液货舱液位计选型与工作原理
摘要：针对IGC规则和IBC规则中关于液货舱测量装置的要求, 对规则中要求闭式测量装置的工作原理、优点和应用实例等方面进行了研究, 并对液位遥测系统进行了介绍。
0、引言：
IGC规则和IBC规则对液货舱液位指示器 (Level indicators) 或液货舱液位的测量装置 (gauging devices) 做出了明确规定, 从这些规定可看出, 不同的货品要求安装有不同型式的测量装置。液货舱液位测量装置分为开式装置、限制式装置和闭式装置, 其中闭式装置又分为深入液货舱装置和不穿过液货舱壳板与液货舱无关的间接式装置两种。而对于液化气体运输船舶, IGC规则对于闭式装置有更严格的区分, 将其分为三类。具体要求可参见中国船级社出版的《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》2006和《散装运输危险化学品船舶构造与设备规范》2009。
由于规则中涉及到的液货舱液位测量装置种类多, 不同的装置又有不同的工作原理和应用领域, 由于篇幅有限, 本文仅对这两本规范中提到的液货舱闭式测量装置从工作原理、优缺点和应用实例等方面做了详细阐述, 对于开式和限制式液位测量装置仅做简单介绍。
1、开式装置：
开式装置在IBC规则的定义如下:利用液货舱的开口进行测量, 可将测量仪表放置于货物或其蒸气之中, 如空档测量孔就是一例。需要注意的是, 本文通过对比IGC规则和IBC规则得知, IGC规则中不允许液货舱安装开式测量装置。
在IBC规则较低要求中有不少货品的测量装置为开式装置。但是在实际使用中由于只载运允许开式透气装置货品的船舶很少存在, 绝大部分化学品船适装的货品种类丰富, 可能包括了要求安装限制式装置和闭式测量装置的货品种类, 因此在化学品船上液货舱安装开式装置的并不多见。
2、限制式装置：
2.1、化学品船液货舱限制式测量装置：
IBC规则对于限制式装置做出如下规定:此装置伸入液货舱, 使用时允许少量货物蒸气或液体逸入大气。不使用时, 这种装置是完全封闭的。其设计应确保在打开这种装置时不致使舱内货物 (液体或气雾) 发生危险的外溢。
限制式测量装置在化学品船的液货舱中较常见, 在船舶建造时通常是在每个液货舱顶部甲板上安装一个测深管, 测深管上安装一个甲板阀 (球阀) , 这种球阀和测深装置或者取样装置能密闭且快速连接。
2.2、LPG船液货舱限制式测量装置：
IGC规则中把固定管式和滑动管式液位表作为此类装置。滑管式液位计是目前LPG船舶上安装的***常见的一种限制式测量装置。
3、闭式装置：
在IBC规则中, 闭式装置分为两类, 一类装置为伸入液货舱, 成为封闭系统的一部分, 且能防止舱内货物逸出。例如浮筒式系统、电子探测器、磁性探测器和带有防护的观察装置等;另一类用不穿过液货舱壳板而与液货舱无关的间接式装置, 如货物称重装置和管式流量计等。
通过仔细和IGC规则对比发现, IGC规则中对于闭式装置有更严格的区分, 规则中将其分为三类, 一类为间接式装置如货物称重装置和管式流量计等;第二类为不穿透液货舱的装置如使用放射性同位素的装置或超声波装置等;第三类为穿透液货舱的闭式装置, 如浮筒式系统、电子探头、磁性探头和气泡管式指示器等。在IGC规则较低要求中不同的货品和这三类装置相对应, 需要特别注意的是, 气体运输船如载运氯 (Chlorine) 这种货品时, 液货舱必须采用类间接式装置和第二类装置即不穿过液货舱的测量装置。这一要求在船舶设计和建造时需要充分引起关注。
3.1、间接式装置：
3.1.1、管式流量计：
管式流量计属流量仪表类阀门, 指示被测流量和 (或) 在选定的时间间隔内流体总量的仪表。被广泛适用于化工、石油等各个领域。缺点是不能应用于能见度为零的液体、气体或粘度系数极高介质, 如污水、原油、污泥和泥浆等。
虽然管式流量计在各个领域有着广泛的应用, 但是在液货舱测量装置中, 由于在设计时船舶选择了其他闭式测量装置, 因此这种测量装置就上很少见到使用。然而对于液化气体运输船, 根据IGC规则的要求, 如果船舶载运氯货品时, 液货舱必须采用间接式装置如管式流量计了, 但是在实际使用中确极少见到。
