淺述船用變壓吸附式制氮系統的設計與檢驗

李再承

(中國船級社南通辦事處，江蘇 南通 226006)

0 引言

目前，船用惰性氣體系統中惰性氣體一般有兩種形式，一種是含氧量小于5%的煙氣，另一種是含氧量小于5%的氮氣。國際海事組織(IMO)通過的《國際海上人命安全公約》(簡稱“SOLAS公約”)以及《國際消防安全系統規則》(簡稱“FSS規則”)對液貨船配備惰性氣體系統有明確的要求，但主要是針對煙氣式的。船用制氮系統作為煙氣式惰性氣體系統的等效系統，同樣需要符合公約和規則中關于惰氣系統(IGS)的要求。由于制氮系統發生機制以及系統結構、布置的不同，不能完全套用SOLAS公約以及FSS規則。本文選擇目前液貨船常用的變壓吸附式制氮系統(PSA)，對其工作原理和具體應用做了簡要介紹，并淺述了為滿足SOLAS公約、FSS規則以及中國船級社《鋼質海船入級規范》(簡稱“規范”)的要求，對于PSA系統應關注哪些設計原則要求和檢驗要點。

1 變壓吸附制氮的工作原理

1.1 制氮原理

變壓吸附制氮系統是以空氣為原料，利用碳分子篩選擇性吸附的特性，運用加壓吸附，減壓解吸的原理將氮和氧分離。

碳分子篩是一種以碳為主要原料，經過研磨、氧化、成型、碳化并經過特殊的孔型處理工藝加工而成的，表面和內部布滿微孔的柱形顆粒狀吸附劑，呈黑色。碳分子篩對氧氣、氮氣的分離作用是基于這兩種氣體的動力學直徑的微小差別。氧氣分子的動力學直徑較小，因而在碳分子篩的微孔中有較快的擴散速率，氮氣分子的動力學直徑較大，因而擴散速率較慢。在短時間內，碳分子篩對氧的吸附速度大大超過氮的吸附速度，利用這一特性來完成氧氮分離。碳分子篩對氧的吸附容量隨壓力的降低而減少，減低壓力，即可解吸，完成碳分子篩的再生。“變壓吸附”之名即由碳分子篩在吸附過程和再生過程中的周期性壓力變化而得到的。

1.2 系統工作流程

變壓吸附制氮裝置一般應由壓縮空氣單元(空壓機、空氣緩沖罐等)、空氣凈化單元(冷干機或干燥器、過濾器等)、變壓吸附分離單元(裝有碳分子篩的吸附器等)、氮氣緩沖罐、電控箱、檢測儀器儀表(氮氣/氧氣分析儀、流量計、壓力表等)以及配套的水泵、管路系統等組成。若需要高壓氮氣時，可在變壓吸附制氮裝置的氮氣出口增設氮氣增壓機;若需要高純度的氮氣時，可在氮氣出口增設氮氣純化裝置。典型結構如圖1所示。

其主要工作流程為:空氣經壓縮空氣單元壓縮，進入空氣凈化單元，先由冷干機進行冷凍干燥，再經過過濾器除去原料空氣中的油和水后，進入裝有碳分子篩的吸附器，其間在短時期內氧分子被碳分子篩大量吸附，而氮分子吸附很少，這樣在氣相中就富集了大量氮氣。通過吸附塔上部進入氮氣緩沖罐，氮氣分析儀在線分析檢測氮氣的純度，不合格的氮氣自動排空，合格的氮氣送往后級使用。而氧分子則留在分子篩中。整個吸附過程是在加壓情況下進行的，當吸附壓力降至常壓時，被吸附的氧分子則從碳分子篩中逸出，通過吸附器下部進入消音器后排入大氣，同時分子篩得到再生。通常采用雙吸附塔并聯交替進行吸附產氮，解吸再生，實現氧、氮分離，連續供氣。

圖1 變壓吸附制氮裝置的結構

2 制氮系統在液貨船上的應用

2.1 制氮系統在油船或化學品船上的應用

油船或化學品船所裝一般為易燃易爆貨品，而且運輸過程中會產生靜電，具備一定濃度的氧氣時極易形成爆炸，但是貨艙中氧氣含量可以通過惰化來降低，保證貨艙中氧含量在爆炸范圍之外。油輪和化學品一般在以下作業時需要運行氮氣裝置:

(1)空艙惰化。新船或維修后出廠的船舶貨艙需要惰化，需向貨艙中充入氮氣，保證在下次裝貨之前，貨艙中處于惰化狀態。

(2)惰性清掃。為降低貨艙中氧含量或可燃氣體含量，向貨艙中通入氮氣，保證貨艙中處于安全狀態。

(3)原油洗艙。油船在原油洗艙前，需要先惰化貨艙。

(4)卸貨。船舶在卸貨時，為避免貨艙中形成負壓，在卸貨的同時需運行惰氣系統。

2.2 制氮系統在LPG或化學品船上的應用

由于化學品船所裝載的液體貨物一般情況下是其衍生物，貨艙內殘存的液體或氣體屬于高危險、可燃的爆炸性物質，為了保證船舶在廠修期間的安全，進廠前必須對各液貨艙內的殘余的可燃物質進行必要的處理，即艙內由可燃氣體狀態→氮氣(或惰性氣體)置換殘余氣體→空氣置換氮氣(或惰氣)，并使艙內的空氣含氧量達到20.8%以上。只有這樣，才能使船舶安全的進廠并進行各種修理工作。

目前LPG船和化學品船進行置換大多數采用氮氣置換，這也是最常規、最成熟的置換方法。由于某些船舶沒有安裝氮氣(惰氣)發生器，必須到有置換條件的碼頭上進行，受時間和地點的限制，處于“被動”狀態。

3 設計原則要求

作為船用變壓吸附式制氮系統，其設計不僅應滿足工業制氮系統的相關國家和行業標準，還應考慮到船用的特殊性，從選型、性能、控制和保護、安全性、環境適應性、船上的管線布置等多方面考慮，并滿足SOLAS公約、FSS規則以及規范第6篇第4章中關于惰性氣體系統的相關要求。

3.1 選型一般要求

船用氮氣系統的容量一般在3000 Nm3/h之內。對于一般化學品船、LPG船和非大型油船，其液貨艙卸油率以體積計一般在3000 Nm3/h以內，因此選用氮氣系統較為合適。目前此類液貨船上使用的氮氣系統以變壓吸附式制氮系統更為多見。根據規范要求，氮氣發生系統的額定容量至少為以體積表示的船舶最大卸油率的125%。因此設計人員第一步應獲得船舶的準確卸油率數據，以此為基礎選擇相匹配的各部件參數。

3.2 性能要求

制氮系統應滿足一定的性能要求，以滿足液貨船惰化、清掃等實際工作需要。主要應關注以下幾個方面:

3.2.1 氮氣純度和流量

根據FSS的要求，制氮系統以所需的任一流速向液貨艙輸送惰性氣體時，在惰性氣體供氣總管內的含氧量(以體積計算)應不超過5%，因此制氮裝置制得的成品氮氣純度應不小于95%，且成品氮氣流量應不小于設計流量。此外，根據規范要求，制氮裝置應設有能將工作過程中產生的富氧和廢氣排出艙外的自動裝置。

3.2.2 啟動時間

各種類型的制氮裝置，其啟動時間要求不一。對于變壓吸附制氮裝置，從開機到產生成品氮氣(氮氣出口壓力、流量、純度達到要求)時間通常應不超過40 min。

3.2.3 強度

變壓吸附制氮系統中的吸附器本體、空氣緩沖罐、氮氣緩沖罐等應按照規范第3篇第4章和相關標準中對壓力容器的要求進行設計和制造。

3.2.4 電氣性能

對于船上裝設的制氮裝置，其電控箱的外殼防護等級、耐電壓性能、絕緣電阻等電氣性能應符合規范的有關規定。電控箱的電磁兼容性應符合相關國家標準如GB/T 10250的要求。

3.3 運行和控制的要求

所有類型的惰性氣體系統應設有在所有航行條件下都能產生適當惰性氣體的自動控制設備，規范第6篇第4章有此明確要求。船用的變壓吸附式制氮系統通常應具有“手動”和“自動”操作方式。此外還應具有“本地”和“遠程”控制方式，應能實時監測、顯示產品氮氣的純度、流量、壓力、溫度等性能參數及故障狀態，并能控制制氮裝置啟動、停止及緊急停止。

3.4 環境適應性的要求

考慮到船舶航行海況、天氣等各種環境因素影響，制氮系統的設計應保證船舶在一定橫傾、縱傾或橫搖、縱搖的狀態下仍能正常運行。系統的電氣控制設備應保證在相應的溫度、濕度、鹽度以及振動條件下能正常工作。

