唐远贽,楼狄明,张允华,孙贤超,谭丕强,胡志远

基于工况变化的港作拖轮排放特性

唐远贽,楼狄明,张允华*,孙贤超,谭丕强,胡志远

(同济大学汽车学院,上海 201804)

利用便携式排放测试系统(PEMS)对一艘港作拖轮船进行了在变工况航行作业下的排放试验,研究了该船舶CO、碳氢化合物(THC)和NO的瞬态特性、颗粒物粒径分布特性、主机在不同工况下的排放因子.结果表明:拖轮主机在日常航行工况和不同发动机负荷下,颗粒物排放粒径呈单峰或双峰分布,第一峰值粒径在30～40nm之间,第二峰值粒径为191.1nm;CO和THC在进港返航工况下基于油耗排放因子显著高于其他工况,NO、颗粒物(PM)和颗粒物数量(PN)在离港返航时排放因子高于其他工况;各排放污染物在正顶作业时基于距离的排放因子高于其他工况; CO和THC基于功率的排放因子在正顶作业工况下最高,最高值分别为4.10和1.20g/(kW·h),NO、PM、PN排放因子在倒拖作业工况下最高,最高值分别为10.28g/(kW·h), 0.28g/(kW·h)和13.97×1014个/(kW×h).

船舶柴油机；不同工况；便携式排放测试系统(PEMS)；颗粒物；排放因子

我国航运业发达,内河和沿海船舶的活动所产生的气态污染物已经对国内大气污染造成了重要影响[1].已有研究表明,我国船舶排放污染已不可轻视[2].与发达国家相比,我国港口众多,分布较广,且船舶普遍具有明显缺陷,低端和老旧柴油机保有量大、平均船龄较老等现象普遍存在[3-4],且污染物排放特性会由于船舶类型、燃料品质和运行工况的不同而有巨大的区别.因此,数量庞大且工况变化频繁的港口拖轮对我国船舶的污染物防治提出了巨大的挑战.

在船舶柴油机的尾气排放中,氮氧化物(NO)、硫氧化物(SO)、颗粒物(PM)是主要污染物[4],以上各类污染物在大气中会对人们的身体健康产生严重危害[3,5].氮氧化物NO会严重污染生态环境,或在空气中形成光化学烟雾.此外,船舶尾气排放中的颗粒物还含有柴油不完全燃烧生成的多环芳烃(PHA)以及硫酸盐等重金属离子,被人体吸入会造成哮喘、支气管炎的等疾病,甚至引发癌症[4,6].

为了解在用船舶的排放特征,国内外学者对实船排放进行了大量的测试研究[7-13].国外关于船舶柴油机排放的研究开始较早,但由于国际上没有完善的实船测试法规和标准,研究重点还是集中在港口空气质量变化监测或者实验室台架试验阶段,其燃油消耗率的计算一般通过发动机台架测试所得数据进行修正,使得排放因子与实际航行情况存在一定偏差.国内也有基于不同测试循环的船舶柴油机排放台架试验研究,但真正进行船舶柴油机排放实船测试的研究还较少.目前常用的实船测试方法有遥感测试和接触式测试.基于便携式排放测试系统(PEMS)的测试方法是一种常见的接触式实船测试.相对于遥感测试而言,接触式测试具有测量精度高,稳定性好等优点,尤其在同一船舶的不同运行工况下能够连续采集其瞬态及稳态的排放数据进行分析.

本文基于PEMS排放测试系统对一艘沿海城市的港作拖轮船进行了实船排放测试.将港作拖船的实际航行作业分成多个工作工况,连续采集了该船舶在各种不同的实际航行工况下柴油机的排放数据,并通过不同排放因子的测算方法,详细分析了不同污染物在不同测算方法下各个工况的排放特性.

1 材料与方法

1.1 试验船舶

试验船舶为近海某港口的港作拖轮船,用于协助大型船舶进出港口,船舶总长35.20m,最大垂线间长30.50m,型深4.40m,最大吃水3.313m,正顶推力超过53.5t,倒拖拖力47t以上.

