柳義成，朱 靖，陳允約，高 輝

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2. 天津市濱海新區(qū)塘沽計量所，天津 300456)

在京津冀協(xié)同發(fā)展、“一帶一路”國家戰(zhàn)略的驅動下，我國船舶運輸業(yè)快速發(fā)展，隨之而來的船舶尾氣污染問題也日趨凸顯。目前我國船舶尾氣造成的污染大約占整個大氣污染的10%，尾氣中所含氮氧化物、硫氧化物及顆粒物嚴重危害人體健康，特別是一些靠近江河湖海、水運發(fā)達的地區(qū)，例如環(huán)渤海經濟帶、長江和珠江的沿線城市，船舶尾氣污染治理勢在必行[1-4]。國際防止船舶污染公約(MARPOL)附則Ⅵ修正案對船舶尾氣中污染物的含量進行了嚴格限制，我國作為該修正案的締約國之一，應嚴格遵守各項條約。準確監(jiān)測船舶尾氣污染物的排放量是控制船舶尾氣污染的首要舉措，必需一套科學有效的檢測系統(tǒng)對各項污染物指標進行標準化計量檢測[5-7]。

1 船舶尾氣計量檢測技術

目前常用的船舶尾氣檢測技術主要有三種：(1)室外遙感監(jiān)測；(2)船載實時檢測；(3)實驗室尾氣比對分析。

1.1 船舶尾氣遙感監(jiān)測

室外遙感監(jiān)測技術首先在美國、歐洲等發(fā)達地區(qū)得到應用，主要用于汽車尾氣檢測。尾氣遙感監(jiān)測的基本原理是借助紅外線和紫外線光譜技術，測量出各組分氣體在尾氣排放物中的混合比率。其優(yōu)點是檢測速度快、自動化程度高，能夠在汽車正常行駛過程中完成定點檢測。缺點是該技術對交通狀況和安置地點有苛刻要求，尚未得到廣泛應用[8]。然而對于船舶尾氣檢測，這項缺陷則不再難以克服。船舶不同于汽車，其機動性遠不如汽車，港口航道是絕大數(shù)船舶的必經之路，如果將遙感監(jiān)測技術應用于進港處或主航道，可以很好地覆蓋船舶監(jiān)測范圍，特定區(qū)域的統(tǒng)計數(shù)據(jù)具有較高的準確性和可靠性。

1.2 實時船載尾氣檢測

實時船載尾氣檢測系統(tǒng)主要包括尾氣預處理裝置、氣體分析儀、微機處理軟件等部分[9-10]。尾氣預處理裝置主要包括帶蠕動泵的帕爾貼氣體預處理單元(用于氣水分離)、用于長期測量的新鮮空氣閥、加熱手柄、加熱采樣管、熱電偶、加熱取樣管、加熱軟管轉換接口、溫控儀等，如果不采用加熱預處理裝置，則采用模塊化采樣探針來代替該部分。分析儀主要包括各類傳感器(CO、NO、NO2、CO2、SO2、O2等氣體檢測傳感器)，另外還配有溫度探桿插口K型和S型熱電偶、數(shù)據(jù)總線接口、可充電電池、環(huán)溫傳感器、脈沖接口、數(shù)據(jù)內存、USB接口等。分析儀內部為氣體測試程序以及顯示設備。微機處理軟件通過USB連接電纜連接分析儀，對測量數(shù)據(jù)進行整理、顯示及打印，并可以進行交叉靈敏度的標定，且對各傳感器進行補償。

1.3 實驗室尾氣比對分析

實驗室尾氣比對分析是通過尾氣預處理裝置采集儲存船舶尾氣，在實驗室環(huán)境下對尾氣成分進行定性定量分析。這種方案可作為遙感監(jiān)測和實時船載檢測的一種補充，實驗室檢測的優(yōu)勢在于檢測環(huán)境可控，受外界干擾小，儀器設備更加可靠，檢測精度高；缺點在于檢測不便，費時費力。

2 船舶尾氣計量檢測設備計量性能

2.1 船舶尾氣計量檢測設備概述

圖1 船舶尾氣計量檢測設備檢測流程圖Fig.1 Testing flow chart of ship exhaust measurement equipments

