基于工況變化的港作拖輪排放特性

唐遠贄,樓狄明,張允華,孫賢超,譚丕強,胡志遠

基于工況變化的港作拖輪排放特性

唐遠贄,樓狄明,張允華*,孫賢超,譚丕強,胡志遠

(同濟大學汽車學院,上海 201804)

利用便攜式排放測試系統(PEMS)對一艘港作拖輪船進行了在變工況航行作業下的排放試驗,研究了該船舶CO、碳氫化合物(THC)和NO的瞬態特性、顆粒物粒徑分布特性、主機在不同工況下的排放因子.結果表明:拖輪主機在日常航行工況和不同發動機負荷下,顆粒物排放粒徑呈單峰或雙峰分布,第一峰值粒徑在30～40nm之間,第二峰值粒徑為191.1nm;CO和THC在進港返航工況下基于油耗排放因子顯著高于其他工況,NO、顆粒物(PM)和顆粒物數量(PN)在離港返航時排放因子高于其他工況;各排放污染物在正頂作業時基于距離的排放因子高于其他工況; CO和THC基于功率的排放因子在正頂作業工況下最高,最高值分別為4.10和1.20g/(kW·h),NO、PM、PN排放因子在倒拖作業工況下最高,最高值分別為10.28g/(kW·h), 0.28g/(kW·h)和13.97×1014個/(kW×h).

船舶柴油機；不同工況；便攜式排放測試系統(PEMS)；顆粒物；排放因子

我國航運業發達,內河和沿海船舶的活動所產生的氣態污染物已經對國內大氣污染造成了重要影響[1].已有研究表明,我國船舶排放污染已不可輕視[2].與發達國家相比,我國港口眾多,分布較廣,且船舶普遍具有明顯缺陷,低端和老舊柴油機保有量大、平均船齡較老等現象普遍存在[3-4],且污染物排放特性會由于船舶類型、燃料品質和運行工況的不同而有巨大的區別.因此,數量龐大且工況變化頻繁的港口拖輪對我國船舶的污染物防治提出了巨大的挑戰.

在船舶柴油機的尾氣排放中,氮氧化物(NO)、硫氧化物(SO)、顆粒物(PM)是主要污染物[4],以上各類污染物在大氣中會對人們的身體健康產生嚴重危害[3,5].氮氧化物NO會嚴重污染生態環境,或在空氣中形成光化學煙霧.此外,船舶尾氣排放中的顆粒物還含有柴油不完全燃燒生成的多環芳烴(PHA)以及硫酸鹽等重金屬離子,被人體吸入會造成哮喘、支氣管炎的等疾病,甚至引發癌癥[4,6].

為了解在用船舶的排放特征,國內外學者對實船排放進行了大量的測試研究[7-13].國外關于船舶柴油機排放的研究開始較早,但由于國際上沒有完善的實船測試法規和標準,研究重點還是集中在港口空氣質量變化監測或者實驗室臺架試驗階段,其燃油消耗率的計算一般通過發動機臺架測試所得數據進行修正,使得排放因子與實際航行情況存在一定偏差.國內也有基于不同測試循環的船舶柴油機排放臺架試驗研究,但真正進行船舶柴油機排放實船測試的研究還較少.目前常用的實船測試方法有遙感測試和接觸式測試.基于便攜式排放測試系統(PEMS)的測試方法是一種常見的接觸式實船測試.相對于遙感測試而言,接觸式測試具有測量精度高,穩定性好等優點,尤其在同一船舶的不同運行工況下能夠連續采集其瞬態及穩態的排放數據進行分析.

本文基于PEMS排放測試系統對一艘沿海城市的港作拖輪船進行了實船排放測試.將港作拖船的實際航行作業分成多個工作工況,連續采集了該船舶在各種不同的實際航行工況下柴油機的排放數據,并通過不同排放因子的測算方法,詳細分析了不同污染物在不同測算方法下各個工況的排放特性.

