2016, Vol. 37
2. 南开大学环境科学与工程学院国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室, 天津 300071
2. State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution Prevention and Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China
机场是城市的重要组成部分.机场区域主要以飞机的起飞、着落活动为主.民航大型客机的发动机，以航空煤油为燃料，燃烧后会排放NOx、SO2、CO、HC (unburned hydrocarbons，未燃碳氢化合物)、颗粒物等大气污染物.其中，NOx、SO2、HC等是大气二次气溶胶粒子的重要前体物，对区域的能见度下降和霾的形成都有重要影响. CO、NOx是生成O3和形成光化学污染的最主要的前体物[1~5].相对于高空巡航阶段，飞机在机场区域飞行高度低(1 000 m以下)，特别是起飞过程，发动机处于最大推力状态，且耗油量大，可对人体健康和城市大气环境产生更重要的影响[6~11].
但目前，关于我国民航飞行活动的污染排放研究很少[12~18].其中，仅有夏卿等[12]、黄清凤等[13]对我国机场区域飞机活动排放的大气污染物进行过研究，并且在研究中多使用国际民航组织(ICAO)的基准排放模型.该模型是基于固定的飞行参数及排放指数进行估算.而实际运行中，随着起飞高度的变化，空气密度、温度也将改变，进而导致飞行参数和排放指数的变化.并且基准模型所使用的飞行时间是基于70年代机型起降时间统计而来，与当前使用的主流机型飞行时间差异大，导致估算结果存在较大偏差[17~19].
当前，我国内地运行的飞机以客机为主.截止2014年，客机的总架数为2 198架.其中，波音737-800(B737-800)是数量最高的机型，达686架，比例超过30%[20].在北上广深机场中B737系列机型的起降数量约在40%左右[21].因此，本研究选择了B737-800机型作为典型机型，模拟其在多种不同起飞方式下的飞行参数，并对每一飞行时刻的排放指数进行修正，精确计算起飞离场(飞至1 000 m高度)过程的污染物排放量，并与ICAO基准排放模型的估算结果进行对比，以期为制定民航机场污染物排放清单和民航节能减排提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 飞机发动机基准排放模型ICAO基准模型将飞机在机场区域的起降活动，分为起飞、爬升、进近着陆及滑行等4个飞行阶段，称LTO循环.这个过程中大气污染物排放量，依据下式进行估算，即基准排放模型[17].
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(1) |
式中，Ej为j类污染物的排放量，kg；n为发动机台数，台；ti为第i个飞行阶段的飞行时间，s；FFi为第i飞行阶段下的单发燃油流量，kg ·s-1；EIji为污染物j在第i飞行阶段的排放指数，g ·kg-1.
根据ICAO规定，商业发动机厂商为了取得生产资格证，需在海平面国际标准大气(International Standard Atmosphere，ISA)的基准条件下，对发动机处于100%、85%、30%和7%额定推力时(对应起飞、爬升、进近着陆及滑行阶段)，CO、HC、NOx等污染物的排放进行台架实验，测量计算各种基准排放数据，如排放指数EI (emission index，燃烧单位燃油的污染物排放量)、燃油流量FF (fuel flow，单位时间耗油量)等.
以此为基础，形成了ICAO的发动机排放数据库(Engine Emission Data Bank，EEDB)[22].对于B737-800机型常见的选装发动机型号为CFM56-7B26，在EEDB数据库中对应的基准排放数据如表 1.目前大型涡扇飞机大多数使用JET A-1型号航空煤油，具有国际统一标准，含硫量相对稳定，因此SO2排放指数采用文献[23]中数据.
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表 1 CFM56-7B26发动机基准排放数据 Table 1 Standard emission parameters of CFM56-7B26 |
1.2 真实飞行参数模拟
飞机起飞过程是指从跑道头开始，起飞滑跑并爬升至离地面1 000 m的飞行过程.真实条件下，起飞方式包括全推力正常起飞和减推力起飞.正常起飞时，飞机发动机推力为最大推力状态.而当飞机重量较低时，可以使用略小的推力起飞，即减推力起飞.灵活温度方法是目前大型民航飞机最常见的减推力起飞方式，即在发动机设置中选择一个更高的温度参数，来减小发动机的推力[24].通过减推力起飞，可以延长发动机部件寿命、提高运行可靠性，并降低发动机噪音，目前已广泛推广使用该起飞方式.
