摘 要

燃料箱是油轮的重要部分。一旦油因事故而燃烧，甚至是爆炸，这是不可想象的。它可以导致船舶被摧毁，造成巨大的财产损失，船员的生命受到威胁。这也将对航运公司的发展产生重大不利影响。同时，它将对水造成严重的环境污染。近年来，国内外发生了许多油轮爆炸事件。这听起来像是为人们敲响的警钟。油轮的防燃和防爆作为一个主要问题一直受到人们的高度重视。使用惰性气体对燃料箱进行防火和防爆是近年来广泛使用的有效方法。经济依赖石油和能源，海上石油运输正在蓬勃发展。石油船队的规模和单船的容量得到了很大的提升。油轮的设计和制造也随着时代的发展不断进步，但依然发生了很多严重的油轮事故。这些事故的发生对人们的生命财产和海洋生态环境造成了极大的危害。因此，船东和国际海事组织（IMO）专注于油轮运输的安全性的提高。

该项目主要通过PLC控制对油轮惰性气体进行实时自动监测和浓度控制，从而控制油船惰性气体发生器的风油比，产生氧气占比低于5%的惰性气体，充入到各个油箱中进而防止燃烧和爆炸，对今后保护船舶惰性气体具有一定的参考价值。

关键词：大型油船、惰气系统、PLC

Abstract

The cargo tank of an oil tanker is an important part of an oil tanker. Once the cargo oil burns unexpectedly, its consequences are unimaginable. It causes huge loss of property and threatens the lives of crew. It will also bring significant adverse effects on the development of shipping enterprises and social stability. At the same time, it will cause serious environmental pollution in the waters. In recent years, there have been many oil tanker explosion accidents at home and abroad. Alarm bells were sounded for people. As an important subject, the fire and explosion protection of oil tankers has been paid more and more attention. Among all kinds of fire-proof and explosion-proof methods, using inert gas to protect oil tank is an effective method . The size of tanker fleet and the volume of single vessel transportation have been greatly improved. The design and manufacture of tankers are also moving towards the direction of large-scale and super-large-scale. Serious accidents of tankers follow. The occurrence of these accidents has caused great harm to people's lives, property and marine ecological environment. Therefore, the safety of tanker transportation has attracted great attention from shipowners and the International Maritime Organization (IHU).

This topic mainly carries out real-time automatic monitoring and concentration control of inert gas in oil tankers through PLC control, which has certain reference value for future protection of inert gas in ships.

