LNG船防爆安全与惰气

LNG船防爆安全与惰气
1．LNG船液货舱的结构与特点
LNG船的技术温度极为复杂，LNG也是远洋运输货物中最难运载的一种货物，由于它的液化温度为-163℃，所以对LNG船所使用的材料、制冷设备和建筑工艺等要求相当高，尤其是对液舱的双重屏蔽及绝缘设备等设计、制造技术。

LNG船液舱的主要结构形式为薄膜非自持式和非薄膜自持式。

液化气运输船营运相当安全已为航运界公认，其中采用的重要措施之一就是所有液化气运输船的货舱或第一屏蔽外，都留有空间作为监督检查液化气是否从液舱外泄漏，而这些空间是充入惰性气体，其要求取决于液舱的类型和泄漏的可能性，如果不需惰气，空间只是普通的空气储留，空气是干燥或是潮湿取决于液舱是否安全隔热。

2. LNG船的安全与惰气
(1)惰化的原理
LNG船的惰化作业是指用惰气通入货罐对罐内的氧含量或可燃烃气进行稀释，使成为不助燃或不可燃的气体，这个过程称为惰化。

当惰化空气时，依据“国际液化气船安全指南”一书规定，氧浓度为11%以下时，碳氢化合物要连续燃烧是不可能的。

当惰化天然气时，必须连续通入惰气，直至可燃气烃气的浓度足够低，达到无法形成可燃混合气的条件时，然后才能通入空气。

(2)惰气在LNG船上的应用
惰气在LNG船上主要应用在液围系统和液舱的惰化、置换和除气。

液舱或第一屏蔽外表敷设一层绝缘材料，在低温中，绝缘材料是非常重要，绝缘性能的好坏，对防止货物汽化及危险应力的产生影响极大，绝缘层作为舱的保护和隔热，防止热应力的产生。

舱周围充满干燥的的惰气，既能保护绝缘材料的绝缘性能，又能防止舱壳材料腐蚀、稀释或惰化泄漏出来的液滴，或者使用惰气吹扫液滴防止结冰或湿气聚结。

罐捏液化后的天然气，常温时其蒸发压力都远大于大气压，大气中的氧不可能进入罐中，因此它与油船不同，无须字装卸作业中进行惰化作业，但由于天然气是非常易燃的危险品，LNG船进厂修理时、进厂前和出坞后都需要进行惰化和置换作业，需要采用大量的惰气。

另外装天然气到船上的储罐之前，如果在气罐和管系内存在着空气时，需要氮气做媒介，将空气置换掉，才能开始作业。

为了防止发生爆炸事故，气罐内允许的含氧浓度应与岸上储气站工作人员商量后决定。

当修理或检查货舱及管系机械设备时，留存在内部的残留气液需要用氮气置换干净，至关重要的是须将船岸联接的软管和吊臂内存在的空气也用氮气置换干净。

3．船用惰气发生装置的类型与比较
(1)LNG船用一般是指CO2，氮气或者是二者的混合气，由上述可知，LNG船对需用的氮气品质要求随场合的不同有所差异，在液舱周围空间充入的惰气要求干燥、无腐蚀性、含氧量低、纯度高。

而气罐和管系进行惰化、置换和除气时对惰气品质要求相对低，但需求的数量很多，如果使用即使即使岸上提供的氮气，则费用也太高，用户难以承受，所以退而求其次，只好降低对惰气品质的要求。

(2)惰气发生装置类型
惰气发生装置是惰气系统（IGS）的核心部分，按其发生技术原理的不同，惰气发生装置可分为燃烧式、变压吸附式和中空纤维没膜空分式三种类型，而且也是沿着这一顺序发展的。

①燃烧式是依靠燃烧液体燃料将空气中的氧烧掉大部分，提供含氧量合乎要求的以CO2和N2为主的混合气作为惰性气体。

不管是采用哪种燃烧方式惰气发生装置，这套装置都包括了惰气发生器、风机和洗涤塔。

在船用的条件下，所获得的惰气品质在很大程度上取决于
燃料的化学成分，尤其是含硫量，同时也跟其燃烧条件有关。

这种类型的缺点是：
★.装置占用空间很大，安装的空间位置要求很特殊，而且对安装和维护要求更高，否则大不到最佳运行状态，甚至不能可靠运行，比如，其中的蝶阀和烟道阀，由于烟气温度高，灰尘较重，水分和脏物沉积多，阀很容易失灵，通常出现咬死。

