大型油船貨艙惰氣及透氣系統(tǒng)布置優(yōu)化

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

大型原油船貨油艙惰性氣體進(jìn)艙位置與高速透氣閥的位置布置是船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)的難題，結(jié)合30萬t級(jí)VLCC的具體情況，通過對(duì)幾種不同的操作方法的分析比較，得到具有普遍適用型的優(yōu)化布置選擇。

30萬t級(jí)VLCC共配備5組貨油艙，每組有左中右3個(gè)貨艙，最多可載運(yùn)閃點(diǎn)低于60 ℃的3種原油油品[1]。船上配備3臺(tái)蒸汽透平驅(qū)動(dòng)貨油泵，1臺(tái)煙氣式惰氣發(fā)生器IGS，1臺(tái)惰性氣體發(fā)生器IGG，貨油艙透氣和惰性氣體總管共用1路總管，總管上為每個(gè)貨油艙開出1路支管進(jìn)艙，惰性氣體及透氣總管另外與浸沒的貨油總管連通，原理示意于圖1。

目前管系生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員放樣的情況見圖2，貨油吸口位于艙室左后側(cè)底部，惰氣支管進(jìn)艙口位于艙室左前側(cè)頂部，壓力/真空閥位于艙室右前側(cè)頂部。

1 相關(guān)說明

油船的航行工況以尾傾為主，故貨油吸口位于貨艙尾部盡可能低的位置[2]。船舶正常航行過程中，涉及到惰性氣體的操作，主要有4種[3-5]：惰化INERTING、驅(qū)氣PURGING、除氣GAS-FREEING、補(bǔ)氣TOPPING-UP。

當(dāng)充滿空氣的干凈貨艙需要裝載貨油時(shí)，使用合格(含氧量的體積分?jǐn)?shù)不超過5%)的惰性氣體注入空艙，將空艙內(nèi)的氧含量的體積分?jǐn)?shù)降低至小于8%，使之不支持燃燒，這個(gè)過程稱之為惰化。

當(dāng)貨油卸載和洗艙后，員工要進(jìn)入貨艙進(jìn)行維修作業(yè)，由于貨艙內(nèi)在洗艙后仍然存在大量碳?xì)淇扇細(xì)怏w，為保證員工生命安全，必須將新鮮空氣打入貨艙。為了防止在緊接著的除氣操作中空氣入艙后達(dá)到可燃范圍，所以先用合格的惰性氣體注入貨艙，驅(qū)除碳?xì)淇扇細(xì)怏w，將貨艙內(nèi)的碳?xì)錃怏w含量的體積分?jǐn)?shù)降低至2%，之后再用新鮮空氣注入貨艙，驅(qū)除惰性氣體，使貨艙內(nèi)氧含量的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到21% ，可燃?xì)怏w檢測儀顯示可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)低于1%LFL。用惰氣驅(qū)除碳?xì)錃怏w的過程稱為驅(qū)氣，用新鮮空氣驅(qū)除惰氣的過程稱為除氣。

船舶在運(yùn)行過程中出現(xiàn)溫度急劇下降，特別是在赤道附近。如果遇到雷雨，會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)從雨前的高溫變?yōu)橛旰蟮妮^低溫度，貨艙內(nèi)的溫度降低后，油氣體積收縮形成真空度，當(dāng)透氣總管內(nèi)的壓力降低至近2 kPa時(shí)，需要對(duì)貨艙進(jìn)行補(bǔ)氣作業(yè)。

補(bǔ)氣這種工況出現(xiàn)的概率很低，此時(shí)主要考慮惰化、驅(qū)氣、除氣這3種工況，主要采用稀釋法或置換法。

稀釋法是一個(gè)混合進(jìn)程，進(jìn)口氣體流速較高，從而克服氣體阻障到達(dá)艙底，通常稀釋法只是單艙進(jìn)行。

置換法是一個(gè)分層進(jìn)程，利用置換氣體輕而被置換氣體重的特性，要求進(jìn)口氣體流速很低，通常多艙同時(shí)操作，進(jìn)口管直接導(dǎo)入艙口蓋以降低流速，減少界面的紊流。