船舶尾氣計量檢測設備主要應用于測量船舶尾氣中二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體的濃度。傳感器可選擇性配置，測定一種或幾種氣體。尾氣計量檢測設備由氣路系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)三部分組成。基本檢測流程是尾氣預處理裝置將尾氣經采樣管送至傳感器的檢測室，經光譜分析法、定位電解法、化學發(fā)光法等方法，得出各種氣體的組分，傳感器電信號經數(shù)模轉換、信號放大，得到被測氣體的濃度[11]，設備檢測流程如圖1所示。

2.2 船舶尾氣計量檢測設備計量技術指標

船舶尾氣計量檢測設備的測量參數(shù)、量程范圍、分辨率、示值誤差、重復性、響應時間、穩(wěn)定性等主要技術指標設計如表1所示。

表1 船舶尾氣計量檢測設備計量技術指標Tab.1 Technical indexes ship of exhaust measurement equipments

2.3 量值溯源路線

計量標準是實現(xiàn)量傳溯源的主要手段。研究量傳溯源線路的主要內容，即為繪制量值溯源和量值傳遞框圖。

在建立計量標準的過程中，根據(jù)與所建計量標準相對應的國家計量檢定系統(tǒng)表，繪出該計量標準溯源到上一級計量器具和傳遞到下一級計量器具的量值溯源和量值傳遞框圖。氣體流量和各組分濃度是船舶尾氣計量檢測設備的兩個主要計量性能參數(shù)，該參數(shù)是直接從檢測設備傳感器直接測量獲取的，因此可采用直接比對的方式進行溯源。船舶尾氣計量檢測設備濃度與流量參數(shù)量值溯源圖如圖2所示。

圖2 船舶尾氣計量檢測設備濃度與流量量值溯源圖Fig.2 Concentration and flux traceability of ship exhaust measurement equipments

3 船舶尾氣計量檢測平臺構建

基于以上檢測技術與量傳溯源路線，形成船舶尾氣硬件檢測裝置與軟件處理系統(tǒng)的平臺設計方案。船舶尾氣標準化計量檢測平臺是一套用于計量檢測船舶尾氣的服務型平臺，由硬件平臺與軟件平臺構成，可根據(jù)檢測環(huán)境條件而采用不同的檢測技術，在船舶審計檢測、篩選重污染和清潔船舶、入港入境檢測、檢定校準船舶尾氣處理裝置等方面有諸多應用。檢測平臺是實施檢測船舶尾氣的主要工具，基于該平臺可以進行外業(yè)測試、內業(yè)數(shù)據(jù)處理、出示檢測報告等檢測工作。其中，硬件檢測平臺可實現(xiàn)對船舶尾氣的定性定量檢測，軟件檢測平臺實現(xiàn)對硬件平臺的控制，以及對尾氣成分進行統(tǒng)計分析并給出檢測結果。遙感監(jiān)測裝置、船載實時檢測裝置和實驗室尾氣比對分析裝置共同構成平臺硬件部分。三者適用性與使用條件各不相同，形成互補。遙感監(jiān)測裝置適用于尾氣污染定性(設定警報閾值)、快速檢測，檢測精度要求不高，無需人工值守的情況，主要應用在船舶進出港口或重要航道位置；船載實時檢測裝置適用于船舶遠航途中各種不同工況下的高精度尾氣成分檢測，主要應用在船舶啟停前后，進出港前后，進出公海(燃油更換)前后的全時段、全覆蓋檢測；實驗室尾氣比對分析裝置適用于船舶尾氣成分的計量檢定，實現(xiàn)可控環(huán)境下氣體成分的精細化檢測?！斑b感—船載—實驗室”三者的檢測準確度依次提高，便捷性依次降低。

3.1 硬件檢測平臺

硬件檢測平臺主要包括尾氣預處理裝置、遙感監(jiān)測裝置、氣體分析裝置和標準尾氣配制裝置，以及數(shù)據(jù)儲存與傳輸裝置用于檢測數(shù)據(jù)的儲存與傳輸。其中遙感監(jiān)測裝置尚無法應用尾氣預處理裝置，檢測條件尚不可控，相當于一個“粗放版”氣體分析儀，這也是其檢測精度受到制約的主要原因，在此不再贅述。

