2 500 TEU 集裝箱船混合式脫硫系統(tǒng) 試航方案研究

陳育喜，王 磊，田碩實(shí)

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 LNG 技術(shù)研究所，上海 200129）

0 引言

隨著國(guó)際航運(yùn)業(yè)與遠(yuǎn)洋船舶運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，船舶所產(chǎn)生的煙氣排放成為沿海地區(qū)尤其是港口大氣的主要污染源。根據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）統(tǒng)計(jì)，船舶SOX年排放量約占全球硫排放量的9%。為此，IMO 通過(guò)了MARPOL 公約附則VI，致力于解決船舶造成的區(qū)域性空氣污染問(wèn)題。根據(jù)MARPOL 公約附則VI /Regulation 14[2]：

1）將于2020 年1 月1 日起在除排放控制區(qū)外的全球海域強(qiáng)行推行0.5%船舶燃油硫含量限制法令。

2）從2015 年1 月1 日開(kāi)始，排放控制區(qū)內(nèi)推行0.1%船舶燃油硫含量限制法令。

根據(jù)MARPOL 公約附則VI /Regulation 14，目前全球硫排放控制區(qū)為波羅的海、北海、北美和美國(guó)加勒比海4 個(gè)區(qū)域。

目前，IMO 可接受的方案包括燃用低硫油和使用SOX煙氣清洗；但目前低硫燃油和重油的價(jià)格差較大，使用低硫油運(yùn)行相對(duì)于使用脫硫塔成本較高；所以在低硫燃油和重油的價(jià)格差降低到足夠合理的價(jià)格之前，加裝脫硫塔是大勢(shì)所趨[5]。

2 500 TEU 集裝箱船安裝了W?rtsil? 混合式脫硫系統(tǒng)，按照IMO 法規(guī)和船級(jí)社規(guī)范，需要試航完成脫硫系統(tǒng)MARPOL 取證試驗(yàn)大綱中的所有試航項(xiàng)目，并覆蓋船舶運(yùn)行時(shí)主機(jī)脫硫系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)脫硫系統(tǒng)單獨(dú)和并機(jī)運(yùn)行的最大功率負(fù)荷（包括進(jìn)出港工況）[3]，試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)船級(jí)社認(rèn)可后，頒發(fā) IAPP（國(guó)際防大氣污染）證書(shū)等MARPOL 相關(guān)證書(shū)和脫硫系統(tǒng)產(chǎn)品證書(shū)。

目前，混合式脫硫系統(tǒng)應(yīng)用案例較少，試航試驗(yàn)廠家方案普遍存在內(nèi)容不夠完整，試航符合方案沒(méi)有詳細(xì)的說(shuō)明，導(dǎo)致船廠的實(shí)際執(zhí)行存在一定的困難，本文可以為未來(lái)類似項(xiàng)目提供參考。

1 基本原理介紹

1.1 2 500 TEU 集裝箱船介紹

2 500 TEU 集裝箱船入級(jí)DNV GL，總長(zhǎng)195 m，型寬32.2 m，型深17 m，設(shè)計(jì)吃水9.5 m，結(jié)構(gòu)吃水11.5 m，最大裝載2 487 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱，并符合冰區(qū)要求（船級(jí)符號(hào)E3，DNV·GL），主要航行區(qū)域?yàn)橛?guó)北海、北極以及地中海等歐洲海域。由于航行區(qū)域含有排放控制區(qū)，需要能夠滿足硫排放0.1%的要求。該船安裝W?rtsil? 混合式脫硫塔。

1.2 船舶燃油設(shè)備簡(jiǎn)介

該船燃油設(shè)備包括1 臺(tái)主機(jī)、4 臺(tái)發(fā)電機(jī)和1臺(tái)組合鍋爐，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 船舶燃油設(shè)備

1.3 脫硫系統(tǒng)簡(jiǎn)介

根據(jù)船舶功率負(fù)荷計(jì)算書(shū)，確定煙氣量的最大處理要求，瓦錫蘭推薦混合式脫硫系統(tǒng)，包括主脫硫塔和輔脫硫塔2 個(gè)塔體及其附屬系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)如下：

1）主脫硫系統(tǒng)W?rtsil?SC200，最大處理能力43 kg/s（154 800 kg/h）。主機(jī)脫硫塔帶有2 路文氏管，每路文氏管的處理能力為21.5 kg/s（77 400 kg/h），主機(jī)排氣平均分成兩路，每路文式管配有2 組噴頭，脫硫塔本體中也配有3 組噴頭。

