CN115443241A - 用于船舶废气排放的自主实时二氧化硫和二氧化碳监测器 - Google Patents

用于船舶废气排放的自主实时二氧化硫和二氧化碳监测器 Download PDF

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Abstract

一种船舶二氧化硫排放开关监测系统，其具有自供电的排放物采样装置，并且需要低功率来运行。排放物采样装置具有灵敏和选择性的化学传感技术，能够量化二氧化硫和二氧化碳。除了二氧化硫和二氧化碳之外，相对湿度、温度和压力传感器也用于监测废气。过滤器用于消除船用发动机废气中的固体和液体雾化成分。

Description

用于船舶废气排放的自主实时二氧化硫和二氧化碳监测器
相关申请的交叉引用
本申请要求保护一项或多项发明，这些发明在2020年3月16日提交的临时申请号62/990,226，标题为“MARITIME SULFUR DIOXIDE EMISSIONS SWITCH AND MONITORINGSYSTEM”和2020年11月5日提交的临时申请号63/110,159，标题为“AUTONOMOUS REAL-TIMESULFUR DIOXIDE AND CARBON DIOXIDE MONITOR FO MARINE EXHAUST EMISSIONS”的专利中公开。特此要求美国临时申请的在35USC§119(e)项下的权益，并且前述申请在此引入作为参考。
技术领域
本发明属于环境传感器领域。更具体而言，本发明涉及传感器和使用传感器自主实时监测船舶废气排放中的二氧化硫和二氧化碳的方法。
发明内容
海运行业受制于国际海事组织(IMO)关于二氧化硫(SO2)废气排放的规定。负责执行这些法规的世界各地的海岸警卫队几乎没有检测违规行为的选择。现有的那些都很贵，而且覆盖面非常有限。美国海岸警卫队(USCG)和英国海洋和海岸警卫局(MCA)海岸警卫队等已公开表示，他们没有有效的手段来监督遵守情况，并希望有一个系统来帮助他们确定哪些船只需要审查。这些规定计划在2020年1月1日变得更加严格。
SOx废气排放，除了任何缓解过程，如废气净化系统，与燃油中的硫含量直接相关。实际上，燃料硫浓度成为废气硫浓度的代表，并且燃料转换规则反映了这种理解。
该法规要求没有废气净化系统的船舶转换到他们所在区域的合规燃料，并保持合规行为的记录。法律要求船舶在二氧化硫排放控制区(SECA)区域内外燃烧不同浓度的低硫燃料，并保留燃料转换事件的日志以供检查期间审查。当日志表明燃料转换确实发生时，确认燃料转换确实发生是一个漫长而不精确的过程，在这个过程中要权衡罚款和监禁。
各种试图“嗅”船只上空的空气以探测可疑船只的尝试，无论是使用无人机、飞机还是安装在桥上的传感器，都被证明是脆弱的、有限的范围，并且通常是昂贵的。
永久船载传感器全球有效。然而，足够精确以匹配燃料测试的实验室级感测设备的安装和维护非常昂贵——对于考虑强制应用来说，这种情况是站不住脚的。
这种情况使得世界上的海岸警卫队没有有效的方法知道他们的注意力集中在哪里。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种船舶二氧化硫排放开关监测系统具有自供电的排放物采样装置，并且需要低功率来操作。排放物采样装置具有灵敏和选择性的化学传感技术，能够量化化学复杂样品基质中的二氧化硫(SO2)和二氧化碳(CO2)。除了SO2和CO2之外，包括相对湿度、温度和压力传感器的量化算法用于监测废气。过滤器用于消除船用发动机废气中的固体和液体雾化成分。
附图说明
图1示出了船舶二氧化硫排放开关监测系统的概况。
图2a示出了二氧化硫排放装置的立体图。
图2b示出了二氧化硫排放装置的俯视图。
图2c示出了二氧化硫排放装置的仰视图。
图2d示出了二氧化硫排放装置的侧视图。
图2e示出了二氧化硫排放装置的后视图。
图3a示出了二氧化硫排放装置的预过滤器、废气过滤器传感器子系统和泵的第一视图。
图3b示出了二氧化硫排放装置的预过滤器、废气过滤器传感器子系统和泵的另一视图。
图4示出了图3a-3b的预过滤器的特写。
图5a示出了图3a-3b的分层过滤器的侧视图。
图5b示出了图3a-3b的分层过滤器的分解立体图。
图5c示出了图3a-3b的分层过滤器的分解侧视图。
图6示出了废气过滤器传感器子系统的气体吸收单元。
图7示出了船舶废气排放的自主实时二氧化硫和二氧化碳监测方法的框图。
图8a示出了单个烟囱的一对烟管上的正面安装选择。
图8b示出了单个烟囱的多个烟管的外侧安装。
图8c示出了弯曲排气烟管上的安装选择。
图8d示出了在单个烟囱的多个烟管上的背面安装选择。
图8e示出了多个烟囱，其中多个烟管安装有传感器单元。
图8f示出了具有多个排气烟管和传感器单元安装的游轮烟囱。
图9示出了散热器的侧视图。