圖1 惰氣及透氣管路組成及工作原理示意

圖2 惰氣及透氣管路布置選擇2

2 管路布置方式

根據(jù)這2種方法，結(jié)合管路布置，有以下幾種布置方式[6]，見表1。

表1 惰氣及透氣管路布置選型表

布置1。氣體進(jìn)出口都位于艙室頂部，是一種最簡單的布置，氣體通過稀釋法進(jìn)行更換，氣體進(jìn)入艙室和原始?xì)怏w混合，通過透氣立管或透氣總管排出，見圖3。

圖3 布置1的氣體流場示意

布置2。氣體從艙室底部進(jìn)入，從艙室頂部透出。氣體通過稀釋法進(jìn)行更換。氣體通過惰氣總管和貨油總管的一根連通管進(jìn)入艙室，從透氣立管、高速透氣閥上的除氣口透出，如果艙室有隔離閥隔離惰氣總管的話，也可以通過惰氣總管到透氣桅透氣，見圖4。

圖4 布置2的氣體流場示意

布置3。氣體從艙室頂部進(jìn)入，從艙室底部透出。氣體通過稀釋法或置換法進(jìn)行更換。氣體進(jìn)口通常水平導(dǎo)入艙口蓋，出口通常設(shè)置為延伸至艙底1 m以內(nèi)并終止于開敞甲板2 m以上的地方，以減少甲板面的油氣聚集。置換法(多艙)和稀釋法(單艙)氣體流場分別見圖5、6。

圖5 布置3的置換法氣體流場示意

圖6 布置3的稀釋法氣體流場示意

圖1中，艙室進(jìn)氣可能有2種，既可以從惰氣支管閥V-1進(jìn)氣，也可以通過閥門V-4、管路P-1和貨油吸口閥V-2進(jìn)氣；艙室透氣可能有3種，既可以通過惰氣支管閥V-1，至透氣桅透氣，也可以通過貨油吸口閥V-2，流經(jīng)管路P-1、閥門V-3，從主甲板面貨油總管上的除氣口透氣，另外還可以通過壓力/真空閥的除氣口透氣。此處將與艙室直接連接的接口按圖1進(jìn)行定義：惰氣支管進(jìn)艙為編號(hào)①，貨油吸口為編號(hào)②，壓力/真空閥為編號(hào)③。

3 方案選擇

由于進(jìn)氣透氣操作無法共用，根據(jù)上面的編號(hào)共有4種組合方案。

1)①進(jìn)②出。這種方案適合布置3，由于進(jìn)氣未通過艙口蓋，紊流無法有效消除，故建議單艙采用稀釋法，多艙情況下可采用置換法。置換法操作過程中應(yīng)注意置換氣體輕，被置換氣體重，二者密度差異比較大。這種方案在空艙惰化、驅(qū)氣、除氣操作中都能夠形成穩(wěn)定的流場。然而，由于此船可以載運(yùn)3種貨品，在港口卸載部分貨物后，其他艙內(nèi)仍然有油，如個(gè)別艙需要單獨(dú)進(jìn)行驅(qū)氣操作，在原油洗艙和海水洗艙后，必須將貨油管內(nèi)的液體先通過掃艙泵抽空以后才能進(jìn)行，前期準(zhǔn)備工作較多，操作復(fù)雜，耗時(shí)長，能耗大。當(dāng)所有艙室都需要進(jìn)行操作時(shí)，采用置換法，總耗時(shí)短，總能耗小。當(dāng)然，目前許多油船上并沒有在貨油總管上配備除氣口，那么這種方案也無法實(shí)施了。

2)①進(jìn)③出。這種方案適合布置1，其在空艙惰化、驅(qū)氣、除氣操作中為保證進(jìn)口流速，通常單艙進(jìn)行，能夠形成穩(wěn)定的流場。在個(gè)別艙單獨(dú)進(jìn)行惰化、驅(qū)氣、除氣操作時(shí)，可以在原油洗艙和海水洗艙后就可以和掃艙泵抽空貨油管內(nèi)液體同時(shí)操作，前期準(zhǔn)備工作少，操作簡單安全，耗時(shí)短。但當(dāng)所有艙室都需要進(jìn)行操作時(shí)，總耗時(shí)長，總能耗大。

