吳厚毅，朱發(fā)新，盧金樹，吳文鋒，鄒永冬，林松敏(浙江海洋學(xué)院 港航學(xué)院，浙江 舟山 316022)

油船液貨艙逸出氣體油氣濃度檢測裝置設(shè)計(jì)

吳厚毅，朱發(fā)新，盧金樹，吳文鋒，鄒永冬，林松敏
(浙江海洋學(xué)院 港航學(xué)院，浙江 舟山 316022)

針對現(xiàn)有油船液貨艙內(nèi)因缺乏準(zhǔn)確的油氣濃度檢測所存在的液貨損失和液貨艙失火、爆炸等安全隱患，以可燃?xì)饧坝蜌鈾z測報(bào)警器的技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)，著眼于油船管理現(xiàn)代化,并有效地提高油船航行的安全性,實(shí)現(xiàn)液貨艙油氣濃度信息顯示、報(bào)警及自動化控制，設(shè)計(jì)研究出一種成本低廉、操作簡單、可實(shí)時監(jiān)測船舶液貨艙逸出油氣濃度的裝置。該裝置直接測量液貨艙內(nèi)油氣濃度，能夠更為準(zhǔn)確的了解艙內(nèi)氣體狀態(tài)，以便及時采取相應(yīng)措施，大大提高了船舶運(yùn)營過程的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

油船；液貨艙；逸出氣體；油氣檢測

目前為止，船舶(包括油船)上為了防止油艙發(fā)生燃燒、爆炸等事故，一般在油艙中注入惰性氣體，以此降低油氣和氧氣濃度。這種方法雖然減少了油艙爆炸等事故發(fā)生，但是仍然存在油品損耗、污染大氣環(huán)境等問題。及時掌握油船液貨艙逸出氣體油氣濃度，采取相應(yīng)措施降低油氣濃度，不僅可以避免液貨艙爆炸等事故，還可以保障人員安全，減少油品損耗，減少大氣環(huán)境污染等。因此，研發(fā)出適用油船的油氣濃度檢測裝置成為了油氣排放及處理的重要基礎(chǔ)問題。為了解決這一問題，從可燃?xì)饧坝蜌鈾z測報(bào)警器的技術(shù)規(guī)范要求出發(fā)，進(jìn)行油船液貨艙逸出氣體油氣濃度檢測裝置設(shè)計(jì)。

1 油船液貨艙逸出油氣的產(chǎn)生與危害

1.1逸出油氣的產(chǎn)生

1)裝船過程油氣的產(chǎn)生。裝船過程中，油品通過油泵及管路進(jìn)入油船液貨艙內(nèi)，隨著油品液面的上升，艙內(nèi)油氣和空氣混合物被不斷壓縮，油艙內(nèi)壓力逐漸升高，當(dāng)艙內(nèi)壓力達(dá)到呼吸閥及呼吸閥組件的啟閥壓力時，呼吸閥的閥盤打開，將油艙中的含油蒸氣排出艙外[1-2]。

2)卸船過程油氣的產(chǎn)生。卸船過程中，隨著油艙內(nèi)油品液面的下降，油艙內(nèi)的壓力逐漸降低，會加速油品揮發(fā)的速率，使得含油蒸氣在油艙上部空間不斷聚集。若不及時處理，當(dāng)含油蒸氣及氧氣濃度達(dá)到一定值時，由于熱源及靜電等作用，可能會發(fā)生火災(zāi)、爆炸等安全事故[2]。

3)運(yùn)輸過程油氣的產(chǎn)生。在運(yùn)輸過程中，為了船舶及人員的安全，油艙上部會留有一定的空間。在這個空間中由于運(yùn)輸過程中外界溫度變化、油船晃動等因素的影響，會大量聚集油品揮發(fā)出來的含油蒸氣。

1.2逸出油氣的危害

1)油品的揮發(fā)可能會導(dǎo)致油品質(zhì)量下降，會造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

2)油氣與空氣混合后形成的可燃性混合氣體，極易聚集船艙、過道等空間狹小的地方，一旦達(dá)到爆炸極限濃度時，極易發(fā)生燃燒爆炸[2-3]。

3)不經(jīng)處理的油氣混合物直接排入空氣會造成大氣污染，并且極易形成光化學(xué)煙霧[3-4]。

4)裝油過程中揮發(fā)出的揮發(fā)性的鹵代烴(VHCs)與大氣中的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成臭氧煙霧，會對人體及自然環(huán)境造成極大危害[5]。

