船舶柴油机NOx排放实船测试方案研究

朱水雄

（中国船级社温州办事处，浙江 325000）

0 引言

在柴油机生产厂家台架试验中符合MARPOL公约附则VI第13条规定的NOx排放极限要求的船用柴油机，将由柴油机检验的船级社根据各船旗国要求颁发前期证书（EIAPP）及NOx技术案卷。该柴油机安装上船经过系泊与航行试验，验证该柴油机在安装上船后的任何改装或调整仍是否符合附则VI规定的NOx排放要求。作为船舶初次检验的一部分将被授予海上船舶防止空气污染证书（IAPP）。在船舶柴油机服务期内，需要定期进行年度检验，中间检验，换证检验，以检验柴油机在使用中或经改装后或调整后是否符合NOx排放极限要求。初次发证检验、年度检验、中间检验、换证检验按照附则VI的要求，根据实际情况，可以应用柴油机参数检验法、NOx简化测量法和NOx整体测量法之一进行。

1 柴油机参数检查方法

柴油机参数检查方法就是利用柴油机参数验证某一构件及其调整和操作值没有偏离柴油机NOx技术案卷的技术要求，以确定根据制造厂的技术要求进行了正确调整的柴油机可调特性在柴油机NOx技术案卷所规定的许可范围内。

参数检查法的检查步骤如下：

1）对柴油机参数进行文件检查，并包括柴油机参数的记录簿检查以及验证柴油机参数在柴油机NOx技术案卷规定的许可范围之内。

2）对柴油机构件及可调性进行实际检查。参照文件检查的结果，验证柴油机可调特性在柴油机NOx技术案卷所规定的许可范围内。

为完成上述检查目的，对于需要按参数检查法检查的柴油机，船东或船舶负责人须在船上保存下列相关的船上NOx核实程序文件：

1）与柴油机的任何指定构件进行改装相关的技术文件。修正和调整的柴油机参数包括：喷油定时，喷油嘴，喷油泵，燃油凸轮，共轨系统的喷油压力，燃烧室，压缩比，涡轮增压器型式和构造，充气冷却器和充气预热器，阀定时，“水喷射”型NOx抑制设备，“乳化燃油”（燃油水乳化）型NOx抑制设备，“废气再循环”型NOx抑制设备，“选择性催化还原”型NOx抑制设备等。

2）有关柴油机构件及其调整所引起的柴油机参数变化记录薄。

3）有关柴油机制造厂提交并经船级社认可的柴油机的指定构件的文件，调整的柴油机参数清单，以及有关随载荷而定的柴油机工作值的文件。

2 简化测量方法

2.1 排气成分浓度测量

文献[2]中提出的排气流量，即NOx比排放计算方法不需测量排气中CO2成分浓度。在此方法基础上，忽略CO、HC成分的近似计算所造成的计算结果误差很小，相对于实船测试的允许误差是可以接受的。这样，如果采用忽略CO、HC成分的排气简化测试方案，实船测试中就只需要测量NOx和O2两种排气成分浓度参数，这为便携式气体分析仪选用提供了可能。

MARPOL公约附则VI规定NOx和O2的测量原理分别为：NOx测量采用加热化学发光分析仪（CLD）；O2测量采用顺磁性分析仪（PMD）、二氧化锆型分析仪(ZrO2)或电化学型（ECS）[1]。二氧化锆型分析仪可以同时测量O2浓度和NOx浓度，二氧化锆型分析仪的良好性能在船上测量得到了验证[3]。实船测试表明，二氧化锆型气体分析仪在船上强烈振动的环境下同样具有良好的可靠性和稳定性，而且不受排气中含硫量的影响，这点对于使用重油的船舶柴油机尤其重要。而且二氧化锆型分析仪具有结构简单、操作简单、易于维护的特点，耐600℃高温、不需单独的外接取样系统，耐振动、冲击，不受CO2、SO2、NOx等气体干扰。二氧化锆分析仪不仅满足附则VI的技术要求，而且适用于船上排放测试的使用环境和条件。根据排气成分简化测试方案，排气组分浓度测量可以考虑采用带二氧化锆传感器的NOx-O2型气体分析仪。

