一种船舶排气污染物检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种船舶排气污染物检测系统及方法，该系统包括：工控计算机、数据采集设备、传感器装置、定位数据接收终端、气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计。数据采集设备采集发动机转速、排气温度和油门开度信号，传送给工控计算机；工控计算机接收定位数据接收终端、气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计的信息；工控计算机对测得的船舶排放数据进行整理，得到不同工况下排放污染物瞬时排放浓度、船舶排气流量、不同排放物的排放量、发动机的瞬时驱动功率，并得到该船的基于船舶驱动功率、基于燃油消耗量或基于航行里程的排放因子，实现在船上对尾气排放物进行准确实时在线检测分析。

A detection system and method of marine exhaust pollutants

【技术实现步骤摘要】
一种船舶排气污染物检测系统及方法
本专利技术涉及船舶排放检测领域，特别涉及一种船舶排气污染物检测系统及方法。
技术介绍
近些年，国家高度重视大气污染防治工作，随着移动源污染防治攻坚行动实施，我国陆上移动源排放日趋下降，船舶污染排放日益受到重视，由于船舶排放法规和燃料质量标准落后于机动车，因此船舶排放控制的必要性和紧迫性日益凸显。船舶内燃机尾气排放物包括气态物和颗粒物两类，主要为二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、碳氢化合物(HC)和颗粒物(PM)，对于船舶柴油机，NOx、PM和SO2是船舶尾气排放中的主要污染物。目前，船舶排放检测设备大致可分为三类，第一类是烟羽接触式的监测仪，即采用固定安装的采样探头，当船经过时，采样探头接触到船舶排放烟气进行采样检测，所以检测效率不高；第二类是基于光学原理的遥感检测设备，采用红外或紫外光谱仪，检测结果较准确，但受气象条件影响比较大；第三类是船舶在线检测系统，采用排放分析仪直接通过探头从排气管路取样，实现在船上对尾气排放物进行实时在线检测分析，这种检测方法最直接，检测结果更加准确，是最科学的船舶排放检测评价方法。船舶运输支撑着绝大部分的全球国际贸易，船舶排放也是环境污染的重要来源，因此对船舶排放的评估是环境保护研究的重要课题。以往常用的船舶排放清单研究方法是基于燃油消耗量进行估算，尤其是针对NOx排放评估。基于燃油消耗的船舶排放估算有两种方法：一是基于船舶载重量估算燃油消耗量，即利用船舶的航行距离和船舶种类(船舶大小、年限、发动机类型、功率大小、燃油供给方式等)，并结合对应的燃油消耗率估算污染物排放量；另一种方法是直接调查统计燃油的销售量(油品和型号)，用燃油消耗量乘以污染物的排放因子(基于单位质量燃油消耗量的排放因子g/kg)获得船舶排放清单。值得注意的是，基于燃油消耗量计算船舶排放清单，需要多方面的统计数据，如船舶类型、载重量、航行距离、燃油消耗率、排放因子等，这些大多是统计数据，不确定性因素很多，计算结果会存在很大的差异。因此如何提供一种准确的实时在线船舶排气污染物检测系统或方法，成为亟待解决的问题。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术提供一种至少解决上述部分技术问题的船舶排气污染物检测系统及方法，该系统采用排放分析仪、排气流量计及传感器装置对尾气排放进行测试分析，直接从排气管路取样，实现在船上对尾气排放物进行实时在线检测分析。第一方面，本专利技术实施例提供一种船舶排气污染物检测系统，包括：工控计算机、数据采集设备、传感器装置、定位数据接收终端、气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计；其中，所述工控计算机与所述数据采集设备、定位数据接收终端、气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计连接，用于对采集数据进行计算、处理和结果显示；所述气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计分别依次安装在发动机的排气管路上；所述传感器装置包括：发动机油门开度传感器、发动机转速传感器和发动机排气温度传感器；所述发动机油门开度传感器与发动机油量控制执行机构连接；所述发动机转速传感器安装在飞轮壳体上，检测飞轮齿盘的角位移计算发动机转速；所述发动机排气温度传感器安装在所述排气管路上；所述数据采集设备分别与所述发动机油门开度传感器、发动机转速传感器和发动机排气温度传感器连接。进一步地，所述数据采集设备采用MC9S12DP256单片机，采集发动机油门开度传感器、发动机转速传感器和发动机排气温度传感器信号，并通过CAN总线与所述工控计算机连接。另外，若为电控发动机时，可由电控单元ECU采集发动机油门开度传感器、发动机转速传感器和发动机排气温度传感器信号，通过CAN通讯将发动机油门开度、转速和排气温度信息传送给工控计算机。