CN109631825B - 供热管道位移测量及诊断系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业物联网领域，具体为一种供热管道位移测量及诊断系统及其工作方法，供热管道位移测量及诊断系统，其特征在于，包括：监测终端，与监测终端连接的若干位移传监测感器组件，以及上位机；所述监测终端包括：处理器模块，与处理器模块连接的通信模块；所述若干位移传监测感器组件均包括：若干位移传感器；所述处理器模块适于根据若干位移传感器分别检测供热管道在相应方向上的位移实际值数据，以获得供热管道位移量的实测值；所述通信模块适于将所述实测值发送到上位机，上位机适于根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常，如异常，上位机进行报警。实现对供热管道在线监测。

Description

供热管道位移测量及诊断系统及其工作方法

技术领域

本发明属于工业物联网领域，具体为一种供热管道位移测量及诊断系统及其工作方法。

背景技术

目前，我国越来越重视大气污染的治理与防护，很多生产企业的小型锅炉被勒令拆除，改用供热管网。供热管网在我国各地迅速增多，经常出现翻山越岭、横穿隧道、跨越湖海和贯穿居民区等现象，供热管网的路由较以前更加复杂，不可控因素如台风来袭、山体滑坡、洪涝灾害、人为破坏等因素导致的安全隐患也显著增加。巡检要求和难度越来越大，很多隐患不能被及时发现。

供热管网在翻山越岭等过程中，管线走向得随着地形设计，设计人员在给足供热管道热胀冷缩的余量时，无法精准的给出各个管段之间的应力变化，导致供热管道在热胀冷缩的同时，随着自身重力，衔接段管段的应力的综合作用下，位移变化的方向及位移量无法预知。

现有技术里对供热管道的位移测量基本采用人工标记的方法，历经风吹雨打日晒，标记的位置很容易消失，且长年累月现场巡检人员的更换，造成经验方法不能有效的延续下来，此外，人工标记难以精确的监测真实三维方向的具体位移。

当前，信息技术的发展突飞猛进，物联网技术迅速应用在各个行业，无线通讯的成本也越来越低，使得采用无线通讯技术对供热管道热膨胀开展在线位移监测成为可能。

基于上述问题需要设计一种新的供热管道位移测量及诊断系统及其工作方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种供热管道位移测量及诊断系统及其工作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种供热管道位移测量及诊断系统，包括：

监测终端，与监测终端连接的若干位移传监测感器组件，以及上位机；

所述监测终端包括：处理器模块，与处理器模块连接的通信模块；

所述若干位移传监测感器组件均包括：若干位移传感器；

所述处理器模块适于根据若干位移传感器分别检测供热管道在相应方向上的位移实际值数据，以获得供热管道位移量的实测值；

所述通信模块适于将所述实测值发送到上位机，上位机适于根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常，如异常，上位机进行报警。

进一步，所述供热管道位移测量及诊断系统还包括：固定支架和基准板；

所述监测终端适于安装在所述固定支架上；

所述基准板适于检测供热管道倾斜角度。

进一步，所述供热管道位移测量及诊断系统还包括：与监测终端连接的太阳能供电装置；

所述太阳能供电装置适于对监测终端和位移传监测感器组件供电。

进一步，所述位移监测传感器组件还包括：风速仪和温度传感器；

所述无线通信模块适于将温度传感器检测的环境温度和风速仪检测的风速发送到上位机。

进一步，上位机适于基于供热管道位移量的实测值建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算出供热管道理论位移量；以及

