船用惰性气体系统原理与应用

船用惰性气体系统原理与应用
一、惰性气体系统概要
1.发展过程
我们知道任何可燃物质的燃烧必须同时具备下列三个条件:
(1)有可燃物存在:凡能与空气中的氧或氧化剂起剧烈反应的物质均称为可燃物。

可燃物包括可燃固体，如煤、木材、纸张、棉花等;可燃液体，如汽油、酒精、甲醇等;可燃气体，如氢气，氧化碳、液化石油气等。

在化工生产中很多原料、中间体、半成品和成品是可燃物质。

(2)有助燃物存在:凡能帮助和维持燃烧的物质，均称为助燃物。

常见的助燃物是空气和氧气以及氯气和氯酸钾等氧化剂。

(3)有点火源存在:凡能引起可燃物质燃烧的能源，统称为点火源，如明火、撞击、摩擦高温表面、电火花、光和射线、化学反应热等。

可燃物、助燃物和点火源是构成燃烧的三个要素，缺少其中任何一一个，燃烧便不能发生;另外,燃烧反应在温度、压力、组成和点火能量等方面都存在极限值。

在某些条件下，如可燃物未达到一定的浓度，助燃物数量不够,点火源不具备足够的温度或热量，即使具备了燃烧的三个条件，燃烧也不会发生。

例如氢气在空气中的浓度小于4%时就不能点燃，而一般可燃物质在空气中的氧气低于14%时也不会发生燃烧。

对于已经进行着的燃烧，若消除其中一个条件，燃烧便会终止,这就是灭火的基本原理。

因此油舱内可燃气体发生燃烧爆炸事故，也必须同时具备三个条件:可燃石油气浓度在“爆炸范围”内;有足够量的氧气，舱内氧气含量在“临界点"以上;有点火源，其能量达到可燃气燃烧所需最低点火能量。

作为防止油船爆炸的方法，自古以来主要是从控制明火点火源出发的。

但是，自1969年末,3艘新造的大型油船连续发生爆炸事故之后,人们才更清楚地了解到静电乃是一种新的点火源，而且又很难控制。

在这种形势的推动下,关于强制造成一种即使有火源存在也不会发生爆炸的“油舱气体状态控制”的研究，才有了急速的进展。

图5-5 碳氢化合物、氮、氧及混合气的可燃爆炸范围
这种方式的原理如图5-5所示,它是利用从原油中挥发出来的石油气体只有在某一限定的气体浓度范围内才会发生爆炸的原理，强制性地使货油舱内的气体状态处在不能燃烧爆炸的范围之内。

这种气体状态可由三种方式来达到，即使石油气浓度过剩的“超浓度方式”,使浓度过稀的“过稀方式”和造成缺氧状态的“充惰性气体方式”。

从可靠性和经济性两方面出发,对三种方式进行比较,结果得出,惰性气体系统具有明显的优越性。

所以，自1970年初以来,IGS也就在世界上得到了广泛应用的机会。

其后设置惰性气体装置的要求也被列入国际公约,今天,对于载重量为3万吨以上的新建原油油船来说，设置IGS已成为必须承担的义务，也可以说,惰性气体系统已成为油船不可缺少的最重要的装置之一。

2.惰性气体的定义
所谓惰性气体就是化学性质不活泼的气体，也可以说是具有不与氧化合的化学稳定性的气体。

真正的惰性气体是指氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)等5种稀有的气体而言的，但一般也包括在常温、常压下难以与氧化合的氮(N2)、二氧化碳(CO2)以及含氧浓度很低的空气。

鉴于锅炉烟道中的气体,乃是燃油经过良好燃烧后所产生的燃烧排气，所以它的主要成分就是氮、二氧化碳、水蒸气以及少量的氧和微量的固体物质，因此，如果将其冷却，再去除其中含有的杂质和剩余的水蒸气，则就会成为惰性气体。

