朱水雄

（中國(guó)船級(jí)社溫州辦事處，浙江 325000）

0 引言

在柴油機(jī)生產(chǎn)廠家臺(tái)架試驗(yàn)中符合MARPOL公約附則VI第13條規(guī)定的NOx排放極限要求的船用柴油機(jī)，將由柴油機(jī)檢驗(yàn)的船級(jí)社根據(jù)各船旗國(guó)要求頒發(fā)前期證書(shū)（EIAPP）及NOx技術(shù)案卷。該柴油機(jī)安裝上船經(jīng)過(guò)系泊與航行試驗(yàn)，驗(yàn)證該柴油機(jī)在安裝上船后的任何改裝或調(diào)整仍是否符合附則VI規(guī)定的NOx排放要求。作為船舶初次檢驗(yàn)的一部分將被授予海上船舶防止空氣污染證書(shū)（IAPP）。在船舶柴油機(jī)服務(wù)期內(nèi)，需要定期進(jìn)行年度檢驗(yàn)，中間檢驗(yàn)，換證檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)柴油機(jī)在使用中或經(jīng)改裝后或調(diào)整后是否符合NOx排放極限要求。初次發(fā)證檢驗(yàn)、年度檢驗(yàn)、中間檢驗(yàn)、換證檢驗(yàn)按照附則VI的要求，根據(jù)實(shí)際情況，可以應(yīng)用柴油機(jī)參數(shù)檢驗(yàn)法、NOx簡(jiǎn)化測(cè)量法和NOx整體測(cè)量法之一進(jìn)行。

1 柴油機(jī)參數(shù)檢查方法

柴油機(jī)參數(shù)檢查方法就是利用柴油機(jī)參數(shù)驗(yàn)證某一構(gòu)件及其調(diào)整和操作值沒(méi)有偏離柴油機(jī)NOx技術(shù)案卷的技術(shù)要求，以確定根據(jù)制造廠的技術(shù)要求進(jìn)行了正確調(diào)整的柴油機(jī)可調(diào)特性在柴油機(jī)NOx技術(shù)案卷所規(guī)定的許可范圍內(nèi)。

參數(shù)檢查法的檢查步驟如下：

1）對(duì)柴油機(jī)參數(shù)進(jìn)行文件檢查，并包括柴油機(jī)參數(shù)的記錄簿檢查以及驗(yàn)證柴油機(jī)參數(shù)在柴油機(jī)NOx技術(shù)案卷規(guī)定的許可范圍之內(nèi)。

2）對(duì)柴油機(jī)構(gòu)件及可調(diào)性進(jìn)行實(shí)際檢查。參照文件檢查的結(jié)果，驗(yàn)證柴油機(jī)可調(diào)特性在柴油機(jī)NOx技術(shù)案卷所規(guī)定的許可范圍內(nèi)。

為完成上述檢查目的，對(duì)于需要按參數(shù)檢查法檢查的柴油機(jī)，船東或船舶負(fù)責(zé)人須在船上保存下列相關(guān)的船上NOx核實(shí)程序文件：

1）與柴油機(jī)的任何指定構(gòu)件進(jìn)行改裝相關(guān)的技術(shù)文件。修正和調(diào)整的柴油機(jī)參數(shù)包括：噴油定時(shí)，噴油嘴，噴油泵，燃油凸輪，共軌系統(tǒng)的噴油壓力，燃燒室，壓縮比，渦輪增壓器型式和構(gòu)造，充氣冷卻器和充氣預(yù)熱器，閥定時(shí)，“水噴射”型NOx抑制設(shè)備，“乳化燃油”（燃油水乳化）型NOx抑制設(shè)備，“廢氣再循環(huán)”型NOx抑制設(shè)備，“選擇性催化還原”型NOx抑制設(shè)備等。

2）有關(guān)柴油機(jī)構(gòu)件及其調(diào)整所引起的柴油機(jī)參數(shù)變化記錄薄。

3）有關(guān)柴油機(jī)制造廠提交并經(jīng)船級(jí)社認(rèn)可的柴油機(jī)的指定構(gòu)件的文件，調(diào)整的柴油機(jī)參數(shù)清單，以及有關(guān)隨載荷而定的柴油機(jī)工作值的文件。