上位机适于根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常；即

当实测值与预测值的差值的绝对值大于设定的阈值时，判断供热管道运行异常后，上位机进行报警。

另一方面，本发明还提供一种供热管道位移测量及诊断方法，包括：

采集供热管道在相应方向上的位移实际值数据，以获得供热管道位移量的实测值；

根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常。

进一步，所述根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常的方法包括：

测量供热管道位移量的实测值，上位机存储测量供热管道位移量的实测值；

建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算出供热管道理论位移量；

基于上位机存储的历史实测值修正供热管道理论位移量，以获得供热管道位移量的预测值；

基于所述预测值与所述实测值判断供热管道运行是否异常，如异常，上位机进行报警。

进一步，所述测量供热管道位移量的实测值的方法包括：

以沿固定支架方向为Z轴，沿供热管道方向为X轴，供热管道向固定支架延伸的方向为Y轴建立空间直角坐标系；

检测供热管道在Y轴方向上位移实际数据的位移传感器内的位移测量杆伸出的长度为a₀；供热管道发生位移时，位移测量杆伸出的长度为a₁；发生位移后的位移测量杆位置与水平面XOY的角度为θ，位移测量杆投影在水平面XOY上与X轴方向的角度为α；则

位移测量杆在发生位移后，在Z轴方向的位移为a₁sinθ；

在水平面上的投影长度为a₁cosθ；其中：

对应到X轴方向的位移为a₁cosθ·cosα；Y轴方向的位移为a₁cosθ·sinα；

供热管道发生位移时，位移传感器所测得供热管道在X轴方向位移为

Y轴方向位移为

以及Z轴方向位移为

此时，供热管道实际伸长量为：

式中，j为位移传感器的安装位置的编号，j∈[1，n]；t_i为时间点i∈[1，m]。

进一步，所述建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算出供热管道理论位移量的方法包括：

建立供热管道热膨胀的机理模型，即

通过三维梁单元作为计算单元，取两节点三维梁单元将供热管道离散化；每个节点有六个自由度，分别为沿轴向X的位移u_a和u_b、竖向Y位移w_a和w_b、径向Z位移v_a和v_b、YZ平面内扭转角β_a和β_b、XZ平面内转角θ_xza和θ_xzb、XY平面内转角θ_xya和θ_xyb，以求解供热管道的热膨胀三个方向位移量u_b、w_b、v_b，则供热管道理论热胀位移量为：

进一步，所述基于上位机存储的历史实测值修正供热管道理论位移量，以获得供热管道位移量的预测值的方法包括：基于供热管道风载荷和环境温度进行位移量的理论修正和辨识修正；

所述供热管道风载荷为：F_w＝μ_zp_wlμ_sD；

上式中：F_w为供热管道风荷载，单位为N；μ_z为风压高度变化系数；p_w为基本风压；l为供热管道长度，单位为m；D为顺风向供热管道外径，单位为m；μ_s为供热管道风载体型系数；则

由所述理论修正获得的理论修正位移量为：

式中，

为根据供热管道热膨胀的机理模型分析出的供热管道理论热胀位移量，单位为mm；β为管长风荷载修正系数，单位为mm/N；F_w为供热管道风荷载，单位为N；χ为温度修正系数，单位为mm/℃；

为t_i时刻的环境温度，单位为℃；

由所述辨识修正获得的辨识修正位移量为：

所述上位机适于根据测量供热管道位移量的实测值的历史数据与辨识修正位移量

分析，对工作状态下供热管道位移量进行预测分析，以获得预测值

以及

基于所述预测值与实测值判断供热管道运行是否异常的方法包括：

当

时，判断供热管道运行异常；

式中，Th为判断供热管道运行异常的阈值。

本发明的有益效果是，本发明通过监测终端，与监测终端连接的若干位移传监测感器组件，以及上位机；所述监测终端包括：处理器模块，与处理器模块连接的通信模块；所述若干位移传监测感器组件均包括：若干位移传感器；所述处理器模块适于根据若干位移传感器分别检测供热管道在相应方向上的位移实际值数据，以获得供热管道位移量的实测值；所述通信模块适于将所述实测值发送到上位机，上位机适于根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常，实现对供热管道在线监测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明所涉及的供热管道位移测量及诊断系统的结构图；