进一步地，所述气态污染物排放分析仪包括：不分光红外线分析原理的检测器，用于测量CO和CO2浓度；加热型氢火焰离子检测器，用于测量THC总碳氢化合物浓度；化学发光分析仪或不分光紫外分析仪，用于测量NO和NO2浓度；电化学分析仪，用于测量O2浓度。进一步地，所述颗粒物排放分析仪，采用微震荡天平、声光法或颗粒物荷电法原理的测试设备，用于测量颗粒物排放数量和质量。进一步地，所述排气流量计为皮托管压差式流量计，由总压探头和静压探头组成，分别测量排气总压和静压，根据压差计算排气流量。第二方面，本专利技术还提供一种船舶排气污染物检测方法，包括：1)通过气态污染物排放分析仪和颗粒物排放分析仪测量排气污染物浓度；2)通过排气流量计测量船舶发动机排气流量；3)根据(1)和(2)计算排气污染物排放速率；当污染物为CO、NOx、SO2、HC和PM时，排气污染物排放速率单位为g/s；当所述污染物为PN时，PN排放速率单位为#/s，为每秒排放个数；按照式(1)对排气污染物的瞬时排放质量或数量进行计算：(1)式中：为排气污染物i的排放速率，g/s或#/s；为排气流量，L/s；ρi为污染物i的密度，g/L或#/L；Ci为污染物i的体积浓度；气态污染物的瞬时排放质量g/s，按下列公式计算，假设排气在273K和101.3kPa下的密度为1.293kg/m3：(2)-(4)式中：和为各气态污染物瞬时排放量，g/s；CNO、CCO和CHC为原始排气中各气态污染物瞬时湿基浓度，ppm；kHC为不同燃料类型取值，柴油、LPG和NG分别取值为0.000479、0.000502和0.000516；为瞬时排气流量，kg/h；4)利用碳平衡法计算船舶发动机瞬态油耗，如式(5)所示；(5)式中，为燃油瞬时流量，单位为g/s；为HC排放率，单位为g/s；为CO排放率，单位为g/s；为CO2排放率，单位为g/s；MC、MCO和分别为C、CO和CO2的摩尔质量；RCWF、RCWFHC分别为燃料和主机排气的碳平衡系数，均取0.862；5)通过发动机转速传感器和发动机油门开度传感器，获取发动机转速和油门开度，计算船舶行驶的当前驱动功率，发动机额定功率与额定转速存在如下关系：(6)式中，Pp为船舶发动机额定功率，kW；np为船舶发动机额定转速，r/min；Cp为与发动机额定转速和额定功率有关的参数，为常数；通过检测发动机油门开度，计算发动机的负荷率li，船舶的瞬时功率与发动机转速的关系如下：(7)式中，Pi为船舶发动机瞬时驱动功率，单位为kW；ni为船舶发动机瞬时转速，单位为r/min；li为负荷率；6)根据(1)和(7)式计算排气污染物的单位功率排放量，对于CO、NOx、SO2、HC和PM，单位为g/kW.h；对于PN，为单位功率排放个数，单位为#/kW.h；计算公式如下：(8)式中：mpi为污染物i的单位功率排放质量或数量，单位为g/kW.h或#/kW.h本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船舶排气污染物检测系统，其特征在于，包括：工控计算机、数据采集设备、传感器装置、定位数据接收终端、气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计；/n其中，所述工控计算机与所述数据采集设备、定位数据接收终端、气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计连接，用于对采集数据进行计算、处理和结果显示；所述气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计分别依次安装在发动机的排气管路上；/n所述传感器装置包括：发动机油门开度传感器、发动机转速传感器和发动机排气温度传感器；所述发动机油门开度传感器与发动机油量控制执行机构连接；所述发动机转速传感器安装在飞轮壳体上，检测飞轮齿盘的角位移计算发动机转速；所述发动机排气温度传感器安装在所述排气管路上；/n所述数据采集设备分别与所述发动机油门开度传感器、发动机转速传感器和发动机排气温度传感器连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种船舶排气污染物检测系统，其特征在于，包括：工控计算机、数据采集设备、传感器装置、定位数据接收终端、气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计；
其中，所述工控计算机与所述数据采集设备、定位数据接收终端、气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计连接，用于对采集数据进行计算、处理和结果显示；所述气态污染物排放分析仪、颗粒物排放分析仪及排气流量计分别依次安装在发动机的排气管路上；
所述传感器装置包括：发动机油门开度传感器、发动机转速传感器和发动机排气温度传感器；所述发动机油门开度传感器与发动机油量控制执行机构连接；所述发动机转速传感器安装在飞轮壳体上，检测飞轮齿盘的角位移计算发动机转速；所述发动机排气温度传感器安装在所述排气管路上；
所述数据采集设备分别与所述发动机油门开度传感器、发动机转速传感器和发动机排气温度传感器连接。


