远洋船舶NOx排放量的测量

第３０卷第１期

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远洋船舶ＮＯｘ排放量的测量

魏

重庆交通大学学报（自然科学版）

Ｖ０１．３０Ｎｏ．１

！竺坠：三Ｑ！Ｌ

安１，韩雪峰２，吕代臣３，徐曼平１

３．广东佛山海事局，广东佛山５２８０００）

（１．广州航海高等专科学校，广东广州５１０７２５；２．重庆交通大学航海学院，重庆４０００７４；

摘要：针对营运船舶上柴油机的实船ＮＯ。排放测量，给出了一种通过实际测量少数几个数据，便可推算出ＮＯ。排放值的方法。这样就可利用简单小型设备进行实船测试，从而使船舶柴油机的实船排放测量变得容易操作，根据其测量值判断是否符合（ＭＡＲＰＯＬ公约》的排放要求。

关键词：船用柴油机；氮氧化物；排放；误差分析；实船测试中图分类号：Ｕ６７７．２

文章标志码：Ａ

文章编号：１６７４—０６９６（２０１１）０ｌ一０１６６—０５

ＭｅａｓｕｒｉｎｇｏｆＮＯｘＤｉｓｃｈａｒｇｅ

ｏｎ

Ｏｃｅａｎ・ｇｏｉｎｇＶｅｓｓｅｌｓ

ＷＥＩＡｎｌ，ＨＡＮＸｕｅ—ｆｅｎ９２，ＬＶＤａｉ．ｔｈｅｎ３，ＸＵＭａｎ．ｐｉｎ９１（１．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ

ＭａｒｉｔｉｍｅＣｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０７２５，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ；

２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｒｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ

ＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ；

３．ＦｏｓｈａｎＭａｒｉｔｉｍｅＳａｆｅｔｙＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎＢｕｒｅａｕ，Ｆｏｓｈａｎ５２８０００，Ｇｕａｎｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

ｔｏ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒ

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ｍｅａｓｕｒｅＮＯｘｄｉｓｃｈａｒｇｅｏｆｏｃｅａｎ－ｇｏｉｎｇｖｅｓｓｅｌｓ，ａｎｏｖｅｌｗａｙ

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ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｖａｌｕｅｏｆＮＯｘｄｉｓｃｈａｒｇｅ，ｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅＮＯｘｄｉｓｃｈａｒｇｅｉｓａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ

０ｆＭＡＰＯＬＰａｃｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｒｉｎｅｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ；ｎｉｔｒｏｇｅｎ

ｏｘｉｄｅｓ（ＮＯｘ）；ｅｍｉｓｓｉｏｎ；ｅｒｒｏｒ

ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｅｓｔ

ｏｎ－ｂｏａｒｄ

根据《ＭＡＲＰＯＬ７３／７８防污公约》附则ＶＩ的规定，每台在２０００年１月１日或以后安装建造或重大改装的、输出功率在１３０ｋＷ以上的柴油机（不适合应急柴油机、救生艇上的发动机），除非ＮＯ。排放值低于下列值，否则禁止排放…：

１）转速低于１３０ｒｅｖ／ｍｉｎ的发动机排放量应在

１７．０

台上的测试方法是不能用于随船测量的，因此，应找出一种适应随船测量的测量与计算方法。１

ＮＯｘ浓度的讨论口。

空气湿度对氮氧化物浓度影响很大，空气干度越

大则混合气的实际过量空气系数愈大，燃烧的燃气热容量愈大，对氮氧化物的排放量的影响愈大。所以，要对上述发动机的排放废气中氮氧化物计算量有可比性，就要对发动机排放量修正到空气干度处在标准状态下的数值。如果测量的环境空气状态（如环境的温度和湿度）是非标准情况，则计算出的氮氧化物浓度应相应乘以一个修正系数Ｋ。Ｋ可通过式（１）、式（２）、式（３）得出。文中的标准参考温度为２５℃时标准湿度为１０．７１ｇ／ｋｇ作为参考值。向增压器加湿可认为是控制排放的一种方法，对空气湿度修正此情况可以不考虑。但空冷器冷析水时，则发动机进气湿度已改变，所以在对湿度计算时就应考虑。

