CN112763465B - 一种抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法，包括以下步骤：对过往船舶按时序进行尾气采集，得到过往船舶尾气的SO2和NO的浓度值；根据采集到的船舶尾气的SO2和NO的浓度值构建SO2和NO的浓度检测曲线，并区分尾气数据和背景数据；根据SO2和NO的浓度检测曲线测定每一艘船的尾气SO2和NO浓度比值n，并绘制船舶的n值直方图；根据n值的大小对柴油硫含量超标的船舶进行识别。本发明解决了适用于船用重油监管的嗅探法无法适用于船用柴油监管的难题，进一步提高船舶防污染监管的效率与针对性，用先进手段节约十分紧张的执法资源。
Description
技术领域
本发明涉及船舶燃油检测技术领域，特别涉及一种抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法
背景技术
2019年1月起，我国实施GB 17411-2015船用燃料油《第1号修改单》，除了船用重油，各种型号的船用柴油的硫含量上限为10ppm。海事执法检查中除了在登船时用到便携式测硫仪外，国内外均会提前采用嗅探法识别嫌疑船，以提高执法检查的效率和针对性。嗅探法的原理是同步检测船舶尾气SO2和CO2，根据燃油中碳含量约为87％的事实，估算燃油硫含量。然而，嗅探法主要适用于船用重油的监管，硫含量上限为0.5％或0.1％；并不适用于船用柴油的监管，硫含量上限仅为10ppm。主要原因是，高精度的SO2分析仪基本采用紫外荧光的原理，而尾气中存在的NO在紫外线照射下也会产生微弱的荧光，会被误测为SO2。对船用重油监管来说，这部分误测可以忽略不计，但是对于船用柴油监管来说，这部分误测结果无法忽略，甚至远超真实的硫含量结果。目前，国内外尚无适用于船用柴油硫含量监管的嗅探法，海事执法检查依然以登船抽样化验为主，存在效率低、缺少针对性的缺点，造成了执法资源的极大浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法，能够不登船就可以甄别出违规使用高硫柴油的船舶，避免盲目抽检造成的巨大浪费，为我国船舶防污染执法检查提供高效手段。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明公开了一种抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法，包括以下步骤：
对过往船舶按时序进行尾气采集，得到过往船舶尾气的SO2和NO的浓度值；
根据采集到的船舶尾气的SO2和NO的浓度值构建SO2和NO的浓度检测曲线，并区分尾气数据和背景数据；
根据SO2和NO的浓度检测曲线测定每一艘船的尾气SO2和NO浓度比值n，并绘制船舶的n值直方图；
根据n值的大小对柴油硫含量超标的船舶进行识别。
优选地，所述SO2和NO的浓度检测曲线以时间为横坐标、气体浓度为纵坐标；
所述SO2和NO的浓度检测曲线每一对SO2和NO波峰代表一艘船舶的尾气，波峰两侧的峰谷为尾气出现前后空气中的背景浓度。
优选地，所述NO波峰通过设定超过NO检测装置检出限的阈值进行识别；当NO浓度超过阈值的则判定为波峰。
优选地，所述SO2和NO浓度比值n的计算过程为：
n＝(SO2波峰-SO2背景)/(NO波峰-NO背景)
其中：SO2波峰为船舶尾气经过SO2检测装置时测得的SO2波峰浓度值；SO2背景为船舶尾气经过SO2检测装置前或者后的SO2背景浓度值；NO波峰为同一船舶尾气经过NO检测装置时测得的NO波峰浓度值；NO背景为同一船舶尾气经过NO检测装置前或者后的NO背景浓度值。
优选地，所述根据n值的大小对柴油硫含量超标的船舶进行识别的过程为：应用T-point法单峰直方图阈值寻优算法计算n值阈值；将大于阈值的n值对应的船舶识别为柴油硫含量超标的船舶；将小于等于阈值的n值对应的船舶识别为柴油硫含量未超标的船舶。
优选地，所述尾气采集的时间间隔为1～10s。
本发明公开了以下技术效果：
