船用重质燃油净化供应系统的设计及优化

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。

值得一提的是，还有一种结构的均质机是通过一对齿轮的相对运动进行研磨，应不适于对重油的处理，不仅对于粘度高的重油其易堵塞，难以清理维护，关键是其相对运动的齿轮研磨可能会带来机械颗粒被研碎，把油中的大颗粒研磨成很细微的粉末，不但不能去除利于有害颗粒，反而使其进入发动机，导致燃烧不好，长时间使用后，导致高压油泵等磨损加剧，问题更大。

3.2.2 在燃油净化供应系统中几种安装均质器方案

（1）在净化系统中，加装在沉淀箱与离心分离机之间（见图1）。

1）能有效将有害的硬质颗粒（FCC粒子）从以其为结晶核心的软性淤渣团中剥离出来，有效降低发动机零部件的磨损，达到保护发动机的目的。重油中存在着一些对发动机的运转部件极为有害的硬质颗粒（FCC粒子），这些硬质颗粒一旦进入发动机，轻则增加零部件的磨损，重则可能造成零部件的拉伤。通常FCC粒子不以独立形态存在，而是以其作为核心聚结成淤渣团，淤渣团的整体比重较FCC粒子明显降低，与重油比重差不大，导致离心机很难分离。在分离机前安装均质机后，将硬质颗粒从包裹的淤渣团中有效剥离出来（注意：不是将硬质颗粒粉碎），FCC粒子基本裸露出来后，大大提高了其与重油的比重差，使分离机容易的将这些“该去除”有害颗粒有效去除。

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.重质燃油软性淤渣团是完全可燃烧成分，加装均质机后可有效将其分散细化而避免分油机将其分离，使这些可燃烧成分留下来，减少浪费，而且还可以降低分油机的排渣量，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。

（2）在供应系统中，加装在日用箱与柴油机之间（见图2）。

经分离机分离后的燃油进入日用箱后，在使用储存过程中，由于燃油的不稳定性，会产生的“二次淤渣”，这些软性“二次淤渣”不仅会被滤器过滤掉造成燃油浪费，还会增加燃油系统中滤器等的负担，加上未被分离干净的水的积聚，也不利于其燃烧。

在日用箱后加装均质机后，重油中的软性淤渣（主要是油柜中产生的二次淤渣）进一步被破碎、分散细化和溶解，避免安装其后精密滤器将其滤掉，减少燃油的浪费；可以减少精密滤器的负担，使其不易堵塞，降低故障率；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。

由于重（渣）油在常温下粘度很大，呈半塑性状态，具有分子间缔和力大，不易分散等特征，一般情况下，日用箱中的残留水与其乳化极为困难。但由于均质机的强力作用，使其乳化成为可能，形成的乳化油被喷到汽缸里，被燃油包裹的水滴在高温下沸腾，使外层包裹的燃油爆成更小的油滴，这种“二级雾化”使表面积比原来增大了200倍，大大地提高了燃油和氧气的混合，不仅能够提高燃油的燃烧效率，节约能源，同时由于燃烧完全，降低了NOx等有害气体的排放，减少了环境污染。

3.3.3 燃油的加装与储存应注意事项

鉴于上述重质燃料油质量对船舶燃油系统及柴油机的影响，一是要把好加装燃料油的入口关。如供油协议要明确执行的标准，加油时要向供油船索取本批次燃油的实测报告并取样留存备查。二是要高度重视燃油的预处理工作。有条件的船舶，不同来源的重质燃料油最好分开储存，避免因相溶性不好而造成油料分层。三是除油舱和喷油系统需加温外，泵送管道、过滤器都要装加温设备和伴热管线。因为目前大多数重质燃料油的倾点都在20℃以上。四是国际航行船舶执行《MAPOL73/78 公约》97协议书和附则Ⅵ，加装燃料油时，要考虑其含硫量是否符合要求。

由于现代燃油具有的不相容特性，对来自不同油田、炼油厂的燃油混合时会产生沥青状高粘性的污渣，造成泵送、分离条件严重恶化，甚至不能进行分离操作。因此，在补加燃油时必须证实新回燃油与残留在罐内原有燃油是否能相容，适于混合。这是现代燃油不同于传统燃油的一个重要特性。

4 结语

（1）柴油机燃用重质燃油，运行成本降低，带来很大的经济效益，与此同时随着燃油技术的不断进步，重质燃油品质不断下降，不仅给柴油机的使用安全带来很多威胁，也给燃油净化供应系统带来更多困难。（2）现代燃油必须强化对整个净化供应处理系统及其设备进行优化设计。保证整个系统获得最佳、最有效的处理效果。（3）在船用重质燃油净化系统中加装均质机不仅可以使有害机械杂质更有效地得以分离，还可防止可燃烧有效成分被分离浪费，同时也降低分离机的故障率和维护成本。（4）在船用重质燃油供应系统中加装均质机可以细化由于重油的不稳定性所产生的“二次淤渣”，减少燃油的浪费和滤器的负担，同时可提高燃油的燃烧效率，减少了环境污染。（5）对整个燃油净化处理系统及供应系统实行模块化，利于提高船舶的制造效率、利于设备的安装与服务，也利于使用操作和实现自动控制。（6）研磨式均质机，易于将机械颗粒研碎进入柴油机对其造成伤害，不适于对柴油机使用重油的处理。（7）燃油的储存应考虑到来自不同区域油田、炼油厂的燃油间的相容性，防止非正常沥青沉积物及浮渣的产生。

参考文献：

[1]重质燃料油基础知识与应用.中国石化出版社，2009.

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