ｇ／（ｋＷ・ｈ）内；

２）转速大于等于１３０ｒｅｖ／ｍｉｎ，小于２３）转速大于等于２

０００

０００ｒｅｖ／ｍｉｎ

的发动删｝放量应在４０．０×ｎ卜０２’ｇ／（ｋＷ・ｈ）内；

ｒｅｖ／ｍｉｎ的发动机排放

量应在９．８ｇ／（ｋＷ・ｈ）内。

对于２０００年１月１日或以后建造或重大改装的、输出功率在１３０ｋＷ以上的柴油机可在实验室试验台上进行检测，但对２０００年１月１日以前建造或重大改装的、输出功率在１３０ｋＷ以上的现有船舶柴油机则只能随船测量。由于船舶航行环境恶劣，实验室试验台上测试的数据多，根据实验室试验

收稿日期：２０１０—０９—１４；修订日期：２０１０—１２—２０基金项目：广东省科技项目（２００７１１０１０４０００４８）

作者简介：魏安（１９６９一），男，江西南昌人，副教授，主要从事轮机工程技术方向的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：Ｌｉｂａｎｇｌｉｎｇ＠１２６．ｃｏｍ。

万方数据

第１期

魏安，等：远洋船舶ＮＯ。排放量的测量

１６７

１．１第１种情况（一般柴油机Ｋ值的计算忙１）

１．２第２种情况（有中冷器的柴油机Ｋ值计算）

１

Ｋ

２再百可Ｆｊ丽亏再＿瓦＝两（１）

１）如果以≤Ｅ则有式（２）：

式中：Ｚ为空冷器后的扫气温度；疋是一个参式中：Ａ＝０．３０

９芦ｂ＇ＦＵＥＬ一０．０２６

６；Ｂ＝一０．２０９

ＦｂＦＵＥＬ

考的相对温度，是空冷器后的扫气温度相对于２５℃ＬｒＡＩＲＤ

｛＇＝ＡＩＲＤ

的海水的参考温度，此数据由生产厂家提供。

一０．００９

５４；瓦为柴油机的进气温度，Ｋ；玩为柴油

２）如果也≥Ｈ。，那么式（２）中的Ⅳ。就改为ｑ，机的进气湿度，ｇ／ｋｇ。

修正系数Ｋ就变为由式（３）计算：

Ｋ＝

１—０．０１２・（也一１０．７１）一０．００２７５・（瓦一２９８）＋０．００２８５・（Ｔｌ—ｒ）

（２）

Ｋ＝

１

１—０．０１２・（Ｈ１—１０．７１）一０．００２７５・（瓦一２９８）＋０．００２８５・（Ｔｌ一疋）

（３）

如柴油机是按发电机状态还是按螺旋浆工况进行。

表１中当柴油机排气时的密度不是１．２９３时，所以在对柴油机的废气排放量进行计算时，一定要则“的值就应变为Ｍ＝ｗ／ｐ。。。ｗ。

说明柴油机处于何种工作模式，以及要确定在此工表ｌ由ＩＭＯ组织给出的发动机废气

作模式下排放废气所占的权重比例，只有这样计算排放量计算公式的系数。１］

得出的数据才能与《ＭＡＲＰＯＬ７３／７８防污公约》附则Ｔａｂ．１

Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ

ｏｆ

ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｏｆ

ＶＩ进行对比，看其排放是否符合公约的要求。

ｅｘｈａｕｓｔ

ｇａｓ

ｇｉｖｅｎｂｙ

ＩＭＯ

１］

ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｓ

Ｅ本文以螺旋浆工况模式运行的船舶主柴油机机

和船舶发电柴油机为例，规定其测试状态是历，在

此工作模式下的转速、功率和相应的权重系数值见表２。

表２按推进特性运行的船用主机和副机的试验模式

Ｔａｂ．２

Ｔｅｓｔ

ｍｏｄｅｓｏｆｍａｄｎｅｈｏｓｔ

ａｎｄｖｉｃｅｅｎｇｉｎｅｓｏｐｅｒａｔｅｄ

ｂｙｐｒｏｍｏｔｉｎｇｂｙ

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

根据ＩＭＯ组织给出的发动机废气排放量计算公式…可求出ＮＯｘ质量流量：

ＭＧ＾ｓ

２

ｕ‘ｃｏｎｅ‘ＧＥｘＨｗ

（４）ＭＧ＾Ｓ＝ｔ，‘ｃｏｎｅ‘ＶＥｘＨＤ（５）ＭＧＡｓ

２

Ｗ・ｃｏｎｅ・ＫｘＨｗ

（６）

因式（４）、式（５）、式（６）都是发动机废气排放

利用以上公式就可以计算出被测试柴油机的单量，可以看成：

位制动功率排放ＮＯ。的质量流量［ｇ／（ｋＷ・ｈ）］，将眠Ａｓ＝“・ｃｏｎｅ・ＧＥｘＨＷ

２÷・ｃｏｎｅ。ＧＥｘＨＷ

２

计算结果与《ＭＡＲＰＯＬ公约》附则ＶＩ第１３条的ＰＥＸＨＷ

Ｗ・ｃｏｎｅ・％；Ｈｗ把经过修正完的ＮＯ。浓度，利用公式ＮＯ。排放标准进行比较，就可看出该柴油机是否满（６）的形式，则可求出ＮＯ。质量流量是：

足该公约了。

ＭＧＡｓ＝Ｗ・（ＮＯｗ＋Ｎ０２ｗ）・Ｋ・Ｋｘ｜ＩＷ

４测量柴油机排气中ＮＯｘ质量流量所

需参数的确定

船用柴油机排气中各气体组分单位制动功率的计算ＮＯ。质量流量所需确定的参数很多，大致质量流量的计算采用式（７）旧Ｊ：

可分为以下几个方面：

首先，是对发动机有效功率的测量：测量有效功ＧＡＳ，＝ｔ｝———一［ｇ／（ｋＷ・ｈ）］（７）

乞（ＭＧ慨‘Ｗｒｉ）

率就必须知道柴油机的速度和扭矩，柴油机的速度可以通过转速仪直接测量（现在一般采用电子数字∑（Ｐｉ。职。）

・；一－－Ｔ‘

转速表测量）得出，柴油机的输出扭矩可以通过扭式中：睇．为权重系数；Ｐｉ＝Ｐ１＋挖，Ｐｌ是柴油机的

矩仪测量，对于水力测功器等一些方法的测量只能曲轴传递的功率；Ｐ２为检测柴油机而附加功率。

在试验台的台架上进行，而随船测量扭矩现在一般在检测每台发动机时，首先必须给出工作状态，

用钢弦扭矩仪和电感式扭矩仪。柴油机的转速儿和

万方数据

２发动机废气排放量的确定

３每千瓦功率各气体质量流量的计算

１６８

重庆交通大学学报（自然科学版）第３０卷

矩仪Ｍ一经测出，然后利用以下公式㈨就可算出有效功率Ｐ：

Ｐ＝丽Ｍ．ｎ（ｋＷ）

其次，是柴油机的船用燃料油数据的测量：对柴油机的船用燃料油数据的测量主要是船用燃料油消耗量及船用燃料油的组分。对于船用燃料油消耗量的测量，目前，船上都装有油耗仪，只要让柴油机的燃烧燃油流经油耗仪，在油耗仪上就可直接读出；至于船用燃料油的组分就由供油公司提供或交由专业的检测机构完成。