图10示出了热电发电机(TEG)和散热器的俯视图。
图11示出了船上二氧化硫排放装置的内部部件和与监测中心相关联的计算机，在监测中心中可以实施说明性实施例。
图12示出了向客户端传送运输数据的示例用户界面。
图13示出了当船穿过SECA边界时的一个示例策略的草图。
具体实施方式
本文所述的装置和方法可确定燃料转换方面，即最难确认的规章符合性，相对于SO2排放控制区域(SECA)边界实际上是正确执行的。然后，通过提供燃料转换在SECA边界适当发生的不可变的第三方验证，传感器系统可用于确证强制的日志条目。它不能保证船只燃烧符合要求的燃料，这仍然取决于操作者是否知道他们在他们的油箱里放了什么，但它会在硫浓度意外变化的情况下，例如燃料系统不干净的情况示出不规则的读数。这一信息对船舶经营者在执法行动的上诉过程中很有价值，并可大大减少执法人员的检查工作。
该系统可以检测船只何时转换燃料，并且在符合要求的船只上，这将确认他们的日志条目。
低成本、低功率的SO2传感器没有足够宽的范围来报告ppm值的范围，该ppm值是计算废气中SO2浓度达到燃料硫符合性测试所需的精度所需要的。现行法规允许SECA边界以外的海洋中部SO2排放浓度为3.5％(35,000ppm)。2020年1月1日，这一水平降至0.5％(5000ppm)。在SECA边界内，靠近海岸和港口的地方，现在和将来的限制都是0.1％(1000ppm)。
当燃烧0.1％的硫燃料时，燃烧过程将废气中的SO2减少到大约20ppm(体积)，当燃烧0.5％的硫燃料时，减少到大约100ppm(体积)。本发明的实施例所解决的挑战之一是检测和/或量化化学上复杂的废气矩阵中这些水平的SO2，以便确定近似的燃料硫含量并确定国际海事组织(IMO)的合规性或不合规性。
在本发明的一个实施例中，以预编程的时间间隔对海船的烟管废气进行采样，并在预过滤器中进行预处理，以消除颗粒物质(PM)并使水蒸气含量(WVC)与当地周围环境相平衡。取样由泵驱动，泵将废气抽吸通过排放物采样装置的废气传感器子系统。废气传感器子系统通过非分散红外吸收光谱法(NDIR-AS)测量废气中的二氧化碳和二氧化硫，该非分散红外吸收光谱法调整为在中红外光谱带中的二氧化碳和二氧化硫的相应带中心处做出响应。非目标气体特定参考波段用于内部参考和SO2检测波段的WVC背景校正。排放物采样装置由热电发电机(TEG)自供电，该发电机由排气烟管气体和入口保护排气传感器子系统之间的温差驱动。TEG还用于维持备用电池的充电，该备用电池在TEG不能输送时为排放物采样装置供电，例如当船只在港口时由于发动机负载低或不存在。排放物采样装置还能够在发动机长期闲置时自动切换到睡眠状态，在使用时再次唤醒。排放物采样装置还包括全球定位系统(GPS)，并且可以在通信链路上以伪实时间隔传输CO2和SO2测量数据以及其他数据。
该排放物采样装置占地面积小，是自供电的，并且无需维护。
排放物采样装置优选可测定百万分之2-百万分之500体积的废气SO2含量(相当于<0.1％-3.5％的燃料硫含量(FSC))。该范围包括在所有发动机负载条件下使用超低硫燃油(ULSFO)、极低硫燃油(VLSFO)和重质燃油(HFO)。排气CO2含量检测范围优选在2％至5％(体积)之间。
在一个实施例中，采样以大约60分钟或更短的时间间隔进行，或者当海船距离监测SECA边界小于20海里时以另一时间间隔进行。也可以实现其他采样方案。
概述
图1示出了船舶二氧化硫排放开关监测系统1的概况。
排放物采样装置10通过支架4附接到海船上的烟囱的至少一个排气烟管上。
参考图2a至2e，排放物采样装置10具有壳体161，该壳体161包围并保护装置10的子系统免受灰尘、空气传播的尘粒(IP66或NEMA 4x等级)的影响。壳体161连接到围绕散热器8和热电发电机(TEG)6的散热器壳体162。TEG6连接到与支架4相邻的集热器130，用于将排放物采样装置10连接和放置在海船的排气烟管内。集热器130可以被集热器壳体131包围。当安装在排气烟管上时，集热器130存在于来自排气烟管的废气流中。壳体161中还存在预过滤器12、泵22、废气传感器子系统20、电子驱动器和处理器12、卫星调制解调器14、全球定位系统16以及电源管理和电池备用系统24。
返回参考图1，来自排气烟管的废气50由泵22泵送通过排放物采样装置10的预过滤器12的入口。预过滤器12还包括冷凝器元件，下面将进一步详细讨论。在废气51已经通过预过滤器12之后，该气体进入废气传感器子系统20，该废气传感器子系统测量至少二氧化硫含量、二氧化碳含量、废气温度、废气压力和相对湿度。然后，废气52通过泵22从废气传感器子系统20的气体吸收单元的排气出口被泵出并排出排放物采样装置10。
排放物采样装置10还具有电子驱动器和处理器18，以控制、处理和存储来自废气传感器子系统20、泵22和卫星调制解调器14的数据。泵22、电子驱动器和处理器12以及废气传感器子系统20另外连接到与用于供电的TEG6连通的电源管理和电池备用系统24。
