液化气船液舱氮气置换方案

液化气船液舱氮气置换方案氮气置换指的是用纯度很高的液氮将液化气船舶货舱中的货物蒸汽(烃类气体)或空气全部替换成氮气的过程。这是船舶进厂修理、坞修出厂或更换货种前必须进行的一项工程。由于液氮价格较高，所以液氮的用量会直接影响置换工程的总费用。因此，科学、合理采用置换方案，对每一个液化气船舶运输公司都具有重要的意义。下面我们假设一种情况，来分析和比较采用不同置换方案所消耗的液氮数量。假设有一艘LPG船舶，总舱容2000m³，共有2个液舱，分别命名为1#液舱和2#液舱，每个液舱舱容为1000m³。要求置换后，舱内氧含量小于0.2%（装载丁二烯的要求）,并对每个罐体进行1.4MPa的强度和气密性试验。氮气置换中需要用到的参数：a.常态下，1立方米的液氮完全气化后可以产生647立方米的气态氮；b.大气中氧气含量为21%。一、分舱逐步置换法分舱逐步置换法指的是对每个液舱逐步进行置换的方法。下面我们以上述假设为例，详细阐述该置换方法的原理及过程。1.向1#液舱内冲入液氮，使舱内压力逐步升高到我们要求的强度和气密实验压力1.4MPa。注意在充装液氮的过程中要使压力逐步升高，例如可以使压力由0.2MPa→0.4MPa→0.6MPa→0.8MPa→1.0MPa→1.2MPa→1.4MPa逐步升高，直至达到要求值。每达到上述一个值后，保压30分钟后再继续充装液氮，这样做的目的是让舱内液氮充分气化并分散均匀。当舱内压力达到1.4MPa时，若其舱内氮气与空气混合完全均匀，这时舱内含氧量理论上应降至1.5%(理论算法，21%/14=1.5%，下同)。2.连通1#和2#液舱液相管线，让1#液舱内的氮气通往2#液舱。若两罐体及管线完全气密，当达到稳定后，两个液舱舱内压力理论上应为0.7MPa，但实际值通常会小于0.7MPa，因为管线中也会残留一部分氮气，同时也不排除部分管线、阀门处有轻微泄露的现象。这时2#液舱内氧含量理论上降至3.0%，但实际通常会略高于这个值。3.关闭连接1#和2#液舱的管线阀门，将1#液舱内氮气排出后继续通入液氮，每次通入液氮1.6m³(理论上应为1.546m³，理论算法：1000/647=1.546)，这时1#液舱理论上压力上升大于0.1MPa，舱内氧含量理论上为0.75%。但此时对该舱而言，我们关心的不再是压力问题了，而是舱内氧含量。按照上述方法如此反复通入液氮3次，每次通入1.6m³，待舱内气样稳定后，理论上1#舱内氧含量应为0.188%(满足我们的要求，小于0.2%)。至此，1#液舱定压实验和舱内氧含量测试已完成。4.向2#舱内通入液氮，使舱内压力逐步升高到14KG，切记要逐步升高，每上升0.2MPa，保压30分钟后再继续充装液氮。当该舱内压力达到1.4MPa时，舱内氧含量理论上应降为0.43%。5.2#液舱定压试验完成后，将舱内氮气排出一部分，使其压力下降，以免后续通入氮气时舱内压力过高而造成危险。6.当2#液舱内压力降至安全值时，再次向舱内通入液氮，每次通入1.6m³，方法同“步骤3”。如此反复进行2次，罐内氧含量理论上会降至0.107%(满足我们的要求，小于0.2%)。7.至此，1#和2#液舱定压试验和舱内氧含量指标均已达标，其中1#液舱内氧含量理论值为0.188%，2#液舱内氧含量理论值为0.107%。现在我们来计算采用分舱逐步置换方案所需的液氮总数量，其中“步骤1”消耗液氮21.64m³(理论算法：1000/647×14=21.64)，“步骤3”消耗液氮4.8m³(算法：1.6×3=4.8)，“步骤4”消耗液氮10.82m³(理论算法：1000/647×7=10.82)，“步骤6”消耗液氮3.2m³(算法：1.6×2=3.2)，理论上总计消耗液氮40.46m³。二、同步置换法同步置换法指的是对所有液舱同时进行置换的方法。下面我们同样以上述假设为例详细阐述该置换方法的原理及过程。1.同时向1#和2#液舱内冲入液氮，使两液舱内压力逐步升高到1.4MPa。在一定时间段内观察两液舱内压力是否下降，以断定强度及气密性试验是否达标。这时，两液舱舱内氧含量理论值为1.5%。2.打开1#和2#液舱气相阀，将舱内氮气排出，使舱内压力下降，等压力下降至一定值时(一般为0.4-0.5MPa)，再向两舱内通入液氮，每次向每个舱通入液氮约1.6m³。如此反复通入液氮3次，待舱内气样稳定后，理论上两液舱舱内氧含量应为0.188%(满足我们的要求，小于0.2%)。3.至此，1#、2#液舱强度及气密性试验完成，舱内氧含量达标。两液舱舱内氧含量理论值均为0.188%。现在我们来计算采用同步置换方案所需的液氮总数量。其中“步骤1”消耗液氮43.28m³(理论算法：2000/647×14=43.28)，“步骤2”消耗液氮9.6m³(算法：1.6×3×2=9.6)，理论上总计消耗液氮52.88m³。综上，我们不难发现，采用分舱逐步置换方案比同步置换方案能够节省更多的液氮，从而大大降低置换总费用。下表给出两种置换方案的优缺点：置换方案液氮用量所用时间操作繁杂程度经济效益对大气污染影响分舱逐步置换少多繁琐较高小同步置换多少相对简单较低大在实际的置换工程中，由于受当时置换环境因素(环境温度会影响液氮气化率)、船舶和置换服务商的设备(阀门、管线的密封性以及管线的长度直接影响液氮的用量)等因素的影响，实际使用液氮量一般会大于上述理论计算值。在此建议广大液化气船东在选择上述方案置换时，要多预备3—5m³的液氮，以保证置换的彻底性。近年来，随着技术的不断进步，水置换也不断