0 引 言

船舶系统存在着大量的机械设备，如主机系统、汽轮机、水泵等设备，需要应用机油对机械设备进行润滑、冷却和调速。在高温环境和高速旋转工况下，机油会释放出大量的油气，在船舶狭小的机舱内，会严重影响机舱内的空气品质[1]。随着船舶设计、建造和使用水平的不断提高，对船舶机舱的油气污染控制提出了更高的要求，需要对机舱的油气释放特性和净化方法进行深入研究[2–3]。

近年来，我国的研究人员针对船舶机舱的油气污染开展了一些研究工作，如组织了机舱空气组分定性定量实测[1–2]，研究了船舶汽轮机油挥发物的组成特征[3]，分析了油气污染的传播特性[4]等。但是，针对机舱内系统设备在运行时释放油气的特性研究相对较为薄弱，尤其是对不同运行工况下，油气释放速率变化规律的研究。

船舶机舱中的油气主要是以气溶胶形式存在，本文采用环境监测领域广泛应用的气溶胶监测仪，对某船主机舱空气中油气浓度进行监测，分析不同转速工况下的舱室环境油气浓度变化规律，再根据舱室油气质量平衡方程和净化系统配置，推算主机的油气释放速率，研究不同转速工况下的油气释放速率。

1 研究方法

1.1测量原理

由于船舶机舱内存在着相应的空气净化装置和通风管，其气溶胶监测仪所测定的油气浓度是油气释放、二次反应、净化和通风等因素共同作用后的油气浓度，假定系统运行期间，机舱油气呈均匀分布状态，舱室污染控制系统简化模型如图1 所示。

图 1 船舶机舱油气控制简化模型Fig. 1 Simplified model of oil and gas control in ship engine room

图中，C0为外界大气污染物浓度，mg/m3；C（t）为t 时刻舱室污染物浓度，mg/m3；V 为舱室空气净容积，m3；Q 为送风（排风）风量，m3/h；M 为给定工况下舱室污染源单位体积释放强度，m g/h/m3；CADR 为净化设备洁净空气量，m3/h。

机舱油气浓度实测数据如图2 所示，当主齿轮机组转速稳定时，油气释放强度恒定，整个机舱油气浓度会达到平衡状态；在油气的释放过程中，各粒径范围内的油气浓度保持稳定，说明油气在机舱中并不发生二次反应和转化。

图 2 船舶主机舱油气实测浓度分布Fig. 2 Oil and gas measured concentration distribution in the main engine compartment of the ship

据上述推论和船舶机舱环境实际特点，可对油气控制模型进行简化处理：1）机械动力系统转速稳定时，油气释放强度恒定；2）除设备净化和通风排出外，不发生二次反应、转化；3）舱室内的油气分布均匀；4）外界大气为洁净大气，即C0=0。根据质量守恒，舱室油气浓度变化量等于释放量减去消除量，可得集总参数模型：

对微分方程积分后得到：

当舱室处于通风工况时，机械设备在一定时间内保持

工况不变，此时平衡浓度C、油气释放强度M 分别为：

故在通风工况下，根据通风风量、净化设备洁净空气量和机舱污染物平衡浓度，可得到主齿轮机组的油气释放速率。

1.2测量方法

本文以交付船东使用1 年后的某型船主机舱室为研究对象，该主机舱内的主齿轮机组是舱室内唯一的油气释放源。风机盘管送排风口位于舱室内且分布均匀，在通风工况下，仅用于该舱室的降温除湿，盘管内不含空气净化模块，但是可以保证舱室的油气扩散处于均匀状态，舱室内的新风系统在通风工况下打开，其净化风量为3 000 m3/h。

为获取舱室油气释放速率，船舶在稳定状态下正常航行，主齿轮机组的输出转速依次稳定在75/110/145/170/200 r/min，舱室通风处于受控状态，应用气溶胶监测仪不间断监测主机舱室的油气浓度实时变化。应用TSI8533 型气溶胶检测仪对油气浓度进行连续检测，如图3 所示，该监测仪由数据记录系统和光散射激光光度计组成，可以给出实时的油气浓度读数，可同时测量和显示多个粒径的油气质量浓度和计数个数。

图 3 TSI8533 型气溶胶监测仪Fig. 3 TSI8533 aerosol monitor

2 结果及分析

2.1机舱油气释放速率

由实际船舶设计及运行参数显示，该型船的主机舱舱容体积为500 m3，其综合净化风量Q+CADR=3 000 m3/h。测试期间，舱室内空气的温度为25 ℃±2 ℃，相对湿度为50%±5%，压力为102.9 kPa。根据1.1 节的测量原理可知，当主机处于稳定转速时，可根据公式（4）计算主齿轮机组的油气释放速率。试验中依次提高主机转速，分别在75/110/145/170/200 r/min 转速下稳定航行，对各转速下的油气平衡计重浓度进行监测，得到5 种转速对应的油气释放速率，如表1 所示。