3, η θερμοκρασία καταλύτη είναι υψηλότερη από το όριο T2 (200 oc) και η τιμή σύγκλισης (convergence) στον παρατηρητή είναι >epsilon. Ως epsilon οριζεται η διαφορά μεταξύ μετρημένης και εκτιμούμενης τιμής συγκέντρωσης NOx, epsilon=cnox - CNOx_hat. Η ελεγκτής FF εγχύει ουρία μέχρι η τιμή σύγκλισης στον παρατηρητή γίνει <epsilon (FF ON, FB OFF). Τότε η συνθήκη της κατάστασης 4 επαληθεύεται. 19

20 SCR Controller Design-4 Στην κατάσταση 4, η θερμοκρασία καταλύτη είναι υψηλότερη από το όριο T2 (200 oc) και η τιμή σύγκλισης στον παρατηρητή είναι <epsilon. Ο ελεγκτής FB εγχύει ουρία (FF OFF, FB ON). 20

21 Παρατηρητές (Observers) 21

22 Παρατηρητές (Observers) Ref: Robert L. Williams II, Douglas A. Lawrence, LINEAR STATE-SPACE CONTROL SYSTEMS, JOHN WILEY & SONS, INC.,

23 Αποτελέσματα μοντελοποίησης SCR 23

24 Αποτελέσματα μοντελοποίησης SCR 24

25 SCR Control: Test beds 25

26 Υλοποίηση SCR ως Σύστημα αντιδραστήρα συνεχούς ανάδευσης 26

27 CSTR - Σύστημα αντιδραστήρα συνεχούς ανάδευσης Η χημική κινητική στο σύστημα SCR μοντελοποιείται ως σύστημα αντιδραστήρα συνεχούς ανάδευσης (Continuously Stirred Tank Reactor-CSTR ) Η λειτουργία ενός τυπικού CSTR φαίνεται παρακάτω 27

28 Simulink τελικού συστήματος 28

29 CSTR - Σύστημα αντιδραστήρα συνεχούς ανάδευσης Βασικές εξισώσεις CSTR % parameter values, case 2 shown in parentheses: % k0 = CSTR_PAR(1); % frequency factor (9703*3600) H_rxn = CSTR_PAR(2); % heat of reaction (5960) E_act = CSTR_PAR(3); % activation energy (11843) rhocp = CSTR_PAR(4); % density*heat cap. (500) UA = CSTR_PAR(5); % ht trans coeff * area (150) R = CSTR_PAR(6); % gas constant (1.987) V = CSTR_PAR(7); % reactor volume (1) F = CSTR_PAR(8); % feed flowrate (1) caf = CSTR_PAR(9); % feed concentration (10) Tf = CSTR_PAR(10); % feed temperature (298) Tj = CSTR_PAR(11); % jacket temperature (298) 29

30 CSTR - Σύστημα αντιδραστήρα συνεχούς ανάδευσης dynamic equations W. Bequette "Process dynamics", CSTR, mod. 9 Step caf C_A To Workspace caf Feed Concentration Tf Feed Temperature, K CAf Tf Tjacket C_A T C_A T C_A T outputs Tj CoolantTemperature, K CSTR T To Workspace1 -E_act E_act R R gas const Product4 e u Divide4 Math Function1 k0 Product5 Product6 k0 R Display H_rxn Hrxn T UAoV UA/V rhocp rho cp1 Divide2 Product8 rhocp rho cp Divide1 3 Tjacket Product2 R T Product1 dt 1 s T Integrator2 T 2 T 2 Tf fov F/V 2 1 CAf Product3 1 dc_a s C_A Integrator1 C_A 1 C_A 30

31 -E_act E_act Μη γραμμικό μοντέλο CSTR R R gas const Product4 Divide4 e u Math Function1 k0 Product5 Product6 k0 R Display H_rxn Hrxn T UAoV UA/V rhocp rho cp1 Divide2 Product8 rhocp rho cp Divide1 3 Tjacket Product2 R T Product1 dt 1 s Integrator2 T T 2 T 2 Tf fov F/V 2 1 CAf Product3 dc_a 1 s Integrator1 C_A C_A 1 C_A 31

32 SCR Controller: Υλοποίηση Στα σύγχρονα συστήματα ελέγχου γίνεται εκτενής χρήση του MATLAB/Simulink, με γραφικό προγραμματισμό (block programming) και αυτόματη δημιουργία κώδικα (code generation) Επίσης συχνά είναι διαθέσιμες μετρήσεις από δοκιμές (test beds) Τότε τα δεδομένα παριστάνονται με μορφή χαρτών (maps, look-up tables) Επίσης οι διαφορετικές καταστάσεις (states) των υποσυστημάτων περιγράφονται με το toolbox Stateflow (για state machines) 32

33 SCR Controller Designs-Stateflow Η παραπάνω λογική υλοποιείται με χρήση μηχανών κατάστασης (state machines) με το Stateflow Toolbox του MATLAB/Simulink. Η εικόνα παρουσιάζει την λογική των 4 καταστάσεων. Ο εκάστοτε κλάδος ενεργοποιείται ανάλογα με τις συνθήκες αληθείας. 33

34 Toolbox Stateflow (για state machines) 34

35 Παράδειγμα με Stateflow, χάρτες? Modeling an Automatic Transmission Controller Lookup tables Ti Throttle Ne ImprellerTorque EngineRPM Throttle EngineRPM Engine Ne Ti VehicleSpeed PlotResults Stateflow speed up_th down_th gear CALC_TH gear Nout Tout OutputTorque Vehicle ShiftLogic Transmission down_th up_th run() gear throttle Throttle Throttle TransmissionRPM ThresholdCalculation Throttle BrakeTorque Brake ManeuversGUI MATLAB Stateflow Toolbox/examples/Automotive Applications/Modeling an Automatic Transmission Controller VehicleSpeed Double-click on ManeuvresGUI and select a maneuver Copyright The MathWorks, Inc. 35

36 Lookup tables 1 Ti 2 Throttle EngineTorque 1/Iei engine + impeller inertia 1 s 1 Ne Engine 36

37 Stateflow 37

38 Λογική if-then-else στο Simulink Εναλλακτικά ο χειρισμός με τις διαφορετικές καταστάσεις (states) των υποσυστημάτων μπορεί να γίνει εκτός από το toolbox Stateflow με blocks if-then-else στο Simulink Βιβλιoθήκη Ports & Subsystems, blocks if και if Action Subsystem 38

39 SCR Control: Δημιουργία χαρτών Για την εκτύπωση χαρτών (maps) χρησιμοποιείται η εντολή contour Παράδειγμα: [C,h] = contour(peaks(20),10); CONTOUR(Z,V) draws LENGTH(V) contour lines at the values specified in vector V. 39