表1 试验船舶及主机信息参数

该试验船舶配有2个四冲程柴油主机,主要参数如表1所示,试验过程中只有1台主机工作.试验燃油为深圳市售船用0号普通柴油,含硫量小于0.035%(/).

1.2 试验路线及行驶工况

试验路线为该拖轮船日常作业航行路线,如图1所示.试验拖轮船工作任务为协助大型集装箱船舶进出港口,主要包括正顶作业(拖轮泊位－集装箱泊位１－码头－拖轮泊位)以及倒拖作业(拖轮泊位－码头－集装箱泊位2－拖轮泊位)2条作业路线.试验时天气晴朗,风速1级,海水波动干扰较小.

图1 试验路线

正顶作业是当外来集装箱货船要驶入码头卸货时,试验拖轮从拖轮泊位驶向目标集装箱货船,通过正顶将其顶推进入码头靠岸,然后驶回拖轮泊位.待集装箱货船卸货完成后,试验拖轮便从拖轮泊位出发驶向集装箱货船,通过倒拖作业将卸货后集装箱货船拖入集装箱货船泊位,完成倒拖作业后又驶回拖轮泊位.工况划分:1—启动离港,2—正顶作业,3—离港返航,4—启动进港,5—倒拖作业,6—进港返航.

1.3 试验仪器

船舶排放测试范围包含常规气态污染物测试和颗粒物测试.本次试验采用的PEMS由气态物测试子系统和颗粒物测试子系统组成(图2).气态排放物测试设备为日本HORIBA公司生产的OBS-2200气态物排放测试仪,该设备可以测量尾气中一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、碳氢化合物(THC)、氮氧化物(NO)等常规气态物的浓度以及排气温度、压力,环境温度、压力等参数;颗粒物排放测试子设备为美国TSI公司生产的EEPS3090颗粒粒径谱仪,该设备还有32个测量通道,可以测量空气动力学直径为5.6～560.0nm间的颗粒物.颗粒物测试采用部分流稀释采样的方法,经DI-2000射流稀释器对尾气进行两级稀释后采样,稀释比分别为8.21和8.23,总稀释比67.57.

试验船舶航行速度由G35LGPS记录仪记录,数据采样记录频率为1Hz.测试时,卫星信号接收器固定在船舱外,通过USB接口将实时航速记录存储PC端.其他如主机转速、燃油消耗等参数均可以从船上仪表直接读取.

图2 PEMS试验设备布置

2 结果与分析

2.1 常规气态物瞬态排放特征

拖轮船柴油机排放的常规气态物包括CO、CO2、THC、NO等,本文主要讨论发动机尾气中对环境影响较大的CO、THC和NO,其中CO是发动机工作时因局部缺氧时燃油不充分燃烧产生的,THC由未完全燃烧的燃油或润滑油受高温影响生成,NO是在发动机高温缺氧条件下生成的有害气体.

试验拖轮船常规气态物瞬态排放特征如图3所示.由于2次作业间隔较长时间,只选取了各部分典型工况数据.

启动离港工况下主机转速变化较大,是因为此时附近停泊的拖轮船较多,试验拖轮船在行驶过程中需要躲避其他船只,造成了船舶操作频繁,加减速比重大,各气态物在此工况下的瞬态响应波动也随之增大,具有较好的跟随性.正顶作业2和倒拖作业5工况下,主机转速相对恒定,正顶作业2主机转速370r/min,倒拖作业5主机转速为370和580r/min.倒拖作业5主机转速变化的原因是,作业前期由于靠近码头,作业时需要规避其他船只,作业速度较慢,当远离码头时,作业速度加快,因此该作业工况根据发动机转速又可以分为慢拖和快拖两部分.离港返航3和启动进港4工况行驶路线为拖轮泊位到码头往返路程,航线路线相同,路程较短且障碍物较少,主机转速也相对恒定.进港返航6工况起始路线从集装箱泊位2到拖轮泊位(图1).由于进港返航6工况路线相对较长,航行过程包含加减速变速,因此主机转速波动较大.

