使用低硫輕油對船舶主機的影響和應對措施

大連海事大學輪機工程學院　葉朝陽　叢 巖

?

使用低硫輕油對船舶主機的影響和應對措施

大連海事大學輪機工程學院葉朝陽叢 巖

摘要：隨著控制船舶硫排放的相關規定陸續出臺，主機不得不長時間使用低硫船用輕質燃油。到目前為止，船用低速二沖程主機都是針對高硫重油進行設計和優化的，因此應考慮低硫輕油的特性及長期使用對主機的不利影響，并相應地對管理工作作出調整。

關鍵詞：船舶主機；硫排放控制區；低硫輕質燃油；主機管理

2016年1月1日，我國船舶排放控制區（ECAs）實施方案正式生效，自4月1日起三個ECAs之一的長三角率先實施，船舶在長三角水域ECAs核心港口靠岸停泊期間應使用硫含量不高于0.5%m/m（質量分數）的燃油。隨著全球和地區環境問題的日益嚴峻，船舶對環境的污染逐漸被關注，這導致了國際和國內相關法律法規的陸續出臺。隨著船用燃油最高含硫量限值不斷下降，ECAs不斷增加，船舶主機不得不在更長的時間段使用低硫燃油。目前船用主機大多是低速二沖程柴油機，其設計和優化都是針對含硫量較高的重油，若長期使用低硫輕油（1周或2周以上），其管理措施必須進行相應的調整。

一、船用燃油限硫背景的介紹

1.國際公約

國際海事組織（IMO）制訂了《國際防止船舶污染公約》《MARPOL公約》附則VI（防止船舶造成空氣污染規則），早期版本1997年議定書于2005 年5月19日生效，其中第14條對船舶使用的燃油含硫量進行了規定。隨著國際社會對環保重視的程度加強，這一條款不斷被修訂，總體來說，《MARPOL公約》附則Ⅵ設定了兩套體系的兩步走原則。首先，公約要求國際航行船舶所使用的燃油含硫量不得高于3.5%m/m，2020年后這一標準將提高到 0.5%m/m。其次，公約規定各締約國可以向IMO申請設立更為嚴格的ECAs，在ECAs水域內航行的船舶所使用的燃料油含硫量不得超過1%m/m，2015年1月1日后這一標準被提高到0.1%m/m。目前的ECAs包含北美海域、美國加勒比海、波羅的海、北海和英吉利海峽等。未來排放控制區將進一步擴大，墨西哥灣、阿拉斯加水域、五大湖水域、新加坡、黑海、地中海以及東京灣水域已經有提議要求劃為排放控制區。[1]

2.地方性法令法規

歐盟（EU）主要通過2005/33/EC法令修正案和2012/32/EC法令修正案從技術層面上頒布了船舶排放控制的有關法令，規定了船舶燃油硫含量標準。自2015年1月1日起，EU管轄的海域開始執行2012/32/EC法令修正案的標準，即在ECAs內，船舶燃油硫含量不得超過0.10%m/m。EU法令還聲明：自2020年起，ECAs外所有船舶的硫排放標準為0.50%m/m，而不管IMO的全球標準是否會推遲至2025年。

加利福尼亞空氣資源委員會（CARB）頒布的燃油法規于2009年7月1日起強制實施，目前要求如下：加州沿海地區24英里海域內航行船舶燃油含硫量從2014年1月1日起船用輕柴油（DMA）和船用柴油（DMB）硫含量不超過0.1%m/m。[1]

公約/法規關于船舶使用燃油硫含量的限值要求見表1。

表1　最近燃油硫含量限值一覽表

3.我國的相關法規和規定

盡管我國早在2006年8月23日就已經接受了《MARPOL公約》附則VI，然而國內始終沒有出臺關于船舶廢氣排放的強制性標準。在中國水域內航行的遠洋船舶，持有國際防止空氣污染證書（IAPP）的多使用含硫量在3.5%m/m左右的燃油，未持有IAPP的沿海航行船舶，則為了降低運營成本使用含硫量高達4.5%m/m或以上的廉價燃油。而我國道路車輛和陸上發動機所使用的柴油，其含硫量的標準是不超過0.035%m/m，[2]這使得我國船舶排放對環境的污染所占的比重日益增加。

