惰氣防爆控制技術(shù)在大型原油輪上的應(yīng)用

鐘兆卓，唐煒峰

（廣州中船龍穴造船有限公司，廣東廣州 511462）

1 概述

原油船是指用于裝卸、運輸原油的船舶。在船舶剛開始用于原油運輸?shù)臅r候，連續(xù)發(fā)生了幾起大型船舶燃爆事件，給油船的航運安全敲響了警鐘。燃爆容易在原油船上發(fā)生是由于原油船很容易齊備燃爆所需要三樣因素：可燃物、氧氣、引起燃爆的能量。

在貨油艙里，原油不斷揮發(fā)，可燃氣體不可避免地充滿整個空間。

另一方面，要杜絕引起燃爆的能量也很難完全做到，在航行的過程中，會因各種可能而產(chǎn)生靜電，難以一一避免，而靜電很大可能產(chǎn)生實現(xiàn)燃爆的能量。

因此，唯一可以考慮的是想辦法減少氧氣的含量。

2 船舶惰性氣體概念、制造原理及功能

2.1 “惰氣”的概念

研究表明，當(dāng)氧含量下降到11%以下時，無論此時混合氣體中可燃氣體的含量是多少，燃爆都不會發(fā)生。因此可以認為含氧量在11%以下的混合氣體是“惰性氣體”了。

2.2 “惰氣”的制造

在所建造的某型32萬噸原油船中，鍋爐燃燒燃油后產(chǎn)生的氣體除了含有少量氧氣外，還含有氮氣、二氧化碳、二氧化硫、煙灰等物質(zhì)，該氣體經(jīng)過洗滌塔后，氣體會被冷卻且煙灰及二氧化硫等雜質(zhì)會被過濾掉，此時的混合氣體經(jīng)探頭檢測含氧量符合要求后，通過離心式鼓風(fēng)機后輸送到甲板水封塔，然后輸送到各貨油艙。

2.3 惰氣系統(tǒng)功能總結(jié)[1]

當(dāng)貨油艙卸油時，需要吸入氣體進行補充，如果補充空氣會有使貨油艙內(nèi)可燃氣體與空氣中氧氣混合達到燃爆狀態(tài)的危險，因此在貨油艙卸放液體時，需要充惰保持貨油艙的惰化。

當(dāng)進行貨油艙的清洗后，需要利用惰氣系統(tǒng)的風(fēng)機，吸入新鮮空氣驅(qū)除貨油艙的惰氣，使艙內(nèi)不會因存有惰氣而影響作業(yè)人員健康。

當(dāng)裝載著貨油進行航行時，需要需要繼續(xù)開啟惰氣對貨油艙補氣。

3 惰氣系統(tǒng)主要設(shè)備運行功能描述

3.1 氧含量的測定

測試氧含量的探頭為氧化鋯傳感器，傳感器內(nèi)側(cè)與惰氣接觸，外側(cè)與空氣接觸，當(dāng)內(nèi)外側(cè)分別接入電壓時，外側(cè)的氧氣由于外電壓作用獲得電子，成為氧離子進入氧化鋯內(nèi)，然后氧離子在內(nèi)側(cè)由于外電壓作用失去電子成為氧氣，由于內(nèi)側(cè)惰氣氧含量低、外側(cè)空氣氧含量高，氧氣的濃度差使氧氣外側(cè)響內(nèi)側(cè)進行擴散運動。

因此，惰氣的氧含量越小，氧氣濃度差就越大，就有越多的氧離子在內(nèi)外側(cè)之間流動，就會產(chǎn)生越強的電流信號，通過分析電流的強弱，即可得知惰氣中氧含量的多少。

3.2 鍋爐煙氣的處理

鍋爐煙氣由氮氣、二氧化碳、氧氣、二氧化硫、煙灰等構(gòu)成，其中二氧化硫會產(chǎn)生酸，它和煙灰等雜質(zhì)如果直接進入貨油艙會影響儲存在艙里的原油，因此需要通過洗滌塔進行處理。

