油船液货舱逸出气体油气浓度检测装置设计

吴厚毅，朱发新，卢金树，吴文锋，邹永冬，林松敏(浙江海洋学院 港航学院，浙江 舟山 316022)

油船液货舱逸出气体油气浓度检测装置设计

吴厚毅，朱发新，卢金树，吴文锋，邹永冬，林松敏
(浙江海洋学院 港航学院，浙江 舟山 316022)

针对现有油船液货舱内因缺乏准确的油气浓度检测所存在的液货损失和液货舱失火、爆炸等安全隐患，以可燃气及油气检测报警器的技术规范为基础，着眼于油船管理现代化,并有效地提高油船航行的安全性,实现液货舱油气浓度信息显示、报警及自动化控制，设计研究出一种成本低廉、操作简单、可实时监测船舶液货舱逸出油气浓度的装置。该装置直接测量液货舱内油气浓度，能够更为准确的了解舱内气体状态，以便及时采取相应措施，大大提高了船舶运营过程的安全性、可靠性和经济性。

油船；液货舱；逸出气体；油气检测

目前为止，船舶(包括油船)上为了防止油舱发生燃烧、爆炸等事故，一般在油舱中注入惰性气体，以此降低油气和氧气浓度。这种方法虽然减少了油舱爆炸等事故发生，但是仍然存在油品损耗、污染大气环境等问题。及时掌握油船液货舱逸出气体油气浓度，采取相应措施降低油气浓度，不仅可以避免液货舱爆炸等事故，还可以保障人员安全，减少油品损耗，减少大气环境污染等。因此，研发出适用油船的油气浓度检测装置成为了油气排放及处理的重要基础问题。为了解决这一问题，从可燃气及油气检测报警器的技术规范要求出发，进行油船液货舱逸出气体油气浓度检测装置设计。

1 油船液货舱逸出油气的产生与危害

1.1逸出油气的产生

1)装船过程油气的产生。装船过程中，油品通过油泵及管路进入油船液货舱内，随着油品液面的上升，舱内油气和空气混合物被不断压缩，油舱内压力逐渐升高，当舱内压力达到呼吸阀及呼吸阀组件的启阀压力时，呼吸阀的阀盘打开，将油舱中的含油蒸气排出舱外[1-2]。

2)卸船过程油气的产生。卸船过程中，随着油舱内油品液面的下降，油舱内的压力逐渐降低，会加速油品挥发的速率，使得含油蒸气在油舱上部空间不断聚集。若不及时处理，当含油蒸气及氧气浓度达到一定值时，由于热源及静电等作用，可能会发生火灾、爆炸等安全事故[2]。

3)运输过程油气的产生。在运输过程中，为了船舶及人员的安全，油舱上部会留有一定的空间。在这个空间中由于运输过程中外界温度变化、油船晃动等因素的影响，会大量聚集油品挥发出来的含油蒸气。

1.2逸出油气的危害

1)油品的挥发可能会导致油品质量下降，会造成一定的经济损失。

2)油气与空气混合后形成的可燃性混合气体，极易聚集船舱、过道等空间狭小的地方，一旦达到爆炸极限浓度时，极易发生燃烧爆炸[2-3]。

3)不经处理的油气混合物直接排入空气会造成大气污染，并且极易形成光化学烟雾[3-4]。

4)装油过程中挥发出的挥发性的卤代烃(VHCs)与大气中的氮氧化物发生化学反应生成臭氧烟雾，会对人体及自然环境造成极大危害[5]。

5)油气中含有大量的有毒气相烃物质，漂浮于地面以上，容易对人体造成危害，如引起窒息、慢性中毒等。

2 油气浓度检测装置设计

结合现有船舶实际情况，并以可燃气及油气检测报警器的技术规范为基础，考虑到船舶运营的安全性以及经济性，设计出了用于检测油船液货舱逸出气体油气浓度的检测装置，如图1所示。

1、15-二位二通电磁阀；2-风机；3-压力容器；4-可调节流阀；5-信号放大整流器；6-A/D数模转换电路芯片；7-DSP微处理器；8-油气浓度显示及声光报警模块；9、14-稳压电源；10-红外发光装置；11-测量室；12-出气口；13-红外传感器；16-采样气体；17-压缩空气。图1 油气浓度检测装置结构组成图

2.1油气浓度检测方法

目前，检测气体的技术主要有气相色谱分析法、化学分析法、超声波分析法等。气相色谱分析法和化学分析法主要是分别利用气体的物理性质和化学性质对混合气体进行分离并分析气体成分，此种方法灵敏度高，分析快，但是由于这些设备体积巨大，结构复杂、价格比较昂贵、检测方法比较繁琐，因此无法广泛应用与船舶运输方面[6]。超声波分析法是利用声波的速率和气体浓度的关系，分析气体的成分，然而液货舱逸出气体成分复杂，检测起来较为繁琐，且船上环境复杂，容易受到干扰。装置所使用的阻光度(或透光度、透光强度)检测技术，其测量原理是用一定波长的光穿过采样气体，利用不同浓度的气体对光的吸收程度不同，测量光的透过率，透过率与浓度之间符合郎帕-比尔定律。此种方式不但测量精准、结构简单、成本较低，而且能够实时在线检测，实现了自动化，不易受到环境的干扰。

