船舶柴油机尾气烟度测试技术方案研究

乔红宇

（南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏 南通 226010）

随着国际航运业及船舶制造业的快速发展，在航运营船舶数量越来越多。船舶数量的增长一方面带来了运力的增加，另一方面则伴随着船舶柴油机功率的不断增大，船舶主机及发电机的尾气排放对大气污染也越来越严重。船舶柴油机在燃烧过程中，所形成的氮氧化物能引起酸化，形成对流层臭氧，营养富集等不良环境影响，对全球人类健康造成危害。［1－2］

基于此，国际海事组织（IMO）于2008年通过了“船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则修正案”（2008年氮氧化物技术规则，以下简称“规则”）。该规则规定了船用柴油机试验、检验和发证的强制性程序，以确保所有适用的船用柴油机符合规定的关于氮氧化物排放限值，降低大气污染。该规则适用于所有已安装或设计并拟安装的功率大于130kW的船用柴油机。海事部门组织技术力量对船舶柴油机进行检验，如果符合规则所规定的标准，则对已检的船舶柴油机进行发证，主要是EIAPP证书、IAPP证书（EIAPP证书指与氮氧化物排放有关的发动机国际防止空气污染证书；IAPP证书指国际防止空气污染证书）。［3－4］

为满足上述规则的要求并对船舶柴油机尾气烟度排放进行有效精确的测量，南通航运职业技术学院（以下简称“我院”）依托南通市南通市船舶动力装置综合测试重点实验室，设计了船舶柴油机尾气排放测试系统，在明确了规则所规定的排放标准的基础上，确定了船舶柴油机尾气排放测试的技术方案，并利用该系统进行了有加热预处理装置和无加热预处理系统的对比试验研究，得出了船舶柴油机尾气烟度测试加热预处理系统的必要性，对规则的顺利履约提供了较好的参考，具有较强的技术价值。

1 氮氧化物排放标准及发证规则

根据国际海事组织（IMO）的氮氧化物技术规则，海事主管部门首先进行前期发证检验，如经检验合格，主管机关签发发动机国际防止空气污染（EIAPP）证书。然后在发动机安装上船后但尚未投入使用之前进行初次发证检验。该检验主要是保证安装到船上的发动机包括前期发证后的任何改装符合规则规定的氮氧化物排放限值。该检验作为船舶初次检验的一部分，可向船舶初次签发《国际防止空气污染（IAPP）》证书，也可对船舶有效IAPP证书予以修正已反映安装了新发动机。另外，在每次发动机进行了重大改装后应重新进行检验，以确保发动机符合规则要求，并对签发EIAPP证书和IAPP证书进行修正。船舶柴油机的氮氧化物（NOX）排放标准如表1所示。

2 船舶柴油机尾气排放测试系统整体架构

依托南通市船舶动力装置综合测试重点实验室，我院设计了船舶柴油机尾气排放烟度测试系统，其主要包括尾气预处理装置、分析仪、微机处理软件系统等组成。［5－6］

尾气预处理装置主要包括带蠕动泵的帕尔帖气体预处理单元（用于气水分离）、用于长期测量的新鲜空气阀、加热手柄（电源115～230V，50/60 Hz）、加热采样管（电源 230V/50Hz）、热电偶（NiCr－Ni型，1.2m 长，量程－200℃～＋1 200℃）、加热取样软管、加热软管转换接口、温控仪等。如果不采用加热预处理装置，则采用模块化采样探针来替代该部分。

分析仪采用德图testo 350加强型烟气分析仪，主要包括包含传感器（CO、NO、NO2、CO2、SO2、O2等气体检测传感器），另外还配有温度探杆插口 K 型（NiCr－Ni）和S型（Pt10Rh－Pt）热电偶、数据总线接口、可充电电池、环温传感器、脉冲接口、数据内存、USB接口等。分析仪内部为气体测试程序以及显示装置。另外配有手操器，可通过数据总线电缆或蓝牙无线连接到分析箱，也可以与主机相连接。

