CN113639987A - 一种基于瞬变流的阀门状态探测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于瞬变流的阀门状态探测系统，包括管路；上游供水设备，包括变频泵、气压罐、稳压水箱、控制柜，变频水泵及控制柜调节水泵频率；上下游阀门，调节管道中的流量大小；中间阀门，用于改变阀门的工作状态；末端电动阀门，用来在管道末端产生水锤波；电磁流量计，实时测量管道流量；压力传感器，安装在管道上。还公开一种基于瞬变流的阀门状态探测方法，其通过分析得到阀门的特性曲线图，管道中的水锤波波速大小，通过得到二次升压值(即反射波的大小)以及瞬态波通过末端压力监测点测量截面的时间，通过公式计算得到阀门的位置以及开度大小，实验操作更简单，数据精度高，数据处理更方便。
Description
技术领域
本发明涉及供水管网的技术领域，特别涉及一种基于瞬变流的阀门状态探测系统和方法。
背景技术
输水管网对于人们的日常生活和工业生产是十分的重要。通常情况下供水管网是比较庞大的，这样一个大的系统为了保障其功能要求需要非常复杂的调节手段，其中阀门是供水管网系统调节的一个关键的器件，它能够调节管内的流量以及压力，调节控制管网系统的运行状态，是管网系统实现稳定运行和其功能要求不可或缺的一部分。比如，有些情况下因为管道局部需要进行改造或者检修，但是此时又不能影响到管路的正常供水，这时阀门就起到了阻断和调节的作用。阀门作为管网运行调节的重要水力元件，其保持设定的开度是管网稳定安全运行、实现其功能要求十分重要的因素。
管道早期的坡度弯度设计不合理，在管道运行过程中由于压力、温度的大幅度波动，频繁的水锤现象对阀门造成冲击，造成阀体的损坏；许多阀门也会被安置在地下且时间较久比较陈旧，阀门的位置不清楚，其开度也受到土壤中各种化学物质对阀门造成的严重腐蚀和开关频率不高的影响而发生变化成为未知数；多数阀门深埋地下，又或是安装在偏远的野外。野外作业环境艰苦、具有一定的风险性，对于众多阀门检修人员无法及时掌握其状态。
通常，因为管路比较长，阀门的局部损失相比于管路的沿程损失小，其引起的水头损失可以忽略不计，对于阀门的开度比较大的情况下这种忽略可以满足计算要求，但当阀门开度比较小时，它的水头损失系数会非常大，此时的阻力系数可能是阀门全开的几十倍，上百倍甚至更大，如果供水管网计算中仍然忽略阀门的局部阻力，那么结果可能会产生较大的误差。较大的误差紧接着会引起供水管网实际运行过程中的水力不平衡，使供水管网达不到其功能要求以及产生不必要的水头损失。所以，通过探测阀门状态从而对阀门定位以及合理适当地调节阀门的开度保持在设定值，使得管网的实际运行工况与设计工况相符，不仅是对供水管网正常运行的保障，也可以减小不必要的能耗。
现有研究中，对于阀门状态的常用的探测方法有：目测检查法、振动法、温差测试法、红外线测量温度法、声波发射法、超声波探测法、压力差值法、CCTV检查法。
目测检查法是根据阀门的外观情况来判断阀门是否处于正常工作状态，很难做到精确测量，对于不易观察的阀门不太适用。
振动法是应用高精度检测仪器检测阀门造成的管道振动信号的强弱判断其开启状态。容易受周边环境噪声等的影响，不确定性大。
温差测试法是通过检测阀门两端管道壁的温度变化判断阀门的启闭状态，极易受到环境温度的影响，不确定性大。
声波发射法是应用辨别发射器的声信号特征，实现问题阀门的定位，泄漏等检测。通过辨别流体家经过阀门时产生的与正常运作不同的声音信号，分析得出阀门状态结果。目前应用较为广泛，但是对硬件设施的存储空间以及处理速度要求较高，不适用于大型工程。
超声波探测法是适用范围较窄，适用于检测孔径较小的阀门状态。
压力差值法是通过安装压力传感器监测稳态情况下阀门两端的压力信号得出压力变化情况，从而判断阀门的启闭状态，在实际中应用困难，需要打孔安装压力传感器，可能影响管道正常的运输。
CCTV检查法是一种入侵式检查法，需要将检测设备放入管道内部，通过实时影像反映管道内部状况。检测比较准确，但是需要耗费大量的时间和人力成本，比较繁琐，并且需要中断管道的运行。
发明内容