2）發(fā)電機(jī)脫硫系統(tǒng)W?rtsil? SC400，最大處理能力17.2 kg/s（61 920 kg/h），帶有4 路文氏管，每臺(tái)發(fā)電機(jī)排氣接1 路文氏管，每路文氏管處理能力為5.1 kg/s（18 360 kg/h），每路文式管配有2組噴頭，脫硫塔本體中也配有3 組噴頭。組合鍋爐燃油側(cè)排氣接入3 號(hào)發(fā)電機(jī)所接入的文氏管。

3）燃油最大硫含量為3.5%。

4）洗滌效率，等效于燃燒最大不超過(guò)0.1%S燃油。

2 脫硫設(shè)備運(yùn)行工況

2.1 訂貨階段（鍋爐廢氣未接入）

基本設(shè)計(jì)階段，根據(jù)船舶航行過(guò)程中脫硫系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的主機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行的最大工況見(jiàn)表2。

表2 脫硫設(shè)備運(yùn)行最大工況

2.2 項(xiàng)目執(zhí)行階段（鍋爐廢氣接入）

根據(jù)船東要求，后期增加鍋爐燃油側(cè)接入輔機(jī)脫硫塔3 號(hào)發(fā)電機(jī)所接文氏管的要求，其中最大運(yùn)行工況如下[3]。

1）主機(jī)脫硫塔SC200 額定廢氣量

基本設(shè)計(jì)階段，根據(jù)最惡劣航行工況確定主機(jī)相應(yīng)廢氣量如表3 所示。

2）輔機(jī)脫硫塔SC400 額定廢氣量

基本設(shè)計(jì)階段，根據(jù)最大航行工況確定廢電機(jī)最大廢氣量如表4 所示。

3）理論輔機(jī)脫硫塔SC400 可運(yùn)行最大工況

理論上輔脫硫塔可運(yùn)行的最大運(yùn)行工況如表6 所示。

表3 主機(jī)脫硫塔廢氣量

工況1 輔脫硫塔初始運(yùn)行工況為4×80% AE，后期船東要求鍋爐100%負(fù)荷接入，為了安全起見(jiàn)，根據(jù)煙氣總量總體不變的的原則，船東同意3 號(hào)發(fā)電機(jī)按照60%的工況運(yùn)行。由于4 臺(tái)發(fā)電機(jī)功率非平均分配，功率須手動(dòng)分配，分配步驟較為繁瑣，且3 號(hào)發(fā)電機(jī)75%MCRAE＋100%鍋爐運(yùn)行時(shí)，3 號(hào)文式管的廢氣量為1 7835 kg/h＜18 370 kg/h（發(fā)電機(jī)100%MCR 廢氣量），所以最大運(yùn)行功率更改為如表5 所示。

表4 發(fā)電機(jī)機(jī)脫硫塔最大廢氣量

表5 脫硫塔開(kāi)閉式最大功率

表6 輔脫硫塔運(yùn)行最大工況

然而，此時(shí)輔機(jī)脫硫塔正好達(dá)到最大廢氣處理能力，如果自啟動(dòng)設(shè)備此時(shí)起動(dòng)，致排放超標(biāo)，所以該工況一般不使用。

3 試航程序

根據(jù)規(guī)范要求，在設(shè)備圖認(rèn)可階段，W?rtsil?編制了MARPOL 取證試驗(yàn)大綱，并獲得船級(jí)社認(rèn)可。另外W?rtsil? 也提供給船廠的試航大綱，供船廠試航使用，詳情如下。

3.1 MARPOL 取證試航大綱

試驗(yàn)1：主機(jī)脫硫系統(tǒng)和輔機(jī)脫硫系統(tǒng)尾氣檢測(cè)（CEMS），脫硫海水進(jìn)口水質(zhì)監(jiān)測(cè)和洗滌水排放水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器校準(zhǔn)。洗滌水排放監(jiān)測(cè)PH 校準(zhǔn)（根據(jù)計(jì)算值）。

