LPG运输船惰性气体置换方法应用分析

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(武汉金鼎船舶工程设计有限公司，武汉 430062)

液化石油气(LPG)因其良好的经济性、低污染、易储运等诸多优点在世界各国得到了越来越多的使用。惰化气体置换在LPG运输船的营运过程中是十分重要的一个环节,一艘3 700 m3的LPG船每次用于惰化气体置换的费用大约10万元人民币，这是一笔不小的开支。如何降低置换开支值得研究[1-4]。

1 常用的惰性气体置换方法

1.1 相对浓度差法(推移法)

利用气体的相对浓度不同来置换罐内气体。如置换气体的比重大于被置换气体的相对浓度，则从罐体底部注入置换气体，而使罐内气体从罐体顶部溢出；反之，则从罐体顶部注入置换气体，从底部排出被置换气体。这种方法在气体有显著的浓度差时最为有效，置换时所用的气体量亦是最节省的，缺点是受限制较多。

1.2 加压稀释法(混合法)

将置换气体用较大容量的压缩机或鼓风机注入至液化气罐内，与罐内的被置换气体相混合，以此降低被置换气体的体积浓度。其优点是可以在较短的时间内完成置换作业，缺点是要耗费大量的氮气，而且注入过程能耗大。此方法多用于比重差较小的气体间的相互置换，有时出于安全性考虑，即使比重差较大，也不得不采用此方法。

1.3 恒压稀释法

将置换气注入至液化气罐内的同时，打开排出阀，由于分子扩散的速度极快，可忽略其混合过程，理想化地认为是瞬间混合均匀，这种方法在比重差相差不大的气体间相互置换时较为节省置换气体。操作过程中要注意的是控制好注入惰性气体时的射流位置、角度和速度。相比于加压混合稀释法，此方法更为节省氮气。

1.4 真空稀释法(抽空法)

用压缩机将液化气罐内的气体吸出，使罐内剩余气体减少，罐体内达到一定真空度后注入置换气体，从而达到稀释被置换气体浓度的目的，此法多用于全压式或半压式的液化气罐，抽真空与充氮气相结合，抽吸与注入反复进行，直至达到所要求的浓度为止。

2 所用惰性气体量的计算

LPG液货舱内氧气含量的“惰化”最低要求，对丙烷来说为12%，丁烷为12.4%。根据这个要求，可以用波意尔气体定律计算出降低氧气浓度所需的氮气量，考虑到额外的备用量及管路中的耗用，氮气的总备用量一般为计算所得氮气量的1.2倍。

如液化气罐容积为1 000 m3，要求惰化后使气体中的含氧量为12%，所需氮气量的计算如下。

2.1 加压混合法

(1)

式中：V氮气——标准状态下所需氮气体积；

V液罐——液化气罐体积，V液罐=1 000 m3;

α，β——置换前后液罐内的氧气浓度，

α=21%，β=12%。

计算得V氮气=750 m3。

氮气瓶个数(按每瓶装6 m3计)为

n=750÷6=125 个。

充入氮气后气罐内压力为175 kPa。

2.2 恒压稀释法

忽略其混合过程，理想地认为是瞬间混合均匀，并用微分的观点，把注入过程等分成无限多次，无穷小量的稀释过程。

记氧气初始浓度为a,液化气罐体积为V,注入氮气体积为X，瞬时注入氮气量为ΔX，氧浓度瞬时变化量为Δa，则瞬时氧浓度变化量为

Δa=a-aV/(V+ΔX)

(2)

计算得V氮气=-671.5 m3(负号表示耗用)。

氮气瓶个数(按每瓶装6 m3计)为

n=671.5÷6=112 个

2.3 相对密度差法

所需氮气体积为

V=(21%-12%)×1 000÷21%=428.6 m3

氮气瓶个数(按每瓶装6 m3计)为

n=428.6÷6=72 个

提取公式：

V氮气=1.2×V液罐×(α-β)×α

(3)

通过计算，可见，采取上述单一方法进行惰性气体置换时氮气的耗量由少至多依次为:相对密度差法、真空稀释法、恒压稀释法、加压混合稀释法。在保证安全的前提下,根据置换气体的种类、船舶的设备、作业地点等条件,应尽可能地采取其中的几种方法相结合进行置换，这样可以进一步减少成本、提高效益。

3 新船出厂后几种置换方法相结合的经济性分析

以武汉金鼎船舶工程设计有限公司设计的3 700 m3液化气远洋运输船为例，将几种置换方法相结合来分析LPG液货罐惰化作业的经济性。

该船设有2个容积为1 850 m3的液货罐；深井泵2台，每罐设1台，排量为220 m3/h，电动机功率为125 kW；LPG气体压缩机2台， 排量为8 m3/min，电动机功率为110 kW。船上发电机发电1 kW·h的费用按1.0元计算，氮气的价格按5元/m3计算。

