使用低硫轻油对船舶主机的影响和应对措施

大连海事大学轮机工程学院　叶朝阳　丛 岩



使用低硫轻油对船舶主机的影响和应对措施

大连海事大学轮机工程学院叶朝阳丛 岩

摘要：随着控制船舶硫排放的相关规定陆续出台，主机不得不长时间使用低硫船用轻质燃油。到目前为止，船用低速二冲程主机都是针对高硫重油进行设计和优化的，因此应考虑低硫轻油的特性及长期使用对主机的不利影响，并相应地对管理工作作出调整。

关键词：船舶主机；硫排放控制区；低硫轻质燃油；主机管理

2016年1月1日，我国船舶排放控制区（ECAs）实施方案正式生效，自4月1日起三个ECAs之一的长三角率先实施，船舶在长三角水域ECAs核心港口靠岸停泊期间应使用硫含量不高于0.5%m/m（质量分数）的燃油。随着全球和地区环境问题的日益严峻，船舶对环境的污染逐渐被关注，这导致了国际和国内相关法律法规的陆续出台。随着船用燃油最高含硫量限值不断下降，ECAs不断增加，船舶主机不得不在更长的时间段使用低硫燃油。目前船用主机大多是低速二冲程柴油机，其设计和优化都是针对含硫量较高的重油，若长期使用低硫轻油（1周或2周以上），其管理措施必须进行相应的调整。

一、船用燃油限硫背景的介绍

1.国际公约

国际海事组织（IMO）制订了《国际防止船舶污染公约》《MARPOL公约》附则VI（防止船舶造成空气污染规则），早期版本1997年议定书于2005 年5月19日生效，其中第14条对船舶使用的燃油含硫量进行了规定。随着国际社会对环保重视的程度加强，这一条款不断被修订，总体来说，《MARPOL公约》附则Ⅵ设定了两套体系的两步走原则。首先，公约要求国际航行船舶所使用的燃油含硫量不得高于3.5%m/m，2020年后这一标准将提高到 0.5%m/m。其次，公约规定各缔约国可以向IMO申请设立更为严格的ECAs，在ECAs水域内航行的船舶所使用的燃料油含硫量不得超过1%m/m，2015年1月1日后这一标准被提高到0.1%m/m。目前的ECAs包含北美海域、美国加勒比海、波罗的海、北海和英吉利海峡等。未来排放控制区将进一步扩大，墨西哥湾、阿拉斯加水域、五大湖水域、新加坡、黑海、地中海以及东京湾水域已经有提议要求划为排放控制区。[1]

2.地方性法令法规

欧盟（EU）主要通过2005/33/EC法令修正案和2012/32/EC法令修正案从技术层面上颁布了船舶排放控制的有关法令，规定了船舶燃油硫含量标准。自2015年1月1日起，EU管辖的海域开始执行2012/32/EC法令修正案的标准，即在ECAs内，船舶燃油硫含量不得超过0.10%m/m。EU法令还声明：自2020年起，ECAs外所有船舶的硫排放标准为0.50%m/m，而不管IMO的全球标准是否会推迟至2025年。

加利福尼亚空气资源委员会（CARB）颁布的燃油法规于2009年7月1日起强制实施，目前要求如下：加州沿海地区24英里海域内航行船舶燃油含硫量从2014年1月1日起船用轻柴油（DMA）和船用柴油（DMB）硫含量不超过0.1%m/m。[1]

公约/法规关于船舶使用燃油硫含量的限值要求见表1。

表1　最近燃油硫含量限值一览表

3.我国的相关法规和规定

尽管我国早在2006年8月23日就已经接受了《MARPOL公约》附则VI，然而国内始终没有出台关于船舶废气排放的强制性标准。在中国水域内航行的远洋船舶，持有国际防止空气污染证书（IAPP）的多使用含硫量在3.5%m/m左右的燃油，未持有IAPP的沿海航行船舶，则为了降低运营成本使用含硫量高达4.5%m/m或以上的廉价燃油。而我国道路车辆和陆上发动机所使用的柴油，其含硫量的标准是不超过0.035%m/m，[2]这使得我国船舶排放对环境的污染所占的比重日益增加。

