柴油机换用低硫燃油的实例探析

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(1.福建福通对外经济合作有限公司,福州 350000；2.福建永佳船务有限公司,福州 350000)

随着国际海事组织(IMO)将MARPOL Annex VI 中大气污染物扩大到对更多大气排放物的控制ECAs(emission control areas，ECA)，意味着大气污染物由原来的SOx的排放控制扩大到如NOx排放等[1]。并形成了明确的执行时间表，见图1。

图1 国际海事组织海洋环境保护委员会第57次会议和加利福尼亚洲燃油含硫量限制实施时间表

自2009年7月1日该规则开始实施以来，美国海岸警卫队第 11 区的记录显示，与切换使用燃油有关的推进系统故障显著上升。旧金山沙洲引航协会报告表明，发生柴油机故障、柴油机无法启动及柴油机速度不稳定影响操纵性的问题明显增多。因此，有必要重新分析、审视低硫油使用中可能涉及的风险和可能后果。

1 柴油机换用低硫燃油的操作风险

由于船舶原先使用的是重燃料油(HFO)，因此发动机和锅炉使用的油品需要从HFO切换为MGO或MDO。当换用低硫燃油时，对操作方面潜在影响的因素是：润滑性下降，粘度低，闪点低，酸度低，催化剂细粉末含量低，或点火及燃烧性能低。发动机可能发生几种问题。其一是由于温度急速变化且低硫燃油的润滑性较差，燃油系统可能发生热冲击。这会造成燃油阀、燃油进口阀和燃油泵活塞的卡滞、磨损，从而导致主发动机机熄火，引发操纵性的问题[2]。有切换燃油要求的水域往往是环境敏感地区，存在多种航行风险，而且潮汐和水流作用较强。

在不考虑对大气环境影响的情况下，适当的燃油硫含量对现有机器的日常管理是有益的。而使用低硫油后，低硫油的贮存保管、理化特性以及燃油的燃烧特性与传统重油相比，有很大变化。具体表现在如下。

1)较差的发火/燃烧性能。低硫油进行脱硫后导致燃油成分中烃类含量变化，从而降低了低硫油的发火燃烧性能，大气污染物(不完全燃烧产物)的排放量随之增加。未来柴油机技术、日常管理将随之改变。

2)低的润滑性能。低硫油本身润滑性能不如传统的重油。此外，燃油中的硫在机器内进行燃烧反应时，同燃油中的其它成分产生的化学物质有一定的润滑作用。随着燃油中的硫含量降低，燃烧产物中的润滑性能也会降低。低硫油润滑性能降低会带来主、副机高压油泵、喷油器等柱塞偶件以及燃油泵的磨损甚至咬死。为此，国际标准化组织对燃油的润滑性能制定了相关标准以及测试方法(ISO 12156-1)，要求燃油商提供的燃油润滑性能为460～520 μm。如果低硫油的润滑性指标不在以上范围内，可以要求燃油供应商添加燃油润滑剂。

3)不相容性。两种不同的燃油混合时会带来燃油不相容，产生沉淀、分层堵塞管路滤器等。蒸馏的低硫油与其它的重油相容性很差。传统的重油中含有较多的芳香烃成份以及沥青，这些成份与柴油、低硫油混合后稳定性很差，将会产生析蜡和质量很大的油泥。

4)低硫油对目前船舶设备潜在的影响。由于ULSFHO含硫量降低，燃烧产物中的酸性物质较少，要求滑油的碱性降低。尤其是目前美国陆用低硫柴油含硫量只有15 mg/L，如果仍然使用BN70的气缸油，过高碱性的滑油将会带来缸套等运动部件磨损、拉缸等事故。过高碱性的滑油没有被机器内的燃烧产物中和掉，会在燃烧室上、活塞环槽内沉淀大量坚硬钙镁化合物。

5)低硫油的净化。通常情况下，MGO轻油可以不需要分油机净化处理，然而有些机器制造商推荐净化处理。净化操作应该按照分油机厂家指导进行。至于像硅、铝化合物的触媒颗粒，燃油的热裂化提炼过程是在500 ℃的高温分离塔中通过触媒裂化分解，大量的触媒颗粒存在于蒸馏物中。触媒对于燃油的终端产品会产生负面的影响，对机器运动部件产生磨损。船上减少触媒颗粒的方法是燃油沉定柜加热、放残以及进行离心分油机净化处理。

2 柴油机换用低硫燃油的探析

2.1 制定合适的换油操作程序

低硫燃油的特性对管理提出了新的要求，特别是高、低硫燃油转换使用过程中，燃油-低硫油转换操作程序应作如下考虑。

1)由经验丰富、技能良好的轮机员对燃油系统安全有效的转换进行评估。

2)考虑到燃油日用柜、沉淀柜的设计布置情况，决定转换操作时是否混油。1998年以后建造的船舶，按照SOLAS公约要求，有2个日用柜和多个储存柜，在很多情况下，有一个日用油柜是轻油柜而不是重油柜，当这个油是MDO或MGO时好操作，在装LSFHO时就像MGO转换操作一样，这是这种设计的优点。

