книги из ГПНТБ / Хордас, Г. С. Техническое кондиционирование воздуха и инертных газов на судах

Таблица 8

Концентрация газов в свободном пространстве грузовой цистерны в период разгрузки нефти

(продолжительность выгрузки около 10 ч)

Как известно, сварочные работы связаны со значительной по­ жарной опасностью, и поэтому обычно ремонт производится после предварительной тщательной зачистки грузовых цистерн от остатков нефти и нефтепродуктов и дегазации помещений. Первые опыты применения газовой и электросварки при ремонте нефтеналивных барж с остатками нефти и нефтепродуктов подслоем топочных (инерт­ ных) газов были проведены В. С. Козловым, С. М. Муратовым и др.

Опыты показали, что применение этого способа ведения огневых работ обеспечивает надежную взрыво- и пожаробезопасность.

В1952 г. проектно-конструкторские организации разработали систему инертных газов, которая была установлена в августе того же года на пароходе «Володарский». Нагнетание газов осуществлялось

спомощью вентиляторов общепромышленного назначения типа «Сирокко», приводимых в действие от электродвигателей (рис. 21).

В1953—1955 гг. при помощи систем инертных газов было отре­

монтировано 65 нефтеналивных барж. Использование инертных газов при ремонтах позволило сэкономить значительные средства. Было освобождено большое количество рабочих, ранее занятых на зачистке

40

судов от нефтепродуктов. Сроки ремонтов сократились с 10—15 суток до 12—14 ч. Вместе с тем был выявлен ряд недостатков:

1.Газы, поступавшие к потребителям, были слишком влажными.

2.Давление, обеспечиваемое вентиляторами типа «Сирокко», оказалось недостаточным.

3.Вентиляторы и электродвигатели под влиянием влажных га­ зов с примесью двуокиси серы быстро корродировали и выходили из строя.

Вода

Рис. 21. Схема первой отечественной системы инертных газов.

/ — приемный трубопровод; 2 — отделитель воды (сухая насадка); 3 — тру­ бопровод подачи воды на орошение; 4 — орошаемая насадка; 5 — гидравли­ ческий затвор на отливе воды; 6 — центробежный вентилятор; 7 — электро­ привод вентилятора.

4.Газы плохо очищались водой от вредных примесей вследствие

неудачной конструкции контактного аппарата — скруббера.

В 1955 г. специалистами была разработана новая система для танкера внутреннего плавания грузоподъемностью 3300 т [71 ].

Вней для транспортировки газов был применен пароводяной эжек­ тор. Это существенно упростило схему всей системы и создало усло­ вия для ее надежной и устойчивой работы. В этой системе инертные газы от котлов эжектируются водяным паром и подаются на обработку

вскруббер, в котором они очищаются и охлаждаются забортной водой.

Вскруббере имеются две насадки — сухая и мокрая, выполненные

ввиде слоев из битого огнеупорного или строительного кирпича.

Втрубу подачи газов впрыскивается определенное количество воды для предварительного охлаждения газов.

41

Таблица 9

Изменение состава выпускных газов в зависимости от режима работы ДВС

Состав газов контролируется автоматически газоанализатором. При этом определяется только процентное содержание двуокиси угле­ рода, по которому можно судить о качестве горения в топке котла. При содержании С 02 не менее 10—12% процесс горения считается

нормальным.

При работе двух котлов с поверхностью, равной 150 м2, коли­ чество получаемых газов составляет 5500 м3/ч.

В 1957 г. была разработана оригинальная система с дожитом выпускных газов ДВС [30]. Предварительно на теплоходах «Богдан Хмельницкий», «Смоленск», «Художник Васнецов» и «XXX лет ВЛКСМ» был исследован состав выпускных газов ДВС при различ­ ных нагрузках двигателя и проведена экспериментальная проверка возможности каталитического дожита газов.

Исследования показали, что определенное повышение степени инертности газов может быть достигнуто каталитическим дожитом содержащихся в них углерода и окиси углерода (табл. 9).

