（制冷及低温工程专业论文）低温液化气船再液化装置热力分析和操作系统仿真.pdf

m t * 噍j l 热# # * # 作系& 口， 摘要 在我国加入w t o 和海峡两岸实现“三通”后，大量的国外船公司和港、澳、 台船公司必将涌入国内航运市场，这将使国内大部分本来就处于竞争劣势的l p g 船 舶公司面临更加严峻的挑战。因此，如何在短时期内全面提高l p g 船舶公司的专业 管理水平和船员的技术力量就成了迫在眉睫的大问题。无疑，对船员进行模拟器的 训练是较为有效的途径之一。在这方面，美国、英国已经开发出相应的产品，并在 许多国家和地区进行应用。然而，到目前为止，虽然国内在船舶模拟器方面也作了 不少工作，但是在液化气船舶的仿真培训方面，除了广州海运集团培训中心在2 0 0 1 年4 月和英国船商公司签订了l c h s 2 0 0 0 型液货装卸模拟器( 这套模拟器包括油轮、 液化气船和化学品船) 的订单外，国内尚未出现其他类型的液化气船模拟器。全冷 式l p g 船舶在我国的发展只有短短几年的历史，在这期间，产生了许多的问题。液 化气船员整体素质不高是其中的一个重要原因，按照“s t c w 7 8 9 5 ”公约的要求， 对船员进行模拟器仿真培训是一个重要而有效的措施。 基于上述要求，结合上海市高等学校青年科学基金项目，运用计算机仿真技术， 研制了液化气船的仿真模拟器，以供船员进行模拟器仿真培训。在本课题的研究过 程中，主要侧重于操作方面的要求并兼顾其他方面，力求将液化气船的运行特性与 实际操作要求结合起来，建立相应的仿真模型进行研究，开发符合实际要求的液化 气船系统仿真培训训练软件。 经系统测试，该系统运行稳定，模拟效果准确，已达到该软件开发的目的。该 项目的研制成功，对提高航海教育的教学水平和提高学生的动手能力及操作技能， 都具有重要的现实意义，同时有助于我国航运企业现有船员的培训和知识更新。 在本文中，作者首先介绍了国内外液化气船的发展概况，船舶仿真的现状和应 用以及对多种液化气和液化气船进行了简单的介绍；对液化气船舶的核心装置 再液化装置的种类和作用作了简要的叙述；其次，对典型的复叠式再液化装置进行 了有效能分析，对改进装置的性能有一定的帮助。对再液化装置的主要组成部分一 压缩机、换热器、膨胀阀做了较详细性能分析和数学模型，并对液货舱做了较详细 的数值模拟，计算了它的热负荷，并从国际气体公司( l g i ) 选择了相应的再液化 装置。最后，本文对液化气船的基本操作一惰化、驱气、预冷、装货、载货航行、 卸货等用v b ，p h o t o s h o p 进行了物理仿真模拟，模拟的效果比较另人满意。受 水平和经验所限，难免会有疏漏，敬请不吝指教。 关键词：l p g 船，再液化装置，有效能分析，仿真，v b ，复叠式 l - 海 # 。，i * i* 1 t 1 匕蕞i # 口* # * 作系仿l a b s t r a c t al a r g en u m b e ro ff o r e i g nc o m p a n yo fs h i pp o u r e di n t od o m e s t i cs h i p p i n g m a r k e t ，a n dt h i sm a k ed o m e s t i cm a j o r i t yi nl p gs h i p p i n gc o m p a n yf a c em o r e s e v e r ec h a l l e n g e ，w h i c hi s i nt h ei n f e r i o rp o s i t i o ni nt h ec o m p e t i t i o nw i t ht h e a c c e s s i o nt ot h ev 盯o s oh o wt oi m p r o v el p gp r o f e s s i o n a lm a n a g e m e n tl e v e la n d c r e w m a n st e c h n i c a lf o r c eb e c o m ee x t r e m e l yu r g e n tb i gp r o b l e m si ns h o r tt e r m u n d o u b t e d l y ，i ti so n eo ft h ec o m p a r a t i v e l ye f f e c t i v ew a y st ot h et r a i n i n gw h i c hc r e w c a r r i e do nt h es i m u l a t o r i nt h i sr e s p e c t ，u s a ，b r i t a i nh a v ea l r e a d yd e v e l o p e dt h e c o r r e s p o n d i n gp r o d u c t s ，a n dc a r r yo na p p l i c a t i o ni nal o to fc o u n t r i