5)油氣中含有大量的有毒氣相烴物質(zhì)，漂浮于地面以上，容易對人體造成危害，如引起窒息、慢性中毒等。

2 油氣濃度檢測裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有船舶實(shí)際情況，并以可燃?xì)饧坝蜌鈾z測報(bào)警器的技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)，考慮到船舶運(yùn)營的安全性以及經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)出了用于檢測油船液貨艙逸出氣體油氣濃度的檢測裝置，如圖1所示。

1、15-二位二通電磁閥；2-風(fēng)機(jī)；3-壓力容器；4-可調(diào)節(jié)流閥；5-信號放大整流器；6-A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路芯片；7-DSP微處理器；8-油氣濃度顯示及聲光報(bào)警模塊；9、14-穩(wěn)壓電源；10-紅外發(fā)光裝置；11-測量室；12-出氣口；13-紅外傳感器；16-采樣氣體；17-壓縮空氣。圖1 油氣濃度檢測裝置結(jié)構(gòu)組成圖

2.1油氣濃度檢測方法

目前，檢測氣體的技術(shù)主要有氣相色譜分析法、化學(xué)分析法、超聲波分析法等。氣相色譜分析法和化學(xué)分析法主要是分別利用氣體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)對混合氣體進(jìn)行分離并分析氣體成分，此種方法靈敏度高，分析快，但是由于這些設(shè)備體積巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格比較昂貴、檢測方法比較繁瑣，因此無法廣泛應(yīng)用與船舶運(yùn)輸方面[6]。超聲波分析法是利用聲波的速率和氣體濃度的關(guān)系，分析氣體的成分，然而液貨艙逸出氣體成分復(fù)雜，檢測起來較為繁瑣，且船上環(huán)境復(fù)雜，容易受到干擾。裝置所使用的阻光度(或透光度、透光強(qiáng)度)檢測技術(shù)，其測量原理是用一定波長的光穿過采樣氣體，利用不同濃度的氣體對光的吸收程度不同，測量光的透過率，透過率與濃度之間符合郎帕-比爾定律。此種方式不但測量精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，而且能夠?qū)崟r在線檢測，實(shí)現(xiàn)了自動化，不易受到環(huán)境的干擾。

2.2油氣濃度檢測裝置工作原理

裝置由壓力容器、可調(diào)節(jié)流閥、DSP微處理器、紅外發(fā)光裝置、紅外傳感器等組成，其工作原理。

檢測裝置開始工作之前，先對電磁閥、風(fēng)機(jī)、壓力容器、可調(diào)節(jié)流閥、截止閥進(jìn)行檢測，確定是否正常，若不正常則發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警；反之，則開始檢測油氣濃度。

裝置開始工作時，DSP微處理器控制二位二通電磁閥1右位接入管路，二位二通電磁閥1關(guān)閉；二位二通電磁閥15左位接入管路，二位二通電磁閥15打開，風(fēng)機(jī)將待測油氣抽至壓力容器中，通過可調(diào)節(jié)流閥的開度消除由風(fēng)機(jī)造成的壓力波動后，再通入測量室中進(jìn)行檢測，檢測完畢后，DSP微處理器控制，二位二通電磁閥1打開，二位二通電磁閥15關(guān)閉，壓縮空氣沖洗測量室，將氣體從出氣口排出。

在測量室中紅外發(fā)光裝置發(fā)出的光線穿過待測氣體到達(dá)另一端的紅外傳感器，紅外傳感器輸出的交流電流信號，進(jìn)入信號放大整流器，得到一個與被測氣體濃度對應(yīng)的直流電流信號，經(jīng)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路芯片進(jìn)行信號A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號送入DSP微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)字信號經(jīng)過DSP微處理器進(jìn)行數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償?shù)忍幚砗?，查詢透光?qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)油氣濃度關(guān)系數(shù)據(jù)庫，經(jīng)油氣濃度顯示及聲光報(bào)警模塊，在LCD顯示器上顯示出油氣濃度值，如油氣濃度達(dá)到危險(xiǎn)值，則LED燈閃亮，蜂鳴器發(fā)出聲響，警示值班人員采取必要措施。