鍋爐的煙氣進入洗滌塔后與從噴嘴噴出的由洗滌塔海水泵供給的海水混合后經(jīng)過丘文里管，在丘文里管的收縮段，由于收縮作用使氣液兩相間相對流速很大，液滴在高速氣流下霧化，氣體溫度達到飽和，塵粒被水濕潤。塵粒與液滴之間、塵粒之間發(fā)生激烈碰撞和凝聚。之后進入擴散段，在擴散段，速度下降、壓力回升，以塵粒為凝結(jié)核的凝聚作用加快，凝聚成直徑較大的含塵液滴，掉到洗滌塔底部通過管路排到船外。

余下的氣體被引導(dǎo)往上升，通過被從洗滌塔海水泵供給的水濕潤的濕式濾網(wǎng)，氣體被進一步降溫和清潔，氣體內(nèi)的硫化物被水霧帶走，水霧慢慢落到洗滌塔底部通過管路排到船外。

之后的氣體然后經(jīng)過干式濾器去除氣體內(nèi)的水汽后，從洗滌塔出口排出。

3.3 甲板水封

甲板水封塔用于防止貨油艙內(nèi)氣體逆流至鍋爐煙道內(nèi)，塔底層為從甲板水封泵供給的海水，隋氣進入甲板水封塔的底部，以氣泡的形式通過海水往上冒，在此過程中惰氣會帶走部分的液體，因此甲板水封泵會保持運行供給海水，惰氣以氣泡形式冒出液面后經(jīng)過干式濾器除去氣體內(nèi)的水汽后，排出甲板水封塔。

由于貨油艙的惰氣壓力要比大氣壓力大，海水進口側(cè)有一高出進口側(cè)兩米半的管路，海水升上該高出進口側(cè)兩米半的管路而產(chǎn)生壓力，從而補償水封塔進、出口兩側(cè)的壓力差。

4 惰氣系統(tǒng)控制原理

惰氣系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 惰氣系統(tǒng)簡圖

當(dāng)需要利用惰氣系統(tǒng)的風(fēng)機吸入新鮮空氣驅(qū)除貨油艙的惰氣時，需要的步驟以及各設(shè)備的控制程序如下。

（1）打開空氣進口閥7。

（2）選擇需要開啟的風(fēng)機。

（3）按“啟動空氣”按鈕。

1）此時風(fēng)機起動，并且密封空氣電磁閥4、大氣通風(fēng)閥10自動打開，當(dāng)風(fēng)機經(jīng)過降壓起動進入正常工作狀態(tài)后，鼓風(fēng)機出口閥8/9會自動打開，打開的角度由系統(tǒng)所設(shè)的流量決定，由圖2可以看出，風(fēng)機流量隨著軸功率的提高而增大，而軸功率是隨著風(fēng)機馬達電流的增大而提高的。

2）通過檢測風(fēng)機馬達電流，便可間接得知風(fēng)機的流量，當(dāng)風(fēng)機處于額定負荷狀態(tài)時，電流為135 A，當(dāng)風(fēng)機處于最小允許負荷狀態(tài)時，電流為75 A，把135 A設(shè)為“100”，75 A設(shè)為“0”，當(dāng)把流量設(shè)置從“100”變?yōu)椤?0”時，則風(fēng)機出口閥8/9進行關(guān)閉動作，同時檢測風(fēng)機反饋的電流值，當(dāng)電流值降為額定電流的（135-75） ×80%+75，即125 A時，風(fēng)機出口閥8/9停止繼續(xù)關(guān)閉的動作，即此時可認為風(fēng)機已達到所要求的80%的排量[2]。

（4）鼓風(fēng)機出口閥8/9達到所要求的開度后，并且甲板水封泵保持運行使甲板水封塔的水位位于正常水位時，可以按“輸送到甲板”按鈕。

1）此時惰氣主閥11會自動打開、甲板通風(fēng)電磁閥12會自動關(guān)閉，空氣通過惰氣主閥11進入甲板水封塔，經(jīng)過甲板水封塔輸?shù)郊装迕娼o需要新鮮空氣的艙室進行供氣，同時，一直打開的大氣通風(fēng)閥會進行閉動作，使空氣的出口壓力與所設(shè)置的壓力相一致。

