李再承
(中國(guó)船級(jí)社南通辦事處,江蘇 南通 226006)
目前,船用惰性氣體系統(tǒng)中惰性氣體一般有兩種形式,一種是含氧量小于5%的煙氣,另一種是含氧量小于5%的氮?dú)?。?guó)際海事組織(IMO)通過(guò)的《國(guó)際海上人命安全公約》(簡(jiǎn)稱(chēng)“SOLAS公約”)以及《國(guó)際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》(簡(jiǎn)稱(chēng)“FSS規(guī)則”)對(duì)液貨船配備惰性氣體系統(tǒng)有明確的要求,但主要是針對(duì)煙氣式的。船用制氮系統(tǒng)作為煙氣式惰性氣體系統(tǒng)的等效系統(tǒng),同樣需要符合公約和規(guī)則中關(guān)于惰氣系統(tǒng)(IGS)的要求。由于制氮系統(tǒng)發(fā)生機(jī)制以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、布置的不同,不能完全套用SOLAS公約以及FSS規(guī)則。本文選擇目前液貨船常用的變壓吸附式制氮系統(tǒng)(PSA),對(duì)其工作原理和具體應(yīng)用做了簡(jiǎn)要介紹,并淺述了為滿(mǎn)足SOLAS公約、FSS規(guī)則以及中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范”)的要求,對(duì)于PSA系統(tǒng)應(yīng)關(guān)注哪些設(shè)計(jì)原則要求和檢驗(yàn)要點(diǎn)。
變壓吸附制氮系統(tǒng)是以空氣為原料,利用碳分子篩選擇性吸附的特性,運(yùn)用加壓吸附,減壓解吸的原理將氮和氧分離。
碳分子篩是一種以碳為主要原料,經(jīng)過(guò)研磨、氧化、成型、碳化并經(jīng)過(guò)特殊的孔型處理工藝加工而成的,表面和內(nèi)部布滿(mǎn)微孔的柱形顆粒狀吸附劑,呈黑色。碳分子篩對(duì)氧氣、氮?dú)獾姆蛛x作用是基于這兩種氣體的動(dòng)力學(xué)直徑的微小差別。氧氣分子的動(dòng)力學(xué)直徑較小,因而在碳分子篩的微孔中有較快的擴(kuò)散速率,氮?dú)夥肿拥膭?dòng)力學(xué)直徑較大,因而擴(kuò)散速率較慢。在短時(shí)間內(nèi),碳分子篩對(duì)氧的吸附速度大大超過(guò)氮的吸附速度,利用這一特性來(lái)完成氧氮分離。碳分子篩對(duì)氧的吸附容量隨壓力的降低而減少,減低壓力,即可解吸,完成碳分子篩的再生?!白儔何健敝从商挤肿雍Y在吸附過(guò)程和再生過(guò)程中的周期性壓力變化而得到的。
變壓吸附制氮裝置一般應(yīng)由壓縮空氣單元(空壓機(jī)、空氣緩沖罐等)、空氣凈化單元(冷干機(jī)或干燥器、過(guò)濾器等)、變壓吸附分離單元(裝有碳分子篩的吸附器等)、氮?dú)饩彌_罐、電控箱、檢測(cè)儀器儀表(氮?dú)?氧氣分析儀、流量計(jì)、壓力表等)以及配套的水泵、管路系統(tǒng)等組成。若需要高壓氮?dú)鈺r(shí),可在變壓吸附制氮裝置的氮?dú)獬隹谠鲈O(shè)氮?dú)庠鰤簷C(jī);若需要高純度的氮?dú)鈺r(shí),可在氮?dú)獬隹谠鲈O(shè)氮?dú)饧兓b置。典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其主要工作流程為:空氣經(jīng)壓縮空氣單元壓縮,進(jìn)入空氣凈化單元,先由冷干機(jī)進(jìn)行冷凍干燥,再經(jīng)過(guò)過(guò)濾器除去原料空氣中的油和水后,進(jìn)入裝有碳分子篩的吸附器,其間在短時(shí)期內(nèi)氧分子被碳分子篩大量吸附,而氮分子吸附很少,這樣在氣相中就富集了大量氮?dú)狻Mㄟ^(guò)吸附塔上部進(jìn)入氮?dú)饩彌_罐,氮?dú)夥治鰞x在線分析檢測(cè)氮?dú)獾募兌?,不合格的氮?dú)庾詣?dòng)排空,合格的氮?dú)馑屯蠹?jí)使用。而氧分子則留在分子篩中。整個(gè)吸附過(guò)程是在加壓情況下進(jìn)行的,當(dāng)吸附壓力降至常壓時(shí),被吸附的氧分子則從碳分子篩中逸出,通過(guò)吸附器下部進(jìn)入消音器后排入大氣,同時(shí)分子篩得到再生。通常采用雙吸附塔并聯(lián)交替進(jìn)行吸附產(chǎn)氮,解吸再生,實(shí)現(xiàn)氧、氮分離,連續(xù)供氣。