3.5 管線布置的要求

氮氣系統在液貨船上的管線布置較為復雜，作為FSS中要求的固定式惰性氣體系統的等效系統，仍然適用FSS規則第15章中對于惰氣系統管線布置的要求。管線上需要設置多道功能不同的安全措施，包括止回裝置、氣體調節閥、截止閥、真空壓力釋放器等多種裝置。如在惰性氣體供給總管處應至少裝有2個止回裝置，煙氣式惰氣系統，其中之一為甲板水封，另一個應為止回閥或能防止氣體或液體倒流的等效設備。與煙氣式不同的是，氮氣系統管線止回裝置，其中之一應是雙截止透氣裝置，另一個是能夠直接關閉的止回裝置。惰性氣體供給總管應裝有支管通向每一個液貨艙，惰性氣體支管應裝有截止閥或隔離每一個液貨艙的等效控制措施。此外，為防止液貨艙內壓力過高，或艙內形成真空，還應在主管線上設置充液式真空壓力釋放器，起到保護貨艙的作用。某些化學品船根據貨品類型不同，液貨艙高速透氣閥開啟壓力較高，有時高達50 kPa以上，此時可考慮不必設置真空壓力釋放裝置。

4 變壓吸附式制氮系統檢查要點

4.1 氮氣發生裝置的出廠檢驗

4.1.1 裝置部件的檢驗

變壓吸附制氮裝置的主要部件空氣緩沖罐、吸附器本體、氮氣緩沖罐等壓力容器應按照規范第3篇第4章的要求經過船級社的認可和檢驗。容器殼體和裝置內部的連接管道均應能承受1.5倍設計壓力的液壓強度而無滲漏、可見變形和異常響聲。

裝置所配套的其他部件如空壓機組、加熱器、氮氣增壓機、氮氣純化裝置、海水泵、各種閥件、儀表等設備也均應按照船用產品的要求進行檢驗。由于系統結構較為復雜，部件較多，許多部件通常需要外購。對于外購的部件應具有船級社簽發的船用產品證書。核查實物與證書的一致性，并核查部件型號規格與設計圖紙的一致性。

4.1.2 裝置的連接與密性

按照圖紙檢查制氮裝置各設備安裝的完整性和合理性，包括空壓機、凈化裝置、空氣瓶、制氮橇塊、氮氣瓶、閥門、控制設備、電纜及管道等。然后向連接好的制氮裝置內部通入空氣，當壓力達到裝置最大工作壓力時，保壓一段時間，通常為10 min，并核查有無泄漏。

4.1.3 裝置濃度、流量和露點檢查

當裝置正常運行時，檢查制氮裝置在額定壓力、濃度下，氮氣流量和露點應符合系統設計參數要求。

4.1.4 報警聯鎖試驗

裝置應進行規范第6篇第4章所要求的視聽報警聯鎖試驗。按照氮氣系統要求的報警設定值，模擬報警狀態，試驗項目應至少包含:

空壓機的空氣壓力低報警、制氮機進氣口溫度高報警、空氣凈化單元冷凝水液位高報警、氧含量高報警、主管線高壓及低壓報警、連續顯示和記錄氧氣含量的記錄儀電源故障。

上述每一項報警試驗中控制板上的自動停止與聲光報警指示應與閥門與設備動作完全相符。

4.1.5 船用條件試驗

為考察制氮系統的環境適應性，將制氮裝置安裝在搖擺試驗臺上，模擬船舶在各種不利條件，例如縱傾、橫傾、縱搖、橫搖的狀態，按照一定周期和時間下進行試驗。通常的試驗過程如下:

試驗過程中制氮裝置的各項參數應符合要求，設備應無異常現象。該試驗僅作為首制產品的形式試驗項目。

4.2 制氮系統的裝船檢驗

4.2.1 安裝處所及通風的要求

制氮系統的空壓機和氮氣發生器可以安裝在機艙或一個獨立的艙室中。根據系統的設計布置，在實船檢驗時應區分開。

4.2.1.1 安裝在機艙內

制氮系統如安裝在機艙內時，由于制氮系統無燃燒裝置，也非主推進裝置，其分隔要求低于作為A類機器處所的機艙，因此機艙環圍足以保證其防火分隔。但是制氮系統作為消耗空氣的設備，在進行機艙通風計算時應計入其內，保證風機的排量和功率能夠滿足機艙設備正常運轉和人員舒適的要求。同時應核查送風口的布置能夠保證制氮系統空壓機能夠吸入足量空氣。還應注意核查氮氣發生器的氧氣排空出口應直接通向舷外大氣，以避免機艙內富氧積聚。

