CN118183492B - 用于大型lng低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大型LNG低温储罐气升顶技术领域，特别涉及一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置及方法。该装置包括：n个滑块导轨机构(5)、通信模块、平衡监测机构和控制模块；每个所述滑块导轨机构(5)包括：导轨(11)、配重滑块(12)以及运动组件；所述控制模块，用于基于运动参数判断罐顶(4)是否失衡，判断为是，控制模块基于运动参数分别计算n个配重滑块(12)的运动距离和运动方向，输出运动控制信息经通信模块发送至每个所述滑块导轨机构(5)，分别控制运动组件带动配重滑块(12)在滑轨(11)上移动，以改变配重滑块(12)的重力在空间的力矩矢量，从而使罐顶(4)恢复平衡。
Description
技术领域
本发明涉及大型LNG低温储罐气升顶技术领域，特别涉及一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置及方法。
背景技术
近几年，由于天然气在能源领域需求，大型LNG低温储罐建造需求增加。在大型LNG低温储罐建造中，罐顶的升顶是技术难度高和风险要求低的建造工序。罐顶能否成功升顶对LNG储罐建造工程起决定作用。在大型LNG低温储罐建造中，罐顶的顶升普遍采用气升顶的方法。在LNG罐顶气升顶过程中，罐顶配重的平衡是气升顶中的一个重要环节，在预升顶时会平衡配重，在顶升过程中发生倾斜时也会调节配重。配重的调节是为了使罐顶受力平衡，均衡拉绳装置中的拉绳负载，防止负载集中到某条拉绳中，导致拉绳断裂，发生意外事故。
目前大多数大型LNG低温储罐气升顶采用的方法是：在罐顶中心周围等圆周安置钢筋套笼，然后根据观察和经验，往钢筋套笼中放入钢筋。又或者是直接按照要求，在罐顶上堆放沙袋。升顶成功之前这些配重无法收回，这些现有方法只能不断在不同位置增加重量，对于每次增加的重量受经验影响较大。若增加的配重过大，反而产生新平衡需求，且无论是顶升过程中的各种因数还是增加配重产生的失衡，只能通过重新增加配重去调节，该过程是不可逆的。现有方法也不能实现上位机数字化控制。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有大型LNG低温储罐气升顶配重调节方法依靠经验性、不可逆和无法上位机数字化控制调节的缺点，从而提供一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案所提供的用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置，包括：n个滑块导轨机构5、通信模块、平衡监测机构和控制模块；
每个所述滑块导轨机构5包括：安装至罐顶4的导轨11、设置至导轨11的配重滑块12以及带动配重滑块12在导轨11上移动的运动组件；其中，n个滑块导轨机构5的n个导轨11沿罐顶4半径轴向等圆周角度安装至灌顶4的顶部，呈雨伞骨架状；
所述平衡监测机构，用于采集罐顶4的运动参数，经通信模块上传至控制模块；
所述通信模块，用于将罐顶4的运动参数发送至控制模块，还用于将控制模块发出的运动控制信息发送至滑块导轨机构5；
所述控制模块，用于基于运动参数判断罐顶4是否失衡，判断为是，控制模块基于运动参数分别计算n个配重滑块12的运动距离和运动方向，输出运动控制信息经通信模块发送至每个所述滑块导轨机构5，分别控制运动组件带动配重滑块12在滑轨11上移动，以改变配重滑块12的重力在空间的力矩矢量，从而使罐顶4恢复平衡。
作为上述装置的一种改进，所述运动组件包括：链条13和电机14；
所述控制模块驱动电机14通过链条13带动配重滑块12在导轨11上移动。
作为上述装置的一种改进，所述平衡监测机构包括：n个拉绳19、四个拉力计21和四个T型架18；所述n个拉绳19和n个滑块导轨机构5一一对应；四个拉力计21和四个T型架18一一对应；其中，所述n个拉绳19分别与罐顶4、罐壁3和牵引机构连接，用于拉动罐顶4上升；其中，四个T型架18分别固定至与x轴和y轴相交的罐顶4的顶部；导轨11与x轴和y轴位置重叠的四个滑块导轨机构5对应的四个拉绳19上分别设置拉力计21；其中，四个拉绳19的一端分别与牵引机构连接，另一端与罐顶4连接后经过T型架18与罐壁3的顶部固定连接；四个拉绳19在T型架18与罐壁3之间的延伸段分别安装有拉力计21，用于分别获取对应拉绳19所受拉力；所述通信模块，用于将拉力数据作为罐顶4的运动参数发送至控制模块；当控制模块接收到的任一拉力数据大于第一阈值时，则判断罐顶4失衡。
作为上述装置的一种改进，所述滑块导轨机构5包括：x轴滑块导轨机构和y轴滑块导轨机构，所述控制模块利用拉力数据计算x轴滑块导轨机构和y轴滑块导轨机构的配重滑块12在滑轨11上的移动距离；其中，
