楊世峰 智廣信

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司 大連116052）

引 言

國(guó)際海事組織（IMO）決定自2015年1月1日起，在四大排放控制區(qū)（ECA）包括北美海域、美國(guó)加勒比海域、夏威夷海域、波羅的海區(qū)域和北海區(qū)域以及包括地中海在內(nèi)的歐盟等水域?qū)嵤┐?.1%硫排放限值要求。2020年1月1日起，在全球海域?qū)嵤┐?.5%硫排放限值的規(guī)定，四大排放控制區(qū)仍然執(zhí)行0.1%的限制。我國(guó)交通運(yùn)輸部下發(fā)《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》，確定自2016年1月1 日起到2019年1月1 日，逐步實(shí)現(xiàn)船舶進(jìn)入排放控制區(qū)達(dá)到≤0.5%的硫排放限值標(biāo)準(zhǔn)。如果船舶不能達(dá)到硫排放限值標(biāo)準(zhǔn)，從2015年開始將縮小其活動(dòng)區(qū)域，到2020年將不能在任何海域使用。［1］在某Panamax 型61000 載重噸散貨船的設(shè)計(jì)中，船東要求給出限硫法規(guī)的解決方案。

1 脫硫方法及選擇

目前船舶廢氣SOx限排解決方案主要有以下三種形式：

（1）增加低硫燃油艙

優(yōu)點(diǎn)是改裝成本較低；缺點(diǎn)是后期運(yùn)營(yíng)成本較高，關(guān)鍵成本取決于低硫燃油的價(jià)格變化，目前低硫燃油的價(jià)格平均高于普通船用燃油約200 美元/t。且低硫燃油從目前的使用實(shí)際來(lái)看，對(duì)主機(jī)均有不同程度的損害，所以低硫燃油不但經(jīng)濟(jì)性差，而且安全性也有待考證。

（2）采用雙燃料（燃油/天然氣系統(tǒng)）

優(yōu)點(diǎn)是基本消除硫化物SOX的排放，另外對(duì)于氮氧化物NOX也有30%的降低；缺點(diǎn)是成本高，同時(shí)為設(shè)置LNG 艙，將降低船舶裝貨量，柴油機(jī)效率將下降，且柴油機(jī)選型范圍縮小，維護(hù)保養(yǎng)也較貴，LNG 加注站少導(dǎo)致航線不靈活。雖然LNG可能是未來(lái)的方向，但是在現(xiàn)階段，其經(jīng)濟(jì)性最差。

（3）加裝脫硫裝置

目前有三種系統(tǒng)：

① 開式系統(tǒng)

利用海水具有的天然堿度和酸堿緩沖能力吸收煙氣中的SOX，洗滌水排放到海里，可以滿足≤0.5% m/m 的硫限值排放標(biāo)準(zhǔn)，但是排放控制區(qū)要求硫排放≤0.1%，且洗滌水因?yàn)楹辛虺仕嵝裕瑢?duì)于洗滌水是否環(huán)保還有爭(zhēng)議，所以目前只能用在排放控制區(qū)以外海域。

② 閉式系統(tǒng)

通過(guò)在洗滌液體中添加高濃度堿液，完成對(duì)廢氣中SOX的洗滌，洗滌液體可循環(huán)使用，同時(shí)適用于排放要求比較高的海區(qū)，可滿足零排放要求。系統(tǒng)復(fù)雜，前期成本和后期運(yùn)營(yíng)成本較高。

③ 混合式系統(tǒng)

綜合了開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，能在不同海域及使用要求進(jìn)行開式與閉式的切換。前期成本與閉式系統(tǒng)差不多，后期運(yùn)營(yíng)成本比閉式系統(tǒng)略低。

經(jīng)過(guò)論證(如表1 所示)，由于開式系統(tǒng)成本較低，在假設(shè)船舶每年航行275 天，使用HFO（heavy fuel oil，重燃油）相較于使用低硫MGO（marine gas oil，船用汽油）方案，兩年即可收回成本。所以采用在非排放控制區(qū)使用開式脫硫系統(tǒng)，在排放控制區(qū)使用低硫MGO 作為燃料油的解決方案。

