鄭英男

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200030)

1 設(shè)計(jì)背景

MAPOL 73/78公約附則 VI2008修正案已于2010年7月1日起強(qiáng)制生效，其中規(guī)定自2010年7月1日起，船舶在SOX(硫氧化物)排放控制區(qū)域內(nèi)(SECA)使用的燃油硫含量不應(yīng)超過1.0%m/m，2015年1月1日及以后不超過0.1%m/m。而歐盟港口則自2010年1月1日起實(shí)施船舶強(qiáng)制使用低硫燃油法令2005/33/EC，明確規(guī)定在歐盟港口停泊超過2 h的船舶不得使用硫含量超過0.1%m/m的燃油。美國CARB(加州空氣資源委員會(huì))也規(guī)定自2009年7月1日起，所有?？考永Ｄ醽喼莞劭诘拇安坏檬褂煤蛄砍^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過0.1%m/m的燃油或柴油。

2 低硫油特性及對(duì)設(shè)備的影響

低硫油與重燃油和柴油相比，具有粘度低、潤滑性差、密度低、含硫量低、比重輕、閃點(diǎn)低、揮發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)將對(duì)輪機(jī)設(shè)備造成一些影響:

(1)低硫燃油粘度低、潤滑性差，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)的燃油噴油泵柱塞偶件磨損加劇，甚至咬死，造成設(shè)備事故;此外過低的粘度會(huì)使油泵的效率下降，供油量減少，導(dǎo)致柴油機(jī)或鍋爐的效用不能充分發(fā)揮。

(2)低硫燃油含硫量低，柴油機(jī)在燃燒低硫燃油時(shí)氣缸內(nèi)產(chǎn)生的凝結(jié)酸量下降。而如果繼續(xù)沿用常規(guī)的高總堿值氣缸油，會(huì)使氣缸內(nèi)酸堿度失衡，產(chǎn)生大量沉積物附著在活塞和氣缸內(nèi)部。這些沉積物會(huì)影響氣缸油膜的正常生成，使氣缸套和活塞環(huán)磨損加劇，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)斷裂。

(3)低硫燃油的揮發(fā)性較強(qiáng)、閃點(diǎn)較低，這種特性對(duì)于鍋爐燃用低硫燃油的影響尤其嚴(yán)重。在鍋爐停爐或點(diǎn)火失敗后，爐膛內(nèi)充滿大量易燃易爆氣體，隨時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。

3 主輔機(jī)燃油供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某遠(yuǎn)洋散貨船為例，介紹使用含硫量不超過0.1%m/m的燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。本船裝備1臺(tái)MAN B＆W 6S50ME-C二沖程低速柴油主機(jī)，3臺(tái)CME-MAN 6L 16/24柴油發(fā)電機(jī)組以及1臺(tái)組合式燃油鍋爐，可以使用重燃油(HFO)、柴油(MDO)以及低硫油(MGO)。

本船主機(jī)、輔機(jī)的燃油由1臺(tái)供油單元提供，且要求能夠使用HFO、MDO以及MGO 3種燃料。在SOX排放控制區(qū)外航行時(shí)，為了節(jié)約燃料成本，通常使用HFO和MDO;而進(jìn)入SOX排放控制區(qū)時(shí)，則要切換到MGO以滿足相關(guān)法規(guī)。因此，低硫油冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要滿足低硫油正常使用時(shí)進(jìn)行冷卻的要求，還要能夠在各種燃料之間進(jìn)行切換。

設(shè)計(jì)主輔機(jī)燃油供給系統(tǒng)時(shí)，要結(jié)合低硫燃油的特點(diǎn)和系統(tǒng)對(duì)燃油的實(shí)際要求進(jìn)行分析。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分含硫量低于0.1%m/m的MGO粘度在40℃時(shí)為2～4 mm2/s，而傳統(tǒng)柴油機(jī)推薦的燃油粘度為10～15 mm2/s，最小允許粘度為2～3 mm2/s。為滿足柴油機(jī)對(duì)粘度的要求，本系統(tǒng)擬采用加裝冷卻器的方式對(duì)MGO進(jìn)行冷卻，以使其粘度符合柴油機(jī)要求的標(biāo)準(zhǔn)。

