LNG运输船货物相关辅助设备与系统简介（之一）
三石LNG杂谈系列之七
前言
上一篇文章我谈了一下LNG船上与货物相关的设备，主要是与装卸货有关的设备及航行期间给机舱供应燃气的相关设备。今天我想谈一些虽然不参与装卸货和燃气供应，但是在LNG船上仍然是不可或缺的设备及系统，因为相关的设备与系统众多，所以今天主要谈3个比较重要的设备与系统，即氮气发生器与氮气系统，惰气发生器与惰气系统和危险气体检测系统，其中危险气体检测系统包括取样检测系统，固定式危险气体探头及移动式危险气体检测仪等。
1 氮气发生器及氮气系统
(1) 大型LNG船上的氮气发生器
大型LNG船，因为有惰气发生器生产惰气用于船舶进出厂操作，所以通常只会设置两部小型氮气发生装置，一般设计产量均为150立方米/小时左右。因为产量不大，所以基本上都是使用薄膜型氮气发生器，即通过压缩机或由机舱空气瓶供应空气给氮气发生器，进而生产氮气的一种设备，其工作原理如下图所示：
简单的说，薄膜式氮气发生器的工作原理是由于膜两侧存在压差，因而不同气体通过膜的速率不一样，待分离的气体在压力的作用下通过这些中空纤维膜，由于膜内外的压力不同，不同气体通过的速率不一样，从而达到气体分离的目的。“快气”（如氧气、水蒸气等）通过膜的速率快，很容易从膜的渗透口渗透出去，“慢气”（如氮气等）通过膜的速率慢，在膜的出口侧富集，从而达到分离产生氮气的目的。
(2) 氮气在大型LNG船上的用途有如下几个方面
l 货舱绝缘层空间充注氮气并保持压力
l 回气压缩机及燃气压缩机的密封氮气
l 锅炉，双燃机或货气燃烧装置燃气管线的净化与吹扫
l 甲板及两舷集气平台氮气日用，如吹扫管线等
l 各货舱透气桅灭火或净化使用
对于以上几个氮气的用途，我想主要谈一下第一条，货舱绝缘层空间充注氮气并保持压力，正如我在杂谈三，薄膜型货舱及其围护系统中所说，无论MARK III型货舱还是NO.96型货舱，其货舱绝缘层内都需要充注氮气以保证安全，区别在于MARK III型货舱通常都是以单舱模式进行控制，即每个舱都有单独的氮气进出管线，这样压力控制相对稳定，而且由于该型货舱绝缘层空间容积较小（参见杂谈三里面两种货舱绝缘层空间容积比较数据），所需氮气量自然也较小，控制起来就更加容易一些。
而NO.96型货舱，一是由于其货舱绝缘层空间容积较大，二是因为其绝缘层氮气压力控制通常使用四个舱同进同出的控制方式，见下图：
所以相对而言控制较难，特别是在船舶遇到风浪摇晃厉害的时候，会出现船头氮气压力升高进而造成出气控制阀全开，而船尾氮气压力低，进而进气控制阀也全开的情况，则此时氮气并没有进入绝缘层，而是直接从充放氮气的管线流过并通过透气桅放到大气中去了，此时就需要人为干预，将进出气控制阀转为手动，控制氮气的进出才行。
第二个需要注意的关于绝缘层氮气控制的情况是在进行货舱预冷的时候，应提前将氮气进出压力设定值升高，以避免因货舱冷却收缩，绝缘层容积变大而造成绝缘层压力突然降低的情况出现，通常将进出口压力设定值均调高0.5KPA即可。
（3）小型LNG船上的氮气发生器
小型LNG船在日常营运期间使用氮气量非常少，因为其不存在大型LNG船耗气量最大的绝缘层充注这项用途，也没有大型LNG船压缩机密封氮气这一项会持续消耗氮气的用途，基本上在日常营运期间氮气的用途就是对双燃机管线的吹扫和净化，加上偶尔会有一些甲板上的日用。所以一般小型LNG船上的薄膜型氮气发生器设计容量会更小一些，我工作过的几艘小型LNG船的小型氮气发生器基本产量参数都在80立方米/小时左右，通常每天运行两次，每次运行约20分钟左右即可满足全天的氮气消耗量。
但是对于小型LNG船，除了设置两部小型氮气发生器外，通常还应该设置两部大流量氮气发生器，其原因至少有一下两点：
l 虽然其没有绝缘层空间，但是在货舱绝缘层与船舶内船壳之间有隔离空仓空间，该空间需要经常进行干燥空气的充注以避免凝结水份损坏绝缘层材料。
l 小型LNG船通常都不设计有惰气发生器，那么在进出厂操作期间对货舱的惰化就需要大容量氮气发生器来生产氮气以供使用，否则的话如果每次进出厂都使用外部设备及液氮进行惰化的话，即需要耗费大量的时间，同时增加了很多额外的成本，且对船舶操作也增加了相应的复杂性和危险性，毕竟需要连接外界管路和设备与本船设计有固定式的管路和设备相比较起来要复杂一些是不可避免的。
