淺談船用主機使用低硫燃油面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

IMO規(guī)定:自2015年1月1日起船舶在排放控制區(qū)(ECA)，須使用w(S)≤0.1%的超低硫燃油(ULSFO)，自2020年1月1日起船舶在全球海域須使用w(s)≤0.5%的低硫燃油(VLSFO),具體見圖1所示。圖1

IMO確定的硫排放控制計劃與此同時，許多國家也對本國海域提出了類似的法規(guī)要求，如中國交通運輸部2018年12月印發(fā)的《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》要求:從2019年1月1日起海船進入我國沿海排放控制區(qū)須使w(S)≤0.5%的低硫燃油，從2020年1月1日起海船進入我國內(nèi)河區(qū)域須使用w(s)≤0.1%的超低硫燃油，從2022年1月1日起海船進入我國排放控制區(qū)海南水域須使用w(S)≤0．1%的超低硫燃油［1］。雖然IMO允許使用船舶排煙脫硫裝置作為低硫燃油的替代措施，但考慮到政策的不確定性以及脫硫裝置產(chǎn)能等諸多因素，因此，2020年1月1日以來，全球大多數(shù)海船還是選擇使用低硫燃油來滿足IMO的要求。由于低硫燃油和傳統(tǒng)的船用高硫燃油(w(S)＜3.5%)相比，在化學(xué)成分和物理特性方面都存在較大差異，因此使用低硫燃油給船用主機的正常運行帶來了很大的挑戰(zhàn)。各大主機廠、油料供應(yīng)商等也就此紛紛發(fā)布相關(guān)文件，對船舶運營者進行相關(guān)指導(dǎo)，以期降低主機使用低硫燃油運行可能帶來的風(fēng)險。一、船用主機使用低硫燃油的挑戰(zhàn)1、低硫燃油分類和特點目前市場上的低硫燃油主要有餾分油(DM)、殘渣油(RM)以及二者混合而成的混合油(IFO)三大類。餾分油是原油經(jīng)蒸餾精煉分離而成，其特性類似于傳統(tǒng)的船用柴油，密度和黏度均較低，但生產(chǎn)成本較高;殘渣油的成分包含3%~10%的瀝青質(zhì)，特性類似于傳統(tǒng)的船用重油，密度和黏度均較高;混合油由餾分油和殘渣油混合而成，因配比不同其密度和黏度變化范圍廣。再加上各油料供應(yīng)商的生產(chǎn)工藝不盡相同，因此，市場上低硫燃油產(chǎn)品種類繁多，其密度、黏度等性能參數(shù)差異很大。另外，由于低硫燃油本身硫含量極低的固有特點，以及低硫燃油生產(chǎn)過程中為強制脫硫而添加的催化劑的殘留，也可能給主機運行帶來不利影響。2、主機使用低硫燃油的挑戰(zhàn)根據(jù)低硫燃油的特點，結(jié)合船用主機的運行機理，并參考兩大船用主機制造商MAN和WinGD的相關(guān)文件，分析使用低硫燃油對船用主機運行的影響，如表1所示。（1）低硫含量的影響當(dāng)主機使用高硫燃油時，燃油中的硫分在燃燒過程中形成的SOx會與缸套上附著的冷凝水結(jié)合形成硫酸，并對缸套內(nèi)壁形成冷腐蝕。冷腐蝕如果不能得到有效控制，會使氣缸套磨損過快，壽命大幅縮短;但適量的腐蝕，則能使缸套內(nèi)壁產(chǎn)生大量敞開式的石墨薄層（見圖2a))，該薄層有利于氣缸套油膜的建立，進而提高氣缸套/活塞環(huán)運行質(zhì)量。因此，主機使用高硫燃油時，其缸套運行管理策略為控制腐蝕，即通過各種措施將缸套腐蝕控制在期望的水平。圖2顯微鏡下的缸套內(nèi)壁但當(dāng)主機使用低硫燃油時，燃油中的硫分水平不足以形成硫酸，此時氣缸套運行的主要風(fēng)險為活塞環(huán)運行摩擦產(chǎn)生的鏡面拋光現(xiàn)象。該現(xiàn)象會使缸套內(nèi)壁形成閉合式石墨結(jié)構(gòu)（見圖2b))，而該結(jié)構(gòu)會大大降低氣缸油的附著力，使缸套因缺乏潤滑而產(chǎn)生拉缸風(fēng)險;如果活塞頭積炭，則會使拉缸風(fēng)險進一步加大。