魏茂蘇

(中國船級社 船舶能效推進工作組，北京 100007)

0 引 言

溫室氣體導(dǎo)致全球變暖已成為人類共識，由于船舶運輸?shù)母咝Ч?jié)能（全球海運碳排放占比僅3%）[1]，航運業(yè)并未被納入全球溫室氣體減排目標(biāo)。2016年10月，國際海事組織第70屆環(huán)保會對《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約）附則VI進行了修訂，增加了“燃油消耗數(shù)據(jù)收集機制”，要求5 000總噸及以上船舶統(tǒng)計并報告船舶燃料消耗相關(guān)數(shù)據(jù)[2]。2015年4月，歐盟發(fā)布2015（757）法規(guī)－《關(guān)于對海運產(chǎn)生的CO2排放進行監(jiān)控、報告和驗證以及對第2009/16/EC號指令進行的修訂》，要求對5 000總噸以上船舶產(chǎn)生的CO2（溫室氣體）進行監(jiān)控、報告和驗證[3]。上述法規(guī)的實施，標(biāo)志著航運業(yè)正式開啟全球溫室氣體減排行動計劃，而法規(guī)實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是船舶燃油消耗量的計量，這是報告和驗證的基礎(chǔ)。利用流量計計量船舶燃油消耗量是法規(guī)要求的計量方法之一，將對流量計在船舶燃油系統(tǒng)的設(shè)計布置、建造安裝及營運管理產(chǎn)生影響。

1 現(xiàn)有船舶燃油流量計計量存在的問題

船舶燃油流量可以精確計量主機、副機和鍋爐等耗能設(shè)備的燃油消耗量，評估設(shè)備能效，是航運企業(yè)出于精細化管理需求而安裝的計量設(shè)備。作為船用計量設(shè)備，國際海事組織或其他行業(yè)組織并未對流量計的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、安裝檢驗和維護保養(yǎng)等做出強制性統(tǒng)一規(guī)定，其設(shè)計制造遵循的是地方安全標(biāo)準(zhǔn)，安裝和使用管理遵循的是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且，現(xiàn)有營運船舶在公約規(guī)則生效前建造，未充分考慮利用流量計計量全船耗能設(shè)備燃油消耗的問題，存在耗能設(shè)備計量不全面、流量計布置位置不合理、布置數(shù)量不能滿足計量要求等問題，難以滿足履約計量要求。

1.1 耗能設(shè)備計量不全面

船舶耗能設(shè)備主要包括主機、副機、鍋爐以及焚燒爐等，不同船型會有不同配置，如油船會配置惰性氣體發(fā)生器。船舶設(shè)計、建造單位及船東更多是基于經(jīng)濟實用原則為耗能設(shè)備配置燃油流量計。

船舶主機和副機是常用耗能設(shè)備，船舶投入營運后，除主機錨泊和修船、副機接入岸電時短暫停止運行外，其他時間處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此主副機是運行時間最長、燃油消耗最多的能耗設(shè)備，因此一般為主、副機配置流量計。鍋爐主要停泊使用，受蒸汽壓力控制間斷點火燃燒，燃油消耗量小，少有為鍋爐單獨配置流量計。因此，現(xiàn)有流量計布置難以計量船舶所有耗能設(shè)備的燃油消耗量。

1.2 已計量的燃油未全部參與燃燒

圖1為某輪主機燃油供油單元布置圖，由燃油供給泵、流量計、循環(huán)泵、加熱器、粘度計、集油筒和濾器等主要設(shè)備組成，流量計集成在供油單元中，是現(xiàn)行常規(guī)設(shè)計方案。該設(shè)計方案將燃油循環(huán)泵布置在流量計之后，理論上通過流量計的燃油即為消耗量，流量計機械磨損小，無需大量程計數(shù)器。反沖洗濾器布置在單元末端，是燃油進入耗能設(shè)備的最后一道凈化關(guān)口，確保進入燃燒設(shè)備的燃油不會混入雜質(zhì)導(dǎo)致設(shè)備故障。

