1.本公开属于储罐发油技术领域，具体涉及一种浮动式吸油臂防碰撞预警系统及预警方法。
背景技术：
2.浮动式吸油装置被广泛应用于油库的发油作业中，其工作原理是：根据浮筒在油品中所受的浮力，浮动式吸油臂自动随罐内油品液面的升降而升降，油罐的出油口从油罐底部转换到上部的液面层；由于水分和杂质的重力沉降，油罐上部油层水分和杂质的含量始终低于底部油层，这样油罐浮动出油装置将始终抽取上层相对洁净的油品。从而缩短了油品沉降时间、节约了设备投资、提高了油品的周转速率、增加了油罐使用效率、保证了高质量供油。
3.然而，在实际应用过程中，由于浮动式吸油臂故障或发油流量不适宜而时常引发浮动式吸油臂撞损浮盘的事故。以航空煤油的发放为例，折臂式浮动式吸油臂是航油油罐发油时的关键附件，其由上下浮臂、底部旋转接头和中间旋转接头等部分组成。一旦折臂式浮动式吸油臂发生故障将影响到整个机坪供油，存在造成大面积航班延误的风险。例如，当下浮臂底部回转器发生卡滞时，下浮臂将不能随液面下降，当低液位时，中间旋转接头和浮盘接触，露出液面，此时中间旋转接头处的排气孔开始进气，导致上浮臂浮力逐步增加，上浮臂吸油口上浮，漏出液面，浮动式吸油臂开始大量进气，浮力迅速增加，吸油口冲出油面。此外，当浮臂少量进气后，下浮臂姿态易失控，中间旋转接头更易露出液面，造成持续进气，最终造成撞击浮盘的事故。由此可见，对浮动式吸油臂姿态进行实时在线监测，同时对中间旋转接头与浮盘间距离进行监控，将有利于及时发现浮动式吸油臂故障和浮动式吸油臂与浮盘相撞事故，并提前启动相关应急预案，从而避免相关不安全事件的发生。
4.综上所述，有必要发明一种浮动式吸油臂防碰撞预警系统及预警方法，解决浮动式吸油臂姿态的实时在线监测问题，实现浮盘与浮动式吸油臂相撞的预警，从而保证油品的安全、顺利发放，保障供油系统和供油作业的平稳安全运行。
技术实现要素：
5.本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种浮动式吸油臂防碰撞预警系统及预警方法。
6.本公开一方面，提供一种浮动式吸油臂防碰撞预警系统，包括至少一个浮动式吸油臂装置和预警装置，所述浮动式吸油臂装置包括发油管、底部旋转接头、下浮管、中间旋转接头、上浮管、顶端弯头和多个浮筒，所述发油管上设有发油截断阀；所述预警装置包括超声波测距模块、数据处理模块、显示模块和报警模块，所述超声波测距模块包括设置在浮盘底部的若干个浮盘超声波探头和设置在油罐拱顶内侧中心的罐顶超声波探头；其中，所述下浮管的下端通过所述底部旋转接头与所述发油管连接，所述下浮管能够围绕所述底部旋转接头摆动；所述下浮管的上端通过所述中间旋转接头与所述上浮管的下端
连接，所述上浮管能够围绕所述中间旋转接头摆动；所述上浮管的上端与所述顶端弯头连接，所述顶端弯头与油罐的浮盘连接；所述上浮管和所述下浮管上均固定设置若干所述浮筒，以保证上下浮臂能够悬浮于油中；所述超声波测距模块与所述数据处理模块通信连接，所述数据处理模块分别与所述显示模块和所述报警模块通信连接；所述数据处理模块，用于接收所述浮盘超声波探头的测量数据并存储分析，计算得到浮盘各测点处与浮动式吸油装置之间的实时距离；所述数据处理模块，用于接收所述罐顶超声波探头的测量数据并存储分析，计算得到罐顶中心与浮盘中心之间的实时距离；所述显示模块，用于显示所述数据处理模块计算的实时数据；所述报警模块，用于声光报警。
7.在一些实施方式中，所述发油管的端部设有第一弯头，所述下浮管的下端设有第二弯头，所述第一弯头与所述第二弯头通过所述底部旋转接头连接。
