CN106372806B - 用于船舶柴油发动机co2气体排放的测量方法及装置 - Google Patents

用于船舶柴油发动机co2气体排放的测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法及装置，在柴油机的运行全期间的各种运行状态下，测量获得该柴油机的燃油总消耗量、未燃烧燃油量、气缸油消耗量和空气消耗量，按照下列计算式得到柴油机的CO2气体总排放量：q mc＝(QMin/0.273)×99％×F，QMin＝(QF‑QR)×FC％+QC×CC％+QA×AC％，F＝(q mc1×H/1000)/((QMin/0.273)×99％)，q mc1＝u gas×c gas×q mew，qmew＝qmaw+qmf。本发明突破了MARPOL公约规定的E3试验循环类型的局限，增加了对气缸油消耗量和空气消耗量的测量，提供了全新的柴油机CO2气体排放量的计算方式，不仅提高了获得结果的精准度，而且实现了在柴油机工作全过程中对各种运行状态下CO2气体排放量的测试，能够用于试车磨合期间和变负荷过程，为降低和控制柴油机温室气体排放量起到指导作用。

Description

用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法及装置
技术领域
本发明涉及船舶柴油发动机性能的测量方法，特别涉及一种用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法及装置，属于柴油机技术领域。
背景技术
为了通过消除向海洋倾倒污染物、排放油类以及向大气中排放有害气体等造成的污染来保持海洋的良好生态环境，世界各国共同缔结了《国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL73/78)，以达到将排放此类有害物质所造成的污染降至最低水平。MARPOL公约规定了船舶向环境排放有害废气物的限制标准，包括NOx、SOx、COx和THC等。船舶有害排放的主要来源是船用柴油发动机，因此船用柴油发动机被要求持有发动机国际防止空气污染证书(《EIAPP》)，发动机的发证程序包括，前期由柴油机制造厂提供测试数据并经主管机关批准，之后伴随整个船舶使用期。MARPOL公约规定了NOx排放要求及测试方法、SOx 排放要求应使用的燃油种类和排放控制区等，但对温室气体CO2的排放目前没有具体要求。但是日前欧盟已经提出了船舶运行期间产生的温室气体排放的“监控，报告，验证(MRV)”法规。
MARPOL公约的附则VI对防止船舶造成空气污染提出了要求，根据发动机应用的不同，以推进器原理运转的主发动机采用E3试验循环(见表1)，利用相关测量设备和方法计算出稳定负荷下温室气体的排放量。
目前的船用柴油机气体排放数据评估和计算方法如下：
在船舶NOX测量技术规则第5章中规定，1、废气排放的加权平均值所必须的往复式内燃机在稳定状态下的气体排放量的测量和计算方法；2、试验燃油的性能应予确定并记录，如果使用参考燃油，应提供该燃油的参照规则或规格以及燃油分析。
对于气体排放评估，应对每种模式的至少最后60秒时间记录的数据作平均，每种模式中 CO、CO2、HC、NOX和O2的浓度应根据平均记录数据和相应的零位和满量程检查数据确定。 CO2和O2类的平均结果应精确到不少于小数点后两位(以％表示)，CO、HC和NOX类应至少精确到最接近整数位(以ppm表示)。
表1应用于“按推进器原理运转的主、辅发动机”的试验循环
在E3模式原始废气各成分排放质量流量按照第5章规定获取测量浓度和适用的ugas值，通过下述废气质量流量公式来计算排放气体质量流量：
qmgas＝ugas·cgas·qmew(对其他气体)
qmew＝qmaw+qmf
其中：qmaw为吸入空气质量流量，kg/h，湿基，
qmf为燃料质量流量，kg/h，
qmgas为个别气体排放质量流量，g/h，
ugas为废气成分密度和废气密度比率，查阅下列表2，
cgas为原始废气中各成分的浓度，ppm，湿基，
qmew为废气质量流量，kg/h，湿基，
其他气体是指除NOX之外的气体。
表2原始废气的系数ugas和燃料参数