1 材料與方法

1.1 試驗船舶

試驗船舶為近海某港口的港作拖輪船,用于協助大型船舶進出港口,船舶總長35.20m,最大垂線間長30.50m,型深4.40m,最大吃水3.313m,正頂推力超過53.5t,倒拖拖力47t以上.

表1 試驗船舶及主機信息參數

該試驗船舶配有2個四沖程柴油主機,主要參數如表1所示,試驗過程中只有1臺主機工作.試驗燃油為深圳市售船用0號普通柴油,含硫量小于0.035%(/).

1.2 試驗路線及行駛工況

試驗路線為該拖輪船日常作業航行路線,如圖1所示.試驗拖輪船工作任務為協助大型集裝箱船舶進出港口,主要包括正頂作業(拖輪泊位－集裝箱泊位１－碼頭－拖輪泊位)以及倒拖作業(拖輪泊位－碼頭－集裝箱泊位2－拖輪泊位)2條作業路線.試驗時天氣晴朗,風速1級,海水波動干擾較小.

圖1 試驗路線

正頂作業是當外來集裝箱貨船要駛入碼頭卸貨時,試驗拖輪從拖輪泊位駛向目標集裝箱貨船,通過正頂將其頂推進入碼頭靠岸,然后駛回拖輪泊位.待集裝箱貨船卸貨完成后,試驗拖輪便從拖輪泊位出發駛向集裝箱貨船,通過倒拖作業將卸貨后集裝箱貨船拖入集裝箱貨船泊位,完成倒拖作業后又駛回拖輪泊位.工況劃分:1—啟動離港,2—正頂作業,3—離港返航,4—啟動進港,5—倒拖作業,6—進港返航.

1.3 試驗儀器

船舶排放測試范圍包含常規氣態污染物測試和顆粒物測試.本次試驗采用的PEMS由氣態物測試子系統和顆粒物測試子系統組成(圖2).氣態排放物測試設備為日本HORIBA公司生產的OBS-2200氣態物排放測試儀,該設備可以測量尾氣中一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、碳氫化合物(THC)、氮氧化物(NO)等常規氣態物的濃度以及排氣溫度、壓力,環境溫度、壓力等參數;顆粒物排放測試子設備為美國TSI公司生產的EEPS3090顆粒粒徑譜儀,該設備還有32個測量通道,可以測量空氣動力學直徑為5.6～560.0nm間的顆粒物.顆粒物測試采用部分流稀釋采樣的方法,經DI-2000射流稀釋器對尾氣進行兩級稀釋后采樣,稀釋比分別為8.21和8.23,總稀釋比67.57.

試驗船舶航行速度由G35LGPS記錄儀記錄,數據采樣記錄頻率為1Hz.測試時,衛星信號接收器固定在船艙外,通過USB接口將實時航速記錄存儲PC端.其他如主機轉速、燃油消耗等參數均可以從船上儀表直接讀取.

圖2 PEMS試驗設備布置

2 結果與分析

2.1 常規氣態物瞬態排放特征

拖輪船柴油機排放的常規氣態物包括CO、CO2、THC、NO等,本文主要討論發動機尾氣中對環境影響較大的CO、THC和NO,其中CO是發動機工作時因局部缺氧時燃油不充分燃燒產生的,THC由未完全燃燒的燃油或潤滑油受高溫影響生成,NO是在發動機高溫缺氧條件下生成的有害氣體.

試驗拖輪船常規氣態物瞬態排放特征如圖3所示.由于2次作業間隔較長時間,只選取了各部分典型工況數據.

