魏茂蘇

(中國船級(jí)社 船舶能效推進(jìn)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(shí)，由于船舶運(yùn)輸?shù)母咝Ч?jié)能（全球海運(yùn)碳排放占比僅3%）[1]，航運(yùn)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(huì)對(duì)《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約）附則VI進(jìn)行了修訂，增加了“燃油消耗數(shù)據(jù)收集機(jī)制”，要求5 000總噸及以上船舶統(tǒng)計(jì)并報(bào)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(duì)海運(yùn)產(chǎn)生的CO2排放進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)告和驗(yàn)證以及對(duì)第2009/16/EC號(hào)指令進(jìn)行的修訂》，要求對(duì)5 000總噸以上船舶產(chǎn)生的CO2（溫室氣體）進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)告和驗(yàn)證[3]。上述法規(guī)的實(shí)施，標(biāo)志著航運(yùn)業(yè)正式開啟全球溫室氣體減排行動(dòng)計(jì)劃，而法規(guī)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是船舶燃油消耗量的計(jì)量，這是報(bào)告和驗(yàn)證的基礎(chǔ)。利用流量計(jì)計(jì)量船舶燃油消耗量是法規(guī)要求的計(jì)量方法之一，將對(duì)流量計(jì)在船舶燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布置、建造安裝及營運(yùn)管理產(chǎn)生影響。

1 現(xiàn)有船舶燃油流量計(jì)計(jì)量存在的問題

船舶燃油流量可以精確計(jì)量主機(jī)、副機(jī)和鍋爐等耗能設(shè)備的燃油消耗量，評(píng)估設(shè)備能效，是航運(yùn)企業(yè)出于精細(xì)化管理需求而安裝的計(jì)量設(shè)備。作為船用計(jì)量設(shè)備，國際海事組織或其他行業(yè)組織并未對(duì)流量計(jì)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、安裝檢驗(yàn)和維護(hù)保養(yǎng)等做出強(qiáng)制性統(tǒng)一規(guī)定，其設(shè)計(jì)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(yùn)船舶在公約規(guī)則生效前建造，未充分考慮利用流量計(jì)計(jì)量全船耗能設(shè)備燃油消耗的問題，存在耗能設(shè)備計(jì)量不全面、流量計(jì)布置位置不合理、布置數(shù)量不能滿足計(jì)量要求等問題，難以滿足履約計(jì)量要求。

1.1 耗能設(shè)備計(jì)量不全面

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

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

1.2 已計(jì)量的燃油未全部參與燃燒

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

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

該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)（同時(shí)也是缺點(diǎn)）就是將反沖洗濾器布置在流量計(jì)之后（見圖1）。反沖洗濾器一般設(shè)計(jì)為自動(dòng)控制沖洗，當(dāng)濾器前后的壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)反沖洗，沖洗過的燃油泄放到燃油泄放柜，實(shí)際未參與燃燒，但該部分燃油已經(jīng)流量計(jì)計(jì)量，計(jì)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(jī)燃油供應(yīng)單元反沖洗濾器沖洗量統(tǒng)計(jì)表，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為主機(jī)停止運(yùn)行、燃油供油單元正常工作的情況下，流量計(jì)計(jì)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(shí)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(shí)流量計(jì)計(jì)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(jì)量油耗的0.86%，即該布置方案每天有0.86%的計(jì)量誤差，實(shí)際使用時(shí)受燃油潔凈程度和主機(jī)負(fù)荷的影響，精確統(tǒng)計(jì)該部分燃油困難。

1.3 耗能設(shè)備回油管路存在未計(jì)量的燃油

船用大型主、副機(jī)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(shí)可用，循環(huán)系統(tǒng)中來自耗能設(shè)備的回油經(jīng)過一個(gè)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(shí)打開。因供油單元參與循環(huán)的燃油是已經(jīng)流量計(jì)計(jì)量的，回流到集油筒的燃油不會(huì)重復(fù)計(jì)量，如因船舶震動(dòng)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(huì)造成已計(jì)量的燃油未參與燃燒，導(dǎo)致計(jì)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(jì)可行布置方案

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

2.1 流量計(jì)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(chǔ)存在燃油日用柜中，供主、副機(jī)和鍋爐等耗能設(shè)備使用，在燃油日用柜出口布置一個(gè)流量計(jì)即可計(jì)量主機(jī)、副機(jī)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(jì)前的壓力大于其后整個(gè)供油管線中所有部件中燃油流動(dòng)阻力之和，即存在正向壓差，流量計(jì)就可以計(jì)量。實(shí)際上，流量計(jì)本身通常會(huì)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(yùn)動(dòng)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(huì)造成實(shí)際使用中出現(xiàn)流量波動(dòng)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(jì)穩(wěn)定計(jì)量所需工作條件。

因此，采用此方案時(shí)要充分考慮具體型號(hào)流量計(jì)對(duì)壓力的要求，一般流量計(jì)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(dòng)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(jì)之前，以保證流量計(jì)對(duì)壓力的要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定計(jì)量。

2.2 流量計(jì)布置在供油單元中

現(xiàn)有供油單元多為計(jì)量主、副機(jī)燃油消耗量設(shè)計(jì)，流量計(jì)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(jì)的燃油即為設(shè)備的消耗量，可以最大限度地降低流量計(jì)機(jī)械磨損，有效利用流量計(jì)計(jì)數(shù)器量程，布置方案有：

1）主機(jī)、副機(jī)共用一個(gè)供油單元，合并統(tǒng)計(jì)燃油消耗，配置費(fèi)用低，相對(duì)經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是無法單獨(dú)計(jì)量主、副機(jī)燃油消耗量；

