艦船用柴油機燃用重質柴油的影響和應對初探

周方俊，繆杰雄

（1.海軍駐武漢四三八廠代表室，湖北 武漢430060；2.武昌船舶重工集團有限公司，湖北 武漢430060）

艦船用柴油機燃用重質柴油的影響和應對初探

周方俊1，繆杰雄2

（1.海軍駐武漢四三八廠代表室，湖北 武漢430060；2.武昌船舶重工集團有限公司，湖北 武漢430060）

結合潛在的需求牽引，積極探索軍民融合領域拓展，對在艦船柴油機上燃用重質柴油課題進行了探討。結合不同品質柴油的特點差異討論了其在艦船柴油動力裝置中燃用的關注要點和對策，指出在以往研究的有力支撐下，做好充分的技術配套保障和使用管理，在艦船柴油機上作重質柴油代用是可行的。

柴油機；軍民融合；柴油；代用

驅護艦和大型支援輔船出遠海開展訓練和勤務已逐漸形成常態化，相應的海上補給線成倍延長。除了大力建設遠洋支援類艦船力量，依托軍民融合擴展保障體系，提供遠程航線服務，也是提高海上武裝力量遠海在航率的有效途徑。油料是艦船的“血液”，艦船日常巡航優先的補給需求就是油料。艦船執行遠海任務時，需要利用他方的港口或海上平臺開展油料補給的情況正在出現。

如外來油料的品質不匹配軍用艦船的柴油標準，則在使用這些非標準柴油時，需要對動力裝置制定相應的換用預案。驅護艦和大型支援輔船的巡航動力均為柴油機，機型主要有高中速四沖程機和二沖程機。本文主要針對在柴油機動力系統燃用品質與艦用柴油差別較大的重質柴油時，作相關代用的應對探討，燃用其他非標準柴油時可參照燃用重柴油時的狀況作相應調整。

1　船用柴油應用和供應特點概述

現役軍船主要使用－10#等軍用柴油（以下簡稱軍柴），對應標準為GJB 3075《軍用柴油規范》。目前國家以普通柴油代替原“輕柴油”用語表述，對應標準為GB 252《普通柴油》，標號按凝點分為10#～－50#等七個牌號。重柴油方面，行業內仍參照原標準GB 445《重柴油》應用，標號按凝點分為10#、20#、30#。為與國際接軌，國家頒布了與ISO標準等效的GB/T 17411《船用燃料油》和GB/T 12692《石油產品 燃料（F類）分類》，其中的餾分燃料油與我國常用柴油的對應關系以及國際俗稱如表1所示。

表1　餾分燃料油與常用柴油的對應關系及俗稱

通常的代用關系為：

（1）4℃以上環境，0#、－10#普通柴油均可替代DMX使用，夏季時5#、10#普通柴油可替代DMX使用。

（2）在有預熱設備的船舶上，所有牌號的普通柴油都可作為DMX、DMA、DMB使用，20#重柴油可作為DMC使用。

航運行業上通常以MGO等低標號柴油作為救生艇和應急柴油發電機的油料，以滿足應急目的的可靠性。而在主電站和主推進柴油機中主要應用MDO，即高標號的柴油。因此在船用柴油方面，高標號的柴油供應量遠大于低標號的柴油供應量。結合燃油標準綜合比較，高標號燃油中的雜質等含量往往高于低標號燃油。軍柴標號較低，而且各項指標要求相對嚴格。也就是說，在利用外來體系開展油料保障時，所獲燃油的標號和品質往往與軍柴的要求有差距。艦船日常勤務中是以使用軍柴為主，但海上形勢瞬息萬變，若出現一些緊急或極端場合，難免出現應急采用其它品種的船用柴油。為應對這種油品代換情況，需要提前了解油品性質，及時對動力裝置做好相應的調整工作。

