Panamax 型散货船洗涤塔安装若干问题研究

杨世峰 智广信

（大连中远海运川崎船舶工程有限公司 大连116052）

引 言

国际海事组织（IMO）决定自2015年1月1日起，在四大排放控制区（ECA）包括北美海域、美国加勒比海域、夏威夷海域、波罗的海区域和北海区域以及包括地中海在内的欧盟等水域实施船舶0.1%硫排放限值要求。2020年1月1日起，在全球海域实施船舶0.5%硫排放限值的规定，四大排放控制区仍然执行0.1%的限制。我国交通运输部下发《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，确定自2016年1月1 日起到2019年1月1 日，逐步实现船舶进入排放控制区达到≤0.5%的硫排放限值标准。如果船舶不能达到硫排放限值标准，从2015年开始将缩小其活动区域，到2020年将不能在任何海域使用。［1］在某Panamax 型61000 载重吨散货船的设计中，船东要求给出限硫法规的解决方案。

1 脱硫方法及选择

目前船舶废气SOx限排解决方案主要有以下三种形式：

（1）增加低硫燃油舱

优点是改装成本较低；缺点是后期运营成本较高，关键成本取决于低硫燃油的价格变化，目前低硫燃油的价格平均高于普通船用燃油约200 美元/t。且低硫燃油从目前的使用实际来看，对主机均有不同程度的损害，所以低硫燃油不但经济性差，而且安全性也有待考证。

（2）采用双燃料（燃油/天然气系统）

优点是基本消除硫化物SOX的排放，另外对于氮氧化物NOX也有30%的降低；缺点是成本高，同时为设置LNG 舱，将降低船舶装货量，柴油机效率将下降，且柴油机选型范围缩小，维护保养也较贵，LNG 加注站少导致航线不灵活。虽然LNG可能是未来的方向，但是在现阶段，其经济性最差。

（3）加装脱硫装置

目前有三种系统：

① 开式系统

利用海水具有的天然碱度和酸碱缓冲能力吸收烟气中的SOX，洗涤水排放到海里，可以满足≤0.5% m/m 的硫限值排放标准，但是排放控制区要求硫排放≤0.1%，且洗涤水因为含有硫呈酸性，对于洗涤水是否环保还有争议，所以目前只能用在排放控制区以外海域。

② 闭式系统

通过在洗涤液体中添加高浓度碱液，完成对废气中SOX的洗涤，洗涤液体可循环使用，同时适用于排放要求比较高的海区，可满足零排放要求。系统复杂，前期成本和后期运营成本较高。

③ 混合式系统

综合了开式系统和闭式系统，能在不同海域及使用要求进行开式与闭式的切换。前期成本与闭式系统差不多，后期运营成本比闭式系统略低。

经过论证(如表1 所示)，由于开式系统成本较低，在假设船舶每年航行275 天，使用HFO（heavy fuel oil，重燃油）相较于使用低硫MGO（marine gas oil，船用汽油）方案，两年即可收回成本。所以采用在非排放控制区使用开式脱硫系统，在排放控制区使用低硫MGO 作为燃料油的解决方案。

表1 HFO与MGO费用对比

2 洗涤塔的类型

洗涤塔主要是两种类型：I 型和U 型，参见图1。

图1 I型与U型洗涤塔

I 型洗涤塔为瘦高型，空间占用小，但存在洗涤水倒灌主机的风险，且在洗涤水出问题的情况下要能经得住干烧，这些都是厂家设计之初需考虑的。此外，对于船厂来说，因为I 型洗涤塔要穿过甲板与主机排烟管连接，所以机座及补强的设计也较为繁复。U 型洗涤塔是矮胖型，空间占用大，有两套管道。1 套是用1 个三通将主机和发电机的排烟管和洗涤塔相连，另一套是备用的，在洗涤水出问题的情况下直接将烟气排到大气中。两种洗涤塔都必须在洗涤水出问题的情况下自动切换MGO作为燃料。［2］

船厂设计经过研讨，虽然I 型洗涤塔问题多，设计难度大，但是因为Panamax 型船烟囱空间实在是有限，最终经过和洗涤塔厂家还有船东的讨论，还是选择I 型洗涤塔。

3 洗涤塔对船舶性能的影响

与不安装洗涤塔相比，对船舶性能的影响主要是以下两个方面：

（1）发电机容量增大；

（2）背压增加，主机相关性能参数与主机厂家确认并修改。在一些高负荷运转条件下，主机的排烟温度升高，油耗变差。另外，一旦背压超过一定的数值，会对主机和发电机造成难以预料的风险。