8.在一些实施方式中，所述下浮管的上端设有第三弯头，所述上浮管的下端设有第四弯头，所述第三弯头与所述第四弯头通过所述中间旋转接头连接。
9.在一些实施方式中，所述浮盘超声波探头采用防爆处理，在浮盘底部呈矩形阵列分布或者环形阵列分布。
10.在一些实施方式中，所述浮动式吸油臂防碰撞预警系统包括两个浮动式吸油臂装置，所述两个浮动式吸油臂装置对称设置。
11.本公开的另一方面，提供一种浮动式吸油臂防碰撞预警方法，采用前文记载的所述的浮动式吸油臂防碰撞预警系统，所述方法包括：所述若干个浮盘超声波探头向油罐罐底方向发射超声波信号并接收反射超声波信号；所述数据处理模块根据发射和接收到的超声波信号的时间差，计算得到各浮盘超声波探头安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离；所述罐顶超声波探头向油罐罐底方向发射超声波信号并接收反射超声波信号；所述数据处理模块根据发射和接收到的超声波信号的时间差，计算得到浮盘中心距罐顶的距离；所述数据处理模块根据浮盘中心距罐顶的距离，计算得到浮盘中心距罐底中心的距离；所述数据处理模块根据浮盘中心距罐底中心的距离、各浮盘超声波探头距浮盘中心的水平距离、罐底坡角，计算得到各浮盘超声波探头距罐底的距离；所述数据处理模块根据各浮盘超声波探头距罐底的距离、各浮盘超声波探头安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离，计算得到各浮盘超声波探头下方的浮动式吸油臂装置距罐底的距离；将浮盘超声波探头和浮动式吸油臂装置均向过罐底中心的水平面投影，以罐底中心为圆心确定浮盘超声波探头的水平投影位置；所述数据处理模块将浮盘超声波探头下方的浮动式吸油臂装置距罐底的距离与浮盘超声波探头的水平投影位置相关联，得到浮动式吸油臂装置水平投影位置与距罐底距离的关系图，该关系图即为发油过程中某一时刻浮动式吸油臂装置的姿态图，以实现对浮
动式吸油臂运动过程的实时监控，并将浮动式吸油臂装置的姿态图显示在所述显示模块中；所述数据处理模块利用浮动式吸油臂装置的姿态图、浮动式吸油臂运动过程中最高点距浮盘的距离判断浮盘与浮动式吸油臂是否会发生碰撞。
12.在一些实施方式中，所述利用浮动式吸油臂装置的姿态图、浮动式吸油臂运动过程中最高点距浮盘的距离判断浮盘与浮动式吸油臂是否会发生碰撞，包括：当浮动式吸油臂运动过程中最高点距浮盘的距离小于预设安全极限距离时，则判定浮盘在下降的过程中会与浮动式吸油臂碰撞，此时数据处理模块控制报警模块报警，并关闭发油截断阀停止发油；利用浮盘与浮动式吸油臂运动过程中最高点之间距离的变化预测浮盘与浮动式吸油臂相撞的时间；其中，浮动式吸油臂运动过程中的最高点由浮动式吸油臂装置的姿态图确定。
13.在一些实施方式中，根据下述公式（1）计算得到浮盘中心距罐底中心的距离：hc=h0‑ꢀ
h1（1）其中：hc为浮盘中心距罐底中心的距离，h0为罐顶中心与罐底中心的实际高度，h1为浮盘中心距罐顶的距离；或，根据下述公式（2）计算得到各浮盘超声波探头距罐底的距离：hi=h
c-liꢀ•
tanθ（2）其中：hi为第i个浮盘超声波探头距罐底的距离，li为第i个浮盘超声波探头距浮盘中心的水平距离，θ为罐底坡角；或，根据下述公式（3）计算得到各浮盘超声波探头下方的浮动式吸油臂装置距罐底的距离：ji=h