e sa n dr e g i o n s b u tu pt i l ln o w , t h o u g hd o m e s t i ct om a k em a n yt ow o r kt o oi ns h i p p i n gs i m u l a t o r , b u t i na r t i f i c i a lt r a i n i n go fl i q u e f i e dg a ss h i p p i n g ，e x c e p tt h a tg u a n g z h o ut r a n s p o r tb ys e a g r o u pt r a i n i n gc e n t e rs i g nw i t ht r a d e r sc o m p a n yo fb r i t i s hs h i pl i q u i dg o o d so fm o d e l l c h s 2 0 0 0l o a da n du n l o a dt h es i m u l a t o ri nw i l li tb ea p r i l2 0 0 1o u t s i d et h eo r d e r t h a t ( t h i ss e to fs i m u l a t o r si n c l u d eo i ls h i p ，l i q u e f i e dg a ss h i pa n dc h e m i c a l ss h i p ) ， h a v en o tp r e s e n t e dt h el i q u e f i e dg a s s h i ps i m u l a t o r so fo t h e rt y p e sy e ta th o m e l o t s o fp r o b l e m sa r ep r o d u c e db e c a u s eo ft h es h o r th i s t o r yi nt h ec o u r s eo fa l l f r e e z e l p gc a r r i e r sd e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y t h el o w l i n e s sm a k i n go ft h ec r e wi so n eo f t h ei m p o r t a n tr e a s o n s a st h er e q u i r e m e n to fc o n v e n t i o ns t c w 7 8 9 5 ，d i f f e r e n tk i n d s o ft r a i n i n gs i m u l a t o ri ns e a m a na r en o w w i d e l ya p p l i e d b e c a u s eo fa b o v e m e n t i o n e dd e m a n d ，t h i sp a p e rc o m b i n ey o u t h sp r o j e c t o fs c i e n t i f i cf u n do fi n s t i t u t i o nh i g h e re d u c a t i o no fs h a n g h a i ，u s ec o m p u t e r t e c h n o l o g y ，d e v e l o pl p gs h i ps i m u l a t o rf o rt r a i n i n gs e a m a n i nt h ec o u r s eo f r e s e a r c ho ft h i sp r o j e c t ，l a yp a r t i c u l a re m p h a s i so nt h ed e m a n df o rt h eo p e r a t i n g a s p e c ta n dg i v ec o n s i d e r a t i o nt oo t h e rr e s p e c t sm a i n l y ，m a k ee f f o r tt od e m a n dt o c o m b i n et h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dp r a c t i c a lo p e r a t i o no ft h el p gs h i p t o g e t h e r ，s e tu pc o r r e s p o n d i n gm o d e lt oc a r r yo nr e s e a r c h i ti sc o r r e s p o n dt o r e a l i t yl p gs h i ps y s t e m a t i ce m u l a t i o no fd e m a