試驗(yàn)2：輔機(jī)脫硫系統(tǒng)SC400 試驗(yàn)（開(kāi)式循環(huán)）。

試驗(yàn)3：主機(jī)脫硫系統(tǒng)SC200 試驗(yàn)（開(kāi)式循環(huán)）。

試驗(yàn)4：主機(jī)和輔機(jī)脫硫系統(tǒng)SC400 & SC200并機(jī)試驗(yàn)（開(kāi)式循環(huán)）。

試驗(yàn)5：主機(jī)脫硫系統(tǒng)SC200 試驗(yàn)（閉式循環(huán)）。

試驗(yàn)3：輔機(jī)脫硫系統(tǒng)SC400 試驗(yàn)（閉式循環(huán)）。

試驗(yàn)4：主機(jī)和輔機(jī)脫硫系統(tǒng)SC400 & SC200并機(jī)試驗(yàn)（閉式循環(huán)）。

3.2 W?rtsil? 提供給船廠的試航大綱

1）進(jìn)出港：閉式循環(huán)，主機(jī)0%～50% MCR。

2）主機(jī)脫硫系統(tǒng)SC200 試驗(yàn)。

閉式試驗(yàn)：100% MCR；

開(kāi)式試驗(yàn)：100% MCR。

3）輔機(jī)脫硫系統(tǒng)SC400 試驗(yàn)。

閉式試驗(yàn)：4×80% AE；

開(kāi)式試驗(yàn)：3×100% AE。

3.3 W?rtsil? 試航大綱存在的問(wèn)題

1）MARPOL 試航大綱：只規(guī)定了脫硫塔要進(jìn)行哪些試驗(yàn)，沒(méi)有主機(jī)和發(fā)電機(jī)負(fù)荷要求；

2）W?rtsil? 提供給船廠的試航大綱：試航項(xiàng)目不夠完整，沒(méi)有包括MARPOL 取證試航大綱的全部試驗(yàn)，同時(shí)沒(méi)有考慮脫硫系統(tǒng)開(kāi)閉式模式轉(zhuǎn)換的要求。

3.4 最終試航大綱方案需要考慮的要點(diǎn)

1）脫硫試驗(yàn)項(xiàng)目

（1）覆蓋MAPROL 取證試航大綱中脫硫系統(tǒng)所有的試驗(yàn)項(xiàng)目。

（2）包括脫硫系統(tǒng)開(kāi)式→閉式，閉式→開(kāi)式轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。

2）盡量減少主機(jī)加速過(guò)程

該船采用二沖程主機(jī)，由于主機(jī)加減速由主機(jī)程序的限制，功率從75% MCR 加速到90% MCR（按轉(zhuǎn)速）需要5 min，從90%到100%MCR（按轉(zhuǎn)速）需要15 min。方案要盡量減少主機(jī)加速步驟，縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

3）每項(xiàng)試驗(yàn)的時(shí)間

脫硫系統(tǒng)的煙氣和進(jìn)出口海水/洗滌水水質(zhì)監(jiān)測(cè)均需要設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后，按照規(guī)范要求需要至少15 min[1]，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師推薦，經(jīng)船東和船級(jí)社認(rèn)可，每項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)間為功率穩(wěn)定后運(yùn)行30 min。

4）試航的驗(yàn)證工況包括

（1）單主機(jī)：100% MCR（開(kāi)式和閉式）。

（2）單發(fā)電機(jī)：3×100%（開(kāi)式），3×80%＋1×60%＋鍋爐100%（閉式）。

（3）并機(jī)試驗(yàn)：100%MCR 主機(jī)＋3×100%發(fā) 電 機(jī)+ 鍋 爐 100% （ 開(kāi) 式）； 及 100% MCR主機(jī)＋4×75%發(fā)電機(jī)＋鍋爐100%（閉式）。

考慮到直接將發(fā)電機(jī)加載到100%（開(kāi)式）或75%（閉式）的功率時(shí)，船舶有部分設(shè)備可能會(huì)自動(dòng)起動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)超載，輔脫硫塔煙氣處理量超過(guò)設(shè)計(jì)值，經(jīng)廠家同意，船東和現(xiàn)場(chǎng)船檢認(rèn)可，正式試驗(yàn)方案將發(fā)電機(jī)試驗(yàn)負(fù)荷適當(dāng)降低5%～10%。

5）試航負(fù)載的實(shí)現(xiàn)（干負(fù)載）

根據(jù)船舶電機(jī)負(fù)荷計(jì)算書(shū)，發(fā)電機(jī)組最大工況如表7 所示。

表7 發(fā)電機(jī)組最大功率（海上航行和進(jìn)出港）

試航時(shí)，船舶為空載無(wú)冷箱，為了實(shí)現(xiàn)所需的負(fù)載，需攜帶負(fù)載柜。然而船廠只配備水負(fù)載；用于海上試驗(yàn)安全無(wú)法滿足要求，因此需要租用干電阻負(fù)載柜完成試驗(yàn)。

3.5 最終試航方案

3.5.1 所需裝備

1）干電阻負(fù)載柜（租用）

2 臺(tái)，4 010 kW(400 V)/5 770 kW(460 V)，功率因數(shù)PF＝1.0，干式，風(fēng)冷，IP56。安放在主甲板機(jī)艙前部區(qū)域。干電阻采用集裝箱裝載，絕緣均＞1 M?。

2）電纜81 根，1×185 A 負(fù)載。

3.5.2 最終試航方案

試驗(yàn)1：測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)：尾氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）校準(zhǔn)及證書(shū)；海水進(jìn)出口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）校準(zhǔn)及證書(shū)，包括PH 值、PAH 值、渾濁度，洗滌水PH 值計(jì)算設(shè)定值等。

