柴油机NOx排放量实船测试及误差分析

【摘 要】如若对在航船的柴油机实施NOx排放量的测试，需进行必要的系统改造和测试仪器安装。测试参数根据其特性分成了大气环境参数、柴油机运行参数、柴油机排气参数和燃油成份参数等四类。本文分别就测取精度要求、测取方法选择、及测量误差等环节对柴油机NOx排放量测取结果的影响进行了阐述和分析。

【关键词】NOx排放量；实船测试；在航船

功率超过130kW的柴油机在装船前需进行相关的NOx排放量认证工作[1][2]，并获取EIAPP证书。其NOx排放量测试工作一般是在柴油机台架上进行的，相关的测量仪器及其精度都是按照实验室标准配置，能满足船舶柴油机NOx排放量测量的相关要求。由于使用用途、航行区域、机损故障、关键部件调整等因素，需要对在航船的柴油机进行NOx排放量的实船测量。要想在船舶上实施柴油机的NOx排放量测试，目前船舶柴油机的系统组成及测试仪器精度等环节不能满足《MARPOL》公约的相关要求，必须进行系统改造和测试仪器的安装或更换。

在进行柴油机氮氧化合物（NOx）质量排放量的测试工作时，依据公约及其计算方法的要求，并根据其各自的性质，可以将测取的参数分为四类，分别为大气环境参数、柴油机运行参数、排气参数和燃油成份。具体如表1所示：

表1所示的第四项参数为燃油成份，需在试验过程中对柴油机燃用的燃油进行现场取样，之后送到有资质的专业燃油成份分析服务机构，按照ISO9001的要求对燃油成份进行分析，并出具正式的燃油成份分析报告；其它三项参数（大气参数、柴油机运行参数和排气成份）都需在现场使用符合要求的测试仪器进行实时测量。在实船上，现有测试仪器的数量及精度一般都不能满足要求，需根据船舶的实际情况进行相应的系统调整和测试仪器安装。下面结合大连海事大学排放测试中心实施的某轮发电副机实船NOx排放量测试项目的试验情况，就系统调整、测试仪器及其安装、及各类测量误差对NOx排放量测试结果的影响等问题进行阐述：

1.大气环境参数的测量及影响

大气环境参数的测量仪器由测试者自带，其摆放位置，需靠近运行柴油机增压器的压气机侧，距离应控制在0.5～1.0米为宜，如为表盘式仪表应注意适当的固定，避免运行柴油机的震动影响其测量精度；由于船舶机舱一般为封闭空间，柴油机消耗的空气由机舱风机提供，随着柴油机工况点的变化，应调整运行风机数量，保持机舱大气压力在100 kpa左右，并避免较大的波动。

大气环境参数测量精度对柴油机NOx测试工作的影响包括两方面，其一直接决定柴油机NOx排放试验的大气环境因子fa是否满足公约的要求，按照NOx技术规则（2008）Tier II的要求，fa应满足的条件为（0.93 ≤fa≤1.07）；其二影响柴油机的NOx排放量的计算结果。除大气压力外，其他参数对NOx计算结果的影响均为正向，即：随着大气温度、大气相对湿度、大气CO2的体积含量测量数值的增加，柴油机NOx排放量的计算值随之增加。具体情况如表2所示：

2.柴油机运行参数的测量及影响

影响柴油机NOx排放量计算值的参数主要包括：扫气的温度和压力、柴油机的轴功率、燃油质量流量。

2.1柴油机扫气温度和压力的测量及影响

船上原有的扫气温度表与压力表一般为工业级，其精度较低，试验时需更换。扫气温度表应选用精度等级为0.5级的实验室用表，类型应选用电阻式或压力式，安装位置可利用原扫气温度表（本地表）位置；测量扫气压力时宜选用外接的U型管压力计，安装位置可利用原扫气温度传感器位置（远程传输用传感器），也可在温度表附近开一个临时的扫气压力测量孔。

扫气温度对柴油机NOx排放量计算值的影响为正向，即随着扫气温度测量值的增大，柴油机NOx排放量的计算值随之增加；而扫气压力的影响相反。具体情况如表3所示：

2.2 柴油机的功率测量及影响

实船柴油机功率测量的精度直接影响柴油机NOx质量排放量的测量精度。除特种船舶外，服务于船舶的柴油机主要包括主机（推进用途）、副机（常规发电用途）及应急发电柴油机，需持有EIAPP证书的仅为主机与副机。由于主机与副机其工作负载特征不同，在船上实现功率测量的方式方法也不同。

柴油机作为船舶的主机时，由于船、机、桨组成了船舶能量转换三角关系的三个支点，其中主机作为船舶推进装置的功率提供单元，推进器作为船舶推进装置功率的转换单元，船舶作为船舶推进装置功率的消耗单元。主机发出的功率最终转化为船舶的航速，要想使船舶以一定的航速航行，须使主机发出一定的功率。

根据螺旋桨的形式不同，主机的工作方式分两种，即定距桨模式和变距桨模式。以定距桨模式工作时，主机需按照E3工况运行；以变距桨模式工作时，主机需按照E2工况运转。其工况点分别如表4所示：

