船舶低硫柴油系統(tǒng)設計的分析與優(yōu)化

周啟學，毛奇志，任晉宇

（1.武漢交通職業(yè)學院船舶與航運學院，武漢 430065；2.武漢長江船舶設計院有限公司，武漢 430062）

0 引言

國內(nèi)外對船用燃油硫含量均有要求，MARPOL公約附則VI、EU法令[1]、CARB法規(guī)[2]及中國海事局（CMSA）相繼制定或?qū)嵤┝薙Ox排放控制標準。船舶使用燃油硫含量的限值要求見表1[3]。

相關(guān)的應對措施有：

1）使用合規(guī)低硫燃油；

2）船舶加裝脫硫洗滌器；

3）使用清潔燃料，如LNG、核燃料、燃料電池等。

脫硫洗滌器的使用受價格、生產(chǎn)和安裝進度限制，其產(chǎn)生的廢液等也將帶來新的環(huán)保難題。2019年10月25日，中國交通運輸部海事局發(fā)布《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》，明確不得在我國船舶大氣污染物排放控制區(qū)內(nèi)排放開式廢棄清洗系統(tǒng)洗滌水[5]。短期內(nèi)，LNG燃料的替代能力也有限，核燃料、燃料電池應用于民用船舶有待研究開發(fā)。綜合考慮成本、安全性、環(huán)保性、可獲得性等因素，使用低硫船用燃油成為市場的主流選擇。

表1 燃油硫含量限值要求一覽表

1 船舶概況

為增強武漢在中國“長江經(jīng)濟帶”、“長江中游城市群”等國家發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃中的集聚輻射功能，提升武漢樞紐港地位，打造長江中游航運中心，并帶動、拉動區(qū)域制造業(yè)的發(fā)展。武漢擬開通至韓國和日本的國際集裝箱快班航線，由此該船應運而生。本文中的船舶為國際航行船舶，設計航區(qū)為無限航區(qū)及內(nèi)河A級、B級航區(qū)。在內(nèi)河及大洋行駛各半。

本船設置了2臺中速主機，2臺主發(fā)電機組，1臺停泊發(fā)電機組，1臺應急發(fā)電機組，1臺燃油廢氣鍋爐。

遵照國內(nèi)外排放控制區(qū)及全球限硫令要求設置船舶用油。在長江等國內(nèi)外排放控制區(qū)，所有的柴油機和鍋爐均使用低硫柴油（硫含量≤0.1 %m/m）；在排放控制區(qū)外，主機使用重油（硫含量≤0.5 %m/m），發(fā)電機組和鍋爐使用船用柴油（硫含量≤0.5 %m/m）。柴油機在使用重油和低硫柴油轉(zhuǎn)換過程中，常溫普通柴油也作為高溫重油與低溫低硫柴油過渡用油，以避免油溫的急劇變化對柴油機的損害。應急發(fā)電機組的燃油硫含量不受限制，可使用船用柴油（硫含量≤0.5 %m/m）。

2 低硫柴油冷卻方式

煉油廠為了生產(chǎn)低硫柴油[6]，往往需要采用特殊工藝及程序?qū)θ加瓦M行脫硫處理，導致低硫柴油的很多特性都發(fā)生了顯著變化。船舶燃油系統(tǒng)、機器設備一般都是基于重油/船用柴油設計的，低硫柴油的使用經(jīng)驗不多，當轉(zhuǎn)換使用低硫柴油時，可能導致燃油系統(tǒng)及設備故障，甚至發(fā)生船舶失去動力的危險。

