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(武漢金鼎船舶工程設(shè)計有限公司，武漢 430062)

液化石油氣(LPG)因其良好的經(jīng)濟性、低污染、易儲運等諸多優(yōu)點在世界各國得到了越來越多的使用。惰化氣體置換在LPG運輸船的營運過程中是十分重要的一個環(huán)節(jié),一艘3 700 m3的LPG船每次用于惰化氣體置換的費用大約10萬元人民幣，這是一筆不小的開支。如何降低置換開支值得研究[1-4]。

1 常用的惰性氣體置換方法

1.1 相對濃度差法(推移法)

利用氣體的相對濃度不同來置換罐內(nèi)氣體。如置換氣體的比重大于被置換氣體的相對濃度，則從罐體底部注入置換氣體，而使罐內(nèi)氣體從罐體頂部溢出；反之，則從罐體頂部注入置換氣體，從底部排出被置換氣體。這種方法在氣體有顯著的濃度差時最為有效，置換時所用的氣體量亦是最節(jié)省的，缺點是受限制較多。

1.2 加壓稀釋法(混合法)

將置換氣體用較大容量的壓縮機或鼓風(fēng)機注入至液化氣罐內(nèi)，與罐內(nèi)的被置換氣體相混合，以此降低被置換氣體的體積濃度。其優(yōu)點是可以在較短的時間內(nèi)完成置換作業(yè)，缺點是要耗費大量的氮氣，而且注入過程能耗大。此方法多用于比重差較小的氣體間的相互置換，有時出于安全性考慮，即使比重差較大，也不得不采用此方法。

1.3 恒壓稀釋法

將置換氣注入至液化氣罐內(nèi)的同時，打開排出閥，由于分子擴散的速度極快，可忽略其混合過程，理想化地認為是瞬間混合均勻，這種方法在比重差相差不大的氣體間相互置換時較為節(jié)省置換氣體。操作過程中要注意的是控制好注入惰性氣體時的射流位置、角度和速度。相比于加壓混合稀釋法，此方法更為節(jié)省氮氣。

1.4 真空稀釋法(抽空法)

用壓縮機將液化氣罐內(nèi)的氣體吸出，使罐內(nèi)剩余氣體減少，罐體內(nèi)達到一定真空度后注入置換氣體，從而達到稀釋被置換氣體濃度的目的，此法多用于全壓式或半壓式的液化氣罐，抽真空與充氮氣相結(jié)合，抽吸與注入反復(fù)進行，直至達到所要求的濃度為止。

2 所用惰性氣體量的計算

LPG液貨艙內(nèi)氧氣含量的“惰化”最低要求，對丙烷來說為12%，丁烷為12.4%。根據(jù)這個要求，可以用波意爾氣體定律計算出降低氧氣濃度所需的氮氣量，考慮到額外的備用量及管路中的耗用，氮氣的總備用量一般為計算所得氮氣量的1.2倍。

如液化氣罐容積為1 000 m3，要求惰化后使氣體中的含氧量為12%，所需氮氣量的計算如下。

2.1 加壓混合法

(1)

式中：V氮氣——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需氮氣體積；

V液罐——液化氣罐體積，V液罐=1 000 m3;

α，β——置換前后液罐內(nèi)的氧氣濃度，

α=21%，β=12%。

計算得V氮氣=750 m3。

氮氣瓶個數(shù)(按每瓶裝6 m3計)為

n=750÷6=125 個。

充入氮氣后氣罐內(nèi)壓力為175 kPa。

2.2 恒壓稀釋法

忽略其混合過程，理想地認為是瞬間混合均勻，并用微分的觀點，把注入過程等分成無限多次，無窮小量的稀釋過程。

記氧氣初始濃度為a,液化氣罐體積為V,注入氮氣體積為X，瞬時注入氮氣量為ΔX，氧濃度瞬時變化量為Δa，則瞬時氧濃度變化量為

Δa=a-aV/(V+ΔX)

(2)

計算得V氮氣=-671.5 m3(負號表示耗用)。

氮氣瓶個數(shù)(按每瓶裝6 m3計)為

n=671.5÷6=112 個

2.3 相對密度差法

所需氮氣體積為

V=(21%-12%)×1 000÷21%=428.6 m3

氮氣瓶個數(shù)(按每瓶裝6 m3計)為

n=428.6÷6=72 個

提取公式：

V氮氣=1.2×V液罐×(α-β)×α

(3)

通過計算，可見，采取上述單一方法進行惰性氣體置換時氮氣的耗量由少至多依次為:相對密度差法、真空稀釋法、恒壓稀釋法、加壓混合稀釋法。在保證安全的前提下,根據(jù)置換氣體的種類、船舶的設(shè)備、作業(yè)地點等條件,應(yīng)盡可能地采取其中的幾種方法相結(jié)合進行置換，這樣可以進一步減少成本、提高效益。

3 新船出廠后幾種置換方法相結(jié)合的經(jīng)濟性分析

以武漢金鼎船舶工程設(shè)計有限公司設(shè)計的3 700 m3液化氣遠洋運輸船為例，將幾種置換方法相結(jié)合來分析LPG液貨罐惰化作業(yè)的經(jīng)濟性。

該船設(shè)有2個容積為1 850 m3的液貨罐；深井泵2臺，每罐設(shè)1臺，排量為220 m3/h，電動機功率為125 kW；LPG氣體壓縮機2臺， 排量為8 m3/min，電動機功率為110 kW。船上發(fā)電機發(fā)電1 kW·h的費用按1.0元計算，氮氣的價格按5元/m3計算。

