液貨艙液位計選型與工作原理
摘要：針對IGC規(guī)則和IBC規(guī)則中關于液貨艙測量裝置的要求, 對規(guī)則中要求閉式測量裝置的工作原理、優(yōu)點和應用實例等方面進行了研究, 并對液位遙測系統(tǒng)進行了介紹。
0、引言：
IGC規(guī)則和IBC規(guī)則對液貨艙液位指示器 (Level indicators) 或液貨艙液位的測量裝置 (gauging devices) 做出了明確規(guī)定, 從這些規(guī)定可看出, 不同的貨品要求安裝有不同型式的測量裝置。液貨艙液位測量裝置分為開式裝置、限制式裝置和閉式裝置, 其中閉式裝置又分為深入液貨艙裝置和不穿過液貨艙殼板與液貨艙無關的間接式裝置兩種。而對于液化氣體運輸船舶, IGC規(guī)則對于閉式裝置有更嚴格的區(qū)分, 將其分為三類。具體要求可參見中國船級社出版的《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)范》2006和《散裝運輸危險化學品船舶構造與設備規(guī)范》2009。
由于規(guī)則中涉及到的液貨艙液位測量裝置種類多, 不同的裝置又有不同的工作原理和應用領域, 由于篇幅有限, 本文僅對這兩本規(guī)范中提到的液貨艙閉式測量裝置從工作原理、優(yōu)缺點和應用實例等方面做了詳細闡述, 對于開式和限制式液位測量裝置僅做簡單介紹。
1、開式裝置：
開式裝置在IBC規(guī)則的定義如下:利用液貨艙的開口進行測量, 可將測量儀表放置于貨物或其蒸氣之中, 如空檔測量孔就是一例。需要注意的是, 本文通過對比IGC規(guī)則和IBC規(guī)則得知, IGC規(guī)則中不允許液貨艙安裝開式測量裝置。
在IBC規(guī)則較低要求中有不少貨品的測量裝置為開式裝置。但是在實際使用中由于只載運允許開式透氣裝置貨品的船舶很少存在, 絕大部分化學品船適裝的貨品種類豐富, 可能包括了要求安裝限制式裝置和閉式測量裝置的貨品種類, 因此在化學品船上液貨艙安裝開式裝置的并不多見。
2、限制式裝置：
2.1、化學品船液貨艙限制式測量裝置：
IBC規(guī)則對于限制式裝置做出如下規(guī)定:此裝置伸入液貨艙, 使用時允許少量貨物蒸氣或液體逸入大氣。不使用時, 這種裝置是完全封閉的。其設計應確保在打開這種裝置時不致使艙內貨物 (液體或氣霧) 發(fā)生危險的外溢。
限制式測量裝置在化學品船的液貨艙中較常見, 在船舶建造時通常是在每個液貨艙頂部甲板上安裝一個測深管, 測深管上安裝一個甲板閥 (球閥) , 這種球閥和測深裝置或者取樣裝置能密閉且快速連接。
2.2、LPG船液貨艙限制式測量裝置：
IGC規(guī)則中把固定管式和滑動管式液位表作為此類裝置。滑管式液位計是目前LPG船舶上安裝的***常見的一種限制式測量裝置。
3、閉式裝置：
在IBC規(guī)則中, 閉式裝置分為兩類, 一類裝置為伸入液貨艙, 成為封閉系統(tǒng)的一部分, 且能防止艙內貨物逸出。例如浮筒式系統(tǒng)、電子探測器、磁性探測器和帶有防護的觀察裝置等;另一類用不穿過液貨艙殼板而與液貨艙無關的間接式裝置, 如貨物稱重裝置和管式流量計等。
通過仔細和IGC規(guī)則對比發(fā)現(xiàn), IGC規(guī)則中對于閉式裝置有更嚴格的區(qū)分, 規(guī)則中將其分為三類, 一類為間接式裝置如貨物稱重裝置和管式流量計等;第二類為不穿透液貨艙的裝置如使用放射性同位素的裝置或超聲波裝置等;第三類為穿透液貨艙的閉式裝置, 如浮筒式系統(tǒng)、電子探頭、磁性探頭和氣泡管式指示器等。在IGC規(guī)則較低要求中不同的貨品和這三類裝置相對應, 需要特別注意的是, 氣體運輸船如載運氯 (Chlorine) 這種貨品時, 液貨艙必須采用類間接式裝置和第二類裝置即不穿過液貨艙的測量裝置。這一要求在船舶設計和建造時需要充分引起關注。
3.1、間接式裝置：
3.1.1、管式流量計：
管式流量計屬流量儀表類閥門, 指示被測流量和 (或) 在選定的時間間隔內流體總量的儀表。被廣泛適用于化工、石油等各個領域。缺點是不能應用于能見度為零的液體、氣體或粘度系數(shù)極高介質, 如污水、原油、污泥和泥漿等。
雖然管式流量計在各個領域有著廣泛的應用, 但是在液貨艙測量裝置中, 由于在設計時船舶選擇了其他閉式測量裝置, 因此這種測量裝置就上很少見到使用。然而對于液化氣體運輸船, 根據(jù)IGC規(guī)則的要求, 如果船舶載運氯貨品時, 液貨艙必須采用間接式裝置如管式流量計了, 但是在實際使用中確極少見到。
