船用LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液位測(cè)量裝置的分類、原理及選型特點(diǎn)比較

船用 LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)液位的安全監(jiān)測(cè)，在 LNG 燃料水上應(yīng)用中舉足輕重。上海上自儀公司對(duì)典型液位測(cè)量裝置的分類、原理及特點(diǎn)等進(jìn)行比較，并分析導(dǎo)致目前廣泛使用的壓差式液位計(jì)不準(zhǔn)確的影響因素及其解決途徑。在 LNG 水上應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈中，LNG 存儲(chǔ)是非常重要的環(huán)節(jié)，如何實(shí)現(xiàn)船用 LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)液位的安全監(jiān)測(cè)，是重中之重。船級(jí)社規(guī)范對(duì)船用 LNG 儲(chǔ)罐液位指示、液位監(jiān)控與報(bào)警有著明確要求：LNG 動(dòng)力船規(guī)范要求 LNG 動(dòng)力船上LNG 儲(chǔ)罐至少應(yīng)設(shè)置就地顯示的壓力表、液位計(jì)，并實(shí)現(xiàn)高/低壓報(bào)警、 高/低液位報(bào)警[1]；而 LNG 加注躉船規(guī)范則要求 LNG加注設(shè)施上的 LNG 儲(chǔ)罐配備 1套獨(dú)立液位測(cè)量裝置用于日常使用，3 套液位開(kāi)關(guān)（其中至少 2 套相互獨(dú)立）用于高液位報(bào)警和高液位報(bào)警 ESD 聯(lián)鎖切斷以及低液位報(bào)警功能[2]。

本文對(duì)典型液位測(cè)量裝置的分類、原理及特點(diǎn)等進(jìn)行比較，并分析導(dǎo)致目前廣泛使用的壓差式液位計(jì)不準(zhǔn)確的影響因素及其解決途徑。

1 典型的液位測(cè)量裝置

1.1 壓差式液位計(jì)

壓差式液位計(jì)是利用容器內(nèi)均勻液體的壓強(qiáng)與高度成正比的關(guān)系，通過(guò)液體底部的壓力來(lái)折算液位高度。以 LNG 儲(chǔ)罐為例，設(shè)底部壓力為 p，液面上的壓力為 p0，液位高度為 h，則 p=p0+ρgh （式中：ρ 為介質(zhì)密度，g 為重力加速度。），因此△p =p-p0=ρgh，LNG 介質(zhì)密度是已知的，壓差△p與液位高度 h 成正比，測(cè)出壓差就知道被測(cè)液位高度。

通常壓差式液位計(jì)將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成 4～20 mA 直流輸出信號(hào)，與其他單元組合儀表或控制系統(tǒng)配合使用，可以組成監(jiān)測(cè)、記錄、控制等自動(dòng)化系統(tǒng)。 壓差式液位計(jì)是比較成熟的液位測(cè)量?jī)x表，具有小型、重量輕、堅(jiān)固抗振、維護(hù)量少、安裝方便等特點(diǎn)，通過(guò)表壓信號(hào)反映液位高度，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳，在工業(yè)上有著較為廣泛的應(yīng)用。

1.2 伺服液位計(jì)

伺服液位計(jì)的測(cè)量是基于浮力平衡的原理。通過(guò)檢測(cè)浮子上浮力的變化，與預(yù)先設(shè)定的浮子重量進(jìn)行比較，如果兩者之間存在偏差，則會(huì)通過(guò)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)浮子進(jìn)行上下調(diào)整，直至偏差歸零，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中是通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)量鋼絲的張力來(lái)尋找對(duì)應(yīng)液位。伺服液位計(jì)一般安裝在 LNG 儲(chǔ)罐的頂部，其表頭帶液晶顯示，具有防雷擊功能。伺服液位計(jì)是一種高精度測(cè)量的液位計(jì)（精度可達(dá) 1 mm），具有測(cè)量穩(wěn)定、維護(hù)量少、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其安裝調(diào)試比較復(fù)雜，且價(jià)格相對(duì)較高。

1.3 雷達(dá)液位計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是一種微波液位計(jì)，采用發(fā) 射-反射-接收的工作模式。雷達(dá)液位計(jì)在工作時(shí)是由天線發(fā)射出電磁波，這些波經(jīng)被測(cè)對(duì)象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間與到液面的距離成正比。雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量精確度高，幾乎可以測(cè)量所有介質(zhì)。在實(shí)際運(yùn)用中，雷達(dá)液位計(jì)有調(diào)頻連續(xù)波式和脈沖波式兩種。采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的雷達(dá)液位計(jì)，其功耗較大，須采用四線制，電路較為復(fù)雜；采用雷達(dá)脈沖波技術(shù)的雷達(dá)液位計(jì)，其功耗低，可直接用二線制的 24 V 直流電源供電，比較容易實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，這種雷達(dá)液位計(jì)的適用范圍更廣。

1.4 磁致伸縮液位計(jì)

