基于安全稀釋法的柴油車CO綜合海拔系數(shù)研究

陶亮亮，曾艷華，涂云龍，楊桂暢，劉振撼，何 成

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.四川沿江宜金高速公路有限公司，四川 成都 610041)

高海拔鐵路隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)對提高作業(yè)效率、保障施工人員健康具有重大意義[1-2]。額定功率法具有計算簡便的優(yōu)勢,一直是我國鐵路隧道施工通風(fēng)設(shè)計的主要方法。近年來,隨著高海拔鐵路隧道的建設(shè),額定功率法的不足逐步凸顯。高海拔鐵路隧道施工過程中,作業(yè)車輛CO排放增加,CO對人體的毒性提高。采用單一的額定功率法,忽略了CO排放量和控制標(biāo)準(zhǔn)的變化,不能滿足高海拔鐵路隧道的應(yīng)用。因此,需要基于安全稀釋法重新進行計算,計算結(jié)果主要取決于當(dāng)?shù)睾０蜗虏裼蛙嚨腃O排放量和濃度控制標(biāo)準(zhǔn),其中CO排放量通常利用海拔系數(shù)進行計算。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對柴油車輛CO排放量和CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn)展開了相關(guān)研究。美國西南研究院[3]通過CVS系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測試了怠速工況下自然吸氣柴油機和渦輪增壓柴油機在海拔240、1 800 m下的CO排放情況,結(jié)果表明兩種柴油機的高海拔CO排放量分別為低海拔的1.51、1.76倍左右。張仕杰[4]、馮國勝等[5]依托海拔3 600 m的關(guān)角隧道,研究了多種型號的挖掘機、裝載機和自卸汽車等工程機械在空載和重載兩種工況下的CO排放特性,結(jié)果表明,部分工況下規(guī)范計算的通風(fēng)量不能滿足通風(fēng)要求;Yin等[6]通過對一輛輕型柴油車在不同海拔怠速工作時車載排放測試,得到在海拔3 200 m處測得的CO濃度是海拔0 m處的2.5倍左右;余林嘯[7]利用PEMS系統(tǒng)研究了柴油車輛在不同海拔下實際道路行駛時的排放特性,結(jié)果表明在怠速工況和等速工況下,柴油車輛的CO和THC排放均隨著海拔高度上升呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。楊立新[8]通過對國內(nèi)外CO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研分析,建議在隧道施工時,將有害氣體CO的接觸限值分為高原和非高原的情況;王峰等[9]基于人體血紅蛋白模型研究了不同海拔隧道施工環(huán)境下CO對人體毒性的影響,結(jié)果表明,在相同CO濃度條件下,隨著海拔高度的增加,CO對人體毒性的作用顯著增強,建立了不同海拔高度隧道施工CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn);張世杰[10]通過對低濃度CO環(huán)境中不同海拔下汽車駕駛員的神經(jīng)行為功能研究,建議海拔2 000～3 000 m的CO衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)為20 mg/m3,海拔3 000～4 000 m為15 mg/m3。

目前關(guān)于高海拔CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn)的研究已經(jīng)基本成熟,而對高海拔柴油車輛CO海拔系數(shù)的研究則較為欠缺。以往的排放測試多僅在某個特定海拔點進行,未總結(jié)出一套方便計算的柴油車CO海拔系數(shù)計算公式。當(dāng)前我國施工通風(fēng)設(shè)計中柴油車輛CO海拔系數(shù)通常按汽油車輛CO海拔系數(shù)取值,但由于柴油發(fā)動機與汽油發(fā)動機工作原理不同,排放水平差異較大,因此直接將汽油車輛CO海拔系數(shù)公式運用于高海拔隧道施工通風(fēng)計算是欠妥的。此外,由于所取的海拔系數(shù)僅考慮了CO排放量的增加,未考慮CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn)隨海拔的變化,這并不適合直接用于施工通風(fēng)需風(fēng)量計算。

