浅析惰气系统在油轮的应用

2014-12-12张允明

中国科技纵横 2014年13期

关键词：油舱惰性气体含氧量

张允明

(营口港务集团有限公司,辽宁营口 115007)

浅析惰气系统在油轮的应用

张允明

(营口港务集团有限公司,辽宁营口 115007)

惰气系统是防止油气燃烧、爆炸,保证油轮安全的重要系统。本文结合实际,对油轮惰气系统进行了系统介绍。讲解了油轮惰气系统防火防爆的工作原理;船用惰气系统的组成,最后,根据船舶规范要求,提出了惰气系统的维护保养要求。

油轮安全惰气系统维护保养

1 惰气在油轮上的应用现状

随着世界经济的高速发展，石油已成为生产生活不可或缺的重要能源，而油轮船队随着石油需求不断扩大，事故发生率增加，不仅造成人命财产损失，其海洋污染对人类及生态的影响更为严重和深远！为此油轮的安全防控得到了高度的重视。而惰气系统正是通过向货油舱内充注惰性气体以使其中的氧气浓度低于爆炸极限，从而防止火灾及爆炸事故，有效保证了油船的安全。主要表现在有以下几个方面：空油舱惰化；在货油的卸载作业期间的正压保持；排压载水防止空气进入及正压保持；原油洗舱和清洗油舱的惰气供给；油舱驱气等其他需要进行隔舱和充惰情况。

2 惰气系统工作原理及操作要求

在油船上通常遇到的烃气，在含氧量低于11%体积比的大气环境中就不能燃烧。防止货油舱起火或爆炸的方法之一就是保持含氧量低于这一水平。为了减少油舱的空气含量并由此降低其氧气含量而使舱气达到不可燃状态，现代油轮基本都安装了惰气系统。惰气系统是保证油轮安全有效操作的重要设备。它把固定设备产生的的惰气经过处理合格后输送到各个油舱中以降低舱气的含氧量，从而达到安全操作目的。

防火防爆原理可由图2．1(烃/空气/惰气混合气图)得以说明，该图以烃气/空气的混合比表明烃气与氧气之间的关系。

图2．1中的橙色区域为可燃/可爆混合气体区域，在作业中应尽量避免货舱中的气体进入这一区域。可燃限度值因不同烃气纯度和不同石油液体所生成的混合气而变化，通常把原油油气的可燃下限和可燃上限(LFL和UFL)分别取为1%和10%的体积比。这两个数值在上图中以AB线上的C点和D点表示。图上任意点都代表在烃气含量和氧气含量的限定条件中烃气、空气和惰气的混合气体。

AB线表示无任何惰气的烃气与空气的混合气，AB线的倾斜代表氧气含量随着烃气含量的的增加而减少。在AB线左边的各点越是靠左边，表示惰气的比例越大、氧气含量的百分比越小。随着惰气不断加入到烃气与空气的混合气体中，可燃范围逐步缩小，直至达到表示LFL和UFL相汇合的E点。这一点相当于约为11%的含氧量。在这样的含氧量水平，没有任何烃气/空气的混合气体能发生燃烧。在实际应用中为了留出安全余地，以8%的含氧量定为任何环境条件下烃气/空气的混合气体不会燃烧的标准。因此，为了防止含有烃气/空气混合气体的油舱发生起火或爆炸，就需要产生和供给含氧量通常不超过5%的惰气用于置换油舱中存在着的空气，直至最后整个舱的含氧量不超过8%体积比。

经过修正的国际海上人命安全公约(SOLAS 1974)要求，任何需要的气流速率在惰气总管中输送含氧量不超过5%体积比的惰气；除了要油舱除气外，任何时候都能够保持货油舱处于正压状态并且含氧量不超过8%体积比。

图2.1 烃气、空气、惰气混合气体-可燃混合气体图示

当空气进入了惰化混合气体中，如图中F点所表示，随着空气的逐渐进入，惰化混合气体的成分沿着FA线而移动，于是就进入了可燃混合气体的阴影区，这意味着在GA线(稀释临界线)上方整个范围内的惰化混合气体在空气混合的过程中都要经过某一个可燃状态的阶段，例如，在进行除气的作业中，就存在这样的过程。在GA线下方，如H点所表示的惰化混合气体，当空气与它们混合时，都不会具备可燃性。这就表明通过引入额外的惰性气体，即以驱气的方法，可以把F点所代表的那种混合气处理成H点所代表的另一种混合气。

3 惰气系统的组成

3.1 惰气系统的分类

根据产生方式和使用方法的不同，惰性气体系统目前分为两类，一类氮气瓶系统，另一类是惰性气体发生系统。氮气瓶系统意即船上装有氮气瓶组，船舶靠岸冲装，量小成本高，一般是小型液货船使用。惰性气体发生系统，即惰性气体在船上是不断产生的，而非固定存储的。根据产生方式的不同，可以分为烟气式惰气产生系统、中空纤维膜氮气系统、变压吸附式氮气系统。

