船用LNG儲罐內(nèi)液位測量裝置的分類、原理及選型特點比較

船用 LNG 儲罐內(nèi)液位的安全監(jiān)測，在 LNG 燃料水上應(yīng)用中舉足輕重。上海上自儀公司對典型液位測量裝置的分類、原理及特點等進行比較，并分析導(dǎo)致目前廣泛使用的壓差式液位計不準(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 存儲是非常重要的環(huán)節(jié)，如何實現(xiàn)船用 LNG 儲罐內(nèi)液位的安全監(jiān)測，是重中之重。船級社規(guī)范對船用 LNG 儲罐液位指示、液位監(jiān)控與報警有著明確要求：LNG 動力船規(guī)范要求 LNG 動力船上LNG 儲罐至少應(yīng)設(shè)置就地顯示的壓力表、液位計，并實現(xiàn)高/低壓報警、 高/低液位報警[1]；而 LNG 加注躉船規(guī)范則要求 LNG加注設(shè)施上的 LNG 儲罐配備 1套獨立液位測量裝置用于日常使用，3 套液位開關(guān)（其中至少 2 套相互獨立）用于高液位報警和高液位報警 ESD 聯(lián)鎖切斷以及低液位報警功能[2]。

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

1 典型的液位測量裝置

1.1 壓差式液位計

壓差式液位計是利用容器內(nèi)均勻液體的壓強與高度成正比的關(guān)系，通過液體底部的壓力來折算液位高度。以 LNG 儲罐為例，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，測出壓差就知道被測液位高度。

通常壓差式液位計將被測信號轉(zhuǎn)換成 4～20 mA 直流輸出信號，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、記錄、控制等自動化系統(tǒng)。 壓差式液位計是比較成熟的液位測量儀表，具有小型、重量輕、堅固抗振、維護量少、安裝方便等特點，通過表壓信號反映液位高度，容易實現(xiàn)遠傳，在工業(yè)上有著較為廣泛的應(yīng)用。

1.2 伺服液位計

伺服液位計的測量是基于浮力平衡的原理。通過檢測浮子上浮力的變化，與預(yù)先設(shè)定的浮子重量進行比較，如果兩者之間存在偏差，則會通過馬達驅(qū)動浮子進行上下調(diào)整，直至偏差歸零，在實際測量過程中是通過監(jiān)測測量鋼絲的張力來尋找對應(yīng)液位。伺服液位計一般安裝在 LNG 儲罐的頂部，其表頭帶液晶顯示，具有防雷擊功能。伺服液位計是一種高精度測量的液位計（精度可達 1 mm），具有測量穩(wěn)定、維護量少、使用壽命長等優(yōu)點，但其安裝調(diào)試比較復(fù)雜，且價格相對較高。

1.3 雷達液位計

導(dǎo)波雷達液位計是一種微波液位計，采用發(fā) 射-反射-接收的工作模式。雷達液位計在工作時是由天線發(fā)射出電磁波，這些波經(jīng)被測對象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時間與到液面的距離成正比。雷達液位計測量精確度高，幾乎可以測量所有介質(zhì)。在實際運用中，雷達液位計有調(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)的雷達液位計，其功耗較大，須采用四線制，電路較為復(fù)雜；采用雷達脈沖波技術(shù)的雷達液位計，其功耗低，可直接用二線制的 24 V 直流電源供電，比較容易實現(xiàn)本質(zhì)安全，這種雷達液位計的適用范圍更廣。

1.4 磁致伸縮液位計

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

磁致伸縮液位計具有測量精度較高（可達到 1 mm）、易于安裝和維護簡單、可靠性強、安全性好等優(yōu)點。

1.5 電容式液位計

電容式液位計是基于電容感應(yīng)的原理，當(dāng)被測介質(zhì)浸沒電極的高度變化時，會引起其電容變化，高度變大，電容值變大，反之則變小，將液位高度的變化轉(zhuǎn)換成電信號輸出。電容式液位計的結(jié)構(gòu)形式很多，有平極板式、同心圓柱式等。在 LNG 儲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，正常情況下無須進行維修。

電容式液位計采用電容式直接測量法，傳感器直接與被測介質(zhì)接觸，測量精度高，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，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

2 液位測量裝置現(xiàn)狀

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

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

2）儲罐的真空度微小破損，導(dǎo)致儲罐絕熱性能變差，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劇烈。

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

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

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

針對上述導(dǎo)致壓差式液位計測量不準(zhǔn)的因素，建議可以通過以下途徑從一定程度上進行控制與改善：

1）保證 LNG 儲罐的真空度，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的晃動。

2）定期檢驗機械液位表。

3）盡量把儲罐充裝率控制在 90％及以下。

4）發(fā)揮遠傳液位計的作用，對液位測量數(shù)據(jù)進行相互比較。

5）加強對液位計的數(shù)值監(jiān)控，至少保證 1 h 巡查記錄一次。

3 結(jié)束語

通過對幾種典型液位測量裝置的簡述可見，每種液位測量裝置都有自己的工作原理和特點。不同的應(yīng)用條件，應(yīng)根據(jù)具體情況和液位計原理去選擇和設(shè)計。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，取得船級社產(chǎn)品證書。針對目前船用 LNG 儲罐的使用工況條件，建議壓差式液位計僅為日常監(jiān)測使用，上海上自儀公司采用電容式液位計或雷達液位計作為液位報警和 ESD 聯(lián)鎖使用，同時應(yīng)加強船員操作培訓(xùn)，確保船舶航行安全。