来自全球定位系统(GPS)16的位置也提供给卫星调制解调器14，以便与其它数据一起通过网络28发送给监测中心30。网络28可以包括铜线、光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。
海船上的排放物采样装置10经由网络28通过卫星26和/或无线通信27与监测中心30通信。
热电发电机(TEG)
参照图9和10，在散热器壳体162内是热电发电机(TEG)6和散热器8。TEG6和散热器8的输出是电源连接器133，其向电源管理和备用系统24供电，以向排放物采样装置10供电。
集热器130固定到散热器壳体162和TEG6，例如使用夹具和螺钉175将集热器130和TEG6以最小的间隔保持在一起。集热器130和散热器壳体162之间可以存在绝缘。集热器130放置在排气烟管的废气中。集热器130包括至少两个热管170a、170b，热管170a、170b具有由间隔件172a、172b、172c、172d、172e隔开的多个翼片171a、171b、171c、171d、171e。
海船的内燃机在运行时通过排气烟管排放废气，并且废气通常具有高温的特征。集热器130的翼片171a、171b、171c、171d、171e直接从废气烟管的废气中收集热量，并通过热管170a、170b传递热量。热量从热管170a、170b传递到热载体173，热载体173通过隔热罩174将热量传递到TEG6和散热器8。隔热罩174存在于热载体173和TEG6之间。隔热罩174阻挡热量以提高散热器8的效率。提供给散热器8的热量在散热侧8a消散。热载体173包括两个不同的导体，这两个导体在高温下由废气烟管界定，在低温下由散热器8界定，以产生电势。TEG6发电，同时通过散热器8的散热侧8a冷却和散热，以产生电势，该电势可被存储并传递到电源管理和电池备用系统24和/或通过连接器133直接给排放物采样装置10供电。散热器8从TEG6吸取热量。
在其他实施例中，TEG6可以由其他自供电选择代替，其可以包括但不限于太阳能或风能。
电源管理和电池备用系统24根据排放物采样装置10的电池的电压和环境规格来控制来自TEG8的电池充电。基于随时间和温度的电压和电流监测的充电状态计算由电源管理和电池备份系统24进行。当电池处于有问题或低充电状态时，充电状态值允许触发通告。
废气流
图3a-3b示出了二氧化硫排放装置的预过滤器、废气过滤器传感器子系统和泵。废气流由箭头表示。
通常，废气由泵22泵送通过预过滤器4。废气从预过滤器4经过冷凝器元件33进入分层过滤器34。废气从分层过滤器34行进通过气体吸收单元35，并排出排放物采样装置10。压力/温度传感器36存在于气体吸收室35和泵22之间。
预过滤器
图4示出了预过滤器12。预过滤器12的第一端12a具有废气入口200，并且位于废气烟管内。预过滤器12的第二端12b通过优选由不锈钢制成的歧管201与冷凝器元件33连通。第一端12a具有开口202，开口202带有用于接收废气入口的多孔不锈钢过滤器203。废气穿过过滤器203、歧管201并进入连接到冷凝器元件33的第一端33a的管204。不锈钢过滤器203优选去除大于0.05微米的颗粒。
冷凝器
参考图3a-3b，冷凝器33由围绕管204的套筒205形成。管204优选是多孔的，允许水分从管204的内部204a转移到管204的外部204b。在一个实施例中，管204由聚合物制成，套筒205可以由戈尔特斯(gore-tex)或其他透气材料制成。当废气蒸汽穿过管204时，穿过套筒205的环境空气可用于冷却废气蒸汽。虽然未示出，但是水或其他流体可以在套筒205内循环，以在废气蒸汽穿过管204时帮助冷却废气蒸汽。废气蒸汽优选冷却到低于环境大气条件的露点温度。冷凝器33的第二端33b与分层过滤器34连通。
分层过滤器
如图5a-5c所示，分层过滤器34经由管206通过连接到进气法兰208的进气口207接收冷却空气。废气蒸汽从进气法兰207经过第一垫圈209、第一过滤器210、第二垫圈211、第二过滤器212、第三垫圈213、第三过滤器214、第四垫圈215、第四过滤器216和第五垫圈217，通过排气法兰218的排气口219排出。多个垫圈209、211、213、215、217和过滤器210、212、214、216通过板220和螺栓221保持在排气法兰218和进气法兰208之间。板220额外地支撑与管206的管连接。
第一过滤器210、第二过滤器212、第三过滤器214和第四过滤器216优选都具有不同的颗粒尺寸。例如，第一过滤器210是10μm过滤器，第二过滤器212是1.0μm过滤器，第三过滤器214是0.45μm过滤器，第四过滤器216是金属丝网。过滤器尺寸可以是足以消除大于2μm的颗粒进入以防止红外(IR)散射并消除尽可能多的小于2μm的颗粒以确保下面讨论的气体吸收单元240不会遭受小颗粒在样品室内沉淀的任何尺寸。