图2是本发明所涉及的供热管道位移测量及诊断方法的流程图；

图3是本发明的供热管道位移测量及诊断方法中供热管道位移的空间矢量图；

图4是本发明的供热管道位移测量及诊断方法中位移测量杆移动的空间矢量图；

图5是本发明的供热管道位移测量及诊断方法中三维梁单元示意图。

图中：1为监测终端、2为位移传监测感器组件、3为固定支架、4为基准板、5为太阳能供电装置。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

图1是本发明所涉及的供热管道位移测量及诊断系统的结构图。

如图1所示，本实施例提供了一种供热管道位移测量及诊断系统，包括：监测终端1，与监测终端1连接的若干位移传监测感器组件2，以及上位机；所述监测终端1包括：处理器模块，与处理器模块连接的通信模块；所述处理器模块可以但不限于采用51单片机；所述通信模块可以但不限于采用WI-FI模块、GPRS模块；所述若干位移传监测感器组件2均包括：若干位移传感器；所述若干位移传感器可以但不限于是三个，分别用于检测供热管道在X轴、Z轴和Y轴方向上的位移，所述X轴为沿供热管道方向，所述Z轴为沿适于安装监测终端1的固定支架3方向，所述Y轴为供热管道向固定支架3延伸的方向；所述位移传感器适于监测供热管道运行时因热膨胀(工作位移)和非正常的位移(台风等因素引起不可恢复的位移等)在三维方向上产生的位移量信号；所述处理器模块适于根据若干位移传感器分别检测供热管道在相应方向上的位移实际值数据，以获得供热管道位移量的实测值；所述通信模块适于将所述实测值发送到上位机，上位机适于根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常，如异常，上位机进行报警，以实现对供热管道在线监测。

在本实施例中，所述位移传感器包括：一个振弦式感应元件，该元件与一个经热处理并消除应力的弹簧相连，弹簧两端分别与钢弦、位移测量杆相连；位移传感器的所有部件完全密封并可在高达1MPa(特殊要求可定制)的压力下操作；当位移测量杆从位移传感器主体拉出，弹簧被拉长导致张力增大并由振弦式感应元件测量；钢弦上的张力直接与拉长量成比例。

在本实施例中，所述供热管道位移测量及诊断系统还包括：抱箍、固定支架3和基准板4；所述抱箍套设在供热管道表面，并可以沿供热管道表面移动调节；所述监测终端1适于安装在所述固定支架3上；所述基准板4安装在固定支架3上，并可以调节长度并锁定长度；所述基准板4适于连接位移传感器的一端，位移传感器的另一端连接抱箍；所述基准板4适于检测供热管道倾斜角度；移传感器在安装固定时处于不受力状态，以使位移传感器可以拉伸和压缩的余量都能达到最大，达到最优使用效果。

在本实施例中，所述供热管道位移测量及诊断系统还包括：与监测终端1连接的太阳能供电装置5；所述太阳能供电装置5安装在固定支架3上，可以但不限于采用太阳能电板；所述太阳能供电装置5适于对监测终端1和位移传监测感器组件2供电。

在本实施例中，所述位移监测传感器组件还包括：风速仪和温度传感器；所述无线通信模块适于将温度传感器检测的环境温度和风速仪检测的风速发送到上位机；考虑到安装位移监测组件时，供热管道不一定是常温状态，考虑到运维需要，可以设置初始化设置，在需要的时间和状态下初始化设置，即可将初始读数更改为当前读数。

在本实施例中，上位机适于基于供热管道位移量的实测值建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算出供热管道理论位移量；以及上位机适于根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常；所述上位机可以但不限于是电脑；即当实测值与预测值的差值的绝对值大于设定的阈值时，判断供热管道运行异常。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例2还提供一种供热管道位移测量及诊断方法，包括：采集供热管道在相应方向上的位移实际值数据，以获得供热管道位移量的实测值；根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常。

图2是本发明所涉及的供热管道位移测量及诊断方法的流程图。

如图2所示，在本实施例中，所述根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常的方法包括：测量供热管道位移量的实测值，上位机存储测量供热管道位移量的实测值，建立历史实测值数据库；建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算分析出供热管道理论位移量；基于上位机存储的历史实测值修正供热管道理论位移量，以获得供热管道位移量的预测值；基于所述预测值与所述实测值判断供热管道运行是否异常。