3)②進(jìn)①出。這種方案看似適合布置2，但由于本船惰氣和透氣共用一根總管，且管路上沒有將進(jìn)口和出口隔離的閥門，這種方案進(jìn)氣和出氣是連通的，無法形成更換氣體的穩(wěn)定流場，所以此方案無法操作。

4)②進(jìn)③出。這種方案適合布置2，其在空艙惰化、驅(qū)氣、除氣操作中能夠形成穩(wěn)定的流場，在個(gè)別艙單獨(dú)進(jìn)行惰化、驅(qū)氣、除氣操作時(shí)，同樣在原油洗艙和海水洗艙后，必須將貨油管內(nèi)的液體先通過掃艙泵抽空以后才能進(jìn)行，前期準(zhǔn)備工作較多，操作復(fù)雜，耗時(shí)長。而且當(dāng)所有艙室都需要進(jìn)行操作時(shí)，總耗時(shí)長，總能耗也大。

綜上所述，有3種方案可行，但①進(jìn)②出這種方案并不普遍存在于多數(shù)船型，所以最通常的做法是①進(jìn)③出和②進(jìn)③出這2種方案。通常情況下船東會(huì)選擇①進(jìn)③出的方案；特殊情況下，船東也會(huì)考慮②進(jìn)③出。比較后認(rèn)為①進(jìn)③出更加安全、簡單。

基于以上分析，考慮到設(shè)計(jì)冗余性，通常設(shè)計(jì)的布局應(yīng)盡可能滿足2種方案的實(shí)施。所以管系生產(chǎn)設(shè)計(jì)有3種選擇。

1)兼顧①進(jìn)②出和①進(jìn)③出。貨油吸口②布置在貨艙尾部，惰氣支管①布置在貨艙首部盡可能與貨油吸口對(duì)角的位置，壓力/真空閥③布置在貨艙尾部，見圖7。

圖7 惰氣及透氣管路布置選擇1

2)兼顧①進(jìn)②出和②進(jìn)③出。貨油吸口②布置在貨艙尾部，惰氣支管①布置在貨艙首部，壓力/真空閥③布置在貨艙首部，見圖2。

3)兼顧①進(jìn)③出和②進(jìn)③出。貨油吸口②布置在貨艙尾部，惰氣支管①布置在貨艙尾部，壓力/真空閥③布置在貨艙首部，見圖8。

圖8 惰氣及透氣管路布置選擇3

當(dāng)然3種選擇都應(yīng)該遵循惰氣支管和壓力/真空閥位置應(yīng)在艙室盡可能高的位置，應(yīng)避免船舶大幅度搖晃造成貨油晃蕩溢出或噴濺[7]，都應(yīng)該綜合考慮主甲板面的布局。

如果生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)過程中如果沒有注意這些事項(xiàng)，如①進(jìn)③出方案中2個(gè)接口位置都在艙室首部，這種情況也可以進(jìn)行惰化、驅(qū)氣、除氣操作，但時(shí)間將會(huì)加長，能耗將增加。

4 結(jié)論

大型原油船貨油艙惰性氣體進(jìn)艙位置與高速透氣閥的位置布置有三種布置方式可供選擇，惰氣管和高速透氣閥可以都布置在艙室首部，也可以一前一后布置，應(yīng)同時(shí)避免太靠近艙壁導(dǎo)致晃蕩造成的溢出和噴濺，具體應(yīng)根據(jù)船型實(shí)際情況選擇。

通常人們認(rèn)為船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)難度不高，但通過上述分析過程，可以發(fā)現(xiàn)真正做好生產(chǎn)設(shè)計(jì)并不容易。為了滿足系統(tǒng)的基本功能，生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員必須了解系統(tǒng)的功能，并熟知操作過程。所以應(yīng)該配備針對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的綜合性指導(dǎo)手冊，但目前還缺乏這樣的指導(dǎo)性文件，希望今后有更多人可以深入研究船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)各方面內(nèi)容，更希望有關(guān)方面能夠?qū)⑦@些成果匯編成冊，供生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員參考學(xué)習(xí)，少走彎路。