柴油機(jī)NOx排放量實(shí)船測(cè)試及誤差分析

陶良深

【摘 要】如若對(duì)在航船的柴油機(jī)實(shí)施NOx排放量的測(cè)試，需進(jìn)行必要的系統(tǒng)改造和測(cè)試儀器安裝。測(cè)試參數(shù)根據(jù)其特性分成了大氣環(huán)境參數(shù)、柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)、柴油機(jī)排氣參數(shù)和燃油成份參數(shù)等四類。本文分別就測(cè)取精度要求、測(cè)取方法選擇、及測(cè)量誤差等環(huán)節(jié)對(duì)柴油機(jī)NOx排放量測(cè)取結(jié)果的影響進(jìn)行了闡述和分析。

【關(guān)鍵詞】NOx排放量；實(shí)船測(cè)試；在航船

功率超過130kW的柴油機(jī)在裝船前需進(jìn)行相關(guān)的NOx排放量認(rèn)證工作[1][2]，并獲取EIAPP證書。其NOx排放量測(cè)試工作一般是在柴油機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行的，相關(guān)的測(cè)量?jī)x器及其精度都是按照實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)配置，能滿足船舶柴油機(jī)NOx排放量測(cè)量的相關(guān)要求。由于使用用途、航行區(qū)域、機(jī)損故障、關(guān)鍵部件調(diào)整等因素，需要對(duì)在航船的柴油機(jī)進(jìn)行NOx排放量的實(shí)船測(cè)量。要想在船舶上實(shí)施柴油機(jī)的NOx排放量測(cè)試，目前船舶柴油機(jī)的系統(tǒng)組成及測(cè)試儀器精度等環(huán)節(jié)不能滿足《MARPOL》公約的相關(guān)要求，必須進(jìn)行系統(tǒng)改造和測(cè)試儀器的安裝或更換。

在進(jìn)行柴油機(jī)氮氧化合物（NOx）質(zhì)量排放量的測(cè)試工作時(shí)，依據(jù)公約及其計(jì)算方法的要求，并根據(jù)其各自的性質(zhì)，可以將測(cè)取的參數(shù)分為四類，分別為大氣環(huán)境參數(shù)、柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)、排氣參數(shù)和燃油成份。具體如表1所示：

表1所示的第四項(xiàng)參數(shù)為燃油成份，需在試驗(yàn)過程中對(duì)柴油機(jī)燃用的燃油進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，之后送到有資質(zhì)的專業(yè)燃油成份分析服務(wù)機(jī)構(gòu)，按照ISO9001的要求對(duì)燃油成份進(jìn)行分析，并出具正式的燃油成份分析報(bào)告；其它三項(xiàng)參數(shù)（大氣參數(shù)、柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)和排氣成份）都需在現(xiàn)場(chǎng)使用符合要求的測(cè)試儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。在實(shí)船上，現(xiàn)有測(cè)試儀器的數(shù)量及精度一般都不能滿足要求，需根據(jù)船舶的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)整和測(cè)試儀器安裝。下面結(jié)合大連海事大學(xué)排放測(cè)試中心實(shí)施的某輪發(fā)電副機(jī)實(shí)船NOx排放量測(cè)試項(xiàng)目的試驗(yàn)情況，就系統(tǒng)調(diào)整、測(cè)試儀器及其安裝、及各類測(cè)量誤差對(duì)NOx排放量測(cè)試結(jié)果的影響等問題進(jìn)行闡述：

1.大氣環(huán)境參數(shù)的測(cè)量及影響

大氣環(huán)境參數(shù)的測(cè)量?jī)x器由測(cè)試者自帶，其擺放位置，需靠近運(yùn)行柴油機(jī)增壓器的壓氣機(jī)側(cè)，距離應(yīng)控制在0.5～1.0米為宜，如為表盤式儀表應(yīng)注意適當(dāng)?shù)墓潭?，避免運(yùn)行柴油機(jī)的震動(dòng)影響其測(cè)量精度；由于船舶機(jī)艙一般為封閉空間，柴油機(jī)消耗的空氣由機(jī)艙風(fēng)機(jī)提供，隨著柴油機(jī)工況點(diǎn)的變化，應(yīng)調(diào)整運(yùn)行風(fēng)機(jī)數(shù)量，保持機(jī)艙大氣壓力在100 kpa左右，并避免較大的波動(dòng)。