圖1 主機燃油供油單元Fig.1 M/E F.O.booster module

該設(shè)計方案的優(yōu)點（同時也是缺點）就是將反沖洗濾器布置在流量計之后（見圖1）。反沖洗濾器一般設(shè)計為自動控制沖洗，當(dāng)濾器前后的壓差達到設(shè)定值時啟動反沖洗，沖洗過的燃油泄放到燃油泄放柜，實際未參與燃燒，但該部分燃油已經(jīng)流量計計量，計入耗能設(shè)備消耗量，沖洗量取決于燃油的潔凈程度和濾器的沖洗頻次。

表1為某18萬載重噸散貨船主機燃油供應(yīng)單元反沖洗濾器沖洗量統(tǒng)計表，數(shù)據(jù)采集時間為主機停止運行、燃油供油單元正常工作的情況下，流量計計數(shù)器讀數(shù)應(yīng)保持不變。記錄顯示反沖洗濾器燃油沖洗量每小時從8 L到22 L不等，平均15 L/h，每天可產(chǎn)生360 L（約0.34 t）。該輪正常航行時流量計計量燃油消耗量為39.6 t/天，其中約0.34 t未參與燃燒，約占計量油耗的0.86%，即該布置方案每天有0.86%的計量誤差，實際使用時受燃油潔凈程度和主機負(fù)荷的影響，精確統(tǒng)計該部分燃油困難。

1.3 耗能設(shè)備回油管路存在未計量的燃油

船用大型主、副機和鍋爐等耗能設(shè)備燃油系統(tǒng)采用燃油循環(huán)方式保證燃油在適宜的溫度下即時可用，循環(huán)系統(tǒng)中來自耗能設(shè)備的回油經(jīng)過一個三通閥后，如圖1所示，一路回到燃用供油單元的集油筒再循環(huán)使用，保持閥常開，一路回到燃油日用柜，保持閥常閉，需要時打開。因供油單元參與循環(huán)的燃油是已經(jīng)流量計計量的，回流到集油筒的燃油不會重復(fù)計量，如因船舶震動或人為因素等原因，回燃油日用柜閥門關(guān)閉不嚴(yán)或打開，就會造成已計量的燃油未參與燃燒，導(dǎo)致計量結(jié)果不準(zhǔn)確。

表1 反沖洗濾器沖洗量Tab.1 Back-wash filter flush quantity

2 船舶燃油流量計可行布置方案

基于現(xiàn)有船舶燃油流量計計量存在的問題，以及綜合船型、航線、使用燃油規(guī)格、計量目的、經(jīng)濟性和維護保養(yǎng)等因素，選擇合理可行的布置方案，才能有效計量船舶燃油消耗量。

2.1 流量計布置在燃油日用柜出口

船用燃油經(jīng)過沉淀、分離凈化后儲存在燃油日用柜中，供主、副機和鍋爐等耗能設(shè)備使用，在燃油日用柜出口布置一個流量計即可計量主機、副機和鍋爐等全船燃油消耗，是一種最簡單且成本最低的布置方案。

理論上，只要流量計前的壓力大于其后整個供油管線中所有部件中燃油流動阻力之和，即存在正向壓差，流量計就可以計量。實際上，流量計本身通常會產(chǎn)生約0.02 MPa的壓損，供油系統(tǒng)單元組件如閥件、管路、彎頭和管路縮頸等，也產(chǎn)生壓損，其次，重油日用柜出口溫度為90 ℃左右，該溫度下IFO-180重油運動粘度為33 mm2/s[4]，且粘度受溫度影響大，無法保證流經(jīng)管線部件內(nèi)恒定壓損，會造成實際使用中出現(xiàn)流量波動甚至滯流情況，僅靠燃油日用柜產(chǎn)生的靜壓難以滿足流量計穩(wěn)定計量所需工作條件。

因此，采用此方案時要充分考慮具體型號流量計對壓力的要求，一般流量計要求儀表處工作壓力至少要大于介質(zhì)閃蒸壓力加3倍儀表本體壓損[5]。以流動性好、管路壓損小、無需加溫的柴油作為燃料的船舶，可以采用這種布置方案，以重油為燃料的大型船舶可以將燃油供給泵前置到流量計之前，以保證流量計對壓力的要求，實現(xiàn)穩(wěn)定計量。

