油船液貨艙逸出氣體油氣濃度檢測裝置設計

吳厚毅，朱發新，盧金樹，吳文鋒，鄒永冬，林松敏(浙江海洋學院 港航學院，浙江 舟山 316022)

油船液貨艙逸出氣體油氣濃度檢測裝置設計

吳厚毅，朱發新，盧金樹，吳文鋒，鄒永冬，林松敏
(浙江海洋學院 港航學院，浙江 舟山 316022)

針對現有油船液貨艙內因缺乏準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，以可燃氣及油氣檢測報警器的技術規范為基礎，著眼于油船管理現代化,并有效地提高油船航行的安全性,實現液貨艙油氣濃度信息顯示、報警及自動化控制，設計研究出一種成本低廉、操作簡單、可實時監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油氣濃度，能夠更為準確的了解艙內氣體狀態，以便及時采取相應措施，大大提高了船舶運營過程的安全性、可靠性和經濟性。

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生，但是仍然存在油品損耗、污染大氣環境等問題。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，減少大氣環境污染等。因此，研發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問題。為了解決這一問題，從可燃氣及油氣檢測報警器的技術規范要求出發，進行油船液貨艙逸出氣體油氣濃度檢測裝置設計。

1 油船液貨艙逸出油氣的產生與危害

1.1逸出油氣的產生

1)裝船過程油氣的產生。裝船過程中，油品通過油泵及管路進入油船液貨艙內，隨著油品液面的上升，艙內油氣和空氣混合物被不斷壓縮，油艙內壓力逐漸升高，當艙內壓力達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)卸船過程油氣的產生。卸船過程中，隨著油艙內油品液面的下降，油艙內的壓力逐漸降低，會加速油品揮發的速率，使得含油蒸氣在油艙上部空間不斷聚集。若不及時處理，當含油蒸氣及氧氣濃度達到一定值時，由于熱源及靜電等作用，可能會發生火災、爆炸等安全事故[2]。

3)運輸過程油氣的產生。在運輸過程中，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出來的含油蒸氣。

1.2逸出油氣的危害

1)油品的揮發可能會導致油品質量下降，會造成一定的經濟損失。

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，一旦達到爆炸極限濃度時，極易發生燃燒爆炸[2-3]。

3)不經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煙霧[3-4]。

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

5)油氣中含有大量的有毒氣相烴物質，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計

結合現有船舶實際情況，并以可燃氣及油氣檢測報警器的技術規范為基礎，考慮到船舶運營的安全性以及經濟性，設計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-風機；3-壓力容器；4-可調節流閥；5-信號放大整流器；6-A/D數模轉換電路芯片；7-DSP微處理器；8-油氣濃度顯示及聲光報警模塊；9、14-穩壓電源；10-紅外發光裝置；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構組成圖

2.1油氣濃度檢測方法

目前，檢測氣體的技術主要有氣相色譜分析法、化學分析法、超聲波分析法等。氣相色譜分析法和化學分析法主要是分別利用氣體的物理性質和化學性質對混合氣體進行分離并分析氣體成分，此種方法靈敏度高，分析快，但是由于這些設備體積巨大，結構復雜、價格比較昂貴、檢測方法比較繁瑣，因此無法廣泛應用與船舶運輸方面[6]。超聲波分析法是利用聲波的速率和氣體濃度的關系，分析氣體的成分，然而液貨艙逸出氣體成分復雜，檢測起來較為繁瑣，且船上環境復雜，容易受到干擾。裝置所使用的阻光度(或透光度、透光強度)檢測技術，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、結構簡單、成本較低，而且能夠實時在線檢測，實現了自動化，不易受到環境的干擾。

2.2油氣濃度檢測裝置工作原理

裝置由壓力容器、可調節流閥、DSP微處理器、紅外發光裝置、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、風機、壓力容器、可調節流閥、截止閥進行檢測，確定是否正常，若不正常則發出相應的報警；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，風機將待測油氣抽至壓力容器中，通過可調節流閥的開度消除由風機造成的壓力波動后，再通入測量室中進行檢測，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。

在測量室中紅外發光裝置發出的光線穿過待測氣體到達另一端的紅外傳感器，紅外傳感器輸出的交流電流信號，進入信號放大整流器，得到一個與被測氣體濃度對應的直流電流信號，經A/D數模轉換電路芯片進行信號A/D轉換后得到的數字信號送入DSP微處理器進行數據處理。

數字信號經過DSP微處理器進行數字濾波、溫度補償等處理后，查詢透光強度與標準油氣濃度關系數據庫，經油氣濃度顯示及聲光報警模塊，在LCD顯示器上顯示出油氣濃度值，如油氣濃度達到危險值，則LED燈閃亮，蜂鳴器發出聲響，警示值班人員采取必要措施。

透光強度與標準油氣濃度關系數據庫由現有的油氣報警器測量出來，再經過數據擬合求得透光度與標準油氣濃度關系的函數，再將此函數導入DSP微處理器中，建立基于DSP的透光強度與標準油氣濃度關系數據庫。