透光強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)油氣濃度關(guān)系數(shù)據(jù)庫由現(xiàn)有的油氣報(bào)警器測量出來，再經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合求得透光度與標(biāo)準(zhǔn)油氣濃度關(guān)系的函數(shù)，再將此函數(shù)導(dǎo)入DSP微處理器中，建立基于DSP的透光強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)油氣濃度關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

標(biāo)準(zhǔn)油氣濃度是用油氣與惰性氣體按一定比例混合成已知濃度的油氣，稱為標(biāo)準(zhǔn)油氣。

2.3油氣濃度檢測裝置主要組成部件

1)紅外發(fā)光裝置和紅外傳感器。紅外發(fā)光裝置由紅外發(fā)光二極管和防護(hù)裝置組成。紅外傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。紅外線傳感器常用于無接觸溫度測量、氣體成分分析和無損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍事和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7]。

2)DSP微處理器。DSP微處理器主要有AT89S52單片機(jī)與外圍電路組成。AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS -51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大，性價(jià)比高[8-9]。

3)穩(wěn)壓電源。如圖2所示，穩(wěn)壓電源以三端穩(wěn)壓集成芯片LM317為核心，主要由變壓電路Z1、單相橋式整流電路Z2、π型LC濾波電路Z3、穩(wěn)壓電路Z4等組成。單相交流電經(jīng)過這幾部分電路后，即可轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定適用的直流電。

其中，LM117/LM317 是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。其輸出電壓范圍是1.2～37 V，負(fù)載電流最大為1.5 A。具有輸出短路保護(hù)、過流、過熱保護(hù)和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)。

Z1-變壓電路；Z2-整流電路；Z3-π型LC濾波電路；Z4-穩(wěn)壓電路；TR1-變壓元件；D1、D2、D3、D4、D5-二極管；L1-電感元件；C1-低頻電容；C2、C3-高頻電容；LM317-三端穩(wěn)壓集成芯片。圖2 穩(wěn)壓電源電路圖

4)信號放大整流器。如圖3所示，微弱信號的放大由U1和U2組成的兩級反相運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)，將紅外傳感器輸出的交流信號進(jìn)行放大，由于施加了負(fù)反饋，電壓增益為u1=-R2/R1，經(jīng)過兩級反向放大電路后的電壓增益為u2=-(R4/R3)×u1=(R4×R2)/(R3×R1)，由上式可知，放大后的電壓大小由R1、R2、R3和R4來決定。因而這部分電路具有增益和其它特性不受運(yùn)算放大器電特性所左右，而只有外電路來決定的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到高精度線性和增益的目的。由兩級反向放大電路出來的信號經(jīng)低頻電容C4初步濾波后，經(jīng)由U3、U4、D6、D7所組成的整流電路整流。所述整流電路能實(shí)現(xiàn)全波整流，當(dāng)u2為正半周時，D7導(dǎo)通，D6截止，u=u2；反之u=-(R9/R8)×u2=-(10 kΩ/10 kΩ)×u2=-u2。

5)油氣濃度顯示及聲光報(bào)警模塊。如圖4所示，檢測所得油氣濃度信號經(jīng)過8路正相緩沖器和緩沖后，由LED顯示器顯示出油氣濃度。同時DSP微處理器進(jìn)行判斷，當(dāng)油氣濃度超過預(yù)警值時DSP微處理器控制P1.0和P1.1動作，電流經(jīng)三極管放大后進(jìn)入LED燈和蜂鳴器，發(fā)出警報(bào)，提示值班人員采取必要措施。

(1)LCD顯示器。LCD顯示器具有可視尺寸大、重量較輕、體積小、功耗低、工作時電磁輻射微弱等優(yōu)點(diǎn)，便于安裝且有利于人體健康[10]。工作溫度大約在-40～+90 ℃，一般分為常溫、寬溫、超寬溫3種類型，可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同型號，便于管理與維護(hù)。

(2)蜂鳴器。蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲[11]。然而單片機(jī)I/O引腳輸出的電流較小，單片機(jī)輸出的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，所以需要增加一個三極管來放大電流。

U1～U4-運(yùn)算放大器，R1～R10-電阻，D6、D7-二級管，u1-一級放大電壓；u2-二級放大電壓；u-放大整流后電壓；C4-低頻電容。圖3 信號放大整流器電路圖

1-蜂鳴器；2-三極管；3-LED燈；4、6-8路正相好緩沖器/線路驅(qū)動器；5-LCD顯示器；7-DSP微處理器；R11～R20-電阻。圖4 油氣濃度顯示及聲光報(bào)警模塊電路圖

