基于安全稀释法的柴油车CO综合海拔系数研究

陶亮亮，曾艳华，涂云龙，杨桂畅，刘振撼，何 成

(1.西南交通大学 土木工程学院，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)

高海拔铁路隧道施工通风系统对提高作业效率、保障施工人员健康具有重大意义[1-2]。额定功率法具有计算简便的优势,一直是我国铁路隧道施工通风设计的主要方法。近年来,随着高海拔铁路隧道的建设,额定功率法的不足逐步凸显。高海拔铁路隧道施工过程中,作业车辆CO排放增加,CO对人体的毒性提高。采用单一的额定功率法,忽略了CO排放量和控制标准的变化,不能满足高海拔铁路隧道的应用。因此,需要基于安全稀释法重新进行计算,计算结果主要取决于当地海拔下柴油车的CO排放量和浓度控制标准,其中CO排放量通常利用海拔系数进行计算。

国内外相关学者对柴油车辆CO排放量和CO浓度控制标准展开了相关研究。美国西南研究院[3]通过CVS系统稳态测试了怠速工况下自然吸气柴油机和涡轮增压柴油机在海拔240、1 800 m下的CO排放情况,结果表明两种柴油机的高海拔CO排放量分别为低海拔的1.51、1.76倍左右。张仕杰[4]、冯国胜等[5]依托海拔3 600 m的关角隧道,研究了多种型号的挖掘机、装载机和自卸汽车等工程机械在空载和重载两种工况下的CO排放特性,结果表明,部分工况下规范计算的通风量不能满足通风要求;Yin等[6]通过对一辆轻型柴油车在不同海拔怠速工作时车载排放测试,得到在海拔3 200 m处测得的CO浓度是海拔0 m处的2.5倍左右;余林啸[7]利用PEMS系统研究了柴油车辆在不同海拔下实际道路行驶时的排放特性,结果表明在怠速工况和等速工况下,柴油车辆的CO和THC排放均随着海拔高度上升呈现显著增加的趋势。杨立新[8]通过对国内外CO相关标准的调研分析,建议在隧道施工时,将有害气体CO的接触限值分为高原和非高原的情况;王峰等[9]基于人体血红蛋白模型研究了不同海拔隧道施工环境下CO对人体毒性的影响,结果表明,在相同CO浓度条件下,随着海拔高度的增加,CO对人体毒性的作用显著增强,建立了不同海拔高度隧道施工CO浓度控制标准;张世杰[10]通过对低浓度CO环境中不同海拔下汽车驾驶员的神经行为功能研究,建议海拔2 000～3 000 m的CO卫生标准为20 mg/m3,海拔3 000～4 000 m为15 mg/m3。

目前关于高海拔CO浓度控制标准的研究已经基本成熟,而对高海拔柴油车辆CO海拔系数的研究则较为欠缺。以往的排放测试多仅在某个特定海拔点进行,未总结出一套方便计算的柴油车CO海拔系数计算公式。当前我国施工通风设计中柴油车辆CO海拔系数通常按汽油车辆CO海拔系数取值,但由于柴油发动机与汽油发动机工作原理不同,排放水平差异较大,因此直接将汽油车辆CO海拔系数公式运用于高海拔隧道施工通风计算是欠妥的。此外,由于所取的海拔系数仅考虑了CO排放量的增加,未考虑CO浓度控制标准随海拔的变化,这并不适合直接用于施工通风需风量计算。

为此,本文基于安全稀释法,对柴油车的多海拔测试及理论分析,提出同时考虑CO排放及浓度控制标准变化的柴油车CO综合海拔系数,从而为高海拔隧道铁路施工通风需风量准确高效计算提供依据。

1 基于安全稀释法的需风量计算

安全稀释法的原理是通过输入足够的新鲜风量,将主要作业地点设备产生的污染物稀释至允许浓度,需风量[4]计算式为

Q=AqCi/[Ti]

(1)