圖1 變壓吸附制氮裝置的結(jié)構(gòu)
油船或化學(xué)品船所裝一般為易燃易爆貨品,而且運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生靜電,具備一定濃度的氧氣時(shí)極易形成爆炸,但是貨艙中氧氣含量可以通過(guò)惰化來(lái)降低,保證貨艙中氧含量在爆炸范圍之外。油輪和化學(xué)品一般在以下作業(yè)時(shí)需要運(yùn)行氮?dú)庋b置:
(1)空艙惰化。新船或維修后出廠的船舶貨艙需要惰化,需向貨艙中充入氮?dú)?,保證在下次裝貨之前,貨艙中處于惰化狀態(tài)。
(2)惰性清掃。為降低貨艙中氧含量或可燃?xì)怏w含量,向貨艙中通入氮?dú)?,保證貨艙中處于安全狀態(tài)。
(3)原油洗艙。油船在原油洗艙前,需要先惰化貨艙。
(4)卸貨。船舶在卸貨時(shí),為避免貨艙中形成負(fù)壓,在卸貨的同時(shí)需運(yùn)行惰氣系統(tǒng)。
由于化學(xué)品船所裝載的液體貨物一般情況下是其衍生物,貨艙內(nèi)殘存的液體或氣體屬于高危險(xiǎn)、可燃的爆炸性物質(zhì),為了保證船舶在廠修期間的安全,進(jìn)廠前必須對(duì)各液貨艙內(nèi)的殘余的可燃物質(zhì)進(jìn)行必要的處理,即艙內(nèi)由可燃?xì)怏w狀態(tài)→氮?dú)?或惰性氣體)置換殘余氣體→空氣置換氮?dú)?或惰氣),并使艙內(nèi)的空氣含氧量達(dá)到20.8%以上。只有這樣,才能使船舶安全的進(jìn)廠并進(jìn)行各種修理工作。
目前LPG船和化學(xué)品船進(jìn)行置換大多數(shù)采用氮?dú)庵脫Q,這也是最常規(guī)、最成熟的置換方法。由于某些船舶沒(méi)有安裝氮?dú)?惰氣)發(fā)生器,必須到有置換條件的碼頭上進(jìn)行,受時(shí)間和地點(diǎn)的限制,處于“被動(dòng)”狀態(tài)。
作為船用變壓吸附式制氮系統(tǒng),其設(shè)計(jì)不僅應(yīng)滿(mǎn)足工業(yè)制氮系統(tǒng)的相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),還應(yīng)考慮到船用的特殊性,從選型、性能、控制和保護(hù)、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、船上的管線布置等多方面考慮,并滿(mǎn)足SOLAS公約、FSS規(guī)則以及規(guī)范第6篇第4章中關(guān)于惰性氣體系統(tǒng)的相關(guān)要求。
船用氮?dú)庀到y(tǒng)的容量一般在3000 Nm3/h之內(nèi)。對(duì)于一般化學(xué)品船、LPG船和非大型油船,其液貨艙卸油率以體積計(jì)一般在3000 Nm3/h以?xún)?nèi),因此選用氮?dú)庀到y(tǒng)較為合適。目前此類(lèi)液貨船上使用的氮?dú)庀到y(tǒng)以變壓吸附式制氮系統(tǒng)更為多見(jiàn)。根據(jù)規(guī)范要求,氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的額定容量至少為以體積表示的船舶最大卸油率的125%。因此設(shè)計(jì)人員第一步應(yīng)獲得船舶的準(zhǔn)確卸油率數(shù)據(jù),以此為基礎(chǔ)選擇相匹配的各部件參數(shù)。
