船用惰气系统(烟气式)的总体设计

 新闻资讯     |      2020-06-18 11:16

船用惰气系统是大型油船、FPSO、化学品船等不可或缺的关键系统,其能置换货油舱及污油水舱的空气,实现货舱的缺氧环境,以达到防火防爆的目的。本文主要介绍了船用烟气式惰性气体系统的用途、主要原理及关键部件。介绍了洗涤单元、甲板水封、真空压力断路器三个装置的设计要求及结构设计,对于风机的选型设计进行了简单分析。

 
 
 

 

 
 
 
烟道
 
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烟道气惰性气体系统

烟道气惰性气体系统本身不需要额外消耗燃料,成本比较低。其依靠船上锅炉燃烧产生的废气,通过净化、干燥得到含氧量低于5%的混合气体,气量较大。但由于锅炉燃料为低质燃油,使烟气中含有较多的硫化物和烟尘颗粒等杂质,且得到的混合气体的含氧量受锅炉负荷的影响很大。因此,在锅炉燃烧能保证低于5%含氧量时,此系统才具有很高的经济性。

装置的主要用途:

a、降低货油舱内大气的含量,使舱内大气达到不能支持燃烧的程度,而使空舱惰性化。

b、使货油舱内的大气含氧量(以体积计)不超过5%,并保持正压状态,但需要排清货油舱的油气时除外。

c、除有必要排清货油舱的油气外,保证在正常作业中,空气不进入货油舱。

d、驱除空货油舱内的碳氢气,使其后的除气过程中货油舱内不致形成可燃气体。

 
 
 
原理
 
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系统原理

图1

烟气式惰气系统主要有三部分组成,即洗涤塔、甲板水封、和真空压力阀。

洗涤塔主要是洗涤锅炉烟气含有的杂质和硫化物,进而得到氮气、一氧化碳、二氧化碳的混合气体,保证氧气含量低于5%

洗涤塔中心管道的第一洗涤阶段会充分的去除煤烟颗粒,热的管道烟气也会充分的冷却。然后烟道气进入洗涤单元后会通过一块倾斜的挡板在压力损失很小的情况下改变方向,并且通过湿滤器均匀分散,从而避免形成气槽;第二阶段进一步去除了颗粒物并冷却气体。利用开放式喷雾塔的海水形成的大面积/大体积比率的喷淋,保证了高效的冷却和清洗效果以及过滤器充分的自清洁效果;冷却/清洗过程是第三阶段,安装于洗涤塔上部的网状除雾器能很充分的去除水滴。通过内部清洁结构的设计,固体物和水滴的积聚已经尽可能的降到最低。

甲板水封式惰气系统主要装置之一,油轮在海上航行时,由于风浪,船体不可避免地会出现纵倾横摇,如果没有可靠的止回装置,油舱里的混合气体(油气与惰性气体以及少量空气)会倒流到惰性气体的机械处所或其他安全处所,甲板水封装置的功用就在于阻止混合气体倒流。它设置在系统惰性气体输出总管路末端,安装在油船的甲板上。

真空压力阀的主要作用是当货舱内压力过高时,部分气体可以通过P/VB排出,压力过低时又可吸入部分空气;以避免舱体由于内外压力的变化而损坏。

 

 
 
 
要点
 
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设计要点

3.1 烟道气体隔离阀

锅炉烟道出口至洗涤器的惰性气体供应总管上,应装设隔离阀。该阀应没有显示开闭状态的指示装置,并与锅炉吹灰器之间设有连锁装置或其他有效装置,以防止当隔离阀打开时锅炉吹灰。此外,还应设有此阀的吹洗设施,使阀座上不沾染灰尘,保持气密。

3.2 洗涤塔

在本系统中需设置一台洗涤塔,有效地冷却烟气并去除烟气中的固体颗粒和硫的燃烧产物;

惰气进入洗涤塔后,由于洗涤塔内设置有海水喷孔,可确保惰气与海水在此强烈接触,惰气可以充分冷却,同时洗掉惰气内硫的氧化物,此时惰气已变成出口温度下的饱和气体;在离开洗涤塔前,首先经过捕雾器除去大量水滴。这时的惰气主要包括二氧化碳,氮气,一氧化碳等。

洗涤塔塔体中设置与外界烟气管相通的中心导管,塔体中、中心导管的上部外周设置聚丙烯除雾器,塔体中、中心导管的下部外周设置聚丙烯除湿器,中心导管的下端位于聚丙烯除湿器下方;在中心导管进入塔体部位,设置端部为锥形海水喷嘴的预洗装置。在洗涤塔内部增加预清洗管道,改变洗涤塔的材料,在其内壁增加涂层,保证洗涤塔使用寿命,保证其良好的工作性能。

洗涤器冷却水系统的布置,能连续向惰性气体系统供应充分的冷却水而不影响其他设备的工作。除主用泵外,还有替代的备用冷却水供水设备。

 

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3.3 止回装置

在惰性气体调节阀和通往被保护舱之间的惰性气体总管上,装设止回装置,其中之一应为甲板水封装置,以防止烃类气体回流至安全处所,该水封装置应设在危险区。

根据船级社规范(如:DNV),目前干式及半干式由于可靠性低,自2010年后已不准使用,我们选用只能选用湿式。这种结构某些船级社也认定为干式甲板水封,同时也是目前市场上大多数厂家所采用的。


