基于安全稀釋法的柴油車CO綜合海拔系數研究

陶亮亮，曾艷華，涂云龍，楊桂暢，劉振撼，何 成

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.四川沿江宜金高速公路有限公司，四川 成都 610041)

高海拔鐵路隧道施工通風系統對提高作業效率、保障施工人員健康具有重大意義[1-2]。額定功率法具有計算簡便的優勢,一直是我國鐵路隧道施工通風設計的主要方法。近年來,隨著高海拔鐵路隧道的建設,額定功率法的不足逐步凸顯。高海拔鐵路隧道施工過程中,作業車輛CO排放增加,CO對人體的毒性提高。采用單一的額定功率法,忽略了CO排放量和控制標準的變化,不能滿足高海拔鐵路隧道的應用。因此,需要基于安全稀釋法重新進行計算,計算結果主要取決于當地海拔下柴油車的CO排放量和濃度控制標準,其中CO排放量通常利用海拔系數進行計算。

國內外相關學者對柴油車輛CO排放量和CO濃度控制標準展開了相關研究。美國西南研究院[3]通過CVS系統穩態測試了怠速工況下自然吸氣柴油機和渦輪增壓柴油機在海拔240、1 800 m下的CO排放情況,結果表明兩種柴油機的高海拔CO排放量分別為低海拔的1.51、1.76倍左右。張仕杰[4]、馮國勝等[5]依托海拔3 600 m的關角隧道,研究了多種型號的挖掘機、裝載機和自卸汽車等工程機械在空載和重載兩種工況下的CO排放特性,結果表明,部分工況下規范計算的通風量不能滿足通風要求;Yin等[6]通過對一輛輕型柴油車在不同海拔怠速工作時車載排放測試,得到在海拔3 200 m處測得的CO濃度是海拔0 m處的2.5倍左右;余林嘯[7]利用PEMS系統研究了柴油車輛在不同海拔下實際道路行駛時的排放特性,結果表明在怠速工況和等速工況下,柴油車輛的CO和THC排放均隨著海拔高度上升呈現顯著增加的趨勢。楊立新[8]通過對國內外CO相關標準的調研分析,建議在隧道施工時,將有害氣體CO的接觸限值分為高原和非高原的情況;王峰等[9]基于人體血紅蛋白模型研究了不同海拔隧道施工環境下CO對人體毒性的影響,結果表明,在相同CO濃度條件下,隨著海拔高度的增加,CO對人體毒性的作用顯著增強,建立了不同海拔高度隧道施工CO濃度控制標準;張世杰[10]通過對低濃度CO環境中不同海拔下汽車駕駛員的神經行為功能研究,建議海拔2 000～3 000 m的CO衛生標準為20 mg/m3,海拔3 000～4 000 m為15 mg/m3。

目前關于高海拔CO濃度控制標準的研究已經基本成熟,而對高海拔柴油車輛CO海拔系數的研究則較為欠缺。以往的排放測試多僅在某個特定海拔點進行,未總結出一套方便計算的柴油車CO海拔系數計算公式。當前我國施工通風設計中柴油車輛CO海拔系數通常按汽油車輛CO海拔系數取值,但由于柴油發動機與汽油發動機工作原理不同,排放水平差異較大,因此直接將汽油車輛CO海拔系數公式運用于高海拔隧道施工通風計算是欠妥的。此外,由于所取的海拔系數僅考慮了CO排放量的增加,未考慮CO濃度控制標準隨海拔的變化,這并不適合直接用于施工通風需風量計算。

為此,本文基于安全稀釋法,對柴油車的多海拔測試及理論分析,提出同時考慮CO排放及濃度控制標準變化的柴油車CO綜合海拔系數,從而為高海拔隧道鐵路施工通風需風量準確高效計算提供依據。

1 基于安全稀釋法的需風量計算

安全稀釋法的原理是通過輸入足夠的新鮮風量,將主要作業地點設備產生的污染物稀釋至允許濃度,需風量[4]計算式為

Q=AqCi/[Ti]

(1)

