船舶柴油機NOx排放實船測試方案研究

朱水雄

（中國船級社溫州辦事處，浙江 325000）

0 引言

在柴油機生產廠家臺架試驗中符合MARPOL公約附則VI第13條規定的NOx排放極限要求的船用柴油機，將由柴油機檢驗的船級社根據各船旗國要求頒發前期證書（EIAPP）及NOx技術案卷。該柴油機安裝上船經過系泊與航行試驗，驗證該柴油機在安裝上船后的任何改裝或調整仍是否符合附則VI規定的NOx排放要求。作為船舶初次檢驗的一部分將被授予海上船舶防止空氣污染證書（IAPP）。在船舶柴油機服務期內，需要定期進行年度檢驗，中間檢驗，換證檢驗，以檢驗柴油機在使用中或經改裝后或調整后是否符合NOx排放極限要求。初次發證檢驗、年度檢驗、中間檢驗、換證檢驗按照附則VI的要求，根據實際情況，可以應用柴油機參數檢驗法、NOx簡化測量法和NOx整體測量法之一進行。

1 柴油機參數檢查方法

柴油機參數檢查方法就是利用柴油機參數驗證某一構件及其調整和操作值沒有偏離柴油機NOx技術案卷的技術要求，以確定根據制造廠的技術要求進行了正確調整的柴油機可調特性在柴油機NOx技術案卷所規定的許可范圍內。

參數檢查法的檢查步驟如下：

1）對柴油機參數進行文件檢查，并包括柴油機參數的記錄簿檢查以及驗證柴油機參數在柴油機NOx技術案卷規定的許可范圍之內。

2）對柴油機構件及可調性進行實際檢查。參照文件檢查的結果，驗證柴油機可調特性在柴油機NOx技術案卷所規定的許可范圍內。

為完成上述檢查目的，對于需要按參數檢查法檢查的柴油機，船東或船舶負責人須在船上保存下列相關的船上NOx核實程序文件：

1）與柴油機的任何指定構件進行改裝相關的技術文件。修正和調整的柴油機參數包括：噴油定時，噴油嘴，噴油泵，燃油凸輪，共軌系統的噴油壓力，燃燒室，壓縮比，渦輪增壓器型式和構造，充氣冷卻器和充氣預熱器，閥定時，“水噴射”型NOx抑制設備，“乳化燃油”（燃油水乳化）型NOx抑制設備，“廢氣再循環”型NOx抑制設備，“選擇性催化還原”型NOx抑制設備等。

2）有關柴油機構件及其調整所引起的柴油機參數變化記錄薄。

3）有關柴油機制造廠提交并經船級社認可的柴油機的指定構件的文件，調整的柴油機參數清單，以及有關隨載荷而定的柴油機工作值的文件。

2 簡化測量方法

2.1 排氣成分濃度測量

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

MARPOL公約附則VI規定NOx和O2的測量原理分別為：NOx測量采用加熱化學發光分析儀（CLD）；O2測量采用順磁性分析儀（PMD）、二氧化鋯型分析儀(ZrO2)或電化學型（ECS）[1]。二氧化鋯型分析儀可以同時測量O2濃度和NOx濃度，二氧化鋯型分析儀的良好性能在船上測量得到了驗證[3]。實船測試表明，二氧化鋯型氣體分析儀在船上強烈振動的環境下同樣具有良好的可靠性和穩定性，而且不受排氣中含硫量的影響，這點對于使用重油的船舶柴油機尤其重要。而且二氧化鋯型分析儀具有結構簡單、操作簡單、易于維護的特點，耐600℃高溫、不需單獨的外接取樣系統，耐振動、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的技術要求，而且適用于船上排放測試的使用環境和條件。根據排氣成分簡化測試方案，排氣組分濃度測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 油耗測量

“NOx簡化測量法”中，對油耗量測量精度要求相對較低。對于柴油機燃油系統沒有安裝合適流量計的船舶，按照附則VI中“技術規則”6.3.1.4節規定，可以參照柴油機NOx排放前期發證檢驗時臺架試驗的油耗測量結果[1]。但是，由于試驗燃油的品質（如凈熱值等）、環境條件等不同，應對燃油消耗進行修正，按照ISO 8217的修正方法進行修正。

實船測試中，油耗測量適合采用容積式流量計，如新型的UF-II流量計和LLT雙轉子流量計[4]。為了滿足NOx排放實船測試中油耗測量要求，建議船舶建造時在燃油系統中安裝合適的流量計測量單元。

2.3 有效功率測量

對于沒有安裝扭矩儀光軸的主柴油機，直接測量扭矩有困難。“NOx簡化測量法”中，按照附則VI“技術規則”6.3.1.3節規定，可以采用經柴油機制造廠推薦并經船級社認可的其他方法來計算柴油機有效功率。如果是新船試航時的確認檢驗，可以利用臺架試驗或試車實驗時得到的柴油機有效輸出功率的經驗公式或試驗曲線，如：主機輸出功率計算表、發動機額定燃油消耗率(SFOC)曲線等，計算得到柴油機的有效功率。如果船舶營運一段時間后所進行的定期檢驗和期間檢驗，則可以利用示功圖的方法，測取柴油機的p-V或p-φ示功圖，計算出發動機的指示功率，然后利用發動機的機械效率曲線，求出發動機的有效功率。