2 簡(jiǎn)化測(cè)量方法

2.1 排氣成分濃度測(cè)量

文獻(xiàn)[2]中提出的排氣流量，即NOx比排放計(jì)算方法不需測(cè)量排氣中CO2成分濃度。在此方法基礎(chǔ)上，忽略CO、HC成分的近似計(jì)算所造成的計(jì)算結(jié)果誤差很小，相對(duì)于實(shí)船測(cè)試的允許誤差是可以接受的。這樣，如果采用忽略CO、HC成分的排氣簡(jiǎn)化測(cè)試方案，實(shí)船測(cè)試中就只需要測(cè)量NOx和O2兩種排氣成分濃度參數(shù)，這為便攜式氣體分析儀選用提供了可能。

MARPOL公約附則VI規(guī)定NOx和O2的測(cè)量原理分別為：NOx測(cè)量采用加熱化學(xué)發(fā)光分析儀（CLD）；O2測(cè)量采用順磁性分析儀（PMD）、二氧化鋯型分析儀(ZrO2)或電化學(xué)型（ECS）[1]。二氧化鋯型分析儀可以同時(shí)測(cè)量O2濃度和NOx濃度，二氧化鋯型分析儀的良好性能在船上測(cè)量得到了驗(yàn)證[3]。實(shí)船測(cè)試表明，二氧化鋯型氣體分析儀在船上強(qiáng)烈振動(dòng)的環(huán)境下同樣具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，而且不受排氣中含硫量的影響，這點(diǎn)對(duì)于使用重油的船舶柴油機(jī)尤其重要。而且二氧化鋯型分析儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)的特點(diǎn)，耐600℃高溫、不需單獨(dú)的外接取樣系統(tǒng)，耐振動(dòng)、沖擊，不受CO2、SO2、NOx等氣體干擾。二氧化鋯分析儀不僅滿足附則VI的技術(shù)要求，而且適用于船上排放測(cè)試的使用環(huán)境和條件。根據(jù)排氣成分簡(jiǎn)化測(cè)試方案，排氣組分濃度測(cè)量可以考慮采用帶二氧化鋯傳感器的NOx-O2型氣體分析儀。

2.2 油耗測(cè)量

“NOx簡(jiǎn)化測(cè)量法”中，對(duì)油耗量測(cè)量精度要求相對(duì)較低。對(duì)于柴油機(jī)燃油系統(tǒng)沒(méi)有安裝合適流量計(jì)的船舶，按照附則VI中“技術(shù)規(guī)則”6.3.1.4節(jié)規(guī)定，可以參照柴油機(jī)NOx排放前期發(fā)證檢驗(yàn)時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)的油耗測(cè)量結(jié)果[1]。但是，由于試驗(yàn)燃油的品質(zhì)（如凈熱值等）、環(huán)境條件等不同，應(yīng)對(duì)燃油消耗進(jìn)行修正，按照ISO 8217的修正方法進(jìn)行修正。

實(shí)船測(cè)試中，油耗測(cè)量適合采用容積式流量計(jì)，如新型的UF-II流量計(jì)和LLT雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)[4]。為了滿足NOx排放實(shí)船測(cè)試中油耗測(cè)量要求，建議船舶建造時(shí)在燃油系統(tǒng)中安裝合適的流量計(jì)測(cè)量單元。

2.3 有效功率測(cè)量

對(duì)于沒(méi)有安裝扭矩儀光軸的主柴油機(jī)，直接測(cè)量扭矩有困難。“NOx簡(jiǎn)化測(cè)量法”中，按照附則VI“技術(shù)規(guī)則”6.3.1.3節(jié)規(guī)定，可以采用經(jīng)柴油機(jī)制造廠推薦并經(jīng)船級(jí)社認(rèn)可的其他方法來(lái)計(jì)算柴油機(jī)有效功率。如果是新船試航時(shí)的確認(rèn)檢驗(yàn)，可以利用臺(tái)架試驗(yàn)或試車(chē)實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的柴油機(jī)有效輸出功率的經(jīng)驗(yàn)公式或試驗(yàn)曲線，如：主機(jī)輸出功率計(jì)算表、發(fā)動(dòng)機(jī)額定燃油消耗率(SFOC)曲線等，計(jì)算得到柴油機(jī)的有效功率。如果船舶營(yíng)運(yùn)一段時(shí)間后所進(jìn)行的定期檢驗(yàn)和期間檢驗(yàn)，則可以利用示功圖的方法，測(cè)取柴油機(jī)的p-V或p-φ示功圖，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率，然后利用發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率曲線，求出發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率。

對(duì)于安裝扭矩儀光軸的主柴油機(jī)，可以采用扭矩儀法，利用船上固定安裝的或是測(cè)試單位臨時(shí)安裝的扭矩儀來(lái)進(jìn)行有效功率測(cè)量。