n dt r a i nt h es o f t w a r eo ft r a i n i n gt o d e v e l o p t h r o u g hs y s t e mt e s t i n g ，t h es i m u l a t o rr e s u l to ft h i ss y s t e mi sa c c u r a t e ，t h e d e v e l o p i n gs u c c e s s f u l l yo ft h i sp r o j e c t ，t oi m p r o v et e a c h i n gl e v e la n dm a n i p u l a t i v e a b i l i t ya n do p e r a t i o ns k i l lw h i c hi m p r o v e ss t u d e n t se d u c a t e di nn a v i g a t i o n ，h a v e m r l 1 匕装i # # * # * 1 1 z l r i m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n g s ，c o n t r i b u t et ot h et r a i n i n ga n dr e n e w a lo fk n o w l e d g e o ft h es e a m a no fo u rc o u n t r ya tt h es a m et i m e f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to v e r v i e wo ft h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ll p gc a r r i e r s ，s h i p p i n gs i m u l a t i o n sc u r r e n ts i t u a t i o na n da p p l i c a t i o n ， m a n yk i n d so fl i q u e f i e dg a sa n dl i q u e f i e dg a ss h i p ；k e yd e v i c et oa l l - f r e e z el p g c a r r i e r r e l i q u e f a c t i o np l a n t st y p e a n df u n c t i o nd ot h eb r i e fn a r r a t i o n ； s e c o n d l y ，r e p l yt oat y p i c a lc a s c a d et y p er e l i q u e f a c t i o nd e v i c ei si th a v ee x e r g y a n a l y s i s ，h a v eac e r t a i nh e l pt oi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c e ，a n dh a s m a d et h e a n a l y s i s o f p e r f o r m a n c ea n dm a t h e m a t i c s m o d e lt ot h em a i n c o m p o n e n to fr e l i q u e f a c t i o nd e v i c e ；h a v ed om o r ed e t a i l e dn u m e r i c a is i m u l a t i o n t ot h ec a r g oc o m p a r t m e n to ft h el i q u i d ，c a l c u l a t e di t sh o tl o a d ，t h e nc h o o s et h e c o r r e s p o n d i n gr e l i q u e f a c t i o n d e v i c ef r o mi n t e r n a t i o n a lg a sc o m p a n y ( l g i ) ： f i n a l l y ，t h i sp a p e rm a k es i m u l a t i o no fp h y s i c sf o rl p gs h i p sb a s i co p e r a t i o n - - i n e r t i n g 。