式中:Q为稀释污染物的通风量;A为安全系数;q为柴油车废气排放率;Ci为第i项污染物排放浓度;qCi即为柴油车CO体积排放率;[Ti]为CO允许浓度。

将式( 1 )中柴油车CO体积排放率转换为CO质量排放率后,再乘上CO海拔系数后,即可得到高海拔隧道稀释柴油车CO需风量为

Q=Agfh∑N/[T]

(2)

式中:fh为CO海拔高度系数;h为海拔高度;g为柴油车CO比排放;∑N为洞内同时作业的柴油机额定功率总和。

当CO比排放设计值、CO允许浓度和安全系数确定后,即可得到单位功率需风量k为

k=Ag/[T]

(3)

我国当前高海拔隧道无轨运输施工需风量主要采用柴油机额定功率法进行计算,即

Q=kfh∑N

(4)

JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》[11]中规定,采用内燃机械作业时,k值不宜小于4.5 m3/(kW·min),TB 10204—2002《铁路隧道施工规范》[12]中规定,采用内燃机械作业时,k值一般取3 m3/(kW·min),该指标执行的是50 ppm(62.5 mg/m3)的卫生标准和较高的比排放设计值。式( 4 )中柴油车CO海拔高度系数按DL/T 5099—1999《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》[13]规范进行取值,即

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

(5)

然而,式( 5 )沿用了JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[14]中汽油车辆CO海拔系数的拟合计算公式。柴油与汽油发动机工作原理差异较大,对于主要使用柴油机械施工的高海拔隧道来说,将柴油车与汽油车的CO海拔高度系数取为一致显然不合理。此外,由于单位功率柴油机设备需风量为定值,忽略了CO对人体毒性随海拔高度增强而导致的CO浓度控制标准的变化。因此,需要进行柴油车辆多海拔排放测试,即对式( 5 )进行修正,且需风量指标也需要基于安全稀释法重新进行计算。

2 柴油车CO海拔系数测试

2.1 现场测试

本文测试了某东风牌柴油货车在不同海拔高度下(590～4 220 m)发动机的CO排放量,现场测试路线从成都市某街道沿318国道至新都桥,测试点具体海拔为590、1 070、1 430、1 952、2 408、3 172、3 448、3 960、4 220 m。测试仪器包括:成都弥荣气象站、浙大鸣泉ML-100尾气流量分析仪、鸣泉五气分析仪、MQY-200不透光烟度计和发电机,另外配有1套标定气体(对仪器校准)和1套采样管路(用于仪器件)。测试数据包括:环境温度、压强、尾气流量、CO浓度等,测试系统见图1。

测试时将五气分析仪取样管插入汽车排气管内40 cm,抽取车辆排出的少量尾气,测出尾气中CO的浓度。剩余的全部尾气利用风机抽取,通过气体采集软管与空气混合并全部抽进流量测量气管。在每个海拔点测试前,排放分析仪均用标准气体进行零点和满量程点标定,以保证仪器的测试精度。

现场采用怠速法进行测试,测试前发动机从怠速逐渐加速到中速持续5 s以上,随后降至怠速。现场采用连续测量的方法,每次测试持续180 s以上,每1 s采样一次。每个海拔测试点测量3次,取3次测试稳定阶段的平均值作为该海拔下CO排放量。

2.2 数据分析

将在不同海拔下所测混合气体流量转换成标准状态下流量为

(6)

式中:QS为折合到标准状态下流量计的流量;Qmix为流量分析仪测量的气体流量;Pmix为流量分析仪测量的压力;P0为标准大气压101 325 Pa;T0为标准状态的温度273.15 K;tmix为流量分析仪测量的温度。

利用测得的氧气浓度可得尾气稀释系数K为

(7)

式中:Oa为空气中氧气浓度;Of为流量计中氧气浓度;Ot为尾气管中氧气浓度。

尾气中单位时间的CO质量排放量Mt可表示为

Mt=QS×K×C×10-6×ρ×360

(8)