2　重質柴油的成分特點及對設備的影響

柴油作為一種液態石油餾分，粘度介于煤油和潤滑油之間，屬于輕質石油產品，是一系列復雜烴類的混合物。從微觀結構上看，普通柴油主要以含碳15-24的烴化合物為主，重柴油主要以含碳18-40的烴化合物為主，重油中烴化合物的碳數更是達到了40-50.在宏觀表現上，普通柴油特別是軍用柴油是較“純凈”的，重質燃油成分相對更加復雜，密度大、凝固點較高，含臘較多，粘度大，殘炭、水分、硫分、灰分和機械雜質含量較多等，這些特點使得柴油機在燃用重質柴油下運行時會帶來一定的影響。

燃油粘度大時，流動和過濾都較為困難，在駁油管系中泵送時要克服較多的流阻。粘性大的燃油進入機體后，會形成過高的噴油壓力，導致柴油機燃油系統的零部件機械應力過高，甚至損壞高壓油泵、滾輪和凸輪軸等組件。粘稠的燃油經油嘴噴出時，易形成大油滴且噴射距離變遠，霧化不好，油氣混合不均勻，燃燒不充分，噴射深度大，造成滯燃、后燃。

重質柴油比重較大，油水分離帶來了困難。而燃油含水分較多則會降低燃燒溫度，高溫下分解時還會加速氧化腐蝕設備。

燃油中的機械雜質、殘炭、灰分在儲存時會形成油泥質的沉淀物乃至堅硬的炭垢，容易堵塞內外燃油系統中的油路和濾器，可能使供油中斷，造成停車。雜質中的硅鋁顆粒等會像磨料一樣，造成高壓油泵、噴油嘴、氣缸套、氣門等精密部位的磨損。形成的積炭還會改變燃氣流道的設計結構，偏離最佳功率點等。

燃油中含有的硫、釩、鋁、硅、鈉等元素在高溫下經過化學反應會形成腐蝕性化合物，會發生高溫電化學腐蝕和低溫酸性化學腐蝕，不僅會腐蝕金屬表面和降低機油堿值，還容易吸灰，加速形成積垢。

3　動力系統更換油品時的應對調整

自上世紀50年代以來，船舶行業上已經開展了一系列針對柴油機改燒重質燃油的研究，盡管重質柴油的品質較差于普通柴油，會對柴油機造成一定的影響，但該待用技術已經發展的相當成熟。目前在民用船舶上，低速柴油機兒乎全部可以燃用重質或劣質燃料油，大部分中速柴油機可以燃用重質燃料油，高速柴油機上使用重油和重柴油也有長時間的應用。

綜合輕油改重油的實踐可知，其核心工作主要是將凈化后的燃油進機前調整到相近的粘度和密度，以獲得與原基準油料相似的噴射霧化質量，使柴油機的熱工狀態和運轉性能變化不大。

油品粘度變大，相應要提高噴油壓力，相當于提前拉負荷工況，雖然燃油霧化質量隨噴油壓力增大而有所提高，但過高的噴油壓力會增加管系的脹裂風險，加快噴油組件的磨損。

粘度很大程度上可以決定柴油機燃燒室內可燃流體的性質，是影響柴油霧化質量的重要指標。對重柴油預熱，提高燃油溫度，可以使粘度下降，改善了柴油的流動性，噴射時油滴細，霧化質量提高，促進燃燒充分。實驗表明20#重柴油在35～40℃時霧化的細度、均勻度、霧花長度等與0#柴油在20～-30℃時的效果相接近［1］。

提高油溫，還可以減弱油品中的膠質析出，提高流動性，減小濾器的堵塞。但是進機油溫也不能過高，油溫高相應密度會降低，也會影響在燃燒室的油霧分布和油氣混合。過加熱還會加速油品中的硫分解，增加腐蝕概率。

因此為了保證柴油機的燃燒良好，需要適當提高油溫，控制噴油壓力，降低粘度在一個適當的范圍，同時進機前要加強油品雜質的沉淀過濾。

重柴油的重鎦成分較普通柴油多，十六烷值稍低，滯燃期有增加，同一機型的最佳噴油提前角可略微增大，噴油壓力適當提高等。

類比得，當艦船出現考慮非標準柴油代用時，可參考民船的成熟做法，對燃油在進機前進行預處理，達到清雜、脫水、脫鹽、降稠等效果，即著重解決燃油凈化和粘度降低這兩類綜合問題［2］。相應的，對動力裝置的改動，主要集中在外圍設備，如駁油、冷卻、加熱系統等，柴油機本體基本只限于參數調整，以便于輕重油的兼容和轉換。