為此,本文基于安全稀釋法,對柴油車的多海拔測試及理論分析,提出同時考慮CO排放及濃度控制標(biāo)準(zhǔn)變化的柴油車CO綜合海拔系數(shù),從而為高海拔隧道鐵路施工通風(fēng)需風(fēng)量準(zhǔn)確高效計算提供依據(jù)。

1 基于安全稀釋法的需風(fēng)量計算

安全稀釋法的原理是通過輸入足夠的新鮮風(fēng)量,將主要作業(yè)地點設(shè)備產(chǎn)生的污染物稀釋至允許濃度,需風(fēng)量[4]計算式為

Q=AqCi/[Ti]

(1)

式中:Q為稀釋污染物的通風(fēng)量;A為安全系數(shù);q為柴油車廢氣排放率;Ci為第i項污染物排放濃度;qCi即為柴油車CO體積排放率;[Ti]為CO允許濃度。

將式( 1 )中柴油車CO體積排放率轉(zhuǎn)換為CO質(zhì)量排放率后,再乘上CO海拔系數(shù)后,即可得到高海拔隧道稀釋柴油車CO需風(fēng)量為

Q=Agfh∑N/[T]

(2)

式中:fh為CO海拔高度系數(shù);h為海拔高度;g為柴油車CO比排放;∑N為洞內(nèi)同時作業(yè)的柴油機額定功率總和。

當(dāng)CO比排放設(shè)計值、CO允許濃度和安全系數(shù)確定后,即可得到單位功率需風(fēng)量k為

k=Ag/[T]

(3)

我國當(dāng)前高海拔隧道無軌運輸施工需風(fēng)量主要采用柴油機額定功率法進行計算,即

Q=kfh∑N

(4)

JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[11]中規(guī)定,采用內(nèi)燃機械作業(yè)時,k值不宜小于4.5 m3/(kW·min),TB 10204—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》[12]中規(guī)定,采用內(nèi)燃機械作業(yè)時,k值一般取3 m3/(kW·min),該指標(biāo)執(zhí)行的是50 ppm(62.5 mg/m3)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和較高的比排放設(shè)計值。式( 4 )中柴油車CO海拔高度系數(shù)按DL/T 5099—1999《水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》[13]規(guī)范進行取值,即

fh=1+(h-400)/1 800

(5)

然而,式( 5 )沿用了JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》[14]中汽油車輛CO海拔系數(shù)的擬合計算公式。柴油與汽油發(fā)動機工作原理差異較大,對于主要使用柴油機械施工的高海拔隧道來說,將柴油車與汽油車的CO海拔高度系數(shù)取為一致顯然不合理。此外,由于單位功率柴油機設(shè)備需風(fēng)量為定值,忽略了CO對人體毒性隨海拔高度增強而導(dǎo)致的CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn)的變化。因此,需要進行柴油車輛多海拔排放測試,即對式( 5 )進行修正,且需風(fēng)量指標(biāo)也需要基于安全稀釋法重新進行計算。

2 柴油車CO海拔系數(shù)測試

2.1 現(xiàn)場測試

本文測試了某東風(fēng)牌柴油貨車在不同海拔高度下(590～4 220 m)發(fā)動機的CO排放量,現(xiàn)場測試路線從成都市某街道沿318國道至新都橋,測試點具體海拔為590、1 070、1 430、1 952、2 408、3 172、3 448、3 960、4 220 m。測試儀器包括:成都彌榮氣象站、浙大鳴泉ML-100尾氣流量分析儀、鳴泉五氣分析儀、MQY-200不透光煙度計和發(fā)電機,另外配有1套標(biāo)定氣體(對儀器校準(zhǔn))和1套采樣管路(用于儀器件)。測試數(shù)據(jù)包括:環(huán)境溫度、壓強、尾氣流量、CO濃度等,測試系統(tǒng)見圖1。