啟動離港工況下主機轉速變化較大,是因為此時附近停泊的拖輪船較多,試驗拖輪船在行駛過程中需要躲避其他船只,造成了船舶操作頻繁,加減速比重大,各氣態物在此工況下的瞬態響應波動也隨之增大,具有較好的跟隨性.正頂作業2和倒拖作業5工況下,主機轉速相對恒定,正頂作業2主機轉速370r/min,倒拖作業5主機轉速為370和580r/min.倒拖作業5主機轉速變化的原因是,作業前期由于靠近碼頭,作業時需要規避其他船只,作業速度較慢,當遠離碼頭時,作業速度加快,因此該作業工況根據發動機轉速又可以分為慢拖和快拖兩部分.離港返航3和啟動進港4工況行駛路線為拖輪泊位到碼頭往返路程,航線路線相同,路程較短且障礙物較少,主機轉速也相對恒定.進港返航6工況起始路線從集裝箱泊位2到拖輪泊位(圖1).由于進港返航6工況路線相對較長,航行過程包含加減速變速,因此主機轉速波動較大.

CO瞬態排放濃度在不同工況下波動較小,在進港返航工況6下排放濃度整體較高,峰值濃度為0.0652%,因為此時急加減速等工況較多,發動機負荷大,轉速高,燃料燃燒時間短而造成燃燒不充分.同時,循環噴油量增加也加重燃燒不充分的情況[14].倒拖作業5快拖階段發動機轉速也相對較高,機內燃燒不充分造成局部缺氧,導致CO排放濃度高.正頂作業2和倒拖作業5慢拖階段工況下,發動機工作穩定,此時在中低負荷下穩定運行,燃油和空氣混合充分,燃燒較好,因此CO排放濃度低.

THC瞬態排放在主機轉速突變時出現排放峰值,因為此時燃油噴射量急速變化,噴射過多的燃油未能及時燃燒造成THC排放驟增.在正頂作業2和倒拖作業5慢拖階段工況下,發動機處在中低轉速工作區間,空燃比適中且燃燒充分,此時THC波動較小且穩定在較低排放水平.快拖作業時,發動機處于中高負荷工作狀態,此時循環噴油量高且轉速快,燃料不能充分燃燒導致THC排放濃度高.啟動離港1、離港返航3、啟動進港4、進港返航6工況下,拖輪船的加減速操作頻繁,發動機循環噴油量變化大,主機轉速波動大,燃油不能充分燃燒而同時導致THC排放變化波動大.

NO對是船舶大氣污染物的主要防控對象.NO生成條件是高溫及富氧環境,在啟動離港1和進港返航6工況下,發動機頻繁加速,工況頻繁切換導致缸內油氣混合不均勻而使得機內產生局部高溫富氧區域,此時NO排放波動大且出現排放峰值[14].正頂作業2與倒拖作業5慢拖工況下,發動機中低轉速穩定運行,油氣混合質量良好且燃燒充分,NO排放水平低.倒拖作業5快拖階段,發動機轉速增加,高負荷運轉下發動機缸內溫度較高且持續時間長,因此NO排放偏高[15].離港返航3和啟動進港4工況下,發動機轉速存在躍變導致單位時間循環噴油量增加,缸內溫度分布不均導致局部高溫,使得NO排放也隨之增加.

工況劃分:1—啟動離港,2—正頂作業,3—離港返航,4—啟動進港,5—倒拖作業,6—進港返航

2.2 顆粒物粒徑分布分析

本文分析了試驗船舶在日常航行工況和不同發動機負荷下的顆粒物粒徑分布特性, 包括顆粒物質量(PM)和顆粒物數量(PN)的粒徑分布特性.發動機內的燃油通過高溫脫氫裂解后析出碳煙胚核,可溶性有機成分和硫酸鹽會附著到碳煙胚核上形成核膜態顆粒物.核膜態的碳煙胚核通過相互碰撞凝聚而形成片狀、鏈狀的聚集態的碳煙顆粒.本文按照動力學直徑對顆粒物進行劃分,粒徑p￡50nm為核膜態顆粒物,粒徑p>50nm為聚集態顆粒物[15].

