船用LNG發(fā)動機(jī)廢氣重整再循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

曾濤，張尊華，龍焱祥，魏文文，李格升

(武漢理工大學(xué) a.高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.船海與能源動力工程學(xué)院，武漢 430063)

近年來，廢氣重整再循環(huán)(reformed exhaust gas recirculation，REGR)技術(shù)因其能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(jī)在線摻氫、余熱回收,以及降低排放[1-2]，是一種將摻氫燃燒與廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)技術(shù)相結(jié)合的新型技術(shù)，得到了一定的關(guān)注和研究。

由文獻(xiàn)[3-7]可知:REGR技術(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒排放性能的改善在理論上已經(jīng)得到驗(yàn)證。但是由于重整器與發(fā)動機(jī)之間存在復(fù)雜的耦合作用關(guān)系，重整器需實(shí)時匹配發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)才能保證裝有REGR系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。REGR技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用需要一套穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，用于保證發(fā)動機(jī)與廢氣重整器之間的聯(lián)合匹配運(yùn)行。 為此，設(shè)計(jì)并開發(fā)基于CAN總線通信的船用LNG發(fā)動機(jī)REGR控制系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況實(shí)時調(diào)整重整器工作參數(shù)，實(shí)時調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程，以保證發(fā)動機(jī)在不同負(fù)荷下都具有較低排放并穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 發(fā)動機(jī)REGR系統(tǒng)

LNG發(fā)動機(jī)REGR系統(tǒng)組成見圖1。系統(tǒng)中的重整器位于發(fā)動機(jī)尾氣端，利用廢氣加熱重整器，為催化重整反應(yīng)創(chuàng)造有利條件。REGR閥和流量控制器分別控制進(jìn)入重整器的廢氣和天然氣流量，天然氣和廢氣中的O2、H2O在重整器內(nèi)發(fā)生重整制氫反應(yīng)，生成富含氫氣的重整氣送入缸內(nèi)燃燒，可有效改善缸內(nèi)燃燒和降低污染物排放。

圖1 LNG發(fā)動機(jī)REGR系統(tǒng)組成及原理示意

1.2 控制系統(tǒng)

REGR控制系統(tǒng)主要調(diào)控對象為REGR閥和流量控制器。根據(jù)REGR系統(tǒng)催化重整反應(yīng)特性，結(jié)合CAN總線結(jié)構(gòu)具有模塊清晰化、可拓展性強(qiáng)以及抗干擾能力好等優(yōu)點(diǎn)[8]，設(shè)計(jì)基于CAN總線的REGR控制系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在不同負(fù)荷下能夠?qū)崟r調(diào)整重整器入口處的CH4和O2等重整反應(yīng)物的濃度。控制系統(tǒng)信號拓?fù)湟妶D2。

圖2 REGR系統(tǒng)信號拓?fù)?/p>

控制系統(tǒng)是以玉柴YC6MK200NL-C20船用LNG發(fā)動機(jī)為原型，完成控制系統(tǒng)臺架的搭建，該發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

REGR控制系統(tǒng)是一種集軟件、硬件于一體的嵌入式控制系統(tǒng)，其硬件可分為REGR控制器、執(zhí)行器、傳感器3大部分。

2.1 REGR控制器設(shè)計(jì)

考慮到REGR系統(tǒng)的應(yīng)用場景，REGR控制器應(yīng)該具備足夠的安全性和穩(wěn)定性。主控芯片選用瑞薩RL78系列R5F10TPJ100FB。如圖3所示，控制器利用MCU自帶的ADC模塊采集轉(zhuǎn)矩信號、重整器溫度信號、REGR閥和流量控制器的反饋信號；利用芯片內(nèi)部計(jì)數(shù)器采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號；利用CAN控制器與外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信；利用定時器功能輸出頻率信號驅(qū)動無源蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報警功能。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)