3 整體測(cè)量方法

3.1 試航時(shí)進(jìn)行測(cè)試的可行性探討

3.1.1 測(cè)試的必要性

圖1 船—槳—功率曲線

附則VI中規(guī)定，按推進(jìn)特性運(yùn)行的船舶主柴油機(jī)以E3循環(huán)模式進(jìn)行試驗(yàn)。而船舶在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，船體上油漆層逐漸脫落、船體鋼板不斷腐蝕以及海洋生物的附著將使得船體摩擦阻力和摩擦伴流增大。在船的整個(gè)使用期中，總阻力可能增加25%～50%。同時(shí)，螺旋槳表面可能變得粗糙和污損，海況、風(fēng)和流也將使阻力增加。船舶因受載狀況不同而引起吃水差異，這也將使得船舶阻力發(fā)生變化?？紤]到上述這些情況，船舶航行最大阻力可能比靜水船總阻力增加50%～100%。從圖1[2]可以看出，船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，不同的服務(wù)狀態(tài)下，盡管推進(jìn)特性線變化不大，但由于曲線斜率較大，柴油機(jī)相同轉(zhuǎn)速、不同推進(jìn)特性線下的功率卻變化較大。NOx排放實(shí)船測(cè)試中，盡管主機(jī)轉(zhuǎn)速容易穩(wěn)定在要求轉(zhuǎn)速下，然而由于測(cè)試轉(zhuǎn)速下的推進(jìn)特性功率不同，會(huì)引起NOx排放測(cè)試誤差。因此，有必要考慮在試航時(shí)安排NOx排放測(cè)試。

3.1.2 測(cè)試的可行性

運(yùn)營(yíng)中的船舶在5年的換證檢驗(yàn)周期內(nèi)必須完成兩次塢修，塢修之后船舶需要進(jìn)行試航試驗(yàn)，因此，正好可以利用船舶塢修之后的試航機(jī)會(huì)進(jìn)行NOx排放測(cè)試。這樣NOx排放測(cè)試不會(huì)造成船期損失，給船東帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

試航時(shí)船舶處于良好的海況，塢修后船體狀況清潔光滑，船體摩擦阻力最小。同時(shí)可以通過(guò)壓載的方法來(lái)調(diào)節(jié)船舶吃水，故試航時(shí)按推進(jìn)特性運(yùn)行的主柴油機(jī)可以達(dá)到相對(duì)一致的運(yùn)行推進(jìn)特性，此時(shí)測(cè)試的工況誤差最小，從而減少由此引起的NOx排放誤差。

3.2 試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)探討

3.2.1 船舶主柴油機(jī)選型中的功率儲(chǔ)備

船舶設(shè)計(jì)室先根據(jù)船型、設(shè)計(jì)船速、凈噸位和設(shè)計(jì)吃水等船舶特性，確定螺旋槳功率。該螺旋槳功率為不帶海況儲(chǔ)備的、船體清潔的、在平靜海面和良好天氣條件下的船舶試航功率，即螺旋槳設(shè)計(jì)功率。試航狀態(tài)下的螺旋槳設(shè)計(jì)功率確定后，考慮海況儲(chǔ)備、螺旋槳的輕槳運(yùn)行儲(chǔ)備、發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備，確定主機(jī)的參考約定最大持續(xù)功率，即圖2中CMCR點(diǎn)功率，其中橫縱坐標(biāo)的轉(zhuǎn)速和功率值均為對(duì)數(shù)百分?jǐn)?shù)[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備、海況儲(chǔ)備和輕槳運(yùn)行儲(chǔ)備的意義如下：

1）海況儲(chǔ)備。為了保持給定的船舶在平均服務(wù)海況下所需的功率（圖2中D點(diǎn)）相對(duì)于良好海況下（圖2中A點(diǎn)）所需功率增加的部分。該儲(chǔ)備取決于船東和租船公司的期望、船舶航線、季節(jié)和船期。一般平均海況儲(chǔ)備定為約15%試航功率（圖2）。

圖2 船舶主機(jī)選型及運(yùn)行區(qū)域示意圖

2）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行儲(chǔ)備。大多數(shù)船東指定船舶合同服務(wù)航速對(duì)應(yīng)的主機(jī)功率為85%～90% CMCR。余下的10%～15%功率可用于快速航行或滿足較長(zhǎng)的塢修周期的需要。該儲(chǔ)備稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行儲(chǔ)備，通常由CMCR減額得出。