測試時將五氣分析儀取樣管插入汽車排氣管內(nèi)40 cm,抽取車輛排出的少量尾氣,測出尾氣中CO的濃度。剩余的全部尾氣利用風(fēng)機抽取,通過氣體采集軟管與空氣混合并全部抽進流量測量氣管。在每個海拔點測試前,排放分析儀均用標(biāo)準(zhǔn)氣體進行零點和滿量程點標(biāo)定,以保證儀器的測試精度。

現(xiàn)場采用怠速法進行測試,測試前發(fā)動機從怠速逐漸加速到中速持續(xù)5 s以上,隨后降至怠速?，F(xiàn)場采用連續(xù)測量的方法,每次測試持續(xù)180 s以上,每1 s采樣一次。每個海拔測試點測量3次,取3次測試穩(wěn)定階段的平均值作為該海拔下CO排放量。

2.2 數(shù)據(jù)分析

將在不同海拔下所測混合氣體流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量為

(6)

式中:QS為折合到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量計的流量;Qmix為流量分析儀測量的氣體流量;Pmix為流量分析儀測量的壓力;P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa;T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的溫度273.15 K;tmix為流量分析儀測量的溫度。

利用測得的氧氣濃度可得尾氣稀釋系數(shù)K為

(7)

式中:Oa為空氣中氧氣濃度;Of為流量計中氧氣濃度;Ot為尾氣管中氧氣濃度。

尾氣中單位時間的CO質(zhì)量排放量Mt可表示為

Mt=QS×K×C×10-6×ρ×360

(8)

式中:C為五氣分析儀測得的CO的濃度;ρ為CO標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度,取1.25 g/L。

對各海拔CO排放量進行分析計算,測試結(jié)果見表1,其擬合曲線見圖2。由表1可知,隨著海拔升高,柴油車標(biāo)準(zhǔn)流量降低。柴油車CO濃度隨著海拔增高而增大;當(dāng)海拔為3 172 m時,柴油車釋放的CO濃度約為平原地區(qū)(海拔590 m)的2倍。由圖2可知,隨著海拔升高柴油車CO排放量明顯增加。根據(jù)實測點的各海拔高度值和對應(yīng)的CO質(zhì)量排放量數(shù)據(jù),利用回歸分析法,可得到柴油車CO質(zhì)量排放量與海拔高度的關(guān)系式為

表1 實測CO質(zhì)量排放量

圖2 CO質(zhì)量排放量擬合曲線

y=0.003 9h+10.696

(9)

根據(jù)式( 9 )計算出各海拔下CO擬合質(zhì)量排放量。將柴油車在海拔400 m處的CO質(zhì)量排放量記為Q400,大于400 m處的CO排放量記為Qi,則海拔標(biāo)高i處的海拔高度系數(shù)fh=Qi/Q400。

海拔高度實測和規(guī)范系數(shù)值的對比結(jié)果見表2和圖3。

表2 CO海拔系數(shù)對比

由表2可知,當(dāng)前規(guī)范中所采用的CO海拔系數(shù)偏大,海拔3 000 m處實測CO高度系數(shù)值較規(guī)范值小25.61%。海拔4 000 m處實測CO高度系數(shù)值較規(guī)范值減小28.81%。因此,對于海拔3 000 m以上的隧道工程施工通風(fēng)設(shè)計,可以適當(dāng)減小CO海拔高度系數(shù),縮減比例為25%～30%。

3 CO綜合海拔系數(shù)

柴油機單位功率需風(fēng)量k取定值的方法,我國自20世紀(jì)90年代便開始使用。雖然計算簡便,但卻忽略了車輛CO排放量和高海拔衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)改變而導(dǎo)致的單位功率需風(fēng)量變化。對于高海拔隧道,一方面由于人體耐受能力下降,CO控制濃度值降低,將提高單位功率稀釋CO的需風(fēng)量;另一方面,由于柴油發(fā)動機技術(shù)的進步,會顯著降低車輛的CO基準(zhǔn)排放量,降低單位功率稀釋CO的需風(fēng)量。故高海拔隧道施工需要根據(jù)安全稀釋法調(diào)整相關(guān)系數(shù),從而得到符合實際的施工需風(fēng)量設(shè)計值。