2）甲板水封泵出口有一個壓力傳感器，把甲板水封塔出口的惰氣壓力值傳回給控制箱，該壓力值與控制箱所設(shè)置的壓力值比較，如果所設(shè)的壓力值小于檢測到的壓力值，大氣通風(fēng)閥10將慢慢關(guān)閉，直到檢測到的壓力值大于所設(shè)置的壓力值后，才會停止大氣通風(fēng)閥10的關(guān)閉動作。同樣道理，如果所設(shè)的壓力值小于檢測到的壓力值時，大氣通風(fēng)閥10會慢慢打開，直到檢測到的壓力值小于所設(shè)置的壓力值后，才會停止大氣通風(fēng)閥10的打開動作。

圖2 惰氣鼓風(fēng)機流量與軸功率關(guān)系圖

（5）此時，系統(tǒng)進入了正常的空氣供氣模式，在按“停止”按鈕使系統(tǒng)停止工作之前，風(fēng)機出口閥8/9會根據(jù)用戶的負荷要求以及風(fēng)機阻力的變化不斷地調(diào)整開度，大氣通風(fēng)閥10會根據(jù)用戶的壓力要求以及甲板空氣壓力的變化不斷地調(diào)整開度。

當(dāng)需要給貨油艙充惰氣時，需要的步驟以及各設(shè)備的控制程序如下。

（1）選擇洗滌塔是由洗滌塔海水泵供水還是由其他惰氣系統(tǒng)以外的泵供水。

（2）選擇供煙氣的鍋爐。

（3）選擇需要開啟的風(fēng)機。

（4）關(guān)閉空氣進口閥7。

（5）按觸“清洗煙道閥”按鈕，“清洗煙道閥”按鈕顏色發(fā)生變化，煙道清洗閥3將打開，蒸汽通過煙道清洗閥3對1號鍋爐煙道閥1、2號鍋爐煙道閥2、鍋爐公共煙道閥6進行清洗。

（6）再次按“清洗煙道閥”按鈕，“清洗煙道閥”按鈕恢復(fù)原來顏色，煙道清洗閥3將關(guān)閉。

（7）按觸“啟動燃氣”按鈕，此時洗滌塔海水進口閥5打開、密封空氣閥4打開、相應(yīng)的鍋爐煙道閥1/2打開、鍋爐公共煙道閥6打開、相應(yīng)的風(fēng)機出口閥8/9打開，十秒后，如果在“步驟1”選擇的是由洗滌塔海水泵向洗滌塔供水，洗滌塔海水泵將啟動，再經(jīng)過十七秒后，風(fēng)機啟動，此時密封空氣閥3關(guān)閉，相應(yīng)的風(fēng)機出口閥8/9關(guān)閉，當(dāng)風(fēng)機經(jīng)過降壓起動進入正常工作狀態(tài)后，鼓風(fēng)機出口閥8/9會自動打開，打開的角度由系統(tǒng)所設(shè)的流量決定。

（8）鼓風(fēng)機出口閥8/9打開角度穩(wěn)定再經(jīng)過五十秒后，如果此時系統(tǒng)通過氧含量探頭確認此時氣體氧含量在5%以下，并且甲板水封泵保持運行使甲板水封塔的水位位于正常水位時，系統(tǒng)可以允許用戶選擇“輸送到甲板”按鈕。

（9）按觸“輸送到甲板”按鈕，此時惰氣主閥11會自動打開、甲板通風(fēng)電磁閥12會自動關(guān)閉，空氣通過惰氣主閥11進入甲板水封塔，經(jīng)過甲板水封塔輸?shù)郊装迕娼o貨油艙進行充惰，同時，一直打開的大氣通風(fēng)閥10會進行閉關(guān)動作，使空氣的出口壓力與所設(shè)置的壓力相一致。