試驗(yàn)2：主機(jī)100% MCR＋3×發(fā)電機(jī)90% MCR～95% MCR＋鍋爐100%（SC400 & SC200，開(kāi)式），30 min。

試驗(yàn)3：主機(jī)100% MCR（SC200，開(kāi)式），30 min。

試驗(yàn)4：3×發(fā)電機(jī)90% MCR～95% MCR＋鍋爐100%（開(kāi)式），30 min。

試驗(yàn)5：開(kāi)式切換閉式，主機(jī)30% MCR＋3×發(fā)電機(jī)75% MCR＋鍋爐60%。

試驗(yàn)6：主機(jī)100% MCR＋4×發(fā)電機(jī)70% MCR＋鍋爐100%（閉式），30 min。

試驗(yàn)7：主機(jī)100% MCR（SC200，閉式），30 min。

試驗(yàn)8：4×發(fā)電機(jī)70%＋鍋爐100%（開(kāi)式），30 min。

試驗(yàn)9：閉式切換開(kāi)式，主機(jī)80% MCR＋1×發(fā)電機(jī)60%＋鍋爐100%。

另外，為了試驗(yàn)脫硫系統(tǒng)的性能，船舶所加重油S 含量須為2%～3.5%，盡量接近于3.5%，以更好的驗(yàn)證脫硫系統(tǒng)的性能。

4 試航試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

所有試航項(xiàng)目在船東和船檢見(jiàn)證下完成，主要記錄數(shù)據(jù)如表8 所示。

根據(jù)記錄表格，尾氣中S 排放，洗滌水PAH值、PH 值和渾濁度滿足法規(guī)的排放要求，試驗(yàn)報(bào)告經(jīng)船東、船級(jí)社認(rèn)可。

表8 脫硫試航記錄

4.2 開(kāi)和不開(kāi)脫硫系統(tǒng)油耗比較

根據(jù)MAN B & W 的計(jì)算，主機(jī)安裝脫硫系統(tǒng)后，由于背壓的升高3 kPa＜P＜30 kPa 時(shí)，油耗會(huì)升高大約1%[4]。

由于該項(xiàng)目合同2013 年簽訂，屬于最早一批主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐全套配備混合式脫硫系統(tǒng)的船舶，原型機(jī)缺乏安裝脫硫塔后對(duì)油耗影響的數(shù)據(jù)。根據(jù)船東要求，在脫硫系統(tǒng)試航驗(yàn)收試驗(yàn)完成后，開(kāi)展主機(jī)在100% MCR 和110% MCR（按轉(zhuǎn)速）負(fù)荷下，開(kāi)脫硫穩(wěn)定運(yùn)行15 min 測(cè)量油耗，然后馬上切換成不開(kāi)脫硫狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行15 min測(cè)量油耗，保證2 次試驗(yàn)的海況相同，試航實(shí)測(cè)值如表9 所示。

表9 開(kāi)脫硫和不開(kāi)脫硫油耗結(jié)果

根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，開(kāi)脫硫系統(tǒng)和不開(kāi)脫硫系統(tǒng)實(shí)測(cè)油耗值不超過(guò)1 g/(kW·h)，如果考慮到試航時(shí)油耗測(cè)量誤差（測(cè)量時(shí)間短，海況會(huì)有細(xì)微差別），該油耗差別可以忽略不計(jì)，脫硫系統(tǒng)對(duì)于油耗幾乎沒(méi)有影響。

5 結(jié)論

船廠編制脫硫系統(tǒng)的試航方案時(shí)，試驗(yàn)項(xiàng)目需要以廠家脫硫的試航方案為基礎(chǔ)，滿足驗(yàn)證設(shè)計(jì)階段所對(duì)應(yīng)的相關(guān)主機(jī)、發(fā)電機(jī)和燃油鍋爐對(duì)負(fù)荷工況的要求，完成規(guī)范和法規(guī)所要求的相關(guān)試驗(yàn)，；同時(shí)，試驗(yàn)步驟需要合理優(yōu)化，縮短試航的時(shí)間，同時(shí)試驗(yàn)負(fù)荷在滿足規(guī)范要求的的同時(shí)考慮試驗(yàn)的安全性，并提前準(zhǔn)備相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備，保證脫硫試航階段試驗(yàn)的順利進(jìn)行。試航試驗(yàn)的結(jié)果顯示本試航方案安全，可靠，所有試航工況洗滌水的PH 值、PAH 值、渾濁度和水溫均在規(guī)范要求的限制范圍內(nèi)，滿足船級(jí)社規(guī)范和IMO 法規(guī)的要求，順利獲得船級(jí)社的產(chǎn)品證書(shū)。另外，通過(guò)試驗(yàn)還驗(yàn)證了脫硫系統(tǒng)的安裝對(duì)于主機(jī)的油耗幾乎無(wú)影響。