3.1 單一的氮氣置換方法(恒壓稀釋法)

在條件不允許的情況下，不得不選擇經(jīng)濟性差的置換方法。如果選擇單一的充氮置換時，可以選擇更為經(jīng)濟的恒壓稀釋法。

將各數(shù)據(jù)代入式(2)，所需氮氣量為2 484 m3。

氮氣費用為2 484×5=12 420元。

3.2 抽真空與充氮氣相結(jié)合

抽真空與充氮氣相結(jié)合方法受限制小，效果好，較為常用。

抽真空至罐內(nèi)壓力為0.05 MPa，即抽出氣體1 850 m3，然后注入氮氣至罐內(nèi)，壓力為0.1 MPa，即可滿足本次置換的要求。

耗用電能為

1 850 m3÷480 m3/h×110 kW≈424 kW·h。

費用為

424 kW.h×1.0元/(kW·h)≈424元。

向罐內(nèi)注入氮氣,至罐內(nèi)壓力為0.1 MPa,此次需要向罐內(nèi)注入1 850 m3氮氣，此時罐內(nèi)氧氣濃度為10.5%<12%，滿足要求。

此次花費為424+1 850×5≈9 674 元。

由于其它的置換方法相結(jié)合均受較多的限制，在實際的LPG 液貨罐惰化作業(yè)中也很少有應(yīng)用，故不一一分析。

3.3 抽真空、充氮氣與壓水相結(jié)合

由于淡水的價格不到氮氣價格的1/2，并且也容易得到，如果將氮氣的一部分換成淡水，同樣可以達到最終惰化的要求。下面計算此種方法的經(jīng)濟性。

首先向兩個液貨罐均注入1/2容積的淡水；后采用抽真空/充氮相結(jié)合的方法，其中注水1 850 m3，壓縮機排出氣體925 m3，注入氮氣925 m3。

淡水價格參照市場價2元/ m3。

置換惰化費用約為9 588元。

可見，在初次裝貨前的置換中，采用壓水、抽真空、充氮相結(jié)合后，費用基本沒減少，反而增加了工作量。因為要求的稀釋程度不大，所以采用抽真空與注入稀釋的方法更為方便合適。

4 進塢維修前幾種置換方法相結(jié)合的經(jīng)濟性分析

4.1 恒壓稀釋法

計算同前，所需氮氣量為

V氮氣=1.2×V液罐×(lnα-lnβ)

式中：V液罐=3 700 m3；α=100%(液貨罐內(nèi)石油氣濃度)；β=6.2%(惰化后要求的石油氣濃度)。計算得V≈12 346 m3。

氮氣費用為12 346×5=61 730元。

可以看出在進廠維修前的置換中，采用單一的恒壓稀釋法需要大量的氮氣，費用是很高的。

4.2 抽真空與充氮氣相結(jié)合

抽真空至罐內(nèi)壓力為0.05 MPa，即每個液罐抽出氣體925 m3，然后注入氮氣至罐內(nèi)壓力為0.1 MPa，即可滿足本次置換的要求。

耗用電能約為424 kW·h，費用為424元。

向罐內(nèi)注入氮氣,至罐內(nèi)壓力為0.1 MPa,此次需要向兩個罐內(nèi)注入1 850 m3氮氣，此時罐內(nèi)石油氣濃度為50%；

重復(fù)上面這一過程，直到罐內(nèi)石油氣濃度<6.2%，滿足要求為止。

重復(fù)次數(shù)為0.5n<6.2%，解得n>4.009，取n=4，在置換時多注入一點氮氣就可滿足要求。

總費用約為(424+1 850×5)×4=38 696 元。

可見采用抽真空與充氮氣相結(jié)合的方法后可以節(jié)約成本近1/2。

4.3 抽真空、充氮氣與壓水相結(jié)合

首先向兩個液貨罐均注入1/2容積的淡水；后采用抽真空/充氮相結(jié)合的方法，其中注入淡水量1 850 m3，壓縮機四次排出氣體量為3 700 m3，

注入氮氣3 700 m3。

置換惰化總費用約為24 575元。

由上面計算可以看出，采用壓水、抽真空、充氮相結(jié)合后，費用大大降低，這是一個非常經(jīng)濟的組合方案。

值得注意的是壓水過程中要密切關(guān)注船舶浮態(tài)，注水時要最好兩罐同時注入，避免橫傾過大，并且根據(jù)船舶穩(wěn)性的計算，允許注入的淡水最大重量也是有限制的，需綜合考慮并核算清楚后方可實施。

5 結(jié)論

在新船出廠后的初次LPG 液貨罐惰化的作業(yè)中采用真空/充氮相結(jié)合會取得很好的經(jīng)濟效果；在LPG船進塢維修前，條件允許的情況下，采用抽真空、充氮氣與壓水相結(jié)合進行LPG 液貨罐惰化的作業(yè)是非常理想的。

[1] 張振新.LPG船置換技術(shù)工藝流程[J].油氣儲運，1990，9(6)：57-61.

[2] 黃恒祥.船舶設(shè)計手冊[M].北京: 國防工業(yè)出版社，1999.

[3] 蔡錦勝.壓水、抽真空和充氮在全壓式LPG船置換中的綜合應(yīng)用[J].廣東造船1994(4)：19-29.

[4] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2005.