船用重质燃油净化供应系统的设计及优化

船用重质燃油净化供应系统的设计及优化
【摘要】为降低能耗成本，船舶燃料油重质化已成为大趋势。

本文系统阐述了船用重质燃油净化供应系统的构成和原理，针对现代船用重质燃料油质量下降的现状及对相关船用设备特别是柴油机的影响，分析现有系统存在的问题，并提出系统可行的解决方案。

【关键词】重质燃料油净化系统供应系统均质机
重质燃料油（以下简称重油）具有高发热值，安全的储运性能，无后处理排放的特性，正是该产品的特性，决定了市场应用特征，突出表现在产品实用性强，成本较低，可替代产品较多，是冶金，建材、化工、轻纺、电力、航运等行业的主要能源，沿海地区更被广泛用于工业锅炉的燃烧。

其市场化消费规模仅次于汽油、柴油，位居第三。

特别是对于船舶航运业来说，随着国际原油价格的不断攀升和航运业的激烈竞争，为降低能耗成本，重油在船舶中的使用越来越广泛，重油已成为中低转速船舶内燃机和燃油炉的主要燃料。

与此同时，随着炼油技术的日益进步，船用重质燃料油的质量越来越差，给重质燃料的使用带来的问题越来越多。

这样不仅给柴油机厂家不断提出挑战，也给燃油净化供应系统及辅机厂家提出新的课题。

然而有关的研究和著述并不多。

因此，全面了解船用燃油净化供应系统的构成和原理，针对现代船用重质燃料油质量下降的现状及对相关船用设备特别是柴油机的影响，分析现有船用燃油净化供应系统存在的问题，并寻求系统解决方案，保证船舶在使用重油的过程中，真正达到安全、节能、环保、自动化的目的具有现实意义。

1 重质燃油品质及对燃油系统和柴油机的影响
重质燃料油对柴油机及相关辅机的影响的质量指标较多，一般主要考虑粘度、硅铝等机械杂质含量以及储存稳定性等主要指标。

1.1 粘度
重质燃料油一般以粘度为规格划分。

但由于重油的高粘性和有害成份大的缺陷，易造成燃烧不充分，有效热值利用率低，污染严重的矛盾。

现代船舶一般用蒸汽、热油以及电加热的方法使燃油达到合适的黏度，须根据燃料油的黏温特性、燃油系统各单元的要求和不同柴油机的特点选择恰当的温度范围并进行控制，使之达到合适的粘度。

1.2 铝和硅等机械杂质
柴油机有关运动部件的磨损，是引起机务事故、降低柴油机的使用寿命、增加其备件消耗、而又难于完全避免的原因。

运动部件所产生的磨损，也与近年来各炼油厂普遍采用二次加工、深度裂化的炼油工艺有密切关系。

重油中催化剂颗
粒（主要为硅Si及铝Al的化合物）引起的磨损是近年来新发生的问题，过多的硅和铝对高压油泵柱塞和套筒造成异常磨损或咬死；喷油器异常磨损和粘住，造成喷雾不良；缸套异常磨损划伤；活塞烧损；活塞环异常磨损和折断；排气阀异常磨损；增压器喘振等不良后果。

在实际使用过程中发现，一旦发生磨损，可能是破坏性的，造成汽缸拉缸停车事故。

更为严重的是，在海上的船只由于失去动力成为自由漂浮的孤岛，当遇到风暴时就能不能避险，造成船毁人亡的重大事故。

1.3 储存稳定性
燃料油的储存稳定性是指燃料油在存放过程中，因各种原因导致燃料油产生沉积物或形成油泥等物质。

稳定性与相容性既是密切相关，而又是不同的概念。

一种重油在长时间单独储存过程中，由于受到环境温度变化的影响，以及油本身所含有碳氢化合物之间的反应（氧化作用），会产生沥青物的沉淀、沥青质的悬浮物等。

这种现象通常称为油的不稳定性（Instability）。

另外，两种不同来源的燃料油单独储存时是稳定的。

如果将这两种油混合在一起储存在一个油仓（舱）内，很快便发现有较多的沥青沉积物及沥青悬浮物形成。

这两种原是稳定的油，因混合而变得不稳定，这种现象通常称为油的不相容性（Incompatibility）。

具有不相容性的油与另一种油混合后，会发生大量沉积物和形成大量悬浮物。

具有不稳定性的油（通常称为稳定性不好的油），在单独储存时，如温度稍高或储存的时间稍久，便产生较多的沉积物。

燃料油（渣油）是一种十分复杂的碳氢组分的混合体。

稳定状态的油中，其沥青质系溶融于油中（胶态分散于油中）而保持油的整体液态。

如果两种不同来源的燃油，混合储存在一个油仓（舱）之中。

若是不相容的，则油p
2.1 燃油系统的基本构成
船用燃油系统的作用是将一定规格的燃油进行系列处理使其符合柴油机使用要求并连续地以一定的温度（粘度）、流量、压力输送到喷油泵入口端。