2.2 油耗测量

“NOx简化测量法”中，对油耗量测量精度要求相对较低。对于柴油机燃油系统没有安装合适流量计的船舶，按照附则VI中“技术规则”6.3.1.4节规定，可以参照柴油机NOx排放前期发证检验时台架试验的油耗测量结果[1]。但是，由于试验燃油的品质（如净热值等）、环境条件等不同，应对燃油消耗进行修正，按照ISO 8217的修正方法进行修正。

实船测试中，油耗测量适合采用容积式流量计，如新型的UF-II流量计和LLT双转子流量计[4]。为了满足NOx排放实船测试中油耗测量要求，建议船舶建造时在燃油系统中安装合适的流量计测量单元。

2.3 有效功率测量

对于没有安装扭矩仪光轴的主柴油机，直接测量扭矩有困难。“NOx简化测量法”中，按照附则VI“技术规则”6.3.1.3节规定，可以采用经柴油机制造厂推荐并经船级社认可的其他方法来计算柴油机有效功率。如果是新船试航时的确认检验，可以利用台架试验或试车实验时得到的柴油机有效输出功率的经验公式或试验曲线，如：主机输出功率计算表、发动机额定燃油消耗率(SFOC)曲线等，计算得到柴油机的有效功率。如果船舶营运一段时间后所进行的定期检验和期间检验，则可以利用示功图的方法，测取柴油机的p-V或p-φ示功图，计算出发动机的指示功率，然后利用发动机的机械效率曲线，求出发动机的有效功率。

对于安装扭矩仪光轴的主柴油机，可以采用扭矩仪法，利用船上固定安装的或是测试单位临时安装的扭矩仪来进行有效功率测量。

3 整体测量方法

3.1 试航时进行测试的可行性探讨

3.1.1 测试的必要性

图1 船—桨—功率曲线

附则VI中规定，按推进特性运行的船舶主柴油机以E3循环模式进行试验。而船舶在运营过程中，船体上油漆层逐渐脱落、船体钢板不断腐蚀以及海洋生物的附着将使得船体摩擦阻力和摩擦伴流增大。在船的整个使用期中，总阻力可能增加25%～50%。同时，螺旋桨表面可能变得粗糙和污损，海况、风和流也将使阻力增加。船舶因受载状况不同而引起吃水差异，这也将使得船舶阻力发生变化。考虑到上述这些情况，船舶航行最大阻力可能比静水船总阻力增加50%～100%。从图1[2]可以看出，船舶在营运过程中，不同的服务状态下，尽管推进特性线变化不大，但由于曲线斜率较大，柴油机相同转速、不同推进特性线下的功率却变化较大。NOx排放实船测试中，尽管主机转速容易稳定在要求转速下，然而由于测试转速下的推进特性功率不同，会引起NOx排放测试误差。因此，有必要考虑在试航时安排NOx排放测试。

3.1.2 测试的可行性

运营中的船舶在5年的换证检验周期内必须完成两次坞修，坞修之后船舶需要进行试航试验，因此，正好可以利用船舶坞修之后的试航机会进行NOx排放测试。这样NOx排放测试不会造成船期损失，给船东带来额外的经济负担。

试航时船舶处于良好的海况，坞修后船体状况清洁光滑，船体摩擦阻力最小。同时可以通过压载的方法来调节船舶吃水，故试航时按推进特性运行的主柴油机可以达到相对一致的运行推进特性，此时测试的工况误差最小，从而减少由此引起的NOx排放误差。

3.2 试验循环工况标准探讨

3.2.1 船舶主柴油机选型中的功率储备

船舶设计室先根据船型、设计船速、净吨位和设计吃水等船舶特性，确定螺旋桨功率。该螺旋桨功率为不带海况储备的、船体清洁的、在平静海面和良好天气条件下的船舶试航功率，即螺旋桨设计功率。试航状态下的螺旋桨设计功率确定后，考虑海况储备、螺旋桨的轻桨运行储备、发动机储备，确定主机的参考约定最大持续功率，即图2中CMCR点功率，其中横纵坐标的转速和功率值均为对数百分数[1]。

