船舶低硫燃油系统的应用分析

2012-01-22，,2，

船海工程 2012年3期

，,2，

(1.南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏南通 226005；2.大连中远造船工业公司，辽宁大连 116052)

近年来随着国际气候、海洋环保力度的加强，一系列关于船用燃油中硫分含量的新规相继出台或实施。MARPOL73/78规定，自2015 年1 月1 日起，在SOx排放控制区域内(SECA)时，船舶使用燃油的硫含量的质量分数应不超过0.1%。而欧盟法令已于2010年1 月1 日起，在欧盟港口单边强制实施船舶使用硫含量不超过0.1%的质量分数低硫燃油(以下简称：低硫燃油)。

低硫燃油种类主要集中在船用汽油(MGO)和少量的船用轻质柴油(MDO)。MGO相当于ISO8207中DMA和DMX两种燃油牌号的市场统称，MDO通常指ISO8207中DMB牌号燃油。低硫燃油具有粘度低、闪点低、易挥发等特性，这些特性在船舶的传统设计中并未涉及。本文对低硫燃油特性进行分析，并结合其特性对低硫燃油系统的关键技术进行探讨[1]，综合比较各种实船设计方案，提出一种最为经济实用的低硫燃油系统的方案设计。

1 低硫燃油特性及其关键技术

1)粘度低。传统柴油机推荐燃油运动粘度为10～15 mm2/s，而低硫燃油运动粘度大部分在2～4 mm2/s。

2)闪点低。有些低硫燃油闪点可能低于SOLAS公约要求(即低于60 ℃)。

3)润滑性能差。燃油中的硫分有润滑作用，低硫燃油硫含量非常低，导致润滑性能差。

由于低硫燃油的上述主要特性，因此，在船舶低硫燃油系统的设计中，要重点考虑如下几个方面的关键问题。

1.1 驳运和注油设备

低粘度、润滑性差对驳运系统的泵、阀等设备有较高要求。粘度低、润滑性差可导致驳运泵、燃油阀等运动部件加快磨损，甚至发生咬死等事故，使用低硫燃油前需要事先进行确认。当前船舶燃油驳运系统中，多采用齿轮泵的设计，与螺杆泵相比，齿轮泵存在容积效率低、齿轮易磨损、压力不稳定、流量脉动大、振动噪音大等不足；同时粘度低也会导致泵流量大幅减少，不适宜输送低硫燃油。因此推荐采用螺杆泵替代齿轮泵的设计。

1.2 柴油机、锅炉相关

在柴油机中，含硫的燃油燃烧时生成硫酸会附着在汽缸套表面产生强烈的酸腐蚀，而适当的酸腐蚀可在缸套表面形成对汽缸运动有利的石墨薄层，通过采用碱性中和方法可以适当控制酸腐蚀。

传统重油含硫量高，产生酸性硫化物多，控制中和的碱性气缸油碱性较强。如采用低硫燃油，则酸性变弱，若原汽缸油碱性不变，则二者中和后，会成碱性，使缸套表面形成镜面，油膜难以附着，增加缸套磨损，也会导致活塞头及活塞环间严重结炭。因此，需要选择合适的低碱值汽缸油对应低硫燃油。

在锅炉以往设计中，燃烧器、燃烧控制系统、油泵等通常按重油标准来配置。低硫燃油闪点低、易挥发，锅炉停后，炉膛内还会弥漫可燃气体，为彻底清除炉膛内可燃气体，须延长锅炉预扫风和后扫风时间，修改安全控制程序。另外，火焰探测装置对不同燃油如重油和低硫燃油在炉膛内有不同火焰闪烁频率，要求火焰控测器能正确设置以识别不同火焰，确保锅炉安全运行[2]。

1.3 燃油储存

闪点低使得低硫燃油易燃易爆，对船舶加油、驳运、尤其是储存中产生重要影响。

在燃料油舱的布置中，低硫燃油和重油等各类油品要设置独立油舱。由于重油储存舱通常维持在40～50 ℃，重油日用舱在80 ℃左右，而低硫燃油闪点低，仅略高于60 ℃,因此，在油舱布置时，原则上应注意低硫燃油舱不能与重油日用舱相邻，并尽可能避免直接与重油储存舱相邻。

1.4 燃油切换控制

通常，使用低硫燃油的船舶备有3种燃油：①低硫燃油，用于硫排放控制(SECA)区； ②轻质柴油，用于内河、近海等航区；③重油，主要用于深海航区。

燃油间切换应注意温度的控制。由于重油需加热温度较高(80 ℃左右)，而低硫燃油不加热，柴油机进行重油及低硫燃油切换时，较大温差混合引起的温度-粘度波动会导致柴油机燃油喷射泵、喷射器等设备拉伤、卡死。MAN柴油机要求在燃油切换时，温度变化要控制在2 ℃/min以内。