3）輕槳運(yùn)行儲(chǔ)備。試航特性線（圖2中曲線AB）與標(biāo)定螺旋槳特性曲線之間應(yīng)該留有3%～7%螺旋槳輕槳運(yùn)行儲(chǔ)備（圖2中為3.5%）。其目的是，當(dāng)不利航行條件下需要獲得全功率時(shí)，柴油機(jī)有足夠的扭矩儲(chǔ)備，使主機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)保持在允許范圍內(nèi)。輕槳運(yùn)行儲(chǔ)備一般為經(jīng)驗(yàn)值，該值隨不同的船型、航速、塢修周期以及營(yíng)運(yùn)航線而變化。

從船舶主柴油機(jī)選型中的功率儲(chǔ)備情況可以看出，試航時(shí)船舶處于試航狀況，船舶主機(jī)運(yùn)行在無(wú)海況螺旋槳曲線上（圖2中曲線AB），與標(biāo)定螺旋槳曲線間存在輕槳運(yùn)行儲(chǔ)備，標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的功率存在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行儲(chǔ)備。

3.2.2 實(shí)船測(cè)試循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)探討

附則VI中規(guī)定的D2、E2和E3試驗(yàn)循環(huán)模式的測(cè)試工況，實(shí)船測(cè)試中都難以滿足。發(fā)電柴油機(jī)和定速運(yùn)轉(zhuǎn)的推進(jìn)柴油機(jī)隨著使用壽命的延長(zhǎng)，其柴油機(jī)的技術(shù)狀況變差，進(jìn)而難以達(dá)到100%標(biāo)定轉(zhuǎn)速和100%標(biāo)定功率的試驗(yàn)工況。柴油機(jī)NOx排放與其運(yùn)行工況密切相關(guān)，測(cè)試工況偏差會(huì)引起NOx排放測(cè)試偏差。因此，有必要針對(duì)實(shí)船測(cè)試的實(shí)際情況擬定相應(yīng)的試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)。

試航時(shí)船舶主機(jī)運(yùn)行在試航工況曲線上（如圖曲線AB），因此可以考慮取15%的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行儲(chǔ)備，此時(shí)試航工況曲線上63%、80%、91%和100%標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況可作為實(shí)船NOx排放測(cè)試的循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)。這樣，試航時(shí)進(jìn)行實(shí)船測(cè)試就容易達(dá)到或接近該要求的循環(huán)工況，測(cè)試工況偏差較小，由此產(chǎn)生的NOx排放偏差也就較小。

3.3 燃油誤差修正

實(shí)船測(cè)試中允許柴油機(jī)試驗(yàn)中使用RM級(jí)（1996，ISO8217）重油。由于燃油與氮和燃油的點(diǎn)火性能可能影響柴油機(jī)的NOx排放，故需要對(duì)因測(cè)試使用的燃油和要求使用的燃油之間標(biāo)準(zhǔn)不一致而造成的NOx排放誤差進(jìn)行修正。

3.4 工況誤差修正

由于選型時(shí)柴油機(jī)運(yùn)行儲(chǔ)備取值不同，且試航時(shí)受不良海況的影響。盡管前面提出了新的試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)，但試航時(shí)柴油機(jī)運(yùn)行工況曲線與該標(biāo)準(zhǔn)下的工況曲線仍然存在偏差，該偏差甚至可能較大。如果工況偏差較大，則應(yīng)該考慮進(jìn)行NOx排放的工況誤差修正。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶柴油機(jī)NOx排放實(shí)船測(cè)試是一項(xiàng)理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的復(fù)雜工作，文中針對(duì)實(shí)船測(cè)試的特點(diǎn)和要求，探討了各主要測(cè)量參數(shù)的測(cè)量方法，以及選擇了推進(jìn)特性運(yùn)行的船舶主柴油機(jī)的試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)。文中提出了在船舶試航時(shí)進(jìn)行NOx排放測(cè)試，并以試航工況曲線為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)，提出的NOx排放實(shí)船測(cè)試方法切實(shí)可行。

[1]國(guó)際海事組織修訂73/78防污公約綜合文本[S].中國(guó)船級(jí)社譯.北京:人民交通出版社,2007.

[2]尹自斌,吳桂濤,孫培廷.船舶柴油機(jī)NOx比排放計(jì)算方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2005,5(4).

[3]劉永長(zhǎng).內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.

[4]內(nèi)克魯特.船舶水動(dòng)力學(xué)[M].咸培林譯.上海:上海交通大學(xué)出版社,1997.