基于本次試驗實測值,以及文獻[4,7]中實測的柴油車輛CO比排放值,可知柴油車CO實際比排放一般維持在2 g/(kW·h)以下,遠小于額定功率法所采用的比排放設(shè)計限值7.5 g/(kW·h)。我國GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》[15]中Ⅲ瞬態(tài)排放限值最大,為5.45 g/(kW·h)。GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[16]在該基礎(chǔ)上增加了整車實際道路車載法排放試驗,CO比排放限值為6 g/(kW·h)。考慮發(fā)動機臺架試驗排放值會小于實車運行時的排放量,偏安全考慮,采用國Ⅵ給出的整車CO排放值6 g/(kW·h)作為CO的比排放設(shè)計值。

GBZ 2—2002《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》[17]規(guī)定CO濃度標(biāo)準(zhǔn)的取值:海拔小于2 000 m,取30 mg/m3;海拔在2 000～3 000 m之間,取20 mg/m3;海拔大于或等于3 000 m,取15 mg/m3。我國最新的公路隧道施工技術(shù)規(guī)范與該值取為一致,鐵路規(guī)范則自20世紀(jì)90年代一直沒有更新。本文按職業(yè)接觸限值中的控制標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計?？紤]到本文中采用了較為嚴格的CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn)和較高的比排放設(shè)計值,安全系數(shù)取1.0。則海拔3 000 m地區(qū),基于安全稀釋法計算的柴油機單位功率需風(fēng)量Q=Agfh/[Ti]=12.2 m3/(kW·min)。對其他海拔進行相同的計算,按水工規(guī)范計算的需風(fēng)量和基于安全稀釋法計算的需風(fēng)量結(jié)果見圖4。

圖4 基于安全稀釋法的計算需風(fēng)量

考慮到安全稀釋法中稀釋柴油車輛CO需風(fēng)量受CO海拔系數(shù)和CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn)共同影響,計算較為復(fù)雜。為方便進行施工通風(fēng)設(shè)計,可仍采用文獻[12]的需風(fēng)量指標(biāo)3 m3/(kW·min)作為基準(zhǔn)值,將安全稀釋法計算出的需風(fēng)量與基準(zhǔn)值的比值作為綜合海拔系數(shù),表達式為

Fh=gfh/3[Ti]

(10)

根據(jù)計算,得出CO綜合海拔系數(shù)見圖5。

當(dāng)海拔h在區(qū)間[0,2 000)時,滿足

Fh=0.000 36h+0.969

(11)

當(dāng)海拔h在區(qū)間[2 000,3 000)時,滿足

Fh=0.000 53h+1.455

(12)

當(dāng)海拔h在區(qū)間[3 000,5 000)時,滿足

Fh=0.000 71h+1.939

(13)

該綜合海拔系數(shù)在考慮柴油機械CO排放增加的同時考慮CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn)的變化。因此,在進行高海拔隧道施工通風(fēng)稀釋CO需風(fēng)量計算時,可直接將設(shè)計點的海拔高度值直接代入對應(yīng)的綜合海拔高度計算式中,再乘上3 m3/(kW·min)和隧道內(nèi)施工機械的總功率即可得到設(shè)計海拔高度處稀釋CO需風(fēng)量。

4 安裝DOC凈化器的需風(fēng)量

根據(jù)計算結(jié)果可知,如果對海拔大于或等于3 000 m的地區(qū)采用15 mg/m3作為CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn),基于安全稀釋法計算通風(fēng)量可達平原地區(qū)風(fēng)量的4倍左右。如果僅通過通風(fēng)措施稀釋CO濃度,會增大施工通風(fēng)成本。因此有必要研究安裝柴油機尾氣凈化器(diesel oxidation catalyst, DOC)對CO進行凈化,降低隧道內(nèi)的CO排放量,從而降低需風(fēng)量降低施工通風(fēng)成本。