2.如权利要求1所述的一种船舶排气污染物检测系统，其特征在于，所述数据采集设备采用MC9S12DP256单片机，采集发动机油门开度传感器、发动机转速传感器和发动机排气温度传感器信号，并通过CAN总线与所述工控计算机连接。


3.如权利要求1所述的一种船舶排气污染物检测系统，其特征在于，所述气态污染物排放分析仪包括：
不分光红外线分析原理的检测器，用于测量CO和CO2浓度；
加热型氢火焰离子检测器，用于测量THC总碳氢化合物浓度；
化学发光分析仪或不分光紫外分析仪，用于测量NO和NO2浓度；
电化学分析仪，用于测量O2浓度。


4.如权利要求1所述的一种船舶排气污染物检测系统，其特征在于，所述颗粒物排放分析仪，采用微震荡天平、声光法或颗粒物荷电法原理的测试设备，用于测量颗粒物排放数量和质量。


5.如权利要求1所述的一种船舶排气污染物检测系统，其特征在于，所述排气流量计为皮托管压差式流量计，由总压探头和静压探头组成，分别测量排气总压和静压，根据压差计算排气流量。


6.一种船舶排气污染物检测方法，其特征在于，包括：
1)通过气态污染物排放分析仪和颗粒物排放分析仪测量排气污染物浓度；
2)通过排气流量计测量船舶发动机排气流量；
3)根据(1)和(2)计算排气污染物排放速率；当污染物为CO、NOx、SO2、HC和PM时，排气污染物排放速率单位为g/s；当所述污染物为PN时，PN排放速率单位为#/s，为每秒排放个数；
按照式(1)对排气污染物的瞬时排放质量或数量进行计算：



(1)式中：为排气污染物i的排放速率，g/s或#/s；为排气流量，L/s；ρi为污染物i的密度，g/L或#/L；Ci为污染物i的体积浓度；
气态污染物的瞬时排放质量g/s，按下列公式计算，假设排气在273K和101.3kPa下的密度为1.293kg/m3：









(2)-(4)式中：和为各气态污染物瞬时排放量，g/s；

【专利技术属性】
技术研发人员：郝利君，尹航，马冬，王军方，丁焰，谭建伟，王欣，葛蕴珊，
申请(专利权)人：北京理工大学，中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11