再次，是柴油机的进气参数数据的确定：对于扫气和空气的压力、温度的测量比较简单，直接从仪表中得到；而对于空气的组分就比较复杂，除了含有氧气和氮气外，还含有大量的复杂的惰性气体等，而这些气体的组分比例及空气的绝对湿度对ＮＯ。质量流量的确定是非常重要参数，它们的误差直接决定ＮＯ。排量的准确度，虽然空气中的水蒸气是气体，属于大气的组分之一，但水蒸气的组分与其它的惰性气体是不一样，对空气中的水蒸气处理方法也就不一样的。因此，可根据下面的公式旧１计算出环境空气的绝对湿度：

吃＝Ｐ篙Ｐ瓮Ｒ杀１０

。

一ｚ

６一

ａ。Ⅱ・

式中：ｐ。为进气总压力，ｋＰａ；Ｒ。为进气的相对湿度，％；以为每千克干空气中所含水量，ｇ；Ｐ。为进气的饱和蒸汽压力，ｋＰａ。

现在就对不同的柴油机形式的大气空气的绝对湿度和进入气缸燃烧空气的的绝对湿度加以分析。

１）一般非增压柴油机

一般非增压柴油机的燃烧所需的空气，它直接从环境中吸入得到，大气空气的绝对湿度和进入气缸燃烧空气的的绝对湿度是一样的，这样，进入气缸燃烧空气的的绝对湿度就不需要修正。

２）增压柴油机

增压柴油机的气缸燃烧空气必须经过中冷器，而经过中冷器的空气饱和绝对湿度凰和环境中的大气绝对湿度也是不一样的，如果冷却效果充分的话，有可能在中冷器中析出水分，这样，扫气空气饱和绝对湿度日，和环境中的大气绝对湿度以就不一样了。具体讨论在此不再叙述。

对于其它惰性气体等，它们的组分十分复杂，当可以利用不同的设备与仪器进行测量与计算，但这些工作量不但特别大，还会带来许多的测量与计算误差，使ＮＯ。的排放量计算结果变精确，使本文的计算方法失去意义，但通过测量进气湿度对其它惰

万方数据

性气体等组分的质量含量也是一种间接的方法。

一般把空气看成由干燥清洁的气体、悬浮微粒、水蒸气组成，在一定高度的海平面上干燥清洁的气体，它的组分是稳定不变的，主要是氮气、氧气、氩气与二氧化碳气体，剩下的气体约占０．００４％左右。而空气中的水蒸气它的质量是随时变化的，它与海拔高度、气候、季节、温度等环境有关，在沙漠附近水蒸气的含量小到０．０２％，在热带雨林地段高到６％。最后是空气中的悬浮微粒，它受许多条件的影响，不同的季节、地区环境等，都会造成空气中的悬浮微粒化学成分、含量的不同。具体的数据可以通过查表得出旧１。而一般查表得出的数据是体积百分比，在本文中必须知道它的质量含量，这样就必须把体积百分比转换成质量含量。下面是各组分由体积百分比转换成质量含量的计算过程和计算公式：

首先计算出干燥清洁空气的分子量ＭＷＡＩＲ，也即为各组分的平均分子量。

ＭＷＡＩＲ＝≥：肘形・Ｅｉ＝２８．９６１

（８）

式中：Ｅ。是各气体所占体积的百分数，肘阢为相应气体的分子量

通过上述公式（８）可以求得空气分子量，那么各气体的质量流量含量用Ａ田可用下式表示：

＾Ｄ

．

２可

ＭＷ；・Ｅｔ

根据上面的分析，在一定高度的海平面上干燥清洁的气体，它的组分是稳定不变的，通过上面计算公式得出的每种气体的质量含量可以作为一种常量系数看待。不过上面计算的质量组分只是在一定高度的海平面上干燥清洁气体的质量含量，但计算柴油机废气中ＮＯ。的含量是要湿空气中的气体含量，因此，经过上述计算的在一定高度的海平面上干燥清洁气体的质量含量必须变成湿空气中气体的质量含量。下面是各组分由干燥清洁气体的质量含量变成湿空气中气体的质量含量Ａｉ妒的计算过程和计算公式：

