惰气防爆控制技术在大型原油轮上的应用

2014-03-26钟兆卓唐炜峰

机电工程技术 2014年4期

关键词：油舱水封烟道

钟兆卓，唐炜峰

（广州中船龙穴造船有限公司，广东广州 511462）

1 概述

原油船是指用于装卸、运输原油的船舶。在船舶刚开始用于原油运输的时候，连续发生了几起大型船舶燃爆事件，给油船的航运安全敲响了警钟。燃爆容易在原油船上发生是由于原油船很容易齐备燃爆所需要三样因素：可燃物、氧气、引起燃爆的能量。

在货油舱里，原油不断挥发，可燃气体不可避免地充满整个空间。

另一方面，要杜绝引起燃爆的能量也很难完全做到，在航行的过程中，会因各种可能而产生静电，难以一一避免，而静电很大可能产生实现燃爆的能量。

因此，唯一可以考虑的是想办法减少氧气的含量。

2 船舶惰性气体概念、制造原理及功能

2.1 “惰气”的概念

研究表明，当氧含量下降到11%以下时，无论此时混合气体中可燃气体的含量是多少，燃爆都不会发生。因此可以认为含氧量在11%以下的混合气体是“惰性气体”了。

2.2 “惰气”的制造

在所建造的某型32万吨原油船中，锅炉燃烧燃油后产生的气体除了含有少量氧气外，还含有氮气、二氧化碳、二氧化硫、烟灰等物质，该气体经过洗涤塔后，气体会被冷却且烟灰及二氧化硫等杂质会被过滤掉，此时的混合气体经探头检测含氧量符合要求后，通过离心式鼓风机后输送到甲板水封塔，然后输送到各货油舱。

2.3 惰气系统功能总结[1]

当货油舱卸油时，需要吸入气体进行补充，如果补充空气会有使货油舱内可燃气体与空气中氧气混合达到燃爆状态的危险，因此在货油舱卸放液体时，需要充惰保持货油舱的惰化。

当进行货油舱的清洗后，需要利用惰气系统的风机，吸入新鲜空气驱除货油舱的惰气，使舱内不会因存有惰气而影响作业人员健康。

当装载着货油进行航行时，需要需要继续开启惰气对货油舱补气。

3 惰气系统主要设备运行功能描述

3.1 氧含量的测定

测试氧含量的探头为氧化锆传感器，传感器内侧与惰气接触，外侧与空气接触，当内外侧分别接入电压时，外侧的氧气由于外电压作用获得电子，成为氧离子进入氧化锆内，然后氧离子在内侧由于外电压作用失去电子成为氧气，由于内侧惰气氧含量低、外侧空气氧含量高，氧气的浓度差使氧气外侧响内侧进行扩散运动。

因此，惰气的氧含量越小，氧气浓度差就越大，就有越多的氧离子在内外侧之间流动，就会产生越强的电流信号，通过分析电流的强弱，即可得知惰气中氧含量的多少。

3.2 锅炉烟气的处理

锅炉烟气由氮气、二氧化碳、氧气、二氧化硫、烟灰等构成，其中二氧化硫会产生酸，它和烟灰等杂质如果直接进入货油舱会影响储存在舱里的原油，因此需要通过洗涤塔进行处理。

锅炉的烟气进入洗涤塔后与从喷嘴喷出的由洗涤塔海水泵供给的海水混合后经过丘文里管，在丘文里管的收缩段，由于收缩作用使气液两相间相对流速很大，液滴在高速气流下雾化，气体温度达到饱和，尘粒被水湿润。尘粒与液滴之间、尘粒之间发生激烈碰撞和凝聚。之后进入扩散段，在扩散段，速度下降、压力回升，以尘粒为凝结核的凝聚作用加快，凝聚成直径较大的含尘液滴，掉到洗涤塔底部通过管路排到船外。