选择不同的起飞方式，飞行参数不同.并且随着起飞爬升过程，高度升高，温度、气压发生变化，每一时刻的飞行参数也发生改变，最终影响污染排放量.通过飞机制造商的飞机性能软件，可以准确计算不同条件下的飞行参数.因此，本研究使用波音公司BCOP (Boeing Climbout Program)软件，计算飞机的起飞离场参数，包括起飞各个时刻点上的地面距离、几何高度、气压高度、温度、马赫数、燃油流量、总推力等.软件所选计算条件为飞机型号: B737-800；发动机型号: CFM56-7B26；外界温度: 20℃；起飞方式:全推力正常起飞和减推力起飞(灵活温度: 30、40、50、60℃).
1.3 排放指数修正方法在排放的污染物中，SO2只与耗油消耗量成正比，与其他参数无关，排放指数EI不需修正.而对于NOx、CO和HC等污染物的实际排放指数，需要根据燃油流量、飞行高度、空气密度等参数的改变而进行修正.因此为精确计算排放量，则需要考虑不同时刻的飞行参数、外接大气环境条件的影响.参考ICAO的BM2(Boeing Method 2)模型[25]，首先需要将BCOP计算得到的飞机某时刻的实际燃油流量Wf换算成基准条件(ISA、0m)下的修正燃油流量FF0，即:
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(2) |
式中，Wf为BCOP软件计算实际燃油流量，kg ·s-1；δ为外界温度与ISA、海平面的压强P0之比，无量纲；θ为外界温度与288 K之比，无量纲；M为飞行马赫数大小，无量纲.
由表 1可知，不同飞行阶段(发动机不同推力)，当燃油流量改变后，排放指数也发生改变.因此，对表 1中的燃油流量与基准排放指数进行分段线性拟合.再将式(2)计算出的修正燃油流量FF0代入计算，即可获得出各污染物在当前燃油流量下的基准排放指数EI0.最后，使用式(3)用于HC和CO、式(4)用于NOx，将基准排放指数转换为考虑实际飞行参数和大气环境条件影响的修正后的实际排放指数，用于排放量估算.
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(3) |
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(4) |
式中，j为污染物种类；EIj为污染物j的实际排放指数，g ·kg-1；EIj0为污染物j的基准排放指数，g ·kg-1；ϕ为大气相对湿度，%；Pv为饱和蒸气压，Pa.
1.4 排放量计算及软件实现通过运行BCOP软件，得到每一时刻的飞机起飞离场飞行参数，然后将其作为污染物排放量计算软件的输入源.通过调用研究组开发的污染物排放量计算软件，可实现对每一时刻各种污染物的排放指数、排放量的实时计算，以及全部起飞离场阶段污染物排放总量的积分计算.
计算软件依据文中的计算模型，采用Visual C工具进行开发，实现对污染物排放量的计算，主要功能包括: BCOP性能软件结算结果加载、ICAO基准排放数据加载、排放指数修正、排放量计算及结果输出等模块.计算软件界面如图 1所示.
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图 1 污染物排放量计算软件 Fig. 1 User interface of Aircraft emission calculation software |
全推力及多种减推力起飞方式下的全发(双发)推力情况见图 2.全推力正常起飞条件下，发动机的推力最高.而在采取了减推力起飞过程中，选取的灵活温度越高，发动机推力越低.在大约360 m高度时，所有起飞方式下的发动机设置，将由起飞推力改为最大爬升推力(maximum climb thrust，MCL)，推力值发生了一定改变.对于全推力起飞方式，在此高度推力会降低.而对于40、50和60℃等3种减推力起飞方式，此时改为MCL推力后，推力值相应增大.之后，所有起飞方式推力值保持一致.并且，随着气压高度的升高，由于空气密度的减小，发动机推力下降，因此所有起飞方式下的推力也均呈减小趋势.
