CN108762321B - 智能无级配浆实现方法 - Google Patents

Abstract

智能无级配浆实现方法,在灌浆回路中制浆桶上装高、低电容压力传感器,原浆清水进管上装供浆、供水阀门,用微控制器获取实测配浆密度和体积。采用实时监测配浆密度的主控程序,又有<基于时间片的间隔式体积注入法>程序,实现在允许误差范围内获得任意体积原浆或清水。又用<缩短注水时间流程>,克服时间片法配浆时间增加的问题。本发明不仅解决传统人工配浆质量不稳定、技工培养时间长、成本高、易造假，损害工程质量；且通过试验验证用本方法配置,实侧浆液密度都在设定浆液密度±0.03g/cm³的范围,能很好的跟随设定参数，具有较强的抗扰动性能，能很好地适应现场配浆要求。在配浆灌浆系统众多因素制约下,实现了无级配浆的精确程控。可用于水电站的智能灌浆工程。

Description

智能无级配浆实现方法

(一)技术领域：

本发明智能无级配浆实现方法,涉及灌浆单元机系统的计算机编程控制方法。用于水电站灌浆工程中的工程计量和质量监控。属容量、流量测量类(G01F)。

(二)背景技术：

配浆过程是将密度为1.82g/cc的水泥原浆加清水重新配置为一定密度水泥浆液的过程。在传统的配浆过程中，制浆站先将浓度为1.82g/cc的原浆送到灌浆工作面储浆桶中，然后现场工人凭借个人经验从储浆桶放一定量的原浆和一定量的清水到配浆桶内，配制成符合灌浆需要密度的浆液。可见在传统的配浆过程中，配浆质量的好坏，个人经验占据很大的比例。一方面培养一名合格的工人，所需时间较长，成本高；另一方面是容易造假，损害灌浆工程质量。

现有的灌浆工艺中的配浆,要实现用计算机编程的全智能化控制,其满足误差要求的精确控度是很难以实现,因为存在制约精确控制的因素如下:①配漿密度、配漿体积的準确测量,首先必须优化选择测量仪器仪表问题。②见图1,原浆1o、清水1w是从制浆桶上至下排入,上层原浆密度大于混合均匀的配浆,因此高位传感器测量的压力和体积偏大,实测密度偏小；当清水注入后,由于扩散延迟,导致测量密度偏大,测量体积偏小。③供浆阀门为防堵塞每隔20min活动一次,而活动供浆阀门会影响原浆密度变化。④见图1,一般<配浆>同时,浆液在灌浆回路中流动又向灌浆孔6<灌浆>,即灌浆孔有流量,要实现准确,需要制浆桶多加浆加水。⑤体积测量、供水阀门开关均存在延迟,导致多加浆多加水。⑥见图1,由于现场多台灌浆设备同时工作，导致供水和供浆压力随时变化；储浆桶内配浆量减小，液面高度降低，导致测量密度、供浆供水量不准。因此要实现智能无级配浆的程控精确控制是当今的一大难题。

(三)发明内容

本发明提供的智能无级配浆实现方法,目的之一是解决传统灌浆工艺中人工配浆质量不稳定、技工培养时间长、成本高、易造假，损害灌浆工程质量。目的之二是解决现在有众多因素制约的状况下,实现无级配浆的精确程控。

技术方案如下

智能无级配浆实现方法,具有浆液回路；其特征是,包括下列步骤:

一.配置智能无级配浆系统及获取实测配浆密度ρ和实测配浆体积V:

1)设配浆桶1,在配浆桶桶壁不同高度位置装髙位电容式压力传感器1C,低位电容式压力传感器1D；在向配浆桶内排放原浆1₀和清水1_w的管路中分.别装设供浆阀门1A、供水阀门1B；配浆桶内设有浆液搅拌器；在配浆桶下方浆液出口1F处流出的浆液1_s为配浆；设微控制器,包括数据中心和控制中心,数据中心输入接口分别连接高、低位两个电容式压力传感器电信号线；控制中心执行电路接口分别接进浆、进水阀门控制信号线。2)通过压强差换算出实测配浆密度ρ和实测配浆体积V,并存储在微控制器中。二.确定配浆密度与原浆清水体积比的函数关系,进而分别确定原浆体积和清水体积的函数式,并固化在程序中。三,操作员在微控制器上设置设定配浆体积和设定配浆密度。四,微控制器启动,按配浆主控制流程图控制,其主控步骤如下:1)从数据中心获取设定配浆体积和设定配浆密度。2)进行供浆阀门防堵塞。3)判定配浆系统是否打开？若是,进行主控步骤4)；若否,进行主控步骤7)结朿。4)判定当前实测配浆密度是否等于设定配浆密度？若是,返回主控步骤1)；若否,进行主控步骤5)。5)根据设定配浆密度和设定配浆体积,计算注入的原浆体积和清水体积。6)往配浆桶中加入需要的体积的原浆和清水后,再返回主控步骤4):判定当前实测配浆密度是否等于设定配浆密度？若是,返回主控步骤1)；若否,重复进行主控步骤5)、6)、4)直至当前实测配浆密度等于设定配浆密度后,再返回主控步骤1)。

微控制器启动后,同时进行按配浆缩短注水时间流程控制,其缩时步骤如下:

1>判定所需清水体积是否大于2倍最大注水时间片对应的注水体积Vwsmax？若是,进行缩时步骤2>；若否,进行缩时步骤8>。2.>判定配浆体积允许误差是否大于10L？若是,进行缩时步骤3>；若否,进行缩时步骤8>；3>开供水阀门,估算供水流量。

4>判定供水流量计算是否完成？若是,进行缩时步骤5>；若否,返回缩时步骤3>。

5>计算关闭供水阀门时间Toff。6>判定开供水阀门时间t是否等于Toff,若是,进行缩时步骤7>；若否,再进入缩时步骤6)。7>关闭供水阀门。

8>基于时间片的间隔式体积注入法；其时间间隔步骤如下:

8.1>判定需要注浆或者注水体积是否大于允许误差？若是,进行时间间隔步骤8.2>；若否,进入不启动步骤8>。8.2>选择合适的注浆或者注水时间片；开启供浆或者供水阀门。8.3>判定开阀门时间是否完成？若是,进行时间间隔步骤8.4>；若否,再进行时间间隔步骤8.3>。8.4>关闭供浆或者供水阀门。8.5>判定关供浆或供水阀门时间段是否完成？若是,进行时间间隔步骤8.6>；若否,再进入时间间隔步骤8.5>。8.6>计算并更新开阀门时间,对应注浆或者注水体积。8.7>更新需要注浆或者注水体积；然后再返回时间间隔步骤8.1>。

本发明有益效果：

1)经过分析比较,选择优化的电容式压力传感器,由压差式方法检测配浆密度和体积是最稳定的。2)本发明通过主控制流程,实现用程控全自动化配浆,解决了人工配浆劳动强度大、质量不稳定的问题。为防止供浆阀门防堵塞活动造成的密度波动，因此主控制流程一直对密度进行监测，见主控步驟4)-6),当配浆桶内浆液检测密度不等于设定密度时，系统自动进行新一轮配浆过程。3)本发明用<基于时间片的间隔式注入法>(见图6,步骤8.1>到8.7>)即对供浆供水阀门开关时间以时间片为基础，每个时间片分为开阀时间和关阀时间。通过改变开阀时间长短可以调节一个时间片内注入原浆或者清水体积；关阀时间大于体积测量延迟和供浆供水阀门关阀延迟之和，每次关阀时间段末对注入配浆桶的清水或者原浆体积进行测量，实时准确地获得开阀时间段对应注入配浆桶的原浆或者清水体积；通过几个不同开阀时间段长度的时间片进行组合，可以在允许误差范围内获得任意体积原浆或清水。4)本发明用<缩短注水时间流程>控制(见步骤1>到7>),解决了用<基于时间片的间隔式体积注入法>造成配浆时间增加的问题；特别在供浆供水压力较小的时候，会大大增加配浆时间问题。见图5,为了缩短配浆时间，在配置稀浆时，当所需水体积较大(如大于2倍最大时间片对应注水体积)时，直接全开供水阀门，通过估算供水流量，再根据体积测量延迟时间和关阀延迟时间计算关阀时间。同理，配置浓浆时，也可以先全开供浆阀门，并估算关阀时间。5)通过试验验证本发明配浆方法的效果。验证配浆系统，设定浆液体积150L，设定密度1.2g/cm3，在不启动灌浆泵的条件下，最终得到的结果如表1所示。启动灌浆泵，模拟在不同灌浆孔吸浆量的条件下配浆情况，最终配浆结果如表2所示。