2015年12月4日，交通运输部网站正式发布《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》。《方案》在环渤海水域、长三角水域和珠三角水域划定了3个ECAs，在2016年1月1日至2019年1月1日为期3年的过渡期内，逐步在ECAs范围内推广硫含量不超过0.5%m/m的燃油。2019年1月1日以后，过渡期结束，所有船舶进入ECAs必须使用硫含量不超过0.5%m/m的燃油，《方案》还明确，在2019年12月31日前，评估前述控制措施实施效果，确定是否采取以下行动：船舶进入ECAs使用硫含量不超过0.1%m/m的燃油以及扩大ECAs地理范围。

2016年4月1日起，船舶在长三角水域ECAs核心港口靠岸停泊期间开始要求使用硫含量不超过0.5%m/m的燃油。目前确定的长三角核心区域港口主要包括上海港、宁波舟山港、苏州港和南通港。长三角水域ECAs工作主要分两个阶段实施。4月1日起，要求船舶在核心港口靠岸停泊期间应使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油，鼓励船舶在靠岸停泊期间使用硫含量不高于0.1%m/m的燃油，鼓励船舶进入ECAs使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油。在第二阶段，将在评估第一阶段措施实施情况后，适时启动进一步管控措施，船舶进入排放控制区应使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油，在靠岸停泊期间应使用硫含量不高于0.1%m/m的燃油，船舶进入排放控制区应使用硫含量不高于0.1%m/m的燃油。

二、低硫燃油的特性及对主机的影响

1.船用低硫燃油的标准

船用燃料油分为馏分型燃油和残渣型燃油（船上俗称轻油和重油），这两种燃油又按产品运动黏度等性能指标的不同，进一步细分成多个品种等级。目前被广泛采用的权威分类标准是国际标准化组织（ISO）于1987年制定的ISO 8217:1987“船用燃料油规范”，历经4次修订后形成了ISO 8217:2012版本，该规范将船用馏分型燃油分为4个等级，分别为DMX、DMA、DMZ和DMB，最常使用的是DMA（船上通常称为MGO或轻柴油）、DMB（通常称为MDO或柴油）；将残渣型燃油分为RMA10、RMB30、RMD80、RME180、RMG和RMK等6个等级，船舶主要使用的是RME180（船上俗称180重油）和RMG380（俗称380重油）。我国现行有效的船用燃料油国家标准是推荐性国标GB/T17411—2012《船用燃料油》，该标准是在2012年，采用ISO 8217:2010《船用燃料油规格》标准，对1998年制定的GB/T 17411《船用燃料油》进行修订形成的。[2]

表2　ISO 8217:2012船用DMA和DMB的主要性能指标

为了满足排放标准，目前船舶运营商可以有三种选择：一是选择使用价格更高的低硫燃油；二是选择安装许可的废气清洗系统；三是选择对柴油机进行改造使用LNG作燃料。相比于后两种方案的众多局限性，换用符合标准的低硫燃油是大多数船舶在进入ECAs时的首选方案。

原油主要由碳氢化合物组成，硫是排名第三的主要元素，不同产地的原油硫含量也不同。大多数含硫原油的硫含量在1.0～2.0%m/m之间，有些则会超过4.0%m/m。硫的浓度随碳数增加而逐渐增大，因此残渣型燃油（重油）中粗馏分的硫含量要高于馏分型燃油（轻油）中粗馏分的硫含量，这也是市场上供应的重油其硫含量远高于轻油硫含量的原因。硫含量控制程度越大，相应的成本就越高，[3]炼油厂为了生产符合限硫标准的低硫重油，可能要加大技术投资，改进或更新设备，成本较高。因此尽管需求庞大，当前在全球范围内的燃油供应市场难有大量的低硫重油提供，对于大多数的船舶来说就很难加装到满足ECAs要求的重油，不得已只能加装低硫船用轻油即MGO和/或MDO。本文探讨的也是船用低速二冲程柴油主机长期使用轻油的管理。