式中:Q為稀釋污染物的通風量;A為安全系數;q為柴油車廢氣排放率;Ci為第i項污染物排放濃度;qCi即為柴油車CO體積排放率;[Ti]為CO允許濃度。

將式( 1 )中柴油車CO體積排放率轉換為CO質量排放率后,再乘上CO海拔系數后,即可得到高海拔隧道稀釋柴油車CO需風量為

Q=Agfh∑N/[T]

(2)

式中:fh為CO海拔高度系數;h為海拔高度;g為柴油車CO比排放;∑N為洞內同時作業的柴油機額定功率總和。

當CO比排放設計值、CO允許濃度和安全系數確定后,即可得到單位功率需風量k為

k=Ag/[T]

(3)

我國當前高海拔隧道無軌運輸施工需風量主要采用柴油機額定功率法進行計算,即

Q=kfh∑N

(4)

JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術規范》[11]中規定,采用內燃機械作業時,k值不宜小于4.5 m3/(kW·min),TB 10204—2002《鐵路隧道施工規范》[12]中規定,采用內燃機械作業時,k值一般取3 m3/(kW·min),該指標執行的是50 ppm(62.5 mg/m3)的衛生標準和較高的比排放設計值。式( 4 )中柴油車CO海拔高度系數按DL/T 5099—1999《水工建筑物地下開挖工程施工技術規范》[13]規范進行取值,即

fh=1+(h-400)/1 800

(5)

然而,式( 5 )沿用了JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[14]中汽油車輛CO海拔系數的擬合計算公式。柴油與汽油發動機工作原理差異較大,對于主要使用柴油機械施工的高海拔隧道來說,將柴油車與汽油車的CO海拔高度系數取為一致顯然不合理。此外,由于單位功率柴油機設備需風量為定值,忽略了CO對人體毒性隨海拔高度增強而導致的CO濃度控制標準的變化。因此,需要進行柴油車輛多海拔排放測試,即對式( 5 )進行修正,且需風量指標也需要基于安全稀釋法重新進行計算。

2 柴油車CO海拔系數測試

2.1 現場測試

本文測試了某東風牌柴油貨車在不同海拔高度下(590～4 220 m)發動機的CO排放量,現場測試路線從成都市某街道沿318國道至新都橋,測試點具體海拔為590、1 070、1 430、1 952、2 408、3 172、3 448、3 960、4 220 m。測試儀器包括:成都彌榮氣象站、浙大鳴泉ML-100尾氣流量分析儀、鳴泉五氣分析儀、MQY-200不透光煙度計和發電機,另外配有1套標定氣體(對儀器校準)和1套采樣管路(用于儀器件)。測試數據包括:環境溫度、壓強、尾氣流量、CO濃度等,測試系統見圖1。

測試時將五氣分析儀取樣管插入汽車排氣管內40 cm,抽取車輛排出的少量尾氣,測出尾氣中CO的濃度。剩余的全部尾氣利用風機抽取,通過氣體采集軟管與空氣混合并全部抽進流量測量氣管。在每個海拔點測試前,排放分析儀均用標準氣體進行零點和滿量程點標定,以保證儀器的測試精度。

現場采用怠速法進行測試,測試前發動機從怠速逐漸加速到中速持續5 s以上,隨后降至怠速。現場采用連續測量的方法,每次測試持續180 s以上,每1 s采樣一次。每個海拔測試點測量3次,取3次測試穩定階段的平均值作為該海拔下CO排放量。

2.2 數據分析

將在不同海拔下所測混合氣體流量轉換成標準狀態下流量為

(6)

式中:QS為折合到標準狀態下流量計的流量;Qmix為流量分析儀測量的氣體流量;Pmix為流量分析儀測量的壓力;P0為標準大氣壓101 325 Pa;T0為標準狀態的溫度273.15 K;tmix為流量分析儀測量的溫度。

利用測得的氧氣濃度可得尾氣稀釋系數K為

(7)

式中:Oa為空氣中氧氣濃度;Of為流量計中氧氣濃度;Ot為尾氣管中氧氣濃度。

尾氣中單位時間的CO質量排放量Mt可表示為

Mt=QS×K×C×10-6×ρ×360

(8)