表1 HFO與MGO費(fèi)用對(duì)比

2 洗滌塔的類型

洗滌塔主要是兩種類型：I 型和U 型，參見圖1。

圖1 I型與U型洗滌塔

I 型洗滌塔為瘦高型，空間占用小，但存在洗滌水倒灌主機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，且在洗滌水出問(wèn)題的情況下要能經(jīng)得住干燒，這些都是廠家設(shè)計(jì)之初需考慮的。此外，對(duì)于船廠來(lái)說(shuō)，因?yàn)镮 型洗滌塔要穿過(guò)甲板與主機(jī)排煙管連接，所以機(jī)座及補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)也較為繁復(fù)。U 型洗滌塔是矮胖型，空間占用大，有兩套管道。1 套是用1 個(gè)三通將主機(jī)和發(fā)電機(jī)的排煙管和洗滌塔相連，另一套是備用的，在洗滌水出問(wèn)題的情況下直接將煙氣排到大氣中。兩種洗滌塔都必須在洗滌水出問(wèn)題的情況下自動(dòng)切換MGO作為燃料。［2］

船廠設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)研討，雖然I 型洗滌塔問(wèn)題多，設(shè)計(jì)難度大，但是因?yàn)镻anamax 型船煙囪空間實(shí)在是有限，最終經(jīng)過(guò)和洗滌塔廠家還有船東的討論，還是選擇I 型洗滌塔。

3 洗滌塔對(duì)船舶性能的影響

與不安裝洗滌塔相比，對(duì)船舶性能的影響主要是以下兩個(gè)方面：

（1）發(fā)電機(jī)容量增大；

（2）背壓增加，主機(jī)相關(guān)性能參數(shù)與主機(jī)廠家確認(rèn)并修改。在一些高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，主機(jī)的排煙溫度升高，油耗變差。另外，一旦背壓超過(guò)一定的數(shù)值，會(huì)對(duì)主機(jī)和發(fā)電機(jī)造成難以預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)。

在安裝洗滌塔之前，首先必須了解并確認(rèn)洗滌塔對(duì)船舶性能的影響，并且要反映在規(guī)格書中，避免后期在交船時(shí)與船東發(fā)生糾紛。

4 洗滌塔相關(guān)的布置及問(wèn)題

洗滌塔相關(guān)是一整套系統(tǒng)，包括洗滌塔、海水泵、中和水泵、海水濾器、煙氣監(jiān)測(cè)儀以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀等15 套設(shè)備，其中布置難點(diǎn)在于海水泵、濾器和洗滌塔的布置。

4.1 海水泵和濾器的布置

由于需要不停地抽取海水作為洗滌水，所以要在機(jī)艙雙層底處增加一個(gè)低位海底門，海水泵和濾器布置于海底門處。因?yàn)楝F(xiàn)在的船普遍都是尾部線型比較瘦，所以布置起來(lái)相當(dāng)困難［3］。

本船布置在機(jī)艙雙層底近尾部區(qū)域（見圖2）。這里尤需特別注意：有些船級(jí)社（如美國(guó)船級(jí)社），會(huì)有額外的船級(jí)符號(hào)要求，如需配置備用的海水泵和濾器，即若主海水泵和濾器被雜質(zhì)異物堵塞，發(fā)生故障使洗滌塔無(wú)法工作，便可自動(dòng)啟動(dòng)備用海水泵和濾器。但是IMO 尚無(wú)此要求，所以一定要注意和船東明確船級(jí)符號(hào)問(wèn)題。該船由于在空間上額外預(yù)留了一套海水泵和濾器，但船東認(rèn)為沒有必要取得額外的船級(jí)符號(hào)，所以最終沒有額外布置一套海水泵和濾器。

圖2 機(jī)艙雙層底海底門，海水泵和濾器的布置

4.2 塔體布置

塔體要連接主排煙管，所以必定是布置在煙囪里。由于煙囪里面管路很多，所以只能增大煙囪，如下頁(yè)圖3 所示。該船的煙囪寬度擴(kuò)大一倍，高度增加4 m。需要注意的是：煙囪高出羅經(jīng)甲板以上，但寬度不能超過(guò)船寬的1/4，否則容易引起舾裝數(shù)的跳檔。