2.轻油的特性和对主机的影响

和重油相比，低硫轻油具有发热值高、密度低、黏度低、润滑性差、闪点低和含硫量低等特性。其对主机的影响主要有下述几个方面。

（1）低黏度的影响

ISO 8217:2012中DMA对黏度要求在2～6cst@ 40℃范围内，DMB的黏度范围为2～11cst@40℃，目前主流的二冲程主机，其燃油喷射黏度推荐值为10～15cst，低硫轻油过低的黏度会破坏高压油泵、喷油器等这些运动部件的润滑油膜，从而引起润滑性能降低，磨损加快，严重时可发生偶件咬死等故障；过低的黏度还会加大高压油泵、喷油器原本在使用高黏度重油时不太明显的内漏量，这可能会导致喷油器喷油滞后和喷油量降低，严重时主机会起动困难，低负荷时转速不稳定。

（2）低含硫量的影响

燃油中所含的硫在燃烧过程中会转化成三氧化硫，三氧化硫和水可以形成硫酸，当缸套温度低于硫酸和水的露点时，缸套壁上就会凝结腐蚀性硫酸混合物。换用低硫轻油后，如果继续使用高碱值的汽缸油，由于低硫轻油产生的酸性物质相对较少，酸性燃烧产物将被完全中和。虽然酸性燃烧产物对缸套有腐蚀作用，但适度的腐蚀对缸套润滑是有益的，适度腐蚀可以使缸套表面的石墨层保持蓬松，有助于润滑油的附着和分布。缸套表面会因缺乏酸性腐蚀而关闭石墨层，这降低了汽缸油的附着和分布能力，使边界润滑能力降低，磨损将急剧增加。此外，大量过剩的碱性添加剂燃烧后产生碳酸钙颗粒沉积在活塞头和活塞环处，导致缸套和活塞环产生颗粒磨损，引起活塞环卡阻、失去弹性甚至断裂。长期使用后，这些燃烧产物还会污染增压器喷嘴环、涡轮叶片、废气锅炉等设备，造成严重后果。

（3）硅铝化合物的影响

低硫轻油中硅、铝含量较高，现代石化工业中，为了提高轻质燃油的产量，采用催化裂化技术，原油炼制过程中加入含有硅和铝元素的催化剂，成品油中催化剂的硅、铝颗粒很难全部分离出来。[4]硅和铝颗粒像磨料一样，如果进入燃油系统会加速高压油泵柱塞套筒偶件磨损、出油阀卡阻、喷油器针阀偶件磨损；进入燃烧室，会沉积在活塞头和活塞环处，产生和上述汽缸油碱性偏高一样的后果。

三、应对轻油不良影响的措施

1.低黏度

柴油机生产厂家针对主机长期换用低硫轻质燃料大都提供了技术支持，对燃油进机最低黏度通常建议是2cst，参照ISO 8217:2012 标准可知，船用轻质燃油如果使用温度超过40 ℃，则其黏度可能低于2cst。船舶机舱内环境温度较高，一般可达45 ℃左右，再加上燃油经过主机后回油温度可达55 ℃，因此低硫轻质燃油很难保证其进机黏度能满足主机的使用要求。虽然可以同时优化所有可控因素，保证进机黏度符合2cst的要求，但是在实际操作中难度较高。为了使进机黏度始终达到要求，可以考虑通过添加辅助冷却设备降低燃油温度，从而提高黏度。成功装船使用的冷却装置有很多类型，目前应用较多的是一种被称之为“船用冷水机单元（marine chiller unit）”的装置，[5]该装置主要由制冷系统、泵水系统、轻油冷却系统和控制系统组成。制冷系统制取的低温冷冻水，经泵水系统中的循环水泵送至轻油冷却系统中的水油换热器，冷冻水与轻油进行热交换，将轻油的温度降低获得需要的设定黏度。这种系统可以使燃油的黏度得到精确控制。此外冷水机组也可以长期运行在低负荷工况，可靠性好，即便发生泄漏，对燃油系统的影响也比较小。