式中:C為五氣分析儀測得的CO的濃度;ρ為CO標準狀態下的密度,取1.25 g/L。

對各海拔CO排放量進行分析計算,測試結果見表1,其擬合曲線見圖2。由表1可知,隨著海拔升高,柴油車標準流量降低。柴油車CO濃度隨著海拔增高而增大;當海拔為3 172 m時,柴油車釋放的CO濃度約為平原地區(海拔590 m)的2倍。由圖2可知,隨著海拔升高柴油車CO排放量明顯增加。根據實測點的各海拔高度值和對應的CO質量排放量數據,利用回歸分析法,可得到柴油車CO質量排放量與海拔高度的關系式為

表1 實測CO質量排放量

圖2 CO質量排放量擬合曲線

y=0.003 9h+10.696

(9)

根據式( 9 )計算出各海拔下CO擬合質量排放量。將柴油車在海拔400 m處的CO質量排放量記為Q400,大于400 m處的CO排放量記為Qi,則海拔標高i處的海拔高度系數fh=Qi/Q400。

海拔高度實測和規范系數值的對比結果見表2和圖3。

表2 CO海拔系數對比

由表2可知,當前規范中所采用的CO海拔系數偏大,海拔3 000 m處實測CO高度系數值較規范值小25.61%。海拔4 000 m處實測CO高度系數值較規范值減小28.81%。因此,對于海拔3 000 m以上的隧道工程施工通風設計,可以適當減小CO海拔高度系數,縮減比例為25%～30%。

3 CO綜合海拔系數

柴油機單位功率需風量k取定值的方法,我國自20世紀90年代便開始使用。雖然計算簡便,但卻忽略了車輛CO排放量和高海拔衛生標準改變而導致的單位功率需風量變化。對于高海拔隧道,一方面由于人體耐受能力下降,CO控制濃度值降低,將提高單位功率稀釋CO的需風量;另一方面,由于柴油發動機技術的進步,會顯著降低車輛的CO基準排放量,降低單位功率稀釋CO的需風量。故高海拔隧道施工需要根據安全稀釋法調整相關系數,從而得到符合實際的施工需風量設計值。

基于本次試驗實測值,以及文獻[4,7]中實測的柴油車輛CO比排放值,可知柴油車CO實際比排放一般維持在2 g/(kW·h)以下,遠小于額定功率法所采用的比排放設計限值7.5 g/(kW·h)。我國GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》[15]中Ⅲ瞬態排放限值最大,為5.45 g/(kW·h)。GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[16]在該基礎上增加了整車實際道路車載法排放試驗,CO比排放限值為6 g/(kW·h)。考慮發動機臺架試驗排放值會小于實車運行時的排放量,偏安全考慮,采用國Ⅵ給出的整車CO排放值6 g/(kW·h)作為CO的比排放設計值。

GBZ 2—2002《工作場所有害因素職業接觸限值》[17]規定CO濃度標準的取值:海拔小于2 000 m,取30 mg/m3;海拔在2 000～3 000 m之間,取20 mg/m3;海拔大于或等于3 000 m,取15 mg/m3。我國最新的公路隧道施工技術規范與該值取為一致,鐵路規范則自20世紀90年代一直沒有更新。本文按職業接觸限值中的控制標準進行設計。考慮到本文中采用了較為嚴格的CO濃度控制標準和較高的比排放設計值,安全系數取1.0。則海拔3 000 m地區,基于安全稀釋法計算的柴油機單位功率需風量Q=Agfh/[Ti]=12.2 m3/(kW·min)。對其他海拔進行相同的計算,按水工規范計算的需風量和基于安全稀釋法計算的需風量結果見圖4。

圖4 基于安全稀釋法的計算需風量

考慮到安全稀釋法中稀釋柴油車輛CO需風量受CO海拔系數和CO濃度控制標準共同影響,計算較為復雜。為方便進行施工通風設計,可仍采用文獻[12]的需風量指標3 m3/(kW·min)作為基準值,將安全稀釋法計算出的需風量與基準值的比值作為綜合海拔系數,表達式為

Fh=gfh/3[Ti]

(10)

根據計算,得出CO綜合海拔系數見圖5。

當海拔h在區間[0,2 000)時,滿足

Fh=0.000 36h+0.969

(11)