p u r g i n g ，p r e - c o o l i n g ，l o a d i n g ，s a i l i n g ，d i s c h a r g i n gb y v ba n d p h o t o s h o pt h er e s u l to fs i m u l a t i o ni ss a t i s f a c t o r y r e s t r i c t e db yt h el e v e la n d e x p e r i e n c e ，u n a v o i d a b l ys l i p ，p l e a s es p a r en oa d v i c e k e yw o r d s ：l p gc a r r i e r ，r e l i q u e f a c t i o np l a n t ，e x e r g ya n a l y s e ，s i m u l a t i o n ，v b c a s c a d e d a iq i a n ( r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f e s s o rl ip i n y o u 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：础窆 日期：逊2 7 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段 保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：红! 篁导师签名： 期：z 煎： ： * _ ；每， 掌论女 温m * 1 * m 1 晡i # 2 * 十* 作系n 口真 引言 随着世界石油气工业的发展以及经济发达地区能源供需矛盾的日趋紧张，石油 气的国际贸易日益频繁，液化气体燃料运输船的需求不断增长。低温液化气船是 技术密集型的多用途、高附加值液化气运输船，用于运输丙烯、丙烷、丁烷、氨、 单体氯乙烯等多种供作化工原料的液化气。液货贮存于压力容器型的液舱内，液舱 外壁有保温材料隔热并设有再液化装置以控制液货的温度和压力，使液货能在较低 的压力下进行运输，能有效降低液货舱舱壁的厚度，进而降低船舶造价、增加货运 量，具有较高的航运经济性。挪威、法国、日本等国在这方面的研究处于领先， m o s s m a r i t i m e 公司已经研制出了应用于l n g 船的再液化装置。我国在消化、吸收国 外先进技术的基础上，已开始独立设计建造大型低温l p g 船。 2 0 0 0 年初，交通部和对外贸易部首次允许国外船公司在中国设立独资公司。大 量的国外船公司和港、澳、台船公司必将涌入国内航运市场，这将使国内大部分本 来就处于竞争劣势的l p g 船舶公司面临更加严峻的挑战。因此，如何在短时期内全 面提高l p g 船舶公司的专业管理水平和船员的技术力量就成了追在眉睫的大问题。 无疑，对船员进行模拟器的训练是较为有效的途径之一。 1 氐* _ | 葭* 1 * _ n * l # 镕# 自* ”l 口# 1 1 国外液化气船的发展概况 第一章概述 液化气船的发展与石油化工的发展密切相连，人们在开采，加工石油过程中发 现了储量丰富的石油气和天然气，它们既是使用方便、热值高、污染小的燃料，也 是重要的化工原料。然而，石油和天然气在世界各地的分布并不均匀，这必然要涉 及到长途运输问题。由于地理环境和运输成本的原因，很多时候采用的是海上运输。 另外，许多化学气体，如氯乙烯、乙烯、无水氨、环氧丙烷等，它们的理化性质和 石油气、天然气相近，也存在着相同的储运问题。因此，国际上许多机构为解决此 类问题，竞相投入大量的人力物力，致力于研究和发展这些气态货物的海上运输。 由于运输成本的原因，这些气体需要液化后才经济可行。液化气船就是一种将 这些液化后的气体运输到消费地或中转站的海上运输专用工具。 l p g 船舶主要有全压式、半冷半压式和全冷式等。对于全压式l p g 船舶，前 人已经作了大量细致的工作，而l n g 船舶在我国还没有得到普遍使用，同时，它 和全冷式l p g 船舶有很多相似之处。此外国际上对于全冷式l p g 船舶的研究也不 是和很多，因此本文主要针对全冷式l p g 船舶进行研究，这既是对前人工作的继承， 又为以后l n g 船舶的研究提供了必要的参考。 世界上第一艘专用l p g 船a g n i t a 号产生于上个世纪2 0 年代，它式由一艘油轮 改装而成，此后的相当长的一段时间里液化石油气船都是由旧船改装的。直到四、 五十年代，随着欧洲经济的发展，各国开始大量使用液化石油气，一些国家才开始 液化气体专用船方面的研制工作。整个5 0 年代，液化气海上运输采用的是常温加压 方式，这种方式使得船舶装载容积小。为了增大载货量，降低造船和运输成本，制 冷技术被引入到液化气运输中来。1 9 5 9 年，第一艘半冷半压式液化气船“d e s c a r t e s ” 号由英国一家船厂建成。船舶冷藏技术的应用使得液化气船从此进入一个新的阶段。 炼钢技术的发展和耐低温材料技术的革新，又使得全冷式液化气船在上世纪六十年 代顺利建成。在此后的几十年里，液化气船舶虽然在原理上没有什么改变，但在具 体的结构形式和设备等方面则一直处于一个不断完善的过程。液化气船队也经历了 一个不断发展壮大的过程。 