其中一個重要的風險是：低硫柴油粘度過低[7]，不能滿足柴油機和鍋爐進機粘度要求。需要采取措施降低低硫柴油溫度，提高粘度。實際應用中有多種冷卻方式。

2.1 低硫柴油的冷卻方式選擇

首先要確定船上用油設備允許的低硫油最低進機粘度，然后按照船上加注的低硫油粘度/溫度值確定低硫油的冷卻溫度。

本船用油設備最低進機粘度為2.0×10?6m2/s，按照不同低硫油粘/溫值確定冷卻方式見表2。

本文所述船舶為國際航線商用海船，沿線加油站的油品復雜，為了滿足燃油的適應性并降低燃油成本，以最低粘度的低硫柴油（即1.5×10?6m2/s/40℃低硫柴油）為設計基準。采用冷凍水冷卻低硫柴油的冷卻方式。

2.2 冷凍水冷卻低硫柴油冷卻方式介紹

該船配備1套低硫柴油冷卻裝置，包含冷水機組、泵組模塊和冷卻器。采用間接式制冷系統(tǒng)對低硫柴油進行冷卻。冷卻過程中，由溫度傳感器檢測低硫柴油冷卻器的出油溫度；將溫度信號輸入PLC控制器，并通過PLC控制器把信號反饋給電動三通調(diào)節(jié)閥；根據(jù)溫度的高低，自動比例調(diào)節(jié)進入油水板式換熱器的冷凍水量，從而將低硫柴油的油溫保持在所要求的范圍內(nèi)。低硫油冷卻原理見圖1。

表2 低硫油冷卻方式選擇

圖1 低硫油冷卻原理

若使用其他高粘度的低硫柴油，或環(huán)境溫度過低時，低硫柴油冷卻器可以降負荷、間斷運行或旁通，只要根據(jù)所用的油品粘溫曲線，使設備進口處低硫柴油粘度大于2×10?6m2/s，并設定燃油設備的使用溫度即可。

3 低硫柴油供油系統(tǒng)

3.1 低硫柴油在線冷卻

在低硫柴油供油管路上冷卻低硫柴油。按照主輔機的燃油系統(tǒng)配置、燃用低硫柴油時間長短及船東的要求，可以采用多種管系原理靈活運用。

1）一般情況下，主輔機按照燃用重油配置，柴油機不帶燃油泵，由供油單元供油；低硫柴油冷卻器可與供油單元的蒸汽加熱器并聯(lián)，兩者切換使用，以更好地處理燃油；還可以考慮設置回油冷卻器，降低回油溫度，確保更佳的冷卻效果；鍋爐進油需另設冷卻器；需要考慮冷卻器的壓力損失，必要時增加燃油增壓泵。

2）若主輔機及鍋爐按照燃用柴油配置，則柴油機自帶燃油泵，未配套供油單元；可在供油總管上設低硫柴油冷卻器，并按需設燃油增壓泵以克服供油阻力。

3）若主機按照燃用重油配置，輔機及鍋爐按照燃用柴油配置，可以在供油總管上設低硫柴油冷卻器，并設燃油增壓泵；在主機供油單元上增設低硫柴油加壓泵，以滿足主機燃用進機壓力。

3.2 冷卻低硫柴油日用油柜

冷卻器放在低硫柴油日用油柜，直接冷卻油柜，供油管路按常規(guī)設置。本方案適合改造船，不需要對管系進行修改，僅增加冷卻設備即可。

低硫柴油日用柜需要絕熱包扎，并會損失一部分保溫冷量。

3.3 本船低硫柴油供油系統(tǒng)設計

本文船舶低硫柴油供油系統(tǒng)按照3.1中的第三種情況進行設計，如圖2所示。

圖2 低硫柴油供油系統(tǒng)

從低硫柴油日用油柜出來的低硫柴油經(jīng)過低硫柴油冷卻裝置（自帶燃油加壓泵）冷卻后供主機、發(fā)電機組和鍋爐使用，供主機使用的低硫柴油進入供油單元的低硫柴油泵，加壓調(diào)壓后進入主機；供發(fā)電機組使用的低硫柴油進入發(fā)電機組；供鍋爐使用的低硫柴油進入鍋爐燃燒器。所有機器的回油需滯后回到低硫柴油艙柜，以免污染低硫柴油。