图3是本发明的供热管道位移测量及诊断方法中供热管道位移的空间矢量图。

图4是本发明的供热管道位移测量及诊断方法中位移测量杆移动的空间矢量图。

如图3和图4所示，在本实施例中，所述测量供热管道位移量的实测值的方法包括：建立三轴坐标系，即以沿固定支架3方向为Z轴，供热管道方向为X轴，供热管道向固定支架3延伸的方向为Y轴建立空间直角坐标系；检测供热管道在Y轴方向上位移实际数据的位移传感器内的位移测量杆伸出的长度为a₀；供热管道发生位移时，位移测量杆伸出的长度为a₁；供热管道发生位移后的位移测量杆位置与水平面XOY的角度为θ，位移测量杆投影在水平面XOY上与X轴方向的角度为α；则

位移测量杆在发生位移后，在Z轴方向的位移为a₁sinθ；

在水平面上的投影长度为a₁cosθ；其中：

对应到X轴方向的位移为a₁cosθ·cosα；Y轴方向的位移为a₁cosθ·sinα；

供热管道发生位移时，由位移传感器所测得的供热管道在

X轴方向位移为

Y轴方向位移为

以及

Z轴方向位移为

此时，供热管道实际伸长量为：

式中，j为位移传感器的安装位置的编号，j∈[1，n]；t_i为时间点i∈[1，m]；

主测Y轴方向的位移

其测量值精确度最高，X轴方向位移

与Z轴方向位移

有一定参考价值；因此，为了确保实时测量的准确性，建议一个测点安装三个方向上的位移传感器，不仅能保证测量准确度，还可相互校对验证。

在本实施例中，作为一种优选的实施方式构建供热管道热膨胀三维梁单元机理模型和通过有限元法计算出供热管道理论热膨胀位移量，用于计算分析出供热管道理论位移量。

图5是本发明的供热管道位移测量及诊断方法中三维梁单元示意图。

如图5所示，在本实施例中，由于供热管道的管长与供热管道外径相比，比值较大，因此选用三维梁单元作为计算单元，取两节点三维梁单元将供热管道离散化；所述建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算分析出供热管道理论位移量的方法包括：构建供热管道热膨胀三维梁单元机理模型和通过有限元法计算出供热管道理论热膨胀位移量；

所述构建供热管道热膨胀三维梁单元机理模型的方法包括：通过三维梁单元作为计算单元，取两节点三维梁单元将供热管道离散化；每个节点有六个自由度，分别为沿轴向X的位移u_a和u_b、竖向Y位移w_a和w_b、径向Z位移v_a和v_b、YZ平面内扭转角β_a和β_b、XZ平面内转角θ_xza和θ_xzb、XY平面内转角θ_xya和θ_xyb，即每个单元总共有12个自由度；

其刚度矩阵[K]为：

式中：E为材料的弹性模量，单位为Pa；G为材料的剪切模量单位为Pa；J为供热管道横截面的极惯性矩，单位为m⁴；I为供热管道横截面的惯性矩，单位为m⁴；l为单元的长度，单位为m；A为供热管道的横截面积，单位为m²；

对于由供热管道构成的供热管道系统中的弯头单元，式中的刚度矩阵需作进一步的修正；因为弯管在受弯矩作用时，使弯管外侧拉伸，内侧压缩，弯管截面产生扁平效应，结果使弯管的刚性降低，柔性增大，通常用柔性系数来表示这个特性；

对于供热管道系统中的弯头的处理，对弯头的力学模型稍作简化，认为在供热管道系统的结构中如果弯头的长度与直管的长度相比很小，即供热管道系统中直管段较长，弯头弧长较短时，则弯头各截面的内力变化不大；因而在分析时可将弯头的几何尺寸忽略不计，只保留它的抗弯柔性，将弯头简化为能够传递弯矩的铰链模型，即称“弹性抗弯铰”；设所述弹性抗弯铰传递的弯矩为M，在M作用下抗弯铰夹角为Δφ，则M和Δφ是线性关系，即为：