气体吸收单元
图6示出了利用非分散红外吸收光谱法(NDIR-AS)的气体吸收单元240的例子。废气蒸汽从排气法兰218的排气口219进入气体吸收单元240的进气口241。
气体吸收室240具有带有发射器242的第一端240a和带有检测器243的第二端240b，发射器242和检测器243之间的长度L形成样品室244。进气口241和排气口245沿着气体吸收室240的样品室244的长度L位于发射器242和检测器243之间。在一个实施例中，样品室244具有至少28.5cm的长度。
在第一端240a的发射器240具有反射器247和红外源246。第二端240b处的检测器243包括一个或多个带通过滤器248和红外检测器249。来自红外光源246的红外光通过样品室244射向检测器243。传感器251可以存在于样品室244内，用于气体压力和气体温度。图6中传感器251的位置仅用于说明目的，并且可以在样品室244内的任何地方。样品室244中的气体引起特定波长的吸收，并且这些波长的衰减由检测器243测量以确定气体浓度。一个或多个通带或光学过滤器248位于检测器243的前面，以消除除了所选气体分子可以吸收的波长之外的所有红外光。检测器243测量未被过滤器248吸收的红外(IR)光量。在穿过样本气体室240之后，废气蒸汽通过排气口245离开气体吸收单元。
在本发明的一个实施例中，通带或光学过滤器248专用于二氧化硫。
在本发明的另一个实施例中，通带或光学过滤器248专用于二氧化碳、二氧化硫和水。
在又一实施例中，通带或光学过滤器248包括对应于二氧化碳过滤器、二氧化碳参考过滤器、二氧化硫过滤器和二氧化硫参考过滤器的四个过滤器。
在另一个实施例中，相对湿度传感器250存在于排气口245处，以测量废气中的水蒸气含量。
在替代实施例中，气体吸收单元240具有单个IR光源246，并且检测器243包括对应于两个不同带通过滤器248的两个检测器，用于两个检测器前面的不同气体，例如二氧化碳和二氧化硫。被目标气体(例如二氧化硫或二氧化碳)吸收的红外光穿过具有特定带宽的有源过滤器，用于检测目标气体。不与目标气体相互作用的红外光穿过参考过滤器。这两个带宽中透射光强度之间的差异被转换成气体浓度。双波长传感器可确保长时间稳定测量，因为光源或气室的老化效应会被参考波长的输出信号自动补偿。
用于二氧化碳的过滤器248优选地为4.45μm，基准为4.65μm。用于二氧化硫的过滤器248优选为7.3μm，基准为7.85μm。使用背景校正的水蒸气含量的检测是7.85μm，参考是4.65μm。
在另一个实施方案中，可以存在多于一个的用于二氧化碳的过滤器，并且可以存在多于一个的用于二氧化硫的过滤器。
在一个实施例中，用于二氧化碳的过滤器248在1.9μm-2.1μm之间。在另一个实施例中，用于二氧化碳的过滤器248在2.6μm-2.9μm之间。在又一个实施例中，过滤器248在4.1μm-4.5μm之间。
在一个实施例中，用于二氧化硫的过滤器248在7.1μm-7.6μm之间。
在一个实施例中，其他过滤器可以具有与二氧化碳和二氧化硫或其他废气不重叠的各种波段，例如在1.3μm-1.5μm、1.75μm-2.0μm、2.5μm-3.0μm和5.0μm-8.0μm之间。
在一个实施例中，参考带也可以作为过滤器248存在，其+/-0.2μm或小于该过滤器。例如，参考过滤器可以是3.09μm、3.72μm、3.95μm和/或7.85μm。
在又一个实施例中，单个IR光源246包括多个源，过滤器248邻近发射器和IR光源246。
气体浓度由一个或多个检测器发送到电子驱动器和处理器18的处理器。废气52然后被泵出排放物采样装置10的排气出口。
电子驱动器/处理器
处理器18从气体吸收单元240和各种传感器接收与烟管中的废气相关的数据，并利用卫星调制解调器14将与气体相关的数据和其他数据发送到监测中心30。数据优选以字节数组的形式发送，以减少发送的数据量。注意，来自排放物采样装置10的数据以规则的周期性方式发送到监测系统30，而不管其是否能够连通或有多余的能量来运行通信信道，例如经由卫星调制解调器14。
如果卫星26不可用或者排放物采样装置10没有足够的可用能量来发送数据，则收集带有时间戳的废气样本数据并将其存储在存储器中，例如一个或多个计算机可读RAM822和一个或多个计算机可读ROM824或一个或多个计算机可读有形存储设备830，以便在另一时间上传。如果需要，可以另外从排放物采样装置10中手动提取数据。
还应注意，排放物采样装置10的电源管理系统24对数据收集进行优先排序。电源管理系统24通过在低电量状态期间停止数据传输来减少能量消耗。
