阿芙拉型油船航行中油氣回收系統研究

豆慶民，曲 波

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

通常，在運輸原油的油船中，原油蒸汽壓力超過油艙許用壓力，油氣揮發氣即通過安全閥放入大氣。油氣揮發氣中含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等碳氫化合物[1]。甲烷比空氣輕，會漂浮到大氣中，形成溫室效應。其他氣體比空氣重，會與空氣中的NOX反應形成煙霧。這些煙霧對動植物均會產生不同程度的危害，有些碳氫化合物，如苯、甲苯等還可能引起白血病[2]。

據測量和分析顯示，航行在熱帶海域的油船每星期排入大氣的油氣揮發氣約為貨油總量的0.085%，以113 300 DWT原油運輸船計算，從中國到澳大利亞需航行約14天，則整個航次排放到大氣中的揮發氣量約為200 t，這對環境是一個巨大的污染。對船東來說，也是一個不可忽略的經濟損失。如何有效減少航行中油氣揮發氣量，從而最大限度減少環境污染，增加船東收益，已經是一個不可不考慮的問題[3]。

大連中遠海運重工113 300 DWT原油運輸船是世界知名船東Chandris在國內建造的首艘原油船，本項目配備了瓦錫蘭最新研發的航行中油氣回收系統，本文以此項目為背景，探討航行中貨油油氣回收系統的設計要義。

1 項目簡介

大連中遠海運重工113 300 DWT原油運輸船是一艘單機單槳、低速主機配備定距槳推進、運輸閉杯閃點不大于60℃油品的原油運輸船。該船按LR現行規范規則設計、建造，并受之檢驗，取得相應船級符號[4]。

全船設6對貨油艙和1對污油艙，機艙和貨艙區域之前設有貨泵間，貨泵間底層設有3臺貨油泵，3臺貨油泵采用傳統的、由位于機艙內的3臺蒸汽透平通過萬向聯軸節驅動，整個貨油系統的設計能夠確保該船可以同時裝載或卸載3種不同的油品[5]。

該船的主尺度參數見表1。

表1 主尺度參數

2 回收系統設計概述

該船航行中貨油油氣回收系統有2個主要模式。

圖1 113 300 DWT原油運輸船總圖

1）真空掃艙模式。當卸貨末期，貨艙中的液位越來越低，為防止貨油泵吸入氣體造成損壞，在貨油泵前設置1個油氣分離器，利用水環式真空泵將油氣分離器中的氣體抽走，通過在油氣分離器頂部制造真空來保持罐中的液位高度，確保氣體不會被吸入貨油泵。

2）航行中油氣回收模式。航行過程中，為減少向大氣排放的貨油揮發氣量，將貨艙頂部產生的過量揮發氣通過真空泵回注至貨艙底部，使貨油揮發氣再次溶解到貨油中。

其流程圖如圖2所示。

3 回收系統主要設備

3.1 真空泵

本項目配備2臺電機驅動的水環式真空泵，均安裝在機艙和泵艙之間的氣密艙壁上，真空泵本體位于泵艙內的危險區域，而驅動電機則布置在機艙內的安全區域。真空泵性能參數見表2。

該真空泵有2種使用工況，分別是真空掃艙工況和航行中油氣回收工況。真空掃艙工況時，真空泵用于將油氣分離器頂部的氣體抽走，并排至污油艙中；通過在油氣分離器頂部制造真空來保持罐中的液位高度，從而提高貨油泵掃艙效率。航行中油氣回收工況時，真空泵用于將貨艙頂部產生的貨油揮發氣回注至貨艙底部，以便使揮發氣在上升過程中被貨油冷卻并重新液化，從而降低艙壓，有效減少排放至大氣的揮發氣量。

表2 真空泵主要性能參數表

3.2 油氣分離器

油氣分離器安裝在貨油泵吸入端，材質為碳鋼，內涂環氧漆，容積約1.8 m3，罐體上裝有浮球閥、液位傳感器和單向閥等，該罐用于將氣體從貨油中分離出來，確保氣體不會被吸入貨油泵。當罐內液位過高時，頂部的浮球閥自動關閉，防止液體被吸入真空泵中，當罐內液位降低時，浮球閥打開，利用真空泵將灌頂氣體抽走。

圖2 航行中貨油油氣回收系統流程圖

3.3 泄放柜

泄放柜（圖3）安裝在泵艙中，材質為碳鋼，內涂焦油環氧漆，容積約1.0 m3，柜體上裝有液位傳感器、蒸汽加熱管等。當真空泵輸送油氣的過程中，部分油氣會在輸送過程中再次凝結，匯入密封水中，使真空泵中的密封水液位逐漸升高，為保證真空泵正常工作，需將多余的密封水泄放到泄放柜中。真空泵與泄放柜之間安裝了一個浮球溢流閥，確保多余的密封水自動泄放到泄放柜中。泄放柜中安裝有液位傳感器，當液位高時會發出高位報警，船員聽到報警后，可用掃艙泵將柜中的泄放水泵送至污油艙中。

