船舶低硫燃油系統(tǒng)的應(yīng)用分析

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(1.南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005；2.大連中遠(yuǎn)造船工業(yè)公司，遼寧 大連 116052)

近年來隨著國際氣候、海洋環(huán)保力度的加強(qiáng)，一系列關(guān)于船用燃油中硫分含量的新規(guī)相繼出臺或?qū)嵤ARPOL73/78規(guī)定，自2015 年1 月1 日起，在SOx排放控制區(qū)域內(nèi)(SECA)時，船舶使用燃油的硫含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不超過0.1%。而歐盟法令已于2010年1 月1 日起，在歐盟港口單邊強(qiáng)制實施船舶使用硫含量不超過0.1%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低硫燃油(以下簡稱：低硫燃油)。

低硫燃油種類主要集中在船用汽油(MGO)和少量的船用輕質(zhì)柴油(MDO)。MGO相當(dāng)于ISO8207中DMA和DMX兩種燃油牌號的市場統(tǒng)稱，MDO通常指ISO8207中DMB牌號燃油。低硫燃油具有粘度低、閃點低、易揮發(fā)等特性，這些特性在船舶的傳統(tǒng)設(shè)計中并未涉及。本文對低硫燃油特性進(jìn)行分析，并結(jié)合其特性對低硫燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討[1]，綜合比較各種實船設(shè)計方案，提出一種最為經(jīng)濟(jì)實用的低硫燃油系統(tǒng)的方案設(shè)計。

1 低硫燃油特性及其關(guān)鍵技術(shù)

1)粘度低。傳統(tǒng)柴油機(jī)推薦燃油運動粘度為10～15 mm2/s，而低硫燃油運動粘度大部分在2～4 mm2/s。

2)閃點低。有些低硫燃油閃點可能低于SOLAS公約要求(即低于60 ℃)。

3)潤滑性能差。燃油中的硫分有潤滑作用，低硫燃油硫含量非常低，導(dǎo)致潤滑性能差。

由于低硫燃油的上述主要特性，因此，在船舶低硫燃油系統(tǒng)的設(shè)計中，要重點考慮如下幾個方面的關(guān)鍵問題。

1.1 駁運和注油設(shè)備

低粘度、潤滑性差對駁運系統(tǒng)的泵、閥等設(shè)備有較高要求。粘度低、潤滑性差可導(dǎo)致駁運泵、燃油閥等運動部件加快磨損，甚至發(fā)生咬死等事故，使用低硫燃油前需要事先進(jìn)行確認(rèn)。當(dāng)前船舶燃油駁運系統(tǒng)中，多采用齒輪泵的設(shè)計，與螺桿泵相比，齒輪泵存在容積效率低、齒輪易磨損、壓力不穩(wěn)定、流量脈動大、振動噪音大等不足；同時粘度低也會導(dǎo)致泵流量大幅減少，不適宜輸送低硫燃油。因此推薦采用螺桿泵替代齒輪泵的設(shè)計。

1.2 柴油機(jī)、鍋爐相關(guān)

在柴油機(jī)中，含硫的燃油燃燒時生成硫酸會附著在汽缸套表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的酸腐蝕，而適當(dāng)?shù)乃岣g可在缸套表面形成對汽缸運動有利的石墨薄層，通過采用堿性中和方法可以適當(dāng)控制酸腐蝕。

傳統(tǒng)重油含硫量高，產(chǎn)生酸性硫化物多，控制中和的堿性氣缸油堿性較強(qiáng)。如采用低硫燃油，則酸性變?nèi)?，若原汽缸油堿性不變，則二者中和后，會成堿性，使缸套表面形成鏡面，油膜難以附著，增加缸套磨損，也會導(dǎo)致活塞頭及活塞環(huán)間嚴(yán)重結(jié)炭。因此，需要選擇合適的低堿值汽缸油對應(yīng)低硫燃油。

在鍋爐以往設(shè)計中，燃燒器、燃燒控制系統(tǒng)、油泵等通常按重油標(biāo)準(zhǔn)來配置。低硫燃油閃點低、易揮發(fā)，鍋爐停后，爐膛內(nèi)還會彌漫可燃?xì)怏w，為徹底清除爐膛內(nèi)可燃?xì)怏w，須延長鍋爐預(yù)掃風(fēng)和后掃風(fēng)時間，修改安全控制程序。另外，火焰探測裝置對不同燃油如重油和低硫燃油在爐膛內(nèi)有不同火焰閃爍頻率，要求火焰控測器能正確設(shè)置以識別不同火焰，確保鍋爐安全運行[2]。