将这样的气体充注到油舱内以防止油船爆炸的装置系统，就是惰性气体系统。

在船舶的油舱内充注惰性气体，以使舱内的气体惰性化，需要大量的惰性气体。

这些惰性气体可由三种方式获得。

一种是利用锅炉排气经冷却、脱硫、洗涤后得到惰性气体。

这种方式称为“烟道气”方式。

另一种是用专门的惰性气体发生器，燃烧煤油等液体燃料得到惰性气体。

这种装置称为“惰性气体发生装置”。

还有一种，是将两者串联起来使用,形成“组合式”惰性气体系统。

在第一种方式中，由于燃料的原因，会混有二氧化硫( SO2)和烟尘等杂质，这是它的缺点;但是船用锅炉能够产生大量的排气，且其氧气的含量通常都在5%以下，因此，同第二种方式相比较，成本比较低，故为普通大型原油油船所采用。

与此相反，第二种方式的成本虽然较高，但在所运货物本身要求惰性气体纯度较高的特殊油船(液化石油气船、液化天然气船、成品油船等)上，则使用较多。

第三种方法则介于前两种之间。

通常所说的惰性气体体系统大多系指“烟道气”方式的装置系统，为加区别，故将“发生器”方式即称作惰性气体发生器系统。

此外,也有将“烟道气”方式的惰性气体系统叫作“烟道气”气体系统。

以下,仅介绍“烟道气”方式的惰性气体系统。

3.惰性气体的成分
惰性气体的成分取决于:①作为原料的烟道气本身的成分;②装置本身所具有的冷却、洗涤能力。

其中，前者的影响很大，如果惰性气体系统方面的性能没有多大差异，则惰性气
体品质的好坏基本上就将取决于锅炉燃料(重油)的性质如何及燃烧条件是否良好了。

若燃料中可燃的元素硫(S)含量较多，则燃烧后有害的二氧化硫气就会增多;另外，在锅炉负荷过小和负荷急剧变动等不良燃烧条件下，由于过剩空气系数增大，则惰性气体中的氧气浓度就要增加。

由此可见,惰性气体的组成成分，是不能一概而论的。

表5-2列出各制造厂家提供的惰性气体、烟道气体和新鲜空气的成分比。

二、系统的主要组成设备及其功用
系统各主要组成设备的工作原理和构造虽因制造厂家的不同而具有某些差异,但各部件的布置以及气体和海水的流程则其本一样。

标准的流程如图5-6所示。

下面简要介绍一下系统的各主要设备及其机能。

图5-6惰性气体系统的流程图
1.烟气抽气阀(亦称烟道取气阀)
烟气抽气阀是一个可从控制室等处远距操纵的截止阀，它装在锅炉烟囱到惰性气体系统之间用以抽取烟气的导管上,其作用在于防止烟气在系统不工作时侵人到洗涤塔内。

这个阀工作环境恶劣，长期在高温烟气冲刷条件下工作,阀座容易结炭，使阀关闭不严，或者在关死状态下粘住打不开，阀盘可能由于高温烟气冲击而产生变形。

因此，对烟气抽气阀要特别注意检修保养，一般在这个阀的连接管路上都接入蒸汽冲洗管，需要时对阀进行冲洗。

2.洗涤塔
洗涤塔是使烟气与海水接触以对情性气体进行冷却，除去硫和灰尘等有害物质的一个吸收器。

(1)冷却。

在洗涤塔内应尽量使烟气的温度降低到冷却海水的温度，一般的设计标准是洗涤塔出口气体的温度应比冷却海水的温度高2-5C。

(2)脱硫。

脱硫的目的就是要尽可能除去烟气中所含有的硫的氧化物(SO2、SO3),通常的设计要求能去除90% -95%以上。

从防止船体遭受腐蚀的观点来说，还希望将其性能更加提高一步。

(3)除尘。

烟气中的烟尘等固体杂质应尽量去除，一般要求去除率在90%以上。

为了提高上述各项机能，就需尽量增大烟气与海水的接触面积，因此，一般多采用使海水形成液膜或雾滴,然后再分散到烟气中去的方法，也有采用将逆向流动的烟气分散到已形成小气泡的海水中去的方法。

