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，mg/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。

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：

$ \frac{{{\rm d}C(t)}}{{{\rm d}t}} = - \frac{{Q + CADR}}{V}C(t) + \frac{{{C_0}Q}}{V} + M {\text{，}} $

(1)

对微分方程积分后得到：

$ \begin{split} & {C_{\left( t \right)}} = \\ & \frac{{MV}}{{Q + CADR}} + \left( {{C_{\left( 0 \right)}} - \frac{{MV}}{{Q + CADR}}} \right){\rm{exp}}\left( { - \frac{{Q + CADR}}{V}t} \right) {\text{。}} \end{split} $

(2)

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：

$ C = \frac{{MV}}{{Q + CADR}} {\text{，}} $

(3)

$ M = \frac{{C(Q + CADR)}}{V} {\text{。}} $

(4)

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。

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。

将不同转速对应的油气释放速率代入集总参数模型式（2），可得机舱油气浓度在连续变工况下的油气浓度实时变化规律，与实际气溶胶监测仪测量的油气浓度对比，如图4所示。可以看出，实时油气浓度监测值与集总参数模型预测值的偏差在10%以内，说明根据船舶主机舱的油气释放特性和环境特点，应用集总参数控制模型能较为准确地计算主齿轮机组的实际油气释放速率，对机舱油气实时浓度进行很好的预测。

2.2 机舱油气释放速率的影响因素

带有滑油润滑的旋转机械在运转时，会产生大量的油气，这些油气主要是来自于高温蒸发、离心力作用和气液转化，Gunter和Sutherland^[5]对机械车削机床的油气释放进行过研究，其研究表明转速是影响油气产生的主要因素。本文在试验期间，其主齿轮机组温度和环境参数基本保持不变，通过测试得到不同稳定转速对应的油气释放速率，如图5所示，其拟合曲线表明，油气的释放速率与主齿轮机组输出转速的平方成正比，从理论上分析可知，油气的释放是主机内滑油随着旋转机械进行高速旋转运动，当微小液态油滴所需向心力大于油的粘性力时，就会被甩出进行形成各种粒径的液态气溶胶，由向心力公式F=m（2πN）²r（m为油滴质量；N为转速；r为旋转半径）可知，向心力与转速的平方成正比，随着转速增加，向心力不断增加，被甩出的油滴数量也就会相应增加，因此油气的释放速率与转速的平方成正比关系是有一定的理论依据的。

3 结　语

本文根据船舶机舱主齿轮机组的油气释放特性和环境特点，应用舱室环境集总参数控制模型和稳定转速下的油气平衡浓度实际监测值，计算得到了某典型船舶主齿轮机组在稳定工况下的油气释放速率，并通过对比得到集总参数模型对连续变工况下的机舱油气浓度预测值与实际监测值的偏差在10%以内，说明该方法计算得到的油气释放速率和机舱油气在连续变工况下的预测值相对准确可靠。同时，初步发现并分析了主齿轮机组油气释放速率与输出转速的平方成正比例关系。以上内容对船舶油气净化系统设计和污染控制具有一定的指导意义，下一步将结合机械设备的几何特性、运行工况，进一步研究类似旋转机的油气发生机理。