2015年12月4日，交通運輸部網站正式發布《珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案》。《方案》在環渤海水域、長三角水域和珠三角水域劃定了3個ECAs，在2016年1月1日至2019年1月1日為期3年的過渡期內，逐步在ECAs范圍內推廣硫含量不超過0.5%m/m的燃油。2019年1月1日以后，過渡期結束，所有船舶進入ECAs必須使用硫含量不超過0.5%m/m的燃油，《方案》還明確，在2019年12月31日前，評估前述控制措施實施效果，確定是否采取以下行動：船舶進入ECAs使用硫含量不超過0.1%m/m的燃油以及擴大ECAs地理范圍。

2016年4月1日起，船舶在長三角水域ECAs核心港口靠岸停泊期間開始要求使用硫含量不超過0.5%m/m的燃油。目前確定的長三角核心區域港口主要包括上海港、寧波舟山港、蘇州港和南通港。長三角水域ECAs工作主要分兩個階段實施。4月1日起，要求船舶在核心港口靠岸停泊期間應使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油，鼓勵船舶在靠岸停泊期間使用硫含量不高于0.1%m/m的燃油，鼓勵船舶進入ECAs使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油。在第二階段，將在評估第一階段措施實施情況后，適時啟動進一步管控措施，船舶進入排放控制區應使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油，在靠岸停泊期間應使用硫含量不高于0.1%m/m的燃油，船舶進入排放控制區應使用硫含量不高于0.1%m/m的燃油。

二、低硫燃油的特性及對主機的影響

1.船用低硫燃油的標準

船用燃料油分為餾分型燃油和殘渣型燃油（船上俗稱輕油和重油），這兩種燃油又按產品運動黏度等性能指標的不同，進一步細分成多個品種等級。目前被廣泛采用的權威分類標準是國際標準化組織（ISO）于1987年制定的ISO 8217:1987“船用燃料油規范”，歷經4次修訂后形成了ISO 8217:2012版本，該規范將船用餾分型燃油分為4個等級，分別為DMX、DMA、DMZ和DMB，最常使用的是DMA（船上通常稱為MGO或輕柴油）、DMB（通常稱為MDO或柴油）；將殘渣型燃油分為RMA10、RMB30、RMD80、RME180、RMG和RMK等6個等級，船舶主要使用的是RME180（船上俗稱180重油）和RMG380（俗稱380重油）。我國現行有效的船用燃料油國家標準是推薦性國標GB/T17411—2012《船用燃料油》，該標準是在2012年，采用ISO 8217:2010《船用燃料油規格》標準，對1998年制定的GB/T 17411《船用燃料油》進行修訂形成的。[2]

表2　ISO 8217:2012船用DMA和DMB的主要性能指標

為了滿足排放標準，目前船舶運營商可以有三種選擇：一是選擇使用價格更高的低硫燃油；二是選擇安裝許可的廢氣清洗系統；三是選擇對柴油機進行改造使用LNG作燃料。相比于后兩種方案的眾多局限性，換用符合標準的低硫燃油是大多數船舶在進入ECAs時的首選方案。

原油主要由碳氫化合物組成，硫是排名第三的主要元素，不同產地的原油硫含量也不同。大多數含硫原油的硫含量在1.0～2.0%m/m之間，有些則會超過4.0%m/m。硫的濃度隨碳數增加而逐漸增大，因此殘渣型燃油（重油）中粗餾分的硫含量要高于餾分型燃油（輕油）中粗餾分的硫含量，這也是市場上供應的重油其硫含量遠高于輕油硫含量的原因。硫含量控制程度越大，相應的成本就越高，[3]煉油廠為了生產符合限硫標準的低硫重油，可能要加大技術投資，改進或更新設備，成本較高。因此盡管需求龐大，當前在全球范圍內的燃油供應市場難有大量的低硫重油提供，對于大多數的船舶來說就很難加裝到滿足ECAs要求的重油，不得已只能加裝低硫船用輕油即MGO和/或MDO。本文探討的也是船用低速二沖程柴油主機長期使用輕油的管理。