本发明提供了一种基于瞬变流的阀门状态探测系统和方法，具有非侵入性、操作简单、持续时间短、快速的压力波沿着管道传播大大减少了对系统正常运行的干扰和人员成本，具有广阔的应用前景。
一种基于瞬变流的阀门状态探测系统，包括：
试验管路；
上游供水设备，包括变频泵、气压罐、稳压水箱以及控制柜等，变频水泵及控制柜调节水泵频率，保证稳定的压力水头及管道流速；
上下游阀门，调节管道中的流量大小；
中间阀门，用于改变阀门的工作状态，引起不同的试验工况；
末端电动阀门，用来在管道末端产生水锤波，由控制系统和机械系统组成，可以实现阀门的启闭作业，关阀时间需要比较快；
电磁流量计，实时测量管道流量；
压力传感器，安装在管道上，用于测量管道中的压力信号。
一种基于瞬变流的阀门状态探测的方法，包括以下步骤：
(1)试验前，根据本工况调节中间阀门的开度；
(2)试验过程中，打开水泵向管道系统供水，调节控制柜以及管道中的闸阀，得到所需的初始流量或流速；
(3)在末端电动球阀的控制屏上调整设置所需的关阀时间；
(4)压力传感器采集压力信号，信号由压力监测系统收集处理；
(5)启动数据采集软件，记录管道系统内的流量以及压力变化。稳定5s后，关闭电动球阀，在管道内产生瞬态压力。当管内压力再次稳定，流量为0时，停止数据采集，保存数据；
(6)整理试验数据，进行下一个工况的试验，直到全部测试完成。
(7)根据测得的压力信息，得到初次、二次升压值与时间信息，计算得到阀门的位置与开度情况。
优选的，介绍电动阀门，电动调速球阀用来在管路末端产生水锤波，由控制系统和机械系统组成，可以实现阀门启闭作业的行程时间范围为：0.01s～600s，可进行无级调节；阀门启闭作业的开度调节范围为：0～90°，可进行无级调节；阀门可以实现正反转，便于启闭控制。包括阀体、用来驱动阀体开闭的步进电机、控制步进电机的驱动器、连接驱动器的控制器、触摸屏、控制柜以及连接各电路和电机启闭的开关元件。试验管网运行时，将电动球阀接入电路，在触摸屏设置需要的关阀时间，控制器会将相应的脉冲个数和频率传递给驱动器，然后驱动电机按照指令工作，电机动作带动阀门转动实现球阀的启闭动作。
优选的，可以测得阀门特性曲线，根据一定开度稳态情况下的阀门两端压力传感器的压力差值得出阀门导致的水头损失大小，再根据测得的流量得出流速，由局部水头损失公式可得其水头损失系数大小，最终建立此球阀的特性曲线关系。
优选的，可以测得水锤波速，通过全开阀状态下的速度变化(阀门完全关闭，即初始流速)和瞬态压力波上升值，由直接水锤公式就可以倒推得到瞬态压力波速度的平均值。
优选的，对于水箱-管道-阀门系统(PRV系统)，快速的关阀可以产生入射压力波。关闭的阀门上游附近的点为监测瞬态压力波的最佳位置。我们可以使用下面的关系来评估被检测到的阀门的位置，
式中L1为管道中间阀门与4号压力监测点之间的距离，L为上游稳压水箱与4号压力监测点之间的距离。每一个急剧变化的压力信号对应于一个压力波穿过末端压力监测点的测量截面：在t1，电动球阀的快速完全关闭产生的瞬态波通过末端压力监测点的测量截面，导致初次的压力急剧上升,并继续向前传播。当压力波抵达管道中部分关闭的中间阀门时，它被部分反射，在t2时间返回到末端压力监测点的测量截面，透射波继续向上游传去，直到被上游稳压水箱反射。在t3时，由于反射、摩擦等引起的压力振幅减小的波返回到末端压力监测点。根据公式可知，阀门的位置与压力波通过监测点的时间有关。如果想要在更大程度上提高结果的准确性，建议使用小波分析这一强大的边缘检测来得到准确的时间。
优选的，已知管道初始流速为V0，阀门处的稳态水头损失H0为
对于压力波经过阀门后的情况，
其中，K为管道阀门的水头损失系数；HU和HD分别为阀门两边的稳态水头；HT,HR和V为阀门处透射和反射后的水头和速度；g为重力加速度。带有被探测阀门的管道系统，可以运用三个特征相容方程来描述阀门处的反射和透射，
阀门快速关闭可以产生入射压力波，HW和VW为入射波的压力和速度；a为瞬态压力波波速。
式(3)+式(4),可得
式(1)-式(6),可得
式(2)-式(7),可得
