船舶尾氣計(jì)量檢測系統(tǒng)開發(fā)研究

柳義成，朱 靖，陳允約，高 輝

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2. 天津市濱海新區(qū)塘沽計(jì)量所，天津 300456)

在京津冀協(xié)同發(fā)展、“一帶一路”國家戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)下，我國船舶運(yùn)輸業(yè)快速發(fā)展，隨之而來的船舶尾氣污染問題也日趨凸顯。目前我國船舶尾氣造成的污染大約占整個(gè)大氣污染的10%，尾氣中所含氮氧化物、硫氧化物及顆粒物嚴(yán)重危害人體健康，特別是一些靠近江河湖海、水運(yùn)發(fā)達(dá)的地區(qū)，例如環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶、長江和珠江的沿線城市，船舶尾氣污染治理勢在必行[1-4]。國際防止船舶污染公約(MARPOL)附則Ⅵ修正案對(duì)船舶尾氣中污染物的含量進(jìn)行了嚴(yán)格限制，我國作為該修正案的締約國之一，應(yīng)嚴(yán)格遵守各項(xiàng)條約。準(zhǔn)確監(jiān)測船舶尾氣污染物的排放量是控制船舶尾氣污染的首要舉措，必需一套科學(xué)有效的檢測系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)污染物指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量檢測[5-7]。

1 船舶尾氣計(jì)量檢測技術(shù)

目前常用的船舶尾氣檢測技術(shù)主要有三種：(1)室外遙感監(jiān)測；(2)船載實(shí)時(shí)檢測；(3)實(shí)驗(yàn)室尾氣比對(duì)分析。

1.1 船舶尾氣遙感監(jiān)測

室外遙感監(jiān)測技術(shù)首先在美國、歐洲等發(fā)達(dá)地區(qū)得到應(yīng)用，主要用于汽車尾氣檢測。尾氣遙感監(jiān)測的基本原理是借助紅外線和紫外線光譜技術(shù)，測量出各組分氣體在尾氣排放物中的混合比率。其優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快、自動(dòng)化程度高，能夠在汽車正常行駛過程中完成定點(diǎn)檢測。缺點(diǎn)是該技術(shù)對(duì)交通狀況和安置地點(diǎn)有苛刻要求，尚未得到廣泛應(yīng)用[8]。然而對(duì)于船舶尾氣檢測，這項(xiàng)缺陷則不再難以克服。船舶不同于汽車，其機(jī)動(dòng)性遠(yuǎn)不如汽車，港口航道是絕大數(shù)船舶的必經(jīng)之路，如果將遙感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于進(jìn)港處或主航道，可以很好地覆蓋船舶監(jiān)測范圍，特定區(qū)域的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.2 實(shí)時(shí)船載尾氣檢測

實(shí)時(shí)船載尾氣檢測系統(tǒng)主要包括尾氣預(yù)處理裝置、氣體分析儀、微機(jī)處理軟件等部分[9-10]。尾氣預(yù)處理裝置主要包括帶蠕動(dòng)泵的帕爾貼氣體預(yù)處理單元(用于氣水分離)、用于長期測量的新鮮空氣閥、加熱手柄、加熱采樣管、熱電偶、加熱取樣管、加熱軟管轉(zhuǎn)換接口、溫控儀等，如果不采用加熱預(yù)處理裝置，則采用模塊化采樣探針來代替該部分。分析儀主要包括各類傳感器(CO、NO、NO2、CO2、SO2、O2等氣體檢測傳感器)，另外還配有溫度探桿插口K型和S型熱電偶、數(shù)據(jù)總線接口、可充電電池、環(huán)溫傳感器、脈沖接口、數(shù)據(jù)內(nèi)存、USB接口等。分析儀內(nèi)部為氣體測試程序以及顯示設(shè)備。微機(jī)處理軟件通過USB連接電纜連接分析儀，對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、顯示及打印，并可以進(jìn)行交叉靈敏度的標(biāo)定，且對(duì)各傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。