尾氣催化氧化器安裝在發(fā)動機排氣管路中,以陶瓷或金屬材料作為載體,采用催化氧化原理降低尾氣中碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)和顆粒物(PM)等的化學(xué)反應(yīng)的活化能,使這些物質(zhì)能與排氣中的氧氣在較低的溫度下進行氧化反應(yīng),轉(zhuǎn)化為CO2和H2O排出,從而降低污染物排放量。

根據(jù)文獻[18]中對5種DOC處理器的實測表明,不同類型DOC對NOx、CO和HC轉(zhuǎn)化效率均在80%以上。文獻[19]中的實測表明,安裝DOC后對發(fā)動機扭矩影響較小,即處理裝置對發(fā)動機動力性能基本無影響。同時DOC氧化催化器還具有背壓小的特點,安裝后基本不會影響發(fā)動機的功率,適用于高海拔隧道。DOC凈化效率分別為80%和60%的單位功率柴油機設(shè)備的各海拔需風(fēng)量見表3。

表3 施工通風(fēng)設(shè)計需風(fēng)量

由表3可知,對于海拔低于3 000 m的地區(qū),基于安全稀釋法計算的需風(fēng)量與規(guī)范計算需風(fēng)量相差不大,可選擇不安裝DOC尾氣處理器。對于海拔大于3 000 m的地區(qū),為達到15 mg/m3的CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn),不安裝DOC需風(fēng)量最高可達規(guī)范計算通風(fēng)量的1.66倍,通風(fēng)的設(shè)備成本和運營成本將極大提高。如果安裝DOC尾氣處理器,在凈化效率達到80%的前提下,海拔5 000 m的計算需風(fēng)量可降至3.3 m3/(kW·min)。在凈化效率僅達到60%的情況下,基于安全稀釋法計算的海拔5 000 m處的計算需風(fēng)量也只有6.59 m3/(kW·min),在此風(fēng)量下即可達到15 mg/m3的CO濃度控制標(biāo)準(zhǔn)。因此,建議在高海拔隧道施工柴油機械上安裝DOC尾氣處理器,降低隧道內(nèi)柴油車CO排放量,從而降低設(shè)計需風(fēng)量,達到通風(fēng)量不顯著增加的目的。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場實驗和理論推導(dǎo)對高海拔隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量計算方法和計算參數(shù)展開研究,得出以下結(jié)論:

1)柴油車CO濃度隨著海拔增高而增大;當(dāng)海拔為3 172 m時,柴油車釋放的CO濃度約為平原地區(qū)(海拔590 m)的2倍。

2)通過現(xiàn)場多海拔連續(xù)測試,得出了柴油車輛CO海拔高度系數(shù)fh,海拔3 000 m處實測值比規(guī)范值小25%左右。

3)基于安全稀釋法對現(xiàn)有額定功率法計算的施工通風(fēng)需風(fēng)量進行了修正,在海拔3 000 m以上計算需風(fēng)量增加了50%～60%。

4)為簡便計算,提出了同時考慮CO排放和控制標(biāo)準(zhǔn)變化的綜合海拔系數(shù),基于測試結(jié)果提出了不同海拔區(qū)間柴油車CO綜合海拔系數(shù)計算模型。

5)綜合海拔系數(shù)模型根據(jù)海拔高度共分為3段,在進行施工通風(fēng)設(shè)計時,只需在3 m3/(kW·min)的基礎(chǔ)上乘上對應(yīng)的綜合海拔系數(shù)即可得到單位功率計算需風(fēng)量。

6)對比DOC處理前后的計算需風(fēng)量,推薦在海拔大于3 000 m以上區(qū)域應(yīng)用DOC尾氣處理器,從而降低施工通風(fēng)成本。