1 2 国内液化气船的发展状况 我国l p g 船运市场的发展，是从1 9 8 8 年3 月中国第一艘l p g 船“安龙”号投 1 r m t 匕1 m 茛1 t # l * 镕* 弃口# 作系仿， 入海运。随着l p g 船装卸码头、储库及大型冷压气库的陆续建成使用，l p g 的消 费量和船运量也迅速增长。现在，全国已经有各类l p g 船舶8 0 余艘，船型种类从 刚开始的单一全压式小型液化气船，发展到目前较齐全的各种船型。 上世纪9 0 年代以来，我国l p g 消费年均增长超过2 5 ，2 0 0 0 年，国内l p g 消费量为1 4 5 4 万吨，成为仅次于美国、同本而位居第三位的国家。但因为我国人口 众多，人均l p g 消费量在全球仍属于较低水平，l p g 在中国的需求量仍在不断增 加。但国内l p g 的巨大消费并不意味着l p g 船运量会大量增加。 进口量增幅的减缓，直接影响到国内l p g 船舶的营运。导致l p g 船舶航运市 场不景气的原因很多，除了国内l p g 产量大幅增加和进口石油气价格因素外，还集 中体现为：船型结构不合理，小型船居多、大中型船偏少；老旧超龄船居多、新船 较少；船舶公司专业管理水平和船员技术力量等方面较为薄弱；从2 0 0 0 年“北气南 运”的资料显示，从北方运往南方各省的1 0 0 万吨l p g 中，船运量仅占5 5 ，其 余为火车槽运和汽车槽运。 1 3 计算机仿真技术简介 仿真是利用仿真对象( 系统和环境) 有效的模型( 物理模型或数学模型) ，以适 当的运算工具实现的一种实验，从中可以得出此模型所表现出的动态性能或行为， 这个动态性能和行为与实际对象的动态性能和行为是近似的。在仿真时可以模拟各 种环境，以预测实际系统对不同环境的适应情况。当以计算机作为运算工具时，该 仿真就称为计算机仿真。电子技术与信息技术的迅猛发展，电子计算机的广泛应用 和普及，使计算机仿真技术也得到飞速地发展和应用。 由于计算机仿真是在模型上进行实验，具有经济、安全、可靠、试验周期短等 特点，因此广泛应用于工程领域中的航空、航天、航海、石油、化工、机械制造、 钢铁、冶金等，以及非工程领域中的生物、医学、社会经济、工业管理等部门的各 个方面，如： 1 工程设计：利用计算机寻找最佳的设计方案、最合理的参数、最恰当的功能。 2 研究：用以验证新的理论和技术，考核新研制的控制器或预调控制器。 3 生产管理：如流水线的生产、电话交换系统等方面。也可用于对发展的预测， 如传染病的传播和控制、人口的发展等过程的远期预测。 4 教育与训练：通过仿真实验可以增进学生的感性认识，并在较短时间内完成 多种不同方案的试验。利用仿真训练器可以对工厂生产过程的操作人员、飞机舭船 的驾驶员以及轮机管理人员等进行训练，既安全又能在室内进行。 * * ：， 掌* i k * a 1 匕 1 t j l * # * $ * n 系口_ 真 1 4 模拟器( s i m u l a t o r ) 的研制 模拟器是指在实验室环境下，利用计算机仿真技术对仿真对象的实际动作进行 再现的设备或系统。从技术的角度上讲，模拟器的研制是要对模拟器的性能、真实 性以及所花费的代价等来综合考虑。同时对仿真对象的范围、精度、动态性和动作 的条件以及与其他系统的相通性等，要求严格把握。 模拟器的研制已有很长一段历史。1 9 2 9 年，飞机驾驶人员的操纵训练模拟器的 研制成功，揭开了训l 练模拟器的研制与开发的序幕。在第二次世界大战时期，飞机 投入战争。模拟计算机的出现，使近代训练用模拟器开始投入实际使用阶段。6 0 年 代数字计算机的开发，可使真正的实时仿真通过数字计算机来完成。今天，计算机 技术的发展，使模拟器能广泛地应用到社会和科学技术研究的各个方面。按照模拟 器应用的目的可分成以下的四个方面： 1 教育、训练用： 2 科学研究、开发用； 3 试验、实验、工况优化用； 4 监测、控制用。 模拟器的研制是在科学技术的发展、人类设计和使用机器日趋复杂的情况下发 展起来的。世界上的所有的仪器设备和系统都是由人来设计的，也是为人而设计的， 而且也由人来使用。而人的因素、人与机器的关系正是人机工程学中科学研究的内 容。在研究人、机工作，人对机器的操作和机器的关系中使用仿真技术的模拟器是 最佳的手段。模拟器可以应用在航空、航海、工业控制等方面。随着世界海运业的 发展，模拟器在船舶方面的应用也日益加强。 1 5 船舶仿真现状及其优点 随着船舶自动化程度的提高以及计算机技术在船舶自动化中的广泛应用，我国 各航海院校近年来也相继引进或研制模拟器，并在船员教育和培训中开展模拟器训 练。 模拟器仿真在船员教育和培训中的大量使用，受到国际海事组织的特别关注， 并在s t c w 7 8 9 5 公约中对模拟器仿真培训提出了要求。1 9 9 7 年1 0 月，我国港 务监督局以港监字( 1 9 9 7 ) 3 6 9 号文颁布了中华人民共和国散装液体货船船员培 训、考试和发证办法( 简称“9 7 液货船办法”) ，也对液货船模拟器的仿真培训和 评估作出了相应的规定。 