１．

０００・Ａ∞

“‘甲一１０００＋日．

最后，是对排气各气体成分中氮氧化物（ＮＯ。）的测量‘７｜：

在对废气中各气体成分中的测量氮氧化物（ＮＯ。）应分不同的情况进行。

如果在潮湿基础上进行测量：首先应保持温度在６０℃以上；装带有ＮＯ：／ＮＯ转换器的加热化学荧光探测器（ＨＣＬＤ）；最后还需进行检查水抑制，达到合格标准。

如果在干燥基础上进行测量：这种条件就简单

第１期魏安，等：远洋船舶ＮＯ。排放量的测量

１６９

得多，只需用化学荧光探测器（ＣＬＤ）或配有ＮＯ：／ＮＯ转换器的加热化学荧光探测器（ＨＣＬＤ）对ＮＯ。进行分析。５

台架试验数据与计算方法得出的ＮＯｘ排放量数据的比较分析‘８１

实验机型为瓦锡兰ＮＳＤ制造厂家生产的

Ｗ６Ｌ２０Ｃ，该机作为船用主机，工作模式采用螺旋浆工况的Ｅ３状态，首先在实验室进行台架试验测定一组数据，然后随船实测一组数据，把随船实测数据进行计算和误差分析，误差分析的具体讨论在此不再叙述，最后列表对比。

Ｗ６Ｌ２０Ｃ主机主要数据如下：该柴油机功率输出通过齿轮箱传动，不可倒转的６缸四冲程柴油机，增压空气通过中冷器进入扫气箱。气缸直径为２００ｍｍ；气缸冲程为２８０ｍｍ；柴油机额定转速为

１０００

ｒｅｖ；额定输出功率为１

０８０

ｋＷ；爆压为１９０

ｂａｒ；压缩比为１５：１。

采用螺旋浆工况的仍状态的台架试验原始测

量数据与本文方法计算出的数据见表３。

表３原始测量数据和本文方法计算数据对比

Ｔａｂ．３

Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

ｂｅｔｗｅｅｎｏｒｉｇｉｎａｌ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａ

ａｎｄ

ｔｈｅｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄ

ｂｙｔｈｅ

ｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ

注：前一列为本文的计算结果；ｔ文献【２Ｊ中排气密度统一取为

１．２９３

ｋｇ／ｍ３；Ａ为排气质量流量，ｋｇ／ｈ；Ｂ为排气密度，ｋｇ／ｍ３；Ｃ为

Ｎ０ｘ质最流量，ｇ／ｈ；Ｄ为各工况ＮＯｘ排放量，ｇ／（ｋＷ．ｈ）；Ｅ为加权Ｎ０ｘ排放量，ｓ／（ｋＷ．ｈ）。

６结论

根据本文的计算方法计算出的ＮＯ。的排放量与柴油机氮氧化物台架试验的结果，从表３看有一定程度的误差，其主要原因是：

１）柴油机排气质量流量计算方法不同

２种计算的质量流量采用的方法不同，导致２种质量流量的值就不同，在本文计算的数值都比用台架试验方法计算的要高一些。主要原因是因为台架试验各种模式计算排放量时，其进气参数均用的

万方数据

是干燥清洁气体的比例，未作湿度的修正，在本文里，其进气参数都进行了湿度的修正，其结果是有一定干度进气参数浓度是会变小。此外，台架试验时把进气看成是简单的２项气体（氧气和氮气）是不对的，此外进气还含有其它的惰性气体，对其它的惰性气体成分进行省略势必造成计算误差大。作者曾用对其它的惰性气体成份进行省略的处理方法，利用本文章的计算方法，与台架试验计算的值完全吻合，进一步说明了本文章的计算方法是完全正确的。