整机不能工作。

★.惰性气体中含SO2,腐蚀性很强,对管道材料和安装、敷设有特殊要求；另外，洗涤塔中的滤网容易凝结，影响降温除尘的效果。

★.平时维护非常繁琐，惰气风机每次工作完毕需及时用淡水冲洗，很容易导致其电动机和氧分仪损坏，加上腐蚀和机械的原因，易出现振动，需把风叶送到专业厂家做动平衡试验。

★.对甲板水封的水位要求和管道铺设严格，极易出故障造成危险。

总之，因惰性气体是锅炉烟气、冷却降温，除尘使用的是海水，因此对惰性气体设备的腐蚀性极强，加速设备的老化，故障多多，甚至引起事故，需要经常维护，更换部件，而且对操作和维护人员的要求极高，工作量极大，需要专业性的维修工程队，否则难以保证设备的性能和正常运转。

②分子筛变压吸附式
这种装置的原理是利用活性炭对空气中的氮与氧的吸附力的不同（对氧吸附力很强）而将氮与氧分离制取氮气的。

压缩空气经除油、除尘、除水和加热后，分别进入两个吸附罐，通过几个阀的频繁交替开和关，达到两个罐里面罐压缩空气中的氧被交替增压吸附和卸压解吸从而实现氮与氧的分离制取氮气。

这种装置比燃烧式结构简单、安装要求低，控制操作简便安全，维护保养方便，运行费用低，氮气品质高，纯度可高达99.95%，产氮效果不受船舶运动的影响。

缺点是整机体积较大，船上安装困难，过滤器滤心以及吸附罐中的吸附剂到一定时间会失效，需要换，费用高，启动慢，运行过程中电磁阀频繁动作，极易出故障，只要有一个电磁阀失效则整机不能工作，一般整机寿命比较短。

③中空纤维膜空分式
它是利用高分子中空纤维膜空气中氮和氧等气体具有不同的可渗透性象滤网一样将氮跟氧等气体相分离而制取氮气的，见图1所示。

压缩空气经预处理除去其中的水份、油雾和微尘，并经加热后进入膜，通过膜的分离作用，氧经渗透成为富氧而排出，剩余的即为高纯度的氮气。

氮气纯度和产氮量在一定范围内可根据需要进行调节，工作流程见图2所示。

与其它两种惰性气体发生装置相比，这种装置启动快、效率高、结构紧凑、重量轻、安全可靠、易于集中控制、自动化程度高、操作使用与维修保养非常简单，使用寿命长（10～15年），无任何环境污染，更为重要的是所产氮气的品质极高，并可调节纯度，这是其它惰性气体发生装置所无法比拟的。

另外，这种装置的结构可设计为模块化，膜组件的放置可与装置分离，这样整套装置的安放位置比较随意，对安装空间没有固定要求，这对安装空间受限制的场合尤具意义。

这种装置操作上很简单，只需一人在装置电控箱面板上按有提示的按钮就行了，不需另外专门的培训，因除空压机之外，整个装置没有运动部件，所以装置可靠性极高，平时无需另外专门维护和保养。

⑶综合比较
见下表：
一般而言，从应用范围来看，燃烧式适合于需惰气流量2000NM3/H以上，惰气含氧量不小于5%，对惰气品质要求不太高的场合，如油轮、液货船（LPG和LNG船）主舱的置换与惰化，而变压吸附式和膜空分式适合用于需氮气流量2000NM3/H以下，含氧量5%以下，氮气纯度较高（99%左右），氮气露点很低的场合，如LPG和LNG和化学品船主舱的惰化与置换，管系气的置换和主舱的除气，以及LNG船液舱外围的惰气绝缘保护，液滴清除等。

对于大型LNG船，由于空间太大，若用氮气置换和惰化，需求的氮气量太大，至少5000NM3/H以上，即使使用岸上氮气站提供的氮气，价格也太高，很不经济，因此只能使用燃烧式惰气发生装置，而液货维护系统和管系置换与除气采用变压吸附式或膜空分式惰气发生装置，如芬兰135000M3LNG船采用了一套燃烧惰气发生装置和两套中空纤维膜空分式惰气发生装置。

膜空分式惰气发生装置的优越性已获得了船东和船员的认可，迄今全球已使用了300多套这种装置，它代表了这种技术的发展方向。

4．船用膜空分制氮系统组成
(1)系统构成见图3所示
(2)系统说明
系统主要由船用空压机、膜空分制氮装置、氮气储罐和与舱室接口配套组件及相应电气控制部分等组成。

系统实行联动控制，只要空压机一启动，排气压力渐升，当气压力达到膜空分制氮装置压力开关之设定值时，膜空分制氮装置进入工作状态，而空压机的启动与关闭则由膜空分制氮装置后端的氮气储气罐的压力控制器控制。

氮气压力可达11BAR，管系吹扫、液滴清扫等可直接使用氮气，无需空压机。

5．国外船用相关厂商
※燃烧式：
★挪威的MOSS公司
★荷兰的SMIT公司
※变压吸附式：
★德国的TGE公司
★美国的AIR PRODUCTS公司（PERMEA公司）※中空纤维膜空分式
★挪威的UNIT公司
★美国的AIR PRODUCTS公司（PERMEA公司）。