下图是笔者曾经工作过的一条小型LNG船上的大容量氮气发生器的吸附罐照片
大流量氮气发生器是按变压吸附技术设计、制造的氮气发生设备。其整套系统通常由以下部件组成:压缩空气净化组件、空气储罐、氧氮分离装置、氮气缓冲罐。其具体的工作过程为压缩空气经纯化干燥净化后，再通过切换阀进入吸附塔。在吸附塔内，氧气被分子筛吸附，氮气在吸附塔顶部被聚积后进入氮气储罐，再经过滤净化即获得合格的氮气。大流量氮气发生器通常采用两只吸附塔，塔内装填碳分子筛吸附剂，当一只吸附塔在进行吸氧产氮时，另一只吸附塔在脱氧再生，如此交替循环连续不断地产出氮气。
2 惰气发生器与惰气系统
（1） 惰气发生器的组成
无论哪个厂家的惰气发生器，基本都是由三个主要部分组成，它们是：
l 燃烧单元：包括风机，油泵，燃烧室，洗涤塔等
l 冷却干燥单元：包括压缩机，蒸发器，冷凝器等，分为直接冷却式和间接冷却式，在下面日常管理与维护中我会再次提到他们的区别及注意事项。
l 吸收干燥单元：包括两个干燥罐及再生设备如风机，加热器等
（2） 惰气发生器的基本工作流程，
简单的讲，惰气发生器的工作流程为，燃油在燃烧室内与空气混合燃烧，产生惰气，进入洗涤塔，惰气自洗涤塔内底部与海水逆向自下而上流动，由于雾状海水与惰气充分接触，最终获得最大的冷却，脱硫，脱二氧化碳和除尘等效果。从洗涤塔上部流出的惰气是热饱和气体，必须进行干燥以除去水汽，降低惰性气体的露点，方法是先将惰气引入冷却干燥单元，通过直接或间接冷却，将惰气冷却到约零上2-5度，利用冷却降温的方法使惰性气体中的水汽凝结成水除去的。在经过冷却干燥单元之后，惰气会再进入吸收干燥单元的干燥罐进行进一步干燥，最后达到可送入货舱的标准（见下面第3条）。下图是笔者目前工作的LNG船上的惰气发生器流程图。
（3） 惰气发生器的主要参数要求
惰气发生器的主要参数由两个，一个是对氧含量的要求是1.5%以下，另外一个是对供入货舱的惰气露点要求是零下45摄氏度以下，当然，通常情况都可以达到要求。上图是笔者最近一次对所在船舶的惰气发生器进行试验时的设备运转状态扫描件，由图片可见，氧含量为1.3%，露点已经达到零下49摄氏度，而这还只是刚刚运转了一个多小时的情况，随着设备的持续运转，露点还会逐渐降的更低的。
（4） 惰气发生器的日常管理与维护
l 对于燃烧单元，有些惰气发生器需要手动调节风油比来获得符合标准的氧含量低于1%的惰气，在调节的时候要注意避免燃烧不完全而产生过多的一氧化碳，这样不但生产的惰气质量不好，一旦一氧化碳泄漏到惰气发生器室内，还容易对设备操作者造成额外的伤害。所以在运转惰气发生器时，应在设备进门上张贴警告标志，在进入惰气发生器室内时应携带小型移动式危险气体检测仪，以确认工作场所安全。
l 对于冷却干燥单元，有些间接冷却设备是通过制冷剂冷却水与乙二醇混合液，然后由水与乙二醇混合液来冷却惰气，则在运转中要注意乙二醇泵的进出口压力，若进口压力出现真空应通过手摇泵向系统中补充混合液，同时还需要注意调节乙二醇泵进出口压差，应至少保证0.5公斤的压差才能保证系统流畅的运转。
l 对于吸收干燥单元，通常每次设备运转之后都会继续完成正在再生的干燥罐的再生操作，但是不会对已使用的干燥罐进行再生操作，所以建议在设备运转后对使用过的干燥罐进行手动再生操作，以保持设备随时处于良好的可用状态。
l 另外，惰性气体装置通常布置在机舱内，应极其小心防止货物蒸气经惰性气体管线倒流入机舱，故此惰性气体和货物气体之间的任何临时连接管路在使用完之后就应将其拆开并用盲板密封。
3 危险气体检测系统
（1） 危险气体取样检测系统
对于一些日常工作时无法到达而又需要检测是否存在货物气体泄漏的空间，LNG船一般会设置危险气体取样检测系统，即通过管路将当地的气体样本抽取到设置在电器间内的危险气体检测探头处进行检测，这些空间通常包括（见下图红色星星标注的检测点）：绝缘层，干隔舱，液穹空间及透气桅。在下图可见，日常可以达到的空间如左右通道在本船也使用了取样检测，这是因为这个区域常年处于较大湿度的环境中，如果使用固定式危险气体探头故障率很高（笔者之前工作的大型LNG船就是），所以该轮使用了取样检测方式，笔者认为是一个较好的改进。另外还可以看到，在货物机械间内同时使用了取样检测和固定探头检测的方式，笔者认为这里有些双保险的意思，毕竟在货物机械设备间内空气是一直流动的，如果单一使用一种方式可能造成检测不及时，使用两种方式同时进行检测自然会得到更好的结果，而货物马达间的气锁室内也使用了取样检测，因为该空间始终处于正压状态，所以使用取样检测更好一些。