式中:C为五气分析仪测得的CO的浓度;ρ为CO标准状态下的密度,取1.25 g/L。

对各海拔CO排放量进行分析计算,测试结果见表1,其拟合曲线见图2。由表1可知,随着海拔升高,柴油车标准流量降低。柴油车CO浓度随着海拔增高而增大;当海拔为3 172 m时,柴油车释放的CO浓度约为平原地区(海拔590 m)的2倍。由图2可知,随着海拔升高柴油车CO排放量明显增加。根据实测点的各海拔高度值和对应的CO质量排放量数据,利用回归分析法,可得到柴油车CO质量排放量与海拔高度的关系式为

表1 实测CO质量排放量

图2 CO质量排放量拟合曲线

y=0.003 9h+10.696

(9)

根据式( 9 )计算出各海拔下CO拟合质量排放量。将柴油车在海拔400 m处的CO质量排放量记为Q400,大于400 m处的CO排放量记为Qi,则海拔标高i处的海拔高度系数fh=Qi/Q400。

海拔高度实测和规范系数值的对比结果见表2和图3。

表2 CO海拔系数对比

由表2可知,当前规范中所采用的CO海拔系数偏大,海拔3 000 m处实测CO高度系数值较规范值小25.61%。海拔4 000 m处实测CO高度系数值较规范值减小28.81%。因此,对于海拔3 000 m以上的隧道工程施工通风设计,可以适当减小CO海拔高度系数,缩减比例为25%～30%。

3 CO综合海拔系数

柴油机单位功率需风量k取定值的方法,我国自20世纪90年代便开始使用。虽然计算简便,但却忽略了车辆CO排放量和高海拔卫生标准改变而导致的单位功率需风量变化。对于高海拔隧道,一方面由于人体耐受能力下降,CO控制浓度值降低,将提高单位功率稀释CO的需风量;另一方面,由于柴油发动机技术的进步,会显著降低车辆的CO基准排放量,降低单位功率稀释CO的需风量。故高海拔隧道施工需要根据安全稀释法调整相关系数,从而得到符合实际的施工需风量设计值。

基于本次试验实测值,以及文献[4,7]中实测的柴油车辆CO比排放值,可知柴油车CO实际比排放一般维持在2 g/(kW·h)以下,远小于额定功率法所采用的比排放设计限值7.5 g/(kW·h)。我国GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》[15]中Ⅲ瞬态排放限值最大,为5.45 g/(kW·h)。GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[16]在该基础上增加了整车实际道路车载法排放试验,CO比排放限值为6 g/(kW·h)。考虑发动机台架试验排放值会小于实车运行时的排放量,偏安全考虑,采用国Ⅵ给出的整车CO排放值6 g/(kW·h)作为CO的比排放设计值。

GBZ 2—2002《工作场所有害因素职业接触限值》[17]规定CO浓度标准的取值:海拔小于2 000 m,取30 mg/m3;海拔在2 000～3 000 m之间,取20 mg/m3;海拔大于或等于3 000 m,取15 mg/m3。我国最新的公路隧道施工技术规范与该值取为一致,铁路规范则自20世纪90年代一直没有更新。本文按职业接触限值中的控制标准进行设计。考虑到本文中采用了较为严格的CO浓度控制标准和较高的比排放设计值,安全系数取1.0。则海拔3 000 m地区,基于安全稀释法计算的柴油机单位功率需风量Q=Agfh/[Ti]=12.2 m3/(kW·min)。对其他海拔进行相同的计算,按水工规范计算的需风量和基于安全稀释法计算的需风量结果见图4。

图4 基于安全稀释法的计算需风量

考虑到安全稀释法中稀释柴油车辆CO需风量受CO海拔系数和CO浓度控制标准共同影响,计算较为复杂。为方便进行施工通风设计,可仍采用文献[12]的需风量指标3 m3/(kW·min)作为基准值,将安全稀释法计算出的需风量与基准值的比值作为综合海拔系数,表达式为

Fh=gfh/3[Ti]

(10)

根据计算,得出CO综合海拔系数见图5。

当海拔h在区间[0,2 000)时,满足

Fh=0.000 36h+0.969

(11)