式(5)-式(8),可得
将式(9)代入式(4)，关于反射波可得
同样的，关于透射波，
从式(10)中，
从式(9)中，
末端阀门瞬时完全关闭时，阀门的水头损失系数容易得到，对于这种情况,VW＝0
ΔHR,a和V0已知。通过式(12)和式(13)或者式(13A)可以确定阀门的损失系数。因为这是个隐性表达式，因此需要用试错法进行。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过压力传感器采集压力信息，得到初次、二次升压值，计算得到阀门的位置与开度情况；
(2)本发明试验通过快速完全关阀引起水锤，可以实现阀门启闭作业的行程时间范围为：0.01s～600s，可进行无级调节；阀门启闭作业的开度调节范围为：0～90°，可进行无级调节；
(3)本发明采用高精度传感器采集压力数据信息，实验操作简单，数据精度高，数据处理方便。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为电动球阀的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实例的基于瞬变流探测阀门状态的系统包括管路，要保证一定长度；上游供水设备，包括变频泵、气压罐、稳压水箱以及控制柜等，变频水泵及控制柜调节水泵频率，保证稳定的压力水头及管道流速；上下游阀门，设置在上游接近水箱以及下游排水处，调节管道中的流量大小；中间阀门，用于改变阀门的工作状态，引起不同的试验工况；末端电动阀门，用来在管道末端产生水锤波；电磁流量计，实时测量管道流量；压力传感器，安装在管道上，用于测量管道中的压力信号，压力测量系统收集压力信号从而监测记录管道内的压力变化。
如图2所示，末端的电动阀门由控制系统和机械系统组成，可以实现阀门启闭作业的一定行程时间范围，可进行无级调节；阀门启闭作业的一定开度调节范围，可进行无级调节；阀门可以实现正反转，便于启闭控制。包括阀体8、联轴器6和阀门支架7、用来驱动阀体开闭的步进电机5、控制步进电机的驱动器4、连接驱动器的控制器3和触摸屏2、控制柜1以及连接各电路和电机启闭的开关元件9。试验管网运行时，将电动球阀接入电路，在触摸屏设置需要的关阀时间，控制器会将相应的脉冲个数和频率传递给驱动器，然后驱动电机按照指令工作，电机动作带动阀门转动实现球阀的启闭动作。
本系统使用时，首先根据所需工况调节中间阀门的开度，打开水泵向管道系统供水，调节控制柜以及管道中的闸阀来得到所需的初始流量或流速，在末端电动球阀的控制屏上调整设置所需的关阀时间。压力传感器采集压力信号传递给压力监测系统，启动数据采集软件，记录管道系统内的流量以及压力变化。稳定5s后，关闭电动球阀，在管道内产生瞬态压力。当管内压力再次稳定，流量为0时，停止数据采集，保存数据。整理试验数据，进行下一个工况的试验，直到全部测试完成。
待测试完成后，根据测得的压力信息，得到初次、二次升压值与时间信息，计算得到阀门的位置与开度情况。被检测阀门的位置可以用下面的关系来评估：
式中L1为管道中间阀与末端压力监测点之间的距离，L为上游稳压水箱与末端压力监测点之间的距离。每一个急剧变化的压力信号对应于一个压力波穿过末端压力监测点的测量截面：在t1，电动阀门的快速完全关闭产生的瞬态波通过末端压力监测点的测量截面。当压力波抵达管道中部分关闭的中间阀门时，它被部分反射，在t2时间返回到末端压力监测点的测量截面，透射波继续向上游传去，直到被上游稳压水箱反射。在t3时，由于反射、摩擦等引起的压力振幅减小的波返回到末端压力监测点。
被检测阀门的开度可以通过阀门水头损失系数K来评估，
其中，阀门快速关闭可以产生入射压力波，HW和VW即为入射波的压力和速度；a为瞬态压力波波速；ΔHR＝HR-HW，HR和V为阀门处反射后的水头和速度；管道初始流速为V0。ΔHR,a和V0已知，通过以上两式可以计算得到阀门水头损失系数K。当末端阀门瞬时完全关闭时，阀门的水头损失系数容易得到，对于这种情况,VW＝0，
综上所述，本实施例的基于瞬变流探测阀门状态的系统和方法，操作简单，处理数据方便，可以准确地确定阀门状态。