2.低含硫量

为了获得满意的缸套润滑，必须选用与燃油含硫量相匹配的汽缸油，当主机使用高硫的重油时，使用高碱值汽缸油（70～100BN）；当主机使用低硫的轻质燃油时，使用低碱值汽缸油（15～40BN）。最简单可靠的方法就是设置两套汽缸油供油系统，两个汽缸油日用柜分别加注不同碱值的汽缸油；对于没有配备低碱值汽缸油系统的船舶，在换用低硫燃油时，可根据相关的指导手册，对汽缸注油率进行调整。减少注油率后应及时通过扫气口检查缸内的润滑情况，根据缸内实际润滑情况调整注油率。也可通过扫气室底部的放残阀进行取样化验，对缸内状况进行评估，由于放残物主要由活塞环从缸壁上刮下的汽缸油组成，通过分析剩余碱值便可知注油率是否合适；降低注油率可能会导致不正常磨损，通过分析放残物中铁的含量可以协助判断缸套磨损是否正常。

目前市场供应的低碱值汽缸油主要有3种不同碱值水平（17、25和40BN），而燃油供应商提供的低硫油中硫的含量是多变的。为了获得理想的汽缸油碱值与燃油含硫量的匹配，管理者可能经常需要进行调整，而且有些情况下这种调整很难达到满意。例如，曼恩公司的一份针对低硫燃油运行管理的指导意见建议：使用硫含量0～0.5%m/m的燃油，应选择15～24BN的汽缸油；0～1.0%m/m的燃油选择25～34BN的汽缸油；0～1.5%m/m的燃油选择35～40BN的汽缸油；高硫燃油选择70～100BN的汽缸油，实际管理中船舶很难配备如此全面的汽缸油供选择。当没有合适汽缸油供选用时，使用电子注油器的主机可根据含硫量调整注油率来进行短期的临时使用，而配备双汽缸油供油系统的主机，只能采取就近原则了。一项称为“在线调和”的技术可以解决上述难题，[6]目前该技术已在实船使用，在线调和（Blending on Board，简称BOB）的基本工作原理和流程是：引出部分在用主机系统油并检测油质，根据检测结果和主机对汽缸油的要求，加入BOB 复合剂，通过自动控制系统调和成任意目标碱值的汽缸油，以适应不同硫含量燃油对不同碱值汽缸油的需要。此外，BOB技术还降低了汽缸油采购费用，改变了传统系统油废油的处理方式，系统油的质量可以长期保持在较高的水平，从而改善主机滑油系统工况，降低管理者维护保养的工作量。

3.硅铝化合物

ISO 8217:2012标准没有对船用轻质燃油的硅铝化合物含量进行限制，控制燃油进机前的硅铝化合物含量只能依靠船舶对燃油净化工作的管理。根据燃油密度选择合适的比重环，调整分离温度、流量和排渣间隔时间等参数，增强分油机的分离颗粒的效果。在不影响燃油进机压力和流量的前提下，燃油进机滤器可以考虑更换过滤精度较高的滤芯。

四、主机使用低硫轻质燃油的管理

1.防止燃油出现不相容现象

如果两种不相容的燃油混合在一起，油中沥青的平衡状态有可能被破坏，产生泥渣沉淀，堵塞管路滤器等，因此加油时要尽量避免不同产地、不同规格的轻油混合在一起。然而实船管理中很难做到，比如欧美ECAs要求硫含量不得高于0.1%m/m，我国要求硫含量不得高于0.5%m/m，如果经常航行在这些航区，再加上低硫油舱数量布置少，混油则很难避免，这时可以咨询供应商，必要时进行相容性试验。

