2 500 TEU 集裝箱船混合式脫硫系統(tǒng) 試航方案研究

陳育喜，王 磊，田碩實

（滬東中華造船（集團）有限公司 LNG 技術(shù)研究所，上海 200129）

0 引言

隨著國際航運業(yè)與遠洋船舶運輸?shù)陌l(fā)展，船舶所產(chǎn)生的煙氣排放成為沿海地區(qū)尤其是港口大氣的主要污染源。根據(jù)國際海事組織（IMO）統(tǒng)計，船舶SOX年排放量約占全球硫排放量的9%。為此，IMO 通過了MARPOL 公約附則VI，致力于解決船舶造成的區(qū)域性空氣污染問題。根據(jù)MARPOL 公約附則VI /Regulation 14[2]：

1）將于2020 年1 月1 日起在除排放控制區(qū)外的全球海域強行推行0.5%船舶燃油硫含量限制法令。

2）從2015 年1 月1 日開始，排放控制區(qū)內(nèi)推行0.1%船舶燃油硫含量限制法令。

根據(jù)MARPOL 公約附則VI /Regulation 14，目前全球硫排放控制區(qū)為波羅的海、北海、北美和美國加勒比海4 個區(qū)域。

目前，IMO 可接受的方案包括燃用低硫油和使用SOX煙氣清洗；但目前低硫燃油和重油的價格差較大，使用低硫油運行相對于使用脫硫塔成本較高；所以在低硫燃油和重油的價格差降低到足夠合理的價格之前，加裝脫硫塔是大勢所趨[5]。

2 500 TEU 集裝箱船安裝了W?rtsil? 混合式脫硫系統(tǒng)，按照IMO 法規(guī)和船級社規(guī)范，需要試航完成脫硫系統(tǒng)MARPOL 取證試驗大綱中的所有試航項目，并覆蓋船舶運行時主機脫硫系統(tǒng)和發(fā)電機脫硫系統(tǒng)單獨和并機運行的最大功率負荷（包括進出港工況）[3]，試驗結(jié)果經(jīng)船級社認可后，頒發(fā) IAPP（國際防大氣污染）證書等MARPOL 相關(guān)證書和脫硫系統(tǒng)產(chǎn)品證書。

目前，混合式脫硫系統(tǒng)應用案例較少，試航試驗廠家方案普遍存在內(nèi)容不夠完整，試航符合方案沒有詳細的說明，導致船廠的實際執(zhí)行存在一定的困難，本文可以為未來類似項目提供參考。

1 基本原理介紹

1.1 2 500 TEU 集裝箱船介紹

2 500 TEU 集裝箱船入級DNV GL，總長195 m，型寬32.2 m，型深17 m，設計吃水9.5 m，結(jié)構(gòu)吃水11.5 m，最大裝載2 487 個標準箱，并符合冰區(qū)要求（船級符號E3，DNV·GL），主要航行區(qū)域為英國北海、北極以及地中海等歐洲海域。由于航行區(qū)域含有排放控制區(qū)，需要能夠滿足硫排放0.1%的要求。該船安裝W?rtsil? 混合式脫硫塔。

1.2 船舶燃油設備簡介

該船燃油設備包括1 臺主機、4 臺發(fā)電機和1臺組合鍋爐，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 船舶燃油設備

1.3 脫硫系統(tǒng)簡介

根據(jù)船舶功率負荷計算書，確定煙氣量的最大處理要求，瓦錫蘭推薦混合式脫硫系統(tǒng)，包括主脫硫塔和輔脫硫塔2 個塔體及其附屬系統(tǒng)。技術(shù)指標如下：

1）主脫硫系統(tǒng)W?rtsil?SC200，最大處理能力43 kg/s（154 800 kg/h）。主機脫硫塔帶有2 路文氏管，每路文氏管的處理能力為21.5 kg/s（77 400 kg/h），主機排氣平均分成兩路，每路文式管配有2 組噴頭，脫硫塔本體中也配有3 組噴頭。

2）發(fā)電機脫硫系統(tǒng)W?rtsil? SC400，最大處理能力17.2 kg/s（61 920 kg/h），帶有4 路文氏管，每臺發(fā)電機排氣接1 路文氏管，每路文氏管處理能力為5.1 kg/s（18 360 kg/h），每路文式管配有2組噴頭，脫硫塔本體中也配有3 組噴頭。組合鍋爐燃油側(cè)排氣接入3 號發(fā)電機所接入的文氏管。