2.2 流量計布置在供油單元中

現(xiàn)有供油單元多為計量主、副機燃油消耗量設(shè)計，流量計布置在燃油供給泵之后、循環(huán)泵之前，該布置方案流經(jīng)流量計的燃油即為設(shè)備的消耗量，可以最大限度地降低流量計機械磨損，有效利用流量計計數(shù)器量程，布置方案有：

1）主機、副機共用一個供油單元，合并統(tǒng)計燃油消耗，配置費用低，相對經(jīng)濟，缺點是無法單獨計量主、副機燃油消耗量；

2）主機、副機共用一個供油單元，合并統(tǒng)計燃油消耗，副機加裝流量計單獨計量油耗，二者之差即為主機油耗，設(shè)備費用相對高；

3）主機、副機分別配置供油單元，可以分別計量主、副機的燃油消耗，設(shè)備費用最高。

采用供油單元布置方案，還需要考慮：

1）反沖洗濾器布置位置。設(shè)計時應(yīng)考慮反沖洗對計量結(jié)果的影響，將反沖洗濾器布置到流量計之前，如存在燃油中混入雜質(zhì)導(dǎo)致?lián)p壞能耗設(shè)備的風(fēng)險，可考慮在能耗設(shè)備前加裝手動清洗濾器。

2）回路燃油計量。如1.3所述，可以考慮在回日用柜管路上加裝一個流量計，如有回油就能監(jiān)測計量，保證計量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）其他能耗設(shè)備（如鍋爐）的能耗計量。由于鍋爐使用時間、使用條件上的差異，一般不與主副機等耗能設(shè)備共享供油單元，因此需要為鍋爐、惰性氣體發(fā)生器等其他耗能設(shè)備配置流量計。

2.3 流量計布置在能耗設(shè)備燃油進出口管路

將流量計直接布置在主、副機和鍋爐等耗能設(shè)備的燃油進出口管路上，進口流量計和出口流量計計量數(shù)據(jù)之差即為設(shè)備燃油消耗。這種布置方案最大限度地避免了不確定性帶來的計量誤差，并且可以結(jié)合環(huán)境工況等因素，綜合評估設(shè)備能效。采用此種布置方案，需要考慮：

1）所需流量計數(shù)量根據(jù)需要計量的能耗設(shè)備數(shù)量確定，費用高；

2）流量計布置在耗能設(shè)備燃油進出口，因燃油在供油系統(tǒng)持續(xù)循環(huán)，進出口流量計計量的燃油并未全部參與燃燒，增加了流量計的磨損，同時也需要配置大量程計數(shù)器。表2為某輪主機燃油進出口流量統(tǒng)計，進口平均流量為5 554.5 kg/h，出口平均流量為4 412.83 kg/h，主機平均油耗為每1.14 kg/h，僅占進口流量的0.021%，出口流量的0.026%。

3）需要評估流量計給主、副機等能耗設(shè)備帶來的風(fēng)險，如流量計部件損壞可能對主副機高壓油泵等設(shè)備造成損壞。

3 船舶燃油流量計選型、安裝與維護

流量計設(shè)計布置方案確定后，應(yīng)根據(jù)實際需求，做好流量計的選型和安裝工作，并在船舶運營階段做好維護保養(yǎng)，才能發(fā)揮流量計的精準(zhǔn)計量作用。

3.1 流量計選型

流量計分為質(zhì)量流量計和體積流量計，質(zhì)量流量計直接計量燃油質(zhì)量，安裝所需空間較大，設(shè)備購置費用高；體積流量計計量燃油消耗體積，需要通過密度修正計算燃油質(zhì)量，安裝空間小，設(shè)備購置費用低，目前船舶應(yīng)用最多。選擇流量計時應(yīng)綜合考慮適用的規(guī)格參數(shù)和數(shù)據(jù)計量方式。

流量計涉及的規(guī)格參數(shù)有：適用的燃油種類、粘度和溫度（燃油溫度、環(huán)境溫度），工作壓力（包括管路）和流量（最大、最?。惭b尺寸（管徑、法蘭）和使用材質(zhì)（耐腐蝕、抗壓力/溫度沖擊、震動或其他沖擊等），計量精度和計量單位等，選擇時需要綜合考慮，特別是將流量計布置在能耗設(shè)備燃油進出口管路時，其流量等于燃油循環(huán)或燃油供給泵的排量，需要結(jié)合布置方案合理選擇。