1.3 實(shí)驗(yàn)室尾氣比對(duì)分析

實(shí)驗(yàn)室尾氣比對(duì)分析是通過尾氣預(yù)處理裝置采集儲(chǔ)存船舶尾氣，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)尾氣成分進(jìn)行定性定量分析。這種方案可作為遙感監(jiān)測和實(shí)時(shí)船載檢測的一種補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)室檢測的優(yōu)勢在于檢測環(huán)境可控，受外界干擾小，儀器設(shè)備更加可靠，檢測精度高；缺點(diǎn)在于檢測不便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2 船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備計(jì)量性能

2.1 船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備概述

圖1 船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備檢測流程圖Fig.1 Testing flow chart of ship exhaust measurement equipments

船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備主要應(yīng)用于測量船舶尾氣中二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體的濃度。傳感器可選擇性配置，測定一種或幾種氣體。尾氣計(jì)量檢測設(shè)備由氣路系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)三部分組成?；緳z測流程是尾氣預(yù)處理裝置將尾氣經(jīng)采樣管送至傳感器的檢測室，經(jīng)光譜分析法、定位電解法、化學(xué)發(fā)光法等方法，得出各種氣體的組分，傳感器電信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大，得到被測氣體的濃度[11]，設(shè)備檢測流程如圖1所示。

2.2 船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備計(jì)量技術(shù)指標(biāo)

船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備的測量參數(shù)、量程范圍、分辨率、示值誤差、重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性等主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備計(jì)量技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indexes ship of exhaust measurement equipments

2.3 量值溯源路線

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)量傳溯源的主要手段。研究量傳溯源線路的主要內(nèi)容，即為繪制量值溯源和量值傳遞框圖。

在建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的過程中，根據(jù)與所建計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的國家計(jì)量檢定系統(tǒng)表，繪出該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)溯源到上一級(jí)計(jì)量器具和傳遞到下一級(jí)計(jì)量器具的量值溯源和量值傳遞框圖。氣體流量和各組分濃度是船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備的兩個(gè)主要計(jì)量性能參數(shù)，該參數(shù)是直接從檢測設(shè)備傳感器直接測量獲取的，因此可采用直接比對(duì)的方式進(jìn)行溯源。船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備濃度與流量參數(shù)量值溯源圖如圖2所示。

圖2 船舶尾氣計(jì)量檢測設(shè)備濃度與流量量值溯源圖Fig.2 Concentration and flux traceability of ship exhaust measurement equipments

3 船舶尾氣計(jì)量檢測平臺(tái)構(gòu)建

基于以上檢測技術(shù)與量傳溯源路線，形成船舶尾氣硬件檢測裝置與軟件處理系統(tǒng)的平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。船舶尾氣標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量檢測平臺(tái)是一套用于計(jì)量檢測船舶尾氣的服務(wù)型平臺(tái)，由硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)構(gòu)成，可根據(jù)檢測環(huán)境條件而采用不同的檢測技術(shù)，在船舶審計(jì)檢測、篩選重污染和清潔船舶、入港入境檢測、檢定校準(zhǔn)船舶尾氣處理裝置等方面有諸多應(yīng)用。檢測平臺(tái)是實(shí)施檢測船舶尾氣的主要工具，基于該平臺(tái)可以進(jìn)行外業(yè)測試、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、出示檢測報(bào)告等檢測工作。其中，硬件檢測平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶尾氣的定性定量檢測，軟件檢測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件平臺(tái)的控制，以及對(duì)尾氣成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并給出檢測結(jié)果。遙感監(jiān)測裝置、船載實(shí)時(shí)檢測裝置和實(shí)驗(yàn)室尾氣比對(duì)分析裝置共同構(gòu)成平臺(tái)硬件部分。三者適用性與使用條件各不相同，形成互補(bǔ)。遙感監(jiān)測裝置適用于尾氣污染定性(設(shè)定警報(bào)閾值)、快速檢測，檢測精度要求不高，無需人工值守的情況，主要應(yīng)用在船舶進(jìn)出港口或重要航道位置；船載實(shí)時(shí)檢測裝置適用于船舶遠(yuǎn)航途中各種不同工況下的高精度尾氣成分檢測，主要應(yīng)用在船舶啟停前后，進(jìn)出港前后，進(jìn)出公海(燃油更換)前后的全時(shí)段、全覆蓋檢測；實(shí)驗(yàn)室尾氣比對(duì)分析裝置適用于船舶尾氣成分的計(jì)量檢定，實(shí)現(xiàn)可控環(huán)境下氣體成分的精細(xì)化檢測?！斑b感—船載—實(shí)驗(yàn)室”三者的檢測準(zhǔn)確度依次提高，便捷性依次降低。