２）两种计算方法的密度不同

台架试验计算时采用的排气密度全部用的都是干燥清洁的空气密度，但是从本文的排气密度计算情况可以看出，经过修正后的排气密度都比干燥清洁的空气密度小，当排气质量不变时，排气密度改变势必会造成氮氧化物的排气质量流量改变。

３）不同的工作模式对某一参数影响不同由于某一参数在不同试验模式下，此参数权重比例与功率的乘积越大，此参数对排气质量流量影响力也就越大。

经过分析，在实际测量和计算氮氧化物时，对于对氮氧化物排放的质量流量影响不大的参数可以不测，如：ＣＯ、Ｃ；对于大气压均可在第一个试验模式得到，不应每次都进行测量；经过简化的测量，使得工作量大大减少，同时又在合理的误差范围中。随船检测氮氧化物的排放量主要是柴油机的燃油消耗量与发动机功率的测量。

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ｏｎ

Ｌｉａｎ—ｚｈｏｎｇ。ＬＩＢｉｎ．Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ

ＭＡＲＰＯＬ

ｐｏｉｎｔｓｏｆ

ｔｈｅＰｏｗｅｒ

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［８］

Ｄｉｅｓｅｌ

Ｐｏｗｅｒ

ＴｈｅＵＳＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＡｇｅｎｃｙＥｍｉｓｓｉｏｎＴｅｓｔＣｙｃｌｅｓＩＳ０

ＳＵＮＰｅｎ—ｔｉｎｇ．Ｍａｒｉｎｅ

ＰｌａｎｔａｎｄｔｈｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ

８１７［Ｒ／ＯＬ］．［２００２一０９—１３］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｉｅｓｅｌｎｅｔ．ｅｏｍ．

（上接第４７页）

［４］兰成雄，王泽民。盛兴跃，等．泡沫沥青冷再生半柔性基层性能研究［Ｊ］．重庆交通大学学报：自然科学版，２００８。２７（１）：９２８

—９３２．

３

结论

１）原路面当量回弹模量直接决定改建后路面的使用性能，原路面当量回弹模量越大，改建后的路面使用性能越好；

２）沥青面层越厚，基层抗疲劳性能、路面抗车辙性能明显增强，路表弯沉减小；

３）冷再生基层模量增加，基层层底的弯拉应力迅速增加，基层层底易开裂，但当基层模量过小时，面层层底易产生弯拉疲劳，路面也容易产生车辙，因此冷再生基层路面铺筑完后进行较长时间的养生是必要的；

４）基层厚度一般不能低于１５ｃｍ，当低于１５著地降低路面的使用性能。

［７］

Ｃｍ

［６］

ＬＡＮＣｈｅｎｇ—ｘｉｏｎｇ，ＷＡＮＧＺｅ—ｒａｉｎ，ＳＨＥＮＧＸｉｎｇ—ｙｕｅ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｌｄｕｒａｌ

ｏｎ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｆｏａｍｅｄｂｉｔｕｍｅｎｓｅｍｉ—ｆｌｅｘｉｂｌｅｂａｓｅ

ｏｆ

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万方数据

远洋船舶NOx排放量的测量

作者：作者单位：

魏安， 韩雪峰， 吕代臣， 徐曼平， WEI An， HAN Xue-feng， LV Dai-chen， XU Man-ping

魏安,徐曼平,WEI An,XU Man-ping(广州航海高等专科学校,广东,广州,510725)， 韩雪峰,HAN Xue-feng(重庆交通大学,航海学院,重庆,400074)， 吕代臣,LV Dai-chen(广东佛山海事局,广东,佛山,528000)

重庆交通大学学报（自然科学版）

JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCES)2011,30(1)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

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