a - 藏 匕1 * * 化装置# j 2 * 耳口目i n l 口， 船舶仿真主要是利用计算机技术将船舶设备及其系统的运行状况编成模型，做 成软件，存储在计算机内，并可进行操作、值班和故障诊断及排除的现代化模拟教 学设备。通过训练可使学员获得船舶设备的各种简单知识。例如，船舶的惰化、装 卸货流程、载运航行、再液化装置的运行等操作。 船舶管理是一项实践性很强的技术。学生的实船训练对于管理技能的掌握是必 不可少的。仿真训练虽然不能完全代替实船训练，但它所进行的某些培训非常有效， 甚至是实船都难以实现。它具有许多独特的有点，归纳如下： 1 可进行综合训练并节省大量人力、物力和财力。与实船训练系统相比，仿真 训练没有庞大的机舱机械设备( 一台主机要以百万美元计) ，所以它不仅节省了大量 的投资费，而且在维持正常运转中不消耗大量的燃油、蒸气、水电等，可大大节省 能源和日常维修用。据有关方面估计认为：仿真训练的费用是实际训练所需的 1 8 1 1 0 。 2 了解和掌握机舱设备的正确操作程序，提高学员水平，可在短时间内学会与 积累前人的经验教训，通过训练使学员感到真切并能熟记。 3 通过透明处理或剖面处理等方式生动而形象的解释某些复杂或难于描述的设 备的工作原理或运行情况。 4 适应各类学员的训练，并可监测训练过程中和实操结果进行评估。仿真训练 的程序和项目能适应不同实践水平的各类学员。对操作级学员的培训可主要进行日 常值班和简单修理方面的训i 练。而对管理级学员则可进行自动控制训练等方面的培 训。同时，可在训练中改变压力、温度等运行参数。并根据实操项目的评估标准及 规范对学员的实操情况进行评估，科学、客观地得出评估结果，以满足s t c w 公约 提出地对船员地任职技能水平进行评估地要求。 5 除了可满足教学培训任务之外，还能够适应科研及其他方面地专题地各种需 要。因为仿真过程中一些运转参数之间地关系是随机的，所以可以通过仿真对一些 研究课题进行试验，而这种试验同实船试验相比，显然要经济、方便和安全得多。 模拟器仿真训练作为一种现代化教育手段，对提高海上专业的教学质量、学员 的实际操作和故障分析能力有巨大的作用，可以提高船员教育和培训的科技含量和 教学效果。目前，仿真教学已得到广泛的应用，并作为适任性考试和评估的重要手 段之一。在美国、荷兰和法国已在考虑应用仿真训练替代一部分时间的海上实习， 我国也陆续建立多家海员仿真培训中心，但同欧美一些国家相比，还有不小差距。 k n & ，匕t * 1 匕装i # # * # * ”系航口l 2 1 液化气货品的介绍 第二章液化气和液化气船 一般而言，液化气体是某种物质的液体状态，该物质在常温、常压下是气体。 由于气体物质密度低，贮存运输时占据较大体积，因此从经济角度出发，海上运输 和贮存时需将气态货物液化成液体，例如：石油气( 主要成分是丙烷) 经液化变成 液化石油气( l p g ) 后，体积仅为气体时的1 2 5 0 ；天然气( 主要成分是甲烷) 经液 化变成液化天然气( l n g ) 后，体积仅为气体时的1 6 2 5 。 国际海事组织( i m o ) 制定的液化气体船国际气体规则( i g c 规则) 明确规 定了液化气船适载的液化气货品的定义：“温度在3 7 8 时，饱和蒸气压力超过 0 2 8 m p a ( 绝对压力) 的液态物质及理化性质和这些液化气体相近的其他货品。”表 2 1 列出一些液化气体在3 7 8 c 时的饱和蒸气压力和在大气压力下的沸点。 表2 - 一些液化气体在3 7 8 c 时的饱和蒸气压和在大气压下的沸点 液化气名称3 7 8 时的饱和压力大气压下的沸点 ( 绝对压力) m p a 。c 甲烷( c h 4 )气体+ 一1 6 1 5 丙烷( c 3 h 8 ) 1 2 94 3 正丁烷( c 4 h l o ) 0 3 6o 5 氨( n h a ) 1 4 73 3 氯乙烯( c 2 h 3 c 1 ) o 5 71 4 丁二烯( c 4 h 6 ) 0 4 05 环氧乙烷( c 2 h 4 0 ) o 2 7+ 1 0 7 甲烷的临界温度是8 2 5 c ，临界压力为4 4 7 m p a 。 按照上述定义，环氧乙烷( c 2 h 4 0 ) 不符合定义所规定的液化气体要求，但是 由于该物质在大气压下的沸点也较低( 1 0 7 ) ，很难采用液化气体以外的方式进行 运输，因此i m o 也将它列为i g c 规则包含的“液化气体”之中。同样，一些化学 品如乙醚、氧化丙烯和异戊问二烯，严格来说都不能列入液化气体，但是由于它们 海海事 掌* i a ，匕1 + 寝化# i 热镕* 自# g g 系m 仿真 的饱和蒸气压较高，对人体有危害并易燃烧爆炸，因此i m o 把这些化学品和类似的 化合物也看作是液化气货品。当然，海上运输这些货品时，除了要遵守i g c 规则之 外，还要同时满足i b c 规则的要求，而且在运输时不能装载在整体式的液舱中，而 只能装载在独立式液舱中。 2 2 液化气的成分 i g c 规则中的液化气货品有3 2 种，但在液化气海上运输中，最常见、运输量最 大的是作为能源用的液化天然气l n g 和液化石油气l p g 两种。下面主要介绍下后 者。 