发动机储备、海况储备和轻桨运行储备的意义如下：

1）海况储备。为了保持给定的船舶在平均服务海况下所需的功率（图2中D点）相对于良好海况下（图2中A点）所需功率增加的部分。该储备取决于船东和租船公司的期望、船舶航线、季节和船期。一般平均海况储备定为约15%试航功率（图2）。

图2 船舶主机选型及运行区域示意图

2）发动机运行储备。大多数船东指定船舶合同服务航速对应的主机功率为85%～90% CMCR。余下的10%～15%功率可用于快速航行或满足较长的坞修周期的需要。该储备称为发动机运行储备，通常由CMCR减额得出。

3）轻桨运行储备。试航特性线（图2中曲线AB）与标定螺旋桨特性曲线之间应该留有3%～7%螺旋桨轻桨运行储备（图2中为3.5%）。其目的是，当不利航行条件下需要获得全功率时，柴油机有足够的扭矩储备，使主机的运行点保持在允许范围内。轻桨运行储备一般为经验值，该值随不同的船型、航速、坞修周期以及营运航线而变化。

从船舶主柴油机选型中的功率储备情况可以看出，试航时船舶处于试航状况，船舶主机运行在无海况螺旋桨曲线上（图2中曲线AB），与标定螺旋桨曲线间存在轻桨运行储备，标定转速下的功率存在发动机运行储备。

3.2.2 实船测试循环工况标准探讨

附则VI中规定的D2、E2和E3试验循环模式的测试工况，实船测试中都难以满足。发电柴油机和定速运转的推进柴油机随着使用寿命的延长，其柴油机的技术状况变差，进而难以达到100%标定转速和100%标定功率的试验工况。柴油机NOx排放与其运行工况密切相关，测试工况偏差会引起NOx排放测试偏差。因此，有必要针对实船测试的实际情况拟定相应的试验循环工况标准。

试航时船舶主机运行在试航工况曲线上（如图曲线AB），因此可以考虑取15%的发动机运行储备，此时试航工况曲线上63%、80%、91%和100%标定转速工况可作为实船NOx排放测试的循环工况标准。这样，试航时进行实船测试就容易达到或接近该要求的循环工况，测试工况偏差较小，由此产生的NOx排放偏差也就较小。

3.3 燃油误差修正

实船测试中允许柴油机试验中使用RM级（1996，ISO8217）重油。由于燃油与氮和燃油的点火性能可能影响柴油机的NOx排放，故需要对因测试使用的燃油和要求使用的燃油之间标准不一致而造成的NOx排放误差进行修正。

3.4 工况误差修正

由于选型时柴油机运行储备取值不同，且试航时受不良海况的影响。尽管前面提出了新的试验循环工况标准，但试航时柴油机运行工况曲线与该标准下的工况曲线仍然存在偏差，该偏差甚至可能较大。如果工况偏差较大，则应该考虑进行NOx排放的工况误差修正。

4 结语

船舶柴油机NOx排放实船测试是一项理论性和实践性很强的复杂工作，文中针对实船测试的特点和要求，探讨了各主要测量参数的测量方法，以及选择了推进特性运行的船舶主柴油机的试验循环工况标准。文中提出了在船舶试航时进行NOx排放测试，并以试航工况曲线为基础建立相应的试验循环工况标准，提出的NOx排放实船测试方法切实可行。

[1]国际海事组织修订73/78防污公约综合文本[S].中国船级社译.北京:人民交通出版社,2007.

[2]尹自斌,吴桂涛,孙培廷.船舶柴油机NOx比排放计算方法[J].交通运输工程学报,2005,5(4).

[3]刘永长.内燃机原理[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.

[4]内克鲁特.船舶水动力学[M].咸培林译.上海:上海交通大学出版社,1997.