許新啟，楊 雷

（南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇南通 226005）

0 引言

2020年1月1 日起，國際海事組織（IMO）關(guān)于船舶燃油硫含量限制規(guī)則生效。全球海域內(nèi)除非船舶采用替代方法如安裝廢氣清洗系統(tǒng)（exhaust gas cleaning system，簡稱：EGCS），否則將禁止攜帶用于船舶推進或船上運行設備燃燒目的的非合規(guī)燃油。此外，我國政府要求自2020年1月1日起，海船進入內(nèi)河控制區(qū)，使用硫含量質(zhì)量分數(shù)不大于0.1 %的船用低硫燃油。據(jù)此，針對安裝廢氣清洗系統(tǒng)和不安裝廢氣清洗系統(tǒng)2種情況，對機艙內(nèi)燃油相關(guān)設備展開梳理分析，判斷對機艙設備性能及系統(tǒng)設計的影響，在確保滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，提供機艙設備及系統(tǒng)安全運行的解決方案和對策。

1 不安裝廢氣清洗系統(tǒng)對機艙設備和系統(tǒng)的影響及對策

1.1 主機相關(guān)部件及系統(tǒng)改進

二沖程低速主機專利商（MAN Energy Solutions，簡稱：MES。舊稱：MAN Diesel & Turbo，簡稱MDT）針對低硫燃油（質(zhì)量分數(shù) 0.5%以下）特性而提出的對策是采用陶瓷活塞環(huán)及增加缸套溫度檢測（line wall temperature measurement，簡稱：LWM）。

在之前高硫燃油時代，市場中主流的高硫燃油硫含量約為2.0 %～3.0 %，燃油在燃燒時將產(chǎn)生大量二氧化硫和水蒸氣。此外，燃油中存在的釩、鐵、鈉和鎳等微量元素也分別生成各自的氧化物，變成活性催化劑。試驗表明，廢氣中有1 %～15 %的二氧化硫經(jīng)過進一步氧化變成三氧化硫。二氧化硫、三氧化硫和水蒸氣在溫度降至各自露點以下時就會分別凝結(jié)成亞硫酸和硫酸，硫酸比亞硫酸對鐵和鐵合金的腐蝕性強、危害大。腐蝕使氣缸內(nèi)壁上布滿疏松的細小孔穴，并使氣缸表面變得粗糙，氣缸套磨損加劇，此現(xiàn)象稱為低溫硫酸腐蝕或冷腐蝕。

解決高硫燃油引起的冷腐蝕的通用方法可以適當提高冷卻水溫度以及使用適當堿度和數(shù)量的氣缸潤滑油。而作為適當提高冷卻水溫度延伸出的技術(shù)措施，MES向市場推出了基于負荷的缸套水控制（load dependent cylinder liner，簡稱：LDCL）、基于功率點差異缸套（rating dependent cylinder liner，簡稱：RDL）和缸套水旁通（jacket cooling water bypass basic，簡稱：JBB）這3種技術(shù)。

1.1.1 采用陶瓷活塞環(huán)

陶瓷鍍層活塞環(huán)是專利商 MES更新的活塞環(huán)產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的鋁銅鍍層的活塞環(huán)相比，陶瓷鍍層活塞環(huán)具有更高的耐磨性，應用于大缸徑主機上，改善缸套的磨合情況。隨著2020年低硫燃油的大量使用，由于低硫燃油使用后對缸套的腐蝕降低，增大了缸套拋光的風險，油膜在缸套上很難形成，金屬環(huán)接觸缸套容易產(chǎn)生抓痕。陶瓷環(huán)能更好地綜合陶瓷與金屬的性能，耐高溫、堅硬耐磨，降低缸套磨光的風險。

1.1.2 采用缸套溫度檢測

缸套溫度檢測為監(jiān)控缸套溫度的軟件，主要是實時監(jiān)控在缸套異常情況下迅速反應。缸套異常磨損時，降低負荷、增大氣缸油的投放將顯著減小故障對缸套的影響。該設計初期僅在大缸徑機型上作為標準采用，2020年后由于低硫燃油使用對缸套提出了新的挑戰(zhàn)，目前將該設計推廣至所有30以上缸徑機型上采用。