3.2 烟气式惰气系统

烟气式惰气是船用惰气的主要形式，其产生方式主要由以下三种：

(1)烟气式惰性气体系统；烟气式惰性气体系统就是利用船上主辅锅炉的烟气，经过洗涤塔对其冷却、除硫、除尘。检验合格的惰性气体，通过风机经甲板水封送至惰气总管分配到货油舱中。该系统目前是船上最常用的一种。(2)惰气发生器式惰性气体系统；这种惰性气体是由独立发生器惰气装置提供，它通过在该装置的燃烧室内燃烧一般的轻质柴油或重油，产生的烟气经过冷却和净化处理后输送到油舱。由于该装置中有一套特殊的燃烧装置及控制系统，使油燃烧充分，所以产生的惰气质量较高，该系统产生的惰性气体的含氧量在0．1%以下。这种惰性气体系统就是我们船上常用的TOPPING UP GENERATOR那种，也常叫做惰气发生器。一般在惰气用量较大时如卸货等，不用此系统。在惰气用量小如满载航行货油舱需要补气时，有时用此惰性气体系统工作。(3)组合式惰性气体系统；组合式惰性气体系统既可以作为烟气惰气装置使用，即冷却净化烟气使之变为合格的惰性气体，也可以作为独立发生器惰气装置使用，即在空气助燃下，燃烧油或燃气产生高质量的惰气，还可将柴油机或燃气轮机排出的废气再燃烧，产生合格的惰性气体。无论何种惰气来源，所产生的惰气在送往各货油舱之前，都必须经过用水冷却和洗涤，以清除其中的烟灰和含硫的酸性物质。

3.3 中空纤维膜氮气系统

该系统使用空气为原材料，经过空压机、冷干机、以及关键的中空纤维膜组，使氧气等快气先渗透掉，后渗透的氮气即为所需要的惰气，局限性是氮气产量小。

3.4 变压吸附式氮气系统

和中空纤维膜氮气系统类似，关键的是用变压吸附塔代替其中的中空纤维膜组，内填有碳分子筛，此法噪音比较大，但是可以通过附件纯化装置达到99．99%的氮气，局限性是氮气产量小。后两种氮气式惰气系统一般不用在在大型的油轮上，有些小型液货船用此系统。

3.5 烟气式惰气系统组成

油船烟气式惰气系统可分为惰气产生、气体隔离和惰气分配三部分，每一部分均由多个设备组成。惰气产生部分包括取气阀、洗涤塔、风机和压力调节阀；气体隔离部分包括甲板水封、止回阀和甲板隔离阀；惰气分配部分包括：甲板惰气主管、P/V切断器、分支管系和入舱阀。实船应用的惰气系统包含多种不同的类型，油轮上普遍采用的是锅炉烟气和惰气发生器组合式的惰气发生系统。锅炉烟气式惰气发生系统的设备众多，主要包括取气阀、洗涤塔、惰气风机、压力调节阀、甲板水封、甲板止回阀、甲板隔离阀、压力真空阀(P/V阀)、压力真空破坏器(P/V BREAKER)惰气桅、氧气分析仪等，每个设备、阀件均有自己独特的功能，是系统不可或缺的。

4 惰气系统维护保养要求

4.1 每月应安排的系统功能检查试验

检查试验应涵盖如下功能：所有警报和脱开效用，烟气隔离阀的功能效用，遥控及自动控制阀的操作效用，甲板水封及单向止回阀的功能试验，惰气风机的振动情况，水封前后的气体漏泄检查，吹灰的连锁功能，固定/手提式氧气分析仪的校验及操作。

4.2 货油舱气体置换

通常有三种安排方法来进行气体置换：惰气上部进入上部排出-依据稀释原理。惰气下部进入上部排出-依据稀释原理。惰气上部进入下部排出-依据置换和稀释原理。稀释和置换方法的主要不同点在于：稀释法的惰气进舱速度高，而置换法的惰气进舱速度低，经验表明置换法的惰气进舱速度如低至250mmwg，效果会很好，因多个舱可被同时进行气体置换。实际操作中，可采用稀释+置换的组合方法进行舱内除气，效果更佳。气体置换时有一点很重要，就是在喇叭口应是干的，即不能有水。水会阻碍IG的流通，克服的办法可通过让喇叭口有点倾斜。多舱一组同时充惰时，从上部进入的惰气应保持200-250mmwg的压力，气体的排出应从底部且最好逐次通过各舱后排至大气，应确保舱内含氧量低于8%，含氧量的测量应从不同高度处取样。无论采用何种方法，也不论是进行充惰还是驱气，至关重要的是含氧量或者烃气的测量必须在舱内几个不同高度和水平位置上进行以核实作业的效率。惰气和石油气的混合气体排出时，与空气混合时能够成为可燃气体。因此，从油舱排出石油气时，对所应采取的常规安全措施不得有所松懈和疏忽。