1 液化石油气的成分 l p g 是液化石油气( l i q u e f i e dp e t r o lg a s ) 的英文缩写。液化石油气即“被液化 了的石油气”，其本身在常温常压下是气体，为了便于运输和贮存，通常采取加压或 制冷或两者兼施的方法，将其液化成液体。 液化石油气是碳氢化合物的混合物，主要成分是丙烷和丁烷，但是由于生产和 净化的不同原因，l p g 主要是由俗称碳三( c 3 ) 和碳四( c 4 ) 的一种或多种烃类化 合物组成，这包括丙烷、正丁烷、异丁烷、丙烯、丁烯一l 、顺丁烯一2 、反丁烯一2 和 异丁烯等8 种成分；以及少量俗称碳一( c 1 ) 、碳二( c 2 ) 和碳五( c 5 ) 的物质组 成，这包括甲烷、乙烷、戊烷、乙烯和戊烯等成分。此外还有微量的硫化物、水蒸 气水和其他非烃类杂质。液化石油气的来源不同，其各种成分和含量也不同。为了 准确了解l p g 的成分和含量，通常使用气相色谱仪对l p g 进行定性和定量的分析。 2 l p g 的来源 ( 1 ) 源于炼油厂石油气 炼油厂石油气是石油炼制和加工过程中产生的各种气体的总称，其总量取决于 炼油厂的加工方案和加工深度。对采用燃料油润滑油浅度加工方案的炼油厂，炼油 厂石油气总量约占入厂原料重量的4 5 ；对采用纯燃料油深度加工方案的炼油 厂，炼油厂石油气总量约为入厂原料重量的6 9 。 炼厂石油气由于采取的加工工艺和设备不同，因此炼厂石油气的组成和产量也 各不相同，大致可分为下列五种：蒸溜气、热裂化气、催化裂化气、催化重整气和 焦化气等。其中催化裂化气，是国内生产供应民用l p g 的主要来源。从催化裂化气 中回收得到的l p g 的产率，约为催化裂化原料油量的8 1 3 。催化重整气产率 约为原料重量的3 5 ，目前国内产量仅次于催化裂化气。 * 1 乞1 m l t # i m - 2 * 弄口* 作系# 口l ( 2 ) 来源于石油化工厂的副产品 石油化工厂用石油的一些产品如甲烷、乙烷、石脑油、轻柴油等作原料，以生 产合成氨、甲醇、塑料、合成橡胶以及各种化：【产品。与此同时，也副产部分l p g 。 目前国内只有少数石油化工厂将副产的l p g 用作民用燃料。 ( 3 ) 来源于油田伴生气 在石油开采过程中，石油和油田伴生气是同时喷出的。油田伴生气含6 0 9 0 的甲烷和乙烷，1 0 4 0 的丙烷和丁烷、戊烷和其他重质烃。利用装在油井上面的 油气分离装置可使石油和伴生气分离，然后再利用吸收法将油田伴生气的各种碳氢 化合物分离，从而提取得到l p g 。 ( 4 ) 源于天然气 天然气和石油气往往共同蕴藏在地壳中，气田开采出来的原始气体通常含有甲 烷8 5 , - 9 5 ，c 3 和c 4 约含2 5 。可采用压缩、吸收、吸附或低温分离的方法， 将其中的c 3 和c 4 分离出来以获得l p g 。 3 l p g 的用途 ( 1 ) 家庭和工业的优质燃料。l p g 热值高，燃烧清洁，与l n g 一样，是城 市燃气的主要气源。 ( 2 ) 石油化学工业的重要原料。l p g 用作合成橡胶、合成纤维、合成树脂和 塑料等产品的原料。 ( 3 ) 理想的汽车燃料。l p g 气体燃料燃烧平稳均匀，比汽油等污染少，并且 有良好的启动性能。从环保需求出发，许多国家城市正在推广l p g 作为汽车燃料。 对于汽油机可较容易改用l p g 。柴油机较难，但l p g 可作为柴油机的辅助燃料。 ( 4 ) 其他用途。如用作溶剂，l p g 的丙烷也可用作制冷系统的制冷剂等。 4 l p g 的性质和特点 l p g 是c 3 和c 4 的混合物，货品的组成会影响其理化性质和有关数据。以下仅 对l p g 的一些物理化学性质以及这些性质在使用中的重要性做一些简单介绍。 ( 1 ) 气态时比重大，比空气重1 5 2 1 倍。丙烷、丁烷在标准状态下的气态密 度分别为2 0 1 k g m 3 和2 7 k g m 。 ( 2 ) 液态时比水轻，比水轻约一半。 ( 3 ) 石油气能在常温下加压液化和常压下降温液化，又能在常温下气化。从 气态转变为液态时，体积缩小2 5 0 3 0 0 倍。丙烷和正丁烷在大气压下的沸点分别 为4 2 3 和一0 5 。 ( 4 ) l p g 液体溶剂膨胀系数大，是水的1 6 倍。温度上升，液相体积膨胀大。 ( 5 ) l p g 易燃易爆。它的爆炸极限范围较窄，约为1 5 9 5 ，而且爆炸下 低m r 气船 装i 热力2 # p * t f 系g 口l 限比其它可燃气体低，这意味着泄漏少量的l p g 就可能与空气形成爆炸性混合气体 而使环境处于危险中。 ( 6 ) l p g 液体汽化潜热大，液态l p g 喷出接触人体皮肤时，会迅速气化而吸 收人体皮肤表面的热量，造成皮肤冻伤。 ( 7 ) l p g 热值高，约为2 2 0 0 0 k j m 3 2 9 0 0 0 k j m 3 ，是城市优质燃气，但燃烧需 要的空气量很大，完全燃烧约需2 0 3 0 倍的空气量，使用场所必须通风良好，否则 易发生使人中毒或窒息的事故。 ( 8 ) l p g 是石油产品，与同簇溶解性好，在酒精、乙醚和高于乙醇的高醇中 能完全溶解，在油脂( 除蓖麻油外) 中能完全溶解。