图11示出了与电子驱动器和处理器18相关联的内部部件的例子。如图11所示，电子驱动器和处理器18可以包括一个或多个处理器820、一个或多个总线826上的一个或多个计算机可读RAM822和一个或多个计算机可读ROM824、以及一个或多个操作系统828和一个或多个计算机可读有形存储装置830。一个或多个操作系统828存储在一个或多个计算机可读有形存储设备830上，用于由一个或多个处理器820经由一个或多个RAM822(其通常包括高速缓冲存储器)来执行。在图11所示的实施例中，每个计算机可读有形存储设备830是内部硬盘驱动器的磁盘存储设备。可选地，每个计算机可读有形存储设备830是半导体存储设备，例如ROM824、EPROM、闪存或可以存储计算机程序和数字信息的任何其他计算机可读有形存储设备。
内部组件800a还包括R/W驱动器或接口832，以从作为监测系统30的一部分存在的一个或多个便携式计算机可读有形存储设备读取或向其写入。
计算机可读存储介质可以是能够保留和存储指令以供指令执行设备使用的有形设备。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述设备的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非穷尽列表包括以下：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备，例如穿孔卡或其上记录有指令的凹槽中的凸起结构，以及前述的任何合适的组合。如此处所使用的，计算机可读存储介质不应解释为本身是瞬时信号，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或通过导线传输的电信号。
这里描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备，或者通过网络下载到外部计算机或外部存储设备，所述网络例如是因特网、局域网、广域网和/或无线网络。网络可以包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微码、固件指令、状态设置数据、集成电路的配置数据，或者是以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言、过程编程语言或类似的编程语言。在一些实施例中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令，以个性化电子电路，从而执行本发明的方面。
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令也可以存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可以指导计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式运行，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括制造品，该制造品包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的各方面的指令。
计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作。
采样数据收集
在一个实施例中，至少每60分钟从废气中收集数据。当海船距离监测SECA边界不到20海里时，采集率会增加。
图13示出了当船从出海121穿过SECA边界(点划线120)到达港口123并返回到海122时的示例策略的示意图。船只的入站路径由虚线124表示，船只的出站路径由长短虚线125表示。每条路径124和125上的每个箭头126代表大约一个小时的航行。
沿着路径124和125的圆圈127a-127j代表系统采取行动的点，这将在下面的描述中详细解释。黑色填充圆圈127g-127h表示超出范围或“坏的”(即不符合)，而空心(白色填充)圆圈127a-127f和127j表示在范围内(即符合)的读数。虚线圆圈表示低排放读数，实线圆圈表示高排放读数。
示例性策略如下进行，其中数字指的是图11上的点：
127a-在这一点上，船在入站路径124上的SECA边界120之外，因此高硫燃料是允许的。来自排放物采样装置10的读数会很高，但是仍然符合要求，因为在这一点上，SECA的更受限制的范围还不适用。系统按照选定的时间表读取读数，例如每小时一次，如图11所示。也可以适当地选择更频繁或更不频繁的时间表。当获取读数时，来自读数的数据——例如时间、位置、符合性状态以及可能的原始传感器数据编号——存储在船上的储存库中，用于以后传输到岸上的监测中心30。
127b-该船正在接近SECA边界120。系统开始获取更频繁的读数，可能每10分钟或更频繁，以便捕获示出从高硫燃料转换到低硫燃料的数据。
127c-该船按照要求改用低硫燃料，系统通过示出排放符合要求的读数对此进行了确认。