2.輕油的特性和對主機的影響

和重油相比，低硫輕油具有發熱值高、密度低、黏度低、潤滑性差、閃點低和含硫量低等特性。其對主機的影響主要有下述幾個方面。

（1）低黏度的影響

ISO 8217:2012中DMA對黏度要求在2～6cst@ 40℃范圍內，DMB的黏度范圍為2～11cst@40℃，目前主流的二沖程主機，其燃油噴射黏度推薦值為10～15cst，低硫輕油過低的黏度會破壞高壓油泵、噴油器等這些運動部件的潤滑油膜，從而引起潤滑性能降低，磨損加快，嚴重時可發生偶件咬死等故障；過低的黏度還會加大高壓油泵、噴油器原本在使用高黏度重油時不太明顯的內漏量，這可能會導致噴油器噴油滯后和噴油量降低，嚴重時主機會起動困難，低負荷時轉速不穩定。

（2）低含硫量的影響

燃油中所含的硫在燃燒過程中會轉化成三氧化硫，三氧化硫和水可以形成硫酸，當缸套溫度低于硫酸和水的露點時，缸套壁上就會凝結腐蝕性硫酸混合物。換用低硫輕油后，如果繼續使用高堿值的汽缸油，由于低硫輕油產生的酸性物質相對較少，酸性燃燒產物將被完全中和。雖然酸性燃燒產物對缸套有腐蝕作用，但適度的腐蝕對缸套潤滑是有益的，適度腐蝕可以使缸套表面的石墨層保持蓬松，有助于潤滑油的附著和分布。缸套表面會因缺乏酸性腐蝕而關閉石墨層，這降低了汽缸油的附著和分布能力，使邊界潤滑能力降低，磨損將急劇增加。此外，大量過剩的堿性添加劑燃燒后產生碳酸鈣顆粒沉積在活塞頭和活塞環處，導致缸套和活塞環產生顆粒磨損，引起活塞環卡阻、失去彈性甚至斷裂。長期使用后，這些燃燒產物還會污染增壓器噴嘴環、渦輪葉片、廢氣鍋爐等設備，造成嚴重后果。

（3）硅鋁化合物的影響

低硫輕油中硅、鋁含量較高，現代石化工業中，為了提高輕質燃油的產量，采用催化裂化技術，原油煉制過程中加入含有硅和鋁元素的催化劑，成品油中催化劑的硅、鋁顆粒很難全部分離出來。[4]硅和鋁顆粒像磨料一樣，如果進入燃油系統會加速高壓油泵柱塞套筒偶件磨損、出油閥卡阻、噴油器針閥偶件磨損；進入燃燒室，會沉積在活塞頭和活塞環處，產生和上述汽缸油堿性偏高一樣的后果。

三、應對輕油不良影響的措施

1.低黏度

柴油機生產廠家針對主機長期換用低硫輕質燃料大都提供了技術支持，對燃油進機最低黏度通常建議是2cst，參照ISO 8217:2012 標準可知，船用輕質燃油如果使用溫度超過40 ℃，則其黏度可能低于2cst。船舶機艙內環境溫度較高，一般可達45 ℃左右，再加上燃油經過主機后回油溫度可達55 ℃，因此低硫輕質燃油很難保證其進機黏度能滿足主機的使用要求。雖然可以同時優化所有可控因素，保證進機黏度符合2cst的要求，但是在實際操作中難度較高。為了使進機黏度始終達到要求，可以考慮通過添加輔助冷卻設備降低燃油溫度，從而提高黏度。成功裝船使用的冷卻裝置有很多類型，目前應用較多的是一種被稱之為“船用冷水機單元（marine chiller unit）”的裝置，[5]該裝置主要由制冷系統、泵水系統、輕油冷卻系統和控制系統組成。制冷系統制取的低溫冷凍水，經泵水系統中的循環水泵送至輕油冷卻系統中的水油換熱器，冷凍水與輕油進行熱交換，將輕油的溫度降低獲得需要的設定黏度。這種系統可以使燃油的黏度得到精確控制。此外冷水機組也可以長期運行在低負荷工況，可靠性好，即便發生泄漏，對燃油系統的影響也比較小。