磁致伸縮液位計(jì)主要是利用磁致伸縮的物理特性進(jìn)行測(cè)量，不受介質(zhì)的介電常數(shù)、壓力或溫度變化的影響。工作時(shí)，上端電子部件產(chǎn)生低壓電流脈沖，開(kāi)始計(jì)時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)沿磁致伸縮線向下傳播，浮子隨著液位變化沿測(cè)量竿上下移動(dòng)，浮子內(nèi)有磁鐵，也產(chǎn)生磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相遇，磁致伸縮線扭曲形成扭應(yīng)力波脈沖，脈沖速度已知，計(jì)算脈沖傳播時(shí)間即對(duì)應(yīng)液位精確變化。

磁致伸縮液位計(jì)具有測(cè)量精度較高（可達(dá)到 1 mm）、易于安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。

1.5 電容式液位計(jì)

電容式液位計(jì)是基于電容感應(yīng)的原理，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)浸沒(méi)電極的高度變化時(shí)，會(huì)引起其電容變化，高度變大，電容值變大，反之則變小，將液位高度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。電容式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式很多，有平極板式、同心圓柱式等。在 LNG 儲(chǔ)罐中一般是采用同心圓柱式，其電極棒一般采用不銹鋼 304 或 316 制造，經(jīng)久耐用，可靠性好，正常情況下無(wú)須進(jìn)行維修。

電容式液位計(jì)采用電容式直接測(cè)量法，傳感器直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)量精度高，其表頭可直觀顯示液位參數(shù)，也可轉(zhuǎn)換成 4～20 mA 直流輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

2 液位測(cè)量裝置現(xiàn)狀

綜合上述幾種典型的液位測(cè)量裝置，壓差式液位計(jì)在陸用低溫儲(chǔ)罐、低溫罐車及船用 LNG 儲(chǔ)罐等深冷設(shè)備中應(yīng)用非常為普遍。結(jié)合其長(zhǎng)期以來(lái)的使用情況來(lái)看，還是存在液位計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。以LNG 儲(chǔ)罐為例，分析導(dǎo)致壓差式液位計(jì)不準(zhǔn)確的因素。

1）在冬季較寒冷環(huán)境下，由于液位計(jì)液相管內(nèi)的 LNG 介質(zhì)無(wú)法汽化，管內(nèi)是液態(tài)介質(zhì)導(dǎo)致壓力無(wú)法正常傳輸?shù)揭何挥?jì)感應(yīng)元件。

2）儲(chǔ)罐的真空度微小破損，導(dǎo)致儲(chǔ)罐絕熱性能變差，內(nèi)外熱交換而引起罐內(nèi)超低溫液體沸騰致使液位波動(dòng)劇烈。

3）各源產(chǎn)地 LNG 組分含量和密度不同，而儲(chǔ)罐內(nèi)液位、壓力、充裝質(zhì)量之間換算都是以一個(gè)固定的密度值進(jìn)行。

如果實(shí)際充裝的 LNG 密度與理論計(jì)算所采用的 LNG 密度值相差較多，液位計(jì)的顯示值就會(huì)與實(shí)際值產(chǎn)生較大偏差。

4）受儲(chǔ)罐液面橫向面積的影響，對(duì)于相同 LNG變化量，臥式儲(chǔ)罐內(nèi)的液面高度變化遠(yuǎn)小于立式儲(chǔ)罐，反映到液位計(jì)上的讀數(shù)變化就比較小，而對(duì)于立式儲(chǔ)罐，LNG 液面高度變化就比較明顯，所以當(dāng)臥式儲(chǔ)罐內(nèi) LNG 質(zhì)量已經(jīng)發(fā)生變化時(shí)，液位計(jì)表盤上指針顯示卻沒(méi)有變。

針對(duì)上述導(dǎo)致壓差式液位計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)的因素，建議可以通過(guò)以下途徑從一定程度上進(jìn)行控制與改善：

1）保證 LNG 儲(chǔ)罐的真空度，防止熱交換的超標(biāo)而引起罐內(nèi)超低溫液體的沸騰造成液位計(jì)的晃動(dòng)。

2）定期檢驗(yàn)機(jī)械液位表。

3）盡量把儲(chǔ)罐充裝率控制在 90％及以下。

4）發(fā)揮遠(yuǎn)傳液位計(jì)的作用，對(duì)液位測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相互比較。

5）加強(qiáng)對(duì)液位計(jì)的數(shù)值監(jiān)控，至少保證 1 h 巡查記錄一次。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)幾種典型液位測(cè)量裝置的簡(jiǎn)述可見(jiàn)，每種液位測(cè)量裝置都有自己的工作原理和特點(diǎn)。不同的應(yīng)用條件，應(yīng)根據(jù)具體情況和液位計(jì)原理去選擇和設(shè)計(jì)。出于安全方面考慮，船用儀表應(yīng)設(shè)有冗余，且設(shè)備質(zhì)量必須可靠，取得船級(jí)社產(chǎn)品證書。針對(duì)目前船用 LNG 儲(chǔ)罐的使用工況條件，建議壓差式液位計(jì)僅為日常監(jiān)測(cè)使用，上海上自儀公司采用電容式液位計(jì)或雷達(dá)液位計(jì)作為液位報(bào)警和 ESD 聯(lián)鎖使用，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)船員操作培訓(xùn)，確保船舶航行安全。