注：表中a)取决于燃料，b)λ＝2，湿空气，273K，101.3kPa。
对于CO2测量，浓度通常以％报告，1.0％＝10000ppm。
根据NOX测量技术规则，柴油机制造厂的台架试验装置在出厂时都同时对柴油机进行废气物排放量的测试。现有的测试装置见图1所示，油柜2中的燃油经过输送泵5进入柴油机 1，入口处设置有燃油流量计6，测量出柴油机1的燃油总消耗量；柴油机1还连接回油流量计12，测量出柴油机1工作后未燃烧的燃油；燃油燃烧后产生的废气经过废气排气管路10 排入大气，在该废气排气管路10上接入废气取样管3，采样废气经过加热的预过滤器4进入废气分析仪7，废气分析仪7测出包括NOx、SOx、COx等各种气体的含量，其中也包括温室气体CO2。
由于现有测量方案是根据MARPOL公约设立的，而公约的柴油机废气测量和计算方法仅适合柴油机在稳定负荷状态下对排放的测量和计算，但是实际运行中柴油机的负荷是在不断变化的，例如柴油机具有磨合运行期、升负荷期和降负荷间，磨合运行期还有稳定和非稳定的两种运行状态，因此现有柴油机温室气体测量存在有无法适应柴油机整个运行过程中废气物排放量测量的不足，同时当前废气排放量计算不够精准，仅涉及燃油消耗单一因素，而实际上柴油机废气中CO2气体的来源不仅有燃油，还有气缸油和空气。
发明内容
本发明的目的在于，克服MARPOL公约规定的气体排放测量方法只能适用于柴油机稳定负荷状态的局限性，提供一种用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法及装置，通过对影响柴油机温室气体排放的各种因素的全面测量，实现对船舶柴油发动机运行全过程中 CO2气体排放的测量，达到精准、全状态、全过程的有益效果。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：
一种用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法，其特征在于：在所述船舶柴油发动机的运行全期间的各种运行状态下，测量获得该船舶柴油发动机的燃油总消耗量、未燃烧燃油量、气缸油消耗量和空气消耗量，按照下列计算式得到所述船舶柴油发动机的CO2气体总排放量：
qmc＝(QMin/0.273)×99％×F，
QMin＝(QF-QR)×FC％+QC×CC％+QA×AC％；
式中，qmc为船舶柴油发动机的CO2总排放量，单位为kg，
QMin为进入气缸的总碳量，单位为kg，
QF为燃油总消耗量，单位为kg，
QR为未燃烧燃油量，单位为kg，
QC为气缸油消耗量，单位为kg，
QA为空气消耗量，单位为kg，
FC％为燃油含碳量质量比，
CC％为气缸油含碳量质量比，
AC％为环境空气的含碳量质量比，
F为偏差系数。
进一步地，所述的偏差系数的获得方法为，将所述船舶柴油发动机在稳定负荷状态下进行试验运行，按照MARPOL公约规定的E3试验循环类型，利用废气测试仪、燃油流量计和空气流量计测量并通过下列计算式得到偏差系数：
F＝(qmc1×H/1000)/((QMin/0.273)×99％)，
qmc1＝ugas×cgas×qmew，
qmew＝qmaw+qmf，
式中，F为偏差系数，
qmc1为船舶柴油发动机试验运行产生废气中的CO2排放量，单位为g/h，
H为试验运行时间，
QMin为进入气缸的总碳量，单位为kg，
ugas为废气成分密度和废气密度比率，
cgas为原始废气中各成分的浓度，单位为ppm，湿基，
qmew为废气质量流量，单位为kg/h，湿基，
qmaw为船舶柴油发动机吸入空气质量流量，单位为kg/h，湿基，
qmf为燃料质量流量，单位为kg/h。
进一步地，所述的废气成分密度和废气密度比率ugas由查表得到，所述的原始废气中各成分的浓度cgas由废气测试仪测量和计算得到，所述的qmaw由空气流量计测量和计算得到，所述的qmf由燃油流量计测量和计算得到。
进一步地，所述的燃油总消耗量QF由燃油流量计测量得到，所述的未燃烧燃油量QR由回油流量计测量得到，所述的气缸油消耗量QC由气缸油流量计测量得到，所述的空气消耗量QA由空气流量计测量得到。