因重质燃料油成本相对较低，中低速柴油机通常设置成使用重质燃料油工作，同时在机动操纵时也能使用柴油。

因此整个燃油系统具体分为两个几乎完全独立的系统，一个是柴油系统，另一个是高黏度燃料油系统。

系统通常由三大环节组成：燃油的加装、储存和驳运；燃油的净化处理；燃油的供给使用。

在典型的现代船舶柴油机燃油系统中，一般设有独立的柴油及重质燃油净化子系统和供应子系统。

燃油净化子系统和供应子系统中一般都分别设有预处理油箱。

随着现代造船业的发展，一个总体趋势是设备的模块化。

除油箱外，燃油净化子系统和供应子系统中所有功能部件一般都由厂家设计组装成为两个独立的模块即燃油净化模块（又称分油机单元）和燃油供应模块（又称供油单元）。

2.2 燃油的加装、储存和驳运
燃油的加装是通过装设在甲板两舷的燃油注入法兰接头进行的。

从两舷均可将轻、重燃油直接注入油舱。

加油船根据需要将油分送至各种双层底舱、深舱、
舷侧舱及边舱。

各种舱中设有蒸汽加热管，以确保可将燃油加热，降低其黏度至容易泵送的程度。

注入管应有防超压设施。

若用安全阀作为防止超压设备，则该阀的溢油应排至溢油舱或其他安全处所。

注入接头必需高出甲板平面，并加盖板密封，以防甲板上浪时海水灌入油舱。

燃油的测量可通过各燃油舱柜的测量孔进行，若装有测深仪表，也可通过测深仪表并对照舱容表进行。

燃油储存在燃油舱柜中，一般重油舱中还装设加热盘管加热重油，通常保温在40～50℃，以保持其流动性，满足泵送燃油的要求。

燃油系统中还装设调驳阀箱和驳运泵，用于各油舱柜间驳油。

油舱中驳出的燃油在进柴油机使用前必须经净化等系列后续处理。

2.3 燃油净化子系统
典型的现代燃油净化处理系统中一般配置有预处理沉淀油箱、加热器、供油泵、离心分离机、控制系统及管系等。

2.3.1 燃油净化的预处理
燃油净化处理系统中预处理主要包括设置沉淀箱进行燃油沉降分离与配置加热器进行预热温度控制。

（1）沉淀油箱；沉淀箱是燃油净化处理系统中一个重要的预处理设备。

重油储存柜中的重油由重油驳运泵驳至沉淀箱中，沉淀箱除起中间缓冲作用外，主要是提供一个相对恒定满足泵送粘度的燃油温度，温度范围一般为50～70℃；再就是利用重力沉降原理，尽可能多分离出燃油中的水分和固态沉积物。

燃油预处理要尽可能具有高效的淤渣与水分沉降分离性能，以减轻高速离心分离的负荷，其分离水分与淤渣性能好坏将直接影响到整个系统的净化效果。

沉淀箱设计原则：1）沉淀箱高度应在保证粒子沉降条件下选取低值，缩短固态粒子沉降时间，达到最佳沉降分离效果；2）沉淀箱应制成倾斜底面，利于水分与沉淀物的手机与排出；3）沉淀箱底部应设有水分与淤渣的排放出口；4）在沉淀箱适当高度处设置离心分离机供油泵吸入口，同时应保证使水分与淤渣不会从罐中抽出；5）在沉淀箱与离心分离机供油泵吸入口间管路上应配置过滤器；6）沉淀箱燃油入料点应设在顶部，避免离心分离机供油泵吸入口处燃油温度的降低；7）沉淀箱内应设有蒸汽加热盘；8）沉淀箱内应设有高低油位控制。

（2）燃油预热温度控制；燃油预热温度是指燃油加热到离心分离所必需的温度。

除沉淀箱中一般设有蒸汽（或电）加热盘管，通过蒸汽调节阀（或电控）将燃油出口温度控制在50～70℃范围内外，为了保证离心分离获得稳定的最佳分离效果，必须保持一个相对恒定的燃油分离温度，对于现代燃油离心分离要求的温度范围为±2℃.所以在沉淀箱后分油机前再加装加热器并设燃油温度控制回路。