因此主機使用低硫燃油時，應(yīng)注意控制積炭，即通過對氣缸套/活塞運行狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)控，防止活塞頭積炭，減小拉缸風(fēng)險。氣缸油的主要作用包括中和硫酸根、潤滑、清潔、冷卻等。當(dāng)主機使用低硫燃油運行時，因須要中和的硫酸根大幅減少，所以可換用堿值(BaseNumber，BN)較低的氣缸油，WinGD給出的建議見圖3。圖3WinGD對氣缸油BN的選用推薦［2］但BN較低的氣缸油往往清潔效果也較差，所以長期使用會導(dǎo)致活塞頭易積炭，從而加劇拉缸風(fēng)險。因此主機使用低硫燃油時，氣缸油的選用應(yīng)在中和硫酸根和清潔活塞之間尋求最佳平衡。（2）低黏度的影響低硫餾分油其特性與柴油相似，相同溫度下其黏度遠低于傳統(tǒng)船用重油;低硫殘渣油的黏度則與傳統(tǒng)船用重油相似。若使用的燃油黏度過低，主要影響有兩點:一是高壓燃油部件(如高壓燃油泵、ICU等)內(nèi)漏嚴(yán)重，導(dǎo)致燃油噴射壓力不足，進而引發(fā)主機起動或低負(fù)荷操作困難等故障;二是燃油潤滑性變差，導(dǎo)致燃油泵柱塞等運動偶件加速磨損，進而加劇內(nèi)漏現(xiàn)象。因此，使用低硫燃油時須對燃油溫度進行調(diào)節(jié)，確保燃油進機黏度控制在主機要求范圍內(nèi)。（3）低密度的影響與低黏度相似，低密度也主要出現(xiàn)在低硫餾分油中。若燃油密度過低，會導(dǎo)致噴射同樣體積的燃油時質(zhì)量過低，噴射的燃油能量不足，從而引發(fā)主機加速性能變差等問題。（4）殘留催化劑的影響為了使燃油的含硫量更低，在生產(chǎn)過程中不可避免會使用更多的催化劑進行強制脫硫，從而導(dǎo)致更多的催化劑殘留。大量燃油油品取樣分析的結(jié)果也驗證了含硫量越低催化劑殘留量越高這一基本趨勢(見圖4)。圖4不同硫含量燃油的Al+Si含量統(tǒng)計殘留催化劑主要是一些Al+Si的化合物，其形式為細(xì)小的硬質(zhì)顆粒。它們一旦進入燃燒室，就可能會對活塞環(huán)和氣缸套造成嚴(yán)重的磨料磨損，大幅縮短部件壽命。因此MAN和WinGD都建議:燃油進機時其Al+Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低越好，至少應(yīng)低于10×10－?;但根據(jù)船用燃油標(biāo)準(zhǔn)ISO8217—2017:Al+Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于60×10－?即符合要求。因此，正確高效地使用分油機將燃油中的Al+Si去除顯得至關(guān)重要。（5）兼容性的影響燃油兼容性是指不同燃油在混合時產(chǎn)生沉淀的趨勢。單一批次的低硫燃油雖達到ISO穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，但與其他批次或不同產(chǎn)地的低硫燃油混合，很可能會變得不穩(wěn)定，而導(dǎo)致不兼容。根據(jù)目前的經(jīng)驗來看:由于各地區(qū)低硫燃油的成分差異較大，因此油品不兼容的問題出現(xiàn)概率變大。燃油不兼容會導(dǎo)致瀝青質(zhì)沉淀而形成油泥和油渣，導(dǎo)致過濾器、分油機堵塞，在極端情況下，甚至還會堵塞燃油管道，進而引發(fā)船舶主機停車。（6）其它影響除了上述影響因素，對于某些低硫燃油還有一些其它特性須要注意，比如:①低溫流動性。餾分物含量高的低硫燃油，由于其分子結(jié)構(gòu)關(guān)系，在較低的溫度下更容易形成蠟狀，從而引發(fā)濾器堵塞或噴油器粘滯卡阻的風(fēng)險。②酸值。從動植物中提取出來的低硫燃油內(nèi)含有脂肪酸，因此可能顯示出高酸性，而高酸值燃油可能造成燃燒室部件加速損壞。