船舶限硫排放对轮机设计的影响分析

船舶限硫排放对轮机设计的影响分析

周哲法

广东中远海运重工有限公司

摘要：本文结合实际的设计工作，分析了船舶限硫排放对轮机设计的影响，并提出几条应对方案。

关键词：船舶；限硫排放；轮机设计；影响

引言

船舶排放的废气中包含的大量硫氧化物可对大气环境造成严重影响，因此控制船舶硫排放近年来成为国内外环境保护工作的重点之一。对此，国际海事组织及相关国家和组织相继出台多项政策和法规，其主要目的在于严格控制船舶硫排放量。在国际公约的限制和规范下，世界范围内硫化物排放量得到严格控制，但同时也显著增加船舶设计和建造成本，对于船舶行业的发展势必带来一定的影响。

1船舶废气中硫化物的主要来源分析

船舶废气排放过程中会释放出大量硫氧化物，根源在于其燃油硫含量比较高。含硫燃料燃烧后，燃油中的硫被氧化，可产生SO2及SO3。SO2与水蒸气进行结合产生亚硫酸盐或亚硫酸，而SO3与水蒸气进行结合产生硫酸盐或硫酸。当大量硫氧化物以气体形式排放到大气环境之中即可引发环境污染，酸雨和酸雾就是其中最为显著的结果。目前，MARPOL公约附则VI及EU法令相继制定，要求船舶在指定的区域使用硫含量不超过0.10%m/m的低硫燃油，见表1.

表1燃油硫含量的限值

国际海事组织对船舶硫化物排放控制的规范的颁布和实施，不仅会对整个船舶航运产生影响，同时也会对船舶设计工作产生较大影响。但从积极作用角度来看，这类规范作为指导文件对明确设计方向和目标，进而优化设计具有积极意义。

2船舶硫化物的控制方案

2.1从燃油硫含量上控制-使用低硫油

使用低硫油对船舶改动最小，是当前最为简单最为直接的应对措施，也是目前大多数船东的第一选择方案。

根据欧盟法令，船舶在欧盟所属港口停泊，包括锚泊、系浮筒、码头靠泊超过2小时的船舶不得使用硫含量超过0.1%的燃油。为了应对欧盟法令，船东通常有2种方式可供选择：一是停用所有需要使用燃油的设备，包括船舶主机，发电机，锅炉等。船上作业所需的动力和能源只能通过岸电供应的方式。而有些作业虽然没有直接用燃油，但由于间接用到燃油，这些作业也将被迫停止。比如蒸汽系统和热油系统，是通过利用主机余热的废气锅炉或直接燃烧燃油的燃油锅炉来得到热量的，燃油停用就意味着这些系统相关作业均不能完成。而且这些作业所用到的设备一般不是通过电的方式实现的，所以岸电不能直接使用。如果需要在不用燃油的情况下进行这类作业，需要对船舶进行大量的改装工作，使相关作业在燃油模式和纯电模式均可工作，这类改装涉及的面很大，需要投入很大的成本，一般船东不会选择。

另外，岸电的方式还受电价、电量供应（包括岸基的最大功率和船上岸电箱的最大容量的双重制约）、电制（包括电压和频率，目前各国标准并不统一）等限制。

综上所述，大部分船东并不采用岸电的方案。

但是现阶段国际市场上所供应低硫油比较缺乏，符合欧盟标准的低硫燃油更是严重缺乏，而且价格昂贵，其价格基本需要比重油高出一倍左右。

2.2从废气上控制-对废气洗涤方案

为应对法规的生效，众多厂家加入了废气净化处理技术的研发，国内外尾气脱硫厂家均在脱硫方面取得了显著成绩，并获得了国际海事组织与各大船级社的认可。

洗涤器一般分为开式，闭式和混合式三种：开式系统直接使用海水作为脱硫剂进行脱硫，系统简单，但受海水碱度及法规的限制；闭式系统则使用船舶自带碱液进行脱硫，不受海域限制但成本较高，混合式系统则综合以上两种方式，可以自由切换。在距离港口附近或有法规限制的区域选择闭式脱硫模式，整个循环在船舶内部完成，通过循环泵进行循环洗涤水，通过检测模块进行水质检测，碱液供给模块进行自动补充碱液和淡水，废水处理模块处理污水，促进淡水系统循环利用。船舶离开港口附近水域或有法规限制的区域后，该系统可选择开式脱硫模式，直接抽集碱性海水进行废气清洁，并将硫酸盐产物直接排人大海中，这些排泄物基本不会对大海产生影响。