考虑到管路中燃油的置换和冲洗，在重油切换至低硫燃油前，可先切换至轻质柴油, 即切换程序为重油、轻质柴油、低硫燃油。这样，重油与轻质柴油间属于传统的燃油切换，而轻质柴油与低硫燃油间由于温差很小，也可以实现直接简单的手动切换。为了安全考虑，实施手动切换时主机功率应尽可能设置在25%～30%MCO之间，通过延长切换时间，保证切换过程的平稳、可控。

为了实现主机高负荷下，重油和低硫燃油间的快速切换，推荐使用温度传感器自动控制切换阀的开度，以满足温度变化要求。油温、粘度、油温变化率、切换阀开度与时间关系参考案例见图1。

图1 各个参数在燃油切换时间下的对应关系

2 燃油市场供应分析

根据ISO8217标准，对比最新2010年版与2005年版的粘度、硫含量、闪点,见表1。

表1 船用燃油标准ISO8217-2010与ISO8217-2005对比

由表1可见，DMA最小运动粘度由2005年的1.5 mm2/s修改为2010年的2.0 mm2/s，同时也明确了DMB最小运动粘度为2.0 mm2/s，而且增加了DMZ牌号。DMZ除了其运动粘度最小为3.0 mm2/s外，其它参数指标与DMA完全相同，ISO8217更新体现了适应MARPOL73/78最新规范要求和燃油市场、设备性能实际情况的综合考虑。

从ABS燃油的硫含量和粘度表(见表2)和DNV对实际低硫燃油市场的调查图(见图2)可见，低硫燃油运动粘度范围在2～6 mm2/s之间，其中3 mm2/s以上的占了约59%。

表2 典型燃油的硫含量和粘度

为适应低硫燃油的市场需求，燃油供应商也在积极开发高粘度的低硫燃油，壳牌公司可以提供运动粘度高达14.8 mm2/s的低硫燃油，性能指标见表3。

图2 2009年DNV的低硫燃油市场调查

性能指标船用汽油WRD 0.1%S混合物MDFISO8217要求DMB15℃密度/(kg·m-3)883≤920≤90040℃运动粘度/mm2·s-114.8 ≤13.0≤11.0闪点/℃>100 <62<60硫份%0.09≤1.80 ≤2.00水份/(mg·kg)<1 000<2 500<3 000残炭的质量分数//%<0.05<1.50<0.28灰份的质量分数/%<0.005<0.020<0.010

国内市场GB252-0牌号轻质柴油规定含硫量的质量分数低于0.2%,运动粘度20 ℃时在3.0～8.0 mm2/s、之间，根据我公司近百艘船的加油记录，国内0号柴油的实际运动粘度范围基本在2.5～3.0 mm2/s、40 ℃之间，含硫量的质量分数基本在0.02%～0.20%之间，部分满足低硫燃油要求。

3 低粘度解决方案

解决低硫燃油的低粘度问题，是船厂工程应用设计的关键。目前，根据本公司的工程应用实践，比较成熟的方案有如下几种。

3.1 选择高粘度的低硫燃油

在实际使用过程中，燃油供给和循环系统中运行的驳运泵和柴油机对燃油有循环加热作用, 根据设备厂家提供的发热量换算和实船验证, 可以得出在特定苛刻条件下，燃油进机温度可能会达到60 ℃。具体温升值根据设备选型和系统设计的不同会有所差别，如采用MAN-ME型主机，其对循环燃油的加热作用会大幅降低。实际进机温度的提高，将进一步降低低硫燃油的运动粘度，其关系曲线见图3。

基于上述研究和市场调查，发现选择高粘度的低硫燃油完全可以满足相关设备的最低粘度使用要求。具体粘度值归纳如下：

图3 MAN低硫燃油温度与运动粘度关系曲线

40 ℃运动粘度大于等于3.5 mm2/s。

40 ℃运动粘度大于等于3.0 mm2/s(仅适用ME型主机)。

3.2 CHILLER式冷却

目前市场上采用CHILLER式冷却的方案较多，其中有的是直膨式系统冷媒直接冷却；有的是通过冷水机组，利用冷冻水冷却低硫燃油。有的是对管路燃油进行在线冷却；也有的是对低硫燃油舱进行整体冷却。虽然方式各种各样，但其共同点是有CHILLER压缩机冷却装置。CHILLER式冷却可以将低硫油冷却到很低的温度，从而能够保证将低硫燃油的进机粘度提高到MAN推荐的3 mm2/s以上，但设备初期投资费用大，电力消耗大、设备外形尺寸大，管系复杂，不利于机舱布置，使用维护成本高。

3.3 海水冷却

该方案在燃油供给泵/循环泵前设置板式热交换器，冷却方式为海水冷却。该方案系统布置相对简单，新增设备少，初期投资和使用维护成本均较低。为了控制可能出现燃油通过板换泄漏到海水的风险，可采用双层钛板片，或者在海水管路中增设油分检测报警。另外该方案虽然无法将低硫油冷却到极低的温度，但目前SOx排放控制区域(SECA)的海水温度不是很高，通过海水冷却达到需要的最低粘度2 mm2/s以上，完全没有问题。