1.1.3 取消基于負荷的缸套水控制

LDCL的控制原理為根據(jù)主機負荷不同控制不同的缸套水冷卻水溫度。最終目的是避免主機在低負荷時因溫度過低，廢氣中的硫氧化物與水汽結(jié)合凝聚成硫酸導致缸套過度的酸腐蝕。由于2020年后低硫油大量采用，缸套低溫腐蝕的風險幾乎不存在，因此除了安裝脫硫塔的項目之外，其他項目將取消基于負荷的缸套水控制。

1.1.4 取消基于功率點差異缸套

RDL的原理是根據(jù)主機運行功率點不同，將同一型號主機缸套區(qū)分為幾種設計。不同缸的差異是缸套內(nèi)的冷卻管長度不同，該設計采用后缸套的溫度將顯著升高。RDL既可以與LDCL同時采用，也可以作為單獨的對策采用。

1.1.5 取消缸套水旁通

JBB的缸套水旁通技術(shù)用于旁通約75 %的缸套冷卻水，提升缸套冷卻溫度。主機使用高硫燃油（質(zhì)量分數(shù)0.5 %以上）時，因高硫油中硫份含量高導致的缸套低溫腐蝕問題，MES的建議對策是加裝LDCL/RDL/JBB裝置。如果船東沒有加裝脫硫塔的需求，可以取消主機LDCL/RDL/JBB裝置。

綜上，未安裝廢氣脫硫系統(tǒng)的船舶只能使用合規(guī)的低硫燃油，主機自身及關(guān)聯(lián)影響匯總見表1。

表1 主機部件及系統(tǒng)影響

1.2 發(fā)電機相關(guān)部件改進

結(jié)合某發(fā)電機廠商實際項目經(jīng)驗，使用低硫燃油對柴油機主要影響包括：

1）燃油柱塞泵。由于低硫燃油油品復雜多樣，柱塞泵材質(zhì)有變更以應對更惡劣的工況，推薦柱塞采取特殊涂層。

2）燃油噴射閥。燃油噴射閥原則上應采用冷卻式，根據(jù)具體的機型可能略有不同。

3）燃油進機的黏度及溫度要求。使用低硫燃油時，根據(jù)油品的性質(zhì)來設定進機黏度或者溫度。30 cSt（1 cSt=1 mm/s）@50 ℃以上油品，控制進機黏度為11 cSt～14 cSt；30 cSt以下油品，控制進機溫度為 80 ℃。對船廠系統(tǒng)設計的影響是，黏度控制器需增加溫度控制功能。綜上，使用低硫燃油發(fā)電機自身及關(guān)聯(lián)影響匯總?cè)绫?所示。

表2 發(fā)電機自身及關(guān)聯(lián)影響

1.3 鍋爐相關(guān)改進

鍋爐涉及低硫燃油的主要設計變更包括：

1）配置2套火焰檢測，以提高燃燒器火焰監(jiān)測的穩(wěn)定性。

2）燃油噴嘴雙重截止閥，以避免燃燒器燃油誤噴射。

3）鍋爐燃油控制程序改進。由于可選用的低硫燃油黏度范圍較廣，根據(jù)燃油噴嘴的特性，需考慮設置不同的燃油控制模式，以匹配適用不同黏度的燃油。

1.4 分油機相關(guān)改進

目前市場上的低硫燃油（質(zhì)量分數(shù)0.5 %以下），黏度一般在80 cSt～180 cSt，只要選擇合適的比重環(huán)，分油機能處理絕大多數(shù)市面上常見的低硫油。因此對于分油機設計無影響，更多的影響在操作層面，詳述如下：