3.1外部系統

燃油凈化包括分離和過濾。選用分離性能更好的分離組件，強化分離機對油品分渣、脫水等的性能；可以摻入適量的添加劑，促進將含有鈉、釩、硫等化學元素的鹽類溶解水洗出來，達到脫鹽等要求，還能減輕和抑制鹽類對設備的腐蝕作用。在過濾環節上，單純在外部油路上加強某一環節的過濾措施是不夠的，或者出現濾器超負荷，或者流阻增加過多，建議在日用油柜出口設置粗濾，在分離機出口設置中濾，在柴油機進口設置精濾，將雜質分級濾除。

重柴油的粘度隨溫度不同而差異較大，為便于泵送和保證霧化質量，在油柜中和柴油機進口前增加加熱裝置（加熱溫度參考值如表2所示），同時對燃油管路采取隔熱保溫處理，減少管路熱損。加熱媒質可以考慮電、汽、廢氣、冷卻水等，由于供汽需關聯輔鍋爐，廢氣已引入增壓器，因此可考慮選擇在冷態時使用電熱，在熱態時引入出機冷卻水作為燃油加熱源可以減小系統改動的復雜程度。

表2　重柴油預熱參考值

貯油系統中應分設兩個不同油品的日用油柜，分別存儲軍柴和重柴油，重柴油的日用柜具有加熱措施，在進機前增設三通接頭和相應管路來實現油品的轉換。

3.2機組本體

重柴油的密度、表面張力和粘度都比普通柴油大，相對不易獲得較好的霧化性能，重柴油的燃燒速率較輕油緩慢，滯燃期增長，后燃比較嚴重。因粘度在很大程度上可以決定汽缸內燃料流的性質和霧化程度，除將重柴油預熱使其粘度和比重與普通柴油接近外，還需要調整噴油量和時機，適當增大噴油提前角（1～3°）和啟閥壓力，保證霧化油滴顆粒細致，分布均勻，油氣比合適，以獲得與軍柴最接近的霧化質量。

使用重柴油后，油品粘度增大使回油量相對少，單位體積的重柴油熱值比普通柴油偏高，在相同的油門開度下，機組的熱負荷增大，排氣溫度較燃用輕油時高，需加強缸蓋、排氣閥及閥座的冷卻，應適當調大冷卻水流量，不宜調低冷卻水溫，以防止增加機械應力和硫份等造成低溫腐蝕，同時相應提高噴油器啟噴壓力。其它諸如氣門正時、開啟角度、升程等配合可根據油品特性相應微調。

對于柴油機動力裝置，盡管改換油品關聯了一系列的調整工作，但都有理論和實踐的指導，以及成熟的措施應對，結合機型和裝船實際狀態，作相應的匹配工作，改燒重柴油是可行的。

4　工程可行性

增加燃油管路保溫和加熱設備對原燃油系統改動非常小，并有成熟做法可以借鑒。溫度控制可以借助原有設置的傳感器、儀表以及閥件，手動或自動調整，或根據需要增加相應的監控點，改動量不大。

目前在與船用機組配套的凈油機、濾器、加熱器等產品，許多廠家的設備已形成系列化，外尺寸、接口都一致，如凈油機等主要是分離環等套件不同，更換油品時，只需要在設備本體內相應更換對應的分離組件和調整操作參數即可，其設備原理、結構形式、操作方法均基本保持一致。

油料添加劑已得到廣泛的應用，可顯著降低燃油、滑油和機體內的酸度等指標，其用量很少，一般僅為油料消耗量的千分之幾，成本投入少而效果好。可以選配或專門調制相應的添加劑，合理匹配要代換的重質燃油品質。