2.2油气浓度检测装置工作原理

装置由压力容器、可调节流阀、DSP微处理器、红外发光装置、红外传感器等组成，其工作原理。

检测装置开始工作之前，先对电磁阀、风机、压力容器、可调节流阀、截止阀进行检测，确定是否正常，若不正常则发出相应的报警；反之，则开始检测油气浓度。

装置开始工作时，DSP微处理器控制二位二通电磁阀1右位接入管路，二位二通电磁阀1关闭；二位二通电磁阀15左位接入管路，二位二通电磁阀15打开，风机将待测油气抽至压力容器中，通过可调节流阀的开度消除由风机造成的压力波动后，再通入测量室中进行检测，检测完毕后，DSP微处理器控制，二位二通电磁阀1打开，二位二通电磁阀15关闭，压缩空气冲洗测量室，将气体从出气口排出。

在测量室中红外发光装置发出的光线穿过待测气体到达另一端的红外传感器，红外传感器输出的交流电流信号，进入信号放大整流器，得到一个与被测气体浓度对应的直流电流信号，经A/D数模转换电路芯片进行信号A/D转换后得到的数字信号送入DSP微处理器进行数据处理。

数字信号经过DSP微处理器进行数字滤波、温度补偿等处理后，查询透光强度与标准油气浓度关系数据库，经油气浓度显示及声光报警模块，在LCD显示器上显示出油气浓度值，如油气浓度达到危险值，则LED灯闪亮，蜂鸣器发出声响，警示值班人员采取必要措施。

透光强度与标准油气浓度关系数据库由现有的油气报警器测量出来，再经过数据拟合求得透光度与标准油气浓度关系的函数，再将此函数导入DSP微处理器中，建立基于DSP的透光强度与标准油气浓度关系数据库。

标准油气浓度是用油气与惰性气体按一定比例混合成已知浓度的油气，称为标准油气。

2.3油气浓度检测装置主要组成部件

1)红外发光装置和红外传感器。红外发光装置由红外发光二极管和防护装置组成。红外传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高、响应快等优点。红外线传感器常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤，在医学、军事和环境工程等领域得到广泛应用[7]。

2)DSP微处理器。DSP微处理器主要有AT89S52单片机与外围电路组成。AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS 8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS -51指令系统及80C51引脚结构，功能强大，性价比高[8-9]。

3)稳压电源。如图2所示，稳压电源以三端稳压集成芯片LM317为核心，主要由变压电路Z1、单相桥式整流电路Z2、π型LC滤波电路Z3、稳压电路Z4等组成。单相交流电经过这几部分电路后，即可转换成稳定适用的直流电。

其中，LM117/LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。其输出电压范围是1.2～37 V，负载电流最大为1.5 A。具有输出短路保护、过流、过热保护和调整管安全工作区保护。

Z1-变压电路；Z2-整流电路；Z3-π型LC滤波电路；Z4-稳压电路；TR1-变压元件；D1、D2、D3、D4、D5-二极管；L1-电感元件；C1-低频电容；C2、C3-高频电容；LM317-三端稳压集成芯片。图2 稳压电源电路图

4)信号放大整流器。如图3所示，微弱信号的放大由U1和U2组成的两级反相运算放大电路实现，将红外传感器输出的交流信号进行放大，由于施加了负反馈，电压增益为u1=-R2/R1，经过两级反向放大电路后的电压增益为u2=-(R4/R3)×u1=(R4×R2)/(R3×R1)，由上式可知，放大后的电压大小由R1、R2、R3和R4来决定。因而这部分电路具有增益和其它特性不受运算放大器电特性所左右，而只有外电路来决定的优点，达到高精度线性和增益的目的。由两级反向放大电路出来的信号经低频电容C4初步滤波后，经由U3、U4、D6、D7所组成的整流电路整流。所述整流电路能实现全波整流，当u2为正半周时，D7导通，D6截止，u=u2；反之u=-(R9/R8)×u2=-(10 kΩ/10 kΩ)×u2=-u2。

5)油气浓度显示及声光报警模块。如图4所示，检测所得油气浓度信号经过8路正相缓冲器和缓冲后，由LED显示器显示出油气浓度。同时DSP微处理器进行判断，当油气浓度超过预警值时DSP微处理器控制P1.0和P1.1动作，电流经三极管放大后进入LED灯和蜂鸣器，发出警报，提示值班人员采取必要措施。

(1)LCD显示器。LCD显示器具有可视尺寸大、重量较轻、体积小、功耗低、工作时电磁辐射微弱等优点，便于安装且有利于人体健康[10]。工作温度大约在-40～+90 ℃，一般分为常温、宽温、超宽温3种类型，可根据实际情况选择不同型号，便于管理与维护。