3）燃油最大硫含量為3.5%。

4）洗滌效率，等效于燃燒最大不超過0.1%S燃油。

2 脫硫設備運行工況

2.1 訂貨階段（鍋爐廢氣未接入）

基本設計階段，根據(jù)船舶航行過程中脫硫系統(tǒng)對應的主機和發(fā)電機運行的最大工況見表2。

表2 脫硫設備運行最大工況

2.2 項目執(zhí)行階段（鍋爐廢氣接入）

根據(jù)船東要求，后期增加鍋爐燃油側(cè)接入輔機脫硫塔3 號發(fā)電機所接文氏管的要求，其中最大運行工況如下[3]。

1）主機脫硫塔SC200 額定廢氣量

基本設計階段，根據(jù)最惡劣航行工況確定主機相應廢氣量如表3 所示。

2）輔機脫硫塔SC400 額定廢氣量

基本設計階段，根據(jù)最大航行工況確定廢電機最大廢氣量如表4 所示。

3）理論輔機脫硫塔SC400 可運行最大工況

理論上輔脫硫塔可運行的最大運行工況如表6 所示。

表3 主機脫硫塔廢氣量

工況1 輔脫硫塔初始運行工況為4×80% AE，后期船東要求鍋爐100%負荷接入，為了安全起見，根據(jù)煙氣總量總體不變的的原則，船東同意3 號發(fā)電機按照60%的工況運行。由于4 臺發(fā)電機功率非平均分配，功率須手動分配，分配步驟較為繁瑣，且3 號發(fā)電機75%MCRAE＋100%鍋爐運行時，3 號文式管的廢氣量為1 7835 kg/h＜18 370 kg/h（發(fā)電機100%MCR 廢氣量），所以最大運行功率更改為如表5 所示。

表4 發(fā)電機機脫硫塔最大廢氣量

表5 脫硫塔開閉式最大功率

表6 輔脫硫塔運行最大工況

然而，此時輔機脫硫塔正好達到最大廢氣處理能力，如果自啟動設備此時起動，致排放超標，所以該工況一般不使用。

3 試航程序

根據(jù)規(guī)范要求，在設備圖認可階段，W?rtsil?編制了MARPOL 取證試驗大綱，并獲得船級社認可。另外W?rtsil? 也提供給船廠的試航大綱，供船廠試航使用，詳情如下。

3.1 MARPOL 取證試航大綱

試驗1：主機脫硫系統(tǒng)和輔機脫硫系統(tǒng)尾氣檢測（CEMS），脫硫海水進口水質(zhì)監(jiān)測和洗滌水排放水質(zhì)監(jiān)測儀器校準。洗滌水排放監(jiān)測PH 校準（根據(jù)計算值）。

試驗2：輔機脫硫系統(tǒng)SC400 試驗（開式循環(huán)）。

試驗3：主機脫硫系統(tǒng)SC200 試驗（開式循環(huán)）。

試驗4：主機和輔機脫硫系統(tǒng)SC400 & SC200并機試驗（開式循環(huán)）。

試驗5：主機脫硫系統(tǒng)SC200 試驗（閉式循環(huán)）。

試驗3：輔機脫硫系統(tǒng)SC400 試驗（閉式循環(huán)）。

試驗4：主機和輔機脫硫系統(tǒng)SC400 & SC200并機試驗（閉式循環(huán)）。

3.2 W?rtsil? 提供給船廠的試航大綱

1）進出港：閉式循環(huán)，主機0%～50% MCR。

2）主機脫硫系統(tǒng)SC200 試驗。

閉式試驗：100% MCR；

開式試驗：100% MCR。

3）輔機脫硫系統(tǒng)SC400 試驗。

閉式試驗：4×80% AE；

開式試驗：3×100% AE。

3.3 W?rtsil? 試航大綱存在的問題

1）MARPOL 試航大綱：只規(guī)定了脫硫塔要進行哪些試驗，沒有主機和發(fā)電機負荷要求；

2）W?rtsil? 提供給船廠的試航大綱：試航項目不夠完整，沒有包括MARPOL 取證試航大綱的全部試驗，同時沒有考慮脫硫系統(tǒng)開閉式模式轉(zhuǎn)換的要求。

3.4 最終試航大綱方案需要考慮的要點

1）脫硫試驗項目

（1）覆蓋MAPROL 取證試航大綱中脫硫系統(tǒng)所有的試驗項目。

（2）包括脫硫系統(tǒng)開式→閉式，閉式→開式轉(zhuǎn)換試驗。

2）盡量減少主機加速過程

該船采用二沖程主機，由于主機加減速由主機程序的限制，功率從75% MCR 加速到90% MCR（按轉(zhuǎn)速）需要5 min，從90%到100%MCR（按轉(zhuǎn)速）需要15 min。方案要盡量減少主機加速步驟，縮短試驗時間，提高燃油經(jīng)濟性。

3）每項試驗的時間

脫硫系統(tǒng)的煙氣和進出口海水/洗滌水水質(zhì)監(jiān)測均需要設備穩(wěn)定運行后，按照規(guī)范要求需要至少15 min[1]，經(jīng)現(xiàn)場服務工程師推薦，經(jīng)船東和船級社認可，每項試驗時間為功率穩(wěn)定后運行30 min。

4）試航的驗證工況包括

（1）單主機：100% MCR（開式和閉式）。

（2）單發(fā)電機：3×100%（開式），3×80%＋1×60%＋鍋爐100%（閉式）。

（3）并機試驗：100%MCR 主機＋3×100%發(fā) 電 機+ 鍋 爐 100% （ 開 式）； 及 100% MCR主機＋4×75%發(fā)電機＋鍋爐100%（閉式）。