2.2 執(zhí)行器選型

REGR閥選用一款智能調(diào)節(jié)型電動閥，流量控制器選用一款氣體質(zhì)量流量計(jì)；考慮到REGR閥和流量計(jì)的控制信號都是模擬量，因此選用C4404模擬量模塊，該模塊可同時輸出4路模擬量，支持CAN協(xié)議輸入控制，可實(shí)現(xiàn)和REGR控制器便捷通信，系統(tǒng)各執(zhí)行器參數(shù)見表2。

表2 執(zhí)行器參數(shù)表

2.3 傳感器及其他硬件選型

系統(tǒng)需要采集發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及重整器溫度信號用于對工況的判斷，考慮到玉柴YC6MK200NL-C20船用LNG發(fā)動機(jī)的有效轉(zhuǎn)速范圍600～1 500 r/min，轉(zhuǎn)矩范圍0～900 N·m，故選用的傳感器及其他硬件參數(shù)見表3。

表3 傳感器及其它硬件參數(shù)表

3 控制策略設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所使用的鎳基催化劑(Ni/Al2O3)應(yīng)用在天然氣發(fā)動機(jī)上具有如下催化制氫特性。

1)在相同的空速、進(jìn)料比(M/O)下，產(chǎn)氫率與溫度成正相關(guān)，溫度在300 ℃以上產(chǎn)氫效率較好。

在相同的空速和溫度下，產(chǎn)氫率與重整器入口M/O值密切關(guān)聯(lián)。M/O在1.5～2.5之間產(chǎn)氫效率最佳；M/O大于2.5之后，隨著M/O的增加，產(chǎn)氫率增長不明顯甚至出現(xiàn)抑制效應(yīng)；M/O過低催化劑容易被氧化導(dǎo)致失效。

其中M/O定義如下。

M/O=Yin,CH4/Yin,O2

(1)

式中:Yin,CH4，Yin,O2分別為重整入口CH4和O2的質(zhì)量濃度。

根據(jù)以上催化制氫特性，同時結(jié)合玉柴YC6MK200NL-C20船用LNG發(fā)動機(jī)的運(yùn)行場景，將REGR模式的開啟溫度設(shè)定為300 ℃，進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)工作，同時以M/O=2.0為準(zhǔn)則展開控制脈譜圖的標(biāo)定。

3.1 系統(tǒng)函數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)算法流程見圖4，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)閾值配置見表4，后期可根據(jù)不同的機(jī)型更換不同的閾值。

圖4 算法流程

表4 狀態(tài)機(jī)閾值配置表

3.2 控制脈譜圖標(biāo)定

控制系統(tǒng)工作在重整模式下，控制器對REGR閥和流量計(jì)的控制是采用開環(huán)查詢脈譜的方式。因此，控制脈譜的標(biāo)定值將直接關(guān)聯(lián)重整器產(chǎn)氫效率和發(fā)動機(jī)工作性能。本系統(tǒng)在C4404模塊上選用4～20 mA電流模式用于對REGR閥和燃料流量計(jì)控制，各負(fù)荷工況點(diǎn)的標(biāo)定遵循以M/O為2及NOx排放符合IMO Tier III法規(guī)為原則，同時兼顧發(fā)動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，完成控制脈譜圖的手動標(biāo)定，標(biāo)定流程見圖5，最終獲得REGR閥和燃料流量計(jì)的控制脈譜見圖6、7。

圖5 脈譜圖標(biāo)定流程

圖6 流量計(jì)控制脈譜圖

圖7 REGR閥控制脈譜圖

3.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

采用LabVIEW設(shè)計(jì)REGR控制系統(tǒng)上位機(jī)界面，通過REGR控制器采集系統(tǒng)的溫度信號和執(zhí)行器的反饋信號，將各信號通過CAN報文形式發(fā)送至總線上，上位機(jī)通過USB-CAN連接至總線，獲取總線上的報文并按照指定格式完成解析即可得到REGR閥開度、流量計(jì)流量、重整器溫度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等系統(tǒng)信息，同時利用報文發(fā)送函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)執(zhí)行器的手動控制。