二、應(yīng)對措施針對上述挑戰(zhàn)，建議采取以下應(yīng)對措施(表2)。另外，根據(jù)中船服務(wù)公司近期遇到的案例，由于MAN與WinGD的主機在設(shè)計上有所不同，所以其面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對措施也有所差異。下文將對此做介紹。1、低硫含量的應(yīng)對措施（1）缸套運行管理如前所述，主機使用低硫燃油后，缸套運行的主要風(fēng)險由冷腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)槔住Ｔ?019年底船東大規(guī)模換用低硫燃油后，中船服務(wù)公司陸續(xù)收到了一批主機拉缸的實船案例，其中尤以MAN的大缸徑主機居多。這是因為MAN主機普遍采用鑄鐵活塞環(huán)，其材質(zhì)與缸套材質(zhì)相近，因此在缺乏氣缸油潤滑的情況下活塞環(huán)和缸套直接摩擦發(fā)熱并產(chǎn)生金屬間的微焊接，進而造成拉缸。而WinGD從2005年開始，就將具有鉻基陶瓷涂層的活塞環(huán)作為其主機的標(biāo)準(zhǔn)配置。因陶瓷涂層硬度高且與缸套材質(zhì)相差較大，所以其抵御粘著磨損的能力較強，在短時間缺乏潤滑的情況下，安全裕度也較大。因此針對MAN主機，在使用低硫燃油運行時其缸套運行管理策略建議如下［3］

(后兩點措施對WinGD主機也同樣適用):(1)盡早換用陶瓷鍍層活塞環(huán);(2)關(guān)閉LDCL(LoadDependentCylinderLiner)系統(tǒng)，將缸套冷卻水出口溫度維持在85℃左右;(3)每次到港停機后，通過掃氣口檢查活塞積炭情況，必要時對氣缸油使用策略作調(diào)整;(4)每月檢查掃氣箱泄放油中的鐵含量和BN水平，若鐵含量過高則意味著缸套可能存在拉缸現(xiàn)象，須及時調(diào)整氣缸油使用策略，必要時應(yīng)盡早吊缸檢修，甚至重新珩磨缸套。（2）氣缸油使用策略如前所述，主機使用低硫燃油時，氣缸油使用策略轉(zhuǎn)變?yōu)樵谥泻土蛩岣颓鍧嵒钊g尋求平衡。因此除了根據(jù)燃油w(S)選擇合適BN的氣缸油外，還須調(diào)整優(yōu)化氣缸油的注油率，具體過程如下(圖5):圖5氣缸油BN及注油率調(diào)整示意圖(1)換用新BN氣缸油并沿用之前的注油率，運行一段時間(不超過300h)后，從掃氣口檢查活塞積炭情況，檢查掃氣箱泄放油的鐵含量和BN水平，若情況不理想，則將注油率調(diào)高0.2g/(kW·h)。(2)若注油率已調(diào)高至1.0g/(kW·h)以上，但情況仍不理想，則換用BN更高的氣缸油，以加強清潔效果。(3)當(dāng)換用BN更高的氣缸油達到理想的清潔效果后，則可用類似步驟1的方法再逐步降低注油率，直至達到清潔效果可接受且氣缸油消耗也較少的最佳平衡。若按上述步驟仍無法確定合適的氣缸油BN和注油率，MAN推薦:船上同時配備高BN和低BN兩種氣缸油，并交替使用(各使用一周);或使用氣缸油自動混合系統(tǒng)(AutomatedCylinderOilMixing，ACOM)，以同時保證氣缸油的性能和清潔效果［3］。2、低黏度應(yīng)對措施燃油黏度低引發(fā)主機起動/低負(fù)荷操作困難的實船案例中船服務(wù)公司近期也時有接到。其中尤以WinGD中小缸徑主機居多。這是因為MAN主機采用的是每缸單獨一個高壓燃油泵，且ME型主機的燃油泵柱塞為液壓驅(qū)動，與主機轉(zhuǎn)速無關(guān);且泄漏路徑長，因此內(nèi)漏量較少。而WinGD主機采用燃油共軌設(shè)計，由機帶燃油泵建立共軌壓力，主機起動時轉(zhuǎn)速本來就很低，一旦某缸ICU有較嚴(yán)重的內(nèi)漏就會導(dǎo)致共軌內(nèi)壓力無法建立，進而導(dǎo)致主機起動困難。