燃油分离温度控制是由温度传感器、温度控制器、蒸汽控制调节阀（或电控）等组成一个温度控制回路来实现的。

2.3.2 燃油离心分离机
（1）影响燃油分离的因素；离心分离机的作用主要是通过离心力的原理，将密度大于油的固体颗粒、水等组分进行分离去除。

影响燃油离心分离的因素主要有密度、粘度、流率、温度等，除此之外，固相颗粒大小、分布、几何形状、固相含量浓度及颗粒与油介质表面效应作用等也将影响到燃油的分离效果。

要使离心分离达到高度净化效果，必须保持离心分离机转筒内油与水分界面在高速离心力场中处于最佳位置区域并保持恒定。

不同燃油最佳油水分界面位置的调整可通过改变装于转筒内水流出口处的调节环口径来达到。

（2）分离机供油泵的选择；现代燃油由于具用不稳定、易乳化的特性，在燃油输送过程中，应尽量避免节流和再循环。

供油泵容量按分离机实际有效分离容量选取并与之匹配。

建议供油泵容量超过分离机容量不大于10%。

输送燃油的供油泵建议选用独立的螺杆泵而不用传统的齿轮油泵。

这样可避免燃油输送时由于挤压作用造成的乳化倾向。

当使用由分离机直接传动的齿轮油泵输送燃油时，应将泵的容量等级分得更细，与分油机容量相匹配以满足对现代燃油的泵送要求。

供油泵输送时过量的燃油应设有旁路管回流入沉淀箱中，防止泵送时阀的节流影响。

（3）系统中分离机配置；分离机在系统中一般配置有单台单级分离和两台两级分离两种配置方式，其中两级分离配置时可以串联或并联使用，有时使用一台备用一台。

现代燃油净化系统中分离机配置方式主要决定于系统燃油中去除固态颗粒（淤渣及催化微粒）的分离效率并保证燃油分离可靠工作。

一般燃油净化系统中分离机按两级串联配置操作模式分离时去除固体颗粒效果最好，实际操作经验表明这是一种净化现代燃油最经济和最可靠的操作配置方式。

对于现代燃油离心分离时一个重要操作原则：燃油净化分离时，实际有效分离容量要小，分离操作过程要缓慢，并力求保持分离容量的恒定。

（4）燃油净化系统的自动控制；现代燃油为了获得系统最佳净化处理效果，必须保持整个分离过程中所有操作因素（密度、粘度、流率、温度等）的稳定工况条件，并对操作因素的可能变化迅速予以调整。

因此必须对整个燃油净化处理系统实现“机电一体化”自动控制。

对系统中设备配以各类元器件及各类阀件对整个净化系统实现系统运行工况显示与监测，分离操作参数监测与反馈控制及各类保护与报警系统。

2.3.3 燃油净化系统的模块化
燃油净化子系统除沉淀箱外，一般由设备厂家将分离机、加热器以及电控等组装成模（即分油机单元）提供给船厂，不仅提高造船效率，也利于安装、操作和维护。

2.4 燃油供应子系统
典型的现代燃油供应系统中一般配置有日用油箱、供油泵、循环泵（又称增压泵）、流量计、加热器、温度、粘度控制系统及精密滤器等。

2.4.1 日用油箱
日用油箱实际上也是一个中间缓冲箱，也有一定的沉降分离净化再处理作用。

对沉淀箱中的重油进行分离净化后，净油输送到重油日用箱供柴油机使用。

在船舶正常航行的情况下，分油机的分油量应比柴油机的消耗量大一些，一般在日用油箱与沉淀箱间应设再循环回路，再循环管应接到油箱较低的适宜高度处，以利于将日用油箱底部温度较低、杂质和水含量较多的燃油引回沉淀箱，既实现循环分离提高分离效果，又使分油机起停次数减少，延长分油机使用寿命。

日用油箱中一般设有蒸汽（或电）加热盘管，通过蒸汽调节阀（或电控）将燃油出口温度控制在85℃左右，视不同规格燃油有所不同，主要是为了保证泵送及后续处理的需要。

2.4.2 燃油供应系统的运行机理
经燃油净化系统离心分离等处理后的净油贮存于日用油箱，再经燃油系统对燃油的温度、粘度、压力、流量和精度等进行系列处理后，供柴油机使用，又称增压系统。