表1.配浆系统实验结果

表2不同灌浆流量下配浆结果

次数	设定密度g/cm3	灌浆孔流量L/Min	密度波动范围g/cm3
				1	1.20	9	1.17-1.22
2	1.31	34	1.31-1.34
				3	1.52	29	1.49-1.55
4	1.50	22	1.47-1.53

从表1可以看出在不启动灌浆泵的条件下，智能无级配浆方法配制浆液密度在设定密度±0.02g/cm³的范围，符合设计要求。配制浆液体积略大于设定浆液体积，考虑到原浆密度有误差，造成配浆体积大于设定体积，因此表1也说明基于时间片的间隔式体积注入法能有效保证不同供浆供水流量时准确注浆注水。表2可以看出在不同的灌浆孔吸浆量条件下，智能无级配浆方法配置浆液密度都在设定浆液密度±0.03g/cm³的范围，说明智能无级配浆实现方法能很好的跟随设定参数,具有较强的抗扰动性能，能很好地适应现场配浆要求。

(四)附图说明

图1在灌浆回路中的智能无级配浆系统示意图。

图2配浆密度与原浆清水比函数曲线图。

图3配浆密度变化率与原浆清水比函数曲线图。

图4主控制流程图。

图5缩短注水时间控制流程图。

图6基于时间的间隔式体积注入法流程图。

(五)具体实施方式

见图1,本实施例智能无级配浆实现方法,首先这个配浆方法是在现有灌浆回路中实现,灌浆回路至少包括:配浆桶1从下方浆液出口1F由管路2顺次连接灌浆泵3、进浆流量传感器5、灌浆孔6、孔口压力传感器7、抬动传感器8、返浆流量传感器9、调压阀10、密度传感器的返浆密度桶4、最后由上方入口连通制浆桶；形成使浆液流动的一种现有基本灌浆循环回路。配浆桶1内由原浆1o和清水1w配制的浆液1s由浆液出口1F排出到灌浆孔6,剩余的再循环由返浆密度桶4返回配浆桶1。

本实施例智能无级配浆实现方法,包括下列步骤:

一.配置智能无级配浆系统及获取实测配浆密度ρ和实测配浆体积V

1)见图1,设配浆桶1,在配浆桶桶壁不同高度位置装髙位电容式压力传感器1C,低位电容式压力传感器1D；在向配浆桶内排放原浆1₀和清水1_w的管路中分别装设供浆阀门1A、供水阀门1B。配浆桶内设有浆液搅拌器1E。在配浆桶下方浆液出口1F处流出的浆液1_s为配浆。设微控制器11,包括数据中心和控制中心,数据中心输入接口11c、11d分别连接高、低位两个电容式压力传感器1C、1D的电信号线1Ca、1Da(见虚线)；控制中心执行电路接口11a、11b分别接进浆、进水阀门控制信号线1Aa、1Ba(见虚线)。

2)通过压强差换算出实测配浆密度ρ和实测配浆体积V,并存储在微控制器中；其实测原理如下:

V＝AH <公式3>

上式<公式1>、<公式2>、<公式3>中P_l、P_h分别为低位和高位压力传感器测得浆液压强。g为重力常数，ρ实测配浆密度。见图1,Δh为高、低位压力传感器高度差。h₀为低位压力传感器1D距桶底面高度。A为配浆桶底面积。H液面高度。V实测配浆体积。

二.确定配浆密度ρ_slurry与原浆清水体积比Rws的函数关系(见图2)；进一步分别确定原浆体积V_original和清水体积V_water的函数式；并固化在程序中。