前一方法是在塔内装入填充物，并使分散的海水以薄膜状从上部沿填充物表面下流，以与经填充物间隙而上升的气体相接触。

这种方式的典型代表就是填充式的洗涤塔(图5-7)。

此外也有将海水喷成雾状，以增大海水与气体接触面积的文丘里管式洗涤塔和喷雾式洗涤塔。

后一方法的代表型式就是气泡一罩盖式洗涤塔，如图5-8所示，它是使气体通过数层托盘和罩盖的水封间隙，以使气体与形成气泡的水相接触。

然而实际上，几乎没有单独使用一种形式的情况,通常大多是将两种以上的类型组合使用(图5-9即为文丘里管式和填充塔式并用的例子)。

图5-7填充塔式洗涤塔原理图图5-8气泡一罩盖式洗涤塔原理图
近来，气泡一罩盖工已用得较少，而使用较多的则足以填充塔式为主体的洗涤塔。

塔中
的填充物可有磁性球环(图5-9),由聚丙烯制作的特殊球体、FRP（玻璃纤维增强塑料）制作的菱形棒、聚丙烯制作空心球、石英颗粒以及聚丙烯网等。

为了防止气体逆流回烟气抽气阀，还在洗涤塔中设置了有效的水封（图5-10）另外，海水应由洗涤塔的专用海水泵来供应,并在其发生故障时，也能以其他水泵来供给.此外，还要求洗涤气体之后的排水必须流经底部的u形密封，然后再排到触外。

3.除湿器
除湿器用于除去洗涤塔排气中的水滴，由于水分与残留的二氧化硫化合，是引起货油舱严重腐蚀的主要原因。

因此要求除湿器的除水滴效率在99%左右，比较常用的除湿器有3种类型。

(1)过滤式除湿器。

船用惰性气体系统的除湿器，一般都采用过滤式除湿器，而且安装在洗涤塔内顶部惰性气体出口处。

将多层聚丙烯丝等编织的滤网叠置在一起，使气体自下向上地流过，则水滴就会被吸附在滤网上，从而使气体中的水滴得以去除，这种方式因滤网很易被烟尘等堵塞，故需经常进行清洗或换新。

通常，在滤网衬垫的上、下装有压力表或压差计，依据气体通过滤网前后的压差，即可大致地判断滤网是否堵塞(图5-11)。

(2)旋流式除湿器。

使含有水滴的气体流经导向叶片,形成旋转运动产生离心力，则水滴就会被甩到旋流的外侧并附着在壁面上,达到一定厚度靠自重下落，从汇水管排出，从而达到去除水滴的目的。

这种方式可不必担心发生堵塞,故无需对其进行保养和检查(图5-12)。

(3)挡板式除湿器。

这种方式是将挡板(曲折板)置于气流的通路上，当气体通过挡板时，气体中所含有的水滴，就会因惯性力而撞击板面并附于其上，然后流落下来，以达到去除水滴的目的图5-13a)所示就是利用这种方式并具有较好效果的一种结构。

图5-13B)所示为它的除湿原理:气体中的雾滴因惯性力和气体折流时所产生的离心力.撞击并附着在薄片状的曲板上,然后沿曲板表面流到挡水槽，再靠重力流落到下部,最后经泄水口排出。

4.鼓风机
离开除湿器后,惰性气体进入风机，通常都使用由电动机带动的离心式风机。

根据规范(国际海事协会及船级社)的要求，风机至少应设置2台，总排风量应为货油泵总额定排量的125%以上;此外,还需能使充注惰性气体的油舱维持一微小的正压(表压14 ~20kPa以下)，使空气不致侵人舱内。

配置2台等排风量的风机时，风机组合排风选配方案可有:
(1)设置2台，每台容量均为风机总容量的50% (标准方案)。

(2)设置2台,1台容量等于风机的总容量,另一台为风机总容量的50%
(3)设置2台，每台风机容量都等于风机的总容量。

(4)设置2台,1台容量等于风机的总容量,另一台为风机总容量的30%。

5.压力调节阀
调节阀也叫惰性气体的压力调整阀或主控制阀,用以在情性气体的充注过程中自动调整油舱内的压力，以使其维持一定的数值。

该阀大多采用由压缩空气操纵的蝶形阀，其动作过程一般是:从惰性气体主管测出管内的气体压力,通过变送器将此压力转换成气压信号,并将此气压信号输往控制器，再由控制器按比例地将控制空气供送到调节阀的驱动气缸(或薄膜)，以自动地控制阀的开度。