（10）此時，系統(tǒng)進入了正常的惰氣供氣模式，在按“停止”按鈕使系統(tǒng)停止工作之前，風(fēng)機出口閥8/9會根據(jù)用戶的負荷要求以及風(fēng)機阻力的變化不斷地調(diào)整開度，大氣通風(fēng)閥10會根據(jù)用戶的壓力要求以及甲板空氣壓力的變化不斷地調(diào)整開度。

5 惰氣系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

5.1 流量設(shè)置

惰氣的吸風(fēng)、排風(fēng)工作主要依靠鼓風(fēng)機完成，風(fēng)機共有兩臺，風(fēng)機啟動后可通過控制該風(fēng)機出口閥的開度來調(diào)節(jié)該風(fēng)機流量。

惰氣的流量設(shè)置要注意以下幾點。

（1）惰氣排量要小于鍋爐煙氣的排量，因為如果風(fēng)機的排量大于鍋爐煙氣的排量時，風(fēng)機便有可能吸入空氣，使含氧量增大。

（2）惰氣排量要大于所開動的貨油泵的排量。因為如果風(fēng)機的排量少于壓載泵的排量時，貨有艙便有可能吸入空氣，使含氧量增大。

（3）對于該船來說，船上有兩臺鍋爐，每臺鍋爐額定負荷工作下會產(chǎn)生每小時45 000 m3的煙氣，惰氣系統(tǒng)有兩臺風(fēng)機，每臺風(fēng)機的額定在工作狀態(tài)下會產(chǎn)生每小時10 315 m3的風(fēng)量，貨油系統(tǒng)有三臺貨油泵，每臺貨油泵額定狀態(tài)下會產(chǎn)生每小時5 500 m3的流量，因此，當(dāng)有一臺貨油泵在運行時，可運行一臺惰氣風(fēng)機并設(shè)定其為滿負荷狀態(tài)，同時保證有一臺鍋爐處于30%以上的負荷狀態(tài)。當(dāng)有兩臺或者三臺貨油泵在運轉(zhuǎn)時，需要保證有兩臺惰氣風(fēng)機在運行并設(shè)定其為滿負荷狀態(tài)，同時要保證起碼有一臺鍋爐處于50%以上的負荷狀態(tài)。

5.2 壓力設(shè)置

輸送至各個貨油艙惰氣的壓力控制主要通過調(diào)節(jié)大氣通風(fēng)閥的開度實現(xiàn)。

惰氣的壓力設(shè)置要注意以下幾點。

（1）惰氣壓力要低于各貨油艙的試壓壓力，否則貨油艙艙壁及焊縫容易發(fā)生形變泄漏等危險情況，本船貨油艙試壓壓力為2 500 mmWG。

（2）惰氣壓力要高于大氣壓力，否則貨油艙有從空氣中吸入氧氣的危險。

（3）一般設(shè)置壓力為500 mmWG，由于風(fēng)量的變化存在滯后的慣性，從大氣通風(fēng)閥開始動作到壓力開始相應(yīng)發(fā)生改變，要經(jīng)過差不多5秒，如在裝載貨油期間，可把設(shè)置壓力值適當(dāng)調(diào)大，避免壓力降下來時風(fēng)量來不及反應(yīng)而產(chǎn)生真空吸入氧氣；如在載油航行期間，可把設(shè)置壓力適當(dāng)調(diào)小，避免系統(tǒng)供給過大的風(fēng)量使壓力升高后，艙內(nèi)壓力與大氣之間的壓力差增大，使泄漏的惰氣量增加，影響甲板上作業(yè)人員的健康。

6 結(jié)語

通過本文對惰氣保護系統(tǒng)的介紹，希望讀者能了解原油船貨油艙的防火防爆原理，同時，希望對從事液貨船設(shè)計、調(diào)試、航行工作的人員有所裨益。

［1］李玉平.油船貨物操作［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2012.

［2］張春來.船舶電氣與自動化［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2012.