當海拔h在區間[2 000,3 000)時,滿足

Fh=0.000 53h+1.455

(12)

當海拔h在區間[3 000,5 000)時,滿足

Fh=0.000 71h+1.939

(13)

該綜合海拔系數在考慮柴油機械CO排放增加的同時考慮CO濃度控制標準的變化。因此,在進行高海拔隧道施工通風稀釋CO需風量計算時,可直接將設計點的海拔高度值直接代入對應的綜合海拔高度計算式中,再乘上3 m3/(kW·min)和隧道內施工機械的總功率即可得到設計海拔高度處稀釋CO需風量。

4 安裝DOC凈化器的需風量

根據計算結果可知,如果對海拔大于或等于3 000 m的地區采用15 mg/m3作為CO濃度控制標準,基于安全稀釋法計算通風量可達平原地區風量的4倍左右。如果僅通過通風措施稀釋CO濃度,會增大施工通風成本。因此有必要研究安裝柴油機尾氣凈化器(diesel oxidation catalyst, DOC)對CO進行凈化,降低隧道內的CO排放量,從而降低需風量降低施工通風成本。

尾氣催化氧化器安裝在發動機排氣管路中,以陶瓷或金屬材料作為載體,采用催化氧化原理降低尾氣中碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)和顆粒物(PM)等的化學反應的活化能,使這些物質能與排氣中的氧氣在較低的溫度下進行氧化反應,轉化為CO2和H2O排出,從而降低污染物排放量。

根據文獻[18]中對5種DOC處理器的實測表明,不同類型DOC對NOx、CO和HC轉化效率均在80%以上。文獻[19]中的實測表明,安裝DOC后對發動機扭矩影響較小,即處理裝置對發動機動力性能基本無影響。同時DOC氧化催化器還具有背壓小的特點,安裝后基本不會影響發動機的功率,適用于高海拔隧道。DOC凈化效率分別為80%和60%的單位功率柴油機設備的各海拔需風量見表3。

表3 施工通風設計需風量

由表3可知,對于海拔低于3 000 m的地區,基于安全稀釋法計算的需風量與規范計算需風量相差不大,可選擇不安裝DOC尾氣處理器。對于海拔大于3 000 m的地區,為達到15 mg/m3的CO濃度控制標準,不安裝DOC需風量最高可達規范計算通風量的1.66倍,通風的設備成本和運營成本將極大提高。如果安裝DOC尾氣處理器,在凈化效率達到80%的前提下,海拔5 000 m的計算需風量可降至3.3 m3/(kW·min)。在凈化效率僅達到60%的情況下,基于安全稀釋法計算的海拔5 000 m處的計算需風量也只有6.59 m3/(kW·min),在此風量下即可達到15 mg/m3的CO濃度控制標準。因此,建議在高海拔隧道施工柴油機械上安裝DOC尾氣處理器,降低隧道內柴油車CO排放量,從而降低設計需風量,達到通風量不顯著增加的目的。

5 結論

通過現場實驗和理論推導對高海拔隧道施工通風需風量計算方法和計算參數展開研究,得出以下結論:

1)柴油車CO濃度隨著海拔增高而增大;當海拔為3 172 m時,柴油車釋放的CO濃度約為平原地區(海拔590 m)的2倍。

2)通過現場多海拔連續測試,得出了柴油車輛CO海拔高度系數fh,海拔3 000 m處實測值比規范值小25%左右。

3)基于安全稀釋法對現有額定功率法計算的施工通風需風量進行了修正,在海拔3 000 m以上計算需風量增加了50%～60%。

4)為簡便計算,提出了同時考慮CO排放和控制標準變化的綜合海拔系數,基于測試結果提出了不同海拔區間柴油車CO綜合海拔系數計算模型。

5)綜合海拔系數模型根據海拔高度共分為3段,在進行施工通風設計時,只需在3 m3/(kW·min)的基礎上乘上對應的綜合海拔系數即可得到單位功率計算需風量。

6)對比DOC處理前后的計算需風量,推薦在海拔大于3 000 m以上區域應用DOC尾氣處理器,從而降低施工通風成本。