標準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，稱為標準油氣。

2.3油氣濃度檢測裝置主要組成部件

1)紅外發光裝置和紅外傳感器。紅外發光裝置由紅外發光二極管和防護裝置組成。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、響應快等優點。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，在醫學、軍事和環境工程等領域得到廣泛應用[7]。

2)DSP微處理器。DSP微處理器主要有AT89S52單片機與外圍電路組成。AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS -51指令系統及80C51引腳結構，功能強大，性價比高[8-9]。

3)穩壓電源。如圖2所示，穩壓電源以三端穩壓集成芯片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、穩壓電路Z4等組成。單相交流電經過這幾部分電路后，即可轉換成穩定適用的直流電。

其中，LM117/LM317 是美國國家半導體公司的三端可調正穩壓器集成電路。其輸出電壓范圍是1.2～37 V，負載電流最大為1.5 A。具有輸出短路保護、過流、過熱保護和調整管安全工作區保護。

Z1-變壓電路；Z2-整流電路；Z3-π型LC濾波電路；Z4-穩壓電路；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；LM317-三端穩壓集成芯片。圖2 穩壓電源電路圖

4)信號放大整流器。如圖3所示，微弱信號的放大由U1和U2組成的兩級反相運算放大電路實現，將紅外傳感器輸出的交流信號進行放大，由于施加了負反饋，電壓增益為u1=-R2/R1，經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算放大器電特性所左右，而只有外電路來決定的優點，達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低頻電容C4初步濾波后，經由U3、U4、D6、D7所組成的整流電路整流。所述整流電路能實現全波整流，當u2為正半周時，D7導通，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警模塊。如圖4所示，檢測所得油氣濃度信號經過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微處理器進行判斷，當油氣濃度超過預警值時DSP微處理器控制P1.0和P1.1動作，電流經三極管放大后進入LED燈和蜂鳴器，發出警報，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點，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，可根據實際情況選擇不同型號，便于管理與維護。

(2)蜂鳴器。蜂鳴器發聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發聲[11]。然而單片機I/O引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，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警模塊電路圖

3 油氣濃度檢測裝置可行性分析

3.1結構可行性分析

該油氣檢測裝置相比于現有的檢測裝置有很大的提高，在結構方面有以下優點。

1)裝置所使用的設備具有很強的實用性和經濟性。所使用的設備如DSP微處理器、蜂鳴器、三極管、LED燈、LCD顯示器、風機等都是實驗室所有的，或者價格低廉，容易購買。

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

3)裝置使用的電源是有穩壓電源提供，抗干擾能力強。

4)裝置使用阻光度檢測技術，不易受到環境的影響。

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行。

3.2操作可行性分析

裝置操作簡單，已經實現了自動化，實時在線檢測油氣濃度的變化。無需人員進行手動操作，只需在安裝時調節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，風機將液貨艙逸出氣體吸入壓力容器中，經過壓力容器消除壓力波動。然后，氣體被吸入測量室進行檢測，最后得到與被測氣體濃度相對應的信號輸入DSP微處理器中，經過DSP微處理器分析，如油氣濃度超過設定值，則發出警報，提醒值班人員采取相應措施。

3.3維修可行性分析

裝置結構簡單，維修方便,其優點如下。

1)電路簡單，檢修方便。所使用的電路如穩壓電路、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、可調節流閥等都是常見設備，維修簡單。

3)裝置具有故障報警功能，裝置運行前進行先進行故障檢測，方便輪機人員維修。

3.4技術可行性分析

單片機控制技術已廣泛應用于各個領域。為能實時在線檢測油船液貨艙逸出氣體油氣濃度，本文運用阻光度檢測技術，得到與逸出氣體油氣濃度相對應得電流信號，經DSP微處理器進行數據擬合分析后輸出指令，達到船舶油艙自動檢測油氣濃度的目的。該裝置結構簡單，操作方便，進一步實現了船舶的自動化，減少了值班人員的工作強度。

3.5經濟可行性分析

裝置結構簡單，制造方便，且已經實現自動化，大大減少了人員的勞動強度，提高工作效率。本裝置可實時監控油艙內油氣濃度狀態，減少油氣損失，保證人員安全。裝置所需元器件價格較為低廉，所需成本不高，可廣泛運用于原油、成品油等油類運輸船。

4 結束語

該檢測裝置符合可燃氣及油氣檢測報警器的技術規范，能有效的減少輪機人員的勞動強度，提高工作效率?？蓪崟r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，為實現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計屬于前期研究，軟件方面還有待進一步的研究，未能進行實船模擬，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、實船模擬仿真、對逸出氣體成分間相互作用影響作進一步的分析研究。

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[11]于治會. 對蜂鳴器振動規范的探討[J]. 實用測試技術,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年浙江省新苗人才計劃項目(油船液貨艙逸出氣體油氣濃度檢測裝置研發)(2015R411025)；2014年浙江省自然科學基金青年基金項目(LQ14E090001)

吳厚毅(1994-)，男，福建三明市人，在讀本科生。

2015-06-02