大氣環(huán)境參數(shù)測(cè)量精度對(duì)柴油機(jī)NOx測(cè)試工作的影響包括兩方面，其一直接決定柴油機(jī)NOx排放試驗(yàn)的大氣環(huán)境因子fa是否滿足公約的要求，按照NOx技術(shù)規(guī)則（2008）Tier II的要求，fa應(yīng)滿足的條件為（0.93 ≤fa≤1.07）；其二影響柴油機(jī)的NOx排放量的計(jì)算結(jié)果。除大氣壓力外，其他參數(shù)對(duì)NOx計(jì)算結(jié)果的影響均為正向，即：隨著大氣溫度、大氣相對(duì)濕度、大氣CO2的體積含量測(cè)量數(shù)值的增加，柴油機(jī)NOx排放量的計(jì)算值隨之增加。具體情況如表2所示：

2.柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量及影響

影響柴油機(jī)NOx排放量計(jì)算值的參數(shù)主要包括：掃氣的溫度和壓力、柴油機(jī)的軸功率、燃油質(zhì)量流量。

2.1柴油機(jī)掃氣溫度和壓力的測(cè)量及影響

船上原有的掃氣溫度表與壓力表一般為工業(yè)級(jí)，其精度較低，試驗(yàn)時(shí)需更換。掃氣溫度表應(yīng)選用精度等級(jí)為0.5級(jí)的實(shí)驗(yàn)室用表，類型應(yīng)選用電阻式或壓力式，安裝位置可利用原掃氣溫度表（本地表）位置；測(cè)量掃氣壓力時(shí)宜選用外接的U型管壓力計(jì)，安裝位置可利用原掃氣溫度傳感器位置（遠(yuǎn)程傳輸用傳感器），也可在溫度表附近開一個(gè)臨時(shí)的掃氣壓力測(cè)量孔。

掃氣溫度對(duì)柴油機(jī)NOx排放量計(jì)算值的影響為正向，即隨著掃氣溫度測(cè)量值的增大，柴油機(jī)NOx排放量的計(jì)算值隨之增加；而掃氣壓力的影響相反。具體情況如表3所示：

2.2 柴油機(jī)的功率測(cè)量及影響

實(shí)船柴油機(jī)功率測(cè)量的精度直接影響柴油機(jī)NOx質(zhì)量排放量的測(cè)量精度。除特種船舶外，服務(wù)于船舶的柴油機(jī)主要包括主機(jī)（推進(jìn)用途）、副機(jī)（常規(guī)發(fā)電用途）及應(yīng)急發(fā)電柴油機(jī)，需持有EIAPP證書的僅為主機(jī)與副機(jī)。由于主機(jī)與副機(jī)其工作負(fù)載特征不同，在船上實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量的方式方法也不同。

柴油機(jī)作為船舶的主機(jī)時(shí)，由于船、機(jī)、槳組成了船舶能量轉(zhuǎn)換三角關(guān)系的三個(gè)支點(diǎn)，其中主機(jī)作為船舶推進(jìn)裝置的功率提供單元，推進(jìn)器作為船舶推進(jìn)裝置功率的轉(zhuǎn)換單元，船舶作為船舶推進(jìn)裝置功率的消耗單元。主機(jī)發(fā)出的功率最終轉(zhuǎn)化為船舶的航速，要想使船舶以一定的航速航行，須使主機(jī)發(fā)出一定的功率。

根據(jù)螺旋槳的形式不同，主機(jī)的工作方式分兩種，即定距槳模式和變距槳模式。以定距槳模式工作時(shí)，主機(jī)需按照E3工況運(yùn)行；以變距槳模式工作時(shí)，主機(jī)需按照E2工況運(yùn)轉(zhuǎn)。其工況點(diǎn)分別如表4所示：