(2)蜂鸣器。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声[11]。然而单片机I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，所以需要增加一个三极管来放大电流。

U1～U4-运算放大器，R1～R10-电阻，D6、D7-二级管，u1-一级放大电压；u2-二级放大电压；u-放大整流后电压；C4-低频电容。图3 信号放大整流器电路图

1-蜂鸣器；2-三极管；3-LED灯；4、6-8路正相好缓冲器/线路驱动器；5-LCD显示器；7-DSP微处理器；R11～R20-电阻。图4 油气浓度显示及声光报警模块电路图

3 油气浓度检测装置可行性分析

3.1结构可行性分析

该油气检测装置相比于现有的检测装置有很大的提高，在结构方面有以下优点。

1)装置所使用的设备具有很强的实用性和经济性。所使用的设备如DSP微处理器、蜂鸣器、三极管、LED灯、LCD显示器、风机等都是实验室所有的，或者价格低廉，容易购买。

2)装置的安全性能够得到保证。所使用的设备所需的电压和电流都很小，且测量室置于隔爆箱内，不会对人及机械造成危害。

3)装置使用的电源是有稳压电源提供，抗干扰能力强。

4)装置使用阻光度检测技术，不易受到环境的影响。

5)装置所用软件已固化，出错率极小。

6)装置配有备用电源，可保证在失电情况下装置能够正常运行。

3.2操作可行性分析

装置操作简单，已经实现了自动化，实时在线检测油气浓度的变化。无需人员进行手动操作，只需在安装时调节好压力容器前后管路的压差。装置开始工作时，DSP微处理器操作电磁阀动作，风机将液货舱逸出气体吸入压力容器中，经过压力容器消除压力波动。然后，气体被吸入测量室进行检测，最后得到与被测气体浓度相对应的信号输入DSP微处理器中，经过DSP微处理器分析，如油气浓度超过设定值，则发出警报，提醒值班人员采取相应措施。

3.3维修可行性分析

装置结构简单，维修方便,其优点如下。

1)电路简单，检修方便。所使用的电路如稳压电路、放大整流电路等都属于简单电路连接，且装置大多使用集成芯片，换修方便。

2)装置所使用的压力容器、二位二通电磁阀、可调节流阀等都是常见设备，维修简单。

3)装置具有故障报警功能，装置运行前进行先进行故障检测，方便轮机人员维修。

3.4技术可行性分析

单片机控制技术已广泛应用于各个领域。为能实时在线检测油船液货舱逸出气体油气浓度，本文运用阻光度检测技术，得到与逸出气体油气浓度相对应得电流信号，经DSP微处理器进行数据拟合分析后输出指令，达到船舶油舱自动检测油气浓度的目的。该装置结构简单，操作方便，进一步实现了船舶的自动化，减少了值班人员的工作强度。

3.5经济可行性分析

装置结构简单，制造方便，且已经实现自动化，大大减少了人员的劳动强度，提高工作效率。本装置可实时监控油舱内油气浓度状态，减少油气损失，保证人员安全。装置所需元器件价格较为低廉，所需成本不高，可广泛运用于原油、成品油等油类运输船。

4 结束语

该检测装置符合可燃气及油气检测报警器的技术规范，能有效的减少轮机人员的劳动强度，提高工作效率。可实时在线检测逸出气体油气浓度，提高了船舶及人员的安全性，有效地减少了液货损失，为实现船舶自动化提供了一些参考。

该油船液货舱逸出气体油气浓度检测装置设计属于前期研究，软件方面还有待进一步的研究，未能进行实船模拟，也未考虑逸出气体成分间相互作用影响的情况，因此后期工作可以对软件的开发、实船模拟仿真、对逸出气体成分间相互作用影响作进一步的分析研究。

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[11]于治会. 对蜂鸣器振动规范的探讨[J]. 实用测试技术,1999(1):32-34.

In view of the fact that the existing oil tank without accurate oil mist concentration detection can lead to unnecessary cargo loss and other safety hazards from tank fire or explosion,a real-time monitor oil mist concentration detector has been developed for liquid cargo tank escaping gas with low-cost and maneuverability based on the technical specifications of combustible gas and hydrocarbon detection alarm,which makes tanker management modernized,not only improving effectively the security of tanker's navigation,but also displaying the oil mist concentration information,alarm and autocontrol.This device can measure hydrocarbon concentration in tank directly,detect the cabin gas state accurately and take appropriate measures timely,which improves greatly the saftey,reliability and economy of the ship operational processes.

oil tanker;liquid cargo tank;escaping gas;hydrocarbon detection

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.007

2015年浙江省新苗人才计划项目(油船液货舱逸出气体油气浓度检测装置研发)(2015R411025)；2014年浙江省自然科学基金青年基金项目(LQ14E090001)

吴厚毅(1994-)，男，福建三明市人，在读本科生。

2015-06-02