圖3 塔體的布置

5 塔體補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

塔體自身較重，該船塔體加上配套的舾裝件（如排煙管，支架等）共17 t，對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)方面，船級(jí)社要求進(jìn)行有限元驗(yàn)證。

由于塔體穿過(guò)甲板，所以采用甲板下開孔環(huán)形加強(qiáng)，再加上大肘板支撐，計(jì)算結(jié)果見圖4。

從結(jié)果上看，強(qiáng)度比較容易滿足。但是據(jù)廠家反饋，以前對(duì)洗滌塔的振動(dòng)沒有重視，導(dǎo)致某條船在安裝洗滌塔后，塔體振動(dòng)較劇烈［4］。所以本船的洗滌塔塔體增加了一些扶強(qiáng)材，并將塔體底座補(bǔ)強(qiáng)增大了一些。

6 船體振動(dòng)計(jì)算

由于煙囪增大，再加上洗滌塔及其附帶舾裝件的自重，本船在尾部增重約幾十噸，且煙囪結(jié)構(gòu)徹底改變，所以需重新計(jì)算船體及煙囪的振動(dòng)情況。此處有個(gè)問(wèn)題需要注意，洗滌塔本身只有重量，而沒有剛度；對(duì)于整船的振動(dòng)，洗滌塔的重量分布假設(shè)成一個(gè)非結(jié)構(gòu)單元質(zhì)量點(diǎn)就可以，但是對(duì)于煙囪的振動(dòng)分析，因?yàn)橄礈焖闹亓拷咏鼰焽璞旧砬抑皇锹孕∮跓焽瑁阅M洗滌塔要用非結(jié)構(gòu)桿單元來(lái)模擬［5］。

經(jīng)過(guò)計(jì)算也發(fā)現(xiàn)對(duì)于整船來(lái)說(shuō)，實(shí)際上振動(dòng)影響不大，因?yàn)閹资畤嵪鄬?duì)于船體而言并不算重，但對(duì)于煙囪和居住區(qū)來(lái)說(shuō)，變化則較大，因?yàn)闊焽璧闹亓吭黾恿? 倍多、寬度擴(kuò)大1 倍、高度增加4 m，從計(jì)算結(jié)果上看，煙囪在經(jīng)濟(jì)航速下的低頻振動(dòng)幾乎沒有變化，但是螺旋槳二次激振力也就是倍葉頻的響應(yīng)值顯著增加，并且煙囪的振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)整個(gè)居住區(qū)振動(dòng)相應(yīng)變大。經(jīng)過(guò)研究，決定在煙囪的根部加大肘板以增加其約束而減小煙囪振動(dòng)，從而降低居住區(qū)的振動(dòng)。解決方案見圖5，計(jì)算結(jié)果見下頁(yè)圖6。

圖5 振動(dòng)解決方案

圖6 居住區(qū)在螺旋槳激勵(lì)下的響應(yīng)

由圖6 可以看出，在加肘板后，主機(jī)常用功率和最大功率工況區(qū)間內(nèi)的倍葉頻振動(dòng)響應(yīng)大幅降低。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文主要針對(duì)在安裝洗滌塔遇到的一些主要問(wèn)題進(jìn)行了研究。對(duì)于IMO 的硫化物排放限制要求，要從經(jīng)濟(jì)性考慮是否安裝洗滌塔，此外，設(shè)備的選型、對(duì)性能的影響以及是否可以布置，還有船級(jí)社的要求、強(qiáng)度及振動(dòng)的計(jì)算問(wèn)題等都應(yīng)給予重視。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要重點(diǎn)考慮以上問(wèn)題，并與船東，船級(jí)社和廠家討論來(lái)解決問(wèn)題，避免規(guī)格書和船級(jí)符號(hào)的問(wèn)題，或者是前期考慮不全面的問(wèn)題導(dǎo)致后期修改的經(jīng)濟(jì)損失。Panamax 型散貨船的特點(diǎn)是船比較小，線型比較瘦，所以布置是一個(gè)難點(diǎn)。希望本文能對(duì)其他船舶設(shè)計(jì)人員的洗滌塔安裝設(shè)計(jì)給予一些參考。