1）關(guān)于密度，只要選擇合適的比重環(huán)，分油機能處理絕大多數(shù)市面上常見的低硫油；

2）關(guān)于黏度，需要按廠家推薦將不同規(guī)格的低硫油加熱到相應的穩(wěn)定溫度，上游的燃油預加熱器作用很重要；

3）關(guān)于雜質(zhì)鋁或硅，長時間儲存的低黏度低硫油易產(chǎn)生雜質(zhì)，在分離過程中，要盡可能降低流速，充分加熱，并且縮短排渣間隔；

4）關(guān)于凝點，燃油在分離過程中會產(chǎn)生蠟結(jié)晶，對濾器產(chǎn)生影響，需要定期清理管道及機器內(nèi)的蠟結(jié)晶；

5）關(guān)于兼容性，在切換不同種類的燃油時，為防止泥渣不正常積聚，應盡可能清空油艙、管線及加熱器，定期清理系統(tǒng)中的泥渣。

1.5 系統(tǒng)設計相關(guān)影響

1.5.1 低硫燃油冷卻器

未安裝廢氣清洗系統(tǒng)船舶，在全球海域可以使用質(zhì)量分數(shù)0.5 %及以下硫含量的低硫燃油，但在部分國家或地區(qū)（主要是中國、日韓、歐洲、北美和澳大利亞）沿海或內(nèi)河區(qū)域內(nèi)，只能使用質(zhì)量分數(shù)0.1 %及以下硫含量超低硫燃油或者超低硫輕油。超低硫燃油目前市場供應量較少，詳細情況不明。超低硫輕油市場供應充足，由于超低硫輕油的黏度很低，40 ℃黏度在2 cSt～6 cSt左右，進機前由于機艙氣溫較高，尤其因為燃油系統(tǒng)內(nèi)油泵、內(nèi)燃機高壓燃油泵的摩擦加熱，導致超低硫輕油在進機前的黏度往往低于專利商MES要求的2 cSt，黏度過低會引發(fā)主機高壓油泵偶件的咬死，因此有必要在主機、發(fā)電機燃油系統(tǒng)內(nèi)設置超低硫輕油冷卻器，以冷卻油來提高進機黏度。

1.5.2 燃油艙室配置

燃油艙配置方面，未安裝廢氣清洗系統(tǒng)船舶無法搭載高硫燃油，機艙內(nèi)只需設置一對低硫燃油沉淀艙及低硫燃油日用艙，原則上不需要再設置高硫燃油沉淀艙及高硫燃油日用艙。

超低硫輕油日用艙由柴油日用艙兼用，或者將一個燃油儲存艙改造為可以儲存低硫重油和超低硫輕油，并具備直接向主副機系統(tǒng)供應的能力，以滿足船舶在各國沿海排放限制區(qū)域內(nèi)的排放要求。

2 安裝廢氣清洗系統(tǒng)對機艙設備和系統(tǒng)的影響及對策

2.1 對機艙設備及系統(tǒng)的影響和對策

安裝了EGCS的船舶，主要使用高硫燃油（質(zhì)量分數(shù)0.5 %以上）和超低硫輕油。但是很多船東也會選擇在機艙內(nèi)額外再配置一對低硫燃油沉淀艙及低硫燃油日用艙。也就是說該船可以根據(jù)區(qū)域不同，選擇高硫燃油（質(zhì)量分數(shù)0.5 %以上）、低硫燃油（質(zhì)量分數(shù)0.5 %以下）、超低硫燃油（質(zhì)量分數(shù)0.1 %以下）3種燃油。

此種情況，機艙內(nèi)設備除主機外，發(fā)電機、鍋爐、分油機和油泵的影響同未安裝廢氣清洗系統(tǒng)的船。主要不同在主機的適用對策。

主機方面，除了LDCL、RDL、JBB為廠家推薦的高硫燃油（質(zhì)量分數(shù)0.5 %以上）應對措施需要適用以外，為低硫燃油（質(zhì)量分數(shù)0.5 %以下）而準備的陶瓷活塞環(huán)和缸套溫度檢測技術(shù)也需要適用。

對船廠系統(tǒng)設計的影響需要適用未安裝廢氣清洗的船舶的系統(tǒng)對策，諸如加裝低硫燃油冷卻器、黏度控制器增加溫度控制功能，還會對機艙管系統(tǒng)設計機艙布置設計產(chǎn)生影響。主要較大的設計變更是EGCS洗滌水排放系統(tǒng)采用玻璃鋼管，EGCS排煙管采用耐腐蝕雙相不銹鋼，設置EGCS專用海底門，機艙煙囪加大以布置EGCS塔體等。