127d-此时，船只处于岸基移动电话网络的覆盖范围内。该系统连接到网络，并向服务器发送状态报告，该状态报告至少指示船载系统运行正常并且船是符合规定的。如果需要，此时可以将来自机载储存库的全部数据上传到中央服务器。
127e-船在港口123。该系统继续监测排放，以确保其符合要求。如果在步骤127d中没有这样做，当船在港口时，储存库中的数据可以在此时上载到监测中心30。
127f-该船已通过出站路径125离开港口。读数示出，排放仍然符合SECA内的标准。
127g-系统检测到样本读数“不良”或超出范围。有可能在SECA边界120之外，船只过早地转换到高硫燃料，或者这可能是由不良样本或瞬态条件引起的虚假读数。
127h-系统在一段时间内获取更频繁的读数，以确认样品确实显示出不符合状态，而不是基于虚假读数。读数仍然超出范围，因此系统将其记录为不合规情况。
127j-由于船在SECA边界120之外，系统将应用更高的范围。该系统的读数再次“良好”，表明该船符合适用于该地区的标准。
127k-当船到达下一个港口(地图外)时，自上次上传以来累积的所有历史数据将从船上存储库传输到中央服务器。
可以向带有排放物采样装置10的船上的用户或执法或政府机构发送关于符合或不符合的通告。
安装选择
图8a-8f示出了船上排放物采样装置10的安装选择的例子。在图8a-8d和8f中，有单个烟囱140，在该烟囱内有多个排气烟管141、143、144、145和146。图8e示出了图8a所示种类的多个烟囱147a和147b。在每个图中，用于安装排放物采样装置10的位置142由方框表示。
图8a和8e示出了正面安装选择，图8d示出了背面安装选择。图8b示出了外侧安装。
图8c示出了除了两个直管141之外还具有弯曲排气烟管144的船。对于弯管144，如图所示的侧支架142将是优选的。
图8f示出了游轮烟囱148的设计，其中多个排气烟管149在“叶片”的端部水平地离开烟囱148。
自主实时监测二氧化硫和二氧化碳的方法
图7示出了自主实时监测船舶废气排放的二氧化硫和二氧化碳的方法。
在第一步中，监测中心30的监测系统接收海船的废气排放分析数据和诊断数据(步骤901)。数据可以以数据阵列的形式发送到监测系统。
废气排放分析数据可以包括：日期、时间、纬度和经度、二氧化硫值、二氧化碳值、气体湿度、气体压力、排放物采样装置10的高度、海船的速度、海船的航向、使用的燃料类型以及与海船废气相关的其他信息。
海船的纬度和经度数据、日期、时间、高度、航向和速度可以提供给GPS系统16。
二氧化硫值和二氧化碳值优选是来自带通过滤器248后面的检测器243的原始检测器值。
气体压力和气体温度优选在具有传感器251的气体吸收单元240的样品室244内获得。
气体湿度由相对湿度传感器250提供。二氧化硫传感器值和二氧化碳传感器值可以由电子驱动器和处理器18根据气体吸收单元240提供的读数计算。气压也可以由气压/温度传感器36提供。
诊断数据可包括：来自排放物采样装置内的温度传感器的壳体温度或热数据、电池电压、TEG电压、地理位置、样气调节、预过滤器或分层过滤器中存在的过滤器压力以及防破坏(tamper)检测计数。
壳体温度由排放物采样装置内的内部气体压力/温度传感器获取，以确定数据中的异常可能是由环境条件引起的，该环境条件使排放物采样装置超出排放物采样装置的热操作公差。
使用内部模数(ADC)转换器测量电池电压和TEG电压，以监测热能收集效率以及电池容量和退化情况。
过滤器压力是对样品抽真空之前和抽真空之后气路中真空压力差的测量，可以示出过滤器堵塞随时间的趋势。气体压力传感器可以存在于分层过滤器34的排气口219或进气口207中。另外，可以使用压力/温度传感器36。
破坏计数指示排放物采样装置10的壳体是否已被移除或打开，并且是光检测器暴露于光下的次数的计数，指示排放物采样装置自制造以来是否已被打开，这将对计数增加后的值产生怀疑。注意，如果防破坏检测计数被触发，数据仍然被收集，但是被标记为可能有缺陷。
注意，没有到船舶数据系统的连接用于数据收集或数据到监测中心30的传输。
提供给监测中心30的数据可以用额外的船舶数据来补充。例如，可以获得中午报告，以提供附加数据，用于理解燃料消耗和在特定燃料消耗期间海船所处或曾经所处的相关天气条件。
诊断数据用于确定排放物采样装置10是否正常工作，排放物采样装置10是否被破坏，或者排放物采样装置10是否应该在设备寿命终止之前被更换。
监测中心30的监测系统提取数据并将数据存储在储存库中(步骤902)。
监测系统然后计算随距离和时间上的碳排放率，并将碳排放率存储在储存库中(步骤903)。
监测系统计算特定位置的燃料水平中的硫排放率，并将硫排放率和海船的特定位置存储在储存库中(步骤904)。