表2 主機燃油進出口流量統(tǒng)計Tab.2 M/E F.O.inlet and outlet flow quantity

圖2 流量計出口管路Fig.2 Diagram of output pipe

根據(jù)需求選擇合適的計數(shù)器。計數(shù)器有機械式計數(shù)器和電子計數(shù)器，機械式計數(shù)器結(jié)構(gòu)簡單，一般為直讀累計，輸出方式單一，電子計數(shù)器可以輸出直讀累計、瞬時流量（L/h，L/min等）、累積流量等，可以實現(xiàn)遠程計量。需要注意是，單純輸出瞬時流量難以滿足統(tǒng)計需要，需要輸出累積流量，并且累積值能在電子計數(shù)器中儲存，一旦遠程接收設(shè)備故障，不影響修復(fù)后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。如配合第三方能效管理類軟件使用，可以實現(xiàn)能耗多目標(biāo)統(tǒng)計和能效評估等智能化管理需求。

3.2 流量計安裝

流量計的安裝應(yīng)遵循制造商和檢驗機構(gòu)的要求，包括：

安裝底座應(yīng)是穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)，不允許使用管路支撐流量計，避免向連接法蘭施加任何不必要的外力；

優(yōu)選水平正向安裝，不允許倒置安裝，有些流量計允許垂直或成角度安裝，但必須保證燃油從下向上流過儀表，避免下流可能導(dǎo)致虹吸或氣穴；連接管路避免截面積突變產(chǎn)生壓力等級變化，導(dǎo)致法蘭和管路上可能積累氣泡影響計量精度；

出口管路避免長距離向下彎曲，如施工現(xiàn)場無法避免，應(yīng)安裝背壓閥保證出口背壓。圖2為某輪鍋爐燃油出口流量計安裝示意圖，出口管路彎曲向下，計量結(jié)果顯示，其進口流量計瞬時流量穩(wěn)定保持在150 kg/h，而出口流量計瞬時流量在20～300 kg/h之間波動，不正確的安裝導(dǎo)致記量結(jié)果不穩(wěn)定。

正確設(shè)置脈沖輸出單位（如1 m3/100脈沖、1 L/10脈沖、1 L/脈沖、10 L/脈沖等），最后進行效用試驗及精度校驗。

3.3 維護保養(yǎng)

國際海事組織制定的“2016船舶能效管理計劃制訂導(dǎo)則”明確規(guī)定，采用流量計計量燃油消耗，應(yīng)對流量計進行校核，校核和維修保養(yǎng)記錄應(yīng)保留在船上[6]；歐盟2015（757）法規(guī)要求采用流量計計量燃料消耗時，應(yīng)在監(jiān)控計劃中明確流量計校準(zhǔn)方法和不確定度。

上述法規(guī)對流量計的維護保養(yǎng)提出了明確要求。流量計屬于精密計量儀器，維護保養(yǎng)工作包括本體部件維護和計量精度校核，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)備說明書及相關(guān)要求進行，可能出現(xiàn)部件卡阻或部件異常磨損情況，可視情清潔或定期更換磨損部件。日常校核可根據(jù)能耗設(shè)備負(fù)荷進行定性判斷，如船上有校核設(shè)備，可定期進行船上校核，如船上無校核設(shè)備，可結(jié)合船舶年度或塢修檢驗，由岸上專門檢測機構(gòu)進行校核，并做好檢測保養(yǎng)記錄。

[1]《第三次全球海運溫室氣體排放報告》, 國際海事組織.

[2]《國際防止船舶造成污染公約》, 國際海事組織.

[3]《關(guān)于對海運產(chǎn)生的CO2排放進行監(jiān)控、報告和驗證以及對第2009/16/EC號指令進行的修訂》, 歐洲議會和歐盟理事會.

[4]《船舶柴油機》, 大連海事大學(xué).

[5]《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》, 中國船級社.

[6]《2016船舶能效管理計劃制訂導(dǎo)則》, 國際海事組織.