3.1 硬件檢測平臺(tái)

硬件檢測平臺(tái)主要包括尾氣預(yù)處理裝置、遙感監(jiān)測裝置、氣體分析裝置和標(biāo)準(zhǔn)尾氣配制裝置，以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與傳輸裝置用于檢測數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與傳輸。其中遙感監(jiān)測裝置尚無法應(yīng)用尾氣預(yù)處理裝置，檢測條件尚不可控，相當(dāng)于一個(gè)“粗放版”氣體分析儀，這也是其檢測精度受到制約的主要原因，在此不再贅述。

(1)尾氣預(yù)處理裝置。

由于船舶尾氣成分復(fù)雜、溫度較高，因此需要尾氣檢測預(yù)處理裝置能適用于實(shí)際的船舶機(jī)艙環(huán)境，如圖3所示。

船舶柴油機(jī)尾氣中固體顆粒物較多，如果直接在煙道內(nèi)測量，會(huì)嚴(yán)重污染損壞儀器。因此設(shè)計(jì)了取樣檢測法，尾氣首先通過吹灰管道，除去固體顆粒物，之后進(jìn)入冷卻裝置和干燥裝置，防止氣體溫度過高和含有水分對(duì)檢測結(jié)果的影響，然后通過輸送泵的動(dòng)力將尾氣泵入真空檢測室，最后將氣體排入大氣。

圖3 尾氣檢測預(yù)處理裝置Fig.3 Pretreatment device of exhaust testing

(2)氣體分析裝置。

圖4 尾氣分析裝置示意圖Fig.4 Schematic of exhaust analysis device

由于船舶尾氣成分復(fù)雜，產(chǎn)生環(huán)境惡劣，因此氣體分析裝置應(yīng)該具備簡單易操作、抗環(huán)境干擾性強(qiáng)、多種氣體組分同步檢測的特點(diǎn)。目前氣體檢測的方法很多，比如紫外法、紅外法、定電位電解法、化學(xué)發(fā)光法等。在眾多的氣體分析設(shè)備中，基于差分吸收光譜法(differential optical absorption spectroscopy，DOAS)的尾氣排放檢測系統(tǒng)儀器，靈敏度高、分析速度快、維護(hù)保養(yǎng)簡單，可以同時(shí)進(jìn)行SO2、NO、NO2等氣體濃度的檢測，是一種較理想的氣體濃度與成分分析方法，差分吸收光譜的基本原理是：基于不同氣體在紫外至可見光波段具有對(duì)光選擇性吸收的特性來測量船舶尾氣中NO2、SO2、NO等的質(zhì)量濃度。在監(jiān)控船舶尾氣排放方面差分吸收光譜法具有其他技術(shù)難以比擬的優(yōu)勢[12]。