监测系统确定海船的具体位置是否在管制区域中(步骤905)。管制区域是由划定边界的纬度和经度坐标列表限定的。例如，地理围栏可用于确定每个样本是取自任何边界内还是边界外。
如果海船的特定位置在受管制区域内(步骤906)，并且硫排放率在受管制区域的预期范围内(步骤907)，则监测系统向用户发送关于硫排放率在预期范围内以及海船的燃料符合性的通知(步骤908)，并且该方法结束。特定位置的硫含量及其相关限值的计算基于MARPOL附录VI的第14条。
用户可以是海船的所有者、海船的船长或海船上的其他人、海岸警卫队、其他执法人员或监测燃料消耗或环境因素的用户、其他用户。
如果特定位置在受管制区域内(步骤906)并且硫排放率不在受管制区域的预期范围内(步骤907)，则监测系统确定排放物采样装置10是否正常运行(步骤909)。排放物采样装置10的功能可以通过将诊断数据与预定参数内的参考点进行比较来确定。如果监测系统确定排放物采样装置10由于在预定参数之外运行而没有正确运行或者已经被破坏(步骤910)，则将替换的排放物采样装置10发送到海船，并且向用户发送具有计算的硫排放率的通知(步骤911)，并且该方法结束。排放物采样装置的破坏可以通过接收到的破坏计数来确定。
如果特定位置在受管制区域内(步骤906)并且硫排放率不在受管制区域的预期范围内(步骤907)，则监测系统确定二氧化硫排放装置10是否正常运行(步骤909)。如果监测系统确定排放物采样装置10功能正常并且在预定参数内，并且破坏计数没有超过预定量(步骤910)，则向用户发送关于计算的硫排放率和不符合性的通知(步骤912)，并且该方法结束。
如果特定位置不在受管制地带中(步骤906)，则该方法结束。
这里参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的各个方面。将会理解，流程图和/或框图的每个块以及流程图和/或框图中的块的组合可以由计算机可读程序指令来实现。
附图中的流程图和框图说明了根据本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个块可以表示指令的模块、片段或部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，方框中标注的功能可以不按照图中标注的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意到，框图和/或流程图图示中的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由基于专用硬件的系统来实现，该系统执行指定的功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合。
本发明可以是任何可能的集成技术细节级别的系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括其上具有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或介质)，用于使处理器执行本发明的各方面。
用户界面
图12示出了向客户端传送运输数据的示例用户界面。该显示器可以在任何期望的硬件上实现，例如图中所示的平板显示器510。图中的示例显示器分成时间-数据部分512，其具有用于地理位置(纬度/经度)513和时间514的列。可以提供滚动条523，以便以本领域常见的方式在表格中轻松导航。可以提供识别部分515来显示关于船只身份的信息，该信息可以包括图片524和其他信息，例如示例显示屏上的“类型：干散货(Type:Dry Bulk)”注释。还可以提供搜索框516。
地图显示器511示出了在时间-数据部分512上所示的时间间隔期间船只的路径118。选择时间数据条目521中的一个，并且通过地图上的圆圈520示出了当时船只在其路径518上的位置。
该地图还用点划线517表示SECA的边界。要求进港的船只在穿越SECA517边界之前改用低硫燃料。
在这个例子中，船只在转换燃料方面有所延误。在船只处于航线518的虚线部分519期间，它仍然燃烧高硫，这意味着船只在此期间不符合规定。时间数据显示器512上对应于该不合规时段的条目522被突出显示以示出违规的发生。

Claims (15)

1.一种使用排放物采样装置对来自海船的至少一个排气烟管的废气进行自主采样的方法，包括：
计算机，其从排放物采样装置接收废气排放数据和诊断数据，并存储在储存库中；
所述计算机计算随距离和时间变化的碳排放率；
所述计算机计算在所述海船的特定位置由所述海船燃烧的燃料中的硫排放率；
所述计算机确定海船的具体位置是否在管制区域内；
对于受管制区域中的海船的每个特定位置，所述计算机确定计算的硫排放率是否在可接受的范围内；
对于所计算的硫排放率在可接受范围内的受管制区域中的海船的每个特定位置，计算机向用户发送特定位置处的燃料符合性的通知；