i-li（3）其中：ji为第i个浮盘超声波探头下方的浮动式吸油臂装置距罐底的距离，li为第i个浮盘超声波探头安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离。
14.在一些实施方式中，根据下述公式（4）计算得到各浮盘超声波探头安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离：li= c
•△
ti/2（4）其中：li为第i个浮盘超声波探头安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离，c为超声波在油品中的波速，δti为第i个浮盘超声波探头发射和接收超声波信号的时间差；或，根据下述公式（5）计算得到浮盘中心距罐顶的距离：h1= c1•△
t1/2（5）其中：h1为浮盘中心距罐顶的距离，c1为超声波在空气中的波速，δt1为罐顶超声波探头发射和接收超声波信号的时间差。
15.在一些实施方式中，根据下述公式（6）计算得到浮盘与浮动式吸油臂相撞的时间：
（6）其中：v
j 1
为t
j 1
时刻浮盘与浮动式吸油臂运动过程中最高点的相对速度；l
j 1
为t
j 1
时刻浮盘与浮动式吸油臂运动过程中最高点之间的距离；lj为tj时刻浮盘与浮动式吸油臂运动过程中最高点之间的距离；t
j 1
为t
j 1
时刻浮盘与浮动式吸油臂相撞需要的时间。
16.本公开的浮动式吸油臂防碰撞预警系统及预警方法，利用超声波测距技术，可准确获得浮盘与浮动式吸油臂装置之间的距离；利用距离值，结合计算机图形技术，可实现对浮动式吸油臂装置实时运动姿态的监测，并判断浮动式吸油臂装置的姿态是否正常；通过设定距离安全极限值，结合浮动式吸油臂装置姿态，能够预测浮动式吸油臂装置是否会与浮盘相撞，并发出警报；通过浮动式吸油臂装置与浮盘间实时距离的变化，可预测浮动式吸油臂装置运动时间，为相关预案及时实施提供时间依据。
附图说明
17.图1为本公开的浮动式吸油臂防碰撞预警系统的结构示意图；图2为图1中所示的浮动式吸油臂防碰撞预警系统的俯视图；图3为本公开中某一时刻浮动式吸油臂装置的姿态图；图4为本公开中浮盘与中间旋转接头会发生碰撞的浮动式吸油臂装置的姿态图；其中，1—发油管， 2—下浮管， 3—上浮管， 4—顶端弯头，5—钢丝绳，6—浮筒，7—底部旋转接头，8—第一弯头，9—第二弯头，10—中间旋转接头，11—第三弯头，12—第四弯头，13—发油截断阀，14—罐顶超声波探头，15—浮盘超声波探头，16—罐底坡角。
具体实施方式
18.为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
19.如图1和图2所示，本公开实施例涉及一种浮动式吸油臂防碰撞预警系统，包括至少一个浮动式吸油臂装置和预警装置。所述浮动式吸油臂装置包括发油管1、底部旋转接头7、下浮管2、中间旋转接头10、上浮管3、顶端弯头4和多个浮筒6。所述发油管1上设有发油截断阀13。所述预警装置包括超声波测距模块、数据处理模块、显示模块和报警模块，所述超声波测距模块与所述数据处理模块通信连接，所述数据处理模块分别与所述显示模块和所述报警模块通信连接。所述超声波测距模块包括设置在浮盘底部的若干个浮盘超声波探头15和设置在油罐拱顶内侧中心的罐顶超声波探头14。
20.示例性的，如图1和图2所示，所述下浮管2的下端通过所述底部旋转接头7与所述发油管1连接，所述下浮管2能够围绕所述底部旋转接头7摆动。所述下浮管2的上端通过所