船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)包括油門和轉(zhuǎn)速兩方面的控制要素。對(duì)于直接傳動(dòng)的定距槳船舶來說，其遙控信號(hào)一般為速度信號(hào)和（或）油門信號(hào)，其機(jī)旁操作信號(hào)為油門信號(hào)。為了使船舶主機(jī)按照E3工況運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使主機(jī)遙控系統(tǒng)能獨(dú)立輸出油門和轉(zhuǎn)速兩種設(shè)定信號(hào)，即系統(tǒng)具有雙手柄控制功能。機(jī)旁控制僅具有油門控制信號(hào)，因而無法滿足獲得E3工況的需求；具有單手柄控制功能的主機(jī)遙控系統(tǒng)，應(yīng)預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能調(diào)整。對(duì)于主機(jī)接變距槳的情況，一般有單手柄和雙手柄模式，滿足E2工況的操作模式應(yīng)為單手柄模式（僅輸出負(fù)荷信號(hào)），如果系統(tǒng)為雙手柄，應(yīng)預(yù)先進(jìn)行系統(tǒng)改造。

為了精確測(cè)量柴油機(jī)發(fā)出的功率，需在傳動(dòng)軸上安裝傳遞式扭矩測(cè)量裝置。扭矩測(cè)量裝置的類型較多，安裝和調(diào)試方法也不盡相同，一般都能夠滿足柴油機(jī)NOx排放量質(zhì)量測(cè)量的精度需求；比較而言，電阻應(yīng)變片式扭矩測(cè)量裝置更適合實(shí)船柴油機(jī)軸功率的測(cè)量。電阻應(yīng)變片式扭矩儀一般由轉(zhuǎn)子、定子和信號(hào)接收處理單元組成，安裝過程中應(yīng)尤其注意應(yīng)變儀的安裝位置及精度，否則將影響測(cè)量精度。安裝位置避開中間軸承，距中間軸承2個(gè)軸徑以上，在粘貼應(yīng)變片前應(yīng)清潔好軸頸，在初步清潔的基礎(chǔ)上，再使用滿足醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)的酒精進(jìn)行清潔，最后再使用丙酮溶液進(jìn)行清潔；定子部分應(yīng)確保距離鉆子的安裝距離符合設(shè)備的安裝要求。通過扭矩儀測(cè)量的功率為主機(jī)的軸功率，應(yīng)根據(jù)實(shí)船推進(jìn)裝置的具體組成，獲取相應(yīng)各環(huán)節(jié)的效率，進(jìn)而確定柴油機(jī)的有效功率。

柴油機(jī)作為船舶的副機(jī)時(shí)，發(fā)電原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、用電設(shè)備組成了船舶配電系統(tǒng)的三個(gè)支點(diǎn)，柴油機(jī)是功率的提供單元，發(fā)電機(jī)是功率的轉(zhuǎn)換單元，船舶用電設(shè)備是功率的消耗單元。為了使發(fā)電柴油機(jī)按照D2工況運(yùn)行，須安裝足夠的用電負(fù)荷，用以滿足柴油機(jī)的運(yùn)行需求。干電阻和水電阻都可以滿足以上要求，由于其耗電的特點(diǎn)不同，其精度不盡相同。干電阻由若干電阻絲組成，工作穩(wěn)定、負(fù)載波動(dòng)很低，波動(dòng)率低于0.2%，完全滿足柴油機(jī)NOx質(zhì)量排放量的測(cè)試精度要求，其缺點(diǎn)是租用價(jià)格較高；水電阻的工作介質(zhì)一般為導(dǎo)電液體，由于液體的波動(dòng)、沸騰等影響，其精度較低，負(fù)載的波動(dòng)率較大，尤其是當(dāng)水電阻工作時(shí)間較長(zhǎng)而使導(dǎo)電液體沸騰時(shí)，負(fù)載的波動(dòng)會(huì)加劇，根據(jù)水電阻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其誤差一般在0.5-3%之間變化，其優(yōu)點(diǎn)是租用價(jià)格較低。

功率的測(cè)量值對(duì)柴油機(jī)NOx排放量計(jì)算值的影響為反向，即隨著功率測(cè)量值的增大，柴油機(jī)NOx排放量的計(jì)算值減少，其影響幅度相同，就是說，功率測(cè)量的誤差直接轉(zhuǎn)化為柴油機(jī)NOx質(zhì)量排放量的誤差（誤差方向相反）。