(1)尾氣預處理裝置。

由于船舶尾氣成分復雜、溫度較高，因此需要尾氣檢測預處理裝置能適用于實際的船舶機艙環(huán)境，如圖3所示。

船舶柴油機尾氣中固體顆粒物較多，如果直接在煙道內測量，會嚴重污染損壞儀器。因此設計了取樣檢測法，尾氣首先通過吹灰管道，除去固體顆粒物，之后進入冷卻裝置和干燥裝置，防止氣體溫度過高和含有水分對檢測結果的影響，然后通過輸送泵的動力將尾氣泵入真空檢測室，最后將氣體排入大氣。

圖3 尾氣檢測預處理裝置Fig.3 Pretreatment device of exhaust testing

(2)氣體分析裝置。

圖4 尾氣分析裝置示意圖Fig.4 Schematic of exhaust analysis device

由于船舶尾氣成分復雜，產生環(huán)境惡劣，因此氣體分析裝置應該具備簡單易操作、抗環(huán)境干擾性強、多種氣體組分同步檢測的特點。目前氣體檢測的方法很多，比如紫外法、紅外法、定電位電解法、化學發(fā)光法等。在眾多的氣體分析設備中，基于差分吸收光譜法(differential optical absorption spectroscopy，DOAS)的尾氣排放檢測系統(tǒng)儀器，靈敏度高、分析速度快、維護保養(yǎng)簡單，可以同時進行SO2、NO、NO2等氣體濃度的檢測，是一種較理想的氣體濃度與成分分析方法，差分吸收光譜的基本原理是：基于不同氣體在紫外至可見光波段具有對光選擇性吸收的特性來測量船舶尾氣中NO2、SO2、NO等的質量濃度。在監(jiān)控船舶尾氣排放方面差分吸收光譜法具有其他技術難以比擬的優(yōu)勢[12]。

將經過預處理之后的船舶尾氣送入檢測室的氣體分析儀，以基于吸收光譜法的氣體分析儀為例，其光路主要組成如下(圖4)。

光路主要由光源、透鏡、檢測室、光纖、光譜儀、計算機組成。整個工作流程是電源發(fā)射紫外光，經透鏡變成平行光照射被檢測氣體，吸收后的紫外光再經透鏡匯聚于光纖，傳送到光譜儀的分光系統(tǒng)進行分光，之后投射到圖像傳感器(CCD)陣列轉化為電信號，經模數(shù)(A/D)轉化后輸入計算機處理。

(3)標準尾氣配制裝置。

圖5 配氣系統(tǒng)原理圖(重量法)Fig.5 System principle diagram of gas compound

標準氣體是指量值準確、高度均勻、穩(wěn)定性良好的氣體。靜態(tài)配氣法和動態(tài)配氣法是兩類主要的混合標準氣體配氣方法[13]，其中靜態(tài)配氣法又分為重量法和容量法。模擬船舶尾氣屬于標準氣體配制范疇。

靜態(tài)重量法。靜態(tài)重量法原理是將準確計量的原料氣和稀釋氣充入已知容積的容器中，混合均勻后即可得到混合標準氣體。根據(jù)各組分氣體的充入量以及容器的容積，可以計算出混合標準氣體中各氣體組分的濃度。配氣過程：將一定量已知純度的原料氣充入鋼瓶，用高載荷精密天平稱量鋼瓶充氣前后的質量差，確定充入氣體組分的質量，計算稀釋氣和原料氣各組分的質量比，即可得到鋼瓶中混合標準氣體的濃度，圖5為重量法配氣系統(tǒng)原理圖。

圖6 靜態(tài)容量法配氣系統(tǒng)設計圖Fig.6 Gas allocation system blueprint of static volumetric method

靜態(tài)容量法。靜態(tài)容量法的原理是將要配制的組分氣體或液體注入到一個已知容積的密封容器中，同時充入稀釋氣，待充分混合均勻后，測得混合氣體的溫度和壓力，由容器容積、所配氣體組分注入量求得標準氣體的濃度。圖6為靜態(tài)容量法配氣系統(tǒng)設計圖。

動態(tài)配氣法。動態(tài)配氣法原理：按照恒定的比例，把已知濃度的原料氣和稀釋氣連續(xù)不斷地充入氣體混合器，從而可以持續(xù)穩(wěn)定地得到既定濃度的混合標準氣體。根據(jù)稀釋氣與原料氣的相應濃度及充入比例即可求得混合標準氣體的濃度，動態(tài)配氣法對配氣設備和氣源的要求比較高，配氣系統(tǒng)復雜，成本也較高。動態(tài)配氣法又可分為擴散管配氣法，質量流量配氣法，壓差控制配氣法等。