Содержание кислорода в газах при каталитическом дожиге падает на некоторых режимах до 7,6%. Дальнейшее снижение концентрации кислорода, как показали опыты, возможно при обо­ гащении газов распыленным топливом. При температуре 770— 820 К содержание кислорода в них может быть снижено до 1%, а при температуре около 1000 К практически весь кислород вступает в химическое взаимодействие с углеводородами, причем температур­ ный режим дожигания может поддерживаться за счет теплоты хими­ ческой реакции.

На основе полученных результатов была разработана система применительно к теплоходам типа «Красное Сормово» (рис. 22), буксирующим нефтеналивные несамоходные суда.

В системе предусматривается отвод выпускных газов от ДВС в утилизационный котел, где они проходят через предварительно разогретую при работающей форсунке до 770 К каталитическую насадку (из дунита или боксита), расположенную на колосниковой решетке. Пройдя через разогретую насадку, газы со значительно сниженным содержанием кислорода поступают в дымоход котла и затем отсасываются в скруббер на обработку — очистку и охлажде­ ние. Подача топлива регулируется таким образом, чтобы обеспечить температуру дожита 870—970 К. Система с дожитом выпускных газов была смонтирована на теплоходе «Художник Крамской».

На основе опыта проектирования, изготовления и эксплуатации первых отечественных систем была создана более совершенная система «Волга» с автономной генерацией газов производительностью 800 м3/ч инертных газов [57].

Испытания, проведенные в ноябре 1964 г., показали, что си­ стемой генерируются газы с содержанием двуокиси углерода до

12,8%.

Основными элементами системы являются скруббер со встроенной камерой сгорания для сжигания дизельного топлива, вентилятор, насос забортной воды, топливная аппаратура и приборы автоматики и контроля.

43

Воздух нагнетается электровентилятором в диффузор камеры сгорания, что способствует перемешиванию частиц топлива с возду­ хом, обеспечивая полное сгорание. Из расходной цистерны через топливный фильтр топливо подается к топливному насосу, а затем к двум форсункам, установленным в камере.

Для зажигания топлива предусмотрено запальное устройство. Газы проходят по охлаждаемому водой газоходу (типа «труба

Рис. 22. Система инертных газов теплоходов типа «Красное Сормово».

сэлектроприводом; 8 — напорный трубопровод инертных газов.

втрубе»), расположенному в центральной части корпуса скруббера. По высоте скруббера,так же, как и в первых системах, установлены две керамические насадки высотой по 200 мм из колец Рашига 50x50. Нижняя керамическая насадка — мокрая, т. е. орошается водой. Верхняя насадка — сухая, в основном предназначена для улавли­ вания капель воды из газа.

Во избежание превышения температуры газов, подаваемых в гру­

зовые цистерны, после скруббера установлено температурное реле, сблокированное со схемой управления электродвигателем топлив­ ного насоса. Реле подает сигнал об остановке топливного насоса при повышении температуры газов выше 313° К. Для охлаждения газов

44

насос подает в скруббер 15 т/ч охлаждаемой воды. Масса сухой уста­ новки 1540 кг.

Работы, выполненные в 50-е годы и начале 60-х годов советскими специалистами, послужили основой для разработки современных схем и конструкций систем инертных газов в отечественном судо­ строении.

установленной на судах «Бритиш Скайлл» и «Бритиш Соверингл.

1 — запорный клапан газоотвода при приеме груза и балласта; 2 — дыхатель­ ный клапан, отрегулированный на поддержание в тайках давления, равного 14 кПа (1400 мм вод. ст.); 3 — жидкостное предохранительное устройство для сброса давления и снятия вакуума; 4 — магистраль подачи инертных газов и газоотвода; 5 — подача инертных газов через комингсы горловин; б — труба для выпуска (продувания) инертных газов; 7 — клапан; 8 — невозвратный кла­ пан; 9 — палубный гидравлический затвор, 10 — запорный клапан; И — авто­ матический клапан, поддерживающий заданное давление в магистрали; 12 — нагнетатель инертных газов; 13 — скруббер для промывки и охлаждения газов; 14 — петля трубопровода для исключения попадания воды в дымоход; 15 — от­ бор газов от дымохода; 16 — дымоход котла; 17 — насос забортной воды; 18 — прием воды из-за борта; 19 — трубопровод отлива воды за борт от скруббера; 20 — рециркуляционный трубопровод; 21 — трубопровод отлива воды за борт от

палубного гидравлического затвора; 22 — грузовая цистерна; 23 — мачта. Трубопроводы: —/ — приемно-напорный забортной воды; —/ / — отливной за­ бортной воды.