3.4 氣液混合器

圖3 泄放柜外形圖

圖4 氣液混合器結構圖（面板詳圖）

氣液混合器（圖4）安裝在指定貨艙貨油吸入管吸入口的上部，材質為碳鋼。氣液混合器由對稱的2部分組成，面板上均勻布置著許多小孔，當油氣回收時，真空泵將貨艙頂部產生的貨油揮發氣通過貨油吸入口回注至貨艙底部，貨油揮發氣穿過氣液混合器時，被氣液混合器上的小孔分解成細小的氣泡，從而增加揮發氣與貨油的接觸面積，提高揮發氣再液化的效率。

4 航行中油氣回收系統模式介紹

4.1 真空掃艙模式

卸貨過程中，當貨油艙內液位越來越低時，貨油泵有可能吸入空氣，為保證貨油泵正常工作，通常在貨艙內液位剩余2 m～4 m時，將系統切換至真空掃艙模式。此時，由于貨艙液位仍然較高，油氣分離器中充滿液貨，其上部的浮球閥保持關閉狀態。當系統切換至真空掃艙模式時，真空泵將處于備用狀態，V1、V2閥將自動開啟，V3、V4、V5、V6、V7自動關閉，此時真空泵會根據吸入管中的真空度（PT1）自動啟停，當真空度小于-0.03 MPa時自動啟動，當真空度大于-0.07 MPa時自動停止。

隨著貨艙中的液位逐漸降低，油氣分離器頂部開始積聚氣體，罐內的液位逐漸降低，隨著液位降低，分離器上部的浮球閥首先開啟，當液位繼續降低至70%液位時，油氣分離器相對應的真空閥V5、V6或V7自動開啟，分離器上部的氣體被抽走，并形成負壓，在負壓的作用下，油氣分離器中的液位逐漸升高，當液位繼續升高至95%液位時，油氣分離器相對應的真空閥V5、V6或V7再次關閉。

隨著貨艙中的液位進一步降低，油氣分離器頂部開始積聚大量氣體，此時，控制系統會根據油氣分離器中液位高度調節貨油泵出口調節閥的開度，當罐內液位降低時，減小調節閥開度，反之，則增大調節閥開度。通過調節出口調節閥的開度可以改善貨油泵的吸入條件，通過降低貨油泵的排量可以減少吸入油氣分離器的氣量，以便最大限度地使用貨油泵掃艙。

為保證整個系統隨時可用，本項目配備兩臺真空泵，一主一備，可通過集控臺上的選擇按鈕選擇其中任意1臺為主用。當主用真空泵故障時，備用真空泵會自動投入使用。同時，當油氣分離器內的氣體過多時，1臺主用真空泵無法保證管內要求的真空度，當真空度繼續減小至-0.02 MPa時，備用真空泵也會自動啟動，2臺泵同時工作，當真空度大于-0.07 MPa時同時停止。由于真空泵布置在危險區域，為防止軸承高溫造成危險，當真空泵軸承溫度超過60℃時，真空泵自動停止，并發出聲光報警。

真空掃艙模式流程如圖5所示。

圖5 真空掃艙模式流程圖

4.2 航行中油氣回收模式

航行過程中，為減少向大氣排放的貨油揮發氣量，降低環境污染，通常在航行初期即將系統切換至航行中油氣回收模式，當系統切換至油氣回收模式時，真空泵將處于備用狀態，V1、V2閥將自動關閉，V3、V4閥自動開啟。由于本項目可同時裝載3種不同的油品，為防止各種油氣混合，在油氣回收前，需確認預回收的油氣種類，并將油氣回注至同油品的貨艙中。在確認油品后，根據實際情況，手動開啟V5、V6或V7閥，及相應貨艙掃艙管路上的吸入閥，然后通過集控臺上的選擇按鈕可選擇其中任意1臺真空泵處于自動運行狀態。

當貨艙內的壓力超過0.017 MPa時，處于自動運行狀態的真空泵自動啟動，將貨艙內的貨油揮發氣，通過油氣分離器和貨油吸入管路泵送至指定貨艙的底部，貨油揮發氣在上升過程中重新液化并溶解到貨油中；而揮發氣中混合的惰氣則重新回到貨油艙頂部。當貨艙內的壓力逐漸降低至0.005 MPa時，處于自動運行狀態的真空泵自動停止。

同樣，考慮到真空泵布置在危險區域，為防止軸承高溫造成危險，當真空泵軸承溫度超過60℃時，真空泵自動停止，并發出聲光報警。流程見圖6。

圖6 LNG航行中油氣回收模式流程圖

5 結論

航行中油氣回收系統的使用，可以有效減少航行中油氣揮發氣量，不僅大大減少了環境污染，還在一定程度上，增加了船東營運收益。本文探討了航行中貨油油氣回收系統的設計要義，以期為未來阿芙拉型油船航行中貨油油氣回收系統的設計提供參考。