M＝K·Δφ；

其中K＝EI/(kRφ)；

式中，K为线性系数；k为弯头的柔性系数；E为材料的弹性模量，单位为Pa；I为弯管截面的惯性矩，单位为m⁴；R为弯管的曲率半径，单位为m；φ为抗弯铰夹角，单位为°；

用弹性抗弯铰来代替弯头的力学作用，其缺点在于忽略了弯头中各截面的内力是变化的，因而只能近似的模拟弯头的力学作用；现通过有限元法，将弯头离散为多个直管单元，并考虑到弯头的柔性，对弯头中的小直管单元的刚度矩阵用柔性系数进行修正；

柔性系数的数值等于在相同的变形条件下，将一般弯曲理论求出的弯矩与考虑了截面扁平效应时求出的弯矩之比值；

所述通过有限元法计算出供热管道理论热膨胀位移量的预测值的方法包括：供热管道系统划分为有限个单元，建立每一个单元的作用力与变形之间的关系式，并利用单元间的平衡条件和变形协调条件，建立整个供热管道系统的有限元方程：

[K]{δ}＝{P}；

式中：[K]为供热管道系统的整体刚度矩阵；{δ}为供热管道系统的节点位移分量矩阵；{P}为供热管道系统的节点作用力分量矩阵；

在供热管道支座处，供热管道所受的节点作用力包括支座反力和供热管道与支座间的摩擦力，则摩擦力f与支座反力N之间的关系为：f＝uN；u为摩擦因数；摩擦力f与支座反力N包含在{P}中；

将节点作用力分量矩阵分成两部分，写成{P}＝{P}₀+{P}_f；

式中：{P}₀为不考虑支墩摩擦力时的节点作用力分量矩阵；{P}_f为由于供热管道系统在摩擦约束处的摩擦力产生的节点作用力分量矩阵；

综上可得：[K]{δ}＝{P}₀+{P}_f；

把对供热管道的摩阻力等效成作用在供热管道上的弹簧阻力，增大了供热管道的刚度矩阵，即可获得：

式中：[K_f]为摩擦阻力引起的供热管道附加的刚度矩阵；

当供热管道系统不考虑摩擦阻力时的有限元方程为：

[K]·{δ}₀＝{P}₀；

得出支座反力N和位移的无摩擦解{δ}₀，选取位移迭代初始值为{δ}₀，同时得出摩擦阻力引起的供热管道附加的刚度矩阵[K_f]，进而得出新的节点位移{δ}₁；重复进行获取{δ}₁的过程可以进而继续得到{δ}₂、{δ}₃.....，直到收敛为止，最后的收敛解即为

的解；

以获得考虑支座摩擦力时热力供热管道的热膨胀三个方向位移量u_b、w_b、v_b，则供热管道理论热胀位移量为：

在本实施例中，供热管道的热胀冷缩为供热管道的主要位移来源，除此之外，位移的来源还包括当地的风荷载与环境温度等因素；理论计算可以借助历史数据与电厂的运行参数进行不断校正；

所述基于上位机存储的历史实测值修正供热管道理论位移量，以获得供热管道位移量的预测值的方法包括：基于供热管道风载荷和环境温度进行位移量的理论修正和辨识修正；

所述供热管道风载荷为：F_w＝μ_zp_wlμ_sD；

式中：F_w为供热管道风荷载，单位为N；μ_z为风压高度变化系数；p_w为基本风压，在当地比较空旷平坦地面上，离地10米高处，统计所得的30年一遇10分钟平均最大风速v为标准，一般按p_w＝v²/1.6确定；l为供热管道长度，单位为m；D为顺风向供热管道外径(包括保温层)，单位为m；μ_s为供热管道风载体型系数；则