Claims (9)
1.一种基于瞬变流的阀门状态探测系统，包括：
试验管路；
上游供水设备，包括变频泵、气压罐、稳压水箱和控制柜，变频水泵和控制柜调节水泵频率，保证稳定的压力水头及管道流速；
上下游阀门，调节管道中的流量大小；
中间阀门，用于改变阀门的工作状态，引起不同的试验工况；
末端电动调速球阀，用来在管道末端产生水锤波，由控制系统和机械系统组成，可以实现阀门的启闭作业，关阀时间需要比较快；
电磁流量计，实时测量管道流量；
压力传感器，安装在管道上，用于测量管道中的压力信号。
2.如权利要求1所述的基于瞬变流的阀门状态探测系统，其特征在于，末端电动调速球阀用来在管路末端产生水锤波，由控制系统和机械系统组成，在阀门启闭作业的一定行程时间范围内，可进行无级调节；阀门启闭作业的一定开度调节范围，可进行无级调节；阀门可以实现正反转，便于启闭控制；包括阀体、用来驱动阀体开闭的步进电机、控制步进电机的驱动器、连接驱动器的控制器、触摸屏、控制柜以及连接各电路和电机启闭的开关元件；试验管网运行时，将电动球阀接入电路，在触摸屏设置需要的关阀时间，控制器会将相应的脉冲个数和频率传递给驱动器，然后驱动电机按照指令工作，电机动作带动阀门转动实现球阀的启闭动作。
3.如权利要求1所述的基于瞬变流的阀门状态探测系统，其特征在于，在管路的上游靠近稳压水箱以及下游排水孔处都有设置闸阀以调节不同流量。
4.如权利要求1所述的基于瞬变流的阀门状态探测系统，其特征在于，中间阀门规格为球阀，用于改变阀门的工作状态，引起不同的试验工况。
5.如权利要求1～4任一权利要求所述的基于瞬变流的阀门状态探测系统，其特征在于，试验装置内的压力变化情况由压力测量系统监测并记录，该系统包括压力传感器、稳压电源、数据采集卡、计算机(数据采集软件)等，信号处理软件为LabVIEW。
6.如权利要求1所述的基于瞬变流的阀门状态探测系统，其特征在于，通过快速关阀引起水锤。
7.一种基于瞬变流的阀门状态探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)试验前，根据所需工况调节中间阀门的开度；
(2)试验过程中，打开水泵向管道系统供水，调节控制柜以及管道中的闸阀，得到所需的初始流量或流速；
(3)在末端电动球阀的控制屏上调整设置所需的关阀时间；
(4)压力传感器采集压力信号，信号由压力监测系统收集处理；
(5)启动数据采集软件，记录管道系统内的流量以及压力变化；稳定5s后，关闭电动球阀，在管道内产生瞬态压力；当管内压力再次稳定，流量为0时，停止数据采集，保存数据；
(6)整理试验数据，进行下一个工况的试验，直到全部测试完成；
(7)根据测得的压力信息，得到初次、二次升压值与时间信息，计算得到阀门的位置与开度情况。
8.如权利要求7所述的基于瞬变流的阀门状态探测方法，其特征在于，在步骤(6)中，可以使用下面的关系来评估被检测到的阀门的位置，
式中L1为管道中间阀与末端压力监测点之间的距离，L为上游稳压水箱与末端压力监测点之间的距离；每一个急剧变化的压力信号对应于一个压力波穿过末端压力监测点的测量截面：在t1，电动球阀的快速完全关闭产生的瞬态波通过末端压力监测点的测量截面；当压力波抵达管道中部分关闭的中间阀门时，它被部分反射，在t2时间返回到末端压力监测点的测量截面，透射波继续向上游传去，直到被上游稳压水箱反射；在t3时，由于反射、摩擦等引起的压力振幅减小的波返回到末端压力监测点。
9.如权利要求7所述的基于瞬变流的阀门状态探测方法，其特征在于，在步骤(6)中，可以通过阀门水头损失系数K来评估评估阀门开度情况：
其中，阀门快速关闭可以产生入射压力波，HW和VW即为入射波的压力和速度；a为瞬态压力波波速；ΔHR＝HR-HW，HR和V为阀门处反射后的水头和速度；管道初始流速为V0；ΔHR,a和V0已知，通过以上两式可以采用试算法计算得到阀门水头损失系数K；当末端阀门瞬时完全关闭时，则有VW＝0，
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