混合式兼有开式和闭式的优点，但是在三者中是最为复杂，且成本最高的一个系统，可用于各种区域的航行。

2.3使用液化天然气燃料代替燃油

采用天然气作为燃料动力，除了主机、发电机外，还需要大量的LNG处理配套设备，其设备成本比用燃油的设备成本大得多。

除了投资成本过大以外，LNG一种易燃易爆的危险气体，按船舶规范必须在双层管中运行。双层管之间的环形空间需要充入惰性气体进行惰化并通风，并设置监测装置进行泄漏监测。这些双层管的设计和安装的成本比常规的管子高得多。LNG的密度比较小，不到船用重油的一半，所以LNG燃料舱的容积要比燃油舱大的多，巨大的布置空间对于船舶设计也是一个需要考虑的问题。以LNG作为远洋船舶的燃料，需要面临续航力不足等难题。

另外，LNG的加注也不是每个港口都可以进行的。

3低硫油使用对船舶轮机设计工作的具体影响

3.1低硫油使用对舱拒设计的影响

对于在限定区域内航行或需要在欧盟港口停靠的船舶，除了重油舱外，应该设置一套专门在这些区域使用的船用轻柴油舱，包括设置轻柴油日用舱和沉淀舱。轻柴油闪点低、粘度小，为了保证船舶安全和低硫油输送，在舱柜布置设计时应尽量使轻柴油舱远离其他温度较高的舱柜。另外，长期采用低硫燃油时，要求气缸油的碱值也要同步降低，否则会破坏缸套表面油膜，加剧缸套磨损或活塞结碳，所以建议为船舶配备两个大小不同的气缸油储存舱，分别存储两种不同碱值的汽缸油。

3.2低硫油使用对设备布置及系统设计的影响

（1）对冷却器安装位置的影响

为了消除低硫油粘度低对于设备的不利影响，满足设备的使用要求，一般通过设置冷却器控制油温的方式进行，冷却器设置在不同的位置，其影响是不一样的，具体分析如下：

（a）将冷却器安装在主机（或其它用油设备）进口位置，见下图1：

这种安装方式的优点是冷却器安装后可以对柴油的进机粘度进行直接控制，可以提高工作效率。但是对于冷却器之前的供给泵和循环泵具有较高的性能要求，因为低硫油粘度低、润滑性能差。在供给泵和循环泵的订货选型过程中一定要特别注意其粘度适用范围。

（b）将冷却器安装在透气桶和供给泵之后，循环泵之前，见下图2：

安装在这个位置除了可以保证进机的温度外，还可降低循环泵的性能要求。

（c）布置在轻柴油油舱出口位置，见下图3：安装在这个位置，轻柴油从油舱出来就进行冷却，可以降低供给泵的性能要求。因为低粘度轻柴油除了供给设备燃烧外，还对高压油泵和喷油嘴起冷的作用，所以设备的回油温度比较高。设备的高温回油在透气桶进行混合，所以冷却器很难有效控制进入主机的油温。

（2）对冷却器的综合设置

在实际的设计中，为了节约成本，众多设备往往设成一个共用的供油系统，见下图4：

在轻柴油舱出口位置设置冷却器，把从油舱出来的油温降下来，粘度相应提高，能够满足整个供油系统的需要。在公共高温回油管上再增设冷却器，把回油的油温降下来，这样就解决了高温回油与低温供油混合，难以控制进机油温的问题。

在实际的设计中，轻柴油的冷却一般都是通过淡水冷却系统来实现，而不是用海水冷却系统来实现，其目的是避免冷却器损坏时轻柴油泄漏，随海水排放到海中污染环境。但是淡水冷却系统相对于海水冷却系统来说其温度较高，与轻柴油之间的温差较小，冷却效果较差。如果无法提供足够的制冷量时，应增加制冷机，以保证冷却效果。

（3）增设轻柴油分油机

重油分油机不适用于分离轻柴油。因为轻柴油与重油的性质相差很大，为了达到良好的分油效果，安全高效地把水和机械杂质从轻柴油中分离出来，一般需要增设轻柴油专用分油机。

（4）轻柴油与重油的转换

由于油的种类不同，轻柴油与重油进机的温度相差很远。轻柴油进机的温度一般在22℃左右，而重油通常在135℃左右。为了减少转换时温差带来的巨大热应力，需要对燃油参数进行监测，对于燃油的温度、温度变化梯度和负何等转换条件进行严格控制。燃油转换的时间需要根据不同的设备制造厂规定的方法进行计算。一般需要在设备进口处增设粘度控制系统，轻柴油与温和的速度与重油混合，以免损坏设备。

4结束语

若仅从技术控制硫排放的角度来看，使用低硫油使用并且对设计进行改进，是比较实用且低成本的减排方法。

参考文献：

[1]船舶硫化物排放控制对轮机设计的影响及对策.[J].科技经济导刊.叶高帮.2016（11）

[2]船舶硫排放控制对轮机设计的影响.[J].船舶设计通讯.郭林丽.2010（01）

[3]船舶硫排放控制对轮机设计的影响.[J].中国水运.刘叶红.2016（07）

[4]靠港船舶硫排放控制措施与政策研究[J].周亮.交通运输部管理干部学院学报.2014（01）