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上海海事大学船用电喷柴油机培训课题组
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0 引言
低硫燃油的概念最早是由欧盟提出,其强调船舶燃油的实际含硫量不得超出0.1%,在该标准下加以控制,以保证船舶运行的环保效益更佳,从而防范污染问题。文章主要针对船舶主辅机的燃油系统改造进行了探究,其改造的核心部位为冷却装置,针对性改造设计的要点进行了简述,相关研究内容希望可以为实际工作提供参考,
1 国内外船舶低硫燃油使用的现状
许多船舶在实际航行时,为了尽可能降低成本,会使用一些含硫量较高的动力燃料,其也会产生较多的硫化物,给环境造成不利影响。船舶使用燃油的主要部位为主机和锅炉,以往多是重油、轻质柴油。然而,自2015年开始,国际上公开发布《防止船舶污染国际公约》,其中要求船舶使用的燃油硫含量要小于0.1%,受到国内外船舶领域的高度重视。海事部门也会对船舶的燃油使用开展检查,主要采用抽检形式和文书检查形式。因此,低硫燃油也开始被广泛应用到船舶中,尤其是大型船舶,当前使用低硫燃油种类主要为MGO(船用汽油),在控制了燃油硫含量之后,环境质量也得到了很大改善!。同时,针对当前许多船舶主辅机仍旧使用高硫燃油的情况,加快实现低硫燃油使用技术的改造很有必要。
2 低硫燃油的相关特性和技术
从低硫燃油的特性来看,其主要包括3项内容:1)粘度偏低,大部分传统柴油机使用的燃油运动粘度都能够达到10~15 cst,但低硫燃油的运动粘度却远低于该值,其一般是在2~4cst范围内;2)闪点不高,相较于普通燃油,低硫燃油由于含硫量更低,导致其闪点要比SOLAS公约要求要低,也就是普遍低于60℃:3)润滑性不佳,燃油的润滑效果与其中含有硫分相关,而低硫燃油的硫分令
量颇低,导致其润滑作用也相对较差。
2.1 驳运及注油设备
在使用低硫燃油时,由于其粘度不高且润滑性不佳,因而对驳运系统中的阀类设备与泵类设备有着更高要求。这种燃油容易使阀和泵运动的部件磨损加剧,发生堵塞或卡住现象,在正式使用燃油之前都要严格检查部位,确保其能够良好运行。目前的许多船舶驳运系统都设计了齿轮泵结构,这种结构相较于螺杆泵结构,更容易发生磨损,且压力值不稳,同时还具有振动噪声大、容积效率低及流量脉动大等缺点,当使用粘度更低的低硫燃油后,泵内的流量还会进一步减少,从而产生不适应情况,为此,可以将泵结构改为螺杆泵[2]
2.2 锅炉和柴油机相关
当前,船舶系统中的锅炉普遍是按照重油标准设计油泵结构、燃烧器结构及燃烧控制系统,而低硫燃油的闪点要低于重油,还容易被挥发,若是在以往锅炉中使用,当锅炉停止运转后,炉膛内还会存在一些可燃气体,为了尽可能保证后续良好运行,还要对炉膛中的气体进行彻底清除,对于锅炉的后扫风及预扫风时间适当延长,安全控制的程序合理调节。除此之外,锅炉的火焰探测装置也应针对不同燃油设置不同火焰闪烁的频率,其应当可以正确识别低硫燃油与重油,从而确保锅炉的安全和稳定。
在柴油机设备运行过程中,燃油中的硫分会通过高温生成一定硫酸,其会附着在气缸套的外表面上,具有着较强的酸腐蚀效果而这种酸腐蚀却能够在气缸套表面形成一层石墨薄层,这种物质有助于气缸的运动,为了适当控制酸腐蚀,还可运用碱性中和方式。传统燃油中的硫分含量颇高,产生的硫酸也会更多,碱性气缸油可以控制酸腐蚀,其碱性也比较强。但在使用了低硫燃油之后,其酸腐蚀效果会变得更弱,而原本的气缸油碱性效果却保持不变,这会使中和效果不佳,变为了碱性,气缸套表面也很难再附着油膜,增加了磨损,相应的活塞也可能出现积碳情况,因而应对低硫燃油要选择碱性较低的气缸油。
2.3 燃油切换的控制
船舶主辅机使用的燃油主要包括重油、轻质柴油及低硫燃油,而燃油间的使用切换控制技术也是一项重点。重油,一般要求加热到80℃左右的高温,而低硫燃油则不需要加热,那么在两者进行切换过程中,会产生较大温差混合,导致柴油机的部分设备出现损耗,表现为拉伤或是卡死,如喷射器及喷射泵。为了应对主机的高负荷要求,在低硫燃油和重油之间切换时,可以使用温度传感器协助控制切换阀实际开度,更好地应对温度变化,对于燃油管路中的切换,充分考虑冲洗或置换问题,可以在重油切换到低硫燃油之前,先行切换到轻质柴油来过度,适当延长切换的时间,保证整个过程更加平稳,实现有效控制[3]。
3 船舶主辅机低硫燃油转换改造分析
3.1 加强低硫燃油的储运和加装管理
1)低硫燃油的注入管理,可以为低硫燃油的使用专门设置一个油舱,这样能够有效避免低硫燃油和高硫燃油发生混合情况,影响使用。若低硫燃油和高硫燃油使用的管路为同一个时,那么需要保证管路清洗的彻底,确保无混合残留油。此外,在实际加油的过程中,也要遵循先低硫燃油后高硫燃油的注入顺序。
2)加注低硫燃油之前,需进一步明确燃油规格,要认真核对相应规格表,尤其是要对低硫燃油的成分参数加以核对,保证其数值与对应要求相符合,具体包括硫分参数、水量参数及闪电参数等。