进一步地，所述的燃油含碳量质量比FC％和气缸油含碳量质量比CC％由供应商提供的油料成分报告或者经过油料分析仪测量得到，所述的环境空气的含碳量质量比AC％由空气分析仪测量得到。
进一步地，所述的船舶柴油发动机的运行全期间包括磨合运行期、升负荷期和降负荷间，所述船舶柴油发动机的各种运行状态包括稳定运行状态和非稳定运行状态。
本发明的另一技术方案如下：
一种用于上述测量方法的用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量装置，包括油柜、输送泵、用于测量所述柴油发动机燃油总消耗量的燃油流量计、用于测量工作后未燃烧燃油量的回油流量计、用于废气采样的废气取样管、加热的预过滤器和用于对所述柴油发动机排放气体进行测量分析的废气分析仪，其中，油柜通过输送泵连接柴油发动机，该柴油发动机的燃油入口处连接燃油流量计，废气取样管一端连接柴油发动机的废气排气管路，另一端通过加热的预过滤器连接废气分析仪，回油流量计与柴油发动机连接；其特征在于：所述的柴油发动机的气缸连接有用于测量气缸油消耗量的气缸油流量计和用于测量气缸的空气消耗量的空气流量计。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
本发明全面考虑了影响船舶柴油发动机温室气体排放的因素，突破了MARPOL公约规定的E3试验循环类型的局限，增加了对气缸油消耗量和空气消耗量的测量，提供了全新的船舶柴油发动机CO2气体排放量的计算方式，从而不仅提高了获得CO2气体排放量的结果的精准度，而且实现了在船舶柴油发动机工作全过程中对各种运行状态下CO2气体排放量的测试，能够用于船舶柴油发动机试车磨合期间和变负荷过程中CO2排放量的测量，也可用于船舶在运行和停港中对发动机产生废气的测算，为降低和控制船舶柴油发动机温室气体CO2排放量起到指导作用。
附图说明
图1是传统的船舶柴油发动机CO2气体排放的测量装置图。
图2是本发明的测量装置图。
图中，
1柴油机，2油柜，3废气取样管，4加热的预过滤器，5输送泵，6燃油流量计， 7废气测试仪，9气缸油流量计，10废气排气管路，11空气流量计，12回油流量计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。凡依据本说明书的内容所做的等效变化及修改，都属于本发明专利申请的技术范围。
实施例
如图2所示，本发明所述的用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量装置包括油柜2、输送泵5、燃油流量计6、回油流量计12、气缸油流量计9、空气流量计11、废气取样管3、加热的预过滤器4和废气分析仪7，本实施例中，所述船舶柴油发动机为二冲程柴油机；其中，油柜2通过输送泵5连接柴油机1，燃油经过输送泵5进入柴油机1，燃油流量计6连接于柴油机1的燃油入口处，用于测量柴油机1的燃油总消耗量；回油流量计12与柴油机1连接，用于测量柴油机1工作后未燃烧的燃油量；废气取样管3用于对废气采样，其一端连接柴油机1的废气排气管路10，另一端通过加热的预过滤器4连接废气分析仪7，该废气分析仪7用于对柴油机1的排放气体进行测量分析；柴油机1的气缸连接气缸油流量计9和空气流量计11，该空气流量计11用于测量气缸的空气消耗量，气缸油流量计9用于测量气缸油的消耗量。燃烧的废气经过废气排气管路10排入大气，废气取样管3采集的废气经过加热的预过滤器4，然后进入废气分析仪7，废气分析仪7测出废气中各气体的含量。
本发明所述用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法，是在所述船舶柴油发动机的运行全期间的各种运行状态下，测量获得该船舶柴油发动机的燃油总消耗量QF、未燃烧燃油量QR、气缸油消耗量QC和空气消耗量QA，所述的船舶柴油发动机的运行全期间包括磨合运行期、升负荷期和降负荷间，所述船舶柴油发动机的各种运行状态包括稳定运行状态和非稳定运行状态；然后按照下列计算式得到所述船舶柴油发动机的CO2气体总排放量：
qmc＝(QMin/0.273)×99％×F，
QMin＝(QF-QR)×FC％+QC×CC％+QA×AC％。
式中，qmc为船舶柴油发动机的CO2总排放量，单位为kg；
QMin为进入气缸的总碳量，单位为kg；