制氮系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足一定的性能要求,以滿(mǎn)足液貨船惰化、清掃等實(shí)際工作需要。主要應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面:
3.2.1 氮?dú)饧兌群土髁?/p>
根據(jù)FSS的要求,制氮系統(tǒng)以所需的任一流速向液貨艙輸送惰性氣體時(shí),在惰性氣體供氣總管內(nèi)的含氧量(以體積計(jì)算)應(yīng)不超過(guò)5%,因此制氮裝置制得的成品氮?dú)饧兌葢?yīng)不小于95%,且成品氮?dú)饬髁繎?yīng)不小于設(shè)計(jì)流量。此外,根據(jù)規(guī)范要求,制氮裝置應(yīng)設(shè)有能將工作過(guò)程中產(chǎn)生的富氧和廢氣排出艙外的自動(dòng)裝置。
3.2.2 啟動(dòng)時(shí)間
各種類(lèi)型的制氮裝置,其啟動(dòng)時(shí)間要求不一。對(duì)于變壓吸附制氮裝置,從開(kāi)機(jī)到產(chǎn)生成品氮?dú)?氮?dú)獬隹趬毫?、流量、純度達(dá)到要求)時(shí)間通常應(yīng)不超過(guò)40 min。
3.2.3 強(qiáng)度
變壓吸附制氮系統(tǒng)中的吸附器本體、空氣緩沖罐、氮?dú)饩彌_罐等應(yīng)按照規(guī)范第3篇第4章和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)壓力容器的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。
3.2.4 電氣性能
對(duì)于船上裝設(shè)的制氮裝置,其電控箱的外殼防護(hù)等級(jí)、耐電壓性能、絕緣電阻等電氣性能應(yīng)符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。電控箱的電磁兼容性應(yīng)符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 10250的要求。
所有類(lèi)型的惰性氣體系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有在所有航行條件下都能產(chǎn)生適當(dāng)惰性氣體的自動(dòng)控制設(shè)備,規(guī)范第6篇第4章有此明確要求。船用的變壓吸附式制氮系統(tǒng)通常應(yīng)具有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”操作方式。此外還應(yīng)具有“本地”和“遠(yuǎn)程”控制方式,應(yīng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示產(chǎn)品氮?dú)獾募兌?、流量、壓力、溫度等性能參?shù)及故障狀態(tài),并能控制制氮裝置啟動(dòng)、停止及緊急停止。
考慮到船舶航行海況、天氣等各種環(huán)境因素影響,制氮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證船舶在一定橫傾、縱傾或橫搖、縱搖的狀態(tài)下仍能正常運(yùn)行。系統(tǒng)的電氣控制設(shè)備應(yīng)保證在相應(yīng)的溫度、濕度、鹽度以及振動(dòng)條件下能正常工作。