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块12在滑轨11上的移动距离的过程包括：
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块12在x方向上的位移axn：
其中，Px为四个拉力数据中拉力数据最大的拉力计21所安装的拉绳19与罐顶4连接处的x轴坐标；f为拉力数据最大的拉力计21所安装的拉绳19上所需减少拉力的值；N为滑块导轨机构5的总数量；G为配重滑块12的重量；
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块12在y方向上的位移bxn：
其中，为第n个x轴滑块导轨机构的导轨11与x轴正方向的夹角；
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块12在滑轨11上的移动距离Lxn：
其中，θ是导轨11与x-y平面的夹角；
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块12在滑轨11上的移动距离的过程包括：
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块12在y方向上的位移byn：
其中，Py四个拉力数据中拉力数据最大的拉力计21所安装的拉绳19与罐顶4连接处的y轴坐标；
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块12在x方向上的位移ayn：
其中，为第n个y轴滑块导轨机构的导轨11与x轴正方向的夹角；
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块12在滑轨11上的移动距离Lxn：
作为上述装置的一种改进，所述控制模块包括：位于控制室的上位机1和位于罐顶4的下位机6；其中，所述上位机1用于用于接收罐顶4的运动参数，用于基于运动参数判断罐顶4是否失衡，判断为是，分别计算n个配重滑块12的运动距离和运动方向，并通过通信模块将n个配重滑块12的运动距离和运动方向信息发送至下位机6；所述下位机6，基于n个配重滑块12的运动距离和运动方向信息，分别控制运动组件带动配重滑块12在滑轨11上移动。
作为上述装置的一种改进，所述运动组件包括：链轮10，用于安装链条13，以使链条13的弧度与导轨11的行程弧度相同。
作为上述装置的一种改进，所述运动组件包括：蜗轮蜗杆减速器16，分别与控制模块和电机14连接，所述蜗轮蜗杆减速器16具有自锁功能，用于固定配重滑块12在导轨11上的位置。
作为上述装置的一种改进，所述滑块导轨机构5包括：水平台25，所述水平台25设置至罐顶4中心附近，用于安装蜗轮蜗杆减速器16和电机14。
作为上述装置的一种改进，所述通信模块采用Zigbee无线通信技术。
为实现本发明的另一目的，本发明还提供一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整方法，基于权利要求5-6之一所述的装置实现，包括：
步骤1：运动组件将所有配重滑块12移至导轨11的中心；
步骤2:平衡监测机构采集罐顶4的运动参数，经通信模块上传至上位机1；通过上位机1基于运动参数判断罐顶4是否失衡；若判断为失衡，执行步骤3，否则结束调整；
步骤3：上位机1基于运动参数分别计算n个配重滑块12的运动距离和运动方向，输出运动控制信息经通信模块传输至位于罐顶4的下位机6；
步骤4：下位机6依据运动控制信息控制运动组件带动配重滑块12在滑轨11上移动，并返回步骤2。
相较于现有技术，本发明的优点在于，本发明提供的一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置及方法在调节罐顶4重心的过程中，不需要增加额外配重，不依靠操作人员的经验性，本发明可以自动监测罐顶4是否失去平衡，当罐顶4失去平衡后，可以自动利用配重滑块14调整罐顶4的重心，使其恢复平衡，不仅在罐顶4失去平衡时可以及时响应，还提高了罐顶4重心调整的精度。
附图说明
图1为本发明提供的用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置示意图；
图2为滑块导轨机构的示意图；
图3为拉力计安装示意图；
图4为本发明提供的用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整方法流程图。
附图标识
1、上位机 2、协调器 3、罐壁
4、罐顶 5、滑块导轨机构 6、下位机
7、执行器 8、Zigbee模块 9、导轨支架
10、链轮 11、导轨 12、配重滑块
13、链条 14、电机 15、联轴器
16、蜗轮蜗杆减速器 17、导轮 18、T型架
19、拉绳 20、钢丝绳夹 21、拉力计
22、吊耳 23、链轮支架 24、链条滑块连接器
25、水平台