微机处理软件系统通过USB连接电缆连接分析仪/手操器，对测量数据进行整理、显示及打印，并可以进行交叉灵敏度的标定，且对传感器各自进行补偿。

船舶柴油机尾气排放测试系统（附带加热预处理单元）整体架构如图1所示。如果采用无加热预处理装置的尾气排放测试系统，则将采样探针接至带蠕动泵的帕尔帖气体预处理单元上，其余部分与图1相同。

图1 尾气排放测试系统（带加热预处理单元）整体架构

3 船舶柴油机尾气排放测试方案设计

3.1 相关参数的获取及试验条件

（1）吸入空气的温度及压力。首先测量发动机吸入空气的绝对温度Ta，应测量或根据式（1）计算干燥大气压力Ps，以kPa表示：

（2）冷却介质温度和增压空气温度。对于具有增压空气冷却的船舶柴油发动机，应记录冷却介质温度和增压空气温度，并需要提供中冷空气参考温度的试验或计算来证实。

（3）进气压力限制。在尾气测试时，进气系统压力应保证在额定功率和满载荷的转速时规定的最大值±300Pa内。

（4）排气压力限制。发动机排气压力应保证在额定功率和满载荷的转速时规定的最大值±650 Pa内。

（5）燃油的限制。燃油的性能可影响发动机的废气排放。因此，应选择正确的用于试验的燃油。建议使用DM级船用燃料。另外，燃油的温度应符合厂家的建议，并按照要求进行记录。燃油温度应在燃料喷射泵进口处进行测量，并且温度和测量点应予以记录。

（6）其他参数的测量与记录。主要包括：绝对湿度、发动机转速、涡轮增压器转速、总大气压、增压空气冷却器后的增压空气压力、制动功率、燃油流量、燃料齿条位置、空气入口温度、增压空气冷却器后的增压空气温度、增压空气冷却器冷却剂进口/出口温度、采样点的废气温度、发动机前的燃油温度、海水温度等。

3.2 船舶柴油机尾气取样及预处理

气体排放物的取样管可以安装在发动机、涡轮增压器或最后一个后处理装置（取最下部者）的出口之后至少10倍于排气管直径处，但同时至少在废气系统出口的上部0.5m或3倍于排气管直径（取大者）处。对于带有旁通排气支管的多气缸发动机，取样管进口应充分处于下风口以确保试样能代表从所有气缸排出的平均废气排放。对于带有不同支管组的多气缸发动机，需要分别从每组废气管处取样并计算平均废气排量。另外，需要从一组中取样以代表平均废气排量。对于废气排放计算，必须采用总废气质量排量。

加热取样管路取样管路由不锈钢制成，其内直径为11.5mm，其主要作用是提供气体试样给烟度分析仪。取样管的废气温度应不低于190℃，该温度有温控仪来进行控制。加热管中配有长为1.2m的NiCr－Ni型热电偶，用来测量尾气进口温度。取样点至分析仪的废气温度一直保持为190℃左右，使用加热的过滤器和加热取样软管。另外，加热手柄一方面允许操作人员对取样管进行，另一方面还提供了通讯接口及控制元件使尾气始终保持在规定的温度范围内。

帕尔帖气体预处理器主要连接烟度分析仪和采样管，其作用一方面是用于气水分离，另一方面是提供自动调节流量的主气泵，其流量是恒定的，一般控制在1L/min，误差为±0.1L/min。

3.3 分析仪的检查与响应

在进行船舶尾气烟度测量前，应检查分析仪的零位和满量程值，必要时应对分析仪进行调整。

在稳定测试时，实时记录在试验过程和所有零位和满量程响应检查过程中分析仪的输出，记录时间不小于10min，对每个零位和满量程响应的检查时间不小于3min。对数据采集系统，取样频率至少每分钟三次。测量的CO、HC和NOX浓度以ppm或等效方式记录并至少精确到最接近整数位。排放试验后，使用零位气体和测量前使用的相同满量程气体对分析仪的零位和满量程响进行重新检查。试验合格的标准是，在试验之前和之后零位气体响应相差低于初始满量程气体浓度的2%；在试验之前和之后满量程气体响应相差低于初始满量程气体浓度的2%。