3.1.2、货物称重装置：
在液货舱测量装置中笔者尚未见到使用货物称重装置。而对于液化气体运输船, 根据IGC规则的要求, 在载运氯 (Chlorine) 此种货品时, 液货舱必须采用间接式装置如货物称重等, 但是在实际使用中尚未见过此种装置。
3.2、不穿过液货舱的闭式装置：
3.2.1、放射性同位素的装置：
放射性同位素是一个原子核不稳定的原子, 每个原子也有很多同位素, 每组同位素的原子序虽然是相同, 但却有不同的原子量。如果这原子是有放射性的话, 它会被称为物理放射性核种或放射性同位素。放射性同位素会进行放射性衰变, 从而放射出伽玛射线和次原子粒子。该技术在射线照相技术、测定技术方面等方面有着广泛使用。但是作为液货舱的测量装置, 还没有没有查到这方面的相关资料。
3.2.2、超声波装置：
超声波液位计是由微处理器控制的数字液位仪表。在测量中超声波脉冲由传感器 (换能器) 发出, 声波经液体表面反射后被同一传感器接收或超声波接收器接收, 通过压电晶体或磁致伸缩器件转换成电信号, 并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测液体表面的距离。该装置为非接触式测量, 不接触液体, 就可以测量。液体的密度、粘稠度都不影响测量, 且安装方便, 只需要罐顶开孔就可安装。
由于采用非接触的测量, 被测介质几乎不受限制, 可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。在化工业行业中经常使用超声波液位计来测量储罐、反应釜的液位。但在化学品船或液化气船液货舱中使用的却较少。
目前对于超声波装置, 已研发出智能型外贴式超声波液位计, 液位测量采用了传感器外贴与被测液体非接触的测量方式。智能型外置式超声波液位计, 可在罐外连续测量液位, 对罐体不开孔, 特别适合密闭容器内的各种有毒物质﹑强酸﹑强碱及各种纯净液体的液位进行测量, 仪表采用隔爆设计, 可在危险区域中应用。
因此, 该装置可作为IGC规则中规定的间接式测量装置之一, 对于独立液货舱的气体运输船在载运氯这种货品时可选用此种类型的测量装置。
3.3、穿过液货舱的闭式装置：
3.3.1、浮筒式液位计：
1) 工作原理和优点
这种液位计的工作原理为浸在液体中的浮筒受到向下的重力, 向上的浮力和弹簧弹力的复合作用。当这三个力达到平衡时, 浮筒就静止在某一位置。当液位发生变化时, 浮筒所受浮力相应改变, 平衡状态被打破, 从而引起弹力变化即弹簧的伸缩, 以达到新的平衡。弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移。这样, 通过指示器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位。
随着科技的发展, 浮筒液位计的准确度越来越好, 其中电浮筒液位计测量精度高、性能可靠、长期稳定性好、使用方便, 广泛适用于各行业生产过程中的液位测量与控制。
2) 应用实例
图2为化工行业中广泛使用的电浮筒式系统。但在液货舱上电浮筒液位计使用的不多见。
图2 液货罐上安装的电浮筒式系统
3.3.2、电子探头：
1) 工作原理和优点
液位变送器是电子探头的一种, 在液货舱测量装置中液位变送器也被经常使用。液位变送器是对压力变送器技术的延伸和发展, 根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理, 实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送。
液位变送器它可将各种液位参数的变化转换成标准电流信号, 远传至操作控制室, 供二次仪表或计算机进行集中显示、报警或自动控制。其良好的结构及安装方式, 可适用于高温、高压、强腐蚀、易结晶、防堵塞、防冷结以及固体粉状、粒状物料等特殊条件下的液位, 料位或物位的连续检测, 可广泛应用于各种工业过程中的检测控制。
2) 应用实例
图3为某LPG船液货罐上安装的压力式液位传感器, 它可以将各种液位参数的变化转换成标准电流信号, 远传至驾驶室, 并集中在驾驶室显示货舱液位。
