船舶硫排放控制对轮机设计的影响

郭林丽

（上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 背景

船用燃料在燃烧后，会产生含硫的产物，统称硫氧化物（后文简称SOx），这些物质会以废气的形式排放到大气中。而SOx中的SO2，氧化后形成酸雨，对环境会造成巨大的威胁。据挪威向国际海事组织（IMO）提供的资料表明，船舶年排放 SOx达634万吨，约占世界排放总量的4%。因此，船舶废气排放给环境造成的污染已经到了不容忽视的地步。国际海事组织近年来也制定了一系列政策，力图对船舶硫排放进行控制。

下面就近期集中生效的对船舶废气排放中硫含量的控制要求给轮机设备及系统设计带来的影响做简单阐述。

1 SOx排放控制要求

国际海事组织海上环境保护委员会（MEPC）57/58次会议对MARPOL 73/78附则Ⅵ做了修改，将SOx排放的限制根据不同区域，按照年限分成了三个阶段，见表1。

此项修改对2010年3月1日之后行驶在SECA以及2012年1月1日之后行驶在其他区域的船舶，将不能继续沿用之前MARPOL 73/78的要求，需将燃油中的硫含量进一步降低。

在此基础上，欧盟法令2005/33/EC对2010年1月1日起停靠欧盟港口超过2小时的船舶，限制其使用的单位质量 （by mass）燃油硫含量不能超过0.1%m/m，加之2012年1月1日起加利福尼亚海岸线24海里范围内的低硫排放限制， 要求不仅锅炉和柴油发电机在停靠欧盟港口时要使用含硫量低于0.1%m/m的燃油，主机在指定的加利福尼亚海域也要能够使用这种低硫燃油（船用轻柴油）。

表1 SOx排放限制

2 船用轻柴油的配置方案

新规则的出现，各厂商都在第一时间做出了反应，对于即将使用的船用轻柴油都给出了各自的推荐。

由于船用轻柴油粘度低，因此其润滑性也会比较差，这两方面给用户带来较大的影响。

2.1 主机

根据ISO 8217船用燃料标准，船用轻柴油（DMX）的最低粘度在40℃时最小为1.4 cSt。按照主机厂商MAN的要求，主机进口船用轻柴油粘度要在2 cSt以上，此时温度约为22℃。因此，主机厂商推荐在主机进口前增加一个冷却器用来降低船用轻柴油温度以达到其需要的粘度，详见图1。

图1 主机燃料油日用系统

2.2 锅炉

对于不能直接使用低粘度船用轻柴油的燃烧器，选择使用冷却器来提高燃料的粘度。冷却器装在船用轻柴油舱的出口。根据目前的情况，锅炉厂商AALBORG与SACCKE均可在锅炉上配备能够直接使用低粘度船用轻柴油的燃烧器，这样对系统的外部设计影响就较小，只需增加一套船用轻柴油泵组及其相关管路。

2.3 柴油发电机

目前，柴油发电机对船用轻柴油进机要求与主机相似，均要求船用轻柴油粘度达到2 cSt以上。

3 低硫燃油对轮机设计的影响

3.1 舱柜

在船舶设计初期，需增设低硫油舱。

对于航行在 SOx排放控制区 （SOxEmission Control Areas,简称SECA）所需使用的低硫燃油舱，可选一套高硫燃油舱（包括储存舱、澄清舱和日用舱）作为其备用，以便船舶在船舶进入SECA区之前就可以用低硫燃油冲洗燃油供给管路，这样就不必单独设置一套低硫油舱。

对于停靠欧盟港口及航行在距离加利福尼亚海域24海里范围内的船舶，需设置一个船用轻柴油舱。由于船用轻柴油的闪点较低，布置时尽量不要使船用轻柴油舱与温度较高的舱（如燃油日用舱和澄清舱）相邻。船用轻柴油舱容量需根据停靠欧盟国家港口的时间及通过加利福尼亚海域航行的时间来确定。

当主机燃烧使用的燃油中硫含量的降低时，其汽缸油中的碱值也需降低，以防止过剩的碱值使缸套表面形成镜面，破坏油膜，反而增加缸套的磨损或者导致活塞结碳。因此，建议船舶配有两个汽缸油储存舱，一大一小，用于存储不同碱值的汽缸油，两个汽缸油日用柜与之配套。

3.2 管路及设备

3.2.1 冷却器安装位置对系统的影响

为了降低船用轻柴油的温度，将其粘度提高到2 cSt以上，管路上需增加一台冷却器，安装位置不同，会给其他设备带来不同影响。

1）冷却器安装在设备进口

这样布置的优点就是对于控制设备进口处船用轻柴油的粘度既直接又方便，但对冷却器前的设备（如供油单元系统中的供给泵和循环泵）的要求会有所提高，低粘度的船用轻柴油对这些泵的润滑性也会大大降低。

2）冷却器安装在循环泵前

将冷却器安装在供油单元的循环泵前，船用轻柴油粘度的变化对设备和循环泵都不会产生影响，只需考虑低粘度船用轻柴油对供给泵的影响即可。

3）冷却器安装在船用轻柴油舱出口

若使整个供油系统都不受船用轻柴油的低粘度影响，冷却器可装在船用轻柴油舱的出口。但设备的高温回油与冷却后的船用轻柴油在供油单元中混合后，就很难控制进入主机的船用轻柴油温度及粘度。

在目前的设计中，为了节省经济成本和空间，主机和柴油发电机通常共用一个供油单元。船用轻柴油舱出口的冷却器可供主机、柴油发电机、锅炉以及分油机共用，另在主机和柴油发电机回油总管路上或供油单元出口的管路上再加一台冷却器，即可满足所有上述设备对燃料油粘度的使用要求。

3.2.2 冷却器及制冷机

由于该冷却器是用来冷却油类，因此我们建议尽量使用淡水冷却，以防止船用轻柴油一旦泄露污染海洋。当36℃冷却淡水不能提供足够的冷量来冷却船用轻柴油时，可再增加一台制冷机，将所需温度的低温冷媒淡水送至冷却器冷却船用轻柴油，详见图2。

图2 船用轻柴油冷却系统

3.2.3 燃油与船用轻柴油的转换

经过冷却后的船用轻柴油，进机温度按照要求，约为22℃，而重质燃油的进机温度约为135℃。在燃油和船用轻柴油转换时，若船用轻柴油和燃油直接完全转换，高温差将引起设备内部短时间内膨胀量变化过大，造成设备的损坏。因此，除上述的冷却器设置外，还需在靠近设备进口处增加一全自动粘度控制器，让温度较低的船用轻柴油慢慢加入到燃油中，在转换过程中保证每分钟进机燃料温度变化满足设备厂商的要求，不超过2℃。由于转换油品温度变化范围的限制，燃油与船用轻柴油转换的时间会很长。因此在进入指定区域前，还需预留足够的时间做油品转换准备，在考虑船用轻柴油舱容积时也需将转换过程中消耗的船用轻柴油考虑进去。

4 结语

控制低硫排放的要求在一定程度上增加了设备、设计等建造成本，但我们应立足长远，积极打造绿色航运。相信在不久的将来，还会有更加完善和优化的方案可供设备商和设计人员选择。