船舶主机遥控系统包括油门和转速两方面的控制要素。对于直接传动的定距桨船舶来说，其遥控信号一般为速度信号和（或）油门信号，其机旁操作信号为油门信号。为了使船舶主机按照E3工况运转，必须使主机遥控系统能独立输出油门和转速两种设定信号，即系统具有双手柄控制功能。机旁控制仅具有油门控制信号，因而无法满足获得E3工况的需求；具有单手柄控制功能的主机遥控系统，应预先对系统进行功能调整。对于主机接变距桨的情况，一般有单手柄和双手柄模式，满足E2工况的操作模式应为单手柄模式（仅输出负荷信号），如果系统为双手柄，应预先进行系统改造。

为了精确测量柴油机发出的功率，需在传动轴上安装传递式扭矩测量装置。扭矩测量装置的类型较多，安装和调试方法也不尽相同，一般都能够满足柴油机NOx排放量质量测量的精度需求；比较而言，电阻应变片式扭矩测量装置更适合实船柴油机轴功率的测量。电阻应变片式扭矩仪一般由转子、定子和信号接收处理单元组成，安装过程中应尤其注意应变仪的安装位置及精度，否则将影响测量精度。安装位置避开中间轴承，距中间轴承2个轴径以上，在粘贴应变片前应清洁好轴颈，在初步清洁的基础上，再使用满足医用标准的酒精进行清洁，最后再使用丙酮溶液进行清洁；定子部分应确保距离钻子的安装距离符合设备的安装要求。通过扭矩仪测量的功率为主机的轴功率，应根据实船推进装置的具体组成，获取相应各环节的效率，进而确定柴油机的有效功率。

柴油机作为船舶的副机时，发电原动机、发电机、用电设备组成了船舶配电系统的三个支点，柴油机是功率的提供单元，发电机是功率的转换单元，船舶用电设备是功率的消耗单元。为了使发电柴油机按照D2工况运行，须安装足够的用电负荷，用以满足柴油机的运行需求。干电阻和水电阻都可以满足以上要求，由于其耗电的特点不同，其精度不尽相同。干电阻由若干电阻丝组成，工作稳定、负载波动很低，波动率低于0.2%，完全满足柴油机NOx质量排放量的测试精度要求，其缺点是租用价格较高；水电阻的工作介质一般为导电液体，由于液体的波动、沸腾等影响，其精度较低，负载的波动率较大，尤其是当水电阻工作时间较长而使导电液体沸腾时，负载的波动会加剧，根据水电阻的结构特点，其误差一般在0.5-3%之间变化，其优点是租用价格较低。

功率的测量值对柴油机NOx排放量计算值的影响为反向，即随着功率测量值的增大，柴油机NOx排放量的计算值减少，其影响幅度相同，就是说，功率测量的误差直接转化为柴油机NOx质量排放量的误差（误差方向相反）。

2.3柴油机的燃油流量的测量及影响

在实船上，测取柴油机的燃油质量流量前，需对燃油供给系统进行适当的改造，安装符合NOx排放量测试精度要求的燃油流量测量设备。安装精度等级为0.5的具有远传功能（一般输出电流或脉冲信号）的容积式流量计为宜，安装的数量取决于实船燃油系统的实际构成，原则为相对柴油机（主机或副机）而言，对每一个燃油的流进与流出点都要加装一个流量计，燃油的消耗等于各个进出流量计的代数和。对于具有远传功能的流量计，可以通过和差功能的显示单元或自制的多路信号处理终端实现集中的燃油流量测取，可降低人员多点读数的误差影响。

油耗的测量值对柴油机NOx排放量的计算值的影响为正向，即随着油耗测量值的增大，柴油机NOx排放量的计算值增加，其影响幅度基本相同，就是说，油耗测量的误差直接转化为柴油机NOx质量排放量的误差（误差方向相同）。

3.柴油机排气参数的测量及影响

排烟中各组份（氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳、碳氢、剩余氧）的测量都是通过测试机构的经主管机关认可的测试仪器完成，在实施中，应注意两方面的问题，其一是应注意船舶机舱的条件能否满足测试仪器的使用环境条件要求；其二是测试仪器的放置位置及取样探头的安装位置等，一般取样探头的安装位置需要在柴油机排烟管道上临时安装，注意安装的位置应满足公约的要求。

排烟中剩余氧的浓度对柴油机的计算结果没有影响，其他组份对柴油机NOx计算结果影响各异，其具体情况如表5所示：

4.柴油机燃油成份及其误差影响

如果船舶没有符合公约要求的RM级燃油，应专门加装符合条件的燃油，注意在加装前应对油柜进行清洗，同时对燃油单元的所属管路进行冲刷和清洗，尽量减少原来燃油的残留量。燃油中的碳、氢、氧、氮的质量含量影响柴油机NOx排放量的计算值，必须确保燃油取样的准确性。如果条件允许，在燃油进机前的管路上安装“全程点滴取样设备”，其设备如图1所示，确保取样的燃油来自于整个试验过程。燃油中碳的质量含量对柴油机的NOx排放量的影响是正向的，而氢、氧和氮的质量含量对柴油机的NOx排放量的影响是反向的。其具体影响情况如表6所示：

在实船实施柴油机NOx测试时，按照D2工况运行的发电副柴油机的NOx排放测试，可以安排在抛锚或停泊期间进行，但应确保在试验期间无货物的装卸，对于功率较大的用电设备应锁死在常态，确保船舶用电负荷的稳定，以免其自动起停影响试验效果；按照E2和E3工况运转的船舶主机的NOx排放测试，应安排在天气状况良好的情况下进行，以减少风浪对柴油机工作的状况的影响，确保测量精度。

【参考文献】

[1]《MARPOL73/78》公约附则VI.

[2]船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则，2008.