船舶硫排放控制對輪機設(shè)計的影響

郭林麗

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 200032）

0 背景

船用燃料在燃燒后，會產(chǎn)生含硫的產(chǎn)物，統(tǒng)稱硫氧化物（后文簡稱SOx），這些物質(zhì)會以廢氣的形式排放到大氣中。而SOx中的SO2，氧化后形成酸雨，對環(huán)境會造成巨大的威脅。據(jù)挪威向國際海事組織（IMO）提供的資料表明，船舶年排放 SOx達634萬噸，約占世界排放總量的4%。因此，船舶廢氣排放給環(huán)境造成的污染已經(jīng)到了不容忽視的地步。國際海事組織近年來也制定了一系列政策，力圖對船舶硫排放進行控制。

下面就近期集中生效的對船舶廢氣排放中硫含量的控制要求給輪機設(shè)備及系統(tǒng)設(shè)計帶來的影響做簡單闡述。

1 SOx排放控制要求

國際海事組織海上環(huán)境保護委員會（MEPC）57/58次會議對MARPOL 73/78附則Ⅵ做了修改，將SOx排放的限制根據(jù)不同區(qū)域，按照年限分成了三個階段，見表1。

此項修改對2010年3月1日之后行駛在SECA以及2012年1月1日之后行駛在其他區(qū)域的船舶，將不能繼續(xù)沿用之前MARPOL 73/78的要求，需將燃油中的硫含量進一步降低。

在此基礎(chǔ)上，歐盟法令2005/33/EC對2010年1月1日起?？繗W盟港口超過2小時的船舶，限制其使用的單位質(zhì)量 （by mass）燃油硫含量不能超過0.1%m/m，加之2012年1月1日起加利福尼亞海岸線24海里范圍內(nèi)的低硫排放限制， 要求不僅鍋爐和柴油發(fā)電機在?？繗W盟港口時要使用含硫量低于0.1%m/m的燃油，主機在指定的加利福尼亞海域也要能夠使用這種低硫燃油（船用輕柴油）。

表1 SOx排放限制

2 船用輕柴油的配置方案

新規(guī)則的出現(xiàn)，各廠商都在第一時間做出了反應(yīng)，對于即將使用的船用輕柴油都給出了各自的推薦。

由于船用輕柴油粘度低，因此其潤滑性也會比較差，這兩方面給用戶帶來較大的影響。

2.1 主機

根據(jù)ISO 8217船用燃料標準，船用輕柴油（DMX）的最低粘度在40℃時最小為1.4 cSt。按照主機廠商MAN的要求，主機進口船用輕柴油粘度要在2 cSt以上，此時溫度約為22℃。因此，主機廠商推薦在主機進口前增加一個冷卻器用來降低船用輕柴油溫度以達到其需要的粘度，詳見圖1。

圖1 主機燃料油日用系統(tǒng)

2.2 鍋爐

對于不能直接使用低粘度船用輕柴油的燃燒器，選擇使用冷卻器來提高燃料的粘度。冷卻器裝在船用輕柴油艙的出口。根據(jù)目前的情況，鍋爐廠商AALBORG與SACCKE均可在鍋爐上配備能夠直接使用低粘度船用輕柴油的燃燒器，這樣對系統(tǒng)的外部設(shè)計影響就較小，只需增加一套船用輕柴油泵組及其相關(guān)管路。

2.3 柴油發(fā)電機

目前，柴油發(fā)電機對船用輕柴油進機要求與主機相似，均要求船用輕柴油粘度達到2 cSt以上。

3 低硫燃油對輪機設(shè)計的影響

3.1 艙柜

在船舶設(shè)計初期，需增設(shè)低硫油艙。

對于航行在 SOx排放控制區(qū) （SOxEmission Control Areas,簡稱SECA）所需使用的低硫燃油艙，可選一套高硫燃油艙（包括儲存艙、澄清艙和日用艙）作為其備用，以便船舶在船舶進入SECA區(qū)之前就可以用低硫燃油沖洗燃油供給管路，這樣就不必單獨設(shè)置一套低硫油艙。

對于?？繗W盟港口及航行在距離加利福尼亞海域24海里范圍內(nèi)的船舶，需設(shè)置一個船用輕柴油艙。由于船用輕柴油的閃點較低，布置時盡量不要使船用輕柴油艙與溫度較高的艙（如燃油日用艙和澄清艙）相鄰。船用輕柴油艙容量需根據(jù)停靠歐盟國家港口的時間及通過加利福尼亞海域航行的時間來確定。

