浅述船用变压吸附式制氮系统的设计与检验

李再承

(中国船级社南通办事处，江苏 南通 226006)

0 引言

目前，船用惰性气体系统中惰性气体一般有两种形式，一种是含氧量小于5%的烟气，另一种是含氧量小于5%的氮气。国际海事组织(IMO)通过的《国际海上人命安全公约》(简称“SOLAS公约”)以及《国际消防安全系统规则》(简称“FSS规则”)对液货船配备惰性气体系统有明确的要求，但主要是针对烟气式的。船用制氮系统作为烟气式惰性气体系统的等效系统，同样需要符合公约和规则中关于惰气系统(IGS)的要求。由于制氮系统发生机制以及系统结构、布置的不同，不能完全套用SOLAS公约以及FSS规则。本文选择目前液货船常用的变压吸附式制氮系统(PSA)，对其工作原理和具体应用做了简要介绍，并浅述了为满足SOLAS公约、FSS规则以及中国船级社《钢质海船入级规范》(简称“规范”)的要求，对于PSA系统应关注哪些设计原则要求和检验要点。

1 变压吸附制氮的工作原理

1.1 制氮原理

变压吸附制氮系统是以空气为原料，利用碳分子筛选择性吸附的特性，运用加压吸附，减压解吸的原理将氮和氧分离。

碳分子筛是一种以碳为主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，呈黑色。碳分子筛对氧气、氮气的分离作用是基于这两种气体的动力学直径的微小差别。氧气分子的动力学直径较小，因而在碳分子筛的微孔中有较快的扩散速率，氮气分子的动力学直径较大，因而扩散速率较慢。在短时间内，碳分子筛对氧的吸附速度大大超过氮的吸附速度，利用这一特性来完成氧氮分离。碳分子筛对氧的吸附容量随压力的降低而减少，减低压力，即可解吸，完成碳分子筛的再生。“变压吸附”之名即由碳分子筛在吸附过程和再生过程中的周期性压力变化而得到的。

1.2 系统工作流程

变压吸附制氮装置一般应由压缩空气单元(空压机、空气缓冲罐等)、空气净化单元(冷干机或干燥器、过滤器等)、变压吸附分离单元(装有碳分子筛的吸附器等)、氮气缓冲罐、电控箱、检测仪器仪表(氮气/氧气分析仪、流量计、压力表等)以及配套的水泵、管路系统等组成。若需要高压氮气时，可在变压吸附制氮装置的氮气出口增设氮气增压机;若需要高纯度的氮气时，可在氮气出口增设氮气纯化装置。典型结构如图1所示。

其主要工作流程为:空气经压缩空气单元压缩，进入空气净化单元，先由冷干机进行冷冻干燥，再经过过滤器除去原料空气中的油和水后，进入装有碳分子筛的吸附器，其间在短时期内氧分子被碳分子筛大量吸附，而氮分子吸附很少，这样在气相中就富集了大量氮气。通过吸附塔上部进入氮气缓冲罐，氮气分析仪在线分析检测氮气的纯度，不合格的氮气自动排空，合格的氮气送往后级使用。而氧分子则留在分子筛中。整个吸附过程是在加压情况下进行的，当吸附压力降至常压时，被吸附的氧分子则从碳分子筛中逸出，通过吸附器下部进入消音器后排入大气，同时分子筛得到再生。通常采用双吸附塔并联交替进行吸附产氮，解吸再生，实现氧、氮分离，连续供气。

图1 变压吸附制氮装置的结构

2 制氮系统在液货船上的应用

2.1 制氮系统在油船或化学品船上的应用

油船或化学品船所装一般为易燃易爆货品，而且运输过程中会产生静电，具备一定浓度的氧气时极易形成爆炸，但是货舱中氧气含量可以通过惰化来降低，保证货舱中氧含量在爆炸范围之外。油轮和化学品一般在以下作业时需要运行氮气装置:

(1)空舱惰化。新船或维修后出厂的船舶货舱需要惰化，需向货舱中充入氮气，保证在下次装货之前，货舱中处于惰化状态。

(2)惰性清扫。为降低货舱中氧含量或可燃气体含量，向货舱中通入氮气，保证货舱中处于安全状态。

(3)原油洗舱。油船在原油洗舱前，需要先惰化货舱。

(4)卸货。船舶在卸货时，为避免货舱中形成负压，在卸货的同时需运行惰气系统。

2.2 制氮系统在LPG或化学品船上的应用

由于化学品船所装载的液体货物一般情况下是其衍生物，货舱内残存的液体或气体属于高危险、可燃的爆炸性物质，为了保证船舶在厂修期间的安全，进厂前必须对各液货舱内的残余的可燃物质进行必要的处理，即舱内由可燃气体状态→氮气(或惰性气体)置换残余气体→空气置换氮气(或惰气)，并使舱内的空气含氧量达到20.8%以上。只有这样，才能使船舶安全的进厂并进行各种修理工作。

目前LPG船和化学品船进行置换大多数采用氮气置换，这也是最常规、最成熟的置换方法。由于某些船舶没有安装氮气(惰气)发生器，必须到有置换条件的码头上进行，受时间和地点的限制，处于“被动”状态。

3 设计原则要求

作为船用变压吸附式制氮系统，其设计不仅应满足工业制氮系统的相关国家和行业标准，还应考虑到船用的特殊性，从选型、性能、控制和保护、安全性、环境适应性、船上的管线布置等多方面考虑，并满足SOLAS公约、FSS规则以及规范第6篇第4章中关于惰性气体系统的相关要求。

3.1 选型一般要求

船用氮气系统的容量一般在3000 Nm3/h之内。对于一般化学品船、LPG船和非大型油船，其液货舱卸油率以体积计一般在3000 Nm3/h以内，因此选用氮气系统较为合适。目前此类液货船上使用的氮气系统以变压吸附式制氮系统更为多见。根据规范要求，氮气发生系统的额定容量至少为以体积表示的船舶最大卸油率的125%。因此设计人员第一步应获得船舶的准确卸油率数据，以此为基础选择相匹配的各部件参数。

3.2 性能要求

制氮系统应满足一定的性能要求，以满足液货船惰化、清扫等实际工作需要。主要应关注以下几个方面:

3.2.1 氮气纯度和流量

根据FSS的要求，制氮系统以所需的任一流速向液货舱输送惰性气体时，在惰性气体供气总管内的含氧量(以体积计算)应不超过5%，因此制氮装置制得的成品氮气纯度应不小于95%，且成品氮气流量应不小于设计流量。此外，根据规范要求，制氮装置应设有能将工作过程中产生的富氧和废气排出舱外的自动装置。

3.2.2 启动时间

各种类型的制氮装置，其启动时间要求不一。对于变压吸附制氮装置，从开机到产生成品氮气(氮气出口压力、流量、纯度达到要求)时间通常应不超过40 min。

3.2.3 强度

变压吸附制氮系统中的吸附器本体、空气缓冲罐、氮气缓冲罐等应按照规范第3篇第4章和相关标准中对压力容器的要求进行设计和制造。

3.2.4 电气性能

对于船上装设的制氮装置，其电控箱的外壳防护等级、耐电压性能、绝缘电阻等电气性能应符合规范的有关规定。电控箱的电磁兼容性应符合相关国家标准如GB/T 10250的要求。

3.3 运行和控制的要求

所有类型的惰性气体系统应设有在所有航行条件下都能产生适当惰性气体的自动控制设备，规范第6篇第4章有此明确要求。船用的变压吸附式制氮系统通常应具有“手动”和“自动”操作方式。此外还应具有“本地”和“远程”控制方式，应能实时监测、显示产品氮气的纯度、流量、压力、温度等性能参数及故障状态，并能控制制氮装置启动、停止及紧急停止。

3.4 环境适应性的要求

考虑到船舶航行海况、天气等各种环境因素影响，制氮系统的设计应保证船舶在一定横倾、纵倾或横摇、纵摇的状态下仍能正常运行。系统的电气控制设备应保证在相应的温度、湿度、盐度以及振动条件下能正常工作。