2）主機(jī)、副機(jī)共用一個(gè)供油單元，合并統(tǒng)計(jì)燃油消耗，副機(jī)加裝流量計(jì)單獨(dú)計(jì)量油耗，二者之差即為主機(jī)油耗，設(shè)備費(fèi)用相對(duì)高；

3）主機(jī)、副機(jī)分別配置供油單元，可以分別計(jì)量主、副機(jī)的燃油消耗，設(shè)備費(fèi)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(jì)時(shí)應(yīng)考慮反沖洗對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響，將反沖洗濾器布置到流量計(jì)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(xiǎn)，可考慮在能耗設(shè)備前加裝手動(dòng)清洗濾器。

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

3）其他能耗設(shè)備（如鍋爐）的能耗計(jì)量。由于鍋爐使用時(shí)間、使用條件上的差異，一般不與主副機(jī)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(jì)。

2.3 流量計(jì)布置在能耗設(shè)備燃油進(jìn)出口管路

將流量計(jì)直接布置在主、副機(jī)和鍋爐等耗能設(shè)備的燃油進(jìn)出口管路上，進(jìn)口流量計(jì)和出口流量計(jì)計(jì)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(jì)量誤差，并且可以結(jié)合環(huán)境工況等因素，綜合評(píng)估設(shè)備能效。采用此種布置方案，需要考慮：

1）所需流量計(jì)數(shù)量根據(jù)需要計(jì)量的能耗設(shè)備數(shù)量確定，費(fèi)用高；

2）流量計(jì)布置在耗能設(shè)備燃油進(jìn)出口，因燃油在供油系統(tǒng)持續(xù)循環(huán)，進(jìn)出口流量計(jì)計(jì)量的燃油并未全部參與燃燒，增加了流量計(jì)的磨損，同時(shí)也需要配置大量程計(jì)數(shù)器。表2為某輪主機(jī)燃油進(jìn)出口流量統(tǒng)計(jì)，進(jìn)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(jī)平均油耗為每1.14 kg/h，僅占進(jìn)口流量的0.021%，出口流量的0.026%。

3）需要評(píng)估流量計(jì)給主、副機(jī)等能耗設(shè)備帶來的風(fēng)險(xiǎn)，如流量計(jì)部件損壞可能對(duì)主副機(jī)高壓油泵等設(shè)備造成損壞。

3 船舶燃油流量計(jì)選型、安裝與維護(hù)

流量計(jì)設(shè)計(jì)布置方案確定后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，做好流量計(jì)的選型和安裝工作，并在船舶運(yùn)營階段做好維護(hù)保養(yǎng)，才能發(fā)揮流量計(jì)的精準(zhǔn)計(jì)量作用。

3.1 流量計(jì)選型

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

流量計(jì)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、最小），安裝尺寸（管徑、法蘭）和使用材質(zhì)（耐腐蝕、抗壓力/溫度沖擊、震動(dòng)或其他沖擊等），計(jì)量精度和計(jì)量單位等，選擇時(shí)需要綜合考慮，特別是將流量計(jì)布置在能耗設(shè)備燃油進(jìn)出口管路時(shí)，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(jī)燃油進(jìn)出口流量統(tǒng)計(jì)Tab.2 M/E F.O.inlet and outlet flow quantity

圖2 流量計(jì)出口管路Fig.2 Diagram of output pipe

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

3.2 流量計(jì)安裝

流量計(jì)的安裝應(yīng)遵循制造商和檢驗(yàn)機(jī)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(jì)，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(jì)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(jí)變化，導(dǎo)致法蘭和管路上可能積累氣泡影響計(jì)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(jì)安裝示意圖，出口管路彎曲向下，計(jì)量結(jié)果顯示，其進(jìn)口流量計(jì)瞬時(shí)流量穩(wěn)定保持在150 kg/h，而出口流量計(jì)瞬時(shí)流量在20～300 kg/h之間波動(dòng)，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(jìn)行效用試驗(yàn)及精度校驗(yàn)。

3.3 維護(hù)保養(yǎng)

國際海事組織制定的“2016船舶能效管理計(jì)劃制訂導(dǎo)則”明確規(guī)定，采用流量計(jì)計(jì)量燃油消耗，應(yīng)對(duì)流量計(jì)進(jìn)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(jì)計(jì)量燃料消耗時(shí)，應(yīng)在監(jiān)控計(jì)劃中明確流量計(jì)校準(zhǔn)方法和不確定度。

上述法規(guī)對(duì)流量計(jì)的維護(hù)保養(yǎng)提出了明確要求。流量計(jì)屬于精密計(jì)量儀器，維護(hù)保養(yǎng)工作包括本體部件維護(hù)和計(jì)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(jìn)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(jìn)行定性判斷，如船上有校核設(shè)備，可定期進(jìn)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(yàn)，由岸上專門檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行校核，并做好檢測保養(yǎng)記錄。

[1]《第三次全球海運(yùn)溫室氣體排放報(bào)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(duì)海運(yùn)產(chǎn)生的CO2排放進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)告和驗(yàn)證以及對(duì)第2009/16/EC號(hào)指令進(jìn)行的修訂》, 歐洲議會(huì)和歐盟理事會(huì).

[4]《船舶柴油機(jī)》, 大連海事大學(xué).

[5]《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》, 中國船級(jí)社.

[6]《2016船舶能效管理計(jì)劃制訂導(dǎo)則》, 國際海事組織.