浅谈运营船舶脱硫改造设计

任韶琦，薛晨昊

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

0 引言

根据MARPOL公约附则6修正案的要求规定：在排放控制区域（ECA），2010年7月1日后，燃油中的含硫量须低于1%；2015年1月1日后，燃油中的含硫量须低于0.1%；而在非排放控制区域，2020年1月1日后，燃油含硫量不得超过0.5%。随着脱硫技术的日益完善，脱硫设备生产厂家的数量日渐增加，则有可能进一步降低购买设备的费用及安装成本，这也是眼下船东选择最多的方案。结合运营船的实际情况，在改造设计的过程中选用合适的软件平台将会事半功倍；Intergraph Smart 3D软件支持一系列对象的导入与导出，可有效提高模型设计的效率，并及时完成设计指导思想的优化。

1 船舶尾气脱硫系统

目前，船舶尾气洗涤脱硫系统（ECCS）主要分为以下3类：湿式废气脱硫、干式废气脱硫及半干式废气脱硫。

目前已开发成功并实船应用的船舶尾气后处理脱硫系统主要是湿法脱硫。

Wä rtsilä公司开发的船舶废气洗涤脱硫系统包括闭式洗涤系统（NaOH添加剂）、开式洗涤系统（海水）以及混合洗涤系统（海水/淡水）。Wä rtsilä闭式淡水洗涤技术，使用NaOH中和废气中的SOX。该装置可脱除99%的SOX、5%～11%的NOX及30%～60%的PM；该系统运行需要3 kW/MW的电力，系统淡水消耗量0.1 m3/MW·h。Wä rtsilä开式洗涤系统利用海水的天然碱性吸收SOX，可脱除约93%的硫化物、80%的PM、约15%的氮氧化物以及约8%的HC，系统排出的废水符合IMO排放水要求，但增加了约2%的能源消耗。Wä rtsilä混合洗涤系统（海水/淡水）能够在闭式淡水洗涤和开式海水洗涤2种模式间切换，可满足船东不同要求。

哈尔滨工程大学已开展了船舶废气洗涤脱硫系统的研究与开发，该系统利用了闭式淡水洗涤技术。系统样机已于2015年3月在中船动力镇江柴油机厂的台架上进行了约4 000 kW的柴油机废气净化试验，其脱硫率能够满足MARPOL公约附则VI的SOX排放限值要求。

总而言之，湿式洗涤系统有3种不同的实现形式：1）海水洗涤废气（开式模式）；2）淡水洗涤废气（闭式模式）；3）海水/淡水洗涤废气（混合模式），通过开式、闭式及混合式不同形式对比（见图 1）对比，我们可以直观地看到3种形式的优缺点。

图1 开式、闭式及混合式洗涤系统优缺点对比图

2 运营船舶脱硫系统改装流程

尾气洗涤脱硫系统布置范围较广，且洗涤塔体积均相对较大，给设计、安装带来诸多困难。随着公约生效时间的临近，国内外各大船运公司的船东都在加大对改造脱硫设备的投资。在新造船设计时，可先预留好设备安装位置及接口方式，以便后期加装；但是对于营运船舶的加装而言，结合涉及的船期、实际运营环境复杂程度等方面的综合考虑，可知改造十分困难。因此，在实船改造的过程中，摸索出1套相对适合运营船脱硫改造的设计方案。

首先，初步收集改造目标轮的主要船型参数，并基于这些基本参数进行设备初步选型；根据船东认可的初步选型方案，派员进行实船3D扫描，同时要求船东提供更详细的原船图纸；其次，基于3D扫描的模型以及原船图纸，展开详细的设计并送审；完成退审后，在3D扫描的模型背景中进行生产设计建模、出图；最后，生产部门根据图纸施工，并调试交付。如图2所示。