QF为燃油总消耗量，单位为kg，由燃油流量计6测量得到(见图2)；
QR为未燃烧燃油量，单位为kg，由回油流量计12测量得到(见图2)；
QC为气缸油消耗量，单位为kg，由气缸油流量计9测量得到(见图2)；
QA为空气消耗量，单位为kg，由空气流量计11测量得到(见图2)；
FC％为燃油含碳量质量比，由供应商提供的燃油油料成分报告或者经过油料分析仪测量得到；
CC％为气缸油含碳量质量比，由供应商提供的气缸油油料成分报告或者经过油料分析仪测量得到；
AC％为环境空气的含碳量质量比，由空气分析仪测量得到；
F为偏差系数。
上述计算式的推导过程如下：
柴油机在任何运行状态下进入气缸消耗的碳总质量为
QMin＝(QF-QR)×FC％+QC×CC％+QA×AC％， (1)
燃油主要成分为CnH2n或CnH2n+2，燃烧时发生反应：
CnH2n+3/2n O2＝n CO2+n H2O+CO+THC (2)
排气物中一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和碳氢化合物(THC)的碳质量百分比分别是0.429、0.273、0.866。
燃烧废气的碳总质量为
Qme＝0.429×CO+0.273×CO2+0.866×THC (3)
根据碳平衡原理，式(1)和式(3)相等，即
Qme＝QMin(4)
二冲程柴油机排出的废气物中CO2几乎占到碳含量的全部，CO和THC化合物约占到1％。因此，柴油机的二氧化碳总排放量为：
qmc＝(QMin/0.273)×99％×F (5)
qmc1＝qmc-(QA×AC％)/0.273 (6)
柴油机在升负荷和降负荷两种状况下运行时，燃烧温度以及周围环境的变换影响会导致测量会产生误差，因此在此要设置偏差系数F，以补偿测量误差。
所述的偏差系数F的获得方法为，将所述船舶柴油发动机在稳定负荷状态下进行试验运行一定时间H，按照MARPOL公约规定的E3试验循环类型，利用废气测试仪7、燃油流量计6和废气流量计测量，并通过下列计算式得到偏差系数：
F＝(qmc1×H/1000)/((QMin/0.273)×99％)，
qmc1＝ugas×cgas×qmew，
qmew＝qmaw+qmf。
式中，F为偏差系数，
qmc1为船舶柴油发动机试验运行产生废气中的CO2排放量，单位为g/h，
H为试验运行时间，
QMin为进入气缸的总碳量，单位为kg，
ugas为废气成分密度和废气密度比率，由查表得到(见背景技术，表2)，
cgas为原始废气中各成分的浓度，单位为ppm，湿基，由废气测试仪7测量和计算得到，
qmew为废气质量流量，单位为kg/h，湿基，
qmaw为船舶柴油发动机吸入空气质量流量，单位为kg/h，湿基，由空气流量计11 测量和计算得到，
qmf为燃料质量流量，单位为kg/h，由燃油流量计6测量和计算得到。
上述偏差系数F计算式的推导过程如下：
为了得到该偏差系数F，将柴油机运行到稳定负荷状态，在废气排气管路10中接入废气取样管3，利用废气分析仪7和E3循环计算公式得到CO2排放量。
qmc1＝ugas×cgas×qmew (7)
稳定状态下运行一定时间H后，令式(5)与式(7)相等，可得到偏差系数F。
F＝(qmc1×H/1000)/((QMin/0.273)×99％) (8)
在柴油机磨合运行或升降负荷期间得到更准确的CO2排放量，需要在稳定状况下对此方法进行修正，环境变化以及高负荷与低负荷产生的废气量成分不同，所以偏差系数F稍微有所变化，但对于CO2而言，燃烧产生的废气占到含碳量气体的99％，在不同负荷下进行验证，偏差系数变化较小，可认为是一个常数。
本发明可由测量所得燃料总消耗量、气缸油消耗量及空气总消耗量计算出每台柴油机磨合运行期间CO2排放量，将每年所有柴油机的排放量相加起来，能够估算出制造厂每年因柴油机磨合试车产生的CO2总排放量。本发明相对其他方法可节约设备成本，仅在初期设定阶段需要检测设备来校正计算方法，需要精确的空气流量计与质量流量计。
本发明要求的保护范围不仅限于上述实施例，也应包括其他不经过创造性劳动即能够获得的显而易见的等效变换和替代方案。

Claims (7)