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
实施例1
如图1至图3所示，在本发明的一种较佳实施方式中，一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置，包括上位机1、协调器2、Zigbee模块8、下位机6、执行器7、拉力计21、20条可以安装在大型LNG低温罐顶的导轨11、20块可以在导轨上移动的配重滑块12、20条链条13、20个链条滑块连接器24、20个水平台25、80个链轮10、80个链轮支架23、20个电机14和20个蜗轮蜗杆减速器16。上位机1和协调器2放置在控制室，下位机6、执行器7和Zigbee模块8安装在罐顶4中心区域，滑块导轨机构5沿半径轴向等圆周角度安装在罐顶，分别编号x1,…,x10和y1,…,y10。
以xn为编号的滑块导轨装置上的各个配重滑块，按照拉绳空间力矩在x轴的减少分量，可求得以xn为编号的滑块导轨装置上的各个配重滑块在x轴方向上的位移和配重滑块在导轨上移动距离：
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块12在滑轨11上的移动距离的过程包括：
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块12在x方向上的位移axn：
其中，Px为四个拉力数据中拉力数据最大的拉力计21所安装的拉绳19与罐顶4连接处的x轴坐标；f为拉力数据最大的拉力计21所安装的拉绳19上所需减少拉力的值；N为滑块导轨机构5的总数量；G为配重滑块12的重量；
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块12在y方向上的位移bxn：
其中，为第n个x轴滑块导轨机构的导轨11与x轴正方向的夹角；
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块12在滑轨11上的移动距离Lxn：
其中，θ是导轨11与x-y平面的夹角；
同理以yn为编号的滑块导轨装置上的各个配重滑块，按照拉绳空间力矩在y轴方向的减少分量，可求得以yn为编号的滑块导轨装置上的各个配重滑块在y轴方向上的位移和配重滑块在导轨上移动距离：
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块12在滑轨11上的移动距离的过程包括：
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块12在y方向上的位移byn：
其中，Py为四个拉力数据中拉力数据最大的拉力计21所安装的拉绳19与罐顶4连接处的y轴坐标；
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块12在x方向上的位移ayn：
其中，为第n个y轴滑块导轨机构的导轨11与x轴正方向的夹角；
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块12在滑轨11上的移动距离Lxn：
请参阅图1，此图为本发明一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置示意图，图中沿半径轴向等圆周角度均布的径向虚线为罐顶滑块导轨机构的均布线，也代表一套滑块导轨机构5，其中x3编号的滑块导轨机构5以示意图的形式展示在图中；上位机1和协调器2放置在控制室；Zigbee模块8、下位机6、执行器7安装在罐顶中间区域；4个拉力计21安装在罐顶x，y轴方向的拉绳19上。
所述上位机1用于用于接收罐顶4的运动参数，用于基于运动参数判断罐顶4是否失衡，判断为是，分别计算n个配重滑块12的运动距离和运动方向，并通过Zigbee模块8将n个配重滑块12的运动距离和运动方向信息发送至下位机6；
所述下位机6，基于n个配重滑块12的运动距离和运动方向信息，分别控制运动组件带动配重滑块12在滑轨11上移动。
请参阅图2，此图为本发明中一套滑块导轨机构5在罐顶4的安装图，每组滑块导轨由导轨11、配重滑块12、链条13、链条滑块连接器24、链轮10、链轮支架23、蜗轮蜗杆减速器16、电机14和水平台25组成。导轨11径向均匀分布在罐顶，每条导轨的轴线都需要与均布虚线重叠；4个链轮10、4个链轮支架23、1条链条13为一组，安装在导轨11一侧，其中链轮4的安装高度，需使链条13的弧线与导轨11行程弧线相似；水平台25焊接在导轨11靠近弧顶的另一侧，电机14和蜗轮蜗杆减速器16安装在水平台25上；电机14、蜗轮蜗杆减速器16、链轮4通过联轴器15连接；配重滑块12与链条13通过链条滑块连接器24连接。本发明使用计算机控制电机，并通过蜗轮蜗杆传动和链传动实现配重滑块在导轨上的移动。配重滑块在导轨上的移动，实现配重滑块在灌顶的不均匀分布，进而按需求改变灌顶的重心。