За рубежом большие работы по дальнейшему развитию систем инертных газов и оценке их эффективности были проведены компа­ нией Бритиш Петролеум, американской компанией Эссо Интернейшнл и др. В частности, компанией Бритиш Петролеум была проведена подготовительная работа, включающая и изучение опыта работы систем непосредственно на судах американских компаний. На основе этого был создан образец системы, отличающийся от системы Сан Ойл характеристиками нагнетателя газов и конструк­ цией оборудования для очистки и охлаждения.

В 1961 г. системами были оборудованы два судна: «Бритиш Скайлл» и «Бритиш Соверинг» различного тоннажа. К этому времени суда имели срок службы 10 и 7,5 лет соответственно. Одновременно два судна без системы инертных газов — «Бритиш Тэлент», однотип­ ное с «Бритиш Скайлл», и «Бритиш Виктори», однотипное с «Бритиш

45

Соверинг», были выбраны в качестве контрольных. Кроме того, в феврале 1962 г. на танкере «Бритиш Престиж» дедвейтом 42 000 т только часть грузовых цистерн была оборудована системой инертных газов, а другая часть оставлена без нее. Это позволяло вести сравни­ тельные испытания на одном судне (одни и те же условия эксплуата­ ции, род груза и др.).

Схема систем, установленных на судах «Бритиш Скайлл» и «Бри­ тиш Соверинг», приведена на рис. 23. Отбор инертных газов произ­ водится от дымоходов котлов 16, после чего газы поступают в скруб­ бер 13, где производится их промывка и контактное охлаждение за­ бортной водой. Из скруббера газы с помощью нагнетателя 12направ­ ляются в грузовые цистерны 22■ При приеме груза или балласта газоотвод осуществляется через палубную магистраль 4, запорный клапан 1 и стояк, установленный в мачте 23. Предусмотрен ряд за­ щитных устройств, чтобы исключить возможность попадания угле­ водородов в дымоход котла: невозвратный клапан 8, палубный гидравлический затвор 9 (установленный позднее) и гидравлический затвор в самом скруббере. Во избежание перегрева нагнетателя при прикрытии автоматического клапана 11, поддерживающего заданное давление в магистрали, предусмотрен сброс газов через рециркуля­ ционный трубопровод 20. Жидкостное предохранительное устрой­ ство 3, работающее по принципу дифманометра, позволяет при не­ обходимости сбросить давление или снять вакуум в грузовых поме­ щениях (например, при охлаждении груза и отсутствии подачи инертных газов). При этом осуществляется дистанционный контроль за давлением в палубной магистрали, подачей воды в скруббер, содержанием С 02 в топках котлов (что позволяло косвенно судить

оконцентрации кислорода в газах).

Всистемах были применены семитарелочные скрубберы (рис. 24), конструкция которых аналогична аппаратам, используемым в ста­ ционарной практике. Газы, пройдя первый гидравлический затвор, поднимаются вверх, барботируя на каждой тарелке 4 сквозь гидрав­

лические затворы, образованные патрубками 12 и колпачками 11. С помощью переливных труб 5 и перегородок 13 движение забортной воды организовано таким образом, чтобы она, поступая сверху, последовательно проходила все тарелки и удалялась из нижней части аппарата. В скруббере проводится эффективная очистка и охлаждение газов от двуокиси серы и твердых частиц, что характе­ ризуется следующими показателями:

* Водородный показатель pH, характеризующий кислотность среды, — лога­ рифм концентрации грамм-ионов водорода в 1 л раствора, взятый с обратным зна­

ком. Так, pH = 7,9 соответствует концентрации 10~7,э.

46

Аэродинамическое сопротивление составляет 5 кПа (500 мм

вод. ст.).