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图 2 不同起飞方式下的发动机推力对比 Fig. 2 Engine thrust level of different takeoff processes |
燃油流量是与飞机总耗油量和污染排放量相关的重要飞行参数.不同起飞方式下，飞机全发燃油流量随高度变化，见图 3.从中可知，在全推力方式下，发动机的燃油流量值最高，表明单位时间的耗油量最大.减推力起飞方式下，随着选取的灵活温度值越高，燃油流量值越低.并且随高度升高，燃油流量呈下降趋势.在350m高度左右趋于一致.这种趋势，与发动机推力的变化趋势基本一致(图 2).
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图 3 不同起飞方式下全发燃油流量变化对比 Fig. 3 Engine fuel flow level of different takeoff processes |
选择不同的起飞方式，发动机推力不同，则起飞过程的飞行剖面不同，爬升到相同高度的总飞行时间不同.不同起飞方式下，爬升至1 000 m高度的飞行剖面计算如图 4所示.飞机起飞的垂直剖面，随着选取灵活温度的升高而降低，爬升坡度角减小.其主要原因是由于灵活温度越高、起飞实际推力就越小，从而影响到飞机的爬升能力.因此在其他条件一定时，飞机采取更高的灵活温度减推力起飞时，飞机的起飞离场到相同高度的飞行时间延长.
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图 4 不同起飞方式下的离场剖面 Fig. 4 Vertical flight profiles of different takeoff processes |
不同方式下完成起飞(爬升至1 000 m高度)的总飞行时间和耗油量分析，见表 2.根据计算结果，虽然在选取了更高的灵活温度后，发动机的推力和燃油流量值都降低，但由于飞行时间的延长，导致飞机耗油量的增加.采用全推力起飞时，飞至1 000 m高度所用时间最短，约为1.980 min；耗油量最低，约为229 kg.采取了减推力方式后，选取的灵活温度越高，起飞离场时间越长.如在选择60℃灵活温度起飞时的离场飞行时间较全推力起飞方式延长约27.6%，耗油量约增加12 kg.
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表 2 不同起飞方式的飞行时间及耗油量分析1) Table 2 Flight time and fuel consumption analysis for different takeoff processes |
ICAO基准模型使用2.900 min作为起飞离场总飞行时间，超过全推力正常起飞时间46.5%.并且基准模型以固定的燃油流量计算油耗，没有考虑此参数随高度的变化，估算的耗油量达366 kg.相比本研究通过飞机性能模型计算的各种起飞过程精确耗油量，偏差均超过50%.
2.3 排放指数修正结果经过计算，不同起飞方式下，CO、NOx和HC的排放指数EI随飞行参数及高度的变化情况，见图 5.
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图 5 CO、NOx和HC排放指数修正结果 Fig. 5 Corrected emission indexes of CO, NOx, HC |
CO的排放指数，在正常推力条件下，随高度增高略有升高.而在减推力方式下，采取的灵活温度越高，排放指数EI越高.推力减小，导致燃料燃烧不充分，CO的排放指数增加.选择灵活温度60℃起飞时，初始阶段CO的排放指数达最高，约为0.80 g ·kg-1.在360 m高度附近，所有起飞方式下的推力均转换为MCL推力，排放指数趋于一致.
NOx排放指数，在全推力起飞方式下，随着高度变化较小.当在采用减推力起飞方式后，选取的灵活温度升高，排放指数EI值降低.初始阶段，全推力起飞NOx的排放指数最低，约为20.83 g ·kg-1.灵活温度60℃起飞时，排放指数最低，约为15.70 g ·kg-1.
HC排放指数EI，在各种起飞方式下，差异较小.并且，伴随起飞高度的变化，排放指数的变化也较小，约为0.13~0.14 g ·kg-1.
2.4 污染物排放量NOx、SO2、CO和HC等污染物在不同起飞方式下的排放量见图 6.结果显示，各种方式起飞离场过程，NOx均是排放量最大的污染物.全推力起飞离场过程，大约排放4.849 kg.而在减推力方式下，选取更高的灵活温度，NOx的排放量在逐渐减少.选择灵活温度40、50、60℃时的排放量分别是4.661、4.426、4.310 kg.灵活温度60℃时为起飞离场方式中排放最低，相比全推力起飞排放量减少约11%.