4 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及減排效果，在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行控制系統(tǒng)功能驗(yàn)證及發(fā)動機(jī)性能測試試驗(yàn)。其中發(fā)動機(jī)性能測試記錄發(fā)動機(jī)在不同負(fù)荷工況下的性能數(shù)據(jù),包括重整器出口的重整氣體成分、發(fā)動機(jī)缸壓，以及尾氣排放等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)所用儀器見表5。

表5 測試儀器一覽表

4.1 系統(tǒng)功能測試步驟

1)在發(fā)動機(jī)啟動后，將REGR控制器上電啟動，隨后將發(fā)動機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)至75%穩(wěn)定運(yùn)行，使得重整器快速被加熱至300℃，觀察REGR控制器對系統(tǒng)輸入信號采集情況及閥門和流量計(jì)的運(yùn)行情況。

2)將發(fā)動機(jī)調(diào)至低負(fù)荷區(qū)(即指轉(zhuǎn)速低于690 r/min,轉(zhuǎn)矩低于360 N·m)，觀察控制器各項(xiàng)輸入輸出信號、REGR閥門和流量計(jì)的工作情況。

3)將發(fā)動機(jī)從低負(fù)荷區(qū)域調(diào)節(jié)至30%負(fù)荷，觀察控制器各項(xiàng)信號指標(biāo)及發(fā)動機(jī)工作情況。

4)將發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，觀察REGR控制器的輸入輸出信號以及REGR閥、流量計(jì)的工作狀態(tài)。

測試結(jié)果見表6。

表6 系統(tǒng)功能試驗(yàn)結(jié)果

4.2 發(fā)動機(jī)性能測試

選取部分負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行測試，各負(fù)荷工況點(diǎn)參數(shù)見表7。

表7 試驗(yàn)工況點(diǎn)參數(shù)表

排放分析儀通過橡膠軟管連接至尾氣采樣管進(jìn)行排放物采集分析；通過采樣袋采集重整回路的重整氣并通入至氣相色譜儀進(jìn)行重整氣組分測量。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)采用定工況點(diǎn)法，將負(fù)荷調(diào)節(jié)至指定工況點(diǎn)，待發(fā)動機(jī)-重整器系統(tǒng)穩(wěn)定后，開始進(jìn)行重整氣與尾氣的采樣與分析。由于氣相色譜分析時間為8 min，因此每隔8 min采一組重整氣進(jìn)行分析，并連續(xù)采樣分析3次，取其平均值作為最終測試結(jié)果。同時進(jìn)行發(fā)動機(jī)尾氣排放測量與數(shù)據(jù)記錄。

REGR模式各工況下的重整器溫度見圖8。

圖8 REGR模式下重整器和混合氣溫度

由圖8可知，重整器溫度隨著負(fù)荷增加而增加，這是因?yàn)殡S著發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，尾氣溫度上升對重整器的加熱作用增強(qiáng)；與此同時由于缸內(nèi)燃燒溫度上升，需要引入更多的重整氣進(jìn)入缸內(nèi)，通過稀釋作用降低燃燒溫度以控制NOx的生成速率。因此，REGR控制器將增加REGR閥開度，進(jìn)入重整器的廢氣流量增加導(dǎo)致混合氣體溫度也上升，這也促進(jìn)了重整器的產(chǎn)氫量增加。

為驗(yàn)證系統(tǒng)控制策略，根據(jù)元素守恒法計(jì)算各工況下重整氣組分，得出對應(yīng)工況下重整器入口處的M/O值。如圖9所示，在不同工況下的M/O值分別為2.23、2.16、2.04、1.92、2.26，與目標(biāo)值(M/O=2)的相對偏差在11%以內(nèi)，且均在1.5～2.5區(qū)間內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，因此可認(rèn)為標(biāo)定所得的脈譜圖適用于本控制系統(tǒng)。