本发明通过实时监测空气中的SO2和NO浓度，利用算法自动识别船舶尾气所造成的SO2和NO浓度波峰，自动统计并量化NO对SO2浓度结果的干扰，可在剔除NO干扰的同时，识别柴油硫含量超标的船舶尾气；本发明解决了适用于船用重油监管的嗅探法无法适用于船用柴油监管的难题，进一步提高船舶防污染监管的效率与针对性，用先进手段节约十分紧张的执法资源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法流程示意图；
图2为本发明实施例于2020年10月27日下午过闸期间测得的19艘船舶的SO2和NO监测曲线示意图；
图3为本发明实施例检测的1311艘船的n值直方图；
图4为本发明实施例T-point法单峰直方图阈值寻优方法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别法，包括以下步骤：
S1、对过往船舶按时序进行尾气采集，得到过往船舶尾气的SO2和NO的浓度值。
本实施例以中山市西河船闸上开展的为期1个月的尾气监测实验为例，利用设置在监测点位处，如岸边、桥梁或监测船上的船舶尾气采集装置对行驶在航道上的过往船舶按时序进行尾气采集；其中，每次尾气采集的间隔时间不超过10s，优选为1～10s；
船舶尾气采集装置包括紫外荧光法SO2监测设备和化学荧光法NO监测设备；SO2监测设备的精度≤1ppb，量程为≥1ppm；NO监测设备的精度≤1ppb，量程为≥1ppm。
其中，SO2监测设备和NO监测设备要求同步对尾气中的SO2和NO进行采集和分析。两种监测设备可直接选用现有设备使用，并通过集成采用同一外部抽气管路对尾气进行采集。为提高SO2监测设备的响应时间，可以将该设备中的吸收碳水化合物的过滤器去除。此外，两台监测仪器均支持联网远程传输和支持365天无人值守运行功能，仅保留仪器精度校准和日常检修等现场工作。两台监测仪器的监测数据均通过有线或无线传输方式传输至目的监测单位的计算机上。
本实施例使用的SO2监测仪器是Thermo 43i，精度1ppb,量程10ppm，数据采集间隔时间为5s，已经是仪器最高监测频率；NO监测仪器是Thermo 42i,精度0.5ppb，量程10ppm，数据采集间隔时间为10s，已经是仪器最高监测频率。设备集成使用同一个抽气软管，直径8mm。考虑到船舶排气口高度、位置存在区别，本实施例的抽气软管内置于长8m的鱼竿内，由使用者手持鱼竿主动采集过往船舶排气口附近的尾气。气体抽入一个小型气室后，由SO2监测仪器和NO监测仪器共同从小型气室内抽气分析。
S2、根据采集到的船舶尾气的SO2和NO的浓度值分别构建SO2和NO的浓度检测曲线，并区分尾气数据和背景数据。
一旦船舶尾气带经过SO2分析仪和NO分析仪所在位置，SO2监测曲线和NO监测曲线会分别出现波峰，每一对SO2和NO波峰代表一艘船舶的尾气，波峰两侧的峰谷为尾气出现前后空气中的背景浓度。波峰的识别可以人工或者自动。
由于NO是一种非常活跃的气体，进入空气中后会在数分钟内与O2反应生成NO2，如若监测点位附近除船舶外没有其它燃烧源，则可以设定一个超过NO分析仪检出限的阈值。NO浓度超过阈值的则自动判定为波峰，空气中的NO背景浓度可设为0。
本实施例共计测得船舶尾气1311个，考虑到绘制SO2和NO监测曲线时无法在一张图上全部展示，本实施例展示2020年10月27日下午过闸期间测得的19艘船舶的SO2和NO监测曲线，具体如图2所示。
S3、根据SO2和NO的浓度检测曲线测定每一艘船的尾气SO2和NO浓度比值n，并绘制船舶的n值直方图。
n＝(SO2波峰-SO2背景)/(NO波峰-NO背景) (1)
其中：SO2波峰为船舶尾气经过SO2分析仪时测得的SO2波峰浓度值；SO2背景为船舶尾气经过SO2分析仪前或者后的SO2背景浓度值；NO波峰为同一船舶尾气经过NO分析仪时测得的NO波峰浓度值；NO背景为同一船舶尾气经过NO分析仪前或者后的NO背景浓度值。
在对相同时间下的SO2波峰浓度值和NO波峰浓度值进行获取时，既可以选用每个波峰峰顶对应的浓度最大值作为浓度值，也可以选用形成每个波峰的多个浓度数据的平均值作为浓度值；但是需要注意的是，对全部数据的选取，即对所有波峰对应的SO2浓度值和NO浓度值的获取应采用完全相同的方法。
