CN109932020A - 一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统，涉及储存容器技术领域。包括内浮顶罐、内浮顶罐中的浮盘，工控机，内浮顶罐的上端为圆弧面的罐顶，罐顶同一高度半径为r的圆上均布有若干雷达物位计，雷达物位计下方、浮盘上表面设有反射板，反射板位置与雷达物位计相对应，浮盘上表面半径为r的圆上设有测距仪，雷达物位计、测距仪分别与工控机电连接。本发明解决了现有技术中对浮盘位姿需要人工巡检工作量大，无法实时监控的技术问题。本发明有益效果为：操作简单，易于实施，结构安全可靠，维护方便，完全适用于现有的内浮顶罐浮盘位姿的监测。可以实时监测浮盘运行状态，减少劳动量与工作时间，对内浮顶罐安全高效运行带来极大便利。

Description

一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及储存容器技术领域，尤其是涉及一种对内浮顶罐的浮盘位置姿态的监测系统及监测方法。

背景技术

随着石油工业的发展，储罐作为油库的核心储油设备，大型化甚至超大型化是必然的发展趋势。浮顶罐是立式圆筒形金属罐的一种，在油库中十分普遍。浮顶是一种由金属材料制成的漂浮在储液面上并随储液面升降的盘状结构物，又称浮盘。根据浮盘上方有无固定顶，浮顶罐又分为外浮顶罐和内浮顶罐两种。外浮顶罐是一种全敞口容器，盘状浮顶随油面升降。内浮顶罐是装有浮盘的拱顶罐。内浮顶罐因有固定顶，所以能有效地防止风、砂、雨雪或灰尘的侵入，可以有效保证储液的质量，特别适合于储存高级汽油和喷气燃料及有毒的石油化工产品。由于浮盘腐蚀穿孔、浮盘与罐壁变形、收发油作业不当等会引起浮盘倾斜、卡盘甚至沉盘。浮盘卡死与沉盘两大事故的主要原因都是浮盘发生倾斜，因此，对浮盘位姿的实时监控就显得尤为重要。随着储罐的大型化，因浮盘发生卡盘、沉盘等事故而检修停运及其他间接损失不可估计。内浮顶罐由于浮盘上方罐顶的存在，当发生浮盘卡盘、沉盘等事故时，维修难度相对于外浮顶罐更大。目前国内对于浮顶罐的浮盘运行状况监测方式是人工巡检。此种方法存在的缺点和不足是：工作量大，效率不高，无法做到对浮顶罐浮盘运行状况的实时监控，因此，当浮盘运行出现问题时，不能快速发现，及时处理。

发明内容

为了解决现有技术中对浮盘位姿需要人工巡检工作量大，无法实时监控的技术问题，本发明提供一种安全可靠、高精度的内浮顶罐浮盘位姿监测系统及监测方法。

本发明的技术方案是：一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统，包括内浮顶罐、内浮顶罐中的浮盘，工控机，内浮顶罐的上端为圆弧面的罐顶，罐顶同一高度半径为r的圆上均布有若干雷达物位计，雷达物位计下方、浮盘上表面设有反射板，反射板位置与雷达物位计相对应，浮盘上表面半径为r的圆上设有测距仪，雷达物位计、测距仪分别与工控机电连接。

作为优选，罐顶设有安装孔，雷达物位计插入安装孔。

作为优选，雷达物位计与内浮顶罐侧壁的距离为400-600mm。

作为优选，测距仪与内浮顶罐侧壁的距离为400-600mm。

作为优选，测距仪为两个，两个测距仪与所在圆的圆心连线的夹角为α，45°＜α＜135°。

一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统的监测方法，其特征在于：罐顶上半径为r的圆上均布至少四点，各点设一个雷达物位计，以该圆的圆心为坐标原点O建立直角坐标系，该圆的平面为XOY平面，浮盘上表面半径为r的圆上设E、F两点，各点设一个测距仪，浮盘未漂移时上表面中心至内浮顶罐罐壁距离为L，雷达物位计与内浮顶罐罐底的距离为H，雷达物位计测得各自至测浮盘的距离值代入浮盘的平面方程得到浮盘平面法向量n，浮盘平面法向量n与Z轴的夹角θ即为浮盘的倾斜角度；设漂移前浮盘圆心k和E点测距仪在内浮顶罐侧壁反射点连线与漂移后浮盘圆心k'和F点测距仪在内浮顶罐侧壁反射点连线的交点为a，漂移前浮盘圆心与a点距离为l₁，漂移后浮盘圆心与a点距离为l₂，浮盘12漂移距离为k k'，则浮盘平面在Z轴截距为c，浮盘平面离开内浮顶罐罐底的距离为h₁，则h₁＝H-c。