3.1.2、貨物稱重裝置：
在液貨艙測量裝置中筆者尚未見到使用貨物稱重裝置。而對于液化氣體運輸船, 根據(jù)IGC規(guī)則的要求, 在載運氯 (Chlorine) 此種貨品時, 液貨艙必須采用間接式裝置如貨物稱重等, 但是在實際使用中尚未見過此種裝置。
3.2、不穿過液貨艙的閉式裝置：
3.2.1、放射性同位素的裝置：
放射性同位素是一個原子核不穩(wěn)定的原子, 每個原子也有很多同位素, 每組同位素的原子序雖然是相同, 但卻有不同的原子量。如果這原子是有放射性的話, 它會被稱為物理放射性核種或放射性同位素。放射性同位素會進行放射性衰變, 從而放射出伽瑪射線和次原子粒子。該技術在射線照相技術、測定技術方面等方面有著廣泛使用。但是作為液貨艙的測量裝置, 還沒有沒有查到這方面的相關資料。
3.2.2、超聲波裝置：
超聲波液位計是由微處理器控制的數(shù)字液位儀表。在測量中超聲波脈沖由傳感器 (換能器) 發(fā)出, 聲波經液體表面反射后被同一傳感器接收或超聲波接收器接收, 通過壓電晶體或磁致伸縮器件轉換成電信號, 并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計算傳感器到被測液體表面的距離。該裝置為非接觸式測量, 不接觸液體, 就可以測量。液體的密度、粘稠度都不影響測量, 且安裝方便, 只需要罐頂開孔就可安裝。
由于采用非接觸的測量, 被測介質幾乎不受限制, 可廣泛用于各種液體和固體物料高度的測量。在化工業(yè)行業(yè)中經常使用超聲波液位計來測量儲罐、反應釜的液位。但在化學品船或液化氣船液貨艙中使用的卻較少。
目前對于超聲波裝置, 已研發(fā)出智能型外貼式超聲波液位計, 液位測量采用了傳感器外貼與被測液體非接觸的測量方式。智能型外置式超聲波液位計, 可在罐外連續(xù)測量液位, 對罐體不開孔, 特別適合密閉容器內的各種有毒物質﹑強酸﹑強堿及各種純凈液體的液位進行測量, 儀表采用隔爆設計, 可在危險區(qū)域中應用。
因此, 該裝置可作為IGC規(guī)則中規(guī)定的間接式測量裝置之一, 對于獨立液貨艙的氣體運輸船在載運氯這種貨品時可選用此種類型的測量裝置。
3.3、穿過液貨艙的閉式裝置：
3.3.1、浮筒式液位計：
1) 工作原理和優(yōu)點
這種液位計的工作原理為浸在液體中的浮筒受到向下的重力, 向上的浮力和彈簧彈力的復合作用。當這三個力達到平衡時, 浮筒就靜止在某一位置。當液位發(fā)生變化時, 浮筒所受浮力相應改變, 平衡狀態(tài)被打破, 從而引起彈力變化即彈簧的伸縮, 以達到新的平衡。彈簧的伸縮使其與剛性連接的磁鋼產生位移。這樣, 通過指示器內磁感應元件和傳動裝置使其指示出液位。
隨著科技的發(fā)展, 浮筒液位計的準確度越來越好, 其中電浮筒液位計測量精度高、性能可靠、長期穩(wěn)定性好、使用方便, 廣泛適用于各行業(yè)生產過程中的液位測量與控制。
2) 應用實例
圖2為化工行業(yè)中廣泛使用的電浮筒式系統(tǒng)。但在液貨艙上電浮筒液位計使用的不多見。
圖2 液貨罐上安裝的電浮筒式系統(tǒng)
3.3.2、電子探頭：
1) 工作原理和優(yōu)點
液位變送器是電子探頭的一種, 在液貨艙測量裝置中液位變送器也被經常使用。液位變送器是對壓力變送器技術的延伸和發(fā)展, 根據(jù)不同比重的液體在不同高度所產生壓力成線性關系的原理, 實現(xiàn)對水、油及糊狀物的體積、液高、重量的準確測量和傳送。
液位變送器它可將各種液位參數(shù)的變化轉換成標準電流信號, 遠傳至操作控制室, 供二次儀表或計算機進行集中顯示、報警或自動控制。其良好的結構及安裝方式, 可適用于高溫、高壓、強腐蝕、易結晶、防堵塞、防冷結以及固體粉狀、粒狀物料等特殊條件下的液位, 料位或物位的連續(xù)檢測, 可廣泛應用于各種工業(yè)過程中的檢測控制。
2) 應用實例
圖3為某LPG船液貨罐上安裝的壓力式液位傳感器, 它可以將各種液位參數(shù)的變化轉換成標準電流信號, 遠傳至駕駛室, 并集中在駕駛室顯示貨艙液位。
圖3 LPG船液位變送器和液位顯示裝置
3.3.3、磁性探頭：
1) 工作原理和優(yōu)點