述中间旋转接头10与所述上浮管3的下端连接，所述上浮管3能够围绕所述中间旋转接头10摆动。所述上浮管3的上端与所述顶端弯头4连接，所述顶端弯头4通过钢丝绳5与油罐的浮盘连接。所述上浮管3和所述下浮管2上均固定设置若干所述浮筒6，以保证上下浮臂能够悬浮于油中。
21.所述数据处理模块，用于接收所述浮盘超声波探头的测量数据并存储分析，计算得到浮盘各测点处与浮动式吸油装置之间的实时距离。以及还用于接收所述罐顶超声波探头的测量数据并存储分析，计算得到罐顶中心与浮盘中心之间的实时距离。所述显示模块，用于显示所述数据处理模块计算的实时数据。所述报警模块，用于声光报警。
22.示例性的，如图1和图2所示，所述发油管1的端部设有第一弯头8，所述下浮管2的下端设有第二弯头9，所述第一弯头8与所述第二弯头9通过所述底部旋转接头7连接。
23.示例性的，如图1和图2所示，所述下浮管2的上端设有第三弯头11，所述上浮管3的下端设有第四弯头12，所述第三弯头11与所述第四弯头12通过所述中间旋转接头10连接。
24.示例性的，如图2所示，所述浮盘超声波探头15在浮盘底部呈矩形阵列分布或者环形阵列分布，以增加浮盘超声波探头15的分布密度，从而保证浮动式吸油臂装置在上浮或下降过程中均处于超声波监测范围内，其中图2中浮盘超声波探头15则采用了环形阵列分布；同时，为满足安全要求，罐顶超声波探头14与浮盘超声波探头15均采用符合规范要求的防爆处理。
25.示例性的，如图1和图2所示，所述浮动式吸油臂防碰撞预警系统包括两个浮动式吸油臂装置，所述两个浮动式吸油臂装置对称设置。
26.示例性的，所述数据处理模块为工业计算机，所述报警模块可以为声光报警器。
27.本公开的工作原理：利用超声波测距原理，得到浮盘与浮动式吸油臂装置之间的距离，进一步分析得到浮动式吸油臂装置运动的实时姿态；通过预设浮盘与浮动式吸油臂装置间的安全极限值距离，结合浮动式吸油臂装置的运动姿态，判断浮动式吸油臂装置是否会与浮盘相撞；同时，利用实时距离的变化，进一步计算得到浮动式吸油臂装置的运动速度，预测浮动式吸油臂装置与浮盘相撞时间，为相关预案及时实施提供时间依据。根据本发明提供的浮动式吸油臂防碰撞预警系统及方法得到的浮动式吸油臂运动姿态，可进行浮盘与浮动式吸油臂相撞故障原因判断，为事故抢修和预防提供依据。
28.本公开的有益效果是：本公开利用超声波测距技术，可准确获得浮盘与浮动式吸油臂装置之间的距离；利用距离值，结合计算机图形技术，可实现对浮动式吸油臂装置实时运动姿态的监测，并判断浮动式吸油臂装置的姿态是否正常；通过设定距离安全极限值，结合浮动式吸油臂装置姿态，能够预测浮动式吸油臂装置是否会与浮盘相撞，并发出警报；通过浮动式吸油臂装置与浮盘间实时距离的变化，可预测浮动式吸油臂装置运动时间，为相关预案及时实施提供时间依据。
29.本公开的另一方面，提供一种浮动式吸油臂防碰撞预警方法，采用前文记载的所述的浮动式吸油臂防碰撞预警系统，该预警系统具体可以参考前文相关记载，在此不作赘述。所述方法包括：步骤一、以矩形阵列或环形阵列的方式分布于浮盘底部的若干个浮盘超声波探头
15向油罐罐底方向发射超声波，超声波碰到油罐罐底或者浮动式吸油臂装置时反射超声波信号；浮盘超声波探头的收、发信号传送至数据处理模块，数据处理模块分析超声波收、发信号的时间差，计算得到各浮盘超声波探头15安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离li，其中i指代第i个浮盘超声波探头。
