防爆柴油機(jī)國(guó)Ⅲ排放設(shè)備的應(yīng)用及研究

王淵

（河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái)054000）

0 引 言

在煤礦井下輔助運(yùn)輸作業(yè)中，柴油機(jī)作為重要的動(dòng)力系統(tǒng)具有適用性強(qiáng)、維護(hù)成本低、輸出扭矩大及續(xù)航作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，在煤礦井下作業(yè)中，防止瓦斯爆炸及降低柴油機(jī)尾氣對(duì)井下作業(yè)人員健康的危害也就成了柴油機(jī)必須要改進(jìn)的地方，由此而來(lái)國(guó)家發(fā)布了MT990-2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》，為礦井使用的柴油機(jī)提供了明確的技術(shù)要求。

隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步和國(guó)家排放法規(guī)的不斷趨嚴(yán)，防爆柴油機(jī)的排放問(wèn)題也逐漸被重視起來(lái)。2018年12月28日，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局下發(fā)《國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于發(fā)布禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄（第四批）的通知》，淘汰排氣標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)Ⅱ以下的防爆柴油機(jī)，要求防爆柴油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)Ⅲ及以上。2019年3月27日，安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司發(fā)布《執(zhí)行煤礦防爆柴油機(jī)排放新要求的安全標(biāo)志管理方案》，明確指出防爆柴油機(jī)的排放性能必須符合GB20891-2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第三、四階段）》中規(guī)定的國(guó)Ⅲ及以上排放限值的要求。

隨著新標(biāo)準(zhǔn)要求的改變和防爆柴油機(jī)生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，符合新形勢(shì)的檢驗(yàn)檢測(cè)方法和設(shè)備顯得格外重要。河北煤科院檢測(cè)中心根據(jù)防爆柴油機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和GB20891-2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第三、四階段）》的相關(guān)要求，構(gòu)建了以西門子電力測(cè)功機(jī)、AVL氣態(tài)污染物采樣分析系統(tǒng)及CVS全流稀釋采樣系統(tǒng)為核心的煤礦用防爆柴油機(jī)國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)。本文根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)及要求下的實(shí)際防爆柴油機(jī)廢氣成分檢驗(yàn)，對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行分析和討論。

1 主要組成系統(tǒng)

煤礦用防爆柴油機(jī)國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、氣態(tài)污染物分析系統(tǒng)、顆粒物控制及稱重系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、數(shù)采箱系統(tǒng)、燃油控制系統(tǒng)、CVS全流控制系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)組成。

1.1 測(cè)功機(jī)系統(tǒng)

測(cè)功機(jī)系統(tǒng)主要由電力測(cè)功機(jī)和HBM扭矩儀組成。根據(jù)煤礦用防爆柴油機(jī)的功率范圍，選定了西門子電力測(cè)功機(jī)，測(cè)試功率范圍在30～400 kW，該測(cè)功機(jī)具有適應(yīng)功率范圍大、精度高、維護(hù)方便成本低等特點(diǎn)，滿足非道路國(guó)Ⅲ測(cè)試階段的排放要求，并且可模擬瞬態(tài)試驗(yàn)工況，為以后升級(jí)國(guó)Ⅳ測(cè)試階段提前做好了設(shè)備儲(chǔ)備。

目前國(guó)內(nèi)扭矩最大的防爆柴油機(jī)的最大扭矩在1 800 Nm左右，HBM公司提供的T40B型扭矩傳感器最大測(cè)量扭矩為2 000 Nm，其精度可達(dá)1 Nm，完全滿足非道路國(guó)Ⅲ測(cè)試階段的精度要求。

1.2 氣態(tài)污染物分析系統(tǒng)

氣態(tài)污染物分析系統(tǒng)由AVL排放分析柜、AVL前置取樣器及標(biāo)氣工作氣系統(tǒng)組成。其中AVL前置取樣器主要負(fù)責(zé)將提供分析的樣氣在標(biāo)準(zhǔn)要求的185°溫度下送進(jìn)分析柜，并且起到一定的過(guò)濾除濕作用。標(biāo)氣工作氣系統(tǒng)主要提供足夠壓力下的高純氧、氫氣、合成空氣、氮?dú)獾裙ぷ鳉饧耙欢舛认碌谋椤⒁谎趸肌⒁谎趸⒀鯕狻⒍趸嫉葮?biāo)準(zhǔn)量距氣，來(lái)保證排放分析柜的正常工作和試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性。AVL排放分析柜為此系統(tǒng)的核心部件，由FID、CLD、IRD及氣體分割器組成。其中FID為氫火焰離子化分析儀，測(cè)量樣氣中碳?xì)涞暮俊LD為化學(xué)發(fā)光檢測(cè)器，帶有NO2/NO的轉(zhuǎn)化功能，測(cè)量樣氣中氮氧化物的含量。IRD為不分光紅外線吸收性分析儀，測(cè)量樣氣中一氧化碳、二氧化碳及氧氣的含量。氣體分割器配合量距氣可調(diào)配各個(gè)需要的量距氣濃度，檢驗(yàn)分析儀測(cè)量的線性化狀態(tài)。

