船用LNG储罐液位测量装置

刘东进，顾华

（张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏 张家港 215632）

在LNG 水上应用产业链中，LNG 存储是非常重要的环节，如何实现船用LNG 储罐内液位的安全监测，是重中之重。船级社规范对船用LNG储罐液位指示、液位监控与报警有着明确要求：LNG 动力船规范要求LNG 动力船上LNG 储罐至少应设置就地显示的压力表、液位计，并实现高/低压报警、高/低液位报警[1]；而LNG 加注趸船规范则要求LNG加注设施上的LNG 储罐配备1套独立液位测量装置用于日常使用，3 套液位开关（其中至少2 套相互独立）用于高液位报警和高液位报警ESD 联锁切断以及低液位报警功能[2]。本文对典型液位测量装置的分类、原理及特点等进行比较，并分析导致目前广泛使用的压差式液位计不准确的影响因素及其解决途径。

1 典型的液位测量装置

1.1 压差式液位计

压差式液位计是利用容器内均匀液体的压强与高度成正比的关系，通过液体底部的压力来折算液位高度。以LNG 储罐为例，设底部压力为p，液面上的压力为p0，液位高度为h，则p=p0+ρgh（式中：ρ为介质密度，g为重力加速度。），因此△p=p-p0=ρgh，LNG 介质密度是已知的，压差△p与液位高度h成正比，测出压差就知道被测液位高度。通常压差式液位计将被测信号转换成4～20 mA直流输出信号，与其他单元组合仪表或控制系统配合使用，可以组成监测、记录、控制等自动化系统。

压差式液位计是比较成熟的液位测量仪表，具有小型、重量轻、坚固抗振、维护量少、安装方便等特点，通过表压信号反映液位高度，容易实现远传，在工业上有着较为广泛的应用。

图1 压差式液位计系统布置图

1.2 伺服液位计

伺服液位计的测量是基于浮力平衡的原理。通过检测浮子上浮力的变化，与预先设定的浮子重量进行比较，如果两者之间存在偏差，则会通过马达驱动浮子进行上下调整，直至偏差归零，在实际测量过程中是通过监测测量钢丝的张力来寻找对应液位。伺服液位计一般安装在LNG 储罐的顶部，其表头带液晶显示，具有防雷击功能。

伺服液位计是一种高精度测量的液位计（精度可达1 mm），具有测量稳定、维护量少、使用寿命长等优点，但其安装调试比较复杂，且价格相对较高。

图2 伺服液位计原理图

1.3 雷达液位计

导波雷达液位计是一种微波液位计，采用发射-反射-接收的工作模式。雷达液位计在工作时是由天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。

图3 雷达服液位计原理图

雷达液位计测量精确度高，几乎可以测量所有介质。在实际运用中，雷达液位计有调频连续波式和脉冲波式两种。采用调频连续波技术的雷达液位计，其功耗较大，须采用四线制，电路较为复杂；采用雷达脉冲波技术的雷达液位计，其功耗低，可直接用二线制的24 V 直流电源供电，比较容易实现本质安全，这种雷达液位计的适用范围更广。

1.4 磁致伸缩液位计

磁致伸缩液位计主要是利用磁致伸缩的物理特性进行测量，不受介质的介电常数、压力或温度变化的影响。工作时，上端电子部件产生低压电流脉冲，开始计时，产生磁场沿磁致伸缩线向下传播，浮子随着液位变化沿测量竿上下移动，浮子内有磁铁，也产生磁场，两个磁场相遇，磁致伸缩线扭曲形成扭应力波脉冲，脉冲速度已知，计算脉冲传播时间即对应液位精确变化。

图4 磁致伸缩液位计结构示意图

磁致伸缩液位计具有测量精度较高（可达到1 mm）、易于安装和维护简单、可靠性强、安全性好等优点。

1.5 电容式液位计

电容式液位计是基于电容感应的原理，当被测介质浸没电极的高度变化时，会引起其电容变化，高度变大，电容值变大，反之则变小，将液位高度的变化转换成电信号输出。电容式液位计的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式等。在LNG 储罐中一般是采用同心圆柱式，其电极棒一般采用不锈钢304 或316 制造，经久耐用，可靠性好，正常情况下无须进行维修。

电容式液位计采用电容式直接测量法，传感器直接与被测介质接触，测量精度高，其表头可直观显示液位参数，也可转换成4～20 mA 直流输出信号，实现远程监测。

2 液位测量装置现状

综合上述几种典型的液位测量装置，压差式液位计在陆用低温储罐、低温罐车及船用LNG 储罐等深冷设备中应用最为普遍。结合其长期以来的使用情况来看，还是存在液位计数不准确的现象。以LNG 储罐为例，分析导致压差式液位计不准确的因素。

1）在冬季较寒冷环境下，由于液位计液相管内的LNG 介质无法汽化，管内是液态介质导致压力无法正常传输到液位计感应元件。

2）储罐的真空度微小破损，导致储罐绝热性能变差，内外热交换而引起罐内超低温液体沸腾致使液位波动剧烈。

3）各源产地LNG 组分含量和密度不同，而储罐内液位、压力、充装质量之间换算都是以一个固定的密度值进行。如果实际充装的LNG 密度与理论计算所采用的LNG 密度值相差较多，液位计的显示值就会与实际值产生较大偏差。

4）受储罐液面横向面积的影响，对于相同LNG变化量，卧式储罐内的液面高度变化远小于立式储罐，反映到液位计上的读数变化就比较小，而对于立式储罐，LNG 液面高度变化就比较明显，所以当卧式储罐内LNG 质量已经发生变化时，液位计表盘上指针显示却没有变。

针对上述导致压差式液位计测量不准的因素，建议可以通过以下途径从一定程度上进行控制与改善：

1）保证LNG 储罐的真空度，防止热交换的超标而引起罐内超低温液体的沸腾造成液位计的晃动。

2）定期检验机械液位表。

3）尽量把储罐充装率控制在90%及以下。

4）发挥远传液位计的作用，对液位测量数据进行相互比较。

5）加强对液位计的数值监控，至少保证1 h 巡查记录一次。

3 结束语

通过对几种典型液位测量装置的简述可见，每种液位测量装置都有自己的工作原理和特点。不同的应用条件，应根据具体情况和液位计原理去选择和设计。出于安全方面考虑，船用仪表应设有冗余，且设备质量必须可靠，取得船级社产品证书。针对目前船用LNG 储罐的使用工况条件，建议压差式液位计仅为日常监测使用，采用电容式液位计或雷达液位计作为液位报警和ESD 联锁使用，同时应加强船员操作培训，确保船舶航行安全。