日用油箱中的重油经双联粗滤器后，由燃油低压供应泵经精滤器和加热器加热后送至柴油机喷油泵。

回油经调压阀返回集油箱（又称回油桶）中以便重新使用，燃油黏度调节器通过控制燃油温度，提供合适黏度的燃油以供燃烧。

喷油泵在作用是提高燃油压力，根据柴油机工况的要求，将适量的清洁燃油，在一定的时间内，以适当的雾化状态喷入柴油机燃烧室，形成混合气，有利于燃烧并推动活塞做功。

集油箱的作用是收集回油，保证回油经过时不断排除燃油中的气体；有些系统还将其用作量油柜，以测定主机的耗油量。

由于高黏度劣质燃料油的使用，燃油预热温度大大提高。

为避免在使用高黏度重质燃料油时因预热温度过高而汽化，常常采用一种加压式燃油系统。

在日用燃油柜与燃油循环油路之间增设一台输送泵，防止燃油系统在高预热温度（如150℃）时发生汽化和空泡现象。

一般在燃油供应系统中配置燃油滤器，用于进一步清除离心分离未被净化的杂质，以确保柴油机的安全。

2.4.3 燃油供应系统的可靠性
通过PLC实现程序控制，除设置压力、温度、粘度等异常报警外，对燃料油加热装置及温度、粘度等进行自动控制，同时，对燃油供应泵等关键运行部件均实行备用制并具异常自动切换功能，以保证系统及柴油机的运行安全。

2.4.4 燃油供应系统的模块化
以上燃油供应子系统除日用油箱外，一般由设备厂家将供油泵、流量计、加热器、温度、粘度控制系统及精密滤器等等组装成模块（即供油单元）提供给船厂，不仅提高造船效率，也利于安装、操作和维护。

燃油系统中有时还有柴油（MDO）系统，供主机起动和机动操纵时使用。

柴油输送系统与此类似，采用驳运泵将油从双层低舱中抽出，然后净化，存储到日用柜。

柴油通过一个三通阀进入系统，该阀仅能将一种类型的油供入系统。

在长时间停车之前，柴油机必须转换到用柴油至少工作30min。

因柴油只需少量加热，所以，换油必须逐渐进行以使系统内的温度稳定。

在柴油回油管路上一般要设置冷却装置。

随着国际社会环保要求的日益提高，对船舶在有些海域提出了使用低硫油（MGO）的要求，所以在燃油系统中有时还要加入低硫油（MGO）系统的相关设计，由于MGO油粘度很低，为满足柴油机的要求，对其相关的冷却系统提出了更高的要求。