1)确定配浆密度ρ_slurry与原浆清水体积比Rws的函数关系(见图2),

配浆过程其实质是水泥原浆的稀释过程，水泥浆液属于悬浊液，其稀释过程服从体积和质量有叠加关系,见以下<公式4>：

上式中V_water、V_original、V_slurry分别表示清水1_w、原浆10和稀释后配浆1s的体积；m_water、m_original、m_slurry分别表示清水、原浆和配浆的质量。

因上述质量m＝ρV,(ρ为密度,V为体积),将原浆、清水和配浆的质量m＝ρV均代入<公式4>变成为下面<公式5>

联立解<公式5>两式,便获得下述配浆密度ρ_slurry函数式<公式6>:

上式中R_ws＝V_original/V_water为原浆清水体积比；

ρ_water、ρ_original、ρ_slurry分别表示清水、原浆和配浆的密度。

当<公式6>中原浆密度ρ_original＝1.82g/cc,清水密度ρ_water＝1g/cc,便获得配浆密度ρ_slurry与原浆清水体积比Rws的函数式<公式7>

ρ_slurry＝(1+1.82Rws)/(1+Rws) <公式7>将公式<7>画成曲线,则为图2。

2)确定原浆体积V_original和清水体积V_water函数式

联立解<公式4>中上式V_water+V_original＝V_slurry和R_ws＝V_original/V_water便可获得原浆体积V_original和清水体积V_water的函数式,见<公式8>：

上述<公式8>中的配浆体积V_Shurry是操作员在微控制器上设置的<设定配浆体积V_slurry>(见下面步驟三),同时又设置了<设定配浆密度ρ_slurry>(也见下面步驟三),然后再用下面<公式10>就能确定R_ws。最终用<公式8>便可计算出设定的原浆体积V_original和清水体积V_water,用于主控制流程步骤5)(见图4)。

3)确定配浆密度与原浆清水体积比变化率△ρ/△Rws的函数曲线,见图3:

由<公式6>,可获得配浆密度与原浆清水体积比变化率△ρ/△Rws的函数曲线:<公式9>,同时获得原浆清水体积比Rws对三种密度的函数式<公式10>

4)由<公式9>获得<公式11>,即获得配浆密度变化Δρ_water

<公式11>是微控制器计算配制常见比级浆液时允许的误差时用。

三.操作员在微控制器上设置设定配浆体积V_slurry和设定配浆密度ρ_slurry

四,微控制器启动,按配浆主流程控制,其步骤如下:见图4,

1)从数据中心获取设定配浆体积V_slurry和设定配浆密度ρ_slurry2)供浆阀门防堵塞；活动供浆阀门。3)判定配浆系统是否打开？若是,进行主控步骤4)；若否,进行主控步骤7)结束。4)判定当前实测配浆密度是否等于设定配浆密度？若是,返回主控步骤1)；若否,进行主控步骤5)。5)根据设定配浆密度和设定配浆体积,计算注入原浆体积、注入清水体积(计算用<公式8>)。6)往配浆桶中加入需要的体积的原浆和清水后,再进行主控步骤4)判定当前实测配浆密度是否达到设定值,若是,返回步骤1)；若否,重复进行主控步骤5)、6)、4)直至当前实测配浆密度等于设定配浆密度后,再返回主控步骤1)。

微控制器启动后,同时进行按配浆<缩短注水时间>流程控制,其缩时步骤如下:见图51>判定所需清水体积是否大于2倍最大注水时间片对应的注水体wsmax？

若是,进行缩时步骤2>；若否,进行缩时步骤8>。2>判定配浆体积允许误差是否大于10L？若是,进行缩时步骤3>；若否,进行缩时步骤8>。3>开供水阀门,估算供水流量。

4>判定供水流量计算是否完成？若是,进行缩时步骤5>；若否,返回缩时步骤3>。5>计算供水阀门关闭时间toff。6>判定开供水阀门时间t是否等于toff,若是,进行缩时步骤7>；若否,再进入缩时步骤6)。7>关闭供水阀门。

