LPG运输船惰性气体置换方法应用分析.pdf

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1、LPGLPG 运输船惰性气体置换方法应用分析运输船惰性气体置换方法应用分析何志伟;王维;汪超【摘【摘 要】要】为提高 LPG 运输船惰性气体置换作业的经济性,对惰化气体置换常用的 4种方法进行数学建模分析,计算表明,采用真空/充氮相结合方法会取得很好的经济效果；在 LPG 船进坞维修前采用抽真空、充氮气与压水相结合方法可取得理想的经济效果.【期刊名称】【期刊名称】船海工程【年【年(卷卷),),期】期】2013(042)005【总页数】【总页数】3 页(P37-39)【关键词】【关键词】LPG 船;惰化置换;经济性【作【作 者】者】何志伟;王维;汪超【作者单位】【作者单位】武汉金鼎船舶工程设计有

2、限公司,武汉 430062;武汉金鼎船舶工程设计有限公司,武汉 430062;武汉金鼎船舶工程设计有限公司,武汉 430062【正文语种】【正文语种】中 文【中图分类】【中图分类】U674.1液化石油气(LPG)因其良好的经济性、低污染、易储运等诸多优点在世界各国得到了越来越多的使用。惰化气体置换在 LPG 运输船的营运过程中是十分重要的一个环节,一艘 3 700 m3 的 LPG 船每次用于惰化气体置换的费用大约 10 万元人民币，这是一笔不小的开支。如何降低置换开支值得研究1-4。1 常用的惰性气体置换方法1.1 相对浓度差法(推移法)利用气体的相对浓度不同来置换罐内气体。如置换气体的比重

3、大于被置换气体的相对浓度，则从罐体底部注入置换气体，而使罐内气体从罐体顶部溢出；反之，则从罐体顶部注入置换气体，从底部排出被置换气体。这种方法在气体有显著的浓度差时最为有效，置换时所用的气体量亦是最节省的，缺点是受限制较多。1.2 加压稀释法(混合法)将置换气体用较大容量的压缩机或鼓风机注入至液化气罐内，与罐内的被置换气体相混合，以此降低被置换气体的体积浓度。其优点是可以在较短的时间内完成置换作业，缺点是要耗费大量的氮气，而且注入过程能耗大。此方法多用于比重差较小的气体间的相互置换，有时出于安全性考虑，即使比重差较大，也不得不采用此方法。1.3 恒压稀释法将置换气注入至液化气罐内的同时，打开排

4、出阀，由于分子扩散的速度极快，可忽略其混合过程，理想化地认为是瞬间混合均匀，这种方法在比重差相差不大的气体间相互置换时较为节省置换气体。操作过程中要注意的是控制好注入惰性气体时的射流位置、角度和速度。相比于加压混合稀释法，此方法更为节省氮气。1.4 真空稀释法(抽空法)用压缩机将液化气罐内的气体吸出，使罐内剩余气体减少，罐体内达到一定真空度后注入置换气体，从而达到稀释被置换气体浓度的目的，此法多用于全压式或半压式的液化气罐，抽真空与充氮气相结合，抽吸与注入反复进行，直至达到所要求的浓度为止。2 所用惰性气体量的计算LPG 液货舱内氧气含量的“惰化”最低要求，对丙烷来说为 12%，丁烷为 12.

5、4%。根据这个要求，可以用波意尔气体定律计算出降低氧气浓度所需的氮气量，考虑到额外的备用量及管路中的耗用，氮气的总备用量一般为计算所得氮气量的 1.2 倍。如液化气罐容积为 1 000 m3，要求惰化后使气体中的含氧量为 12%，所需氮气量的计算如下。2.1 加压混合法(1)式中：V 氮气标准状态下所需氮气体积；V 液罐液化气罐体积，V 液罐=1 000 m3;，置换前后液罐内的氧气浓度，=21%，=12%。计算得 V 氮气=750 m3。氮气瓶个数(按每瓶装 6 m3 计)为n=7506=125 个。充入氮气后气罐内压力为 175 kPa。2.2 恒压稀释法忽略其混合过程，理想地认为是瞬间混

6、合均匀，并用微分的观点，把注入过程等分成无限多次，无穷小量的稀释过程。记氧气初始浓度为 a,液化气罐体积为 V,注入氮气体积为 X，瞬时注入氮气量为 X，氧浓度瞬时变化量为 a，则瞬时氧浓度变化量为a=a-aV/(V+X)即(2)计算得 V 氮气=-671.5 m3(负号表示耗用)。氮气瓶个数(按每瓶装 6 m3 计)为n=671.56=112 个2.3 相对密度差法所需氮气体积为V=(21%-12%)1 00021%=428.6 m3氮气瓶个数(按每瓶装 6 m3 计)为n=428.66=72 个提取公式：V 氮气=1.2V 液罐(-)(3)通过计算，可见，采取上述单一方法进行惰性气体置换时