4.2.1.2 安裝在獨立艙室內

制氮系統如安裝在一個獨立的艙室中，則該艙室應位于貨油區域外，且無直接通向起居處所、服務處所和控制站的通道。防火方面，該獨立艙室可視為SOLAS公約定義的“其他機器處所”之一。通風方面，該艙室應裝有1套獨立的能每小時換氣6次的機械通風系統。此外還應裝有低氧報警裝置。

4.2.2 管系附件的核查

4.2.2.1 氣體調節閥

根據FSS要求，在氮氣系統供氣總管上應設有一個通常稱為主控閥的氣體調節閥。該閥應能自動調節通往貨油艙的惰性氣體的流量。檢驗時應核查該閥是否附有開度指示裝置，并能按監控要求自動關閉。此外，還應核查該閥是否布置在氮氣總管通過的最前面的無危險性氣體安全處所的前艙壁處。

4.2.2.2 止回裝置

氮氣系統總管上應設有2個止回裝置，并且應布置在貨油艙區域的甲板上。其中之一為雙截止透氣裝置，另一個是能直接關閉的止回閥。雙截止透氣裝置一般由2個截止閥和其中間支管上的一個常開的透氣閥組成。檢驗時應確認止回裝置各閥門的開閉是否靈活，并試驗其止回性能。另外，應注意確認在止回閥和主控制閥之間的管路上應設置一個逸氣閥，以保證在止回閥關閉時能夠安全逸氣。

4.2.2.3 壓力真空釋放器

安裝在氮氣總管上的壓力真空釋放器，采用防凍液或合適油做密封液體。注意核查其壓力真空釋放口應設置易于接近清理和更新的防火網，防火網的結構必須堅固，能承受最大裝貨速度時產生的氣體壓力。還應進行釋放器的壓力真空釋放性能，其中做真空釋放試驗時，可采取使某一貨油艙灌滿水并與惰氣總管接通，切斷總管與其他貨油艙的聯系，然后以貨油泵向外抽水來造成真空，可以采取真空表或U型管壓差計來測定真空。

4.2.3 管系密性試驗

氮氣系統在各設備、儀表及管系附件安裝完畢后，應以工作壓力1.25倍的試驗壓力對系統各種管系進行密性試驗，保壓5 min，不允許有任何泄漏。

4.2.4 報警聯鎖試驗

報警聯鎖試驗在氮氣系統安裝后仍需再次驗證。試驗時，可以模擬某些條件來進行，以確認聲光報警和各設備、儀表及附件之間動作的協調可靠性。

4.2.5 實船氮氣效用試驗

當制氮裝置作為惰化目的的惰性氣體系統(IGS)時，應考核其安裝后的實船氮氣效用試驗。具體做法為:選定任意一貨油空艙，向艙中充入氮氣，測量并記錄艙室中氧含量降到8%的時間;然后再向艙內注滿海水，在貨泵向舷外排出海水時，向貨艙中充入氮氣，連續觀察貨艙中壓力，觀察氮氣的排量是否與貨泵排量匹配。

5 結語

本文重點闡述了變壓吸附式制氮系統設計原則要求和檢驗要點，對于目前液貨船上較為常見的膜制氮系統，僅氮氣的發生機制不同，其設計要求和船上的布置要求基本類似。

在制氮系統的實際設計和檢驗過程中由于船型的不同和使用場所的特殊要求，應根據具體情況，采取不同的方案，并滿足SOLAS公約、FSS規則、規范以及相關標準的適用要求，保證船舶的作業安全。

［1］國際海事組織.國際海上人命安全公約［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］中國船級社.鋼制海船入級規范［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［3］CB 1169－86，油船惰性氣體系統技術條件［S］.

［4］CB/T 3609－93，惰性氣體系統安裝及效用試驗質量要求［S］.

［5］JB/T 6427－2001，變壓吸附制氧、制氮設備［S］.

［6］GB/T 10250－2007，船舶電氣與電子設備的電磁兼容性［S］.