8>基于时间片的间隔式体积注入法；其时间间隔步骤如下:见图6

8.1>判定需要注浆或者注水体积是否大于允许误差？若是,进行时间间隔步骤8.2>；若否,进入不启动步骤8>。8.2>选择合适的注浆或者注水时间片；开启供浆或者供水阀门。8.3>判定开阀门时间是否完成？若是,进行时间间隔步骤8.4>；若否,再进行时间间隔步骤8.3>。8.4>关闭供浆或者供水阀门。8.5>判定关供浆或者供水阀门时间段是否完成？若是,进行时间间隔步骤8.6>。若否,再进入时间间隔步骤8.5>。8.6>计算并更新开阀门时间,对应注浆或者注水体积。8.7>更新需要注浆或者注水体积；然后再返回时间间隔步骤8.1>。

Claims (1)

1.智能无级配浆实现方法,具有浆液回路；其特征是,包括下列步骤:

一,配置智能无级配浆系统及获取实测配浆密度ρ和实测配浆体积V:

1)设配浆桶(1),在配浆桶桶壁不同高度位置装高位电容式压力传感器(1C),低位电容式压力传感器(1D)；在向配浆桶内排放原浆(10)和清水(1w)的管路中分别装设供浆阀门(1A)、供水阀门(1B)；配浆桶内设有浆液搅拌器；在配浆桶下方浆液出口(1F)处流出的浆液(1s)称为配浆；设微控制器,包括数据中心和控制中心,数据中心输入接口分别连接高、低位两个电容式压力传感器电信号线；控制中心执行电路接口分别接进浆、进水阀门控制信号线；

2)通过压强差换算出实测配浆密度ρ和实测配浆体积V,并存储在微控制器中；

二,确定配浆密度与原浆清水体积比的函数关系,进而分别确定原浆体积和清水体积的函数式,并固化在程序中；

三,操作员在微控制器上设置设定配浆体积V_slurry和设定配浆密度ρ_slurry；

四,微控制器启动,按配浆主控制流程控制,其主控步骤如下:

1)从数据中心获取设定配浆体积和设定配浆密度；

2)进行供浆阀门防堵塞；

3)判定配浆系统是否打开？若是,进行主控步骤4)；若否,进行主控步骤7)结朿；

4)判定当前实测配浆密度是否等于设定配浆密度？若是,返回主控步骤1)；若否,进行主控步骤5)；

5)根据设定配浆密度和设定配浆体积,计算注入的原浆体积和清水体积；

6)往配浆桶中加入需要的体积的原浆和清水后,再返回主控步骤4):判定当前实测配浆密度是否等于设定配浆密度？若是,返回主控步骤1)；若否,重复进行主控步骤5)、6)、4)直至当前实测配浆密度等于设定配浆密度后,再返回主控步骤1)；

微控制器启动后,同时进行按配浆缩短注水时间流程控制,其缩时步骤如下:

1>判定所需清水体积是否大于2倍最大注水时间片对应的注水体积Vwsmax？若是,进行缩时步骤2>；若否,进行缩时步骤8>；

2>判定配浆体积允许误差是否大于10L？若是,进行缩时步骤3>；若否,进行缩时步骤8>；

3>开供水阀门,估算供水流量；

4>判定供水流量计算是否完成？若是,进行缩时步骤5>；若否,返回缩时步骤3>；

5>计算关闭供水阀门时间Toff；

6>判定开供水阀门时间t是否等于Toff,若是,进行缩时步骤7>；若否,再进入缩时步骤6)；

7>关闭供水阀门:

8>基于时间片的间隔式体积注入法；其时间间隔步骤如下:

8.1>判定需要注浆或者注水体积是否大于允许误差？若是,进行时间间隔步骤8.2>；若否,进入不启动步骤8>；

8.2>选择合适的注浆或者注水时间片；开启供浆或者供水阀门；

8.3>判定开阀门时间是否完成？若是,进行时间间隔步骤8.4>；若否,再进行时间间隔步骤8.3>；

8.4>关闭供浆或者供水阀门；

8.5>判定关供浆或供水阀门时间段是否完成？若是,进行时间间隔步骤8.6>；若否,再进入时间间隔步骤8.5>；

8.6>计算并更新开阀门时间,对应注浆或者注水体积；

8.7>更新需要注浆或者注水体积；然后再返回时间间隔步骤8.1>。

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