阿芙拉型油船航行中油氣回收系統(tǒng)研究

豆慶民，曲 波

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

通常，在運輸原油的油船中，原油蒸汽壓力超過油艙許用壓力，油氣揮發(fā)氣即通過安全閥放入大氣。油氣揮發(fā)氣中含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等碳氫化合物[1]。甲烷比空氣輕，會漂浮到大氣中，形成溫室效應(yīng)。其他氣體比空氣重，會與空氣中的NOX反應(yīng)形成煙霧。這些煙霧對動植物均會產(chǎn)生不同程度的危害，有些碳氫化合物，如苯、甲苯等還可能引起白血病[2]。

據(jù)測量和分析顯示，航行在熱帶海域的油船每星期排入大氣的油氣揮發(fā)氣約為貨油總量的0.085%，以113 300 DWT原油運輸船計算，從中國到澳大利亞需航行約14天，則整個航次排放到大氣中的揮發(fā)氣量約為200 t，這對環(huán)境是一個巨大的污染。對船東來說，也是一個不可忽略的經(jīng)濟損失。如何有效減少航行中油氣揮發(fā)氣量，從而最大限度減少環(huán)境污染，增加船東收益，已經(jīng)是一個不可不考慮的問題[3]。

大連中遠海運重工113 300 DWT原油運輸船是世界知名船東Chandris在國內(nèi)建造的首艘原油船，本項目配備了瓦錫蘭最新研發(fā)的航行中油氣回收系統(tǒng)，本文以此項目為背景，探討航行中貨油油氣回收系統(tǒng)的設(shè)計要義。

1 項目簡介

大連中遠海運重工113 300 DWT原油運輸船是一艘單機單槳、低速主機配備定距槳推進、運輸閉杯閃點不大于60℃油品的原油運輸船。該船按LR現(xiàn)行規(guī)范規(guī)則設(shè)計、建造，并受之檢驗，取得相應(yīng)船級符號[4]。

全船設(shè)6對貨油艙和1對污油艙，機艙和貨艙區(qū)域之前設(shè)有貨泵間，貨泵間底層設(shè)有3臺貨油泵，3臺貨油泵采用傳統(tǒng)的、由位于機艙內(nèi)的3臺蒸汽透平通過萬向聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動，整個貨油系統(tǒng)的設(shè)計能夠確保該船可以同時裝載或卸載3種不同的油品[5]。

該船的主尺度參數(shù)見表1。

表1 主尺度參數(shù)

2 回收系統(tǒng)設(shè)計概述

該船航行中貨油油氣回收系統(tǒng)有2個主要模式。

圖1 113 300 DWT原油運輸船總圖

1）真空掃艙模式。當卸貨末期，貨艙中的液位越來越低，為防止貨油泵吸入氣體造成損壞，在貨油泵前設(shè)置1個油氣分離器，利用水環(huán)式真空泵將油氣分離器中的氣體抽走，通過在油氣分離器頂部制造真空來保持罐中的液位高度，確保氣體不會被吸入貨油泵。

2）航行中油氣回收模式。航行過程中，為減少向大氣排放的貨油揮發(fā)氣量，將貨艙頂部產(chǎn)生的過量揮發(fā)氣通過真空泵回注至貨艙底部，使貨油揮發(fā)氣再次溶解到貨油中。

其流程圖如圖2所示。

3 回收系統(tǒng)主要設(shè)備

3.1 真空泵

本項目配備2臺電機驅(qū)動的水環(huán)式真空泵，均安裝在機艙和泵艙之間的氣密艙壁上，真空泵本體位于泵艙內(nèi)的危險區(qū)域，而驅(qū)動電機則布置在機艙內(nèi)的安全區(qū)域。真空泵性能參數(shù)見表2。

該真空泵有2種使用工況，分別是真空掃艙工況和航行中油氣回收工況。真空掃艙工況時，真空泵用于將油氣分離器頂部的氣體抽走，并排至污油艙中；通過在油氣分離器頂部制造真空來保持罐中的液位高度，從而提高貨油泵掃艙效率。航行中油氣回收工況時，真空泵用于將貨艙頂部產(chǎn)生的貨油揮發(fā)氣回注至貨艙底部，以便使揮發(fā)氣在上升過程中被貨油冷卻并重新液化，從而降低艙壓，有效減少排放至大氣的揮發(fā)氣量。

表2 真空泵主要性能參數(shù)表

3.2 油氣分離器

油氣分離器安裝在貨油泵吸入端，材質(zhì)為碳鋼，內(nèi)涂環(huán)氧漆，容積約1.8 m3，罐體上裝有浮球閥、液位傳感器和單向閥等，該罐用于將氣體從貨油中分離出來，確保氣體不會被吸入貨油泵。當罐內(nèi)液位過高時，頂部的浮球閥自動關(guān)閉，防止液體被吸入真空泵中，當罐內(nèi)液位降低時，浮球閥打開，利用真空泵將灌頂氣體抽走。

圖2 航行中貨油油氣回收系統(tǒng)流程圖

3.3 泄放柜

泄放柜（圖3）安裝在泵艙中，材質(zhì)為碳鋼，內(nèi)涂焦油環(huán)氧漆，容積約1.0 m3，柜體上裝有液位傳感器、蒸汽加熱管等。當真空泵輸送油氣的過程中，部分油氣會在輸送過程中再次凝結(jié)，匯入密封水中，使真空泵中的密封水液位逐漸升高，為保證真空泵正常工作，需將多余的密封水泄放到泄放柜中。真空泵與泄放柜之間安裝了一個浮球溢流閥，確保多余的密封水自動泄放到泄放柜中。泄放柜中安裝有液位傳感器，當液位高時會發(fā)出高位報警，船員聽到報警后，可用掃艙泵將柜中的泄放水泵送至污油艙中。