3.5 管线布置的要求

氮气系统在液货船上的管线布置较为复杂，作为FSS中要求的固定式惰性气体系统的等效系统，仍然适用FSS规则第15章中对于惰气系统管线布置的要求。管线上需要设置多道功能不同的安全措施，包括止回装置、气体调节阀、截止阀、真空压力释放器等多种装置。如在惰性气体供给总管处应至少装有2个止回装置，烟气式惰气系统，其中之一为甲板水封，另一个应为止回阀或能防止气体或液体倒流的等效设备。与烟气式不同的是，氮气系统管线止回装置，其中之一应是双截止透气装置，另一个是能够直接关闭的止回装置。惰性气体供给总管应装有支管通向每一个液货舱，惰性气体支管应装有截止阀或隔离每一个液货舱的等效控制措施。此外，为防止液货舱内压力过高，或舱内形成真空，还应在主管线上设置充液式真空压力释放器，起到保护货舱的作用。某些化学品船根据货品类型不同，液货舱高速透气阀开启压力较高，有时高达50 kPa以上，此时可考虑不必设置真空压力释放装置。

4 变压吸附式制氮系统检查要点

4.1 氮气发生装置的出厂检验

4.1.1 装置部件的检验

变压吸附制氮装置的主要部件空气缓冲罐、吸附器本体、氮气缓冲罐等压力容器应按照规范第3篇第4章的要求经过船级社的认可和检验。容器壳体和装置内部的连接管道均应能承受1.5倍设计压力的液压强度而无渗漏、可见变形和异常响声。

装置所配套的其他部件如空压机组、加热器、氮气增压机、氮气纯化装置、海水泵、各种阀件、仪表等设备也均应按照船用产品的要求进行检验。由于系统结构较为复杂，部件较多，许多部件通常需要外购。对于外购的部件应具有船级社签发的船用产品证书。核查实物与证书的一致性，并核查部件型号规格与设计图纸的一致性。

4.1.2 装置的连接与密性

按照图纸检查制氮装置各设备安装的完整性和合理性，包括空压机、净化装置、空气瓶、制氮橇块、氮气瓶、阀门、控制设备、电缆及管道等。然后向连接好的制氮装置内部通入空气，当压力达到装置最大工作压力时，保压一段时间，通常为10 min，并核查有无泄漏。

4.1.3 装置浓度、流量和露点检查

当装置正常运行时，检查制氮装置在额定压力、浓度下，氮气流量和露点应符合系统设计参数要求。

4.1.4 报警联锁试验

装置应进行规范第6篇第4章所要求的视听报警联锁试验。按照氮气系统要求的报警设定值，模拟报警状态，试验项目应至少包含:

空压机的空气压力低报警、制氮机进气口温度高报警、空气净化单元冷凝水液位高报警、氧含量高报警、主管线高压及低压报警、连续显示和记录氧气含量的记录仪电源故障。

上述每一项报警试验中控制板上的自动停止与声光报警指示应与阀门与设备动作完全相符。

4.1.5 船用条件试验

为考察制氮系统的环境适应性，将制氮装置安装在摇摆试验台上，模拟船舶在各种不利条件，例如纵倾、横倾、纵摇、横摇的状态，按照一定周期和时间下进行试验。通常的试验过程如下:

试验过程中制氮装置的各项参数应符合要求，设备应无异常现象。该试验仅作为首制产品的形式试验项目。

4.2 制氮系统的装船检验

4.2.1 安装处所及通风的要求

制氮系统的空压机和氮气发生器可以安装在机舱或一个独立的舱室中。根据系统的设计布置，在实船检验时应区分开。

4.2.1.1 安装在机舱内

制氮系统如安装在机舱内时，由于制氮系统无燃烧装置，也非主推进装置，其分隔要求低于作为A类机器处所的机舱，因此机舱环围足以保证其防火分隔。但是制氮系统作为消耗空气的设备，在进行机舱通风计算时应计入其内，保证风机的排量和功率能够满足机舱设备正常运转和人员舒适的要求。同时应核查送风口的布置能够保证制氮系统空压机能够吸入足量空气。还应注意核查氮气发生器的氧气排空出口应直接通向舷外大气，以避免机舱内富氧积聚。