另
外，该阀也能用手动的方法加以控制。

6.回流阀
回流阀装在风机排出管与洗涤塔之间的回流管路上，它可在油舱内的压力达到一定的数值以上时自动开启，以使气体回流到洗涤塔,从而风机保持稳定运转(防止出口气体温度过高和发生喘振现象) ,使通过洗涤塔的气体流量维持在一定的数值以上，并防止油舱内的压力过高。

7.甲板水封
按照规范的要求，在惰忙气体系统中必须装有二个能防止可燃性气体逆流到机舱的装置，其中之一必须是装设在洗涤塔或甲板上并具有较高可靠性的水封装置。

为此，通常多采用甲板水封。

这种装置防止气体逆流的可靠性较高,但是由于结构上的原因，在惰性气体通达时也将会把水封水携人油舱,这是其缺点。

为了解决这-问题,故对甲板水封的结构作了许多改进，并可依进气过程中水封水与气体接触程度的不同而分为干式、半干式和湿式三种。

通常，半于式和湿式的甲板水封,是依靠在气体出口侧设置除沫剂(或在外部另外加装)的方法来防止水封水被带到油舱的。

图5-14 ～5-17即表示各种型式的原理图。

另外，在这种装置的内部还装有蒸汽加热管，以防在寒冷地区使用时水封水冰结。

8.止回阀和主截止阀(也称惰性气体的主阀或甲板隔离阀)
止回阀装在甲板水封和主截止阀之间,同甲板水封一样,它也是为了防止可燃性气体逆流而设置的。

主截止阀装在止回阀与货油舱之间的管路上，设置它的目的是为了在装油等惰性气体系统不运转时，能借以将货油舱与安全区域一侧(从甲板水封到机舱的一侧) 相隔离。

9.压力一真空切断阀(通称P/V切断阀)
它是为了保护货油舱而在以往呼吸阀的基础上再加设的一一个用以维持油舱正压和负压的安全阀。

该阀是在呼吸阀动作不灵或防火罩堵塞以致使货油舱产生过压或负压时,作为辅助呼吸阀动作的第二道安全阀，是船级社规范规定必须装设的阀门(图5-18)。

压力一真空切断阀的工作原理与甲板水封相类似，封人的液体其液面将随惰性气体主管内的压力变化而波动，当高压越过最大的设定压力时,则液体就会与气体-起喷吐到甲板上，同时发出很大的声响，说明已发生异常的现象，而当出现负压时则就会吸人空气，并国样会发出声响。

该阀的设定压力应比呼吸阀稍大一些，亦即以使呼吸网首先动作为原则。

密封用的液体应采用不冻液体(水与油脂的混合液)或润滑油等。

10.排气管
排气管是为了能将情性气体或空气注人货油舱内以排除石油气并提高油舱的换气效率而设置的，它是一- 根从上甲板-直通到舱底附近的中等等直径的立管。

用惰性气体或空气来置换石油气那样相对密度较大的气体特别有效,因为即使气体的注人速度很低，也会由于压力的作用，而将下部较重的气体排出，从而实现有效地置换(图5-19)。

但是，由于这样将会使设备费用增加，而且对排气管的内部也较难进行清洁等原因,故也有很多不装排气管者。

在没有装设排气管的情况下，假使注人气体
的速度很大，则也会使气流到达舱底,然后依靠其与相对密度大的气体的混合与稀释，同样也能缓慢地将气体置换出去，但其效率则就很低了。