图3 LPG船液位变送器和液位显示装置
3.3.3、磁性探头：
1) 工作原理和优点
该液位计是根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。当被测容器中的液位升降时, 液位计主导管中的浮子也随之升降, 浮子内的磁钢通过磁耦合传递到现场指示器, 驱动红、白翻柱翻转180°。液位上升, 翻柱由白色转为红色;液位下降, 翻柱转为白色, 指示器红、白界位处为容器内介质液位的实际高度, 从而实现液位指示。
该液位计结构简单, 观察直观、清晰, 不堵塞、不渗漏, 安装方便, 维修简单, 在船舶上被广泛使用。
2) 应用实例
图4为某35000DWT散货船机舱燃油舱上安装的磁性液位计。
图4 燃油舱安装的磁性液位计
3.3.4、吹气式液位计：
1) 工作原理
吹气式液位计是静压液位计的一种, 其物理原理是将一根吹气管插入至被测液体的较低面 (零液位) , 使吹气管通入一定量的气体吹气管中压力与管口处液柱静压力相等。用压力计测量吹气管上端压力, 就可以测量液位。由于吹气式液位计将压力检测端移至顶部, 其使用维修都很方便, 很适合于地下储罐、深井等场合。
2) 应用实例
某船液位测量系统采用ELGS1000液位遥测系统, 该系统采用气泡式液位测量法, 通过压力传感器采集探管内的空气压力, 将船舶运行时的液位压力值转换为电信号, 通过电气数据采集模块采集, 实现远程监测如油舱液位, 水舱液位及四角吃水等。
3.4、雷达式液位测量装置：
3.4.1、工作原理：
导波雷达液位计是依据时域反射原理 (TDR) 为基础的雷达液位计, 雷达液位计的电磁脉冲以光速沿钢缆或探棒传播, 当遇到被测介质表面时, 雷达液位计的部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置, 发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比, 经计算得出液位高度。
3.4.2、优点：
雷达液位计应用电磁脉冲进行快速测量, 精度高、抗干扰能力强、耐腐蚀、耐压高、耐温高, 适用于对液体、浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量, 也适用于温度、压力变化大和有惰性气体及挥发存在的场合。因此该装置适合液货舱的特性, 在实际的船舶设计和建造中雷达式液位测量装置被广泛使用。
3.4.3、选型和安装时的注意事项：
1) 注意介质的介电常数, 并依据介电常数的大小选择适合的型号, 选用什么种类的雷达液位计应根据被测流体介质的物理性质和化学性质来决定。
2) 雷达液位计对于安装空间有一定的要求, 大多数设备厂距离如下:
液位传感器离舱壁的***小距离为200mm。如果不能保持仪表与罐壁的距离, 罐壁上的介质会黏附造成虚假回波, 在调试仪表的时候应该进行虚假回波存储。不能安装在中心位置, 如果安装在中央, 会产生多重虚假回波, 干扰回波会导致信号丢失。
3.4.4、应用实例：
某17000DWT化学品有液货船有16个液货舱, 每个液货舱的液位选用德国E+H公司生产的导播雷达。图5为实船安装的雷达液位计。
图5 化学品船安装的雷达液位计
4、液位遥测系统：
近年来, 随着船舶自动化程度的提高, 大部分液货船舶, 包括原油船、成品油船、化学品船不同程度将液货舱的压力、温度、液位, 压载舱的液位, 货油输送管上的阀门、压载管路上的阀门、压载泵、货油泵等设计成自动控制, 整合成一个液位遥测系统。
该技术在船舶工业中得到了迅猛发展。其测量精度、系统功能、稳定性和可靠性都上了一个新台阶, 在液货舱液位测量系统中得到了广泛的应用。
5、结论：
1) 对IGC规则和IBC规则中关于液货舱测量装置要求, 以及规则中要求的每种测量装置的工作原理、优点和应用案例等方面做了研究, 并对液位遥测系统做了简单介绍。
2) LPG船如载运氯这种货品时, 货舱测量装置必须采用不穿透液货舱的装置, 而IGC规则中提到的间接测量装置如管式流量计和货物称重装置目前非常罕见, 通过本文的分析, 智能型外贴式超声波液位计可作为间接测量装置使用。