如圖4所示, 啟動離港、正頂作業、離港返航和啟動進港工況下顆粒物質量粒徑呈單峰分布,峰值粒徑191.1nm.倒拖作業及進港返航工況下,顆粒粒徑呈雙峰分布,第一峰值分別為39.2和29.4nm,第二峰值均為191.1nm.正頂作業、啟動進港、啟動離港、離港返航、倒拖作業和進港返航工況下的第二粒徑峰值濃度依次降低.從圖4可以看出,船舶在日常航行工況下,顆粒物排放中主要是聚集態顆粒物[16].

圖4 不同航行工況下顆粒物質量粒徑對數分布

為顆粒物質量

從圖5可以看出,與柴油車的粒徑分布特性相類似[16-20],試驗船舶在日常航行工況下的顆粒物數量粒徑對數分布呈雙峰分布,第一峰粒徑出現在核膜態區域內,大小為34nm,第二峰值出現在聚集態區域內,粒徑大小為191.1nm.進港返航、倒拖作業、啟動離港、啟動進港、正頂作業和離港返航工況下第一粒徑峰值濃度依次降低.各日常航行工況下的第二粒徑峰值濃度相差不大.可以看出,顆粒排放數量粒徑集中區為小粒徑.

從圖6、7可以看出,不同負荷下顆粒物質量粒徑對數分布呈單峰或者雙峰分布.低負荷下顆粒物質量粒徑呈單峰分布,15%負荷和30%負荷下顆粒物質量峰值粒徑191.1nm,峰值濃度分別4.62×103, 4.33×103mg/cm3,低負荷顆粒物以聚集態顆粒物為主.中負荷下顆粒物質量粒徑呈雙峰分布,發動機45%負荷顆粒物質量第一、二峰值粒徑分別為29.4和191.1nm,峰值濃度分別為9.29×103和1.29× 103mg/cm3.發動機60%負荷下顆粒物質量粒徑第一、二峰值粒徑39.2和191.1nm,峰值濃度分別為5.98×102和1.55×103mg/cm3.

圖5 不同航行工況下顆粒物數量粒徑對數分布

為顆粒物數量

圖6 不同負荷下顆粒物質量粒徑對數分布

圖7 不同負荷下顆粒物數量粒徑對數分布

不同負荷下顆粒物數量粒徑呈雙峰分布,第二峰值粒徑為191.1nm.15%負荷下第一峰值29.4nm, 30%和45%負荷下第一峰值粒徑34nm,60%負荷第一峰值粒徑19.1nm.

2.3 船舶實際工況排放因子

圖8是基于船舶油耗的排放因子,按照單位航行距離內的排放總量和燃油消耗量計算得出(式1),能夠反映出單位質量燃油的排放水平.

式中:EF為排放因子, g/(kg燃油); ER為排放總量, g; Q為船舶燃油消耗量, kg.

啟動離港和進港返航工況下CO和THC基于油耗的排放因子最高,此工況下試驗船舶航行距離長,包含啟動和急加減速工況,燃油燃燒不充分,因此CO和THC排放因子相對較高.正頂作業和倒拖作業工況下發動機處于中低負荷穩定工況下,燃燒較好,CO和THC單位油耗排放因子低.NO在各工況下基于油耗的排放因子差別不大.顆粒物PM和PN排放因子離港返航工況下最高,在作業工況下相對較低.因此,試驗拖輪船基于油耗的排放因子中,CO在進港返航時最高為34.57g/kg燃油,THC在進港返航時排放因子最高5.92g/kg燃油,NO、PM和PN在離港返航時排放因子最高,最高值分別為42.89g/kg燃油、1.15g/kg燃油和4.94′1015個/kg燃油.

圖9為試驗船舶基于距離的排放因子,能夠反應船舶排放污染物與船舶航行速度之間的關系.計算方法如式(2):

式中:EF為排放因子, g/km; ER為排放總量,g;表示船舶航行速度, m/s;是航行時間, s[21].