2.加强轻油净化

相当一部分轮机管理人员对轻油的净化有一个传统的认识，认为轻油不需要分离净化可以直接使用。在没有硫含量限制的区域航行，这或许是可行的，因为主机很少使用轻油，即便是进出港和靠泊等机动操作，主机仍然是使用高硫重油。可是如果是长时间使用低硫燃油，硅铝化合物颗粒对主机的不良影响则必须重视，应采取相应的有针对性的净化管理措施。

3.轻、重油切换操作的管理

高硫重油通过加热得到合适的黏度，其进机温度通常会达到110～130 ℃；而低硫轻油则需通过降温得到合适的黏度，如果安装了船用冷水机装置，其进机温度通常在18 ℃左右。[5]轻重油的切换意味着高压油泵、喷油器等燃油喷射设备在较短时间内，从高温运转环境转换到低温运转环境，或从低温到高温环境。如不采取措施控制温度变化速度，喷油泵的进油阀和套筒柱塞偶件、喷油器有可能发生卡阻或拉毛。从低温的低硫油切换到高温的高硫油，尤其要注意温度变化梯度。当相对冷的燃油喷射系统组件被引入高温燃油时，会轻微膨胀，例如高压油泵柱塞套筒偶件，开始阶段柱塞的膨胀量会大于套筒的膨胀量，这使得偶件之间的间隙变小，极易导致卡阻，甚至咬死。反向操作可能不会那么敏感，因为柱塞的收缩量偏大会使得偶件之间的间隙变大。

如果没有燃油自动切换系统，手动换油时应参考主机制造商提供的操作指南，注意加热器、冷却器和伴热管的开关时机，控制黏度和温度的变化梯度，多数主机制造商都建议温度变化梯度控制在2 ℃/min以下，曼恩公司还建议燃油切换需在低负荷（25～40%MCR）工况以可控的方式进行。

4.注意主机轻油启动工况

换用低温低硫轻油会增加喷射组件内漏量，严重时可能会导致启动困难，而在使用低硫油的控制区内，通常水域和码头状况比较复杂，因此在得知需要进入ECAs后，应根据主机工况抓紧进行主机轻油启动试验，检查主机“DEAD SLOW”运转的稳定性。即将进入ECAs时，在完成重油到轻油的转换后，情况容许的情况下，应第一时间进行正倒车启动试验。

五、结语

在非ECAs航行的船舶，只有出现一些特殊情况（比如主机燃油系统需要长时间检修，或是燃油加热系统故障），主机才在较短时间段使用轻油。随着燃油含硫量上限越来越低，ECAs越设越广，主机不得不长时间使用原先很少使用的低硫轻质燃油。轮机管理人员应参考主机制造商相关的技术建议，依据实际状况，在管理方法上作出适当调整。

参考文献:

[1]刘训伟.论进入SECA区域硫份燃油的操作新要求[J].航海, 2015(1):57-61.

[2]宋艳媛.船用燃料油及其标准分析[J].船舶标准化与质量, 2015(2):23-25.

[3]国际清洁交通委员会.石油炼制以及超低硫汽油和柴油燃料生产简介[R].马里兰州贝塞斯达市:国际清洁交通委员会, 2011.

[4]陈建良.船舶低硫油的使用和管理[J].珠江水运,2013(9):65-67.

[5]杨兴林.远洋船舶低低硫燃油冷却系统研究[J].柴油机,2014 (3):35-37.

[6]孙化栋.主机汽缸油在线调和技术应用分析[J].柴油机,2015 (2):47-49.

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.06.002

作者简介：叶朝阳（1970—），男，高级轮机长，E-mail: yesailing@163.com