作为优选，用各点雷达物位计坐标和各自在浮盘上表面投影点坐标，通过最小二乘法计算得到浮盘的平面方程。

作为优选，雷达物位计测量数据为算术平均值。

作为优选，测距仪测量数据为算术平均值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：操作简单，易于实施，结构安全可靠，维护方便，完全适用于现有的内浮顶罐浮盘位姿的监测。监测设备少，结合所建立数学模型，可以实时监测浮盘运行状态，减少劳动量与工作时间，对内浮顶罐安全高效运行带来极大便利。

附图说明

附图1为本发明连接示意图；

附图2为本发明监测系统模型图；

附图3为浮盘倾斜示意图；

附图4为浮盘漂移示意图；

附图5为图1中G-G剖视图。

图中：1-内浮顶罐；2-采集器；3-工控机；4-雷达物位计；5-测距仪；6-反射板；11-罐顶；12-浮盘。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1-5所示，一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统，包括内浮顶罐1、采集器2、工控机3。内浮顶罐1为圆柱体，上端为圆弧面的罐顶11，下端为平面的罐底。内浮顶罐1内，罐顶11和罐底之间设有浮盘12。浮盘12为圆盘状。浮盘12直径小于内浮顶罐1圆柱体直径。浮盘12在液体表面可以自由漂移，并随液面上下移动。

罐顶11同一高度半径为r的圆上均布有若干雷达物位计4。以罐顶11中心为圆心，半径为r做一个虚拟圆，图中点划线所示。在该虚拟圆的圆周上设有几个点，本实施例以A、B、C、D四个点为例说明。A、B、C、D四个点均布在虚拟圆的圆周上。每个点所在的罐顶11位置设有安装孔。安装孔贯通罐顶11上下表面。每个安装孔插入一个雷达物位计4。雷达物位计4的收发面为同一个面。四个雷达物位计4的收发面位于同一个平面。雷达物位计4的收发面与内浮顶罐1罐底的距离为H。

雷达物位计4下方、浮盘12上表面设有反射板6。反射板6有四块，位于每个雷达物位计4正下方与浮盘12上表面固定。雷达物位计4发出的波经过反射板6反射后被同一个雷达物位计4接收。为了防止雷达波被内浮顶罐1侧壁反射干扰，雷达物位计4与内浮顶罐1侧壁的距离为500mm。

以浮盘12上表面中心为圆心，半径为r做一个虚拟圆。在该虚拟圆的圆周上设有E、F两点。E、F两点与所在虚拟圆的圆心连线的夹角为α。为了提高测量精度，α取值范围：45°＜α＜135°。本实施例以α为90°为例说明。E、F两点分别固定一个测距仪5。测距仪5为防爆激光测距传感器。两个测距仪5朝向内浮顶罐1的侧壁。测距仪5的探测面与内浮顶罐1侧壁的距离为500mm。浮盘12未漂移时上表面中心至内浮顶罐1侧壁距离为L。

采集器2、工控机3位于内浮顶罐1外。雷达物位计4、测距仪5分别与采集器2电连接。采集器2与工控机3电连接。

一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统的监测方法：以内浮顶罐1的罐顶11同一高度半径为r的圆为XOY平面，虚拟圆的圆心为坐标原点O建立直角坐标系，AC方向为X轴正向，DB方向为Y轴正向，Z轴与内浮顶罐1的中轴线重合。

