船舶尾气计量检测系统开发研究

柳义成，朱 靖，陈允约，高 辉

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2. 天津市滨海新区塘沽计量所，天津 300456)

在京津冀协同发展、“一带一路”国家战略的驱动下，我国船舶运输业快速发展，随之而来的船舶尾气污染问题也日趋凸显。目前我国船舶尾气造成的污染大约占整个大气污染的10%，尾气中所含氮氧化物、硫氧化物及颗粒物严重危害人体健康，特别是一些靠近江河湖海、水运发达的地区，例如环渤海经济带、长江和珠江的沿线城市，船舶尾气污染治理势在必行[1-4]。国际防止船舶污染公约(MARPOL)附则Ⅵ修正案对船舶尾气中污染物的含量进行了严格限制，我国作为该修正案的缔约国之一，应严格遵守各项条约。准确监测船舶尾气污染物的排放量是控制船舶尾气污染的首要举措，必需一套科学有效的检测系统对各项污染物指标进行标准化计量检测[5-7]。

1 船舶尾气计量检测技术

目前常用的船舶尾气检测技术主要有三种：(1)室外遥感监测；(2)船载实时检测；(3)实验室尾气比对分析。

1.1 船舶尾气遥感监测

室外遥感监测技术首先在美国、欧洲等发达地区得到应用，主要用于汽车尾气检测。尾气遥感监测的基本原理是借助红外线和紫外线光谱技术，测量出各组分气体在尾气排放物中的混合比率。其优点是检测速度快、自动化程度高，能够在汽车正常行驶过程中完成定点检测。缺点是该技术对交通状况和安置地点有苛刻要求，尚未得到广泛应用[8]。然而对于船舶尾气检测，这项缺陷则不再难以克服。船舶不同于汽车，其机动性远不如汽车，港口航道是绝大数船舶的必经之路，如果将遥感监测技术应用于进港处或主航道，可以很好地覆盖船舶监测范围，特定区域的统计数据具有较高的准确性和可靠性。

1.2 实时船载尾气检测

实时船载尾气检测系统主要包括尾气预处理装置、气体分析仪、微机处理软件等部分[9-10]。尾气预处理装置主要包括带蠕动泵的帕尔贴气体预处理单元(用于气水分离)、用于长期测量的新鲜空气阀、加热手柄、加热采样管、热电偶、加热取样管、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代替该部分。分析仪主要包括各类传感器(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型和S型热电偶、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设备。微机处理软件通过USB连接电缆连接分析仪，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，且对各传感器进行补偿。

1.3 实验室尾气比对分析

实验室尾气比对分析是通过尾气预处理装置采集储存船舶尾气，在实验室环境下对尾气成分进行定性定量分析。这种方案可作为遥感监测和实时船载检测的一种补充，实验室检测的优势在于检测环境可控，受外界干扰小，仪器设备更加可靠，检测精度高；缺点在于检测不便，费时费力。

2 船舶尾气计量检测设备计量性能

2.1 船舶尾气计量检测设备概述

图1 船舶尾气计量检测设备检测流程图Fig.1 Testing flow chart of ship exhaust measurement equipments

船舶尾气计量检测设备主要应用于测量船舶尾气中二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害气体的浓度。传感器可选择性配置，测定一种或几种气体。尾气计量检测设备由气路系统、光路系统和电路系统三部分组成。基本检测流程是尾气预处理装置将尾气经采样管送至传感器的检测室，经光谱分析法、定位电解法、化学发光法等方法，得出各种气体的组分，传感器电信号经数模转换、信号放大，得到被测气体的浓度[11]，设备检测流程如图1所示。

2.2 船舶尾气计量检测设备计量技术指标

船舶尾气计量检测设备的测量参数、量程范围、分辨率、示值误差、重复性、响应时间、稳定性等主要技术指标设计如表1所示。

表1 船舶尾气计量检测设备计量技术指标Tab.1 Technical indexes ship of exhaust measurement equipments

2.3 量值溯源路线

计量标准是实现量传溯源的主要手段。研究量传溯源线路的主要内容，即为绘制量值溯源和量值传递框图。

在建立计量标准的过程中，根据与所建计量标准相对应的国家计量检定系统表，绘出该计量标准溯源到上一级计量器具和传递到下一级计量器具的量值溯源和量值传递框图。气体流量和各组分浓度是船舶尾气计量检测设备的两个主要计量性能参数，该参数是直接从检测设备传感器直接测量获取的，因此可采用直接比对的方式进行溯源。船舶尾气计量检测设备浓度与流量参数量值溯源图如图2所示。

图2 船舶尾气计量检测设备浓度与流量量值溯源图Fig.2 Concentration and flux traceability of ship exhaust measurement equipments