3.3.1 湿式甲板水封

原理及结构形式比较简单,系统运行时,惰气从插入液面下的进气管以气泡的方式冒出,然后从出气口排出。不供气时,如果货舱内的压力增加,就会将起密封作用的海水压入进气管内,进而起到密封作用。

湿式甲板水封的缺点是惰气中的水珠含量过高,虽然不影响惰气的品质(氧含量),但会增加管路等的腐蚀,需要加装除雾器,用以减少水汽含量。如下图所示:

 

3.3.2 内部结构的确定及设计

在具体设计过程中,除了需要满足基本原理及设计要求外,还应考虑以下问题。

除水问题:

由于惰性气体经过密封水冒泡流向输出管,会夹带部分水,如果直接输入油舱,会影响油的品质,因而必须对其进行脱水处理,为此可在甲板水封的上部、惰性气体输出口设置除雾器。

密封水的防冻问题:

油轮运输船有时会遇到寒冷的气候,而水在零度时会结冰。水一旦结冰甲板水封便不能工作,必须避免这种情况。据此,在甲板水封的底部位置的液体里设置蒸汽暖管,高温的蒸汽从管中流过,向寒冷的密封水散发热量,从而避免密封水结冰。该设置只在气候寒冷的情况下使用。

防腐处理问题:

惰性气体是通过对由烟气处理而来的,其中仍然会存在少量的硫化物。它溶入密封水后,会使密封水呈弱酸性,从而对甲板水封的内壁以及其他的管道等零件内壁产生腐蚀,因而要考虑防腐问题。因此需在甲板水封的做防腐处理。

供排水问题

甲板水封装置能由两台独立的水泵供水,每台泵均应能随时保证足够的供水量,防止烃类气体的倒流并确保正常的密封作用。

排水管设在甲板水封的底部,进水管的位置稍高一些;需要在合适高度处安装溢流管,水面高于此处时,水从溢流管排出;另还需设置液位报警器,当液位超过此范围时,报警器发出报警信号。该报警器通过连接的主控板切断惰性气体的输入;在甲板水封上设置液位观察窗,安装透明的材质,以供随时观察水位情况。

甲板水封结构形式如下:

 

 

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3.4 真空压力阀

细化结构设计如下图,由左至右分别为正常状态、货舱正压状态、货舱负压状态。初始位置液面高度(825mm),即货舱内外压力相等。如果货舱内压力上升,则P/VB内外壁之间的水被压入中心管,形成内外液面差,直至达到一个压力平衡,若货舱内压力继续升高至压力上限(2100mmWg),则货舱内气体及水泡就会从中心管益处,以释放内部压力。如果货舱压力降低,则P/VB中心管处的水被压入内外壁之间,形成一个内外液面差,直至达到平衡,若货舱内压力继续降低至下限(-700mmWg),外部空气就可进入货舱。当压力平衡后,气流停止,内外液面差就可保持一个动态平衡,继续起到隔断/密封作用。


3.5 风机

依照SOLAS的规定,须有2台鼓风机,其总输送量须为最大卸货量的125%以上。且在每台惰性气体风机的进、排气口上,均设截止阀。在鼓风机的进口还应装有过滤器或等效措施,以尽量减少被带到鼓风机的水量。鼓风机的风量需结合惰气最大要求流量及功率、气体密度(工作区域内取最小值)等条件进行选型,确定鼓风机的性能参数。

备用鼓风机的容量一般为主鼓风机容量的50%,主鼓风机仅在卸油时使用,备用鼓风机在油舱清洗时及航行中补充惰性气体时用。

1)根据实际需要确定每台风机工作的最大流量,再根据系统管路布置计算相应的最大压力(全压)。并按设计规定,风机负荷应考虑一定的安全富裕量,流量取值为=1.05~1.1,比转数大取小值;压力取值为=1.1~1.15,比转数大取大值。

2)风机产品样本给出的风机性能都是在标准状态下的参数,而风机通常是在非标准状态下工作的。因此,必须按照相似定律和气体状态方程,将实际状态的设计流量和压力,换算为标准状态的流量和压力。

 

式中Q,P,N是风机在实际状态(即使用条件)下的流量(m3/s),全压(N/)和功率(KW);标准状态为101325N/㎡的大气压和20℃的气温。换算后的Q20,P20是风机的选择参数,也是风机选型的控制条件。

3.6 仪表和报警装置

a、在中央控制站或其他有人连续监控的地点,应设有监测惰性气体状况的下列仪器:

惰性气体风机排出端监测惰性气体温度和压力的指示器;

检测和记录惰性气体总管内气体压力的仪表,该压力传感器应设置在止回阀和被保护舱之间的总管上;

检测和记录惰性气体风机排出端惰性气体总管和内惰性气体含氧量的仪表。

b、在惰性气体发生器所处所设有下列装置:

所规定的压力仪表;

氧分析仪。

c、声光报警装置

 

 
 
 
最后
 
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结论

   防止油船和化学品船火灾及爆炸事故一直是国际海事组织(IM0)关注的问题,同时也是安全管理的重点之一。船用惰性气体系统作为保护海上石油生产、储存、运输等作业安全的重要装备,具有不可替代的作用。