余下的气体被引导往上升，通过被从洗涤塔海水泵供给的水湿润的湿式滤网，气体被进一步降温和清洁，气体内的硫化物被水雾带走，水雾慢慢落到洗涤塔底部通过管路排到船外。

之后的气体然后经过干式滤器去除气体内的水汽后，从洗涤塔出口排出。

3.3 甲板水封

甲板水封塔用于防止货油舱内气体逆流至锅炉烟道内，塔底层为从甲板水封泵供给的海水，隋气进入甲板水封塔的底部，以气泡的形式通过海水往上冒，在此过程中惰气会带走部分的液体，因此甲板水封泵会保持运行供给海水，惰气以气泡形式冒出液面后经过干式滤器除去气体内的水汽后，排出甲板水封塔。

由于货油舱的惰气压力要比大气压力大，海水进口侧有一高出进口侧两米半的管路，海水升上该高出进口侧两米半的管路而产生压力，从而补偿水封塔进、出口两侧的压力差。

4 惰气系统控制原理

惰气系统简图如图1所示。

图1 惰气系统简图

当需要利用惰气系统的风机吸入新鲜空气驱除货油舱的惰气时，需要的步骤以及各设备的控制程序如下。

（1）打开空气进口阀7。

（2）选择需要开启的风机。

（3）按“启动空气”按钮。

1）此时风机起动，并且密封空气电磁阀4、大气通风阀10自动打开，当风机经过降压起动进入正常工作状态后，鼓风机出口阀8/9会自动打开，打开的角度由系统所设的流量决定，由图2可以看出，风机流量随着轴功率的提高而增大，而轴功率是随着风机马达电流的增大而提高的。

2）通过检测风机马达电流，便可间接得知风机的流量，当风机处于额定负荷状态时，电流为135 A，当风机处于最小允许负荷状态时，电流为75 A，把135 A设为“100”，75 A设为“0”，当把流量设置从“100”变为“80”时，则风机出口阀8/9进行关闭动作，同时检测风机反馈的电流值，当电流值降为额定电流的（135-75） ×80%+75，即125 A时，风机出口阀8/9停止继续关闭的动作，即此时可认为风机已达到所要求的80%的排量[2]。

（4）鼓风机出口阀8/9达到所要求的开度后，并且甲板水封泵保持运行使甲板水封塔的水位位于正常水位时，可以按“输送到甲板”按钮。

1）此时惰气主阀11会自动打开、甲板通风电磁阀12会自动关闭，空气通过惰气主阀11进入甲板水封塔，经过甲板水封塔输到甲板面给需要新鲜空气的舱室进行供气，同时，一直打开的大气通风阀会进行闭动作，使空气的出口压力与所设置的压力相一致。

2）甲板水封泵出口有一个压力传感器，把甲板水封塔出口的惰气压力值传回给控制箱，该压力值与控制箱所设置的压力值比较，如果所设的压力值小于检测到的压力值，大气通风阀10将慢慢关闭，直到检测到的压力值大于所设置的压力值后，才会停止大气通风阀10的关闭动作。同样道理，如果所设的压力值小于检测到的压力值时，大气通风阀10会慢慢打开，直到检测到的压力值小于所设置的压力值后，才会停止大气通风阀10的打开动作。

图2 惰气鼓风机流量与轴功率关系图

（5）此时，系统进入了正常的空气供气模式，在按“停止”按钮使系统停止工作之前，风机出口阀8/9会根据用户的负荷要求以及风机阻力的变化不断地调整开度，大气通风阀10会根据用户的压力要求以及甲板空气压力的变化不断地调整开度。

当需要给货油舱充惰气时，需要的步骤以及各设备的控制程序如下。

（1）选择洗涤塔是由洗涤塔海水泵供水还是由其他惰气系统以外的泵供水。

（2）选择供烟气的锅炉。

（3）选择需要开启的风机。

（4）关闭空气进口阀7。

（5）按触“清洗烟道阀”按钮，“清洗烟道阀”按钮颜色发生变化，烟道清洗阀3将打开，蒸汽通过烟道清洗阀3对1号锅炉烟道阀1、2号锅炉烟道阀2、锅炉公共烟道阀6进行清洗。