请参阅图3,此图为本实施例拉力计21安装位置的示意图。拉力计21可以监测拉绳19的受力情况。平衡监测机构包括：n个拉绳19、四个拉力计21和四个T型架18；所述n个拉绳19和n个滑块导轨机构5一一对应；四个拉力计21和四个T型架18一一对应；其中，
所述n个拉绳19分别与罐顶4、罐壁3和牵引机构连接，用于拉动罐顶4上升；其中，四个T型架18分别固定至与x轴和y轴相交的罐顶4的顶部；
导轨11与x轴和y轴位置重叠的四个滑块导轨机构5对应的四个拉绳19上分别设置拉力计21；其中，四个拉绳19的一端分别与牵引机构连接，另一端与罐顶4连接后经过T型架18与罐壁3的顶部固定连接；四个拉绳19在T型架18与罐壁3之间的延伸段分别安装有拉力计21，用于分别获取对应拉绳19所受拉力；
所述通信模块，用于将拉力数据作为罐顶4的运动参数发送至控制模块；当控制模块接收到的任一拉力数据大于第一阈值时，则判断罐顶4失衡。
在罐顶4上升过程中，由于摩擦力不均、气流等因素的影响，罐顶4会因受力不平衡发生倾斜，此时需要拉绳19调整罐顶的位姿。在调整时，部分拉绳19受力增加。为了减少拉绳19受力过大，根据拉绳19所需减少的力对罐顶4中心的空间力矩大小，一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置可以计算并控制配重滑块移动到相应位置。
优选的，涡轮蜗杆减速器16具有自锁能力，可以实现配重滑块12在导轨11上位置的固定。
优选的，蜗轮蜗杆传动和链传动采用较大传动比，使电机14的选择更加更加广泛。
优选的，所述电机14由上位机控制，通过蜗轮蜗杆传动和链传动实现配重滑块在导轨上的移动。
优选的，链轮链条机构可以根据罐顶4弧度安装链轮10的高度，适应配重滑块12在罐顶导轨11上的弧线运动。
优选的，所述上位机1控制采用了Zigbee无线传输技术，避免由于罐顶4上升带给有线传输的布线问题。
实施例2
图4为本发明实施例2提供的一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整方法的程序流框图，基于实施例1提供的装置实现。第一步需要初始化配重滑块12的位置，将所有配重滑块12移至导轨11的中心。第二步采集罐顶4的运动参数，第三步判断罐顶4是否失衡。若失衡，第四步将计算配重滑块12移动距离和方向，第五步通过Zigbee模块8将信号传递给下位机6，第六步下位机6控制电机14工作，使得配重滑块12到达计算位置；若为失衡，则回到第二步继续采集罐顶4运动参数，循环直到顶升完成。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提供的一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置及方法在调节罐顶4重心的过程中，不需要增加额外配重，且可以自动监测罐顶是否失去平衡，当罐顶失去平衡后，可以自动利用配重滑块14调整罐顶4的重心，使其恢复平衡。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置，其特征在于，包括：n个滑块导轨机构（5）、通信模块、平衡监测机构和控制模块；
每个所述滑块导轨机构（5）包括：安装至罐顶（4）的导轨（11）、设置至导轨（11）的配重滑块（12）以及带动配重滑块（12）在导轨（11）上移动的运动组件；其中，n个滑块导轨机构（5）的n个导轨（11）沿罐顶（4）半径轴向等圆周角度安装至灌顶（4）的顶部，呈雨伞骨架状；
所述平衡监测机构，用于采集罐顶（4）的运动参数，经通信模块上传至控制模块；
所述通信模块，用于将罐顶（4）的运动参数发送至控制模块，还用于将控制模块发出的运动控制信息发送至滑块导轨机构（5）；
所述控制模块，用于基于运动参数判断罐顶（4）是否失衡，判断为是，控制模块基于运动参数分别计算n个配重滑块（12）的运动距离和运动方向，输出运动控制信息经通信模块发送至每个所述滑块导轨机构（5），分别控制运动组件带动配重滑块（12）在滑轨（11）上移动，以改变配重滑块（12）的重力在空间的力矩矢量，从而使罐顶（4）恢复平衡；
所述运动组件包括：链条（13）和电机（14）；
所述控制模块驱动电机（14）通过链条（13）带动配重滑块（12）在导轨（11）上移动；
所述平衡监测机构包括：n个拉绳（19）、四个拉力计（21）和四个T型架（18）；所述n个拉绳（19）和n个滑块导轨机构（5）一一对应；四个拉力计（21）和四个T型架（18）一一对应；其中，
所述n个拉绳（19）分别与罐顶（4）、罐壁（3）和牵引机构连接，用于拉动罐顶（4）上升；其中，
四个T型架（18）分别固定至与x轴和y轴相交的罐顶（4）的顶部；