2.3柴油機(jī)的燃油流量的測(cè)量及影響

在實(shí)船上，測(cè)取柴油機(jī)的燃油質(zhì)量流量前，需對(duì)燃油供給系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤惭b符合NOx排放量測(cè)試精度要求的燃油流量測(cè)量設(shè)備。安裝精度等級(jí)為0.5的具有遠(yuǎn)傳功能（一般輸出電流或脈沖信號(hào)）的容積式流量計(jì)為宜，安裝的數(shù)量取決于實(shí)船燃油系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)成，原則為相對(duì)柴油機(jī)（主機(jī)或副機(jī)）而言，對(duì)每一個(gè)燃油的流進(jìn)與流出點(diǎn)都要加裝一個(gè)流量計(jì)，燃油的消耗等于各個(gè)進(jìn)出流量計(jì)的代數(shù)和。對(duì)于具有遠(yuǎn)傳功能的流量計(jì)，可以通過和差功能的顯示單元或自制的多路信號(hào)處理終端實(shí)現(xiàn)集中的燃油流量測(cè)取，可降低人員多點(diǎn)讀數(shù)的誤差影響。

油耗的測(cè)量值對(duì)柴油機(jī)NOx排放量的計(jì)算值的影響為正向，即隨著油耗測(cè)量值的增大，柴油機(jī)NOx排放量的計(jì)算值增加，其影響幅度基本相同，就是說，油耗測(cè)量的誤差直接轉(zhuǎn)化為柴油機(jī)NOx質(zhì)量排放量的誤差（誤差方向相同）。

3.柴油機(jī)排氣參數(shù)的測(cè)量及影響

排煙中各組份（氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳、碳?xì)?、剩余氧）的測(cè)量都是通過測(cè)試機(jī)構(gòu)的經(jīng)主管機(jī)關(guān)認(rèn)可的測(cè)試儀器完成，在實(shí)施中，應(yīng)注意兩方面的問題，其一是應(yīng)注意船舶機(jī)艙的條件能否滿足測(cè)試儀器的使用環(huán)境條件要求；其二是測(cè)試儀器的放置位置及取樣探頭的安裝位置等，一般取樣探頭的安裝位置需要在柴油機(jī)排煙管道上臨時(shí)安裝，注意安裝的位置應(yīng)滿足公約的要求。

排煙中剩余氧的濃度對(duì)柴油機(jī)的計(jì)算結(jié)果沒有影響，其他組份對(duì)柴油機(jī)NOx計(jì)算結(jié)果影響各異，其具體情況如表5所示：

4.柴油機(jī)燃油成份及其誤差影響

如果船舶沒有符合公約要求的RM級(jí)燃油，應(yīng)專門加裝符合條件的燃油，注意在加裝前應(yīng)對(duì)油柜進(jìn)行清洗，同時(shí)對(duì)燃油單元的所屬管路進(jìn)行沖刷和清洗，盡量減少原來燃油的殘留量。燃油中的碳、氫、氧、氮的質(zhì)量含量影響柴油機(jī)NOx排放量的計(jì)算值，必須確保燃油取樣的準(zhǔn)確性。如果條件允許，在燃油進(jìn)機(jī)前的管路上安裝“全程點(diǎn)滴取樣設(shè)備”，其設(shè)備如圖1所示，確保取樣的燃油來自于整個(gè)試驗(yàn)過程。燃油中碳的質(zhì)量含量對(duì)柴油機(jī)的NOx排放量的影響是正向的，而氫、氧和氮的質(zhì)量含量對(duì)柴油機(jī)的NOx排放量的影響是反向的。其具體影響情況如表6所示：

在實(shí)船實(shí)施柴油機(jī)NOx測(cè)試時(shí)，按照D2工況運(yùn)行的發(fā)電副柴油機(jī)的NOx排放測(cè)試，可以安排在拋錨或停泊期間進(jìn)行，但應(yīng)確保在試驗(yàn)期間無貨物的裝卸，對(duì)于功率較大的用電設(shè)備應(yīng)鎖死在常態(tài)，確保船舶用電負(fù)荷的穩(wěn)定，以免其自動(dòng)起停影響試驗(yàn)效果；按照E2和E3工況運(yùn)轉(zhuǎn)的船舶主機(jī)的NOx排放測(cè)試，應(yīng)安排在天氣狀況良好的情況下進(jìn)行，以減少風(fēng)浪對(duì)柴油機(jī)工作的狀況的影響，確保測(cè)量精度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《MARPOL73/78》公約附則VI.

[2]船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則，2008.