2.2 廢氣清洗系統(tǒng)相關(guān)試驗及IAPP證書獲取的對策和注意事項

2.2.1 搭載廢氣清洗系統(tǒng)對試航試驗的影響

搭載廢氣清洗系統(tǒng)試航的船舶，如果只搭載一種高硫重油試航，考慮到廢氣清洗系統(tǒng)為常時運行設備，無人機艙期間該設備的穩(wěn)定性需要驗證，應增加無人機艙期間運行廢氣清洗系統(tǒng)的條款。同時主機燃油消耗率測量實驗也會受到廢氣清洗系統(tǒng)的影響，在試航中明確受影響的范圍區(qū)間，對于其他試航試驗項目，原則上試驗工況中要求使用重油的，如無特殊情況，試驗期間廢氣清洗系統(tǒng)應盡量運行。

2.2.2 廢氣清洗系統(tǒng)試驗用燃油市場現(xiàn)狀

限硫令已經(jīng)對船用燃油市場產(chǎn)生了重大影響。我國的船用燃油按照用戶不同分為保稅油和內(nèi)貿(mào)油，保稅油由于國內(nèi)稅收因素，國內(nèi)廠家生產(chǎn)保稅油基本無利可圖，產(chǎn)量很少，國內(nèi)的保稅油大多從周邊國家進口而來，價格高。而內(nèi)貿(mào)船用燃料油廠家少，產(chǎn)量少，因此內(nèi)貿(mào)船用燃油大多由調(diào)油商和供應商調(diào)制而成。受限硫令影響，目前國內(nèi)船用燃油市場180 cSt高硫燃油已經(jīng)無法采購到，只能采購380 cSt高硫燃油，硫含量在2.0 %～3.0 %之間。因采用的調(diào)和原料品質(zhì)、調(diào)和策略都會對油品質(zhì)量產(chǎn)生影響，建議對油品質(zhì)量進行關(guān)注，特別是油品的相容性和穩(wěn)定性。

廢氣清洗系統(tǒng)廠家和船級社對試驗時硫含量沒有硬性要求，但目前主流做法采用高硫油進行試驗。廢氣清洗系統(tǒng)廠家推薦使用越接近設計值 3.5 %硫含量的燃油越好，使脫硫效果的驗證更有說服力。試驗用油的硫含量也需要考慮船東的意見，一般希望采用高硫油，盡可能接近3.5 %。

綜上，廢氣清洗系統(tǒng)性能驗證建議使用380 cSt高硫燃油，硫含量在2.0 %～3.0 %。

2.2.3 廢氣清洗系統(tǒng)的性能驗證

目前廢氣清洗系統(tǒng)有2種設計工況，分別為除硫效果為3.5 %～0.5 %和3.5 %～0.1 %。無論哪種設計工況，依據(jù)IMO Scheme B規(guī)范認證要求，都應在試航期間對廢氣清洗系統(tǒng)實際除硫效果進行運行試驗。試驗期間，一般采取預調(diào)整，測量運行參數(shù)，待預調(diào)結(jié)果沒有問題再正式向船東和船級報驗脫硫系統(tǒng)運行試驗。

2.2.4 廢氣清洗系統(tǒng)IAPP取證事宜

廢氣清洗系統(tǒng)的取證流程簡述如下。試航前船廠向船級社提交廢氣清洗系統(tǒng)相關(guān)的資料、圖紙。試航中將廢氣清洗系統(tǒng)試驗過程中的運行參數(shù)及結(jié)果報告提交船級社，最后廢氣清洗系統(tǒng)洗滌水化驗報告提交船級社，由船級社向船旗國提出申請，船級社獲得授權(quán)后由船級社頒發(fā)證書。

2.2.5 廢氣清洗系統(tǒng)試驗海域的限制

截至2019年1月15日，全球已經(jīng)有17個國家的指定港口或者區(qū)域禁止排放廢氣清洗系統(tǒng)洗滌水，我國發(fā)布的《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》中也明確自2020年1月1日起，船舶不得在我國船舶大氣污染物排放控制區(qū)內(nèi)排放開放式廢氣清洗系統(tǒng)洗滌水。試航過程中應注意選擇廢氣清洗系統(tǒng)試驗的海域。

3 結(jié)論

分別針對未搭載和搭載廢氣清洗系統(tǒng)的實船項目，詳細闡述及分析了主機、副機及鍋爐等機艙主要燃油相關(guān)設備及系統(tǒng)受限硫令影響的主要變更，并論述了上述主副機變更對船廠系統(tǒng)設計、試航試驗及取證等方面的關(guān)聯(lián)影響，為實施限硫令后對實船項目設計及試驗提供借鑒。