7、氮气的耗量由少至多依次为:相对密度差法、真空稀释法、恒压稀释法、加压混合稀释法。在保证安全的前提下,根据置换气体的种类、船舶的设备、作业地点等条件,应尽可能地采取其中的几种方法相结合进行置换，这样可以进一步减少成本、提高效益。3 新船出厂后几种置换方法相结合的经济性分析以武汉金鼎船舶工程设计有限公司设计的 3 700 m3 液化气远洋运输船为例，将几种置换方法相结合来分析 LPG 液货罐惰化作业的经济性。该船设有 2 个容积为 1 850 m3 的液货罐；深井泵 2 台，每罐设 1 台，排量为220 m3/h，电动机功率为 125 kW；LPG 气体压缩机 2 台，排量为 8 m3/min，电

8、动机功率为 110 kW。船上发电机发电 1 kWh 的费用按 1.0 元计算，氮气的价格按 5 元/m3 计算。3.1 单一的氮气置换方法(恒压稀释法)在条件不允许的情况下，不得不选择经济性差的置换方法。如果选择单一的充氮置换时，可以选择更为经济的恒压稀释法。将各数据代入式(2)，所需氮气量为 2 484 m3。氮气费用为 2 4845=12 420 元。3.2 抽真空与充氮气相结合抽真空与充氮气相结合方法受限制小，效果好，较为常用。抽真空至罐内压力为 0.05 MPa，即抽出气体 1 850 m3，然后注入氮气至罐内，压力为 0.1 MPa，即可满足本次置换的要求。耗用电能为1 850 m

9、3480 m3/h110 kW424 kWh。费用为424 kW.h1.0 元/(kWh)424 元。向罐内注入氮气,至罐内压力为 0.1 MPa,此次需要向罐内注入 1 850 m3 氮气，此时罐内氧气浓度为 10.5%12%，满足要求。此次花费为 424+1 85059 674 元。由于其它的置换方法相结合均受较多的限制，在实际的 LPG 液货罐惰化作业中也很少有应用，故不一一分析。3.3 抽真空、充氮气与压水相结合由于淡水的价格不到氮气价格的 1/2，并且也容易得到，如果将氮气的一部分换成淡水，同样可以达到最终惰化的要求。下面计算此种方法的经济性。首先向两个液货罐均注入 1/2 容积的淡

10、水；后采用抽真空/充氮相结合的方法，其中注水 1 850 m3，压缩机排出气体 925 m3，注入氮气 925 m3。淡水价格参照市场价 2 元/m3。置换惰化费用约为 9 588 元。可见，在初次装货前的置换中，采用压水、抽真空、充氮相结合后，费用基本没减少，反而增加了工作量。因为要求的稀释程度不大，所以采用抽真空与注入稀释的方法更为方便合适。4 进坞维修前几种置换方法相结合的经济性分析4.1 恒压稀释法计算同前，所需氮气量为V 氮气=1.2V 液罐(ln-ln)式中：V 液罐=3 700 m3；=100%(液货罐内石油气浓度)；=6.2%(惰化后要求的石油气浓度)。计算得 V12 346

11、m3。氮气费用为 12 3465=61 730 元。可以看出在进厂维修前的置换中，采用单一的恒压稀释法需要大量的氮气，费用是很高的。4.2 抽真空与充氮气相结合抽真空至罐内压力为 0.05 MPa，即每个液罐抽出气体 925 m3，然后注入氮气至罐内压力为 0.1 MPa，即可满足本次置换的要求。耗用电能约为 424 kWh，费用为 424 元。向罐内注入氮气,至罐内压力为 0.1 MPa,此次需要向两个罐内注入 1 850 m3 氮气，此时罐内石油气浓度为 50%；重复上面这一过程，直到罐内石油气浓度6.2%，满足要求为止。重复次数为 0.5n4.009，取 n=4，在置换时多注入一点氮气就

12、可满足要求。总费用约为(424+1 8505)4=38 696 元。可见采用抽真空与充氮气相结合的方法后可以节约成本近 1/2。4.3 抽真空、充氮气与压水相结合首先向两个液货罐均注入 1/2 容积的淡水；后采用抽真空/充氮相结合的方法，其中注入淡水量 1 850 m3，压缩机四次排出气体量为 3 700 m3，注入氮气 3 700 m3。置换惰化总费用约为 24 575 元。由上面计算可以看出，采用压水、抽真空、充氮相结合后，费用大大降低，这是一个非常经济的组合方案。值得注意的是压水过程中要密切关注船舶浮态，注水时要最好两罐同时注入，避免横倾过大，并且根据船舶稳性的计算，允许注入的淡水最大重

13、量也是有限制的，需综合考虑并核算清楚后方可实施。5 结论在新船出厂后的初次 LPG 液货罐惰化的作业中采用真空/充氮相结合会取得很好的经济效果；在 LPG 船进坞维修前，条件允许的情况下，采用抽真空、充氮气与压水相结合进行 LPG 液货罐惰化的作业是非常理想的。参考文献【相关文献】1 张振新.LPG 船置换技术工艺流程J.油气储运，1990，9(6)：57-61.2 黄恒祥.船舶设计手册M.北京:国防工业出版社，1999.3 蔡锦胜.压水、抽真空和充氮在全压式 LPG 船置换中的综合应用J.广东造船 1994(4)：19-29.4 中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范S.北京:人民交通出版社，2005.