2.低含硫量

為了獲得滿意的缸套潤滑，必須選用與燃油含硫量相匹配的汽缸油，當主機使用高硫的重油時，使用高堿值汽缸油（70～100BN）；當主機使用低硫的輕質燃油時，使用低堿值汽缸油（15～40BN）。最簡單可靠的方法就是設置兩套汽缸油供油系統，兩個汽缸油日用柜分別加注不同堿值的汽缸油；對于沒有配備低堿值汽缸油系統的船舶，在換用低硫燃油時，可根據相關的指導手冊，對汽缸注油率進行調整。減少注油率后應及時通過掃氣口檢查缸內的潤滑情況，根據缸內實際潤滑情況調整注油率。也可通過掃氣室底部的放殘閥進行取樣化驗，對缸內狀況進行評估，由于放殘物主要由活塞環從缸壁上刮下的汽缸油組成，通過分析剩余堿值便可知注油率是否合適；降低注油率可能會導致不正常磨損，通過分析放殘物中鐵的含量可以協助判斷缸套磨損是否正常。

目前市場供應的低堿值汽缸油主要有3種不同堿值水平（17、25和40BN），而燃油供應商提供的低硫油中硫的含量是多變的。為了獲得理想的汽缸油堿值與燃油含硫量的匹配，管理者可能經常需要進行調整，而且有些情況下這種調整很難達到滿意。例如，曼恩公司的一份針對低硫燃油運行管理的指導意見建議：使用硫含量0～0.5%m/m的燃油，應選擇15～24BN的汽缸油；0～1.0%m/m的燃油選擇25～34BN的汽缸油；0～1.5%m/m的燃油選擇35～40BN的汽缸油；高硫燃油選擇70～100BN的汽缸油，實際管理中船舶很難配備如此全面的汽缸油供選擇。當沒有合適汽缸油供選用時，使用電子注油器的主機可根據含硫量調整注油率來進行短期的臨時使用，而配備雙汽缸油供油系統的主機，只能采取就近原則了。一項稱為“在線調和”的技術可以解決上述難題，[6]目前該技術已在實船使用，在線調和（Blending on Board，簡稱BOB）的基本工作原理和流程是：引出部分在用主機系統油并檢測油質，根據檢測結果和主機對汽缸油的要求，加入BOB 復合劑，通過自動控制系統調和成任意目標堿值的汽缸油，以適應不同硫含量燃油對不同堿值汽缸油的需要。此外，BOB技術還降低了汽缸油采購費用，改變了傳統系統油廢油的處理方式，系統油的質量可以長期保持在較高的水平，從而改善主機滑油系統工況，降低管理者維護保養的工作量。

3.硅鋁化合物

ISO 8217:2012標準沒有對船用輕質燃油的硅鋁化合物含量進行限制，控制燃油進機前的硅鋁化合物含量只能依靠船舶對燃油凈化工作的管理。根據燃油密度選擇合適的比重環，調整分離溫度、流量和排渣間隔時間等參數，增強分油機的分離顆粒的效果。在不影響燃油進機壓力和流量的前提下，燃油進機濾器可以考慮更換過濾精度較高的濾芯。

四、主機使用低硫輕質燃油的管理

1.防止燃油出現不相容現象

如果兩種不相容的燃油混合在一起，油中瀝青的平衡狀態有可能被破壞，產生泥渣沉淀，堵塞管路濾器等，因此加油時要盡量避免不同產地、不同規格的輕油混合在一起。然而實船管理中很難做到，比如歐美ECAs要求硫含量不得高于0.1%m/m，我國要求硫含量不得高于0.5%m/m，如果經常航行在這些航區，再加上低硫油艙數量布置少，混油則很難避免，這時可以咨詢供應商，必要時進行相容性試驗。