氮?dú)庀到y(tǒng)在液貨船上的管線布置較為復(fù)雜,作為FSS中要求的固定式惰性氣體系統(tǒng)的等效系統(tǒng),仍然適用FSS規(guī)則第15章中對(duì)于惰氣系統(tǒng)管線布置的要求。管線上需要設(shè)置多道功能不同的安全措施,包括止回裝置、氣體調(diào)節(jié)閥、截止閥、真空壓力釋放器等多種裝置。如在惰性氣體供給總管處應(yīng)至少裝有2個(gè)止回裝置,煙氣式惰氣系統(tǒng),其中之一為甲板水封,另一個(gè)應(yīng)為止回閥或能防止氣體或液體倒流的等效設(shè)備。與煙氣式不同的是,氮?dú)庀到y(tǒng)管線止回裝置,其中之一應(yīng)是雙截止透氣裝置,另一個(gè)是能夠直接關(guān)閉的止回裝置。惰性氣體供給總管應(yīng)裝有支管通向每一個(gè)液貨艙,惰性氣體支管應(yīng)裝有截止閥或隔離每一個(gè)液貨艙的等效控制措施。此外,為防止液貨艙內(nèi)壓力過(guò)高,或艙內(nèi)形成真空,還應(yīng)在主管線上設(shè)置充液式真空壓力釋放器,起到保護(hù)貨艙的作用。某些化學(xué)品船根據(jù)貨品類(lèi)型不同,液貨艙高速透氣閥開(kāi)啟壓力較高,有時(shí)高達(dá)50 kPa以上,此時(shí)可考慮不必設(shè)置真空壓力釋放裝置。
4.1.1 裝置部件的檢驗(yàn)
變壓吸附制氮裝置的主要部件空氣緩沖罐、吸附器本體、氮?dú)饩彌_罐等壓力容器應(yīng)按照規(guī)范第3篇第4章的要求經(jīng)過(guò)船級(jí)社的認(rèn)可和檢驗(yàn)。容器殼體和裝置內(nèi)部的連接管道均應(yīng)能承受1.5倍設(shè)計(jì)壓力的液壓強(qiáng)度而無(wú)滲漏、可見(jiàn)變形和異常響聲。
裝置所配套的其他部件如空壓機(jī)組、加熱器、氮?dú)庠鰤簷C(jī)、氮?dú)饧兓b置、海水泵、各種閥件、儀表等設(shè)備也均應(yīng)按照船用產(chǎn)品的要求進(jìn)行檢驗(yàn)。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,部件較多,許多部件通常需要外購(gòu)。對(duì)于外購(gòu)的部件應(yīng)具有船級(jí)社簽發(fā)的船用產(chǎn)品證書(shū)。核查實(shí)物與證書(shū)的一致性,并核查部件型號(hào)規(guī)格與設(shè)計(jì)圖紙的一致性。
4.1.2 裝置的連接與密性
按照?qǐng)D紙檢查制氮裝置各設(shè)備安裝的完整性和合理性,包括空壓機(jī)、凈化裝置、空氣瓶、制氮橇塊、氮?dú)馄?、閥門(mén)、控制設(shè)備、電纜及管道等。然后向連接好的制氮裝置內(nèi)部通入空氣,當(dāng)壓力達(dá)到裝置最大工作壓力時(shí),保壓一段時(shí)間,通常為10 min,并核查有無(wú)泄漏。
4.1.3 裝置濃度、流量和露點(diǎn)檢查
當(dāng)裝置正常運(yùn)行時(shí),檢查制氮裝置在額定壓力、濃度下,氮?dú)饬髁亢吐饵c(diǎn)應(yīng)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)要求。
4.1.4 報(bào)警聯(lián)鎖試驗(yàn)
裝置應(yīng)進(jìn)行規(guī)范第6篇第4章所要求的視聽(tīng)報(bào)警聯(lián)鎖試驗(yàn)。按照氮?dú)庀到y(tǒng)要求的報(bào)警設(shè)定值,模擬報(bào)警狀態(tài),試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)至少包含:
空壓機(jī)的空氣壓力低報(bào)警、制氮機(jī)進(jìn)氣口溫度高報(bào)警、空氣凈化單元冷凝水液位高報(bào)警、氧含量高報(bào)警、主管線高壓及低壓報(bào)警、連續(xù)顯示和記錄氧氣含量的記錄儀電源故障。
上述每一項(xiàng)報(bào)警試驗(yàn)中控制板上的自動(dòng)停止與聲光報(bào)警指示應(yīng)與閥門(mén)與設(shè)備動(dòng)作完全相符。
4.1.5 船用條件試驗(yàn)