1.3 燃油儲存

閃點低使得低硫燃油易燃易爆，對船舶加油、駁運、尤其是儲存中產(chǎn)生重要影響。

在燃料油艙的布置中，低硫燃油和重油等各類油品要設(shè)置獨立油艙。由于重油儲存艙通常維持在40～50 ℃，重油日用艙在80 ℃左右，而低硫燃油閃點低，僅略高于60 ℃,因此，在油艙布置時，原則上應(yīng)注意低硫燃油艙不能與重油日用艙相鄰，并盡可能避免直接與重油儲存艙相鄰。

1.4 燃油切換控制

通常，使用低硫燃油的船舶備有3種燃油：①低硫燃油，用于硫排放控制(SECA)區(qū)； ②輕質(zhì)柴油，用于內(nèi)河、近海等航區(qū)；③重油，主要用于深海航區(qū)。

燃油間切換應(yīng)注意溫度的控制。由于重油需加熱溫度較高(80 ℃左右)，而低硫燃油不加熱， 柴油機(jī)進(jìn)行重油及低硫燃油切換時，較大溫差混合引起的溫度-粘度波動會導(dǎo)致柴油機(jī)燃油噴射泵、噴射器等設(shè)備拉傷、卡死。MAN柴油機(jī)要求在燃油切換時，溫度變化要控制在2 ℃/min以內(nèi)。

考慮到管路中燃油的置換和沖洗，在重油切換至低硫燃油前，可先切換至輕質(zhì)柴油, 即切換程序為重油、輕質(zhì)柴油、低硫燃油。這樣，重油與輕質(zhì)柴油間屬于傳統(tǒng)的燃油切換，而輕質(zhì)柴油與低硫燃油間由于溫差很小，也可以實現(xiàn)直接簡單的手動切換。為了安全考慮，實施手動切換時主機(jī)功率應(yīng)盡可能設(shè)置在25%～30%MCO之間，通過延長切換時間，保證切換過程的平穩(wěn)、可控。

為了實現(xiàn)主機(jī)高負(fù)荷下，重油和低硫燃油間的快速切換，推薦使用溫度傳感器自動控制切換閥的開度，以滿足溫度變化要求。油溫、粘度、油溫變化率、切換閥開度與時間關(guān)系參考案例見圖1。

圖1 各個參數(shù)在燃油切換時間下的對應(yīng)關(guān)系

2 燃油市場供應(yīng)分析

根據(jù)ISO8217標(biāo)準(zhǔn)，對比最新2010年版與2005年版的粘度、硫含量、閃點,見表1。

表1 船用燃油標(biāo)準(zhǔn)ISO8217-2010與ISO8217-2005對比

由表1可見，DMA最小運動粘度由2005年的1.5 mm2/s修改為2010年的2.0 mm2/s，同時也明確了DMB最小運動粘度為2.0 mm2/s，而且增加了DMZ牌號。DMZ除了其運動粘度最小為3.0 mm2/s外，其它參數(shù)指標(biāo)與DMA完全相同，ISO8217更新體現(xiàn)了適應(yīng)MARPOL73/78最新規(guī)范要求和燃油市場、設(shè)備性能實際情況的綜合考慮。

從ABS燃油的硫含量和粘度表(見表2)和DNV對實際低硫燃油市場的調(diào)查圖(見圖2)可見，低硫燃油運動粘度范圍在2～6 mm2/s之間，其中3 mm2/s以上的占了約59%。

表2 典型燃油的硫含量和粘度

為適應(yīng)低硫燃油的市場需求，燃油供應(yīng)商也在積極開發(fā)高粘度的低硫燃油，殼牌公司可以提供運動粘度高達(dá)14.8 mm2/s的低硫燃油，性能指標(biāo)見表3。

圖2 2009年DNV的低硫燃油市場調(diào)查

性能指標(biāo)船用汽油WRD 0.1%S混合物MDFISO8217要求DMB15℃密度/(kg·m-3)883≤920≤90040℃運動粘度/mm2·s-114.8 ≤13.0≤11.0閃點/℃>100 <62<60硫份%0.09≤1.80 ≤2.00水份/(mg·kg)<1 000<2 500<3 000殘?zhí)康馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)//%<0.05<1.50<0.28灰份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%<0.005<0.020<0.010

國內(nèi)市場GB252-0牌號輕質(zhì)柴油規(guī)定含硫量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.2%,運動粘度20 ℃時在3.0～8.0 mm2/s、之間，根據(jù)我公司近百艘船的加油記錄，國內(nèi)0號柴油的實際運動粘度范圍基本在2.5～3.0 mm2/s、40 ℃之間，含硫量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在0.02%～0.20%之間，部分滿足低硫燃油要求。