將經(jīng)過預(yù)處理之后的船舶尾氣送入檢測室的氣體分析儀，以基于吸收光譜法的氣體分析儀為例，其光路主要組成如下(圖4)。

光路主要由光源、透鏡、檢測室、光纖、光譜儀、計(jì)算機(jī)組成。整個(gè)工作流程是電源發(fā)射紫外光，經(jīng)透鏡變成平行光照射被檢測氣體，吸收后的紫外光再經(jīng)透鏡匯聚于光纖，傳送到光譜儀的分光系統(tǒng)進(jìn)行分光，之后投射到圖像傳感器(CCD)陣列轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)化后輸入計(jì)算機(jī)處理。

(3)標(biāo)準(zhǔn)尾氣配制裝置。

圖5 配氣系統(tǒng)原理圖(重量法)Fig.5 System principle diagram of gas compound

標(biāo)準(zhǔn)氣體是指量值準(zhǔn)確、高度均勻、穩(wěn)定性良好的氣體。靜態(tài)配氣法和動(dòng)態(tài)配氣法是兩類主要的混合標(biāo)準(zhǔn)氣體配氣方法[13]，其中靜態(tài)配氣法又分為重量法和容量法。模擬船舶尾氣屬于標(biāo)準(zhǔn)氣體配制范疇。

靜態(tài)重量法。靜態(tài)重量法原理是將準(zhǔn)確計(jì)量的原料氣和稀釋氣充入已知容積的容器中，混合均勻后即可得到混合標(biāo)準(zhǔn)氣體。根據(jù)各組分氣體的充入量以及容器的容積，可以計(jì)算出混合標(biāo)準(zhǔn)氣體中各氣體組分的濃度。配氣過程：將一定量已知純度的原料氣充入鋼瓶，用高載荷精密天平稱量鋼瓶充氣前后的質(zhì)量差，確定充入氣體組分的質(zhì)量，計(jì)算稀釋氣和原料氣各組分的質(zhì)量比，即可得到鋼瓶中混合標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度，圖5為重量法配氣系統(tǒng)原理圖。

圖6 靜態(tài)容量法配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.6 Gas allocation system blueprint of static volumetric method

靜態(tài)容量法。靜態(tài)容量法的原理是將要配制的組分氣體或液體注入到一個(gè)已知容積的密封容器中，同時(shí)充入稀釋氣，待充分混合均勻后，測得混合氣體的溫度和壓力，由容器容積、所配氣體組分注入量求得標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度。圖6為靜態(tài)容量法配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。

動(dòng)態(tài)配氣法。動(dòng)態(tài)配氣法原理：按照恒定的比例，把已知濃度的原料氣和稀釋氣連續(xù)不斷地充入氣體混合器，從而可以持續(xù)穩(wěn)定地得到既定濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)氣體。根據(jù)稀釋氣與原料氣的相應(yīng)濃度及充入比例即可求得混合標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度，動(dòng)態(tài)配氣法對(duì)配氣設(shè)備和氣源的要求比較高，配氣系統(tǒng)復(fù)雜，成本也較高。動(dòng)態(tài)配氣法又可分為擴(kuò)散管配氣法，質(zhì)量流量配氣法，壓差控制配氣法等。

圖7 船舶尾氣標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Software platform chart of ship exhaust standard measurement

3.2 軟件檢測平臺(tái)

無論是采用氣體分析儀在線實(shí)時(shí)檢測還是配制標(biāo)準(zhǔn)船舶尾氣比對(duì)檢測，都需要一個(gè)數(shù)據(jù)后處理軟件，對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。軟件平臺(tái)主要由控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和服務(wù)管理模塊組成?？刂颇K主要是控制硬件對(duì)尾氣以及燃油揮發(fā)氣體等的檢測；處理分析模塊主要用于數(shù)據(jù)的處理分析以及對(duì)燃油揮發(fā)氣體和尾氣的檢測評(píng)定并給出檢測報(bào)告,并通過對(duì)處理前后的尾氣進(jìn)行檢測對(duì)比，從而間接檢測尾氣處理裝置的性能；服務(wù)管理模塊主要為用戶檢測提供方便,包括數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與查詢，數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。船舶尾氣標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量軟件檢測平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示：