2.加強輕油凈化

相當一部分輪機管理人員對輕油的凈化有一個傳統的認識，認為輕油不需要分離凈化可以直接使用。在沒有硫含量限制的區域航行，這或許是可行的，因為主機很少使用輕油，即便是進出港和靠泊等機動操作，主機仍然是使用高硫重油。可是如果是長時間使用低硫燃油，硅鋁化合物顆粒對主機的不良影響則必須重視，應采取相應的有針對性的凈化管理措施。

3.輕、重油切換操作的管理

高硫重油通過加熱得到合適的黏度，其進機溫度通常會達到110～130 ℃；而低硫輕油則需通過降溫得到合適的黏度，如果安裝了船用冷水機裝置，其進機溫度通常在18 ℃左右。[5]輕重油的切換意味著高壓油泵、噴油器等燃油噴射設備在較短時間內，從高溫運轉環境轉換到低溫運轉環境，或從低溫到高溫環境。如不采取措施控制溫度變化速度，噴油泵的進油閥和套筒柱塞偶件、噴油器有可能發生卡阻或拉毛。從低溫的低硫油切換到高溫的高硫油，尤其要注意溫度變化梯度。當相對冷的燃油噴射系統組件被引入高溫燃油時，會輕微膨脹，例如高壓油泵柱塞套筒偶件，開始階段柱塞的膨脹量會大于套筒的膨脹量，這使得偶件之間的間隙變小，極易導致卡阻，甚至咬死。反向操作可能不會那么敏感，因為柱塞的收縮量偏大會使得偶件之間的間隙變大。

如果沒有燃油自動切換系統，手動換油時應參考主機制造商提供的操作指南，注意加熱器、冷卻器和伴熱管的開關時機，控制黏度和溫度的變化梯度，多數主機制造商都建議溫度變化梯度控制在2 ℃/min以下，曼恩公司還建議燃油切換需在低負荷（25～40%MCR）工況以可控的方式進行。

4.注意主機輕油啟動工況

換用低溫低硫輕油會增加噴射組件內漏量，嚴重時可能會導致啟動困難，而在使用低硫油的控制區內，通常水域和碼頭狀況比較復雜，因此在得知需要進入ECAs后，應根據主機工況抓緊進行主機輕油啟動試驗，檢查主機“DEAD SLOW”運轉的穩定性。即將進入ECAs時，在完成重油到輕油的轉換后，情況容許的情況下，應第一時間進行正倒車啟動試驗。

五、結語

在非ECAs航行的船舶，只有出現一些特殊情況（比如主機燃油系統需要長時間檢修，或是燃油加熱系統故障），主機才在較短時間段使用輕油。隨著燃油含硫量上限越來越低，ECAs越設越廣，主機不得不長時間使用原先很少使用的低硫輕質燃油。輪機管理人員應參考主機制造商相關的技術建議，依據實際狀況，在管理方法上作出適當調整。

參考文獻:

[1]劉訓偉.論進入SECA區域硫份燃油的操作新要求[J].航海, 2015(1):57-61.

[2]宋艷媛.船用燃料油及其標準分析[J].船舶標準化與質量, 2015(2):23-25.

[3]國際清潔交通委員會.石油煉制以及超低硫汽油和柴油燃料生產簡介[R].馬里蘭州貝塞斯達市:國際清潔交通委員會, 2011.

[4]陳建良.船舶低硫油的使用和管理[J].珠江水運,2013(9):65-67.

[5]楊興林.遠洋船舶低低硫燃油冷卻系統研究[J].柴油機,2014 (3):35-37.

[6]孫化棟.主機汽缸油在線調和技術應用分析[J].柴油機,2015 (2):47-49.

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.06.002

作者簡介：葉朝陽（1970—），男，高級輪機長，E-mail: yesailing@163.com