1.3 顆粒物控制及稱重系統(tǒng)

顆粒物控制及稱重系統(tǒng)由西門子采樣控制柜、顆粒物采樣箱及稱重環(huán)境倉(cāng)組成。西門子采樣控制柜控制并測(cè)量樣氣通過(guò)濾紙的時(shí)間及質(zhì)量，使各個(gè)工況下通過(guò)濾紙的樣氣質(zhì)量符合各工況加權(quán)系數(shù)的要求。顆粒物采樣箱保證濾紙測(cè)量狀態(tài)下的溫度和濕度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其中壓差傳感器測(cè)量通過(guò)濾紙時(shí)的壓力差，保證取樣的有效性。稱重環(huán)境倉(cāng)為其中的稱重天平提供相應(yīng)穩(wěn)定的溫度和濕度，稱重天平采用賽托利斯的精度為0.1μg，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.4 進(jìn)氣系統(tǒng)

進(jìn)氣系統(tǒng)主要由進(jìn)氣空調(diào)、發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量計(jì)、溫濕度變送器組成。進(jìn)氣空調(diào)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量計(jì)及溫濕度變送器所反饋的進(jìn)氣狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的溫度和濕度，使其符合大氣因子fa的有效性判定：

1.5 數(shù)采箱系統(tǒng)

數(shù)采箱系統(tǒng)主要由溫度傳感器、壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成。其主要測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度、水溫、機(jī)油壓力、進(jìn)氣阻力、排氣背壓等發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的參數(shù)及表面溫度和排氣溫度等是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)量數(shù)據(jù)，并且檢測(cè)各個(gè)儀器的工作溫度，提供反饋，對(duì)儀器進(jìn)行保護(hù)。

1.6 燃油控制系統(tǒng)

燃油控制系統(tǒng)包括上位油箱和瞬態(tài)油耗儀。主要的目的是提供和測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的燃油，使其在一定的溫度和壓力下進(jìn)入燃油泵。

1.7 CVS全流控制系統(tǒng)

CVS全流控制系統(tǒng)主要由羅斯風(fēng)機(jī)、稀釋過(guò)濾裝置、文丘里裝置及丙烷噴射裝置組成。羅斯風(fēng)機(jī)為整個(gè)全流控制系統(tǒng)提供稀釋的動(dòng)力。稀釋過(guò)濾裝置保證了稀釋空氣的相對(duì)潔凈和穩(wěn)定。文丘里裝置通過(guò)V7.5、V15、V30、V60四個(gè)氣動(dòng)閥門調(diào)節(jié)CVS全流系統(tǒng)的流量，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率及排量的大小選擇相應(yīng)的流量。丙烷噴射裝置可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的密閉性進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)在稀釋過(guò)程中是否發(fā)生泄漏。

1.8 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)除了為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，提供合適的運(yùn)轉(zhuǎn)條件外，也為各個(gè)檢驗(yàn)設(shè)備提供冷卻。其中水恒溫冷卻系統(tǒng)和中冷恒溫系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中冷卻水的溫度、中冷氣溫度和中冷壓降，使檢測(cè)結(jié)果具有可溯性。

2 主要問(wèn)題及解決方法

防爆柴油機(jī)與普通柴油機(jī)在構(gòu)造上的主要區(qū)別在于增加了進(jìn)氣阻火器、排氣凈化水箱及排氣阻火器，改變了防爆柴油機(jī)的進(jìn)排氣阻力并且增加了各個(gè)法蘭面，排氣漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重。且排氣凈化水箱中的冷卻凈化水在吸收了一部分顆粒物的同時(shí)也使樣氣中的水含量顯著增加，對(duì)各個(gè)采樣分析設(shè)備產(chǎn)生危害。

針對(duì)防爆柴油機(jī)排放的特點(diǎn)，做出如下解決的方法。

（1）加入進(jìn)氣真空度傳感器，監(jiān)測(cè)進(jìn)氣阻力，在進(jìn)氣阻力過(guò)大的情況下增加進(jìn)氣阻火器進(jìn)氣面積，使其滿足柴油機(jī)源機(jī)的要求。

（2）加入排氣背壓傳感器，測(cè)量防爆柴油機(jī)在正常的工作狀態(tài)下的排氣背壓，然后去掉排氣凈化水箱，使用排氣背壓模擬器來(lái)模擬背壓。

（3）在加入排氣凈化水箱的實(shí)驗(yàn)條件下，使用CVS全流控制系統(tǒng)，增加稀釋比，將樣氣中的水含量降到采樣分析設(shè)備的可承受范圍內(nèi)。

3 結(jié) 語(yǔ)

煤礦用防爆柴油機(jī)國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)在原有的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)中針對(duì)防爆柴油機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的變化，滿足防爆柴油機(jī)國(guó)Ⅲ排放階段的檢驗(yàn)要求，并且通過(guò)了中國(guó)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)制認(rèn)證（CMA），達(dá)到了業(yè)內(nèi)先進(jìn)水平。