該軟件主要功能包括：

(1)可在線建立與各類氣體分析儀的通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件檢測平臺(tái)的控制；

(2)可連接標(biāo)準(zhǔn)尾氣配制系統(tǒng)，并存儲(chǔ)各組分氣體的濃度值等信息；

圖8 尾氣檢測數(shù)據(jù)后處理軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Data post-processing software chart of exhaust testing

(3)通過比對(duì)氣體分析儀檢測值與排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)船舶直排尾氣和經(jīng)尾氣處理裝置后的尾氣進(jìn)行計(jì)量檢定，對(duì)船舶自身和尾氣處理裝置進(jìn)行合格評(píng)定；

(4)通過比對(duì)氣體分析儀示值和標(biāo)準(zhǔn)配制尾氣成分值，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分析儀的檢定校準(zhǔn)；

(5)建立特定區(qū)域大氣污染狀況與船舶尾氣排放的數(shù)據(jù)庫。主要內(nèi)容包括各種船舶的微觀排放特性分析(發(fā)動(dòng)機(jī)功率參數(shù)等)，尾氣排放時(shí)空分布規(guī)律研究等，例如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，可實(shí)時(shí)測量船舶的實(shí)行速度和地理位置(圖8)。

4 實(shí)船試驗(yàn)分析

應(yīng)用船舶尾氣計(jì)量檢測裝置，于長江下游的江蘇省揚(yáng)中市西來橋鎮(zhèn)水域開展實(shí)船測試。船舶噸位600 t，額定功率162 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。尾氣排放濃度隨船舶速度的變化曲線如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 CO排放濃度與船舶速度關(guān)系曲線Fig.9 Relation curve of CO emissions concentration and ship speed圖10 NOx排放濃度與船舶速度關(guān)系曲線Fig.10 Relation curve of NOx emissions concentration and ship speed圖11 HC排放濃度與船舶速度關(guān)系曲線Fig.11 Relation curve of HC emissions concentration and ship speed

根據(jù)以上實(shí)船測試結(jié)果，分析船舶排放尾氣濃度與船舶速度之間的相關(guān)性：離港時(shí)，船舶功率變化劇烈，瞬時(shí)排放濃度急劇上升、下降，產(chǎn)生較大波動(dòng)；巡航時(shí)，航速平穩(wěn)，燃空比、缸內(nèi)溫度和壓力等因素穩(wěn)定，混合氣濃度變化不大，燃燒室內(nèi)溫度比出港時(shí)高，燃燒更完全，CO瞬時(shí)排放濃度穩(wěn)定在300～800 ppm之間，NOx排放濃度穩(wěn)定在1 000 ppm左右，HC排放濃度穩(wěn)定在300 ppm左右；進(jìn)港時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化較為頻繁，缸內(nèi)燃燒條件的急劇變化使不完全燃燒的情況加劇，從而導(dǎo)致尾氣排放濃度產(chǎn)生較大變化。

5 結(jié)語

我國的船舶尾氣檢測技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比，還存在著一定差距，隨著人們對(duì)大氣污染危害程度的認(rèn)識(shí)加深和國家對(duì)船舶尾氣污染防治的力度加強(qiáng)，大力發(fā)展研究各種柴油機(jī)尾氣凈化技術(shù)，研發(fā)多種船舶尾氣計(jì)量檢測裝置，提高船舶燃油品質(zhì)是未來船舶尾氣治理的主要手段。此外我國船舶尾氣檢測技術(shù)若要達(dá)到國際先進(jìn)水平，應(yīng)重點(diǎn)致力于應(yīng)用高精度光電傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理與顯示技術(shù)，研究尾氣遠(yuǎn)程與在線智能化檢測，發(fā)展尾氣監(jiān)測管理網(wǎng)絡(luò)化與信息化等方面。