30.步骤二、罐顶超声波探头14向油罐罐底方向发射超声波，超声波碰到浮盘时反射超声波信号；罐顶超声波探头的收、发信号传送至数据处理模块，数据处理模块分析超声波收、发信号的时间差，计算得到浮盘中心距罐顶的距离h1。
31.步骤三、所述数据处理模块根据浮盘中心距罐顶的距离，计算得到浮盘中心距罐底中心的距离hc，其计算公式如下：hc=h0‑ꢀ
h1（1）其中：hc为浮盘中心距罐底中心的距离，h0为罐顶中心与罐底中心的实际高度，h1为浮盘中心距罐顶的距离。
32.步骤四、所述数据处理模块根据浮盘中心距罐底中心的距离、各浮盘超声波探头15距浮盘中心的水平距离、罐底坡角16，计算得到各浮盘超声波探头15距罐底的距离，其计算公式如下：hi=h
c-liꢀ•
tanθ（2）其中：hi为第i个浮盘超声波探头距罐底的距离，li为第i个浮盘超声波探头距浮盘中心的水平距离，θ为罐底坡角。
33.步骤五、所述数据处理模块根据各浮盘超声波探头15距罐底的距离、各浮盘超声波探头15安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离，计算得到各浮盘超声波探头15下方的浮动式吸油臂装置距罐底的距离，其计算公式如下：ji=h
i-li（3）其中：ji为第i个浮盘超声波探头下方的浮动式吸油臂装置距罐底的距离，li为第i个浮盘超声波探头安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离。
34.步骤六、将浮盘超声波探头和浮动式吸油臂装置均向过罐底中心的水平面投影，以罐底中心为圆心确定浮盘超声波探头的水平投影位置。
35.步骤七、所述数据处理模块将浮盘超声波探头下方的浮动式吸油臂装置距罐底的距离ji与浮盘超声波探头15的水平投影位置（xi，yi）相关联，浮盘超声波探头15的水平投影位置（xi，yi）就是与浮盘超声波探头15上下对应的浮动式吸油臂装置各处的水平投影位置，从而得到浮动式吸油臂装置水平投影位置与距罐底距离的关系图，该关系图即为发油过程中某一时刻浮动式吸油臂装置的姿态图，如图3所示，就是某一时刻浮动式吸油臂装置的姿态图，进而可以实现对浮动式吸油臂运动过程的实时监控，并将浮动式吸油臂装置的姿态图显示在所述显示模块中。
36.步骤八、所述数据处理模块利用浮动式吸油臂装置的姿态图、浮动式吸油臂运动过程中最高点距浮盘的距离判断浮盘与浮动式吸油臂是否会发生碰撞，其判断方法如下：当浮动式吸油臂运动过程中最高点距浮盘的距离l＜lc，lc为预警系统中预先设置的浮盘距浮动式吸油臂最高点的安全极限距离，则判定浮盘在下降的过程中会与浮动式吸油臂碰撞，如图4所示，此时数据处理模块控制报警模块报警，并关闭发油截断阀停止发油。
37.其中，浮动式吸油臂运动过程中的最高点由浮动式吸油臂装置的姿态图确定。
38.同时，利用浮盘与浮动式吸油臂运动过程中最高点之间距离的变化预测浮盘与浮动式吸油臂相撞的时间。
39.在一些实施方式中，根据下述公式（4）计算得到各浮盘超声波探头安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离：li= c
•△
ti/2（4）其中：li为第i个浮盘超声波探头安装处的浮盘距油罐罐底或者浮动式吸油臂装置的距离，c为超声波在油品中的波速，δti为第i个浮盘超声波探头发射和接收超声波信号的时间差。
40.在一些实施方式中，根据下述公式（5）计算得到浮盘中心距罐顶的距离：h1= c1•△
t1/2（5）其中：h1为浮盘中心距罐顶的距离，c1为超声波在空气中的波速，δt1为罐顶超声波探头发射和接收超声波信号的时间差。