3.4 氣液混合器

圖3 泄放柜外形圖

圖4 氣液混合器結(jié)構(gòu)圖（面板詳圖）

氣液混合器（圖4）安裝在指定貨艙貨油吸入管吸入口的上部，材質(zhì)為碳鋼。氣液混合器由對稱的2部分組成，面板上均勻布置著許多小孔，當油氣回收時，真空泵將貨艙頂部產(chǎn)生的貨油揮發(fā)氣通過貨油吸入口回注至貨艙底部，貨油揮發(fā)氣穿過氣液混合器時，被氣液混合器上的小孔分解成細小的氣泡，從而增加揮發(fā)氣與貨油的接觸面積，提高揮發(fā)氣再液化的效率。

4 航行中油氣回收系統(tǒng)模式介紹

4.1 真空掃艙模式

卸貨過程中，當貨油艙內(nèi)液位越來越低時，貨油泵有可能吸入空氣，為保證貨油泵正常工作，通常在貨艙內(nèi)液位剩余2 m～4 m時，將系統(tǒng)切換至真空掃艙模式。此時，由于貨艙液位仍然較高，油氣分離器中充滿液貨，其上部的浮球閥保持關(guān)閉狀態(tài)。當系統(tǒng)切換至真空掃艙模式時，真空泵將處于備用狀態(tài)，V1、V2閥將自動開啟，V3、V4、V5、V6、V7自動關(guān)閉，此時真空泵會根據(jù)吸入管中的真空度（PT1）自動啟停，當真空度小于-0.03 MPa時自動啟動，當真空度大于-0.07 MPa時自動停止。

隨著貨艙中的液位逐漸降低，油氣分離器頂部開始積聚氣體，罐內(nèi)的液位逐漸降低，隨著液位降低，分離器上部的浮球閥首先開啟，當液位繼續(xù)降低至70%液位時，油氣分離器相對應(yīng)的真空閥V5、V6或V7自動開啟，分離器上部的氣體被抽走，并形成負壓，在負壓的作用下，油氣分離器中的液位逐漸升高，當液位繼續(xù)升高至95%液位時，油氣分離器相對應(yīng)的真空閥V5、V6或V7再次關(guān)閉。

隨著貨艙中的液位進一步降低，油氣分離器頂部開始積聚大量氣體，此時，控制系統(tǒng)會根據(jù)油氣分離器中液位高度調(diào)節(jié)貨油泵出口調(diào)節(jié)閥的開度，當罐內(nèi)液位降低時，減小調(diào)節(jié)閥開度，反之，則增大調(diào)節(jié)閥開度。通過調(diào)節(jié)出口調(diào)節(jié)閥的開度可以改善貨油泵的吸入條件，通過降低貨油泵的排量可以減少吸入油氣分離器的氣量，以便最大限度地使用貨油泵掃艙。

為保證整個系統(tǒng)隨時可用，本項目配備兩臺真空泵，一主一備，可通過集控臺上的選擇按鈕選擇其中任意1臺為主用。當主用真空泵故障時，備用真空泵會自動投入使用。同時，當油氣分離器內(nèi)的氣體過多時，1臺主用真空泵無法保證管內(nèi)要求的真空度，當真空度繼續(xù)減小至-0.02 MPa時，備用真空泵也會自動啟動，2臺泵同時工作，當真空度大于-0.07 MPa時同時停止。由于真空泵布置在危險區(qū)域，為防止軸承高溫造成危險，當真空泵軸承溫度超過60℃時，真空泵自動停止，并發(fā)出聲光報警。

真空掃艙模式流程如圖5所示。

圖5 真空掃艙模式流程圖

4.2 航行中油氣回收模式

航行過程中，為減少向大氣排放的貨油揮發(fā)氣量，降低環(huán)境污染，通常在航行初期即將系統(tǒng)切換至航行中油氣回收模式，當系統(tǒng)切換至油氣回收模式時，真空泵將處于備用狀態(tài)，V1、V2閥將自動關(guān)閉，V3、V4閥自動開啟。由于本項目可同時裝載3種不同的油品，為防止各種油氣混合，在油氣回收前，需確認預(yù)回收的油氣種類，并將油氣回注至同油品的貨艙中。在確認油品后，根據(jù)實際情況，手動開啟V5、V6或V7閥，及相應(yīng)貨艙掃艙管路上的吸入閥，然后通過集控臺上的選擇按鈕可選擇其中任意1臺真空泵處于自動運行狀態(tài)。

當貨艙內(nèi)的壓力超過0.017 MPa時，處于自動運行狀態(tài)的真空泵自動啟動，將貨艙內(nèi)的貨油揮發(fā)氣，通過油氣分離器和貨油吸入管路泵送至指定貨艙的底部，貨油揮發(fā)氣在上升過程中重新液化并溶解到貨油中；而揮發(fā)氣中混合的惰氣則重新回到貨油艙頂部。當貨艙內(nèi)的壓力逐漸降低至0.005 MPa時，處于自動運行狀態(tài)的真空泵自動停止。

同樣，考慮到真空泵布置在危險區(qū)域，為防止軸承高溫造成危險，當真空泵軸承溫度超過60℃時，真空泵自動停止，并發(fā)出聲光報警。流程見圖6。

圖6 LNG航行中油氣回收模式流程圖

5 結(jié)論

航行中油氣回收系統(tǒng)的使用，可以有效減少航行中油氣揮發(fā)氣量，不僅大大減少了環(huán)境污染，還在一定程度上，增加了船東營運收益。本文探討了航行中貨油油氣回收系統(tǒng)的設(shè)計要義，以期為未來阿芙拉型油船航行中貨油油氣回收系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。