各排放污染物在正頂作業和倒拖作業工況下的單位里程排放因子大大高于其他工況.主要原因是污染物排放率在各工況下差異相對較小,但是作業工況下的航行速度很低,航行距離相比之下非常小,導致單位船舶位移下作業工況的排放因子顯著高于其他工況.試驗拖輪船基于距離的排放因子中,CO、THC、NO、PM和PN在正頂作業時排放最高,最高分別為222.33g/km、64.07g/km、497.93g/ km、16.93g/km、17.82′1016個/km.基于距離的排放因子可以作為衡量船舶在單一工況下的航速影響水平.在不考慮油耗的情況下,合理的低速航行能夠降低船舶的排放水平.

圖10是試驗船舶基于功率的排放因子,基于主機功率的排放因子反應了船舶主機在不同工況下船舶主機功率與各污染物排放濃度之間的關系,計算方式如式(3):

式中:EF為排放因子, g/kW·h; ER為排放總量,g; P為船舶主機功率, kW.

圖10 基于功率的排放因子

表2 中國船舶發動機排氣污染物第一階段排放限值[g/(kW×h)]

正頂作業工況下CO和THC的功率排放因子最高,分別為4.10g/(kW·h)和1.20g/(kW·h).啟動離港工況的CO排放因子最低,啟動進港工況THC排放因子最低.倒拖作業和正頂作業下NO排放因子遠高于其他工況,排放值為10.28g/(kW·h).顆粒物排放因子在倒拖作業工況下最高,此時PM排放和PN排放分別為0.28g/(kW·h)和13.97×1014個/(kW·h).

該試驗拖船的主機屬于單缸排量25～30L類型區間,因此,根據我國船舶發動機污染物排放限值及測量方法(中國第一階段)[22]可以得到的各類要求排放限值如表2所示.

從圖11中可以看出,NO及THC的總量在倒拖作業工況時,比船機排氣污染物第一階段排放限值高出3.9%,其余排放因子均低于國家標準.

圖11 排放污染物與限值比較

3 結論

3.1 瞬態排放在啟動離港、離港返航、啟動進港和進港返航工況下波動大,而在正頂作業與倒拖作業工況下瞬態排放濃度相對穩定.啟動離港、正頂作業、離港返航和啟動進港工況下顆粒物質量粒徑呈單峰分布,峰值粒徑191.1nm.在日常航行工況下的顆粒物數量粒徑對數分布呈雙峰分布,第一峰粒徑出現在核膜態區域內,大小為34nm,第二峰值出現在聚集態區域內,粒徑大小為191.1nm.

3.2 低負荷下(15%和30%負荷)顆粒物質量粒徑對數分布呈單峰分布,峰值粒徑為191.1nm;而不同負荷下顆粒物數量粒徑及高負荷下顆粒物質量粒徑對數分布呈雙峰分布.

3.3 基于油耗的排放因子中,CO在進港返航時最高為34.57g/kg燃油,THC在進港返航時排放因子最高5.92g/kg燃油,NO、PM和PN在離港返航時排放因子最高,最高值分別為42.89g/kg燃油、1.15g/kg燃油和4.94×1015個/kg燃油.基于距離的排放因子中,各類排放污染物均在正頂作業時排放最高.

3.4 基于功率的排放因子中,CO和THC在正頂作業工況下最高,最高值分別為4.10和1.20g/(kW·h). NO、PM、PN在倒拖作業工況下排放最高,排放值分別為10.48, 0.28g/(kW·h)和13.97′1014個/(kW·h).根據試驗結果針對所有工況下試驗的排放結果分析表明,僅NO氮氧化物及THC碳氫化物的總量在倒拖作業相比船機排氣污染物第一階段排放限值高出3.9%,其他工況下均低于船機排氣污染物第一階段排放限值標準.

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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

唐遠贄(1993-),男,安徽合肥人,同濟大學碩士研究生,主要研究方向為船舶污染物檢測與防治.發表論文2篇.

2020-09-16

上海市科學技術委員會資助項目(18DZ1203100)

* 責任作者, 助理教授, zhangyunhua313@163.com