（6）再次按“清洗烟道阀”按钮，“清洗烟道阀”按钮恢复原来颜色，烟道清洗阀3将关闭。

（7）按触“启动燃气”按钮，此时洗涤塔海水进口阀5打开、密封空气阀4打开、相应的锅炉烟道阀1/2打开、锅炉公共烟道阀6打开、相应的风机出口阀8/9打开，十秒后，如果在“步骤1”选择的是由洗涤塔海水泵向洗涤塔供水，洗涤塔海水泵将启动，再经过十七秒后，风机启动，此时密封空气阀3关闭，相应的风机出口阀8/9关闭，当风机经过降压起动进入正常工作状态后，鼓风机出口阀8/9会自动打开，打开的角度由系统所设的流量决定。

（8）鼓风机出口阀8/9打开角度稳定再经过五十秒后，如果此时系统通过氧含量探头确认此时气体氧含量在5%以下，并且甲板水封泵保持运行使甲板水封塔的水位位于正常水位时，系统可以允许用户选择“输送到甲板”按钮。

（9）按触“输送到甲板”按钮，此时惰气主阀11会自动打开、甲板通风电磁阀12会自动关闭，空气通过惰气主阀11进入甲板水封塔，经过甲板水封塔输到甲板面给货油舱进行充惰，同时，一直打开的大气通风阀10会进行闭关动作，使空气的出口压力与所设置的压力相一致。

（10）此时，系统进入了正常的惰气供气模式，在按“停止”按钮使系统停止工作之前，风机出口阀8/9会根据用户的负荷要求以及风机阻力的变化不断地调整开度，大气通风阀10会根据用户的压力要求以及甲板空气压力的变化不断地调整开度。

5 惰气系统的参数设置

5.1 流量设置

惰气的吸风、排风工作主要依靠鼓风机完成，风机共有两台，风机启动后可通过控制该风机出口阀的开度来调节该风机流量。

惰气的流量设置要注意以下几点。

（1）惰气排量要小于锅炉烟气的排量，因为如果风机的排量大于锅炉烟气的排量时，风机便有可能吸入空气，使含氧量增大。

（2）惰气排量要大于所开动的货油泵的排量。因为如果风机的排量少于压载泵的排量时，货有舱便有可能吸入空气，使含氧量增大。

（3）对于该船来说，船上有两台锅炉，每台锅炉额定负荷工作下会产生每小时45 000 m3的烟气，惰气系统有两台风机，每台风机的额定在工作状态下会产生每小时10 315 m3的风量，货油系统有三台货油泵，每台货油泵额定状态下会产生每小时5 500 m3的流量，因此，当有一台货油泵在运行时，可运行一台惰气风机并设定其为满负荷状态，同时保证有一台锅炉处于30%以上的负荷状态。当有两台或者三台货油泵在运转时，需要保证有两台惰气风机在运行并设定其为满负荷状态，同时要保证起码有一台锅炉处于50%以上的负荷状态。

5.2 压力设置

输送至各个货油舱惰气的压力控制主要通过调节大气通风阀的开度实现。

惰气的压力设置要注意以下几点。

（1）惰气压力要低于各货油舱的试压压力，否则货油舱舱壁及焊缝容易发生形变泄漏等危险情况，本船货油舱试压压力为2 500 mmWG。

（2）惰气压力要高于大气压力，否则货油舱有从空气中吸入氧气的危险。

（3）一般设置压力为500 mmWG，由于风量的变化存在滞后的惯性，从大气通风阀开始动作到压力开始相应发生改变，要经过差不多5秒，如在装载货油期间，可把设置压力值适当调大，避免压力降下来时风量来不及反应而产生真空吸入氧气；如在载油航行期间，可把设置压力适当调小，避免系统供给过大的风量使压力升高后，舱内压力与大气之间的压力差增大，使泄漏的惰气量增加，影响甲板上作业人员的健康。