雷达物位计4测得各自至测浮盘12的距离值代入浮盘12的平面方程得到浮盘平面法向量n，浮盘平面法向量n与Z轴的夹角θ即为浮盘12的倾斜角度。用各点雷达物位计4坐标和各自在浮盘12上表面投影点坐标，通过最小二乘法计算得到浮盘12的平面方程。

图2中，A、B、C、D四点在浮盘12上表面的投影点分别为A'、B'、C'、D'。设A A'的距离为l_A，B B'的距离为l_B，C C'的距离为l_C，D D'的距离为l_D。投影点A'、B'、C'、D'坐标分别表示为：A'(-r,0,l_A)、B'(0,r,l_B)、C'(r,0,l_C)、D'(0,-r,l_D)。设浮盘12的平面方程为z＝ax+by+c。其中，a、b、c为参数估计值。a、b、c应使得实'际测量值z与评定基准的回归值z'的实际偏差平方和达到最小，即：S＝∑(z_i-z′_i)²最小，(i＝1，2，3，4)。要使S最小应满足：均等于0，即：

解方程组得：a、b、c。继而代入到浮盘平面方程z＝ax+by+c，得到平面法向量为n(a,b,-1)。设Z轴的单位向量为n_z(0,0,1)，浮盘平面的法向量n(a,b,-1)与Z轴单位向量之间的角度为：夹角θ(0≤θ＜90°)。根据向量夹角余弦公式计算浮盘平面法向量与Z轴之间的夹角θ。夹角θ计算公式：如图3所示，夹角θ反映出浮盘12与水平面之间的夹角。当监测中，工控机3算出的夹角θ值大于设定边界值时，启动报警。

浮盘12漂移后，两个测距仪5分别发出激光经过内浮顶罐1内侧壁反射被测距仪5接收，传输给采集器2形成一次测量数据。工控机3将采集器2的数据进行算术平均计算，取算术平均值为测距仪5测量数据。

图4中，设漂移前浮盘12圆心k和E点测距仪5在内浮顶罐1侧壁反射点连线与漂移后浮盘12圆心k'和F点测距仪5在内浮顶罐1侧壁反射点连线的交点为a，漂移前浮盘12圆心与a点距离为l₁，漂移后浮盘12圆心与a点距离为l₂，浮盘12漂移距离为kk'，则

浮盘12在水平且没有水平漂移时，浮盘12虚拟圆的圆心为k，在Z轴上。E、F两点与虚拟圆的圆心距离相等，即kE＝kF＝r。E、F两点与XOY平面的距离分别为h_E、h_F(在Z轴上读数可以得到)。E、F两坐标分别为本实施例E、F两点与所在虚拟圆的圆心连线的夹角α为90°为例说明。图中k、E、F点用虚心的小圆表示。E点测距仪5在内浮顶罐1内侧壁反射点为d点(用虚心的小圆表示)；F点测距仪5在内浮顶罐1内侧壁反射点为b点(用虚心的小圆表示)。k点与b点之间的距离等于k点与d点之间的距离，均为浮盘12中点至内浮顶罐1内侧的距离L。

浮盘12漂移后，k、E、F三点位置发生变化，为k'、E'、F'三点，图中用实心的小圆表示。E'点测距仪5在内浮顶罐1内侧壁反射点为g点(用实心的小圆表示)；F'点测距仪5在内浮顶罐1内侧壁反射点为c点(用实心的小圆表示)。两个测距仪5分别测得各自至内浮顶罐1侧壁距离为r₁和r₂，即：E'点与g点之间的距离为r₁；F'点与c点之间的距离为r₂。设k点和d点连线(用细实线表示)与k'点和c点连线(用细实线表示)的交点为点a(用实心的小圆表示)。设k'g的长度为l_E，k'c的长度为l_F，则：l_E＝r+r₁，l_F＝r+r₂。设ka长度为l₁；k'a长度为l₂。浮盘12漂移距离用kk'表示，则计算公式为：其中，θ为浮盘平面法向量与Z轴夹角。连接kg两点，图中用点划线表示，作g点至k点与d点连接线(用细实线表示)的垂线(用细实线表示)，交于点g'(用实心的小圆表示)，由几何关系知：kg²-g'g²＝kg'²。已知kg长度为L，k'E'与k'F'夹角为90°，由图4中易得：gg'＝k'a＝l₂，k'g＝ag'＝l_E。则kg'＝ka+ag'＝ka+k'g＝l₁+l_E，上述几何关系式可转化为：