3 船舶尾气计量检测平台构建

基于以上检测技术与量传溯源路线，形成船舶尾气硬件检测装置与软件处理系统的平台设计方案。船舶尾气标准化计量检测平台是一套用于计量检测船舶尾气的服务型平台，由硬件平台与软件平台构成，可根据检测环境条件而采用不同的检测技术，在船舶审计检测、筛选重污染和清洁船舶、入港入境检测、检定校准船舶尾气处理装置等方面有诸多应用。检测平台是实施检测船舶尾气的主要工具，基于该平台可以进行外业测试、内业数据处理、出示检测报告等检测工作。其中，硬件检测平台可实现对船舶尾气的定性定量检测，软件检测平台实现对硬件平台的控制，以及对尾气成分进行统计分析并给出检测结果。遥感监测装置、船载实时检测装置和实验室尾气比对分析装置共同构成平台硬件部分。三者适用性与使用条件各不相同，形成互补。遥感监测装置适用于尾气污染定性(设定警报阈值)、快速检测，检测精度要求不高，无需人工值守的情况，主要应用在船舶进出港口或重要航道位置；船载实时检测装置适用于船舶远航途中各种不同工况下的高精度尾气成分检测，主要应用在船舶启停前后，进出港前后，进出公海(燃油更换)前后的全时段、全覆盖检测；实验室尾气比对分析装置适用于船舶尾气成分的计量检定，实现可控环境下气体成分的精细化检测。“遥感—船载—实验室”三者的检测准确度依次提高，便捷性依次降低。

3.1 硬件检测平台

硬件检测平台主要包括尾气预处理装置、遥感监测装置、气体分析装置和标准尾气配制装置，以及数据储存与传输装置用于检测数据的储存与传输。其中遥感监测装置尚无法应用尾气预处理装置，检测条件尚不可控，相当于一个“粗放版”气体分析仪，这也是其检测精度受到制约的主要原因，在此不再赘述。

(1)尾气预处理装置。

由于船舶尾气成分复杂、温度较高，因此需要尾气检测预处理装置能适用于实际的船舶机舱环境，如图3所示。

船舶柴油机尾气中固体颗粒物较多，如果直接在烟道内测量，会严重污染损坏仪器。因此设计了取样检测法，尾气首先通过吹灰管道，除去固体颗粒物，之后进入冷却装置和干燥装置，防止气体温度过高和含有水分对检测结果的影响，然后通过输送泵的动力将尾气泵入真空检测室，最后将气体排入大气。

图3 尾气检测预处理装置Fig.3 Pretreatment device of exhaust testing

(2)气体分析装置。

图4 尾气分析装置示意图Fig.4 Schematic of exhaust analysis device

由于船舶尾气成分复杂，产生环境恶劣，因此气体分析装置应该具备简单易操作、抗环境干扰性强、多种气体组分同步检测的特点。目前气体检测的方法很多，比如紫外法、红外法、定电位电解法、化学发光法等。在众多的气体分析设备中，基于差分吸收光谱法(differential optical absorption spectroscopy，DOAS)的尾气排放检测系统仪器，灵敏度高、分析速度快、维护保养简单，可以同时进行SO2、NO、NO2等气体浓度的检测，是一种较理想的气体浓度与成分分析方法，差分吸收光谱的基本原理是：基于不同气体在紫外至可见光波段具有对光选择性吸收的特性来测量船舶尾气中NO2、SO2、NO等的质量浓度。在监控船舶尾气排放方面差分吸收光谱法具有其他技术难以比拟的优势[12]。

将经过预处理之后的船舶尾气送入检测室的气体分析仪，以基于吸收光谱法的气体分析仪为例，其光路主要组成如下(图4)。

光路主要由光源、透镜、检测室、光纤、光谱仪、计算机组成。整个工作流程是电源发射紫外光，经透镜变成平行光照射被检测气体，吸收后的紫外光再经透镜汇聚于光纤，传送到光谱仪的分光系统进行分光，之后投射到图像传感器(CCD)阵列转化为电信号，经模数(A/D)转化后输入计算机处理。

(3)标准尾气配制装置。

图5 配气系统原理图(重量法)Fig.5 System principle diagram of gas compound

标准气体是指量值准确、高度均匀、稳定性良好的气体。静态配气法和动态配气法是两类主要的混合标准气体配气方法[13]，其中静态配气法又分为重量法和容量法。模拟船舶尾气属于标准气体配制范畴。

静态重量法。静态重量法原理是将准确计量的原料气和稀释气充入已知容积的容器中，混合均匀后即可得到混合标准气体。根据各组分气体的充入量以及容器的容积，可以计算出混合标准气体中各气体组分的浓度。配气过程：将一定量已知纯度的原料气充入钢瓶，用高载荷精密天平称量钢瓶充气前后的质量差，确定充入气体组分的质量，计算稀释气和原料气各组分的质量比，即可得到钢瓶中混合标准气体的浓度，图5为重量法配气系统原理图。

