船舶低硫柴油系統設計的分析與優化

周啟學，毛奇志，任晉宇

（1.武漢交通職業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[2]及中國海事局（CMSA）相繼制定或實施了SOx排放控制標準。船舶使用燃油硫含量的限值要求見表1[3]。

相關的應對措施有：

1）使用合規低硫燃油；

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、生產和安裝進度限制，其產生的廢液等也將帶來新的環保難題。2019年10月25日，中國交通運輸部海事局發布《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內排放開式廢棄清洗系統洗滌水[5]。短期內，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。綜合考慮成本、安全性、環保性、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“長江經濟帶”、“長江中游城市群”等國家發展戰略與規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、拉動區域制造業的發展。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，設計航區為無限航區及內河A級、B級航區。在內河及大洋行駛各半。

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

遵照國內外排放控制區及全球限硫令要求設置船舶用油。在長江等國內外排放控制區，所有的柴油機和鍋爐均使用低硫柴油（硫含量≤0.1 %m/m）；在排放控制區外，主機使用重油（硫含量≤0.5 %m/m），發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

煉油廠為了生產低硫柴油[6]，往往需要采用特殊工藝及程序對燃油進行脫硫處理，導致低硫柴油的很多特性都發生了顯著變化。船舶燃油系統、機器設備一般都是基于重油/船用柴油設計的，低硫柴油的使用經驗不多，當轉換使用低硫柴油時，可能導致燃油系統及設備故障，甚至發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節閥；根據溫度的高低，自動比例調節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。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

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，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設計

本文船舶低硫柴油供油系統按照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

從低硫柴油日用油柜出來的低硫柴油經過低硫柴油冷卻裝置（自帶燃油加壓泵）冷卻后供主機、發電機組和鍋爐使用，供主機使用的低硫柴油進入供油單元的低硫柴油泵，加壓調壓后進入主機；供發電機組使用的低硫柴油進入發電機組；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/低硫柴油轉換

若船舶需進入排放控制區，作為準備工作，船長應根據航次任務和航行、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。

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

船舶進入排放控制區前，至少提前2 h做好低硫柴油轉換的準備。供油切換完成后，在進入排放控制區域前運行設備約1 h（可調整），以將管路內殘余的高硫油耗盡，并應留有足夠的時間使燃油供應系統經過全面沖洗，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 主機燃油轉換

1）主機重油換用低硫柴油的過程為：轉換使用低硫柴油前應先將重油轉換為柴油，當重油管系內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：轉換使用重油前，應先將低硫柴油轉換為柴油，當管系內為柴油后再轉換重油。

發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滲漏的情況，埋下火災隱患[8]。

處理措施即轉換低硫柴油后，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換過程中發生硫污染，造成含硫量超標的現象。

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 燃油轉換系統的可行性風險

如果燃油轉換系統的可行性本身存在問題[9]，將造成無法實現燃油轉換甚至發生安全事故。

處理措施：應進行燃油轉換試驗，以驗證系統可安全可靠地實現油品轉換，相關參數控制在規定范圍內。

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）低硫柴油揮發后易導致點火失敗，燃氣積聚于爐膛/燃燒室，從而產生爆炸危險，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定范圍內。該低硫柴油冷卻裝置能實現溫度自動控制，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。冷卻器內的燃油壓力需低于冷卻介質壓力，否則將造成燃油泄漏。

5.3 操作風險

5.3.1 燃油轉換太快對設備的熱沖擊風險

在轉換過程中，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換后發生誤報警或觸發不當動作。

處理措施：轉換燃油時，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的安全，點火時應防止爐膛內因油氣聚集發生爆炸。

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 結論

隨著2020年全球限硫令（硫含量≤0.50 %m/m）以及國內《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》的發布，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的知識和經驗，科學合理規劃，嚴肅認真落實，合理使用低硫柴油，規避風險。而目前相關研究尚無成熟模式，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設備還欠缺有機結合、略顯繁復，需要設計院與供貨商之間能夠充分溝通、協商，以進行進一步優化。