所述理论修正获得的理论修正位移量为：

式中

为供热管道理论热胀位移量，单位为mm；β为管长风荷载修正系数，单位为mm/N；F_w为供热管道风荷载，单位为N；χ为温度修正系数，单位为mm/℃；

为t_i时刻的环境温度，单位为℃；

所述辨识修正获得的辨识修正位移量为：

所述上位机适于根据测量供热管道位移量的实测值的历史数据与辨识修正位移量

分析，对工作状态下供热管道位移量进行预测分析，间隔时间Δ_t提供预测值

在本实施例中，上位机可借助所处供热管道的实际压力P、温度T等状态值辅助供热管道工作状态的诊断，并根据实测位移量

反向验证供热管道的状态参数(压力P、温度T等)，达到双向校核作用；基于辨识修正位移量

可用于对供热管道保温材料性能衰减规律的分析。

在本实施例中，所述基于所述预测值与所述实测值判断供热管道运行是否异常的方法为：当

时，判定为供热管道运行异常；式中，Th为判定供热管道运行异常的阈值；当数据异常时运维人员将收到提示，应重点关注对应测点位置，启动应急预案，并立即赶赴现场巡检，将风险降到最低。

综上所述，本发明通过监测终端，与监测终端连接的若干位移传监测感器组件，以及上位机；所述监测终端包括：处理器模块，与处理器模块连接的通信模块；所述若干位移传监测感器组件均包括：若干位移传感器；所述处理器模块适于根据若干位移传感器分别检测供热管道在相应位移实际值数据，以获得供热管道位移量的实测值；所述通信模块适于将所述实测值发送到上位机，上位机适于根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常，实现对供热管道在线监测。

本发明通过测量供热管道位移量的实测值；测量供热管道位移量的实测值；上位机存储测量供热管道位移量的实测值；建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算出供热管道理论位移量；基于上位机存储的历史实测值修正供热管道理论位移量，以获得供热管道位移量的预测值；基于所述预测值与所述实测值判断供热管道运行是否异常，实现了根据供热管道位移数据与预设值比较以判断供热管道运行是否异常。

在上位机中建立历史实测值数据库，收录历史供热管道位移量的实测值，并建立供热管道热膨胀三维梁单元机理模型，通过有限元法计算出供热管道理论热膨胀位移量

可结合当地风速与环境温度得到理论修正位移量

进而通过历史实测值数据库对理论修正位移量

辨识，得到辨识修正位移量

(辨识修正位移量

可用于修正保温材料等因使用时长引起的保温系数衰减等；理论修正位移量

为供热管道实际位移量

提供理论支撑，供热管道实际位移量

可用于反向校核理论参数)；可对工作状态下供热管道位移量进行预测分析，给出预测值

可对现场实测值

分析诊断，供热管道出现异常实时发出告警提示。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种供热管道位移测量及诊断方法，其特征在于，包括：

采集供热管道在相应方向上的位移实际值数据，以获得供热管道位移量的实测值；

根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常；

所述根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常的方法包括：

测量供热管道位移量的实测值，上位机存储测量供热管道位移量的实测值；

建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算出供热管道理论位移量；

基于上位机存储的历史实测值修正供热管道理论位移量，以获得供热管道位移量的预测值；

基于所述预测值与所述实测值判断供热管道运行是否异常；

所述测量供热管道位移量的实测值的方法包括：

以沿固定支架方向为Z轴，沿供热管道方向为X轴，同时垂直于X轴和Z轴的方向为Y轴；

检测供热管道在Y轴方向上位移实际数据的位移传感器内的位移测量杆伸出的长度为a₀；供热管道发生位移时，位移测量杆伸出的长度为a₁；发生位移后的位移测量杆位置与水平面XOY的角度为θ，位移测量杆投影在水平面XOY上与X轴方向的角度为α；则

