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，并分析導致目前廣泛使用的壓差式液位計不準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，并分析導致目前廣泛使用的壓差式液位計不準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)不準確的現(xiàn)象。以LNG 儲罐為例，分析導致壓差式液位計不準確的因素。

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。

針對上述導致壓差式液位計測量不準的因素，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，確保船舶航行安全。