11.氧气浓度分析仪
一般都装设氧气浓度计,并须备有固定式和便携式两种。

通常,在惰性气体系统中装用的都是固定式。

依据规范，这种装置应能连续测定、指示和记录气体中的氧气浓度，并在浓度超过设定之值(船级社规定8%，-般较多采用的是5%和8%两个数值)时发出警报。

三、控制系统
为了确保人身和船舶的安全，保护装置本身并维持其应有的性能，惰性气体系统的正常操作还必须由监测仪表、警报器和速闭装置等进行自动控制。

(1)洗涤塔供水不足时,应有低流量式低压警报器发出信号,并由相联的自动装置关闭鼓风机，在洗涤塔的水封中也应有低位警报器和高位警报器。

(2)鼓风机排气压力应由压力表指示，鼓风机发生故障时应发出警报。

(3)甲板水封装置应有低水位或低流量、低压警报装置。

(4)在甲板隔离阀前端应安装压力监测器和连续记录仪，监测甲板总管中惰性气体的压力。

压力降低时应自动报警,并由自动装置关闭货油泵。

(5)必须设置氧含量的监测器和连续记录装置，安装在鼓风机排气侧。

氧含量超过8%时应发出警报。

固定式氧气分析仪，可用来连续地监测烟气和惰性气体的氧含量。

常用的氧气分析仪为顺磁型的，如Servomex OA型。

其工作原理是:氧气为顺磁性，其他许多气体为弱抗磁性。

对气体的磁性测量时，气体中氧含量不同，所测得的数据也不同。

便携式氧气分析仪也可用来检查舱内环境是否已合适地惰性化。

相反，氧气分析仪也可用来检查舱内环境是否能够维持生命，而允许人员进人舱室。

如果对舱内环境是否能维持生命有怀疑，则进舱时必须配戴呼吸器。

四、操作
1.惰性气体系统的操作要点
惰性气体系统通常都是在卸油时进行运转，以便能以良好的惰性气体使货油舱处于微小正压下的惰性化状态，而在此以后不论是在航行、停泊、空载和满载期间，则都只是在为维持其正常状态而需进行补气或进行惰性冲洗时才再次启用惰性气体系统，因此，为了在航行中也能连续地监视货油舱内的压力，就需在驾驶台上也设置远距离压力指示仪表和警报装置。

使用时必须特别注意以下各项事宜:
(1)洗舱前必须从舱内进行取样，以
检验氧气的浓度，若浓度已超过8%，
则就应再次充注惰性气体使其达到
8%以下。

(2)货油舱因受舱内结构的影响，很
易产生气体置换不良的部位，故在进
行气体浓度的测定时，必须予以充分
地考虑。

(3)在进行洗舱后的驱气作业时，为
确保安全起见，应首先用惰性气体将
舱内的石油气排出，以使石油气的浓
度下降，然后再用新鲜空气进行驱气，
亦即按图5-5所示的“可燃爆炸范
围”来说,应当选择A- +B→C的途
径而不应按A-→C的途径来驱气，否
则，驱气的过程就要通过可燃爆炸区
域，是危险的。

2.装置的运转时期
惰性气体系统的运转时期并无什么一成不变的规定，但是按照一般油船的航运作业过程来说，则大致为如图5-20所示。

3.装置的运转操作
如果不谈用空气驱气、补气和进行惰性冲洗时系统的运转，单从向货油舱充注惰气这点而论，则装置本身的运转操作基本上是没有什么差异的，只不过是依据所需气体量的多少，在风机图 5.20 油船航运作业循环和惰性气体系统的操作的使用台数和气体压力的控制方法上存在一些差别而已,因此，在这里我们以"卸油时惰性气体的充注”为例，讲述其正常情况下的运转准备，以及运转和停止的各种操作。