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图 6 不同起飞方式下污染物排放量 Fig. 6 Air pollutant emissions of different takeoff processes |
CO在全推力起飞时起飞的排放量最低，约为0.062 kg.此时发动机处于满负荷状态，燃油燃烧充分.在选取了更高的灵活温度减推力起飞时，CO排放量升高. 40、50、60℃时的排放量分别是全推力下的1.20、1.76和2.34倍.
SO2由于排放指数EI不随推力发生变化，因此排放量的变化主要受到耗油量的影响.全推力起飞下耗油量最少，SO2的排放量最低，约为0.229 kg.灵活温度60℃时耗油量最大，SO2的排放量也最高，为0.241 kg.变化幅度较小.
各起飞方式下HC排放量计算结果的差异也不明显.其中，除灵活温度60℃方式下，排放量为0.032 kg，全推力及其他灵活温度下，均为0.031 kg.此情况与HC的排放指数在不同起飞方式下及飞行高度的变化下幅度小有关.
3 讨论 3.1 与ICAO基准模型估算结果对比对于B737-800机型，ICAO基准模型估算起飞过程大气污染物的排放结果，与本研究使用修正模型的精确排放量计算结果的相对偏差见表 3.对比可发现，如使用ICAO基准模型进行估算，污染物排放量存在较大的偏差.
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表 3 ICAO基准模型估算结果与修正模型估算精确结果的相对偏差/% Table 3 Relative deviation of results calculated by ICAO standard model and modified model/% |
其中，ICAO估算NOx排放量为3.322 kg.此结果将各方式下起飞过程的NOx排放量，低估约31.5%~22.9%. ICAO模型对CO的估算结果为0.052 kg，将CO排放量低估约为15.7%~63.9%.使用ICAO模型估算SO2的排放量为0.366 kg，此数据将各起飞方式下SO2排放量高估60.0%~52.0%.各起飞方式下HC被高估约28.6%~24.6%.
3.2 与机动车排放情况对比为了考察B737-800单次起飞过程(由地面滑跑爬升至1 000 m)，对环境空气的影响，选取起飞过程排放量最大的NOx与机动车的排放进行对比.根据现有研究数据[26]，排量2.0 L以下的汽油小客车，以平均行驶速度40 km ·h-1条件，一辆车NOx综合排放因子为0.51 g ·km-1.并以珠三角地区调查结果，此类型小客车日均行驶里程约68 km，估算小客车NOx日排放量约为34.5 g.依据此数据，机场区域的B737-800飞机一次全推力正常起飞过程，NOx排放量约等于一辆小客车行驶9 508 km，或相当于140辆小客车1 d的排放量.
根据统计[21]2016年4月北京首都、广州白云两机场，B737系列机型单日起飞数量分别为311和203架次.在起飞过程中，排放的NOx相当于4.37万辆和2.85万辆小客车的单日排放量.
4 结论(1) 模拟计算了B737-800所有起飞方式，在起飞高度、飞行参数变化后的精确燃油流量FF、排放指数EI及飞行时间，并获得耗油量，作为污染排放计算的基础数据.其中，全推力起飞时间最短，耗油量最低.选择更高的灵活温度减推力起飞后，时间延长，耗油量增加；同时排放指数CO升高、NOx降低，HC略有升高.而使用ICAO基准模型估算耗油量偏高50%以上.
(2) NOx是起飞过程排放量最大的污染物.全推力起飞过程，NOx、CO、HC和SO2的排放量分别为4.849、0.062、0.031和0.229 kg.减推力起飞方式下，选择的灵活温度升高，NOx、CO排放量分别降低、升高. HC和SO2变化不大. 60℃减推力时4种污染物排放量分别为4.310、0.145、0.032和0.241 kg.
(3) 相比本文的精确计算，ICAO基准模型中飞行时间较长，估算耗油量过高，并且没有对高度变化后排放指数进行修正.因此，基准模型的污染物排放量估算结果中，NOx和CO排放量偏低，HC和SO2排放量偏高，均存在较大偏差.
(4) 与机动车相比，B737-800机型单次全推力起飞过程的NOx排放量，相当于一辆排量2.0 L以下小客车行驶9 508 km，或约等于140辆小客车1 d的排放量，显示出对空气质量存在一定影响.
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