图2 脱硫改造作业流程

3 Intergraph Smart 3D软件平台3D扫描模型应用

3.1 脱硫改造设计的主流方法

目前实际开展脱硫改造设计基于不同的软件平台有主流的有3种方案。

1）直接使扫描的3D点云模型导入到生产设计软件平台为背景，进行脱硫系统的改造设计。

2）基于扫描的3D点云数据，通过第三方逆向软件逆向建好背景模型导出合适格式的背景模型文件，导入现有三维设计软件作为参考背景。

3）基于初略的三维逆向模型进行改造生产设计，完成设计后导出改造设计模型数据到 Navisworks软件，并把3D点云数据也输入Navisworks软件中，而后合并2个数据模型检查干涉，在回到三维设计软件修改模型，反复此操作直至完成最合理的设计。

3种方法各有其优缺点，具体见表2。

表2 三种设计模式优缺点对比

3.2 基于Intergraph Smart 3D平台进行改造生产设计应用

基于以上3种优劣情况分析，在预算允许的情况下，我们选用基于Intergraph Smart 3D平台的产品中的第一种点云导入方式进行生产设计。

目前市面上3D扫描仪型号、功能均很多，基本都能基于自带软件导出STP格式的点云工程模型。在导出 STP格式后文件后，在 Intergraph旗下的cyclone点云处理软件中把点云stp文件另存成imp格式文件（如果在cyclone中拼接可以省去此步骤）；接着打开cyclone选中第二个带有（unshared）选项，选择此选项为本机使用，则调入点云数据将会比较流畅，而后右键database。如图3所示。

ADD下一步为命名和调入imp文件目录，如图4所示。

不要关闭cyclone，打开Intergraph Smart 3D调入在Cyclone中命名好的imp文件；选择Intergraph Smart3的模型调取命令，并勾选Poin Cloud，选中在cyclone中命名好的点云模型；最后，在Intergraph Smart 3D命令栏中点击导入点云命令即可直接在点云背景模型下进行生产设计。如图5所示。

图6为3D软件直接进行点云模型设计的效果。

图3 导入点云选项

图4 imp文件路径

图5 Intergraph Smart 3D点云加载

图6 3D数据效果图

4 使用点云进行脱硫设计注意事项

可以调入整个模型或按分段调入，不卡的情况下可考虑调入整层或整个模型，见图7。

在可接受的范围内，尽量稀释点云导入量在软件界面的可视效果，以便保证运行效率。见图8。

图7 区域化分割调取点云数据

由于飞行模式相对有卡顿现象，因而不建议使用。同时，其它平移、旋转、放大、缩小命令基本可满足设计要求。

5 运营船舶脱硫改造在设计阶段的注意事项

运营船舶为了保证后续航程，进厂时间往往较短，在烟囱、机舱区域等有限空间内进行如此大的工程施工，对船厂管理、设备以及环境的要求很高。因此，在改造设计阶段就要打破以往船舶生产设计或传统修船模式的壁垒。设计提前介入并全程与船厂各部门的工程师保持密切的合作与沟通。

图8 点云可视效果刷新按钮

首先结合扫描数据以及原船布置图等资料，做好改造目标船的拆旧策划。合理的拆旧策划可以为船厂争取到4天～5天的改造安装施工时间，相对于短短30天不到的改造工期，这样可节约更多可贵的时间成本。

其次结合实船采购设备的情况，可以考虑在船进厂前展开生产预制工作，如若船东选型的设备对烟囱拆旧量大，则一般采用烟囱整体新造的模式，提前预制烟囱结构分段，管系、脱硫塔设备提前进厂进行预舾装工作；船舶进厂后，直接把整个烟囱切割后，对新烟囱模块进行整体吊装。机舱区域水泵、水质监测仪的设备也可有效利用模块化的设计理念，进行单元预装，且将来船舶进厂后再进行整体安装。这样可以有效将现代化成组造船技术有效运用在修理改造项目中，同样能为船厂改造脱硫工程争取到宝贵的施工时间。

此外，在材料的选用上，特别是 SMO254、SS2207、SS2205等高反腐性能的管系材料，其施工工艺设计要结合船厂的施工能力，提前做好工艺评定工作。

6 结论

由于人类对深海探索力度的加强以及对环保意识的不断升级，船舶的节能减排、防污治理改造会不断遇到新的挑战。本文主要侧重描述了在Intergraph Smart 3D软件中使用点云进行运营船舶脱硫设计的应用及实际改造工程中的困难点。综合考虑了实际运营船舶改造工程施工与设计交互式促进的指导思想。