Key words: Large oil tanker；inert gas system；PLC

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及其意义 1

1.2 惰性气体气简介 2

1.3 船用惰性气体系统 2

1.3.1 惰性气体系统装置的组成 2

1.4 PLC简介 6

1.4.1 PLC简介 6

1.4.2 PLC的特点 6

1.4.3 PLC控制思路 7

1.4.4 PLC的功能 8

第2章 油船惰性气体系统介绍 9

2.1 规则、规范要求 9

2.2 惰性气体在油船中的使用 9

2.3 惰性气体来源的几种主要方式 10

2.3.1 锅炉燃烧形成的烟气 10

2.3.2 使用惰性气体发生器燃烧空气以除去氧气或主管当局批准船上预留 10

2.4 惰性气体系统及主要组成 11

2.5 油船惰性气体的操作 12

2.6惰性气体系统种类 13

2.6.1 烟气式惰性气体系统 13

2.6.2惰气发生器式惰性气体系统 14

2.6.3组合式惰性气体系统 14

第3章 油船惰性气体控制系统的设计与实现 15

3.1 控制系统设计步骤 15

3.2 PLC的选择 15

3.3 控制系统硬件电路设计 16

3.4 油船惰性气体控制流程及其程序的设计 16

3.4.1 惰性气体系统模块 17

3.4.2独立发电机惰性气体系统模块 21

3.4.3系统流程图模块 21

3.4.4惰性气体系统软件控制设计 22

第4章 结语 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 选题背景及其意义

油轮是专门设计和建造的特殊油轮。它已被普通货船改装，需要油水运输。当前时代下工业革命和科学技术不断发展，石化工业扩展迅猛，石油的应用范围也随之变得更加广阔。在大量地下原油被发现时，全球原油产量大幅增加，也使油轮船舶的扩张进步加快。但是更多的海上油轮运输，导致海上油轮事故发生率也增加了，造成了严重的污染以及海洋的破坏。油轮火灾和爆炸非常危险，会对人身安全和海洋环境构成巨大的威胁，并直接造成经济损失，因此油轮防火很有必要也非常的重要^[5]。于是，人们使用控制燃烧的三个要素之一 ——氧气来达到防止燃烧和爆炸的目的。当烷烃以一定比例与氧气混合时，燃烧是一种意外，并且在该范围之外的区域中，不会发生燃烧和爆炸。当安全地执行操作时，可以执行人工控制。氧气浓度在易燃爆炸范围外离开油箱的气体状态。这利用了不活泼的气体并且不支持惰性气体的燃烧。当它被送到油箱时，它会大大降低油箱的氧含量并使其易燃/易爆。因此，为了提高油轮的安全性，需要惰性气体装置。长航蓝晶轮惰性气体系统为AIR PRODUCTS，烟雾型，额定排量为5000立方米，发电机的额定排量为500立方米，该装置主要由以下部件组成：洗涤器，甲板水封塔，惰性气体鼓风机以及真空/压力破碎阀和控制系统。油罐车是专门设计和制造的特殊油轮。它由普通货船改装，需要油水运输。随着工业革命和科技的不断发展，石化工业也发展迅猛，同时石油的应用也得到了大幅的增加。当地下原油越来越多的被发现时，全球原油产量大幅增加，让油轮船队的发展壮大提速。然而，巨大的油轮船队的迅猛壮大，同时增加了海上油轮事故发生率，造成了更多的海洋污染和环境破坏。油轮火灾和爆炸会直接造成巨大的经济损失，同时危及人身安全和海洋环境，因此油轮的防火非常重要^[2]。

随着现代工业的发展，石油消费量大幅增加，许多原油在大型油轮出现之前都存在长途运输问题。但是，原油的运输存在许多问题，例如火灾或爆炸。刀片或爆炸必须满足三个条件：（1）氧气供应。（2）易燃物质的存在。（3）点火源。因此，为了安全地进行各种操作，必须使用惰性气体作为介质使运输原油的船舶停用，以防止形成易燃混合物以防止燃烧爆炸。惰性气体通过将罐中的气体混合物的氧含量控制在燃烧和爆炸的下限以下来起作用，从而有效地防止了罐车货舱的燃烧和爆炸的风险^[3]。因此，作为安全装置，惰性气体发生系统（IGS）广泛应用于危险品载体，极大地保证了原油在运输和运输中的安全性和可靠性。

惰性气体系统在油罐车上的应用基于可编程控制器的有效控制，使油罐车能够在装载，运输和卸载原油期间确保油箱的惰化，以防止发生事故。它还使PLC成为大型，耗电的继电器控制系统的替代品，使控制系统更简单^[1]。

1.2 惰性气体气简介

通过对原油罐车爆炸事故的深入调查和调查，特别是在原油冲洗和爆炸过程中，洗涤过程中产生的静电将导致油轮爆炸。与此同时，人们便认识到，一种新的点火源诞生了 - 静电，同时这种点火源基本是不可能消除或抑制的。因此，即使有火源，也要开始研究爆炸的新话题。这是研究燃烧控制的三个要素的另一个因素 – 以氧气防止爆炸。已经发现，当烷烃以一定比例与氧气混合时，燃烧是偶然的，并且在该范围之外的区域中，不会发生燃烧和爆炸，并且手动控制液货舱的气体状态。在爆炸外燃烧可以避免燃烧爆炸^[4]。

在易燃易爆炸范围以外的区域中存在三种类型的储气库，即：（1）碳氢化合物过于浓缩; （2）碳氢化合物太薄; （3）缺氧惰性物质。从安全的观点来看，更期望使用惰性气体系统来控制罐中的氧含量。结果，从那时起，应用和开发了惰性气体系统，一种用于油轮的安全装置。

惰性气体是化学惰性气体，不支持物质的燃烧。当惰性气体被送到油箱时，液货舱中的氧含量可以大大降低，使其易燃/易爆。惰性气体在油船上的三种来源：

（1）船舶主锅炉和辅锅炉的废气。

（2）独立惰性气体发生器。

（3）柴油发动机排气然后由辅助燃烧器（组合）燃烧^[6]。

1.3 船用惰性气体系统

1.3.1 惰性气体系统装置的组成

（1）锅炉烟道或惰性气体发生器

燃料油一般在锅炉燃烧后产生的废气成分如下：二氧化碳大约为百分之十三，氧气大约为百分之三到百分之四，氮气为百分之七十七，二氧化硫为百分之零点三，水蒸气为约百分之五，其余为固体颗粒。