CO瞬态排放浓度在不同工况下波动较小,在进港返航工况6下排放浓度整体较高,峰值浓度为0.0652%,因为此时急加减速等工况较多,发动机负荷大,转速高,燃料燃烧时间短而造成燃烧不充分.同时,循环喷油量增加也加重燃烧不充分的情况[14].倒拖作业5快拖阶段发动机转速也相对较高,机内燃烧不充分造成局部缺氧,导致CO排放浓度高.正顶作业2和倒拖作业5慢拖阶段工况下,发动机工作稳定,此时在中低负荷下稳定运行,燃油和空气混合充分,燃烧较好,因此CO排放浓度低.

THC瞬态排放在主机转速突变时出现排放峰值,因为此时燃油喷射量急速变化,喷射过多的燃油未能及时燃烧造成THC排放骤增.在正顶作业2和倒拖作业5慢拖阶段工况下,发动机处在中低转速工作区间,空燃比适中且燃烧充分,此时THC波动较小且稳定在较低排放水平.快拖作业时,发动机处于中高负荷工作状态,此时循环喷油量高且转速快,燃料不能充分燃烧导致THC排放浓度高.启动离港1、离港返航3、启动进港4、进港返航6工况下,拖轮船的加减速操作频繁,发动机循环喷油量变化大,主机转速波动大,燃油不能充分燃烧而同时导致THC排放变化波动大.

NO对是船舶大气污染物的主要防控对象.NO生成条件是高温及富氧环境,在启动离港1和进港返航6工况下,发动机频繁加速,工况频繁切换导致缸内油气混合不均匀而使得机内产生局部高温富氧区域,此时NO排放波动大且出现排放峰值[14].正顶作业2与倒拖作业5慢拖工况下,发动机中低转速稳定运行,油气混合质量良好且燃烧充分,NO排放水平低.倒拖作业5快拖阶段,发动机转速增加,高负荷运转下发动机缸内温度较高且持续时间长,因此NO排放偏高[15].离港返航3和启动进港4工况下,发动机转速存在跃变导致单位时间循环喷油量增加,缸内温度分布不均导致局部高温,使得NO排放也随之增加.

工况划分:1—启动离港,2—正顶作业,3—离港返航,4—启动进港,5—倒拖作业,6—进港返航

2.2 颗粒物粒径分布分析

本文分析了试验船舶在日常航行工况和不同发动机负荷下的颗粒物粒径分布特性, 包括颗粒物质量(PM)和颗粒物数量(PN)的粒径分布特性.发动机内的燃油通过高温脱氢裂解后析出碳烟胚核,可溶性有机成分和硫酸盐会附着到碳烟胚核上形成核膜态颗粒物.核膜态的碳烟胚核通过相互碰撞凝聚而形成片状、链状的聚集态的碳烟颗粒.本文按照动力学直径对颗粒物进行划分,粒径p£50nm为核膜态颗粒物,粒径p>50nm为聚集态颗粒物[15].

如图4所示, 启动离港、正顶作业、离港返航和启动进港工况下颗粒物质量粒径呈单峰分布,峰值粒径191.1nm.倒拖作业及进港返航工况下,颗粒粒径呈双峰分布,第一峰值分别为39.2和29.4nm,第二峰值均为191.1nm.正顶作业、启动进港、启动离港、离港返航、倒拖作业和进港返航工况下的第二粒径峰值浓度依次降低.从图4可以看出,船舶在日常航行工况下,颗粒物排放中主要是聚集态颗粒物[16].

图4 不同航行工况下颗粒物质量粒径对数分布

为颗粒物质量

从图5可以看出,与柴油车的粒径分布特性相类似[16-20],试验船舶在日常航行工况下的颗粒物数量粒径对数分布呈双峰分布,第一峰粒径出现在核膜态区域内,大小为34nm,第二峰值出现在聚集态区域内,粒径大小为191.1nm.进港返航、倒拖作业、启动离港、启动进港、正顶作业和离港返航工况下第一粒径峰值浓度依次降低.各日常航行工况下的第二粒径峰值浓度相差不大.可以看出,颗粒排放数量粒径集中区为小粒径.