圖9 各工況下實(shí)測M/O值與目標(biāo)值

不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷下重整器出口處重整氣體的組分分布見圖10。

圖10 各工況重整氣組分分布

由圖10可知，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化，REGR閥在控制器的調(diào)控下實(shí)現(xiàn)了在線調(diào)節(jié)，隨著REGR閥開度的增大，重整器產(chǎn)氫量也得到提升。總體而言，重整器產(chǎn)氫比較穩(wěn)定，氫氣含量穩(wěn)定在7%～10%之間。此外，重整氣成分中除了氫氣以外，還有5%～12%比例的CH4，這是由于有部分CH4的在重整器內(nèi)未及時參與反應(yīng)；此外，還存在少量的CO，它們都將作為燃料送入缸內(nèi)參與燃燒。此外，重整氣中還包括非可燃?xì)怏wN2和CO2，兩者之和約占重整氣體含量的80%，處于主導(dǎo)地位。

不同工況下的缸壓曲線、燃燒CA50見圖11、12。

圖11 各工況缸壓變化

圖12 各工況燃燒CA50圖

由圖11、12可知，REGR模式下相比于原機(jī)模式下，缸內(nèi)最大壓力有所降低，同時燃燒重心(CA50)也相應(yīng)推遲，這是由于重整氣的主要成分為N2和CO2，相比于同等條件下的原機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，重整氣將稀釋可燃混合氣進(jìn)而導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒速度略有降低，從而表現(xiàn)為較原機(jī)試驗(yàn)結(jié)果缸壓有所降低以及CA50推遲。

為得到REGR模式下工作穩(wěn)定性評價指標(biāo)，采用200個連續(xù)循環(huán)的平均指示壓力變動系數(shù)表征燃燒循環(huán)變動情況，平均指示壓力變動系數(shù)COVIMEP定義如下。

(2)

各工況下REGR/原機(jī)模式的平均指示壓力變動系數(shù)見圖13。

圖13 各工況循環(huán)變動比較

比較可知，REGR模式下的循環(huán)變動率略高于原機(jī)，但所有運(yùn)行工況下平均指示壓力變動系數(shù)低于5%，發(fā)動機(jī)均能穩(wěn)定運(yùn)行。

各工況下的RGER/原機(jī)模式下的有效燃油消耗率見圖14。

圖14 各工況有效燃油消耗率

相比于原機(jī)，REGR模式下發(fā)動機(jī)的有效燃油消耗率(be)在不同工況下分別有增加。這是由于REGR模式下的甲烷重整制氫反應(yīng)主要為放熱反應(yīng)，因此導(dǎo)致了系統(tǒng)能量部分損耗，表現(xiàn)為有效燃油消耗率略微增加。

各工況下的排放數(shù)據(jù)見圖15、16。

圖15 各工況NOx排放對比

圖16 各工況CO排放對比

由于重整器氣的稀釋作用，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度降低，熱力學(xué)NOx形成速率大幅降低，表現(xiàn)為 REGR模式下的NOx排放顯著降低，相比同等工況下的原機(jī)模式，NOx在不同工況下分別有降低，滿足IMO Tier III 排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，相比于原機(jī)模式，因?yàn)橄♂屧颍珻O氧化速率變慢，但是由于重整氣的氫氣可提高缸內(nèi)燃燒速度，這將促進(jìn)CO的氧化，因此REGR模式下CO的排放增加并不明顯，具體表現(xiàn)為在不同工況下排放增加1.7%，2.5%，5.3%，5.2%，5.1%。可見當(dāng)前控制器可有效調(diào)節(jié)不同工況下的重整器入口參數(shù)，在穩(wěn)定運(yùn)行的同時，可以有效降低各工況下的發(fā)動機(jī)NOx的排放，達(dá)到Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1)基于CAN總線的REGR控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)量及燃料供給流量的在線調(diào)節(jié)，能較好地滿足REGR系統(tǒng)在LNG發(fā)動機(jī)上應(yīng)用需求。

2)控制系統(tǒng)應(yīng)用在LNG發(fā)動機(jī)上，重整器產(chǎn)氫率較穩(wěn)定，可有效改善缸內(nèi)燃燒。

3)可實(shí)現(xiàn)在CO排放增加不明顯的前提下，有效降低NOx排放。

4)發(fā)動機(jī)的有效燃油消耗率略有增加。

5)REGR模式下發(fā)動機(jī)總體運(yùn)行穩(wěn)定。