如图1.1，惰性气体发生器是船上配备的一种装置，它利用特殊惰性气体装置通过燃烧燃料得到惰性气体。获得具有高质量的特性的惰性气体，并且氧含量还小于0.5％^[8]。

图1.1 惰性气体发生器

（2）烟道取气阀

如图1.2，它的作用是从锅炉中排出气体，放置在锅炉的洗涤塔以及烟囱之间，可以在货物控制室进行远程控制。当系统静止或者不再工作的时候，阀门便会关闭。

图1.2 烟道取气阀

（3）洗涤塔

如图1.3，惰惰性气体洗涤器具有冷却，除尘以及除硫的功能，可以冷却和海水清洗，以除去烟道气中的烟灰和硫化物，防止硫化物的腐蚀。净化装置安装在洗衣塔内部，其功能是脱硫后去除水分，减少固体，减少液货舱内水的锈蚀。

图1.3 洗涤塔

(4)惰气风机

惰性气体风扇用于从垫圈向货油舱供应惰性气体，并保持一定的供气速度和供气压力，以保持正确的惰性气体供应和正确的惰性气体压力。装备至少两个风力涡轮机以防止一个风力涡轮机发生故障的船舶，其总排量不能低于船舶总排放量的125％，出口温度65。

图1.4 惰气风机

（5）压力调节阀

压力控制阀处在惰性气体风扇和排气阀以及甲板水密封之间。在设定甲板主甲板上的压力值后，该功能会保持固定值，并在压力变动时自动调节阀门开度来控制惰性气体流量。

（6）放气阀

与压力显示控制器共同配合使用，用以保持风扇出口压力恒定。排气阀门的开启和关闭根据设定的压力自动控制。压力高于设定值时，排气阀将自动打开，将剩余的气体释放到大气中^[10]。

（7）呼吸阀

在惰性气体风扇停止后，通风阀用于甲板水封的通风。

（8）甲板水封

水封和止回阀是防止油箱中的碳氢化合物气体流回安全位置的装置，例如发动机室。当惰性气体单元停止时，甲板水封可防止液货舱中的液化气体流回油箱。海水供应始终保持在甲板密封中，特别是当IG发电机停止时。半干式甲板封闭：

当惰性气体流动时，由于文丘里管的作用，水封水被带入一个单独的储罐，然后惰性气体不会有水分进入油箱，但开始时只有一小部分湿气。该水封防止或减少水封水进入到液货舱内。当舱内的压力变高的时候，U形管内会充满水并开始密封，以防止气体流回油箱。当系统运行时，惰性气体由风扇送入防水管并从导管向上流动。由气体夹带的水撞击挡板并与导管外部的水合并以从外侧逸出。惰性气体夹杂着的水分会在经过除湿器时被除掉。当系统停止时，或者当罐中的气体位置上升时，进水管会被水密封。因为溢流管，其高度与水箱水位相同。

（9）止回阀

阀门安装在水封和甲板阀之间，也用于防止气体流回液货舱。该阀门用于防止货物在水箱上升并溢入甲板监控器时进入甲板水封和机舱。

（10）甲板隔离阀

阀门布置在止回阀和甲板IG的主液货舱和货油舱之间。安装的目的是在IGS不运行时为甲板的主油箱和货油舱提供保护。隔离止回阀侧面的安全区域。此外，如果需要，阀门的安装也有助于维持止回阀^[9]。

（11）真空/压力破坏阀（P / V阀）由于环境温度，海水温度和货物中的蒸汽压力的变化，液货舱中的气体压力可能太高或太低。如果油箱中的压力太高或太低，货舱部件可能会损坏。出于安全原因，在正常条件下，通过排气歧管底部的呼吸阀控制过高或过低的压力。基于呼吸阀，在甲板IG的主线上安装P / V隔离开关，以在呼吸阀失效时调节水箱中的意外高压。或使用低压安全措施。对于在船上一般用于填充液体的液体/压力断路器，要让使用的液体和保持的液位正确极其重要。仅在惰性气体管线中检查液位当考虑流体条件以及液位时，应多方面考虑，比如蒸发、冷凝和可能的海水吸入造成的影响。在恶劣的情况下，舱室压力可能会因为液货舱中的流体湍流而骤升，导致真空中的流体/压力破坏阀被吹出。为了避免这种现象，真空中的液体压力破坏阀必须是防冻剂（一般是和水混合的），以避免温度过低的时候流体冰冻，导致真空/压力破坏阀无法工作。