現選型的PA、PC等機型的原型機具有設計儲備，均可以燃用重質燃油，可以根據臺架測試數據，在結合更換油種前對柴油機進行對應的參數調整［3-4］。

5　日常管理注意事項

重柴油代替輕柴油使用的過程中，管理得當、操作到位等也是需注意的重要一環。油品代用時，需要注意且不限于下列事項：

（1）重柴油裝船后，加強對分離機、濾網的清洗等工作，以免發生堵塞。使用時，嚴格控制燃油預熱溫度，保證粘度要求，同時注意高溫環境區域的消防安全保障。

（2）注意調整并控制機體各部位的工作溫度，不可過低以防止低溫腐蝕。在低負荷時適當提高進氣溫度和冷卻水溫度，改善氣缸熱狀態，以利于重質柴油的燃燒充分。

（3）應用重質柴油時盡量維持穩定工況，避免頻繁改變和急加急減，起動停機和離靠碼頭、狹水道航行等特殊場合時切換使用軍柴，機組起動達到熱態且重柴油經預熱達到合適粘度后方可轉為重柴油，停機前也需要轉為普通柴油，以利于油路的清洗。

（4）需定期檢查滑油質量，補充添加劑，保持適當的滑油堿值，中和燃油帶來的酸性。

（5）燃用重質柴油后，因過濾、燃燒不完全等使廢氣中可能含有較多的鹽分和積炭，對增壓器渦輪葉片有潛在的積垢、腐蝕等影響，應定期加強檢查和清洗。同時調整壓氣機參數，調試合適的進氣流量以匹配進機油氣比。

（6）油品切換后，同一工況下的耗油量會有差異，要及時掌握剩余存油，避免抽空。

6　結束語

使用非標準柴油時，經過凈化和預熱處理，提高燃油純度，降低燃油粘度，并對柴油機動力裝置作必要的改進和優化，加強運行管理，是可以杜絕動力系統中噴油器和供油系統的堵塞、油泵柱塞副咬死，以及拉缸、過熱等問題的。在霧化質量接近的狀態下，柴油機運轉性能與使用普通柴油時相當，各主要熱力參數穩定，柴油機的機械負荷變化較小。本文主要選取與軍柴品質差別較大的重質柴油作代換時的相關探討，若實際代換油品與軍柴差異不大時，則燃油代用更無困難。

積極開展艦船柴油機燃用非標準柴油時的應對措施研究，是降低油料供應渠道狹窄，依托軍民融合拓展多體系多渠道勤務保障方向，提高艦船遠海在航率等方面所需的必要的技術準備，具有非常重要的意義。

［1］葉小明．小型柴油機燒重柴油確定關鍵參數的研究［J］．廣州航海高等專科學校學報，1993，（1）：3-10．

［2］韓祖豪，李明海，崔洪江，等．重柴油的應用研究［J］．能源研究與信息，2006，22（3）：118-122．

［3］朱淑華．PC4和PA6系列柴油機使用重油的成功經驗［J］．柴油機，1981，（2）：8-12

［4］吳英.法國PA6-280柴油機試驗近況［J］．國外內燃機車，1971，（3）：2-3.

Study of Influence and Response of Heavy Diesel Oil Used in Marine Diesel Engine

ZHOU Fang-jun1，MIAO Jie-xiong2
（1 Navy Representative Office in No.438 Fatory，Wuhan Hubei 430060，China；2 Wuchang Shipbuilding Industry Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430060，China）

Combined with potential demands，the heavy diesel oil applied in marine diesel engine were studied under useful way of with military and civilian integration．The key points and countermeasures using the heavy diesel oil with characteristic difference is discussed in ship diesel power plant．The result indicated that it is feasible to use heavy diesel oil as on the marine diesel engine on the base of adequate technical suppport and management．

diesel engine；civil military；integration；diesel oil

U664.121

A

1672-545X（2016）07-0219-04

2016-04-22

周方俊（1979-），男，山東濟寧人，博士，工程師，從事專業：船舶機電工程；繆杰雄（1989-），女，湖北武漢人，工程師，從事專業：船舶系統設計。