3)在实施加油时,应保证加油设备符合相关要求,使用获得IMO认可合格的设备,充分采集油样[4]4)低硫燃油加装完成之后,要将油样保管好,同时也应当将MSDS及BDN进行保存。
3.2 锅炉改进对低硫燃油的转换使用改造时,也应当实施锅炉改进,尤其是为了确保低硫燃油使用之后锅炉仍保证正常工作状态。锅炉的改进主要涉及2个方面:一是改造相关联的运行系统;二是改造锅炉本身的结构。例如,可以实施锅炉供油系统、燃油转换装置及显示系统的改造作业,改造以适合低硫燃油使用为基本原则,确保供油良好、显示清晰。对于燃油泵结构的改造,可重新根据低硫燃油的净度性质、润滑粘度等进行选择合适规格。此外,低硫燃油是一种流动性较佳的燃油物质,因而使用时一般不需要进行额外加热处理,若是有必要,还可以对锅炉设备的改进外加装上冷却器装置,柴油机的系统也可安装冷却器。
3.3 选择高粘度低硫燃油
船舶主辅机使用的低硫燃油多是具有粘度较低特点,而船舶的对应更换改造工程中,解决燃油低粘度问题是一项重点内容,目前比较成熟的办法就是选择高粘度低硫燃油。例如,在实际使用时,燃油本身的供给系统及循环系统中都运转着柴油机、驳运泵,都会产生循环加热燃油作用,结合一些柴油机与驳运泵生产厂家提供的具体发热量参数进行换算,再结合实际船舶验证结果,发现在一些特殊的严苛条件下,燃油进机温度最高可达到60℃,实际升高温度参数根据设备型号及系统设计的不同也有着明显差异,且一般进机温度也高,对低硫燃油的循环加热作用越强,燃油的运动粘度越会降低,若选择满足设备最低粘度使用要求的高粘度低硫燃油,就可以保证低硫燃油的使用更佳,如以MAN-ME型主机为例,其低硫燃油温度为40℃时,运动粘度应不小于3.0 cst[5]
4 船舶主辅机燃油供给循环系统改造实例
4.1 供给循环系统的改造要点本次以某船厂建造的超大型原油轮改造为例,设计要求保持机进口燃油的粘度在2.0 cst以上,以确保燃油泵的稳定运转。然而,部分低硫燃油在进机温度超过35°时,其粘度会小于2.0cst,随着供给循环系统的运转,燃油粘度很难维持超过2cst,在部分极端情况时温度甚至可达到60℃,那么粘度也会远远低于2.0cst,导致使用低,硫燃油时出现燃油泵卡住情况,为此还要在对应系统中进行加装冷却器实施改进,获得粘度合适的低硫燃油。可在主辅机的高油压泵前设置冷却器,保证实际进油温度不高,进而确保进机油的粘度。也可在循环泵前安装对应冷却器,其作用是保证讲油粘度较高且促进循环泵的稳定运转。柴油日用柜之后不建议安装冷却器,否则可能会导致进机低硫燃油的粘度控制更为复杂化,并且其对应供给泵还需处理冷却器运用后出现的压力降低情况。冷却器中的介质也不应选择海水,否则燃油若发生意外泄露情况,容易污染海洋环境,可选择中央冷却水。
4.2 改造实例分析具体实施供给循环系统改造时,首先要科学设计冷却器装置。在设计过程中,先是要保证冷却器进口端的燃油流量值和循环泵燃油排量值达成一致。再依据日用柜中的燃油温度值和实际回油温度来确定冷却器进口时所控制的燃油温度。对冷却器进口处的介质温度应当依据低硫燃油最低粘度时的燃油温度来设计。假设使用普通类型冷却器仍旧无法使低硫燃油的粘度达到合理要求,那么可额外
再安装冷剂蒸发压缩设备,其能够提高冷却作用。在使用低硫燃油时,也应考虑到对主机气缸油的应用改造,船舶主机在选择合适气缸油时,应当充分考虑到低硫燃油的酸碱度情况,也就是燃油本身的含硫量,若是决定在长时间内进行低硫燃油的转换使用(一般为7天以上),那么需要选择总碱度偏小的气缸油,由专业生产厂家推荐型号,如本次改进选用的气缸油型号为TBN40,为此还应为该装置安装一个专用气缸油柜,便于高效转换。此外,若是低硫燃油使用的转换只是较短时间,那么就不需要运用到转换气缸油装置,事实上,对碱度较小的气缸油进行长时间使用,还可能使得缸套出现严重磨损或是造成活塞被积碳卡住,产生不利影响。通过对冷却器和气缸油的科学设计实现该船舶主辅机低硫燃油改造,在改造完成后相关系统的运转良好且主辅机不会受到较大磨损,也提高了主机运行的环境效益。船舶低硫燃油系统的冷却器装置基本结构如图1所示,其中包含了放水阀、封油圈、散热器等主要构成,适合应用在低硫燃油转换运行当中。冷却器装置与其他设施连接安装的原理如图2所示,其中序号1-10皆为连接的核心节点。
5 结语
船舶主辅机在转换低硫燃油之后,需要对各系统与设备结构实施改造,确保满足低硫燃油使用的要求。船舶主辅机低硫燃油转换改造要点主要包括:加强低硫燃油的储运和加装管理、对锅炉进行改进、选择高粘度低硫燃油及船舶管系的改进。在改造之后,低硫燃油的使用不会对主辅机产生过大磨损,可提高其运行的安全性和稳定性。
参考文献:
[1]李名杨.船舶主辅机低硫燃油转换改造研究[J].船舶物资与市场,2024,32(09):79-81.DOI:10.19727/j.cnki.cbwzysc.2024.09.025.
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