LPG運(yùn)輸船惰性氣體置換方法應(yīng)用分析

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(武漢金鼎船舶工程設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430062)

液化石油氣(LPG)因其良好的經(jīng)濟(jì)性、低污染、易儲(chǔ)運(yùn)等諸多優(yōu)點(diǎn)在世界各國(guó)得到了越來(lái)越多的使用。惰化氣體置換在LPG運(yùn)輸船的營(yíng)運(yùn)過(guò)程中是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié),一艘3 700 m3的LPG船每次用于惰化氣體置換的費(fèi)用大約10萬(wàn)元人民幣，這是一筆不小的開(kāi)支。如何降低置換開(kāi)支值得研究[1-4]。

1 常用的惰性氣體置換方法

1.1 相對(duì)濃度差法(推移法)

利用氣體的相對(duì)濃度不同來(lái)置換罐內(nèi)氣體。如置換氣體的比重大于被置換氣體的相對(duì)濃度，則從罐體底部注入置換氣體，而使罐內(nèi)氣體從罐體頂部溢出；反之，則從罐體頂部注入置換氣體，從底部排出被置換氣體。這種方法在氣體有顯著的濃度差時(shí)最為有效，置換時(shí)所用的氣體量亦是最節(jié)省的，缺點(diǎn)是受限制較多。

1.2 加壓稀釋法(混合法)

將置換氣體用較大容量的壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)注入至液化氣罐內(nèi)，與罐內(nèi)的被置換氣體相混合，以此降低被置換氣體的體積濃度。其優(yōu)點(diǎn)是可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成置換作業(yè)，缺點(diǎn)是要耗費(fèi)大量的氮?dú)?，而且注入過(guò)程能耗大。此方法多用于比重差較小的氣體間的相互置換，有時(shí)出于安全性考慮，即使比重差較大，也不得不采用此方法。

1.3 恒壓稀釋法

將置換氣注入至液化氣罐內(nèi)的同時(shí)，打開(kāi)排出閥，由于分子擴(kuò)散的速度極快，可忽略其混合過(guò)程，理想化地認(rèn)為是瞬間混合均勻，這種方法在比重差相差不大的氣體間相互置換時(shí)較為節(jié)省置換氣體。操作過(guò)程中要注意的是控制好注入惰性氣體時(shí)的射流位置、角度和速度。相比于加壓混合稀釋法，此方法更為節(jié)省氮?dú)狻?/p>

1.4 真空稀釋法(抽空法)

用壓縮機(jī)將液化氣罐內(nèi)的氣體吸出，使罐內(nèi)剩余氣體減少，罐體內(nèi)達(dá)到一定真空度后注入置換氣體，從而達(dá)到稀釋被置換氣體濃度的目的，此法多用于全壓式或半壓式的液化氣罐，抽真空與充氮?dú)庀嘟Y(jié)合，抽吸與注入反復(fù)進(jìn)行，直至達(dá)到所要求的濃度為止。

2 所用惰性氣體量的計(jì)算

LPG液貨艙內(nèi)氧氣含量的“惰化”最低要求，對(duì)丙烷來(lái)說(shuō)為12%，丁烷為12.4%。根據(jù)這個(gè)要求，可以用波意爾氣體定律計(jì)算出降低氧氣濃度所需的氮?dú)饬?，考慮到額外的備用量及管路中的耗用，氮?dú)獾目倐溆昧恳话銥橛?jì)算所得氮?dú)饬康?.2倍。

如液化氣罐容積為1 000 m3，要求惰化后使氣體中的含氧量為12%，所需氮?dú)饬康挠?jì)算如下。

2.1 加壓混合法

(1)

式中：V氮?dú)狻獦?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需氮?dú)怏w積；

V液罐——液化氣罐體積，V液罐=1 000 m3;

α，β——置換前后液罐內(nèi)的氧氣濃度，

α=21%，β=12%。

計(jì)算得V氮?dú)?750 m3。

氮?dú)馄總€(gè)數(shù)(按每瓶裝6 m3計(jì))為

n=750÷6=125 個(gè)。

充入氮?dú)夂髿夤迌?nèi)壓力為175 kPa。

2.2 恒壓稀釋法

忽略其混合過(guò)程，理想地認(rèn)為是瞬間混合均勻，并用微分的觀點(diǎn)，把注入過(guò)程等分成無(wú)限多次，無(wú)窮小量的稀釋過(guò)程。