為考察制氮系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性,將制氮裝置安裝在搖擺試驗(yàn)臺(tái)上,模擬船舶在各種不利條件,例如縱傾、橫傾、縱搖、橫搖的狀態(tài),按照一定周期和時(shí)間下進(jìn)行試驗(yàn)。通常的試驗(yàn)過(guò)程如下:
試驗(yàn)過(guò)程中制氮裝置的各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)符合要求,設(shè)備應(yīng)無(wú)異常現(xiàn)象。該試驗(yàn)僅作為首制產(chǎn)品的形式試驗(yàn)項(xiàng)目。
4.2.1 安裝處所及通風(fēng)的要求
制氮系統(tǒng)的空壓機(jī)和氮?dú)獍l(fā)生器可以安裝在機(jī)艙或一個(gè)獨(dú)立的艙室中。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布置,在實(shí)船檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)區(qū)分開(kāi)。
4.2.1.1 安裝在機(jī)艙內(nèi)
制氮系統(tǒng)如安裝在機(jī)艙內(nèi)時(shí),由于制氮系統(tǒng)無(wú)燃燒裝置,也非主推進(jìn)裝置,其分隔要求低于作為A類(lèi)機(jī)器處所的機(jī)艙,因此機(jī)艙環(huán)圍足以保證其防火分隔。但是制氮系統(tǒng)作為消耗空氣的設(shè)備,在進(jìn)行機(jī)艙通風(fēng)計(jì)算時(shí)應(yīng)計(jì)入其內(nèi),保證風(fēng)機(jī)的排量和功率能夠滿(mǎn)足機(jī)艙設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人員舒適的要求。同時(shí)應(yīng)核查送風(fēng)口的布置能夠保證制氮系統(tǒng)空壓機(jī)能夠吸入足量空氣。還應(yīng)注意核查氮?dú)獍l(fā)生器的氧氣排空出口應(yīng)直接通向舷外大氣,以避免機(jī)艙內(nèi)富氧積聚。
4.2.1.2 安裝在獨(dú)立艙室內(nèi)
制氮系統(tǒng)如安裝在一個(gè)獨(dú)立的艙室中,則該艙室應(yīng)位于貨油區(qū)域外,且無(wú)直接通向起居處所、服務(wù)處所和控制站的通道。防火方面,該獨(dú)立艙室可視為SOLAS公約定義的“其他機(jī)器處所”之一。通風(fēng)方面,該艙室應(yīng)裝有1套獨(dú)立的能每小時(shí)換氣6次的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。此外還應(yīng)裝有低氧報(bào)警裝置。
4.2.2 管系附件的核查
4.2.2.1 氣體調(diào)節(jié)閥
根據(jù)FSS要求,在氮?dú)庀到y(tǒng)供氣總管上應(yīng)設(shè)有一個(gè)通常稱(chēng)為主控閥的氣體調(diào)節(jié)閥。該閥應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)通往貨油艙的惰性氣體的流量。檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)核查該閥是否附有開(kāi)度指示裝置,并能按監(jiān)控要求自動(dòng)關(guān)閉。此外,還應(yīng)核查該閥是否布置在氮?dú)饪偣芡ㄟ^(guò)的最前面的無(wú)危險(xiǎn)性氣體安全處所的前艙壁處。
4.2.2.2 止回裝置
氮?dú)庀到y(tǒng)總管上應(yīng)設(shè)有2個(gè)止回裝置,并且應(yīng)布置在貨油艙區(qū)域的甲板上。其中之一為雙截止透氣裝置,另一個(gè)是能直接關(guān)閉的止回閥。雙截止透氣裝置一般由2個(gè)截止閥和其中間支管上的一個(gè)常開(kāi)的透氣閥組成。檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)確認(rèn)止回裝置各閥門(mén)的開(kāi)閉是否靈活,并試驗(yàn)其止回性能。另外,應(yīng)注意確認(rèn)在止回閥和主控制閥之間的管路上應(yīng)設(shè)置一個(gè)逸氣閥,以保證在止回閥關(guān)閉時(shí)能夠安全逸氣。