(1)事先必须确认的事项和运转准备:
①确认甲板上的主截止阀、各支管截止阀、盲板和活动挡板都处在全开的位置。

②确认呼吸阀动作正常、主管呼吸旁通阀全关。

③确认P/V切断阀的液封液位正常。

④对惰性气体系统使用的海水泵和风机进行适当的润滑,用手进行盘车试验。

⑤确认甲板水封泄水管的舷外排出阀处在开启状态水封水是在供水状态,同时水封液位正常。

⑥确认洗涤塔、除沫器和风机泄水的舷外排出阀处于打开状态。

通常，它们是处于常开状态。

⑦确认烟气抽气阀到甲板水封这段情性气体管路上的各手动阀都处于应有的开关状态(例如空气人口阀全关,风机进、出口阀全开等)。

⑧接通固定式氧气分析仪的电源,并作好规定的测量准备(注意:有些氧气分析仪必须提前相当长的时间才能完成这项工作)。

⑨向各有关机械供给控制用空气并确认其压力。

⑩将主控制板上的选择开关转到“惰性化"位置。

○11接通主控制板的主电源、警报电源和控制电源，对指示灯和警报装置进行试验，以确认电气系统没有异常。

(2)运转。

完成上述各项确认和准备工作以后，即可随时进行启动和运转。

一般都是在主控制板进行远距离的操作。

①启动洗涤塔海水泵，并依流量表的指示调节流量,使其达到规定之值。

②打开烟气抽气阀,并从主控制板上的开/关指示灯加以确认，如果烟气抽气阀是与风机的启停自动连锁的，则待风机启动以后再确认抽气阀是否已经打开。

③首先启动- 台风机，从风机电动机电流表的指示数值上确认这台风机已经开始正常运转,然后再启动另一台风机，并作同样的校验。

假如还有与风机的启动连锁开关的阀门，则也应通过开/关指示灯对其是否已经正常地自动打开或关闭加以确认。

④按照以上操作，在风机吸人的烟气已被制成惰性气体之后,通过回流管系使惰性气体进行循环然后再慢慢地打开主控制阀,向货油舱内送人惰性气体。

(3)停止及其有关的确认事项。

在卸油行将结束时，由于送人舱内的惰性气体量减少,而回流量相应增加，所以这时即可停止一台风机，假如舱内的压力已经处在足够的正压状态，则也可在货油泵等完全停止之前，即停止系统的运转。

通常,应以卸油完了时仍能维持 5 ~7kPa(500 ~ 700mmH20)的正压状态为前提。

①关闭甲板主截止阀。

②确认主控制阀已经完全关闭。

③停止风机。

④确认烟气抽(阀已经关闭，并将风机进、出口阀关闭。

⑤确认干式(A)型甲板水封的水封水柜已经充人水封水。

⑥让洗涤塔海水泵继续运转-一定的时间，然后再将其停止，以冷却洗涤塔并对其内部进行清洗。

⑦停止氧气浓度分析仪，切断警报控制用的电源和主电源。

⑧确认甲板水封和P/V切断阀的液封液位正常。

⑨检查洗涤塔除沫器风机等可能招致机器性能下降的脏污情况,并用清水进行冲洗或进行清扫。

五、存在的问题
愉性气体系统是对当油船安全作出极大贡献的重要装置。

然面，在装置系统的使用上也还存在些应予注意的问题以及迫切要求今后加以改进的地方。

现将这些惰性气体系统中的问题简要说明如下。

1.关于窒息性气体对人身健康的危害性
低氧的浓度是惰性气体不可缺少的条件,因此也就只能靠采取其他措施来防止吸人惰性气体，特别是在工作人员进舱的时候，务必要事先用新鲜空气进行充分地置换，并认真地检测氧气的浓度，以确认其处在规定的浓度以上，与此同时还要确认惰性气体也不会从其他地方漏人;另外,在甲板上需要到接近惰性气体喷出的地方进行作业时，要从上风侧接近，并离开喷出口50cm以上的距离;站立的姿势也应是使身体横向受风，这样不易吸入惰性气体。

2.惰性气体的静电
刚从风机排出的惰性气体带有高电位的静电，这是已被确认的事实，因此，为了防止在油舱内部尚未达到完全惰性化状态，例如因惰性气体系统发生故障导致舱内侵入了空气,或者向气体状态尚处于可燃爆炸范围的油舱充人惰性气体的最初阶段等的时候发生静电爆炸，就必须严格地遵守国际海运协会( ICS)提出的安全操作规程(它的大概要求是不要进行测深、测量空档和取样等;不要向舱内插人其他器具;即使在充注了惰性气体并静止了30min以后，也只能在所有金属部分都良好接地的情况下,才能进行上述作业。

然而在充完惰性气体继而又静止了5h以后,则就没有问题了)。

3.硫的氧化物对金属的腐蚀。