對于安裝扭矩儀光軸的主柴油機，可以采用扭矩儀法，利用船上固定安裝的或是測試單位臨時安裝的扭矩儀來進行有效功率測量。

3 整體測量方法

3.1 試航時進行測試的可行性探討

3.1.1 測試的必要性

圖1 船—槳—功率曲線

附則VI中規定，按推進特性運行的船舶主柴油機以E3循環模式進行試驗。而船舶在運營過程中，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。在船的整個使用期中，總阻力可能增加25%～50%。同時，螺旋槳表面可能變得粗糙和污損，海況、風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生變化。考慮到上述這些情況，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，船舶在營運過程中，不同的服務狀態下，盡管推進特性線變化不大，但由于曲線斜率較大，柴油機相同轉速、不同推進特性線下的功率卻變化較大。NOx排放實船測試中，盡管主機轉速容易穩定在要求轉速下，然而由于測試轉速下的推進特性功率不同，會引起NOx排放測試誤差。因此，有必要考慮在試航時安排NOx排放測試。

3.1.2 測試的可行性

運營中的船舶在5年的換證檢驗周期內必須完成兩次塢修，塢修之后船舶需要進行試航試驗，因此，正好可以利用船舶塢修之后的試航機會進行NOx排放測試。這樣NOx排放測試不會造成船期損失，給船東帶來額外的經濟負擔。

試航時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。同時可以通過壓載的方法來調節船舶吃水，故試航時按推進特性運行的主柴油機可以達到相對一致的運行推進特性，此時測試的工況誤差最小，從而減少由此引起的NOx排放誤差。

3.2 試驗循環工況標準探討

3.2.1 船舶主柴油機選型中的功率儲備

船舶設計室先根據船型、設計船速、凈噸位和設計吃水等船舶特性，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，即螺旋槳設計功率。試航狀態下的螺旋槳設計功率確定后，考慮海況儲備、螺旋槳的輕槳運行儲備、發動機儲備，確定主機的參考約定最大持續功率，即圖2中CMCR點功率，其中橫縱坐標的轉速和功率值均為對數百分數[1]。

發動機儲備、海況儲備和輕槳運行儲備的意義如下：

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

圖2 船舶主機選型及運行區域示意圖

2）發動機運行儲備。大多數船東指定船舶合同服務航速對應的主機功率為85%～90% CMCR。余下的10%～15%功率可用于快速航行或滿足較長的塢修周期的需要。該儲備稱為發動機運行儲備，通常由CMCR減額得出。

3）輕槳運行儲備。試航特性線（圖2中曲線AB）與標定螺旋槳特性曲線之間應該留有3%～7%螺旋槳輕槳運行儲備（圖2中為3.5%）。其目的是，當不利航行條件下需要獲得全功率時，柴油機有足夠的扭矩儲備，使主機的運行點保持在允許范圍內。輕槳運行儲備一般為經驗值，該值隨不同的船型、航速、塢修周期以及營運航線而變化。

從船舶主柴油機選型中的功率儲備情況可以看出，試航時船舶處于試航狀況，船舶主機運行在無海況螺旋槳曲線上（圖2中曲線AB），與標定螺旋槳曲線間存在輕槳運行儲備，標定轉速下的功率存在發動機運行儲備。

3.2.2 實船測試循環工況標準探討

附則VI中規定的D2、E2和E3試驗循環模式的測試工況，實船測試中都難以滿足。發電柴油機和定速運轉的推進柴油機隨著使用壽命的延長，其柴油機的技術狀況變差，進而難以達到100%標定轉速和100%標定功率的試驗工況。柴油機NOx排放與其運行工況密切相關，測試工況偏差會引起NOx排放測試偏差。因此，有必要針對實船測試的實際情況擬定相應的試驗循環工況標準。

試航時船舶主機運行在試航工況曲線上（如圖曲線AB），因此可以考慮取15%的發動機運行儲備，此時試航工況曲線上63%、80%、91%和100%標定轉速工況可作為實船NOx排放測試的循環工況標準。這樣，試航時進行實船測試就容易達到或接近該要求的循環工況，測試工況偏差較小，由此產生的NOx排放偏差也就較小。

3.3 燃油誤差修正

實船測試中允許柴油機試驗中使用RM級（1996，ISO8217）重油。由于燃油與氮和燃油的點火性能可能影響柴油機的NOx排放，故需要對因測試使用的燃油和要求使用的燃油之間標準不一致而造成的NOx排放誤差進行修正。

3.4 工況誤差修正

由于選型時柴油機運行儲備取值不同，且試航時受不良海況的影響。盡管前面提出了新的試驗循環工況標準，但試航時柴油機運行工況曲線與該標準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，則應該考慮進行NOx排放的工況誤差修正。

4 結語

船舶柴油機NOx排放實船測試是一項理論性和實踐性很強的復雜工作，文中針對實船測試的特點和要求，探討了各主要測量參數的測量方法，以及選擇了推進特性運行的船舶主柴油機的試驗循環工況標準。文中提出了在船舶試航時進行NOx排放測試，并以試航工況曲線為基礎建立相應的試驗循環工況標準，提出的NOx排放實船測試方法切實可行。

[1]國際海事組織修訂73/78防污公約綜合文本[S].中國船級社譯.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NOx比排放計算方法[J].交通運輸工程學報,2005,5(4).

[3]劉永長.內燃機原理[M].武漢:華中科技大學出版社,2001.

[4]內克魯特.船舶水動力學[M].咸培林譯.上海:上海交通大學出版社,1997.