本船選用低硫油冷卻器為管殼式熱交換器，冷卻介質(zhì)為冷媒水。冷媒水由冷凝壓縮機(jī)組進(jìn)行循環(huán)冷卻，其溫度控制在10℃左右，管路上包有絕熱材料，保證其溫度不會(huì)受機(jī)艙溫度影響而上升。管殼式冷卻器附屬管路上設(shè)有溫度傳感器和三通式溫控閥，通過PID(比例積分微分控制)溫度控制方式，可以精確控制MGO的溫度，有效降低MGO的溫度。

圖1為本船燃油日用系統(tǒng)示意圖。在主機(jī)、輔機(jī)的燃油進(jìn)機(jī)處各設(shè)1臺(tái)冷卻器，以滿足柴油機(jī)在低硫油狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)對(duì)燃油粘度的要求。

圖1 燃油日用系統(tǒng)示意圖

為了滿足不同情況下燃油切換的要求，需要在燃油供油單元進(jìn)油處設(shè)1臺(tái)冷卻器和1個(gè)三通式燃油轉(zhuǎn)換閥。在使用HFO的工況下，燃油溫度高達(dá)90℃。而MGO在供油單元入口處溫度僅34℃左右，如果直接由HFO切換至MGO，由于燃油溫度變化過大，粘度也將發(fā)生很大的變化，有可能導(dǎo)致燃油柱塞偶件卡死等問題。因此，在進(jìn)行燃油切換時(shí)，應(yīng)先通過供油單元上的三通轉(zhuǎn)換閥FOV2由HFO切換至MDO，等燃油系統(tǒng)溫度下降并趨于穩(wěn)定后，再通過低硫油冷卻器上自帶的三通燃油轉(zhuǎn)換閥FOV1由MDO切換為MGO。由于柴油機(jī)對(duì)于燃油溫度和粘度的變化有著嚴(yán)格的要求，以上的轉(zhuǎn)換操作人工是無法完成的，因此各轉(zhuǎn)換閥均為自動(dòng)控制閥。通過溫度或粘度傳感器檢測燃油的溫度或粘度變化，由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換的自動(dòng)控制。

4 主機(jī)氣缸油潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了減少使用低硫油時(shí)高總堿值氣缸油對(duì)氣缸潤滑系統(tǒng)的負(fù)面影響，本船除普通氣缸油儲(chǔ)存艙和日用艙之外，另設(shè)有低硫氣缸油儲(chǔ)存艙和日用艙。在主機(jī)切換到低硫油燃料之后，氣缸油需要同步切換到低硫氣缸油系統(tǒng)。低硫氣缸油的堿值為TBN40～50，比常規(guī)的氣缸油堿值TBN70要低一些，與低硫油匹配使用效果更好。

5 鍋爐燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船在鍋爐選型之時(shí)已考慮到低硫油的使用問題，鍋爐及相應(yīng)配套設(shè)備已經(jīng)針對(duì)低硫油做過優(yōu)化，因此不需要加裝其他設(shè)備即可滿足燃用低硫油的要求。具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目如下:

(1)該鍋爐匹配了2套燃油輸送泵組，分別適用于HFO、MDO和MGO，其中用于MGO的燃油輸送泵組經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以正常輸送低粘度的MGO。

(2)鍋爐燃燒器采用專門設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)杯式燃燒器。

(3)火焰探測與監(jiān)控裝置專門針對(duì)低硫油進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4)鍋爐的預(yù)掃風(fēng)、后掃風(fēng)程序針對(duì)低硫油做了適當(dāng)調(diào)整。

6 結(jié)語

本文以實(shí)船為例對(duì)散貨船低硫油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素進(jìn)行了分析，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了國際海事法規(guī)要求和低硫油本身的特點(diǎn)，使得船舶在滿足排放法規(guī)的同時(shí)也保證了輪機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行。

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