3)开始进行转换操作时，建议降低主机负荷，典型的情况是在30%～70%MCR进行转换操作。具体情况要依照船舶推进装置的特点进行选定。

4)避免燃油系统温度变化过快。设备制造厂家对温度变化要求一般不高于2 ℃/min，正常情况下以主机燃油进机温度150 ℃为例，MGO温度40 ℃，按照2 ℃/min的要求进行操作，完成转换过程需要55 min，接近1 h。很多船舶采用3通阀直接转换，燃油在混合油柜中快速流动，会导致MGO过热气化，过快的从MGO转换HFO, 由于过冷的MGO使HFO温度降低过快堵塞滤器导致主机停车。因此，转换系统不得不进行修改，安装自动转换装置。

5)为了保证低硫油的进机粘度不低于设备要求的最低粘度，燃油系统安装冷却器，冷却旁通阀保持常开，进行转换操作时在关闭。

2.2 低硫燃油转换的实船操作程序

以下为笔者在“台扬”船(M.V.TAI HAWK)结合厂家、船舶操作实际情况而制定的高硫份到低硫份的转换程序。

1)低硫油舱(S≤1.5%)应和其它油舱保持隔离(4.5%>S>1.5%)，第三燃油舱则用来补给低硫燃油。

2)重油沉淀柜容量18.5 m3(实际15 m3)，重油日用柜的容量19.4 m3(实际容量16 m3)，重油溢流柜的容量14.3 m3，主机燃油管系统的容量0.15 m3，主机的燃油消耗30 t/d(1.25 t/h)；辅机燃油管系统的容量：0.05 m3，辅机的燃油消耗：1.8 t/d(0.075 t/h)。

3)一旦船舶确认进入低硫控制区域(ECA)，下列程序必需执行(高硫燃油硫份是3.2%，低硫燃油硫份是1.2%)。

①进入硫份控制区前24 h，停止正常油舱驳油到重油沉淀柜，记录到轮机日志。

②当重油沉淀柜里的高硫燃油被消耗，(从15 m3到用空大约需要12 h)，停止燃油分油机，驳运低硫燃油到重油沉淀柜，记录到轮机日志。

③当燃油日用柜里高硫燃油剩下5.0 m3，启动燃油分油机，直到燃油日用柜达到15 m3，停止分油机。

混合前高硫燃油硫份值为5.0×3.2%=0.16；

低硫燃油的硫份值为10.0×1.2%=0.12；

混合后的混合燃油硫份值S1为

S1=(0.16+0.12)÷(10+5)=1.87%。

④当混合燃油从15 m3消耗到5 m3，(约8 h)，启动燃油分油机，直到燃油日用柜达到15 m3，停止分油机。燃油日用柜里混合的硫份值S2为

S2=(5×1.87%+10×1.2%)÷(5+10)=1.4%。

⑤离开硫份控制区域后，改回到正常油舱。

4)如果从高硫到低硫转换时间来不及，沉淀柜里的高硫燃油可以放到燃油溢流柜。然后转驳到第一舱或第二舱。

2.3 锅炉换油操作的分析

由于锅炉的最初设计不是使用MGO之类的轻油，所以对锅炉使用低硫油的时候，不仅要依照设备厂商的要求做相应的修改，同时要注意以下事宜。

1)船东和经营人要对锅炉及附属设备对燃烧低硫油存在的风险进行评估，确认是否需要添加设备或修改管路以便适合燃烧低硫油，以及相关的操作程序。制定操作低硫油操作程序放在船上，这是ISM审核时要求。

2)对于初始设计使用HFO/MDO的燃油锅炉应该注意如下事宜[3]。

①锅炉在冷态初始状态燃烧MGO时，要考虑燃烧MGO时蒸汽负荷达不到要求。

②对锅炉雾化油嘴进行重新评估，以前的雾化油嘴不适合燃烧MGO，可能导致火焰熄灭，应该同厂家联系制定安全措施。

③MGO可能会在旋转杯上结碳，需要采取防热措施避免结碳；此外，锅炉燃油—低硫油转换时，同样要考虑油的相容问题。

④目前船舶燃油管路系统中的伴热管是为燃烧HFO设计的，不适合MGO，MGO如果在目前的锅炉管系中流动，可能会气化，这样流到锅炉燃烧器的油是不连续的，导致火焰不稳定或者熄灭，应该考虑添加单独的低硫油管路。

⑤目前船舶锅炉油泵适合HFO，使用MGO会带来吸入困难。

3 结论

船舶在ECA区域换用低硫燃油操作的关键是熟悉设备厂家的指导说明，结合油品特性，对管理细节进行相应的调整，才能最大程度地保障机器设备在低硫燃油的环境下安全稳定使用，最大程度地保障船舶的安全运营，减少故障。

[1] 关于船舶在欧盟国家使用低硫燃油新规定的通函[R].中国船东互保协会,2010.

[2] 周兰喜.船舶低硫燃油的使用对船舶设计的影响及对策[J].江苏造船,2011(4):36-38.

[3] 孙文广,王宗涛,张金良.船舶锅炉低硫燃油使用分析[J].船海工程,2011(2):84-85.