考慮到直接將發(fā)電機加載到100%（開式）或75%（閉式）的功率時，船舶有部分設備可能會自動起動，導致發(fā)電機超載，輔脫硫塔煙氣處理量超過設計值，經(jīng)廠家同意，船東和現(xiàn)場船檢認可，正式試驗方案將發(fā)電機試驗負荷適當降低5%～10%。

5）試航負載的實現(xiàn)（干負載）

根據(jù)船舶電機負荷計算書，發(fā)電機組最大工況如表7 所示。

表7 發(fā)電機組最大功率（海上航行和進出港）

試航時，船舶為空載無冷箱，為了實現(xiàn)所需的負載，需攜帶負載柜。然而船廠只配備水負載；用于海上試驗安全無法滿足要求，因此需要租用干電阻負載柜完成試驗。

3.5 最終試航方案

3.5.1 所需裝備

1）干電阻負載柜（租用）

2 臺，4 010 kW(400 V)/5 770 kW(460 V)，功率因數(shù)PF＝1.0，干式，風冷，IP56。安放在主甲板機艙前部區(qū)域。干電阻采用集裝箱裝載，絕緣均＞1 M?。

2）電纜81 根，1×185 A 負載。

3.5.2 最終試航方案

試驗1：測量設備校準：尾氣排放監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）校準及證書；海水進出口監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）校準及證書，包括PH 值、PAH 值、渾濁度，洗滌水PH 值計算設定值等。

試驗2：主機100% MCR＋3×發(fā)電機90% MCR～95% MCR＋鍋爐100%（SC400 & SC200，開式），30 min。

試驗3：主機100% MCR（SC200，開式），30 min。

試驗4：3×發(fā)電機90% MCR～95% MCR＋鍋爐100%（開式），30 min。

試驗5：開式切換閉式，主機30% MCR＋3×發(fā)電機75% MCR＋鍋爐60%。

試驗6：主機100% MCR＋4×發(fā)電機70% MCR＋鍋爐100%（閉式），30 min。

試驗7：主機100% MCR（SC200，閉式），30 min。

試驗8：4×發(fā)電機70%＋鍋爐100%（開式），30 min。

試驗9：閉式切換開式，主機80% MCR＋1×發(fā)電機60%＋鍋爐100%。

另外，為了試驗脫硫系統(tǒng)的性能，船舶所加重油S 含量須為2%～3.5%，盡量接近于3.5%，以更好的驗證脫硫系統(tǒng)的性能。

4 試航試驗結(jié)果

4.1 試驗結(jié)果

所有試航項目在船東和船檢見證下完成，主要記錄數(shù)據(jù)如表8 所示。

根據(jù)記錄表格，尾氣中S 排放，洗滌水PAH值、PH 值和渾濁度滿足法規(guī)的排放要求，試驗報告經(jīng)船東、船級社認可。

表8 脫硫試航記錄

4.2 開和不開脫硫系統(tǒng)油耗比較

根據(jù)MAN B & W 的計算，主機安裝脫硫系統(tǒng)后，由于背壓的升高3 kPa＜P＜30 kPa 時，油耗會升高大約1%[4]。

由于該項目合同2013 年簽訂，屬于最早一批主機、發(fā)電機和鍋爐全套配備混合式脫硫系統(tǒng)的船舶，原型機缺乏安裝脫硫塔后對油耗影響的數(shù)據(jù)。根據(jù)船東要求，在脫硫系統(tǒng)試航驗收試驗完成后，開展主機在100% MCR 和110% MCR（按轉(zhuǎn)速）負荷下，開脫硫穩(wěn)定運行15 min 測量油耗，然后馬上切換成不開脫硫狀態(tài)穩(wěn)定運行15 min測量油耗，保證2 次試驗的海況相同，試航實測值如表9 所示。

表9 開脫硫和不開脫硫油耗結(jié)果

根據(jù)實際測量結(jié)果，開脫硫系統(tǒng)和不開脫硫系統(tǒng)實測油耗值不超過1 g/(kW·h)，如果考慮到試航時油耗測量誤差（測量時間短，海況會有細微差別），該油耗差別可以忽略不計，脫硫系統(tǒng)對于油耗幾乎沒有影響。

5 結(jié)論

船廠編制脫硫系統(tǒng)的試航方案時，試驗項目需要以廠家脫硫的試航方案為基礎，滿足驗證設計階段所對應的相關(guān)主機、發(fā)電機和燃油鍋爐對負荷工況的要求，完成規(guī)范和法規(guī)所要求的相關(guān)試驗，；同時，試驗步驟需要合理優(yōu)化，縮短試航的時間，同時試驗負荷在滿足規(guī)范要求的的同時考慮試驗的安全性，并提前準備相關(guān)的試驗設備，保證脫硫試航階段試驗的順利進行。試航試驗的結(jié)果顯示本試航方案安全，可靠，所有試航工況洗滌水的PH 值、PAH 值、渾濁度和水溫均在規(guī)范要求的限制范圍內(nèi)，滿足船級社規(guī)范和IMO 法規(guī)的要求，順利獲得船級社的產(chǎn)品證書。另外，通過試驗還驗證了脫硫系統(tǒng)的安裝對于主機的油耗幾乎無影響。