对于所计算的硫排放率在可接受范围之外的受管制区域中的海船的每个特定位置，所述计算机确定排放物采样装置是否在预定参数内运行，并且如果排放物采样装置在预定参数内运行，则计算机向用户发送给用户的受管制区域内的计算的硫排放率和不符合性的通知。
2.根据权利要求1所述的方法，其中如果所述排放物采样装置在预定参数之外运行，则所述计算机向用户发送所计算的硫排放率和排放物采样装置故障的通知，并向所述海船发送替换排放物采样装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中废气排放数据包括：日期、时间、纬度和经度、二氧化硫传感器值、二氧化碳传感器值、废气的气体湿度和废气压力。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述废气排放数据还包括所述排放物采样装置的高度、所述海船的速度、所述海船的航向以及所述海船使用的燃料类型。
5.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述排放物采样装置的诊断数据包括所述排放物采样装置的集热器内的温度、所述排放物采样装置的电池电压、所述排放物采样装置的热电发电机电压、所述排放物采样装置的地理位置、所述排放物采样装置的预过滤器或分层过滤器中存在的过滤器压力以及所述排放物采样装置的防破坏检测计数。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述用户是海船的所有者、执法机构、环境监管机构或海船上的其他人。
7.一种用于对来自海船的排气烟管的废气进行采样的排放物采样装置，包括：
预过滤器，其用于从废气中去除颗粒，所述预过滤器包括：第一端和第二端，所述第一端具有在海船的排气烟管中的废气入口；所述第二端具有出口和在废气入口和出口之间的过滤器；
冷凝器元件，其用于冷却废气，所述冷凝器元件具有第一端和第二端，所述第一端在预过滤器的第二端处连接到出口，所述冷凝器元件包括由套筒包围的多孔管；
分层过滤器，其用于从废气中去除颗粒，所述分层过滤器连接到冷凝器元件的第二端，所述分层过滤器包括连接到入口法兰的入口、至少第一垫圈、至少第一过滤器和连接到排气法兰的排气口；
气体吸收单元，其用于确定废气中二氧化硫和二氧化碳水平，所述气体吸收单元具有连接到分层过滤器的排气口的入口和用于从排放物采样装置排出气体的排气出口，所述气体吸收单元具有带有发射器的第一端和第二端，所述第一端带有包括反射器和红外源的发射器，所述第二端具有至少一个检测器和至少两个带通过滤器，其中一个带通过滤器专用于二氧化碳，而另一个带通过滤器专用于二氧化硫，气体吸收单元的第一端和气体吸收单元的第二端被在气体吸收单元的第一端和气体吸收单元的第二端之间延伸长度的样品气体室分隔开；
泵，其用于将来自海船的排气管的废气泵送通过预过滤器、冷凝器元件、分层过滤器、气体吸收单元并排出排气出口；
处理器，其用于从气体吸收单元接收二氧化硫和二氧化碳水平并用于控制泵；和
壳体，其围绕处理器、泵、预过滤器、冷凝器元件、分层过滤器和气体吸收单元。
8.根据权利要求7所述的排放物采样装置，还包括位于所述壳体内并与所述处理器和所述泵连通的电源管理系统和备用电池。
9.根据权利要求8所述的排放物采样装置，进一步包括：
所述海船的排气烟管内的集热器，其包括至少两个热管，所述热管具有由间隔物隔开的多个翼片，用于从排气烟管内的废气中收集热量；
经由热载体连接到集热器的热电发电机；
热载体和热电发电机之间的隔热罩；
散热器，其连接到热电发电机，用于消散从热电发电机和集热器接收的热量；
连接到热电发电机和电源管理系统的连接器，用于接收来自集热器和散热器之间的冷却和散热的电势。
10.根据权利要求9所述的排放物采样装置，其中，所述连接器、所述散热器、所述隔热罩和所述热电发电机由安装到所述排放物采样装置的壳体上的散热器壳体包围。
11.根据权利要求7所述的排放物采样装置，还包括与所述处理器通信的调制解调器。
12.根据权利要求7所述的排放物采样装置，其中在所述分层过滤器的入口法兰和出口法兰之间是第一垫圈、第一过滤器、第二垫圈、第二过滤器、第三垫圈、第三过滤器、第四垫圈和第四过滤器。
13.根据权利要求12所述的排放物采样装置，其中所述第一过滤器从所述废气中过滤10微米的颗粒，所述第二过滤器从所述废气中过滤1微米的颗粒，并且所述第三过滤器从所述废气中过滤0.45微米的颗粒。
14.根据权利要求7所述的排放物采样装置，其中用于二氧化硫的带通过滤器为7.3微米，而用于二氧化碳的带通过滤器为4.45微米。
15.根据权利要求14所述的排放物采样装置，其中所述带通过滤器进一步包括7.85微米的二氧化硫参考过滤器和4.65微米的二氧化碳参考过滤器。
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