位移测量杆在发生位移后，在Z轴方向的位移为a₁sinθ；

在水平面上的投影长度为a₁cosθ；其中：

对应到X轴方向的位移为a₁cosθ·cosα；Y轴方向的位移为a₁cosθ·sinα；

供热管道发生位移时，位移传感器所测得供热管道在X轴方向位移为

Y轴方向位移为

以及Z轴方向位移为

此时，供热管道实际伸长量为：

式中，j为位移传感器的安装位置的编号，j∈[1，n]；t_i为时间点i∈[1，m]。

2.如权利要求1所述的供热管道位移测量及诊断方法，其特征在于，

所述建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算出供热管道理论位移量的方法包括：

建立供热管道热膨胀的机理模型，即

通过三维梁单元作为计算单元，取两节点三维梁单元将供热管道离散化；每个节点有六个自由度，分别为沿轴向X的位移u_a和u_b、竖向Y位移w_a和w_b、径向Z位移v_a和v_b、YZ平面内扭转角β_a和β_b、XZ平面内转角θ_xza和θ_xzb、XY平面内转角θ_xya和θ_xyb，以求解供热管道的热膨胀三个方向位移量u_b、w_b、v_b，则供热管道理论热胀位移量为：

3.如权利要求2所述的供热管道位移测量及诊断方法，其特征在于，

所述基于上位机存储的历史实测值修正供热管道理论位移量，以获得供热管道位移量的预测值的方法包括：基于供热管道风载荷和环境温度进行位移量的理论修正和辨识修正；

所述供热管道风载荷为：F_w＝μ_zp_wlμ_sD；

上式中：F_w为供热管道风荷载，单位为N；μ_z为风压高度变化系数；p_w为基本风压；l为供热管道长度，单位为m；D为顺风向供热管道外径，单位为m；μ_s为供热管道风载体型系数；则

由所述理论修正获得的理论修正位移量为：

式中，

为根据供热管道热膨胀的机理模型分析出的供热管道理论热胀位移量，单位为mm；β为管长风荷载修正系数，单位为mm/N；F_w为供热管道风荷载，单位为N；χ为温度修正系数，单位为mm/℃；

为t_i时刻的环境温度，单位为℃；

由所述辨识修正获得的辨识修正位移量为：

所述上位机适于根据测量供热管道位移量的实测值的历史数据与辨识修正位移量

分析，对工作状态下供热管道位移量进行预测分析，以获得预测值

以及

基于所述预测值与实测值判断供热管道运行是否异常的方法包括：

当

时，判断供热管道运行异常；

式中，Th为判断供热管道运行异常的阈值。

4.一种供热管道位移测量及诊断系统，其特征在于，包括：

监测终端，与监测终端连接的若干位移监测传感器组件，以及上位机；

所述监测终端包括：处理器模块，与处理器模块连接的通信模块；

所述若干位移监测传感器组件均包括：若干位移传感器；

所述处理器模块适于根据若干位移传感器分别检测供热管道在相应方向上的位移实际值数据，以获得供热管道位移量的实测值；

所述通信模块适于将所述实测值发送到上位机，上位机适于根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常；

所述供热管道位移测量及诊断系统还包括：固定支架和基准板；

所述监测终端适于安装在所述固定支架上；

所述基准板适于检测供热管道倾斜角度；

所述位移监测传感器组件还包括：风速仪和温度传感器；

所述通信模块适于将温度传感器检测的环境温度和风速仪检测的风速发送到上位机；

上位机适于基于供热管道位移量的实测值建立供热管道热膨胀的机理模型，并计算出供热管道理论位移量；以及

上位机适于采用如权利要求1所述的供热管道位移测量及诊断方法根据所述实测值与预测值比较以判断供热管道运行是否异常；即

当实测值与预测值的差值的绝对值大于设定的阈值时，判断供热管道运行异常后，上位机进行报警。

5.如权利要求4所述的供热管道位移测量及诊断系统，其特征在于，

所述供热管道位移测量及诊断系统还包括：与监测终端连接的太阳能供电装置；

所述太阳能供电装置适于对监测终端和位移监测传感器组件供电。

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