导轨（11）与x轴和y轴位置重叠的四个滑块导轨机构（5）对应的四个拉绳（19）上分别设置拉力计（21）；其中，四个拉绳（19）的一端分别与牵引机构连接，另一端与罐顶（4）连接后经过T型架（18）与罐壁（3）的顶部固定连接；四个拉绳（19）在T型架（18）与罐壁（3）之间的延伸段分别安装有拉力计（21），用于分别获取对应拉绳（19）所受拉力；
所述通信模块，用于将拉力数据作为罐顶（4）的运动参数发送至控制模块；当控制模块接收到的任一拉力数据大于第一阈值时，则判断罐顶（4）失衡；
所述滑块导轨机构（5）包括：x轴滑块导轨机构和y轴滑块导轨机构，所述控制模块利用拉力数据计算x轴滑块导轨机构和y轴滑块导轨机构的配重滑块（12）在滑轨（11）上的移动距离；其中，
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块（12）在滑轨（11）上的移动距离的过程包括：
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块（12）在x方向上的位移：
；
其中，为四个拉力数据中拉力数据最大的拉力计（21）所安装的拉绳（19）与罐顶（4）连接处的x轴坐标；为拉力数据最大的拉力计（21）所安装的拉绳（19）上所需减少拉力的值；N为滑块导轨机构（5）的总数量；为配重滑块（12）的重量；
计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块（12）在y方向上的位移：
；
其中，为第n个x轴滑块导轨机构的导轨（11）与x轴正方向的夹角；计算第n个x轴滑块导轨机构的配重滑块（12）在滑轨（11）上的移动距离：
；
其中，是导轨（11）与x-y平面的夹角；
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块（12）在滑轨（11）上的移动距离的过程包括：
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块（12）在y方向上的位移：
；
其中， P y 四个拉力数据中拉力数据最大的拉力计（21）所安装的拉绳（19）与罐顶（4）连接处的y轴坐标；
计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块（12）在x方向上的位移：
；
其中，为第n个y轴滑块导轨机构的导轨（11）与x轴正方向的夹角；计算第n个y轴滑块导轨机构的配重滑块（12）在滑轨（11）上的移动距离：
；
所述控制模块包括：位于控制室的上位机（1）和位于罐顶（4）的下位机（6）；其中，所述上位机（1）用于接收罐顶（4）的运动参数，用于基于运动参数判断罐顶（4）是否失衡，判断为是，分别计算n个配重滑块（12）的运动距离和运动方向，并通过通信模块将n个配重滑块（12）的运动距离和运动方向信息发送至下位机（6）；
所述下位机（6），基于n个配重滑块（12）的运动距离和运动方向信息，分别控制运动组件带动配重滑块（12）在滑轨（11）上移动。
2.根据权利要求1所述的用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置，其特征在于，所述运动组件包括：链轮（10），用于安装链条（13），以使链条（13）的弧度与导轨（11）的行程弧度相同。
3.根据权利要求1所述的用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置，其特征在于，所述运动组件包括：蜗轮蜗杆减速器（16），分别与控制模块和电机（14）连接，所述蜗轮蜗杆减速器（16）具有自锁功能，用于固定配重滑块（12）在导轨（11）上的位置。
4.根据权利要求3所述的用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置，其特征在于，所述滑块导轨机构（5）包括：水平台（25），所述水平台（25）设置至罐顶（4）中心附近，用于安装蜗轮蜗杆减速器（16）和电机（14）。
5.根据权利要求1所述的用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整装置，其特征在于，所述通信模块采用Zigbee无线通信技术。
6.一种用于大型LNG低温储罐气升顶的罐顶重心调整方法，基于权利要求1-2之一所述的装置实现，其特征在于，包括：
步骤1：运动组件将所有配重滑块（12）移至导轨（11）的中心；
步骤2:平衡监测机构采集罐顶（4）的运动参数，经通信模块上传至上位机（1）；通过上位机（1）基于运动参数判断罐顶（4）是否失衡；若判断为失衡，执行步骤3，否则结束调整；
步骤3：上位机（1）基于运动参数分别计算n个配重滑块（12）的运动距离和运动方向，输出运动控制信息经通信模块传输至位于罐顶（4）的下位机（6）；
步骤4：下位机（6）依据运动控制信息控制运动组件带动配重滑块（12）在滑轨（11）上移动，并返回步骤2。
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