（12）压力/真空阀

压力/真空阀的作用是循环因为液货舱温度变化产生的少量机舱气流，并且要在真空/压力故障阀工作之前就开始工作，以防止真空/压力破坏阀的不必要的移动，同时要定期检查和清理压力/真空阀，这样才能保证良好的状态，随时做好工作的准备。

（13）氧分析仪

功能是分析惰性气体中所含的氧气含量。关于检查维护：每一次使用前都要进行验证。根据说明书上要求的程序进行校准。同时定期清洁更换，过滤器每个月清洁一次，滤芯每年更换一次。始终检查阀门和管道相关的限制，泄漏和定期处理。

（14）惰性导出

惰性气体从甲板沿着桅杆或柱延伸到大约10米的高度，将油和气体导向上层空气，在沉入甲板之前完全扩散到大气中，防止火灾，并且可以使船员中毒。防火网（通常是铜线）均匀地连接到通风主管的出口，以防止火进入空气管道。

检查和维护：a会释放惰性气体，要留意处理残留的水，不可以把含油的残留水泄漏到海里。 b定期检测、处理对应阀门及管道是否堵塞、泄漏。 c检查、清洁防火网，以免防火网堵塞，影响通风^[11]。

图1.5 惰性气体系统简图

1.4 PLC简介

1.4.1 PLC简介

早期的PLC只能对可编程关闭进行一些逻辑控制，便被称之为PLC。近些年来，PLC的中央处理单元变成了微处理器，在具有逻辑控制功能的同时，也可以做算术运算、模拟处理甚至是拥有了通信联网功能。但它仍称为PLC，以区分它是来自个人的电脑^[12]。

1.4.2 PLC的特点

灵活多变：要更改控制功能，只需更改软件和几行。稳定的可靠性和高超的抗干扰能力：

（1）硬件：微电子技术的切换操作由非接触半导体电路和大规模集成电路执行，并且它们之间存在电连接隔离，由CPU和输入/输出之间的电隔离隔离。

（2）软件：定期检查外部环境的监控程序，如强干扰信号和欠压，将状态保存在存储器中并关闭以保护信息。一旦发生故障，监控定时器错误，会检查程序的循环状态，并在在循环时间内发出警报，程序验证，程序输出警报消息并停止执行。

（3）方便使用，语言简单 - 梯形图语言编程相对更加容易。输入、输出的接口可以和各种开关连接，传感器、继电器、接触器和电磁阀，同时接线简单。

（4）功能强大，小型垂直PLC完成模拟/数字，数字/模拟转换，数字操作和各种状态控制。完全控制模拟量可以水平控制一个或多个设备。轻巧、紧凑、易于安装及远程操控^[13]。

1.4.3 PLC控制思路

它有三个模块：输入部分，输出部分和控制部分。它接收由不同主设备传送的操作命令和反映由设备状态信息的不同输入组件发送的不同状态的信息。 PLC的输入对应内部继电器。当输入点连接到公共引脚COM进行输入时，相应的输入继电器通电。输出部分将根据控制程序的执行结果运行，以便直接驱动相应的负载。 PLC内部有输出继电器，每个继电器对应于每个硬接触。由于程序执行，当输出继电器线圈通电时，输出继电器的输出触点闭合并控制外部负载。控制部分：由用户编译并存储在PLC用户程序存储器中的控制程序。当系统启动时，读取用户程序存储的程序内容，按顺序解释，并将结果发送到输出终端以控制相应的外部负载。 PLC用户程序是从继电器控制电路演变而来的梯形图编程方案，区别在于它所谓的内部继电器不是实际上的硬件继电器，而是软件继电器。它是真正意义上的物理连接，但是逻辑连接（通过软件）。 PLC分为六个板块：输入、输出、存储器、CPU、操作显示以及电源。输入部分：负责收集和外部指示设备状态，确保CPU判断。

输出：执行CPU外部处理结果并完成处理操作。

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