当海拔h在区间[2 000,3 000)时,满足

Fh=0.000 53h+1.455

(12)

当海拔h在区间[3 000,5 000)时,满足

Fh=0.000 71h+1.939

(13)

该综合海拔系数在考虑柴油机械CO排放增加的同时考虑CO浓度控制标准的变化。因此,在进行高海拔隧道施工通风稀释CO需风量计算时,可直接将设计点的海拔高度值直接代入对应的综合海拔高度计算式中,再乘上3 m3/(kW·min)和隧道内施工机械的总功率即可得到设计海拔高度处稀释CO需风量。

4 安装DOC净化器的需风量

根据计算结果可知,如果对海拔大于或等于3 000 m的地区采用15 mg/m3作为CO浓度控制标准,基于安全稀释法计算通风量可达平原地区风量的4倍左右。如果仅通过通风措施稀释CO浓度,会增大施工通风成本。因此有必要研究安装柴油机尾气净化器(diesel oxidation catalyst, DOC)对CO进行净化,降低隧道内的CO排放量,从而降低需风量降低施工通风成本。

尾气催化氧化器安装在发动机排气管路中,以陶瓷或金属材料作为载体,采用催化氧化原理降低尾气中碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和颗粒物(PM)等的化学反应的活化能,使这些物质能与排气中的氧气在较低的温度下进行氧化反应,转化为CO2和H2O排出,从而降低污染物排放量。

根据文献[18]中对5种DOC处理器的实测表明,不同类型DOC对NOx、CO和HC转化效率均在80%以上。文献[19]中的实测表明,安装DOC后对发动机扭矩影响较小,即处理装置对发动机动力性能基本无影响。同时DOC氧化催化器还具有背压小的特点,安装后基本不会影响发动机的功率,适用于高海拔隧道。DOC净化效率分别为80%和60%的单位功率柴油机设备的各海拔需风量见表3。

表3 施工通风设计需风量

由表3可知,对于海拔低于3 000 m的地区,基于安全稀释法计算的需风量与规范计算需风量相差不大,可选择不安装DOC尾气处理器。对于海拔大于3 000 m的地区,为达到15 mg/m3的CO浓度控制标准,不安装DOC需风量最高可达规范计算通风量的1.66倍,通风的设备成本和运营成本将极大提高。如果安装DOC尾气处理器,在净化效率达到80%的前提下,海拔5 000 m的计算需风量可降至3.3 m3/(kW·min)。在净化效率仅达到60%的情况下,基于安全稀释法计算的海拔5 000 m处的计算需风量也只有6.59 m3/(kW·min),在此风量下即可达到15 mg/m3的CO浓度控制标准。因此,建议在高海拔隧道施工柴油机械上安装DOC尾气处理器,降低隧道内柴油车CO排放量,从而降低设计需风量,达到通风量不显著增加的目的。

5 结论

通过现场实验和理论推导对高海拔隧道施工通风需风量计算方法和计算参数展开研究,得出以下结论:

1)柴油车CO浓度随着海拔增高而增大;当海拔为3 172 m时,柴油车释放的CO浓度约为平原地区(海拔590 m)的2倍。

2)通过现场多海拔连续测试,得出了柴油车辆CO海拔高度系数fh,海拔3 000 m处实测值比规范值小25%左右。

3)基于安全稀释法对现有额定功率法计算的施工通风需风量进行了修正,在海拔3 000 m以上计算需风量增加了50%～60%。

4)为简便计算,提出了同时考虑CO排放和控制标准变化的综合海拔系数,基于测试结果提出了不同海拔区间柴油车CO综合海拔系数计算模型。

5)综合海拔系数模型根据海拔高度共分为3段,在进行施工通风设计时,只需在3 m3/(kW·min)的基础上乘上对应的综合海拔系数即可得到单位功率计算需风量。

6)对比DOC处理前后的计算需风量,推荐在海拔大于3 000 m以上区域应用DOC尾气处理器,从而降低施工通风成本。