針對燃油低黏度的影響，主要應(yīng)對措施建議如下:(1)通過調(diào)節(jié)燃油進機溫度控制燃油進機黏度，進機黏度至少應(yīng)保持在2～20cSt，以5～15cSt為宜。對于某些黏度過低的MGO，甚至須要在燃油供給系統(tǒng)中加裝冷卻器降溫。(2)加強對高壓燃油部件的檢查維護，對于磨損較大的部件如燃油泵柱塞或ICU等，須及時換新。另外，WinGD部分機型在設(shè)計階段已減小上述燃油部件的配合間隙，以盡可能減少內(nèi)漏［2］。(3)針對WinGD中小缸徑主機普遍存在起動困難的現(xiàn)象，中船服務(wù)公司開發(fā)了一種燃油共軌增壓解決方案。該方案采用一套單獨的電動泵在主機起動前對燃油共軌進行預(yù)增壓，以保證主機起動時燃油共軌內(nèi)的壓力正常。其原理類似于中高速柴油機的燃油或滑油預(yù)供泵。該方案在解決主機起動困難的同時，還能減小ICU等昂貴燃油部件內(nèi)漏產(chǎn)生的不利影響，從而降低主機生命周期內(nèi)燃油部件的維護費用。3、低密度應(yīng)對措施針對燃油密度過低導(dǎo)致燃油噴射量不足，繼而引發(fā)主機加速性能不佳的問題，可在不影響主機排放的前提下，通過在主機控制系統(tǒng)中適當(dāng)調(diào)整扭矩限制加以解決。但如果對該扭矩限制放寬太多可能會對主機運行帶來風(fēng)險，因此須在主機制造商的指導(dǎo)下進行調(diào)整。4、殘留催化劑應(yīng)對措施2019年9月，ISO發(fā)布的新的燃油標(biāo)準(zhǔn)“Pub-liclyAvailableSpecification(PAS)23263”僅更新了燃油含硫量的要求(w(S)≤0.5%)，而其他各項技術(shù)指標(biāo)，包括Al+Si含量限值均未改變。因此船東只能依靠自身的操作來應(yīng)對殘留催化劑帶來的風(fēng)險，主要應(yīng)對措施建議如下:(1)正確有效地使用燃油分油機。分油機運行時應(yīng)使運行溫度盡可能高且通過流量盡可能小，以獲得最佳的分離效果。對于低硫餾分油一般推薦分離溫度為40～50℃，對于低硫殘渣油一般推薦分離溫度不低于98℃。(2)定期檢查燃油分油機前/后以及燃油進機前的Al+Si含量，持續(xù)監(jiān)測燃油分油機運行效果。(3)MAN推薦在燃油進機前增加一套過濾精度為10μm的自清濾器(見圖6)，以進一步提升燃油進機時的潔凈度［3］。圖6MANME型主機燃油系統(tǒng)圖5、燃油兼容性應(yīng)對措施目前能確保燃油可混合使用的唯一方法是對油樣進行兼容性測試。船上可用的簡單易行的測試法是美國材料試驗協(xié)會的斑點測試法(ASTMD4740)。這種測試法主要用于評價石油化工領(lǐng)域油品的穩(wěn)定性，也可用于評價油品摻混互溶安定性情況。選取試驗的兩種樣品，按照1∶1比例加熱混合并攪拌均勻，然后取一滴混合油樣滴在預(yù)熱的試紙上，再將試紙放入烤箱中加熱到100℃，1h后觀察試紙油點的情況。圖7斑點測試法(ASTMD4740)結(jié)果示例圖7中1～5依次體現(xiàn)了兩種油品從兼容/穩(wěn)定到不兼容/不穩(wěn)定的測量結(jié)果表征，其中，只有結(jié)果1代表可以混用。但對于船東來說，每次加注燃油前進行兼容性試驗，并拒絕采用不兼容的燃油并不現(xiàn)實。因此實際可行的方法就是盡量避免不同品種的低硫燃油混合。從操作層面上來說應(yīng)注意以下三點:(1)船上須同時存儲兩種低硫燃油時，應(yīng)分別存儲在不同的油艙，并避免在燃油澄清艙/日用艙/溢流柜處發(fā)生混合。(2)換油時應(yīng)盡量將油艙內(nèi)剩余的油品清理干凈，實船操作時可使用燃油清洗劑。但因為油艙內(nèi)附著的油泥、油渣中的殘留催化劑含量非常高，所以清艙時務(wù)必將溶解后的油、泥、水泄放干凈，以降低殘留催化劑混入新加燃油進入主機的風(fēng)險。(3)當(dāng)不同品種燃油混合無法避免時，應(yīng)盡可能減少混