3 油氣濃度檢測裝置可行性分析

3.1結(jié)構(gòu)可行性分析

該油氣檢測裝置相比于現(xiàn)有的檢測裝置有很大的提高，在結(jié)構(gòu)方面有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)裝置所使用的設(shè)備具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。所使用的設(shè)備如DSP微處理器、蜂鳴器、三極管、LED燈、LCD顯示器、風(fēng)機(jī)等都是實(shí)驗(yàn)室所有的，或者價(jià)格低廉，容易購買。

2)裝置的安全性能夠得到保證。所使用的設(shè)備所需的電壓和電流都很小，且測量室置于隔爆箱內(nèi)，不會對人及機(jī)械造成危害。

3)裝置使用的電源是有穩(wěn)壓電源提供，抗干擾能力強(qiáng)。

4)裝置使用阻光度檢測技術(shù)，不易受到環(huán)境的影響。

5)裝置所用軟件已固化，出錯率極小。

6)裝置配有備用電源，可保證在失電情況下裝置能夠正常運(yùn)行。

3.2操作可行性分析

裝置操作簡單，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動化，實(shí)時在線檢測油氣濃度的變化。無需人員進(jìn)行手動操作，只需在安裝時調(diào)節(jié)好壓力容器前后管路的壓差。裝置開始工作時，DSP微處理器操作電磁閥動作，風(fēng)機(jī)將液貨艙逸出氣體吸入壓力容器中，經(jīng)過壓力容器消除壓力波動。然后，氣體被吸入測量室進(jìn)行檢測，最后得到與被測氣體濃度相對應(yīng)的信號輸入DSP微處理器中，經(jīng)過DSP微處理器分析，如油氣濃度超過設(shè)定值，則發(fā)出警報(bào)，提醒值班人員采取相應(yīng)措施。

3.3維修可行性分析

裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便,其優(yōu)點(diǎn)如下。

1)電路簡單，檢修方便。所使用的電路如穩(wěn)壓電路、放大整流電路等都屬于簡單電路連接，且裝置大多使用集成芯片，換修方便。

2)裝置所使用的壓力容器、二位二通電磁閥、可調(diào)節(jié)流閥等都是常見設(shè)備，維修簡單。

3)裝置具有故障報(bào)警功能，裝置運(yùn)行前進(jìn)行先進(jìn)行故障檢測，方便輪機(jī)人員維修。

3.4技術(shù)可行性分析

單片機(jī)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。為能實(shí)時在線檢測油船液貨艙逸出氣體油氣濃度，本文運(yùn)用阻光度檢測技術(shù)，得到與逸出氣體油氣濃度相對應(yīng)得電流信號，經(jīng)DSP微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析后輸出指令，達(dá)到船舶油艙自動檢測油氣濃度的目的。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了船舶的自動化，減少了值班人員的工作強(qiáng)度。

3.5經(jīng)濟(jì)可行性分析

裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動化，大大減少了人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。本裝置可實(shí)時監(jiān)控油艙內(nèi)油氣濃度狀態(tài)，減少油氣損失，保證人員安全。裝置所需元器件價(jià)格較為低廉，所需成本不高，可廣泛運(yùn)用于原油、成品油等油類運(yùn)輸船。

4 結(jié)束語

該檢測裝置符合可燃?xì)饧坝蜌鈾z測報(bào)警器的技術(shù)規(guī)范，能有效的減少輪機(jī)人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率?？蓪?shí)時在線檢測逸出氣體油氣濃度，提高了船舶及人員的安全性，有效地減少了液貨損失，為實(shí)現(xiàn)船舶自動化提供了一些參考。

該油船液貨艙逸出氣體油氣濃度檢測裝置設(shè)計(jì)屬于前期研究，軟件方面還有待進(jìn)一步的研究，未能進(jìn)行實(shí)船模擬，也未考慮逸出氣體成分間相互作用影響的情況，因此后期工作可以對軟件的開發(fā)、實(shí)船模擬仿真、對逸出氣體成分間相互作用影響作進(jìn)一步的分析研究。

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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年浙江省新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(油船液貨艙逸出氣體油氣濃度檢測裝置研發(fā))(2015R411025)；2014年浙江省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(LQ14E090001)

吳厚毅(1994-)，男，福建三明市人，在讀本科生。

2015-06-02