从图6、7可以看出,不同负荷下颗粒物质量粒径对数分布呈单峰或者双峰分布.低负荷下颗粒物质量粒径呈单峰分布,15%负荷和30%负荷下颗粒物质量峰值粒径191.1nm,峰值浓度分别4.62×103, 4.33×103mg/cm3,低负荷颗粒物以聚集态颗粒物为主.中负荷下颗粒物质量粒径呈双峰分布,发动机45%负荷颗粒物质量第一、二峰值粒径分别为29.4和191.1nm,峰值浓度分别为9.29×103和1.29× 103mg/cm3.发动机60%负荷下颗粒物质量粒径第一、二峰值粒径39.2和191.1nm,峰值浓度分别为5.98×102和1.55×103mg/cm3.

图5 不同航行工况下颗粒物数量粒径对数分布

为颗粒物数量

图6 不同负荷下颗粒物质量粒径对数分布

图7 不同负荷下颗粒物数量粒径对数分布

不同负荷下颗粒物数量粒径呈双峰分布,第二峰值粒径为191.1nm.15%负荷下第一峰值29.4nm, 30%和45%负荷下第一峰值粒径34nm,60%负荷第一峰值粒径19.1nm.

2.3 船舶实际工况排放因子

图8是基于船舶油耗的排放因子,按照单位航行距离内的排放总量和燃油消耗量计算得出(式1),能够反映出单位质量燃油的排放水平.

式中:EF为排放因子, g/(kg燃油); ER为排放总量, g; Q为船舶燃油消耗量, kg.

启动离港和进港返航工况下CO和THC基于油耗的排放因子最高,此工况下试验船舶航行距离长,包含启动和急加减速工况,燃油燃烧不充分,因此CO和THC排放因子相对较高.正顶作业和倒拖作业工况下发动机处于中低负荷稳定工况下,燃烧较好,CO和THC单位油耗排放因子低.NO在各工况下基于油耗的排放因子差别不大.颗粒物PM和PN排放因子离港返航工况下最高,在作业工况下相对较低.因此,试验拖轮船基于油耗的排放因子中,CO在进港返航时最高为34.57g/kg燃油,THC在进港返航时排放因子最高5.92g/kg燃油,NO、PM和PN在离港返航时排放因子最高,最高值分别为42.89g/kg燃油、1.15g/kg燃油和4.94´1015个/kg燃油.

图9为试验船舶基于距离的排放因子,能够反应船舶排放污染物与船舶航行速度之间的关系.计算方法如式(2):

式中:EF为排放因子, g/km; ER为排放总量,g;表示船舶航行速度, m/s;是航行时间, s[21].

各排放污染物在正顶作业和倒拖作业工况下的单位里程排放因子大大高于其他工况.主要原因是污染物排放率在各工况下差异相对较小,但是作业工况下的航行速度很低,航行距离相比之下非常小,导致单位船舶位移下作业工况的排放因子显著高于其他工况.试验拖轮船基于距离的排放因子中,CO、THC、NO、PM和PN在正顶作业时排放最高,最高分别为222.33g/km、64.07g/km、497.93g/ km、16.93g/km、17.82´1016个/km.基于距离的排放因子可以作为衡量船舶在单一工况下的航速影响水平.在不考虑油耗的情况下,合理的低速航行能够降低船舶的排放水平.

图10是试验船舶基于功率的排放因子,基于主机功率的排放因子反应了船舶主机在不同工况下船舶主机功率与各污染物排放浓度之间的关系,计算方式如式(3):

式中:EF为排放因子, g/kW·h; ER为排放总量,g; P为船舶主机功率, kW.

图10 基于功率的排放因子

表2 中国船舶发动机排气污染物第一阶段排放限值[g/(kW×h)]

正顶作业工况下CO和THC的功率排放因子最高,分别为4.10g/(kW·h)和1.20g/(kW·h).启动离港工况的CO排放因子最低,启动进港工况THC排放因子最低.倒拖作业和正顶作业下NO排放因子远高于其他工况,排放值为10.28g/(kW·h).颗粒物排放因子在倒拖作业工况下最高,此时PM排放和PN排放分别为0.28g/(kW·h)和13.97×1014个/(kW·h).