4.2.1.2 安装在独立舱室内

制氮系统如安装在一个独立的舱室中，则该舱室应位于货油区域外，且无直接通向起居处所、服务处所和控制站的通道。防火方面，该独立舱室可视为SOLAS公约定义的“其他机器处所”之一。通风方面，该舱室应装有1套独立的能每小时换气6次的机械通风系统。此外还应装有低氧报警装置。

4.2.2 管系附件的核查

4.2.2.1 气体调节阀

根据FSS要求，在氮气系统供气总管上应设有一个通常称为主控阀的气体调节阀。该阀应能自动调节通往货油舱的惰性气体的流量。检验时应核查该阀是否附有开度指示装置，并能按监控要求自动关闭。此外，还应核查该阀是否布置在氮气总管通过的最前面的无危险性气体安全处所的前舱壁处。

4.2.2.2 止回装置

氮气系统总管上应设有2个止回装置，并且应布置在货油舱区域的甲板上。其中之一为双截止透气装置，另一个是能直接关闭的止回阀。双截止透气装置一般由2个截止阀和其中间支管上的一个常开的透气阀组成。检验时应确认止回装置各阀门的开闭是否灵活，并试验其止回性能。另外，应注意确认在止回阀和主控制阀之间的管路上应设置一个逸气阀，以保证在止回阀关闭时能够安全逸气。

4.2.2.3 压力真空释放器

安装在氮气总管上的压力真空释放器，采用防冻液或合适油做密封液体。注意核查其压力真空释放口应设置易于接近清理和更新的防火网，防火网的结构必须坚固，能承受最大装货速度时产生的气体压力。还应进行释放器的压力真空释放性能，其中做真空释放试验时，可采取使某一货油舱灌满水并与惰气总管接通，切断总管与其他货油舱的联系，然后以货油泵向外抽水来造成真空，可以采取真空表或U型管压差计来测定真空。

4.2.3 管系密性试验

氮气系统在各设备、仪表及管系附件安装完毕后，应以工作压力1.25倍的试验压力对系统各种管系进行密性试验，保压5 min，不允许有任何泄漏。

4.2.4 报警联锁试验

报警联锁试验在氮气系统安装后仍需再次验证。试验时，可以模拟某些条件来进行，以确认声光报警和各设备、仪表及附件之间动作的协调可靠性。

4.2.5 实船氮气效用试验

当制氮装置作为惰化目的的惰性气体系统(IGS)时，应考核其安装后的实船氮气效用试验。具体做法为:选定任意一货油空舱，向舱中充入氮气，测量并记录舱室中氧含量降到8%的时间;然后再向舱内注满海水，在货泵向舷外排出海水时，向货舱中充入氮气，连续观察货舱中压力，观察氮气的排量是否与货泵排量匹配。

5 结语

本文重点阐述了变压吸附式制氮系统设计原则要求和检验要点，对于目前液货船上较为常见的膜制氮系统，仅氮气的发生机制不同，其设计要求和船上的布置要求基本类似。

在制氮系统的实际设计和检验过程中由于船型的不同和使用场所的特殊要求，应根据具体情况，采取不同的方案，并满足SOLAS公约、FSS规则、规范以及相关标准的适用要求，保证船舶的作业安全。

［1］国际海事组织.国际海上人命安全公约［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］中国船级社.钢制海船入级规范［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［3］CB 1169－86，油船惰性气体系统技术条件［S］.

［4］CB/T 3609－93，惰性气体系统安装及效用试验质量要求［S］.

［5］JB/T 6427－2001，变压吸附制氧、制氮设备［S］.

［6］GB/T 10250－2007，船舶电气与电子设备的电磁兼容性［S］.