对橡胶软化性强，在l p g 货物 系统中必须使用耐油和耐酸碱材料( 如合成橡胶、聚四氟乙烯、丁晴制品等) 。l p g 基本不溶于水。 ( 9 ) l p g 饱和蒸气压较大，随温度升高而加大。 ( 1 0 ) 当温度低于露点温度或压力大于饱和蒸气压时，l p g 气体容易产生凝液， 管道管网输送l p g 气体时，应防止l p g 气体液化。 ( 11 ) 自燃温度为4 0 0 。c 5 0 0 ，火焰温度约为2 0 0 0 。c ，闪点在1 0 4 一8 0 之 间。 ( 1 2 ) 纯净的l p g 无色、无味、无毒。但如货品不纯，含有较多硫化氢等硫化 物时，可能会有微毒，对人体中枢神经有麻醉作用。当空气中含有1 0 ( 体积) 的 l p g 时，只要呼吸2 m i n 就会引起头昏。l p g 残液中的c 5 也能麻醉神经，使人恶心、 呕吐、晕倒甚至休克等。 ( 1 3 ) l p g 化学性质稳定，与空气、水和其他液化气货品无危险反应( 但与氯 可能有危险反应) 。由于l p g 是非腐蚀性物质，与常用的金属无反应，如低碳钢( 0 以下不适合) 、不锈钢、铝等。 ( 1 4 ) l p g 通常可通过加压、全半冷冻等方式运输，使用的船型为2 g 2 p g 。 2 3 全冷式液化气船及其液货舱的简介 液化气船是指将一些气态碳氢化合物( 通常是从原油精炼过程中或石脑油等分 解过程中制取，同时也可通过从油井和气井中提取的天然气中分离而取得) ，以及其 它一些特殊气体( 如氨、氙、氧、氯、氮等) 经液化后在一定温度和压力下进行运 输的船舶，它是一种近半个多世纪以来出现的全新船种。 * * ：， # * im & ，匕1 # ，匕# j l * a # * * * 作系筑仿真 按照载运的货物以及装载条件的不同，液化气船可分成6 个不同类型，即：全 压式运输船；半冷半压式运输船；半压全冷式运输船；全冷式液化石油气运输船； 乙烯运输船；液化天然气运输船。这些液化气船舶的货物运输状态如图21 所示。 二苴b 大气压f 沸点 鼬 b 譬一1 声 _ f l _ 。临界温度、s 9 ：，f怦多0 i，肿 ，町； ai 诵- 7 ：互a u ，r if j ，：声矽j 扔明 | ! _ j m - ， + 雄 ， 【r ，l 绷 ， 【1 - 一i ，一 i 镰，。 旷】_ ，i ，j 一、 j ，_，【西7 ，m7j 一砌7 ，-姒l r ?1，化-少z j 矿ir 卅 r妥孟 il ，比蚴乙 f 【堪l lll 槲e 舯。： 如。兰 船8 暑 3 0 0 = 2 5o 2 0o 1 40 20 70 6 o 50 4 o 3 o 25 2 0 6 4 2 o 0 8 ( ) 图2 - 1 液化气体货品的运输状态 2 3 1 全冷式液化气船 全冷式运输船在接近大气压下运载货物，一般设计用来运输大宗的液化石油气 和氨。该类船采用4 种不同的货物围护系统：带有双层壳的独立型液舱；带有舷侧 单层的独立型液舱但具有双层底和斗舱；整体液舱和半薄膜液舱。后两者均有双层 壳。应用得最广泛的是带有舷侧单层壳的独立液舱，该液舱为a 型棱柱形自持式， 最大工作压力为0 0 7 m p 。( 表压) 。液舱用耐低温钢建造，能够运载温度低至一4 8 。c 的 货物。全冷式船的载货容积从1 0 0 0 0 m 3 至1 0 0 0 0 0 m 3 。 一艘典型的全冷式液化石油气运输船可多达6 个液舱，每个液舱设有横向防荡 舱壁及纵向舱壁以改善船舶稳性。液舱通常以木挚块支承并与船体滑动连接，能允 许膨胀和收缩，同时防止在静载荷和动载荷下产生移动。液舱还设置了防浮垫块， 由于是在低温条件下载货，必须配置绝热材料和再液化装置。 全冷式气体运输船在操作灵活性方面受到一些限制。但是，常常采用货物加热 器和增压泵以便卸货至压力式储罐。 若为a 型液舱，则需要一个完整的次屏壁。当运载易燃货物时，货舱处所必须 惰化。压载水装载在双层底舱、顶边水舱或者压载边舱中。 1 t t n # 1 t l i * # * 耳口* # 系口l 23 2 液货舱的形式 液货舱是指专门设计用来装载液体货物的主要容器。i g c 规则把液货舱分成五 种类型：独立液舱( a 、b 、c 型) 、薄膜液舱、半薄膜液舱、整体液舱、内部绝热液 舱。其中独立液舱和薄膜液舱最重要，目前大多数液化气船的货舱均属于这两种类 型中的一种。 1 独立液舱 这类液舱完全由自身支持，并不构成船体结构的一部分，也不分担船体强度， 主要取决于设计压力的大小。它有三种不同类型：a 型、b 型和c 型。 ( 1 ) a 型独立液舱 其设计主要应用公认的船舶结构分析方法，它主要由平面结构组成，其最大的设 计蒸气压力值不得超过o 0 7 m p a ( 表压) 。这种货舱通常必须在大气压或接近大气压( 通常 低于o 0 2 5 m p a 表压1 下以全冷方式运输液货。液舱形状通常为棱柱形。载运货物温度 低于一1 0 。c 的a 型独立液舱，需设有次屏壁以保护船体免受低温损伤。图2 2 表示全冷 方式液化气船的a 型独立液舱的剖面。它是应用常规内部加强的自身支持的棱柱形液 舱。 图2