散货船低硫油系统设计与应用

郑英男

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200030)

1 设计背景

MAPOL 73/78公约附则 VI2008修正案已于2010年7月1日起强制生效，其中规定自2010年7月1日起，船舶在SOX(硫氧化物)排放控制区域内(SECA)使用的燃油硫含量不应超过1.0%m/m，2015年1月1日及以后不超过0.1%m/m。而欧盟港口则自2010年1月1日起实施船舶强制使用低硫燃油法令2005/33/EC，明确规定在欧盟港口停泊超过2 h的船舶不得使用硫含量超过0.1%m/m的燃油。美国CARB(加州空气资源委员会)也规定自2009年7月1日起，所有停靠加利福尼亚州港口的船舶不得使用含硫量超过1.5%m/m的燃油或0.5%m/m的柴油;自2012年1月1日起不得使用含硫量超过0.1%m/m的燃油或柴油。

2 低硫油特性及对设备的影响

低硫油与重燃油和柴油相比，具有粘度低、润滑性差、密度低、含硫量低、比重轻、闪点低、挥发性强等特点，这些特点将对轮机设备造成一些影响:

(1)低硫燃油粘度低、润滑性差，会导致柴油机的燃油喷油泵柱塞偶件磨损加剧，甚至咬死，造成设备事故;此外过低的粘度会使油泵的效率下降，供油量减少，导致柴油机或锅炉的效用不能充分发挥。

(2)低硫燃油含硫量低，柴油机在燃烧低硫燃油时气缸内产生的凝结酸量下降。而如果继续沿用常规的高总碱值气缸油，会使气缸内酸碱度失衡，产生大量沉积物附着在活塞和气缸内部。这些沉积物会影响气缸油膜的正常生成，使气缸套和活塞环磨损加剧，严重时会导致活塞环断裂。

(3)低硫燃油的挥发性较强、闪点较低，这种特性对于锅炉燃用低硫燃油的影响尤其严重。在锅炉停炉或点火失败后，炉膛内充满大量易燃易爆气体，随时会发生爆炸。

3 主辅机燃油供给系统设计

以某远洋散货船为例，介绍使用含硫量不超过0.1%m/m的燃油系统的设计与应用。本船装备1台MAN B＆W 6S50ME-C二冲程低速柴油主机，3台CME-MAN 6L 16/24柴油发电机组以及1台组合式燃油锅炉，可以使用重燃油(HFO)、柴油(MDO)以及低硫油(MGO)。

本船主机、辅机的燃油由1台供油单元提供，且要求能够使用HFO、MDO以及MGO 3种燃料。在SOX排放控制区外航行时，为了节约燃料成本，通常使用HFO和MDO;而进入SOX排放控制区时，则要切换到MGO以满足相关法规。因此，低硫油冷却系统的设计不仅要满足低硫油正常使用时进行冷却的要求，还要能够在各种燃料之间进行切换。

设计主辅机燃油供给系统时，要结合低硫燃油的特点和系统对燃油的实际要求进行分析。根据统计，大部分含硫量低于0.1%m/m的MGO粘度在40℃时为2～4 mm2/s，而传统柴油机推荐的燃油粘度为10～15 mm2/s，最小允许粘度为2～3 mm2/s。为满足柴油机对粘度的要求，本系统拟采用加装冷却器的方式对MGO进行冷却，以使其粘度符合柴油机要求的标准。

本船选用低硫油冷却器为管壳式热交换器，冷却介质为冷媒水。冷媒水由冷凝压缩机组进行循环冷却，其温度控制在10℃左右，管路上包有绝热材料，保证其温度不会受机舱温度影响而上升。管壳式冷却器附属管路上设有温度传感器和三通式温控阀，通过PID(比例积分微分控制)温度控制方式，可以精确控制MGO的温度，有效降低MGO的温度。

图1为本船燃油日用系统示意图。在主机、辅机的燃油进机处各设1台冷却器，以满足柴油机在低硫油状态下运行时对燃油粘度的要求。

图1 燃油日用系统示意图

为了满足不同情况下燃油切换的要求，需要在燃油供油单元进油处设1台冷却器和1个三通式燃油转换阀。在使用HFO的工况下，燃油温度高达90℃。而MGO在供油单元入口处温度仅34℃左右，如果直接由HFO切换至MGO，由于燃油温度变化过大，粘度也将发生很大的变化，有可能导致燃油柱塞偶件卡死等问题。因此，在进行燃油切换时，应先通过供油单元上的三通转换阀FOV2由HFO切换至MDO，等燃油系统温度下降并趋于稳定后，再通过低硫油冷却器上自带的三通燃油转换阀FOV1由MDO切换为MGO。由于柴油机对于燃油温度和粘度的变化有着严格的要求，以上的转换操作人工是无法完成的，因此各转换阀均为自动控制阀。通过温度或粘度传感器检测燃油的温度或粘度变化，由计算机程序实现转换的自动控制。

4 主机气缸油润滑系统设计

为了减少使用低硫油时高总碱值气缸油对气缸润滑系统的负面影响，本船除普通气缸油储存舱和日用舱之外，另设有低硫气缸油储存舱和日用舱。在主机切换到低硫油燃料之后，气缸油需要同步切换到低硫气缸油系统。低硫气缸油的碱值为TBN40～50，比常规的气缸油碱值TBN70要低一些，与低硫油匹配使用效果更好。

5 锅炉燃油系统设计

本船在锅炉选型之时已考虑到低硫油的使用问题，锅炉及相应配套设备已经针对低硫油做过优化，因此不需要加装其他设备即可满足燃用低硫油的要求。具体的优化设计项目如下:

(1)该锅炉匹配了2套燃油输送泵组，分别适用于HFO、MDO和MGO，其中用于MGO的燃油输送泵组经过优化设计，可以正常输送低粘度的MGO。

(2)锅炉燃烧器采用专门设计的转杯式燃烧器。

(3)火焰探测与监控装置专门针对低硫油进行设计。

(4)锅炉的预扫风、后扫风程序针对低硫油做了适当调整。

6 结语

本文以实船为例对散货船低硫油系统的设计要素进行了分析，在设计过程中充分考虑了国际海事法规要求和低硫油本身的特点，使得船舶在满足排放法规的同时也保证了轮机设备的正常运行。

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