4 高/低硫柴油轉(zhuǎn)換

若船舶需進入排放控制區(qū)，作為準備工作，船長應根據(jù)航次任務和航行、停泊時間計算出低硫燃油的用量。在港口向低硫柴油艙中加入低硫燃油，并駁運至低硫柴油日用油柜。

低硫柴油轉(zhuǎn)換操作必須由經(jīng)專門培訓的技能較好的船員執(zhí)行，并選擇安全開闊的水域進行。船舶處于自由航行狀態(tài)時，運行2臺主機和2臺發(fā)電機組，以降低航速和電力負荷。

船舶進入排放控制區(qū)前，至少提前2 h做好低硫柴油轉(zhuǎn)換的準備。供油切換完成后，在進入排放控制區(qū)域前運行設備約1 h（可調(diào)整），以將管路內(nèi)殘余的高硫油耗盡，并應留有足夠的時間使燃油供應系統(tǒng)經(jīng)過全面沖洗，去除所有含硫量超過0.1%的燃油[7]。

換油時需注意油溫的變化，避免因油溫急劇變化對機器造成冷熱沖擊，本船要求冷卻裝置低硫柴油溫度的降低速度不超過2 ℃/min。

4.1 主機燃油轉(zhuǎn)換

1）主機重油換用低硫柴油的過程為：轉(zhuǎn)換使用低硫柴油前應先將重油轉(zhuǎn)換為柴油，當重油管系內(nèi)為柴油后再換用低硫柴油。

2）主機低硫柴油換用重油的過程為：轉(zhuǎn)換使用重油前，應先將低硫柴油轉(zhuǎn)換為柴油，當管系內(nèi)為柴油后再轉(zhuǎn)換重油。

發(fā)電機組柴油機和鍋爐的換油直接進行。

5 風險分析及處理措施

5.1 系統(tǒng)風險

5.1.1 泄漏的風險

由于低硫柴油粘度較低，有可能在管路法蘭密封等連接處出現(xiàn)滲漏的情況，埋下火災隱患[8]。

處理措施即轉(zhuǎn)換低硫柴油后，注意對管路進行細致的檢查維護。

5.1.2 儲存和隔離的風險

由于總布置的限制，該船有一個低硫柴油艙與重油艙相鄰，重油艙的加熱溫度為30℃，并設有高溫報警；即使是在炎熱的夏季低硫柴油艙的溫度也不會超過40℃。其它低硫柴油艙柜均不與任何加熱的艙柜相鄰；低硫柴油艙柜及低硫油管路均無加熱裝置，能夠有效避免低硫柴油被加熱的風險。

5.1.3 高硫燃油污染的風險

為了縮短油切換時間，低硫柴油艙及管路均盡量獨立設置，并預留充足的時間沖洗管路，避免在低硫柴油裝載和轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生硫污染，造成含硫量超標的現(xiàn)象。

換油時注意回油滯后切換的情況，防止高硫油回油至低硫柴油艙柜。

5.1.4 油品質(zhì)量風險

燃油中如果含有較多水分，將影響燃油設備的正常工作和造成損害。

處理措施：應定時人工開啟低硫柴油日用柜低處的自閉式放水閥，檢查是否沉積有水分，及時將水放泄掉。

5.1.5 燃油轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可行性風險

如果燃油轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可行性本身存在問題[9]，將造成無法實現(xiàn)燃油轉(zhuǎn)換甚至發(fā)生安全事故。

處理措施：應進行燃油轉(zhuǎn)換試驗，以驗證系統(tǒng)可安全可靠地實現(xiàn)油品轉(zhuǎn)換，相關(guān)參數(shù)控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