Скрубберы были изготовлены из обычной малоуглеродистой стали. Корпус изнутри покрывался синтетическими материалами.

Газы

Рис. 24. Схема работы и кон­ структивные размеры скруб­ бера тарелочного типа произ­ водительностью 5600 м3/ч при температуре 290 К, приме­ ненного на танкерах «Бритиш Скайлл» и «Бритиш Сове-

ринг».

/ — патрубок подвода воды; 2 — отбор газов к нагнетателям (0356); 3 — отделитель воды; 4 — колпачковая тарелка; 5 — переливная труба (о 203); 6 — смотровой люк; 7 — затоплен­ ный патрубок входа газов

(0 356); 8 — фильтр; 9 — патру­ бок отлива воды (0 178); 10 — держатель тарелки; 11 — кол­ пачок; 12 — патрубок для про­ хода газа; 13 — перегородка гидравлического затвора пере­

лива (Я = 50 мм); 14 — перего­ родка входного гидравлического затвора (Я =■ 230 мм).

Однако отсутствие защитных покрытий у других деталей аппарата привело в дальнейшем к их интенсивному разрушению (рис. 25). Кроме того, наблюдался повышенный унос капель воды с верхних тарелок, в связи с чем в 1962 г. вход воды был перенесен на третью

47

«Азербайджан» и др.) во время их капитального ремонта показало, что среднегодовые убытки от коррозии составляют значительную сумму [33].

На танкерах компании Сан Ойл, оборудованных системами инертного газа, в первоначальный период отмечалось некоторое увеличение коррозии корпусных конструкций, а через несколько лет установлено ее уменьшение. Опыты, проведенные ВМФ США (их результаты были опубликованы в 1953 г. [84]), свидетельствуют о том, что использование предварительно осушенных инертных газов значительно уменьшает скорость коррозии. Вместе с тем более позд­ ние испытания на другом корабле ВМФ США, где использовались влажные инертные газы, показали не менее значительное уменьше­ ние коррозионных разрушений. При этом влияние условий эксплуа­ тации (частота мойки цистерн, балластировки и др.) выяснено не было.

Для количественной оценки процессов коррозии компанией Бри­ тиш Петролеум были использованы три метода [84]:

—лабораторные испытания;

—натурные испытания с помощью контрольных образцов, расположенных в грузовых цистернах;

—определение с помощью ультразвука изменения толщины непосредственно корпусных конструкций.

При лабораторных испытаниях, проведенных в течение 1960—■ 1961 гг., помимо общей оценки коррозии определялось влияние

изменения концентрации двуокиси серы на скорость ее протекания. Хотя концентрация S 0 2 в инертных газах варьировалась в преде­ лах 0,0—0,18%, причем второе значение соответствует непромытым инертным газам при сжигании в топке котла топлива с достаточно вы­ соким содержанием серы (3,5%), влияния двуокиси серы на скорость коррозии отмечено не было. Однако присутствие серы в газах вы­ звало появление на сухих поверхностях липкого черного отложения. Было высказано предположение, что отложения сажи в трубопро­ водах подачи инертных газов могут во время эксплуатации погло­ щать двуокись серы, что вызовет со временем коррозию труб и ар­ матуры. В связи с этим была установлена норма удаления S 0 2 в скруббере (свыше 90%).

Лабораторные испытания позволили сделать прогноз скорости коррозии: приблизительно 0,36 мм в год для корпусных конструк­ ций судов без систем инертных газов и примерно 0,13 мм для корпус­ ных конструкций судов, оборудованных системами. Это дает хоро­ шую сходимость с натурными испытаниями.

При натурных испытаниях пяти судов (двух с системами инерт­ ных газов, двух без них и одного с частью цистерн, оборудованных системами, см. стр. 45), проводимых в течение пяти лет, контроль­ ные образцы из судостроительной стали размером 304,8 X 304,8 X X 10,16 мм были укреплены в грузовых цистернах (на подволоке, днище, бимсах). Одновременно с испытаниями контрольных образ­ цов на тех же судах измеряли толщину корпусных конструкций (продольного и поперечного набора на расстоянии 76 мм от верхней