在安装洗涤塔之前，首先必须了解并确认洗涤塔对船舶性能的影响，并且要反映在规格书中，避免后期在交船时与船东发生纠纷。

4 洗涤塔相关的布置及问题

洗涤塔相关是一整套系统，包括洗涤塔、海水泵、中和水泵、海水滤器、烟气监测仪以及水质监测仪等15 套设备，其中布置难点在于海水泵、滤器和洗涤塔的布置。

4.1 海水泵和滤器的布置

由于需要不停地抽取海水作为洗涤水，所以要在机舱双层底处增加一个低位海底门，海水泵和滤器布置于海底门处。因为现在的船普遍都是尾部线型比较瘦，所以布置起来相当困难［3］。

本船布置在机舱双层底近尾部区域（见图2）。这里尤需特别注意：有些船级社（如美国船级社），会有额外的船级符号要求，如需配置备用的海水泵和滤器，即若主海水泵和滤器被杂质异物堵塞，发生故障使洗涤塔无法工作，便可自动启动备用海水泵和滤器。但是IMO 尚无此要求，所以一定要注意和船东明确船级符号问题。该船由于在空间上额外预留了一套海水泵和滤器，但船东认为没有必要取得额外的船级符号，所以最终没有额外布置一套海水泵和滤器。

图2 机舱双层底海底门，海水泵和滤器的布置

4.2 塔体布置

塔体要连接主排烟管，所以必定是布置在烟囱里。由于烟囱里面管路很多，所以只能增大烟囱，如下页图3 所示。该船的烟囱宽度扩大一倍，高度增加4 m。需要注意的是：烟囱高出罗经甲板以上，但宽度不能超过船宽的1/4，否则容易引起舾装数的跳档。

图3 塔体的布置

5 塔体补强计算

塔体自身较重，该船塔体加上配套的舾装件（如排烟管，支架等）共17 t，对于补强方面，船级社要求进行有限元验证。

由于塔体穿过甲板，所以采用甲板下开孔环形加强，再加上大肘板支撑，计算结果见图4。

从结果上看，强度比较容易满足。但是据厂家反馈，以前对洗涤塔的振动没有重视，导致某条船在安装洗涤塔后，塔体振动较剧烈［4］。所以本船的洗涤塔塔体增加了一些扶强材，并将塔体底座补强增大了一些。

6 船体振动计算

由于烟囱增大，再加上洗涤塔及其附带舾装件的自重，本船在尾部增重约几十吨，且烟囱结构彻底改变，所以需重新计算船体及烟囱的振动情况。此处有个问题需要注意，洗涤塔本身只有重量，而没有刚度；对于整船的振动，洗涤塔的重量分布假设成一个非结构单元质量点就可以，但是对于烟囱的振动分析，因为洗涤塔的重量接近烟囱本身且只是略小于烟囱，所以模拟洗涤塔要用非结构杆单元来模拟［5］。

经过计算也发现对于整船来说，实际上振动影响不大，因为几十吨相对于船体而言并不算重，但对于烟囱和居住区来说，变化则较大，因为烟囱的重量增加了1 倍多、宽度扩大1 倍、高度增加4 m，从计算结果上看，烟囱在经济航速下的低频振动几乎没有变化，但是螺旋桨二次激振力也就是倍叶频的响应值显著增加，并且烟囱的振动会带动整个居住区振动相应变大。经过研究，决定在烟囱的根部加大肘板以增加其约束而减小烟囱振动，从而降低居住区的振动。解决方案见图5，计算结果见下页图6。

图5 振动解决方案

图6 居住区在螺旋桨激励下的响应

由图6 可以看出，在加肘板后，主机常用功率和最大功率工况区间内的倍叶频振动响应大幅降低。

7 结 语

本文主要针对在安装洗涤塔遇到的一些主要问题进行了研究。对于IMO 的硫化物排放限制要求，要从经济性考虑是否安装洗涤塔，此外，设备的选型、对性能的影响以及是否可以布置，还有船级社的要求、强度及振动的计算问题等都应给予重视。在设计过程中，要重点考虑以上问题，并与船东，船级社和厂家讨论来解决问题，避免规格书和船级符号的问题，或者是前期考虑不全面的问题导致后期修改的经济损失。Panamax 型散货船的特点是船比较小，线型比较瘦，所以布置是一个难点。希望本文能对其他船舶设计人员的洗涤塔安装设计给予一些参考。