同理，连接kc用点划线表示(用点划线表示)，由几何关系知：oa²+ac²＝oc²。已知kc的长度为L，ka长度为l₁，k'a长度为l₂，则ac＝k'c-k'a＝l_F-l₂，上述几何关系式可转化为：

联立式(2)、(3)：解方程组可得到l₁，l₂的值。从而，求得浮盘漂移距离kk'。当监测中，工控机3算出的浮盘漂移距离值大于设定边界值时，启动报警功能。

图5中，设浮盘平面在Z轴截距为c。浮盘12在XOY平面下方，即Z轴的正方向。浮盘12上表面与Z轴交点读数，即为浮盘平面在z轴截距为c。雷达物位计4的收发面为XOY平面，雷达物位计4的收发面与内浮顶罐1罐底的距离为H。浮盘平面离开内浮顶罐1罐底的距离为h₁，则h₁＝H-c。当监测中，工控机3算出的h₁值大于设定边界值时，启动报警功能。

Claims (9)

1.一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统，包括内浮顶罐(1)、内浮顶罐(1)中的浮盘(12)，工控机(3)，内浮顶罐(1)的上端为圆弧面的罐顶(11)，其特征在于：所述罐顶(11)同一高度半径为r的圆上均布有若干雷达物位计(4)，雷达物位计(4)下方、浮盘(12)上表面设有反射板(6)，反射板(6)位置与雷达物位计(4)相对应，所述浮盘(12)上表面半径为r的圆上设有测距仪(5)，所述雷达物位计(4)、测距仪(5)分别与工控机(3)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统，其特征在于：所述罐顶(11)设有安装孔，雷达物位计(4)插入安装孔。

3.根据权利要求1或2所述的一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统，其特征在于：雷达物位计(4)与内浮顶罐(1)侧壁的距离为400-600mm。

4.根据权利要求1所述的一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统，其特征在于：所述测距仪(5)与内浮顶罐(1)侧壁的距离为400-600mm。

5.根据权利要求1或4所述的一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统，其特征在于：测距仪(5)为两个，两个测距仪(5)与所在圆的圆心连线的夹角为α，45°＜α＜135°。

6.根据权利要求1所述的一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统的监测方法，其特征在于：罐顶(11)上半径为r的圆上均布至少四点，各点设一个雷达物位计(4)，以该圆的圆心为坐标原点O建立直角坐标系，该圆的平面为XOY平面，浮盘(12)上表面半径为r的圆上设E、F两点，各点设一个测距仪(5)，浮盘(12)未漂移时上表面中心至内浮顶罐(1)罐壁距离为L，雷达物位计(4)与内浮顶罐罐(1)底的距离为H，雷达物位计(4)测得各自至测浮盘(12)的距离值代入浮盘(12)的平面方程得到浮盘平面法向量n，浮盘平面法向量n与Z轴的夹角θ即为浮盘(12)的倾斜角度；设漂移前浮盘(12)圆心k和E点测距仪(5)在内浮顶罐(1)侧壁反射点连线与漂移后浮盘(12)圆心k'和F点测距仪(5)在内浮顶罐(1)侧壁反射点连线的交点为a，漂移前浮盘(12)圆心与a点距离为l₁，漂移后浮盘(12)圆心与a点距离为l₂，浮盘12漂移距离为kk'，则浮盘平面在Z轴截距为c，浮盘平面离开内浮顶罐(1)罐底的距离为h₁，则h₁＝H-c。

7.根据权利要求6所述的一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统的监测方法，其特征在于：用各点雷达物位计(4)坐标和各自在浮盘(12)上表面投影点坐标，通过最小二乘法计算得到浮盘(12)的平面方程。

8.根据权利要求6所述的一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统的监测方法，其特征在于：雷达物位计(4)测量数据为算术平均值。

9.根据权利要求6所述的一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统的监测方法，其特征在于：测距仪(5)测量数据为算术平均值。