3 低粘度解決方案

解決低硫燃油的低粘度問題，是船廠工程應(yīng)用設(shè)計的關(guān)鍵。目前，根據(jù)本公司的工程應(yīng)用實踐，比較成熟的方案有如下幾種。

3.1 選擇高粘度的低硫燃油

在實際使用過程中，燃油供給和循環(huán)系統(tǒng)中運行的駁運泵和柴油機(jī)對燃油有循環(huán)加熱作用, 根據(jù)設(shè)備廠家提供的發(fā)熱量換算和實船驗證, 可以得出在特定苛刻條件下，燃油進(jìn)機(jī)溫度可能會達(dá)到60 ℃。具體溫升值根據(jù)設(shè)備選型和系統(tǒng)設(shè)計的不同會有所差別，如采用MAN-ME型主機(jī)，其對循環(huán)燃油的加熱作用會大幅降低。實際進(jìn)機(jī)溫度的提高，將進(jìn)一步降低低硫燃油的運動粘度，其關(guān)系曲線見圖3。

基于上述研究和市場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)選擇高粘度的低硫燃油完全可以滿足相關(guān)設(shè)備的最低粘度使用要求。具體粘度值歸納如下：

圖3 MAN低硫燃油溫度與運動粘度關(guān)系曲線

40 ℃運動粘度大于等于3.5 mm2/s。

40 ℃運動粘度大于等于3.0 mm2/s(僅適用ME型主機(jī))。

3.2 CHILLER式冷卻

目前市場上采用CHILLER式冷卻的方案較多，其中有的是直膨式系統(tǒng)冷媒直接冷卻；有的是通過冷水機(jī)組，利用冷凍水冷卻低硫燃油。有的是對管路燃油進(jìn)行在線冷卻；也有的是對低硫燃油艙進(jìn)行整體冷卻。雖然方式各種各樣，但其共同點是有CHILLER壓縮機(jī)冷卻裝置。CHILLER式冷卻可以將低硫油冷卻到很低的溫度，從而能夠保證將低硫燃油的進(jìn)機(jī)粘度提高到MAN推薦的3 mm2/s以上，但設(shè)備初期投資費用大，電力消耗大、設(shè)備外形尺寸大，管系復(fù)雜，不利于機(jī)艙布置，使用維護(hù)成本高。

3.3 海水冷卻

該方案在燃油供給泵/循環(huán)泵前設(shè)置板式熱交換器，冷卻方式為海水冷卻。該方案系統(tǒng)布置相對簡單，新增設(shè)備少，初期投資和使用維護(hù)成本均較低。為了控制可能出現(xiàn)燃油通過板換泄漏到海水的風(fēng)險，可采用雙層鈦板片，或者在海水管路中增設(shè)油分檢測報警。另外該方案雖然無法將低硫油冷卻到極低的溫度，但目前SOx排放控制區(qū)域(SECA)的海水溫度不是很高，通過海水冷卻達(dá)到需要的最低粘度2 mm2/s以上，完全沒有問題。

3.4 淡水冷卻

與海水冷卻方案比較，增加了海水冷卻淡水環(huán)節(jié)，設(shè)置了獨立的冷卻淡水系統(tǒng)，從而基本杜絕了燃油泄漏出舷外的風(fēng)險，該方案受到部分日本船東的青睞。但由于增加了冷卻環(huán)節(jié)和獨立系統(tǒng)，需選用冷卻器換熱面積也會加大，總體成本明顯升高。

比較上述方案發(fā)現(xiàn)：選用高粘度低硫燃油沒有改造成本，但有油品選擇局限性；CHILLER式冷卻方案成本最高，海水冷卻方案成本最低以本公司205KBC散貨船為例，前者改造成本約為8萬美元，后者只需約2萬美元。從簡單、經(jīng)濟(jì)角度考慮，推薦使用海水冷卻方案。

4 結(jié)論

根據(jù)以上技術(shù)和方案分析比較，匯總形成低硫燃油系統(tǒng)改造方案推薦(見表4)和推薦案例(見圖4)。

表4 改造方案推薦

注：“●”為推薦采用；“○”為可選項。

在具體設(shè)計應(yīng)用過程中，鑒于低硫燃油的使用是區(qū)域性要求，且有多種解決方案，通常作為船廠向船東提出的報價項目，其最終方案的選擇取決于船東。船廠設(shè)計應(yīng)與船東方充分溝通，基于船東的實際需求，提出優(yōu)化、適合的推薦方案。

圖4 低硫燃油系統(tǒng)推薦案例

[1] 孫文廣，王宗濤，張金良.船舶鍋爐低硫燃油使用分析[J]. 船海工程,2011，40(1)，84-87.

[2] 徐萬毅.油品對船用高速柴油機(jī)排放的影響[J]. 船海工程,2008，37(4)，25-27.