大型油船貨艙惰氣及透氣系統布置優化

(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艙位置與高速透氣閥的位置布置是船舶生產設計的難題，結合30萬t級VLCC的具體情況，通過對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化布置選擇。

30萬t級VLCC共配備5組貨油艙，每組有左中右3個貨艙，最多可載運閃點低于60 ℃的3種原油油品[1]。船上配備3臺蒸汽透平驅動貨油泵，1臺煙氣式惰氣發生器IGS，1臺惰性氣體發生器IGG，貨油艙透氣和惰性氣體總管共用1路總管，總管上為每個貨油艙開出1路支管進艙，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。

目前管系生產設計人員放樣的情況見圖2，貨油吸口位于艙室左后側底部，惰氣支管進艙口位于艙室左前側頂部，壓力/真空閥位于艙室右前側頂部。

1 相關說明

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、驅氣PURGING、除氣GAS-FREEING、補氣TOPPING-UP。

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

當貨油卸載和洗艙后，員工要進入貨艙進行維修作業，由于貨艙內在洗艙后仍然存在大量碳氫可燃氣體，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到可燃范圍，所以先用合格的惰性氣體注入貨艙，驅除碳氫可燃氣體，將貨艙內的碳氫氣體含量的體積分數降低至2%，之后再用新鮮空氣注入貨艙，驅除惰性氣體，使貨艙內氧含量的體積分數達到21% ，可燃氣體檢測儀顯示可燃氣體的體積分數低于1%LFL。用惰氣驅除碳氫氣體的過程稱為驅氣，用新鮮空氣驅除惰氣的過程稱為除氣。

船舶在運行過程中出現溫度急劇下降，特別是在赤道附近。如果遇到雷雨，會在極短時間內從雨前的高溫變為雨后的較低溫度，貨艙內的溫度降低后，油氣體積收縮形成真空度，當透氣總管內的壓力降低至近2 kPa時，需要對貨艙進行補氣作業。

補氣這種工況出現的概率很低，此時主要考慮惰化、驅氣、除氣這3種工況，主要采用稀釋法或置換法。

稀釋法是一個混合進程，進口氣體流速較高，從而克服氣體阻障到達艙底，通常稀釋法只是單艙進行。

置換法是一個分層進程，利用置換氣體輕而被置換氣體重的特性，要求進口氣體流速很低，通常多艙同時操作，進口管直接導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

根據這2種方法，結合管路布置，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，氣體通過稀釋法進行更換，氣體進入艙室和原始氣體混合，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。氣體從艙室底部進入，從艙室頂部透出。氣體通過稀釋法進行更換。氣體通過惰氣總管和貨油總管的一根連通管進入艙室，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。氣體從艙室頂部進入，從艙室底部透出。氣體通過稀釋法或置換法進行更換。氣體進口通常水平導入艙口蓋，出口通常設置為延伸至艙底1 m以內并終止于開敞甲板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，艙室進氣可能有2種，既可以從惰氣支管閥V-1進氣，也可以通過閥門V-4、管路P-1和貨油吸口閥V-2進氣；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進行定義：惰氣支管進艙為編號①，貨油吸口為編號②，壓力/真空閥為編號③。

3 方案選擇

由于進氣透氣操作無法共用，根據上面的編號共有4種組合方案。

1)①進②出。這種方案適合布置3，由于進氣未通過艙口蓋，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、驅氣、除氣操作中都能夠形成穩定的流場。然而，由于此船可以載運3種貨品，在港口卸載部分貨物后，其他艙內仍然有油，如個別艙需要單獨進行驅氣操作，在原油洗艙和海水洗艙后，必須將貨油管內的液體先通過掃艙泵抽空以后才能進行，前期準備工作較多，操作復雜，耗時長，能耗大。當所有艙室都需要進行操作時，采用置換法，總耗時短，總能耗小。當然，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施了。

2)①進③出。這種方案適合布置1，其在空艙惰化、驅氣、除氣操作中為保證進口流速，通常單艙進行，能夠形成穩定的流場。在個別艙單獨進行惰化、驅氣、除氣操作時，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液體同時操作，前期準備工作少，操作簡單安全，耗時短。但當所有艙室都需要進行操作時，總耗時長，總能耗大。

3)②進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，且管路上沒有將進口和出口隔離的閥門，這種方案進氣和出氣是連通的，無法形成更換氣體的穩定流場，所以此方案無法操作。

4)②進③出。這種方案適合布置2，其在空艙惰化、驅氣、除氣操作中能夠形成穩定的流場，在個別艙單獨進行惰化、驅氣、除氣操作時，同樣在原油洗艙和海水洗艙后，必須將貨油管內的液體先通過掃艙泵抽空以后才能進行，前期準備工作較多，操作復雜，耗時長。而且當所有艙室都需要進行操作時，總耗時長，總能耗也大。

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

基于以上分析，考慮到設計冗余性，通常設計的布局應盡可能滿足2種方案的實施。所以管系生產設計有3種選擇。

1)兼顧①進②出和①進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②出和②進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③出和②進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

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

如果生產設計人員設計過程中如果沒有注意這些事項，如①進③出方案中2個接口位置都在艙室首部，這種情況也可以進行惰化、驅氣、除氣操作，但時間將會加長，能耗將增加。

4 結論

大型原油船貨油艙惰性氣體進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，應同時避免太靠近艙壁導致晃蕩造成的溢出和噴濺，具體應根據船型實際情況選擇。

通常人們認為船舶生產設計難度不高，但通過上述分析過程，可以發現真正做好生產設計并不容易。為了滿足系統的基本功能，生產設計人員必須了解系統的功能，并熟知操作過程。所以應該配備針對生產設計的綜合性指導手冊，但目前還缺乏這樣的指導性文件，希望今后有更多人可以深入研究船舶生產設計各方面內容，更希望有關方面能夠將這些成果匯編成冊，供生產設計人員參考學習，少走彎路。