該液位計是根據(jù)浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。當被測容器中的液位升降時, 液位計主導管中的浮子也隨之升降, 浮子內的磁鋼通過磁耦合傳遞到現(xiàn)場指示器, 驅動紅、白翻柱翻轉180°。液位上升, 翻柱由白色轉為紅色;液位下降, 翻柱轉為白色, 指示器紅、白界位處為容器內介質液位的實際高度, 從而實現(xiàn)液位指示。
該液位計結構簡單, 觀察直觀、清晰, 不堵塞、不滲漏, 安裝方便, 維修簡單, 在船舶上被廣泛使用。
2) 應用實例
圖4為某35000DWT散貨船機艙燃油艙上安裝的磁性液位計。
圖4 燃油艙安裝的磁性液位計
3.3.4、吹氣式液位計：
1) 工作原理
吹氣式液位計是靜壓液位計的一種, 其物理原理是將一根吹氣管插入至被測液體的較低面 (零液位) , 使吹氣管通入一定量的氣體吹氣管中壓力與管口處液柱靜壓力相等。用壓力計測量吹氣管上端壓力, 就可以測量液位。由于吹氣式液位計將壓力檢測端移至頂部, 其使用維修都很方便, 很適合于地下儲罐、深井等場合。
2) 應用實例
某船液位測量系統(tǒng)采用ELGS1000液位遙測系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用氣泡式液位測量法, 通過壓力傳感器采集探管內的空氣壓力, 將船舶運行時的液位壓力值轉換為電信號, 通過電氣數(shù)據(jù)采集模塊采集, 實現(xiàn)遠程監(jiān)測如油艙液位, 水艙液位及四角吃水等。
3.4、雷達式液位測量裝置：
3.4.1、工作原理：
導波雷達液位計是依據(jù)時域反射原理 (TDR) 為基礎的雷達液位計, 雷達液位計的電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播, 當遇到被測介質表面時, 雷達液位計的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置, 發(fā)射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比, 經計算得出液位高度。
3.4.2、優(yōu)點：
雷達液位計應用電磁脈沖進行快速測量, 精度高、抗干擾能力強、耐腐蝕、耐壓高、耐溫高, 適用于對液體、漿料及顆粒料的物位進行非接觸式連續(xù)測量, 也適用于溫度、壓力變化大和有惰性氣體及揮發(fā)存在的場合。因此該裝置適合液貨艙的特性, 在實際的船舶設計和建造中雷達式液位測量裝置被廣泛使用。
3.4.3、選型和安裝時的注意事項：
1) 注意介質的介電常數(shù), 并依據(jù)介電常數(shù)的大小選擇適合的型號, 選用什么種類的雷達液位計應根據(jù)被測流體介質的物理性質和化學性質來決定。
2) 雷達液位計對于安裝空間有一定的要求, 大多數(shù)設備廠距離如下:
液位傳感器離艙壁的***小距離為200mm。如果不能保持儀表與罐壁的距離, 罐壁上的介質會黏附造成虛假回波, 在調試儀表的時候應該進行虛假回波存儲。不能安裝在中心位置, 如果安裝在中央, 會產生多重虛假回波, 干擾回波會導致信號丟失。
3.4.4、應用實例：
某17000DWT化學品有液貨船有16個液貨艙, 每個液貨艙的液位選用德國E+H公司生產的導播雷達。圖5為實船安裝的雷達液位計。
圖5 化學品船安裝的雷達液位計
4、液位遙測系統(tǒng)：
近年來, 隨著船舶自動化程度的提高, 大部分液貨船舶, 包括原油船、成品油船、化學品船不同程度將液貨艙的壓力、溫度、液位, 壓載艙的液位, 貨油輸送管上的閥門、壓載管路上的閥門、壓載泵、貨油泵等設計成自動控制, 整合成一個液位遙測系統(tǒng)。
該技術在船舶工業(yè)中得到了迅猛發(fā)展。其測量精度、系統(tǒng)功能、穩(wěn)定性和可靠性都上了一個新臺階, 在液貨艙液位測量系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。
5、結論：
1) 對IGC規(guī)則和IBC規(guī)則中關于液貨艙測量裝置要求, 以及規(guī)則中要求的每種測量裝置的工作原理、優(yōu)點和應用案例等方面做了研究, 并對液位遙測系統(tǒng)做了簡單介紹。
2) LPG船如載運氯這種貨品時, 貨艙測量裝置必須采用不穿透液貨艙的裝置, 而IGC規(guī)則中提到的間接測量裝置如管式流量計和貨物稱重裝置目前非常罕見, 通過本文的分析, 智能型外貼式超聲波液位計可作為間接測量裝置使用。