该试验拖船的主机属于单缸排量25～30L类型区间,因此,根据我国船舶发动机污染物排放限值及测量方法(中国第一阶段)[22]可以得到的各类要求排放限值如表2所示.

从图11中可以看出,NO及THC的总量在倒拖作业工况时,比船机排气污染物第一阶段排放限值高出3.9%,其余排放因子均低于国家标准.

图11 排放污染物与限值比较

3 结论

3.1 瞬态排放在启动离港、离港返航、启动进港和进港返航工况下波动大,而在正顶作业与倒拖作业工况下瞬态排放浓度相对稳定.启动离港、正顶作业、离港返航和启动进港工况下颗粒物质量粒径呈单峰分布,峰值粒径191.1nm.在日常航行工况下的颗粒物数量粒径对数分布呈双峰分布,第一峰粒径出现在核膜态区域内,大小为34nm,第二峰值出现在聚集态区域内,粒径大小为191.1nm.

3.2 低负荷下(15%和30%负荷)颗粒物质量粒径对数分布呈单峰分布,峰值粒径为191.1nm;而不同负荷下颗粒物数量粒径及高负荷下颗粒物质量粒径对数分布呈双峰分布.

3.3 基于油耗的排放因子中,CO在进港返航时最高为34.57g/kg燃油,THC在进港返航时排放因子最高5.92g/kg燃油,NO、PM和PN在离港返航时排放因子最高,最高值分别为42.89g/kg燃油、1.15g/kg燃油和4.94×1015个/kg燃油.基于距离的排放因子中,各类排放污染物均在正顶作业时排放最高.

3.4 基于功率的排放因子中,CO和THC在正顶作业工况下最高,最高值分别为4.10和1.20g/(kW·h). NO、PM、PN在倒拖作业工况下排放最高,排放值分别为10.48, 0.28g/(kW·h)和13.97´1014个/(kW·h).根据试验结果针对所有工况下试验的排放结果分析表明,仅NO氮氧化物及THC碳氢化物的总量在倒拖作业相比船机排气污染物第一阶段排放限值高出3.9%,其他工况下均低于船机排气污染物第一阶段排放限值标准.

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Emission characteristics of port tugboat based on working conditions.

TANG Yuan-zhi, LOU Di-ming, ZHANG Yun-hua*, SUN Xian-chao, TAN Pi-qiang, HU Zhi-yuan

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)., 2021,41(5)：1995～2003

The Portable Emission Measurement System (PEMS) was used to conduct the emission test on a port tugboat under variable sailing operating conditions. Emission characteristics under different operating conditions were studied, including the transient characteristics of CO, THC and NO, distribution characteristics of particle size, and the emission factors of main engine. The results showed that the particle size of the tugboat main-engine presented a single-peak or double-peak distribution under daily sailing conditions and different engine loads. The first peak of particle size was between 30 and 40nm, while the second peak was 191.1nm. Based on fuel consumption, the emission factors of CO and THC were significantly higher under the entry-and-return condition than other operating conditions; the emission factors of NO, PM and PN were higher under departure-and-return condition than other operating conditions. Based on distance, the emission factors of pollutants under topping operation were higher than other operating conditions. Based on power, the emission factors of CO and THC were the highest under topping operation condition (4.10 and 1.20g/(kW·h) respectively); the emission factors of NO, PM, and PN were the highest under the reverse-towing operating condition, with 10.28g/(kW·h), 0.28g/(kW·h) and 13.97×1014units/(kW·h) respectively.

ship diesel engine；variable sailing operating conditions；PEMS；particle；emission factor

X51

A

1000-6923(2021)05-1995-09

唐远贽(1993-),男,安徽合肥人,同济大学硕士研究生,主要研究方向为船舶污染物检测与防治.发表论文2篇.

2020-09-16

上海市科学技术委员会资助项目(18DZ1203100)

* 责任作者, 助理教授, zhangyunhua313@163.com