3.1 单一的氮气置换方法(恒压稀释法)

在条件不允许的情况下，不得不选择经济性差的置换方法。如果选择单一的充氮置换时，可以选择更为经济的恒压稀释法。

将各数据代入式(2)，所需氮气量为2 484 m3。

氮气费用为2 484×5=12 420元。

3.2 抽真空与充氮气相结合

抽真空与充氮气相结合方法受限制小，效果好，较为常用。

抽真空至罐内压力为0.05 MPa，即抽出气体1 850 m3，然后注入氮气至罐内，压力为0.1 MPa，即可满足本次置换的要求。

耗用电能为

1 850 m3÷480 m3/h×110 kW≈424 kW·h。

费用为

424 kW.h×1.0元/(kW·h)≈424元。

向罐内注入氮气,至罐内压力为0.1 MPa,此次需要向罐内注入1 850 m3氮气，此时罐内氧气浓度为10.5%<12%，满足要求。

此次花费为424+1 850×5≈9 674 元。

由于其它的置换方法相结合均受较多的限制，在实际的LPG 液货罐惰化作业中也很少有应用，故不一一分析。

3.3 抽真空、充氮气与压水相结合

由于淡水的价格不到氮气价格的1/2，并且也容易得到，如果将氮气的一部分换成淡水，同样可以达到最终惰化的要求。下面计算此种方法的经济性。

首先向两个液货罐均注入1/2容积的淡水；后采用抽真空/充氮相结合的方法，其中注水1 850 m3，压缩机排出气体925 m3，注入氮气925 m3。

淡水价格参照市场价2元/ m3。

置换惰化费用约为9 588元。

可见，在初次装货前的置换中，采用压水、抽真空、充氮相结合后，费用基本没减少，反而增加了工作量。因为要求的稀释程度不大，所以采用抽真空与注入稀释的方法更为方便合适。

4 进坞维修前几种置换方法相结合的经济性分析

4.1 恒压稀释法

计算同前，所需氮气量为

V氮气=1.2×V液罐×(lnα-lnβ)

式中：V液罐=3 700 m3；α=100%(液货罐内石油气浓度)；β=6.2%(惰化后要求的石油气浓度)。计算得V≈12 346 m3。

氮气费用为12 346×5=61 730元。

可以看出在进厂维修前的置换中，采用单一的恒压稀释法需要大量的氮气，费用是很高的。

4.2 抽真空与充氮气相结合

抽真空至罐内压力为0.05 MPa，即每个液罐抽出气体925 m3，然后注入氮气至罐内压力为0.1 MPa，即可满足本次置换的要求。

耗用电能约为424 kW·h，费用为424元。

向罐内注入氮气,至罐内压力为0.1 MPa,此次需要向两个罐内注入1 850 m3氮气，此时罐内石油气浓度为50%；

重复上面这一过程，直到罐内石油气浓度<6.2%，满足要求为止。

重复次数为0.5n<6.2%，解得n>4.009，取n=4，在置换时多注入一点氮气就可满足要求。

总费用约为(424+1 850×5)×4=38 696 元。

可见采用抽真空与充氮气相结合的方法后可以节约成本近1/2。

4.3 抽真空、充氮气与压水相结合

首先向两个液货罐均注入1/2容积的淡水；后采用抽真空/充氮相结合的方法，其中注入淡水量1 850 m3，压缩机四次排出气体量为3 700 m3，

注入氮气3 700 m3。

置换惰化总费用约为24 575元。

由上面计算可以看出，采用压水、抽真空、充氮相结合后，费用大大降低，这是一个非常经济的组合方案。

值得注意的是压水过程中要密切关注船舶浮态，注水时要最好两罐同时注入，避免横倾过大，并且根据船舶稳性的计算，允许注入的淡水最大重量也是有限制的，需综合考虑并核算清楚后方可实施。

5 结论

在新船出厂后的初次LPG 液货罐惰化的作业中采用真空/充氮相结合会取得很好的经济效果；在LPG船进坞维修前，条件允许的情况下，采用抽真空、充氮气与压水相结合进行LPG 液货罐惰化的作业是非常理想的。

[1] 张振新.LPG船置换技术工艺流程[J].油气储运，1990，9(6)：57-61.

[2] 黄恒祥.船舶设计手册[M].北京: 国防工业出版社，1999.

[3] 蔡锦胜.压水、抽真空和充氮在全压式LPG船置换中的综合应用[J].广东造船1994(4)：19-29.

[4] 中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].北京:人民交通出版社，2005.