（2） 固定式危险气体检测探头
对于日常工作可以到达并需要持续检测是否存在货物气体泄漏的空间，LNG船一般会设置固定式危险气体探头，如上图所示的生活区入口，机舱，双燃机双壁管等处。在笔者以前工作的LNG船上，船两侧通道内开始使用的是与生活区内相同的探头，但是故障率极高，后来更换成下图左侧的红外线探头后好了很多，因为该种探头具有自加热能力，可以保证电器元件不受海上带盐分的潮湿空气侵蚀，故此可大大减少故障率。而笔者目前工作的LNG船上使用的下图右侧的固定式探头，这种探头的一个很巧妙的设计是在试验或校正时是使用强力磁铁隔着玻璃面板对电路板进行操作即可，笔者到目前为止在该系列两条船上工作过了，这种探头仅出现过两次故障，一次是探头的问题，一次是电路板的问题，更换新备件之后就恢复正常工作了，相对而言维修保养还是比较简单易行的。
（3） 移动式危险气体检测仪
不同的公司给船上配备的移动式危险气体检测仪不同，不过基本上都会配备两种，一种是如下图左侧的较大的检测仪，用于日常工作如装卸货期间在集气平台进行检测或者进入封闭空间前对空间内气样进行检测等工作。而另一种会是如下图右侧的小型的检测仪，通常用于人员进入封闭空间时随身携带以检测周围气体样品，如本文前面提到在运转惰气发生器时，若工作人员要进入惰气发生器间，也应随身携带小型危险气体检测仪以确认环境气体安全。
通常情况下，移动式危险气体检测仪一般都会至少可以对四种气体进行检测，有些也会稍多一些，如上图左侧的检测仪就可以对五种气体进行检测，因为是使用在LNG船上，那么首先肯定时要能够检测甲烷气体了，然后自然就是一定可以对氧气含量进行检测了，这两种气体的检测是必须且基本的，其它气体不同的检测仪会有不同，或者说可以根据所安装的不同检测探头对相应的危险气体进行检测，由上图可见，较大的检测仪除了甲烷和氧气之外，还可以对二氧化碳，一氧化碳和硫化氢气体进行检测，而小型的检测仪除了甲烷和氧气之外还可以对一氧化碳和硫化氢进行检测。
对于这些移动式危险气体检测仪，船员除了需要会基本的使用操作之外还应该需要会对他们进行必要的校正操作，这些操作方法一般都可以在随设备供船的说明书上找到，相应的校正设备一般也会提供，需要注意的是需要申请对应的校正气样，要根据该设备所安装的探头不同及可检测的范围不同申请相应的校正气样瓶，才能进行校正操作，因为一般校正程序在设备内部都是设定好的，如果气样不对应会造成校正结果不正确，那设备就无法正常使用了。
总结：
综上所述，在LNG船上，除了装卸货相关及航行期间为机舱提供燃气的设备之外，今天所谈到的三个设备也是相对比较重要的，特别是氮气发生器，在大型LNG船上，因为氮气需要供应给燃气压缩机用于齿轮箱与叶轮间密封，一旦氮气压力不足会造成燃气压缩机无法运转，进而可能造成舱压无法控制等一系列问题，所以在日常工作种一定要重视对氮气发生器的检查与保养，以保证设备正常运转。
而危险气体检测系统更是这样，这个系统是对任何可能有货物气体泄漏的第一道检测与报警装置，在任何时候都应保持完全的正常运转，有任何问题出现必须马上解决并将设备恢复到可用状态，几乎所有检查如PSC及大石油公司检查都都会对该系统进行抽查以确认该系统在正常运转状态。
对于惰气发生器，通常情况都是在进出厂前后才会使用，但是为了保证设备在需要的时候就可以马上投入使用，一般公司都会要求对该设备进行定期运转试验，笔者目前工作的公司要求是每月进行一次运转试验，到设备参数满足要求即可。
总之，以上三个设备均应保证随时可用且整个系统运转正常。
免责声明：本文仅代表作者个人观点，与信德海事无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。
投稿或联系信德海事：
admin@xindemarine.com
