Implementation of an NH3 Storage Model Based SCR-Simulation Algorithm

Abstract

Detta examensarbete utfördes åt Wärtsilä Catalyst Systems. SCR-processen är en kemisk process som används för att reducera mängden kväveoxider (NOx) i avgaserna från diesel- och gasmotorer. Dynamiken hos de kemiska reaktionerna som ingår i SCR-processen har en stor inverkan på processens funktionalitet och måste modelleras för att kunna tas i beaktande i styrsystemet. Målet med examensarbetet var att skapa en praktisk implementation av en simuleringsalgoritm som i realtid används för att simulera de kemiska reaktionernas interna tillstånd. Baserat på simuleringen och tillståndsobservatören, så beräknas två, i praktiken omätbara processvariabler: mängden lagrad ammoniak (NH3) och dess lagringsprofil genom SCR-reaktorn.

Den grundläggande uppgiften i examensarbetet var att skapa en pålitlig och stabil applikation som förutom SCR-simuleringen, även innehöll en mängd annan funktionalitet såsom kommunikationsdiagnostik och multi-SCR-simulering. En Raspberry Pi dator valdes som simuleringsplattform och som programmeringsspråk valdes Python. Resultatet av examensarbetet var en fullständig simuleringsapplikation som till fullo kan integreras i styrsystemet hos Wärtsiläs SCR-system. Förutom utvecklingsprocessen och en funktionell beskrivning av applikationen, så täcker och beskriver examensarbetet även de verkliga SCR-testerna som utfördes i Bermeo, Spanien samt applikationsoptimeringen.

This thesis was commissioned by Wärtsilä Catalyst Systems. The SCR-process is a chemical process, which is used to reduce the amount of nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas of diesel and gas engines. The dynamics of the chemical reactions that are involved in the SCR-process have a great impact on the functionality of the process and must be modeled in order to be taken into consideration in the control system. The objective of the thesis project was to create a practical implementation of a real-time SCR-simulation algorithm, which simulates the internal states of the chemical reactions involved in the SCR-process. Based on the simulation and the state observer, two practically unmeasurable process variables are calculated: the amount of stored ammonia (NH3), and its distribution profile across the SCR-reactor.

The essential task of the thesis project was to create a reliable and stable application that beyond the SCR-simulation would also include a number of other functionalities such as communication diagnostics and multi SCR-simulation. A Raspberry Pi computer was chosen as a simulation platform for the thesis project and the programming language of choice was Python. The result of the thesis project was a full-scale simulation application which is fully integrable with the control system of Wärtsilä’s SCR-systems. Beyond the development process as well as a functional description of the created application, the thesis also covers and describes the real SCR-tests that were conducted in Bermeo, Spain and the optimization of the application.

Tämä opinnäytetyö suoritettiin Wärtsilä Catalyst Systemsille. SCR-prosessi on kemiallinen prosessi, jota käytetään vähentämään diesel- ja kaasumoottoreiden pakokaasuissa olevaa typpioksidien (NOx) määrää. SCR-prosessin kemiallisten reaktioiden dynamiikalla on suuri vaikutus prosessin toiminnallisuuteen, mutta ne on simuloitava, jotta ne voidaan ottaa huomioon ohjausjärjestelmässä. Opinnäytetyön tarkoitus oli luoda käytännöllinen implementointi reaaliaikaisesta simulointialgoritmista, jota käytetään SCR-prosessin kemiallisten reaktioiden sisäisten tilojen simulointiin. Simuloinnin ja tilahavaitsijan perusteella lasketaan kaksi käytännössä mittaamatonta prosessivariaabelia: SCR-reaktorissa varastoidun ammoniakin (NH3) määrä ja sen talletusprofiili.

Opinnäytetyön perimmäinen tehtävä oli luoda luotettava ja tasainen applikaatio, joka SCR-simuloinnin ohessa sisälsi myös muita toimintoja, kuten kommunikaation diagnostiikkaa ja moni-SCR-simulointia. Simulointialustaksi valittiin Raspberry Pi-tietokone ja ohjelmointikieleksi valittiin Python. Tämän opinnäytetyön tuloksena oli täydellinen simulointiapplikaatio, joka integroituu täydellisesti Wärtsilän SCR-järjestelmien ohjausjärjestelmiin. Kehitysprosessin ja applikaation käytännöllisen kuvauksen ohessa, tämä opinnäytetyö käsittää myös Espanjan Bermeossa tehdyt varsinaiset SCR-testit ja applikaation optimointi.