記氧氣初始濃度為a,液化氣罐體積為V,注入氮?dú)怏w積為X，瞬時(shí)注入氮?dú)饬繛棣，氧濃度瞬時(shí)變化量為Δa，則瞬時(shí)氧濃度變化量為

Δa=a-aV/(V+ΔX)

(2)

計(jì)算得V氮?dú)?-671.5 m3(負(fù)號(hào)表示耗用)。

氮?dú)馄總€(gè)數(shù)(按每瓶裝6 m3計(jì))為

n=671.5÷6=112 個(gè)

2.3 相對(duì)密度差法

所需氮?dú)怏w積為

V=(21%-12%)×1 000÷21%=428.6 m3

氮?dú)馄總€(gè)數(shù)(按每瓶裝6 m3計(jì))為

n=428.6÷6=72 個(gè)

提取公式：

V氮?dú)?1.2×V液罐×(α-β)×α

(3)

通過(guò)計(jì)算，可見(jiàn)，采取上述單一方法進(jìn)行惰性氣體置換時(shí)氮?dú)獾暮牧坑缮僦炼嘁来螢?相對(duì)密度差法、真空稀釋法、恒壓稀釋法、加壓混合稀釋法。在保證安全的前提下,根據(jù)置換氣體的種類、船舶的設(shè)備、作業(yè)地點(diǎn)等條件,應(yīng)盡可能地采取其中的幾種方法相結(jié)合進(jìn)行置換，這樣可以進(jìn)一步減少成本、提高效益。

3 新船出廠后幾種置換方法相結(jié)合的經(jīng)濟(jì)性分析

以武漢金鼎船舶工程設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)的3 700 m3液化氣遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船為例，將幾種置換方法相結(jié)合來(lái)分析LPG液貨罐惰化作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

該船設(shè)有2個(gè)容積為1 850 m3的液貨罐；深井泵2臺(tái)，每罐設(shè)1臺(tái)，排量為220 m3/h，電動(dòng)機(jī)功率為125 kW；LPG氣體壓縮機(jī)2臺(tái)， 排量為8 m3/min，電動(dòng)機(jī)功率為110 kW。船上發(fā)電機(jī)發(fā)電1 kW·h的費(fèi)用按1.0元計(jì)算，氮?dú)獾膬r(jià)格按5元/m3計(jì)算。

3.1 單一的氮?dú)庵脫Q方法(恒壓稀釋法)

在條件不允許的情況下，不得不選擇經(jīng)濟(jì)性差的置換方法。如果選擇單一的充氮置換時(shí)，可以選擇更為經(jīng)濟(jì)的恒壓稀釋法。

將各數(shù)據(jù)代入式(2)，所需氮?dú)饬繛? 484 m3。

氮?dú)赓M(fèi)用為2 484×5=12 420元。

3.2 抽真空與充氮?dú)庀嘟Y(jié)合

抽真空與充氮?dú)庀嘟Y(jié)合方法受限制小，效果好，較為常用。

抽真空至罐內(nèi)壓力為0.05 MPa，即抽出氣體1 850 m3，然后注入氮?dú)庵凉迌?nèi)，壓力為0.1 MPa，即可滿足本次置換的要求。

耗用電能為

1 850 m3÷480 m3/h×110 kW≈424 kW·h。

費(fèi)用為

424 kW.h×1.0元/(kW·h)≈424元。

向罐內(nèi)注入氮?dú)?至罐內(nèi)壓力為0.1 MPa,此次需要向罐內(nèi)注入1 850 m3氮?dú)?，此時(shí)罐內(nèi)氧氣濃度為10.5%<12%，滿足要求。

此次花費(fèi)為424+1 850×5≈9 674 元。

由于其它的置換方法相結(jié)合均受較多的限制，在實(shí)際的LPG 液貨罐惰化作業(yè)中也很少有應(yīng)用，故不一一分析。

3.3 抽真空、充氮?dú)馀c壓水相結(jié)合

由于淡水的價(jià)格不到氮?dú)鈨r(jià)格的1/2，并且也容易得到，如果將氮?dú)獾囊徊糠謸Q成淡水，同樣可以達(dá)到最終惰化的要求。下面計(jì)算此種方法的經(jīng)濟(jì)性。