4.2.2.3 壓力真空釋放器
安裝在氮?dú)饪偣苌系膲毫φ婵蔗尫牌?,采用防凍液或合適油做密封液體。注意核查其壓力真空釋放口應(yīng)設(shè)置易于接近清理和更新的防火網(wǎng),防火網(wǎng)的結(jié)構(gòu)必須堅(jiān)固,能承受最大裝貨速度時(shí)產(chǎn)生的氣體壓力。還應(yīng)進(jìn)行釋放器的壓力真空釋放性能,其中做真空釋放試驗(yàn)時(shí),可采取使某一貨油艙灌滿(mǎn)水并與惰氣總管接通,切斷總管與其他貨油艙的聯(lián)系,然后以貨油泵向外抽水來(lái)造成真空,可以采取真空表或U型管壓差計(jì)來(lái)測(cè)定真空。
4.2.3 管系密性試驗(yàn)
氮?dú)庀到y(tǒng)在各設(shè)備、儀表及管系附件安裝完畢后,應(yīng)以工作壓力1.25倍的試驗(yàn)壓力對(duì)系統(tǒng)各種管系進(jìn)行密性試驗(yàn),保壓5 min,不允許有任何泄漏。
4.2.4 報(bào)警聯(lián)鎖試驗(yàn)
報(bào)警聯(lián)鎖試驗(yàn)在氮?dú)庀到y(tǒng)安裝后仍需再次驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí),可以模擬某些條件來(lái)進(jìn)行,以確認(rèn)聲光報(bào)警和各設(shè)備、儀表及附件之間動(dòng)作的協(xié)調(diào)可靠性。
4.2.5 實(shí)船氮?dú)庑в迷囼?yàn)
當(dāng)制氮裝置作為惰化目的的惰性氣體系統(tǒng)(IGS)時(shí),應(yīng)考核其安裝后的實(shí)船氮?dú)庑в迷囼?yàn)。具體做法為:選定任意一貨油空艙,向艙中充入氮?dú)?,測(cè)量并記錄艙室中氧含量降到8%的時(shí)間;然后再向艙內(nèi)注滿(mǎn)海水,在貨泵向舷外排出海水時(shí),向貨艙中充入氮?dú)?,連續(xù)觀察貨艙中壓力,觀察氮?dú)獾呐帕渴欠衽c貨泵排量匹配。
本文重點(diǎn)闡述了變壓吸附式制氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則要求和檢驗(yàn)要點(diǎn),對(duì)于目前液貨船上較為常見(jiàn)的膜制氮系統(tǒng),僅氮?dú)獾陌l(fā)生機(jī)制不同,其設(shè)計(jì)要求和船上的布置要求基本類(lèi)似。
在制氮系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)過(guò)程中由于船型的不同和使用場(chǎng)所的特殊要求,應(yīng)根據(jù)具體情況,采取不同的方案,并滿(mǎn)足SOLAS公約、FSS規(guī)則、規(guī)范以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的適用要求,保證船舶的作業(yè)安全。
[1]國(guó)際海事組織.國(guó)際海上人命安全公約[M].北京:人民交通出版社,2010.
[2]中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2012.
[3]CB 1169-86,油船惰性氣體系統(tǒng)技術(shù)條件[S].
[4]CB/T 3609-93,惰性氣體系統(tǒng)安裝及效用試驗(yàn)質(zhì)量要求[S].
[5]JB/T 6427-2001,變壓吸附制氧、制氮設(shè)備[S].
[6]GB/T 10250-2007,船舶電氣與電子設(shè)備的電磁兼容性[S].