本实施例在每次监测船舶尾气时，记录监测前或者后数据平稳时的SO2背景浓度和NO背景浓度，同时选定尾气波峰出现的持续时间并将该时间内的SO2浓度和NO浓度平均值分别作为SO2波峰浓度和NO波峰浓度，计算获得每一艘船舶的n值。本实施例得到19艘船舶尾气的n值如表1所示。
表1
在计算得所有船舶的n值之后，以n值为横坐标、船舶数量为纵坐标，绘制所有船舶的n值直方图。n值的间隔为1/1000，即0～1/1000为一组、1/1000～2/1000为一组、2/1000～3/1000为一组，后面依次类推。
要注意的是，1000ppb浓度的NO往往会被误测为SO2的浓度范围在8ppb～20ppb之间，不同机构、不同设备的结果存在一定的差异，但是大致分布在此区间。因此，本实施例将n的间隔设定为1/1000，最终得到1311个n值直方图，具体如图3所示。
S4、根据n值的大小对柴油硫含量超标的船舶进行识别。
n值异常大的船舶可以判定为柴油硫含量超标的船舶，基于以下三个事实：(1)违规使用高硫柴油的船舶是少数，大多数船舶使用硫含量低于10ppm的柴油；(2)高硫柴油通常是未经脱硫或者脱硫工艺落后的产物，硫含量往往远大于10ppm；(3)NO气体对同一台SO2分析仪的误测干扰情况稳定，即标准的NO气体通入SO2分析仪后测得的SO2数值十分稳定。n值异常大的识别可以人工也可以自动。
如图4所示，本实施例应用T-point法等单峰直方图阈值寻优算法，自动确定n值阈值，将大于阈值的n值对应的船舶识别为柴油硫含量超标的船舶，将小于等于阈值的n值对应的船舶识别为柴油硫含量未超标的船舶。
本实施例采用T-point法识别图3中n值的最优阈值为n＝0.036，根据该阈值得出2020年10月27日下午过闸期间测得的19艘船舶中的第1艘船舶存在柴油硫含量超标的嫌疑。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
对过往船舶按时序进行尾气采集，得到过往船舶尾气的SO2和NO的浓度值；
根据采集到的船舶尾气的SO2和NO的浓度值构建SO2和NO的浓度检测曲线，并区分尾气数据和背景数据；
根据SO2和NO的浓度检测曲线测定每一艘船的尾气SO2和NO浓度比值n，并绘制船舶的n值直方图；所述SO2和NO浓度比值n的计算过程为：
n＝(SO2波峰-SO2背景)/(NO波峰-NO背景)(1)
其中：SO2波峰为船舶尾气经过SO2检测装置时测得的SO2波峰浓度值；SO2背景为船舶尾气经过SO2检测装置前或者后的SO2背景浓度值；NO波峰为同一船舶尾气经过NO检测装置时测得的NO波峰浓度值；NO背景为同一船舶尾气经过NO检测装置前或者后的NO背景浓度值；
根据n值的大小对柴油硫含量超标的船舶进行识别；
所述根据n值的大小对柴油硫含量超标的船舶进行识别的过程为：应用T-point法单峰直方图阈值寻优算法计算n值阈值，将大于阈值的n值对应的船舶识别为柴油硫含量超标的船舶，将小于等于阈值的n值对应的船舶识别为柴油硫含量未超标的船舶。
2.根据权利要求1所述的抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法，其特征在于，所述SO2和NO的浓度检测曲线以时间为横坐标、气体浓度为纵坐标；
所述SO2和NO的浓度检测曲线每一对SO2和NO波峰代表一艘船舶的尾气，波峰两侧的峰谷为尾气出现前后空气中的背景浓度。
3.根据权利要求2所述的抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法，其特征在于，所述NO波峰通过设定超过NO检测装置检出限的阈值进行识别；当NO浓度超过阈值的则判定为波峰。
4.根据权利要求1所述的抗干扰的船用柴油硫含量超标嗅探识别方法，其特征在于，所述尾气采集的时间间隔为1～10s。
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