首先向兩個(gè)液貨罐均注入1/2容積的淡水；后采用抽真空/充氮相結(jié)合的方法，其中注水1 850 m3，壓縮機(jī)排出氣體925 m3，注入氮?dú)?25 m3。

淡水價(jià)格參照市場(chǎng)價(jià)2元/ m3。

置換惰化費(fèi)用約為9 588元。

可見(jiàn)，在初次裝貨前的置換中，采用壓水、抽真空、充氮相結(jié)合后，費(fèi)用基本沒(méi)減少，反而增加了工作量。因?yàn)橐蟮南♂尦潭炔淮?，所以采用抽真空與注入稀釋的方法更為方便合適。

4 進(jìn)塢維修前幾種置換方法相結(jié)合的經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 恒壓稀釋法

計(jì)算同前，所需氮?dú)饬繛?/p>

V氮?dú)?1.2×V液罐×(lnα-lnβ)

式中：V液罐=3 700 m3；α=100%(液貨罐內(nèi)石油氣濃度)；β=6.2%(惰化后要求的石油氣濃度)。計(jì)算得V≈12 346 m3。

氮?dú)赓M(fèi)用為12 346×5=61 730元。

可以看出在進(jìn)廠維修前的置換中，采用單一的恒壓稀釋法需要大量的氮?dú)?，費(fèi)用是很高的。

4.2 抽真空與充氮?dú)庀嘟Y(jié)合

抽真空至罐內(nèi)壓力為0.05 MPa，即每個(gè)液罐抽出氣體925 m3，然后注入氮?dú)庵凉迌?nèi)壓力為0.1 MPa，即可滿足本次置換的要求。

耗用電能約為424 kW·h，費(fèi)用為424元。

向罐內(nèi)注入氮?dú)?至罐內(nèi)壓力為0.1 MPa,此次需要向兩個(gè)罐內(nèi)注入1 850 m3氮?dú)猓藭r(shí)罐內(nèi)石油氣濃度為50%；

重復(fù)上面這一過(guò)程，直到罐內(nèi)石油氣濃度<6.2%，滿足要求為止。

重復(fù)次數(shù)為0.5n<6.2%，解得n>4.009，取n=4，在置換時(shí)多注入一點(diǎn)氮?dú)饩涂蓾M足要求。

總費(fèi)用約為(424+1 850×5)×4=38 696 元。

可見(jiàn)采用抽真空與充氮?dú)庀嘟Y(jié)合的方法后可以節(jié)約成本近1/2。

4.3 抽真空、充氮?dú)馀c壓水相結(jié)合

首先向兩個(gè)液貨罐均注入1/2容積的淡水；后采用抽真空/充氮相結(jié)合的方法，其中注入淡水量1 850 m3，壓縮機(jī)四次排出氣體量為3 700 m3，

注入氮?dú)? 700 m3。

置換惰化總費(fèi)用約為24 575元。

由上面計(jì)算可以看出，采用壓水、抽真空、充氮相結(jié)合后，費(fèi)用大大降低，這是一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)的組合方案。

值得注意的是壓水過(guò)程中要密切關(guān)注船舶浮態(tài)，注水時(shí)要最好兩罐同時(shí)注入，避免橫傾過(guò)大，并且根據(jù)船舶穩(wěn)性的計(jì)算，允許注入的淡水最大重量也是有限制的，需綜合考慮并核算清楚后方可實(shí)施。

5 結(jié)論

在新船出廠后的初次LPG 液貨罐惰化的作業(yè)中采用真空/充氮相結(jié)合會(huì)取得很好的經(jīng)濟(jì)效果；在LPG船進(jìn)塢維修前，條件允許的情況下，采用抽真空、充氮?dú)馀c壓水相結(jié)合進(jìn)行LPG 液貨罐惰化的作業(yè)是非常理想的。

[1] 張振新.LPG船置換技術(shù)工藝流程[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，1990，9(6)：57-61.

[2] 黃恒祥.船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[3] 蔡錦勝.壓水、抽真空和充氮在全壓式LPG船置換中的綜合應(yīng)用[J].廣東造船1994(4)：19-29.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2005.