圖7 船舶尾氣標準化計量軟件平臺結構圖Fig.7 Software platform chart of ship exhaust standard measurement

3.2 軟件檢測平臺

無論是采用氣體分析儀在線實時檢測還是配制標準船舶尾氣比對檢測，都需要一個數(shù)據(jù)后處理軟件，對測試數(shù)據(jù)進行處理分析。軟件平臺主要由控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和服務管理模塊組成?？刂颇K主要是控制硬件對尾氣以及燃油揮發(fā)氣體等的檢測；處理分析模塊主要用于數(shù)據(jù)的處理分析以及對燃油揮發(fā)氣體和尾氣的檢測評定并給出檢測報告,并通過對處理前后的尾氣進行檢測對比，從而間接檢測尾氣處理裝置的性能；服務管理模塊主要為用戶檢測提供方便,包括數(shù)據(jù)儲存與查詢，數(shù)據(jù)導出等功能。船舶尾氣標準化計量軟件檢測平臺結構圖如圖7所示：

該軟件主要功能包括：

(1)可在線建立與各類氣體分析儀的通訊，實現(xiàn)對硬件檢測平臺的控制；

(2)可連接標準尾氣配制系統(tǒng)，并存儲各組分氣體的濃度值等信息；

圖8 尾氣檢測數(shù)據(jù)后處理軟件結構圖Fig.8 Data post-processing software chart of exhaust testing

(3)通過比對氣體分析儀檢測值與排放法規(guī)標準值，對船舶直排尾氣和經尾氣處理裝置后的尾氣進行計量檢定，對船舶自身和尾氣處理裝置進行合格評定；

(4)通過比對氣體分析儀示值和標準配制尾氣成分值，實現(xiàn)對氣體分析儀的檢定校準；

(5)建立特定區(qū)域大氣污染狀況與船舶尾氣排放的數(shù)據(jù)庫。主要內容包括各種船舶的微觀排放特性分析(發(fā)動機功率參數(shù)等)，尾氣排放時空分布規(guī)律研究等，例如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，可實時測量船舶的實行速度和地理位置(圖8)。

4 實船試驗分析

應用船舶尾氣計量檢測裝置，于長江下游的江蘇省揚中市西來橋鎮(zhèn)水域開展實船測試。船舶噸位600 t，額定功率162 kW，額定轉速1 500 r/min。尾氣排放濃度隨船舶速度的變化曲線如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 CO排放濃度與船舶速度關系曲線Fig.9 Relation curve of CO emissions concentration and ship speed圖10 NOx排放濃度與船舶速度關系曲線Fig.10 Relation curve of NOx emissions concentration and ship speed圖11 HC排放濃度與船舶速度關系曲線Fig.11 Relation curve of HC emissions concentration and ship speed

根據(jù)以上實船測試結果，分析船舶排放尾氣濃度與船舶速度之間的相關性：離港時，船舶功率變化劇烈，瞬時排放濃度急劇上升、下降，產生較大波動；巡航時，航速平穩(wěn)，燃空比、缸內溫度和壓力等因素穩(wěn)定，混合氣濃度變化不大，燃燒室內溫度比出港時高，燃燒更完全，CO瞬時排放濃度穩(wěn)定在300～800 ppm之間，NOx排放濃度穩(wěn)定在1 000 ppm左右，HC排放濃度穩(wěn)定在300 ppm左右；進港時，發(fā)動機功率變化較為頻繁，缸內燃燒條件的急劇變化使不完全燃燒的情況加劇，從而導致尾氣排放濃度產生較大變化。

5 結語

我國的船舶尾氣檢測技術與發(fā)達國家相比，還存在著一定差距，隨著人們對大氣污染危害程度的認識加深和國家對船舶尾氣污染防治的力度加強，大力發(fā)展研究各種柴油機尾氣凈化技術，研發(fā)多種船舶尾氣計量檢測裝置，提高船舶燃油品質是未來船舶尾氣治理的主要手段。此外我國船舶尾氣檢測技術若要達到國際先進水平，應重點致力于應用高精度光電傳感器技術和計算機圖像處理與顯示技術，研究尾氣遠程與在線智能化檢測，發(fā)展尾氣監(jiān)測管理網絡化與信息化等方面。