图6 静态容量法配气系统设计图Fig.6 Gas allocation system blueprint of static volumetric method

静态容量法。静态容量法的原理是将要配制的组分气体或液体注入到一个已知容积的密封容器中，同时充入稀释气，待充分混合均匀后，测得混合气体的温度和压力，由容器容积、所配气体组分注入量求得标准气体的浓度。图6为静态容量法配气系统设计图。

动态配气法。动态配气法原理：按照恒定的比例，把已知浓度的原料气和稀释气连续不断地充入气体混合器，从而可以持续稳定地得到既定浓度的混合标准气体。根据稀释气与原料气的相应浓度及充入比例即可求得混合标准气体的浓度，动态配气法对配气设备和气源的要求比较高，配气系统复杂，成本也较高。动态配气法又可分为扩散管配气法，质量流量配气法，压差控制配气法等。

图7 船舶尾气标准化计量软件平台结构图Fig.7 Software platform chart of ship exhaust standard measurement

3.2 软件检测平台

无论是采用气体分析仪在线实时检测还是配制标准船舶尾气比对检测，都需要一个数据后处理软件，对测试数据进行处理分析。软件平台主要由控制模块、数据处理模块和服务管理模块组成。控制模块主要是控制硬件对尾气以及燃油挥发气体等的检测；处理分析模块主要用于数据的处理分析以及对燃油挥发气体和尾气的检测评定并给出检测报告,并通过对处理前后的尾气进行检测对比，从而间接检测尾气处理装置的性能；服务管理模块主要为用户检测提供方便,包括数据储存与查询，数据导出等功能。船舶尾气标准化计量软件检测平台结构图如图7所示：

该软件主要功能包括：

(1)可在线建立与各类气体分析仪的通讯，实现对硬件检测平台的控制；

(2)可连接标准尾气配制系统，并存储各组分气体的浓度值等信息；

图8 尾气检测数据后处理软件结构图Fig.8 Data post-processing software chart of exhaust testing

(3)通过比对气体分析仪检测值与排放法规标准值，对船舶直排尾气和经尾气处理装置后的尾气进行计量检定，对船舶自身和尾气处理装置进行合格评定；

(4)通过比对气体分析仪示值和标准配制尾气成分值，实现对气体分析仪的检定校准；

(5)建立特定区域大气污染状况与船舶尾气排放的数据库。主要内容包括各种船舶的微观排放特性分析(发动机功率参数等)，尾气排放时空分布规律研究等，例如全球卫星定位系统(GPS)，可实时测量船舶的实行速度和地理位置(图8)。

4 实船试验分析

应用船舶尾气计量检测装置，于长江下游的江苏省扬中市西来桥镇水域开展实船测试。船舶吨位600 t，额定功率162 kW，额定转速1 500 r/min。尾气排放浓度随船舶速度的变化曲线如图9、图10、图11所示。

图9 CO排放浓度与船舶速度关系曲线Fig.9 Relation curve of CO emissions concentration and ship speed图10 NOx排放浓度与船舶速度关系曲线Fig.10 Relation curve of NOx emissions concentration and ship speed图11 HC排放浓度与船舶速度关系曲线Fig.11 Relation curve of HC emissions concentration and ship speed

根据以上实船测试结果，分析船舶排放尾气浓度与船舶速度之间的相关性：离港时，船舶功率变化剧烈，瞬时排放浓度急剧上升、下降，产生较大波动；巡航时，航速平稳，燃空比、缸内温度和压力等因素稳定，混合气浓度变化不大，燃烧室内温度比出港时高，燃烧更完全，CO瞬时排放浓度稳定在300～800 ppm之间，NOx排放浓度稳定在1 000 ppm左右，HC排放浓度稳定在300 ppm左右；进港时，发动机功率变化较为频繁，缸内燃烧条件的急剧变化使不完全燃烧的情况加剧，从而导致尾气排放浓度产生较大变化。

5 结语

我国的船舶尾气检测技术与发达国家相比，还存在着一定差距，随着人们对大气污染危害程度的认识加深和国家对船舶尾气污染防治的力度加强，大力发展研究各种柴油机尾气净化技术，研发多种船舶尾气计量检测装置，提高船舶燃油品质是未来船舶尾气治理的主要手段。此外我国船舶尾气检测技术若要达到国际先进水平，应重点致力于应用高精度光电传感器技术和计算机图像处理与显示技术，研究尾气远程与在线智能化检测，发展尾气监测管理网络化与信息化等方面。