當主機燃燒使用的燃油中硫含量的降低時，其汽缸油中的堿值也需降低，以防止過剩的堿值使缸套表面形成鏡面，破壞油膜，反而增加缸套的磨損或者導(dǎo)致活塞結(jié)碳。因此，建議船舶配有兩個汽缸油儲存艙，一大一小，用于存儲不同堿值的汽缸油，兩個汽缸油日用柜與之配套。

3.2 管路及設(shè)備

3.2.1 冷卻器安裝位置對系統(tǒng)的影響

為了降低船用輕柴油的溫度，將其粘度提高到2 cSt以上，管路上需增加一臺冷卻器，安裝位置不同，會給其他設(shè)備帶來不同影響。

1）冷卻器安裝在設(shè)備進口

這樣布置的優(yōu)點就是對于控制設(shè)備進口處船用輕柴油的粘度既直接又方便，但對冷卻器前的設(shè)備（如供油單元系統(tǒng)中的供給泵和循環(huán)泵）的要求會有所提高，低粘度的船用輕柴油對這些泵的潤滑性也會大大降低。

2）冷卻器安裝在循環(huán)泵前

將冷卻器安裝在供油單元的循環(huán)泵前，船用輕柴油粘度的變化對設(shè)備和循環(huán)泵都不會產(chǎn)生影響，只需考慮低粘度船用輕柴油對供給泵的影響即可。

3）冷卻器安裝在船用輕柴油艙出口

若使整個供油系統(tǒng)都不受船用輕柴油的低粘度影響，冷卻器可裝在船用輕柴油艙的出口。但設(shè)備的高溫回油與冷卻后的船用輕柴油在供油單元中混合后，就很難控制進入主機的船用輕柴油溫度及粘度。

在目前的設(shè)計中，為了節(jié)省經(jīng)濟成本和空間，主機和柴油發(fā)電機通常共用一個供油單元。船用輕柴油艙出口的冷卻器可供主機、柴油發(fā)電機、鍋爐以及分油機共用，另在主機和柴油發(fā)電機回油總管路上或供油單元出口的管路上再加一臺冷卻器，即可滿足所有上述設(shè)備對燃料油粘度的使用要求。

3.2.2 冷卻器及制冷機

由于該冷卻器是用來冷卻油類，因此我們建議盡量使用淡水冷卻，以防止船用輕柴油一旦泄露污染海洋。當36℃冷卻淡水不能提供足夠的冷量來冷卻船用輕柴油時，可再增加一臺制冷機，將所需溫度的低溫冷媒淡水送至冷卻器冷卻船用輕柴油，詳見圖2。

圖2 船用輕柴油冷卻系統(tǒng)

3.2.3 燃油與船用輕柴油的轉(zhuǎn)換

經(jīng)過冷卻后的船用輕柴油，進機溫度按照要求，約為22℃，而重質(zhì)燃油的進機溫度約為135℃。在燃油和船用輕柴油轉(zhuǎn)換時，若船用輕柴油和燃油直接完全轉(zhuǎn)換，高溫差將引起設(shè)備內(nèi)部短時間內(nèi)膨脹量變化過大，造成設(shè)備的損壞。因此，除上述的冷卻器設(shè)置外，還需在靠近設(shè)備進口處增加一全自動粘度控制器，讓溫度較低的船用輕柴油慢慢加入到燃油中，在轉(zhuǎn)換過程中保證每分鐘進機燃料溫度變化滿足設(shè)備廠商的要求，不超過2℃。由于轉(zhuǎn)換油品溫度變化范圍的限制，燃油與船用輕柴油轉(zhuǎn)換的時間會很長。因此在進入指定區(qū)域前，還需預(yù)留足夠的時間做油品轉(zhuǎn)換準備，在考慮船用輕柴油艙容積時也需將轉(zhuǎn)換過程中消耗的船用輕柴油考慮進去。

4 結(jié)語

控制低硫排放的要求在一定程度上增加了設(shè)備、設(shè)計等建造成本，但我們應(yīng)立足長遠，積極打造綠色航運。相信在不久的將來，還會有更加完善和優(yōu)化的方案可供設(shè)備商和設(shè)計人員選擇。