1.一种用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法，其特征在于：在所述船舶柴油发动机的运行全期间的各种运行状态下，测量获得该船舶柴油发动机的燃油总消耗量、未燃烧燃油量、气缸油消耗量和空气消耗量，按照下列计算式得到所述船舶柴油发动机的CO2气体总排放量：
qmc＝(QMin/0.273)×99％×F，
QMin＝(QF-QR)×FC％+QC×CC％+QA×AC％；
式中，qmc为船舶柴油发动机的CO2总排放量，单位为kg，
QMin为进入气缸的总碳量，单位为kg，
QF为燃油总消耗量，单位为kg，
QR为未燃烧燃油量，单位为kg，
QC为气缸油消耗量，单位为kg，
QA为空气消耗量，单位为kg，
FC％为燃油含碳量质量比，
CC％为气缸油含碳量质量比，
AC％为环境空气的含碳量质量比，
F为偏差系数。
2.根据权利要求1所述的用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法，其特征在于：所述的偏差系数的获得方法为，将所述船舶柴油发动机在稳定负荷状态下进行试验运行，按照MARPOL公约规定的E3试验循环类型，利用废气测试仪、燃油流量计和空气流量计测量并通过下列计算式得到偏差系数：
F＝(qmc1×H/1000)/((QMin/0.273)×99％)，
qmc1＝ugas×cgas×qmew，
qmew＝qmaw+qmf，
式中，F为偏差系数，
qmc1为船舶柴油发动机试验运行产生废气中的CO2排放量，单位为g/h，
H为试验运行时间，
QMin为进入气缸的总碳量，单位为kg，
ugas为废气成分密度和废气密度比率，
cgas为原始废气中各成分的浓度，单位为ppm，湿基，
qmew为废气质量流量，单位为kg/h，湿基，
qmaw为船舶柴油发动机吸入空气质量流量，单位为kg/h，湿基，
qmf为燃料质量流量，单位为kg/h。
3.根据权利要求2所述的用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法，其特征在于：所述的废气成分密度和废气密度比率ugas由查表得到，所述的原始废气中各成分的浓度cgas由废气测试仪测量和计算得到，所述的qmaw由空气流量计测量和计算得到，所述的qmf由燃油流量计测量和计算得到。
4.根据权利要求1所述的用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法，其特征在于：所述的燃油总消耗量QF由燃油流量计测量得到，所述的未燃烧燃油量QR由回油流量计测量得到，所述的气缸油消耗量QC由气缸油流量计测量得到，所述的空气消耗量QA由空气流量计测量得到。
5.根据权利要求1所述的用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法，其特征在于：所述的燃油含碳量质量比FC％和气缸油含碳量质量比CC％由供应商提供的油料成分报告或者经过油料分析仪测量得到，所述的环境空气的含碳量质量比AC％由空气分析仪测量得到。
6.根据权利要求1所述的用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量方法，其特征在于：所述的船舶柴油发动机的运行全期间包括磨合运行期、升负荷期和降负荷间，所述船舶柴油发动机的各种运行状态包括稳定运行状态和非稳定运行状态。
7.一种用于权利要求1所述测量方法的用于船舶柴油发动机CO2气体排放的测量装置，包括油柜、输送泵、用于测量所述柴油发动机燃油总消耗量的燃油流量计、用于测量工作后未燃烧燃油量的回油流量计、用于废气采样的废气取样管、加热的预过滤器和用于对所述柴油发动机排放气体进行测量分析的废气分析仪，其中，油柜通过输送泵连接柴油发动机，该柴油发动机的燃油入口处连接燃油流量计，废气取样管一端连接柴油发动机的废气排气管路，另一端通过加热的预过滤器连接废气分析仪，回油流量计与柴油发动机连接；其特征在于：所述的柴油发动机的气缸连接有用于测量气缸油消耗量的气缸油流量计和用于测量气缸的空气消耗量的空气流量计。
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