5.1.6 低硫柴油粘度低的風險

本船所用低硫柴油粘度最低為1.5 cst/40°C，柴油機和鍋爐要求進機粘度不小于2 cst。不能滿足設備要求。

處理措施：船上設有低硫柴油冷卻器，能將燃油溫度降低，滿足設備要求。

5.1.7 高、低硫柴油不兼容的風險

高低硫柴油混合時，可能不兼容，產(chǎn)生沉淀，堵塞管路。

處理措施：加油時試驗高低硫柴油的兼容性。

5.2 設備風險

柴油機、鍋爐、燃油泵等設備制造廠均提供了低硫柴油適用性聲明。

5.2.1 柴油機的風險

采用飛濺潤滑的柴油機的氣缸潤滑油（即曲柄箱滑油）有相應的總堿值，較長時間使用低硫柴油時需換為總堿值較低的柴油機氣缸潤滑油，以保證柴油機氣缸得到良好的潤滑。否則，易產(chǎn)生機器加速磨損。對于交替使用高低硫柴油的柴油機潤滑油在適用性選用、維護管理方面提出了更高要求。

處理措施：本船油品硫含量均小于0.5 %m/m，故氣缸潤滑油使用低總堿值油[10]。

5.2.2 鍋爐的風險

1）使用低硫柴油易產(chǎn)生鍋爐點火故障、燃燒失敗等情況。

處理措施：要求船員掌握對此類故障排除的安全操作。

2）低硫柴油揮發(fā)后易導致點火失敗，燃氣積聚于爐膛/燃燒室，從而產(chǎn)生爆炸危險，危及船舶及船上人員安全。

處理措施：在鍋爐點火前、火焰熄滅或正常停爐后，對爐膛進行充分掃氣。

3）鍋爐及燃燒器在備車狀態(tài)時，低硫柴油可能被加熱。

處理措施：鍋爐回油回至低硫柴油日用柜，經(jīng)過油冷卻器后再流進鍋爐燃燒器[11]。

5.2.3 低硫柴油冷卻裝置的風險

低硫柴油冷卻裝置可保證裝置在全負荷運行時，燃油溫度及溫度變化維持在規(guī)定范圍內(nèi)。該低硫柴油冷卻裝置能實現(xiàn)溫度自動控制，并設有手動操作設施。其冷卻器的表面溫度最低為5℃，始終在燃油傾點以上。冷卻器內(nèi)的燃油壓力需低于冷卻介質(zhì)壓力，否則將造成燃油泄漏。

5.3 操作風險

5.3.1 燃油轉(zhuǎn)換太快對設備的熱沖擊風險

在轉(zhuǎn)換過程中，如果進機燃油溫度變化梯度過大，則會對機器設備及燃油系統(tǒng)造成熱沖擊傷害。

處理措施：低硫柴油冷卻裝置能夠保證溫度變化速率小于2 ℃/min[12]。

5.3.2 報警設置不及時切換的風險

因高低硫油部分報警設置存在差異，應采取措施防止燃油轉(zhuǎn)換后發(fā)生誤報警或觸發(fā)不當動作。

處理措施：轉(zhuǎn)換燃油時，應及時切換相應的燃油報警設置[13]。

5.3.3 鍋爐的燃燒控制風險

低硫柴油閃點較低，鍋爐使用低硫柴油時應注意燃燒控制系統(tǒng)的安全，點火時應防止爐膛內(nèi)因油氣聚集發(fā)生爆炸。

處理措施：在鍋爐點火前、火焰熄滅或正常分掃停爐后等情況時，對爐膛進行充氣[14]。

6 結(jié)論

隨著2020年全球限硫令（硫含量≤0.50 %m/m）以及國內(nèi)《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》的發(fā)布，船舶燃用低硫柴油已進入實施階段，船舶設計院、航運公司、造船廠、設備商以及航運管理部門均需要積累相關(guān)的知識和經(jīng)驗，科學合理規(guī)劃，嚴肅認真落實，合理使用低硫柴油，規(guī)避風險。而目前相關(guān)研究尚無成熟模式，仍處于摸索階段。同時，本文的設計存在值得商榷和改進之處，例如低硫柴油供油管線與系統(tǒng)設備還欠缺有機結(jié)合、略顯繁復，需要設計院與供貨商之間能夠充分溝通、協(xié)商，以進行進一步優(yōu)化。