以上功能一般也集成于燃油供应模块（即供油单元）中，以利于整体控制和操作。

3 存在的问题及解决方案
船用重质燃料油预处理与净化处理系统主要通过沉降、离心分离和过滤等方法脱除燃油中的水分和固态杂质。

但随着炼油技术的日益进步，特别是经催化裂化（FCC）所产生的重油，FCC硅铝等有害颗粒大大增加，重油不稳定性增强，原有处理系统存在的问题也日益显露出来。

不仅使燃油净化处理带来接近极限分离的操作条件，增加净化处理的困难。

有害杂质的含量增加又不能有效去除，这样，一是增加了燃烧后的灰分；二是由于碳/氢比升高，影响了油的燃烧性能。

因未完全燃烧的炭颗粒及灰分颗粒，大都比较坚硬，常常是引起有关机件发生异常磨损的原因。

尤其是残留在油品中的催化剂微粒细小，既硬又脆，进入燃油系统后会对高压油泵柱塞和套筒造成异常磨损甚至会咬死，还会使喷油器异常磨损，造成喷油雾化不良。

同时也会造成缸套、活塞环、排气阀等异常磨损。

沥青质是已知的絮凝物质，一般认为是引起燃料油不稳定性问题的原因。

燃料油在储存过程中，由于温度的变化和重力作用，沥青质与周围油状介质的平衡易于受到破坏，产生沥青质聚沉现象（俗称“二次结渣”）。

燃料油中形成的油泥不仅会影响输送，且会影响油品的雾化和燃烧，造成燃烧不完全。

另外，实际使用时一般都要将燃料油加热。

加热时会促使油品氧化，增加胶质、沥青质含量和引起它们氧化分解，甚至形成中间相互加速沥青质絮聚，直至结焦生炭，故对使用不利。

3.1 存在的问题
（1）设备故障率和维护成本增加。

现代燃油的劣质化、难分离、不稳定等特性给离心分离机的净化分离操作及系统控制带来越来越多的困难。

不仅使杂质、淤渣未有效分离，还大大提高燃油泵和分离机的故障率，增加滤器负担。

（2）不该分离的有效成分被分离，造成浪费。

由于离心分离机是根据密度差进行分离，在密度相近时分离无选择性导致燃油软性淤渣团被分离造成浪费。

如果不被分离，则会堵塞滤器，和导致不正常雾化和恶劣燃烧。

（3）该分离的有害颗粒未被分离，造成损害。

由于离心分离机是根据密度差原理进行分离，以机械杂质为结晶核心的软性油渣团，由于其整体密度与重油比较接近，在实际状况下很多有害机械杂质难以分离。

（4）形成的“二次淤渣”未被有效处理，造成故障与浪费。

由于燃油的不稳定性，日用箱中经分离机分离后的燃油产生的“二次淤渣”不仅会增
加燃油系统中滤器等的负担，浪费燃油，也不利于其燃烧。

3.2 解决方案
重质燃料油的劣质化、难分离、不稳定等特性给离心分离机的净化分离操作及系统控制带来越来越多的困难，二次催化裂化（FCC）后重油的大量使用使这一现象加剧。

虽然相关设备厂家在不断提高分离机的性能和分离后过滤设备的精度，但都不能从根本上解决以上存在的问题。

将使燃油净化处理系统日趋完善，使整个系统对现代燃油具有更有效的分离效果和更大的适应性，在合适的位置加装均质机是一种有效的方法，会取得一举多得的效果。

3.2.1 均质器介绍
均质器是一种在重质净化供应处理系统中的一种辅助设备，随着重质燃料油劣质化的加剧，其作用日益突显出来。

TBG系列均质机其主要工作原理是采用特殊设计的转子和定子在电机的高速驱动下，通过DS叶轮和HT叶轮的高速旋转，产生的高线速度和高频机械效应带来强劲动能，使重油在定子、转子的高速相对运动中，受到强烈的机械及液力剪切、离心挤压、液层摩擦、高速撞击撕裂和湍流等综合作用而分裂、破碎、分散，并在短时间让内物料承受几十万次的这种剪切作用，不仅使机械颗粒迅速从以其为结晶核心的淤渣团中剥离出来，而且使软性淤渣在瞬间充分均匀地分散、乳化、均质、溶解，并在密闭的腔体里形成上下左右立体紊流，经过高频的循环往复，最终得到稳定的高品质产品。

该机还可利用超声波以及高速旋转机构的挤压与剪切作用，将离心分离后在日用柜中的“二次结渣”充分细化均质，还可以燃油中所剩余的水分与杂质充分均匀混和，使未被离心分离掉的燃油中水份（一般低于0.2%）经充分均质后变成对柴油机燃烧不影响成份，保证柴油机可靠工作。

TBG系列均质机的产品特点：
（1）能有效将有害的硬质颗粒（FCC粒子）从以其为结晶核心的重质燃油软性淤渣团中剥离出来（而不是粉粹），使分油机更易分离出这些对发动机有害的硬质颗粒，减少发动机部件（尤其燃烧室的部件）的磨损和故障，达到保护发动机的目的。

（2）能有效将以沥青质颗粒为结晶核心的重质燃油软性淤渣团破碎、分散细化和溶解，使其恢复到可燃烧的油品状态，而避免分油机将其分离，从而不但可以降低分油机的排渣量，节省燃油，而且还可以减少分油机的故障（由于软性淤渣被破碎和溶解），使分油机更易清洗和维护。

（3）重油中的软性淤渣（包括油柜中产生的二次淤渣）被破碎、分散细化和溶解，不但可以使安装其后精密滤器不易堵塞，减少燃油的浪费，而且能够降低燃油表面张力，使燃油更加细微均匀，改善燃油品质，提高发动机中燃油的雾化效果，使燃油燃烧更加充分，同时降低发动机的维护成本。

（4）进出口没有明显压降，无需单独配置增压泵；可长时间连续工作，不会发生堵塞故障，无需定期拆洗和维护。

（5）电机与本体可选择刚性连接或磁性连接。

（6）无机械接触磨损，使用寿命长。

性能稳定；结构简单，易于安装、操作和维护。

（7）一般在燃油净化供应系统中的安装有如下图
所示三种形式，根据其在燃油净化供应系统中所装的位置不同，所起的作用也有所差别。