41.在一些实施方式中，根据下述公式（6）计算得到浮盘与浮动式吸油臂相撞的时间：（6）其中：v
j 1
为t
j 1
时刻浮盘与浮动式吸油臂运动过程中最高点的相对速度；l
j 1
为t
j 1
时刻浮盘与浮动式吸油臂运动过程中最高点之间的距离；lj为tj时刻浮盘与浮动式吸油臂运动过程中最高点之间的距离；t
j 1
为t
j 1
时刻浮盘与浮动式吸油臂相撞需要的时间。
42.根据本公开提供的浮动式吸油臂防碰撞预警系统及预警方法得到的浮动式吸油臂运动姿态，可进行浮盘与浮动式吸油臂相撞事故原因判断，方法如下：（1）根据浮动式吸油臂的姿态，得到其在xz平面内的投影，进而得到上浮臂与下浮臂之间的夹角，若该夹角从某时刻开始始终不变，则中间旋转接头与第三弯头或第四弯头连接处的转轴可能卡滞；若下浮臂距罐底的距离从某时刻开始始终不变，则底部旋转接头与第一弯头或第二弯头连接处的转轴可能卡滞；（2）根据浮动式吸油臂的运动状态，若上浮臂突然上浮，则上浮臂处存在大量气体；或下浮臂突然上浮并导致上、下浮臂倾斜方向相同，则可能通过下浮臂上端的排气孔进气；（3）对于情况（2），可进一步分析浮动式吸油臂的安装方式、浮筒的浮力配置及安装位置是否合理。
43.（4）若上、下浮臂下降速度突然增加，且上、下浮臂姿态与正常发油过程中浮臂姿态不同，则可能为上、下浮臂浮筒脱离浮臂或浮盘浮筒破损进油。
44.（5）若浮盘突然下降，导致浮盘与浮动吸油臂运动过程中的最高点间的距离骤然减小，或在预警系统正常工作时，浮臂姿态显示结果突然出现明显错误，则可能为浮盘浮筒
脱离浮盘或浮盘浮筒破损进油，造成浮盘沉没或倾覆。
45.本公开利用超声波测距原理，得到浮盘与浮动式吸油臂装置之间的距离，进一步分析得到浮动式吸油臂装置运动的实时姿态；通过预设浮盘与浮动式吸油臂装置间的安全极限值距离，结合浮动式吸油臂装置的运动姿态，判断浮动式吸油臂装置是否会与浮盘相撞；同时，利用实时距离的变化，进一步计算得到浮动式吸油臂装置的运动速度，预测浮动式吸油臂装置与浮盘相撞时间，为相关预案及时实施提供时间依据。
46.其中，浮动式吸油臂与浮盘发生碰撞的原因表现为：旋转接头卡滞、浮动式吸油臂进气或浮筒浮力配置不合理及变化而引起的浮动式吸油臂运动过程中最高点与浮盘的距离小于等于预设的安全距离，以上情况均可通过本装置和方法进行预警。
47.具体原因如下：1）由于第一弯头8或第二弯头9与底部旋转接头7相连接的转轴因故障而卡滞，造成下浮管2或上浮管3不能正常转动，导致顶端弯头4或中间旋转接头10与浮盘间距小于等于预设的安全极限距离；2）由于浮动式吸油臂进气，引起上浮管3快速上浮，导致顶端弯头4与浮盘间距小于等于预设的安全极限距离；3）由于浮筒6浮力配置不合理或因浮筒6破损等引起的浮力配置改变，引起下浮管2或上浮管3的平衡状态改变，导致顶端弯头4或中间旋转接头10与浮盘间距小于等于预设的安全极限距离；本公开利用超声波测距技术，可准确获得浮盘与浮动式吸油臂装置之间的距离；利用距离值，结合计算机图形技术，可实现对浮动式吸油臂装置实时运动姿态的监测，并判断浮动式吸油臂装置的姿态是否正常；通过设定距离安全极限值，结合浮动式吸油臂装置姿态，能够预测浮动式吸油臂装置是否会与浮盘相撞，并发出警报；通过浮动式吸油臂装置与浮盘间实时距离的变化，可预测浮动式吸油臂装置运动时间，为相关预案及时实施提供时间依据。
48.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。