3.4 气体排放量的修正及计算

由于氮氧化物的排放取决于环境空气状况，所以应使用湿度修正系数khd来修正环境空气温度和湿度的氮氧化物浓度，如式（2）所示。

对压燃式发动机：

式中Ta为空气滤清器进口的空气温度，K；Ha为空气滤清器进口的吸入空气湿度，克水（g）/每千克干空气（kg）。

得出修正系数后，根据分析仪的测试数据就可以得出氮氧化物的排放量，如式（3）所示。

式中qmgas为个别气体排放质量流量，g/h；ugas为废气成分密度和废气密度比率，依据相关规范取值，如表2所示；cgas为原始废气中各成分的浓度，ppm；qmew为废气质量流量，kg/h；khd为 NOX湿度修正系数。

表2 原始废气的系数ugas和燃料参数

4 船舶柴油机尾气排放测试实验

根据上述的测试技术方案，笔者选取了某34 000DWT散货船为测试对象，全长179.8m，型宽27.0m，型 深25.0m。主 机 型 号 德 国 MAN 6S42MC7，额定转速为136rpm，额定功率为6 480 kW，净重143t。船舶柴油机尾气烟度测试的设备分为两套，分别是带有加热预处理装置和不带加热预处理装置（仅为采样探针）的分析装置。应用这两套烟气分析装置分别对四个采样点进行测量，每个采样点测量三次，以三次采样测量的平均值经过修正后得到最终的采样数据，如表3所示。

表3 有无加热预处理装置的烟度测量数据对比

从表3中可以得出，带有加热预处理装置与不带加热处理装置的烟气分析仪在测量数据上有所差别，相比较而言，带有加热预处理装置的测量结果更加接近于精确值。主要原因为：

（1）由于从取样到测量的整个管路流程均有相应的加热装置，使得NOX以及其他尾气的气体成分更加接近于排气管内的状态，使得测量结果的可信度更高。

（2）目前，主流的船舶柴油机尾气烟度（NOX）方法为配有NO2/NO转换器的加热式化学荧光探测（HCLD），一般要求NO2转换成NO的转换率必须在90%以上，为保证热反应转换的顺利进行，所以必须对取样管路进行加热预处理。

（3）在船舶柴油机尾气烟度测量中，一般NO2浓度较高，为避免尾气冷凝，必须将取样管路加热到冷凝点以上。

所以，在测量船舶柴油机尾气烟度时，船舶柴油机烟度分析仪必须附加烟气加热预处理装置，取样管的废气温度要求一般不低于190℃。

5 结语

航运业是我国进出口贸易的核心支撑力量，也是我国经济社会快速稳定发展的重要支撑。根据国际海事组织制定的氮氧化物技术规则，所有在航船舶均将需要EIAPP证书、IAPP证书方能适航。而面对已经实施的国际规则，如何进行船舶柴油机烟度测量，尤其是NOX的测量是海事管理部门及轮机工程技术人员当前必须要解决的技术问题。本文根据相关的技术规则提出了船舶柴油机尾气烟度测试技术方案，并设计了船舶柴油机烟度测试系统，然后应用两套烟度分析仪（有加热预处理装置和无加热与处理装置）对同一个船舶柴油机进行了烟度的测量，并从机理上分析了加热预处理装置的必要性，具有较强的实用意义与借鉴价值，并为今后船舶柴油机烟度测量的实施以及海事部门的发证提供了参考。

［1］ 范金宇，陈景锋，黄加亮.控制船用柴油机NOx和烟度排放的试验研究［J］.船海工程，2007（1）：75－78.

［2］ 刘建华，陈景锋，陈丹.船用柴油机NOx排放的试验研究［J］.集美大学学报：自然科学版，2000（4）：37－41.

［3］ 国际海事组织（IMO）.船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则修正案［S］.

［4］ 国际海事组织（IMO）.Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships［S］.

［5］ 包帅善.柴油机烟度排放测试技术的发展［J］.柴油机设计与制造，2006（2）：1－4，8.

［6］ 曹跃芳.柴油机烟度测量问题的探讨［J］.内燃机与动力装置，2006（3）：32－35.