CN109695823B - 一种浆液管道堵塞预警的压差检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浆液管道堵塞预警的压差检测装置和方法，其包括压力探头组、径向压差传感器、轴向压差传感器、控制系统、泵和远程监控系统；压力探头组包括第一～第三压力探头，第一、第二压力探头分别设置在浆液管道前端处于同一径线的顶部和底部，第三压力探头设置在与第一压力探头处于同一轴线的浆液管道后端顶部；径向压差传感器与第一、第二压力探头相连，用于获取浆液管道前端的径向压差信号；轴向压差传感器与第一、第三压力探头相连，用于获取浆液管道前后两端的轴向压差信号；控制系统根据径向和轴向压差信号对管道堵塞情况和浆液流型进行判断，并根据判断结果发送相应指令到泵和远程监控系统。本发明可以广泛应用于管道检测领域。

Description

一种浆液管道堵塞预警的压差检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种浆液管道堵塞预警的压差检测装置和方法，属于流体流动安全领域。

背景技术

浆液输运管道在输运过程中会由于固体沉积从而引起堵塞，给生产带来经济损失与安全隐患。目前，相关检测方法大多关注堵塞发生后的快速检测定位，然而堵塞发生后清堵仍需要浆液输送管道停止工作，仍然会产生一定的经济损失。因此，为了最大限度地减少管道堵塞产生的损失与危害，如何在堵塞发生前通过压力信号相关特征分析，从而对堵塞发生进行预警并采取适当措施保持管道输运的安全平稳已经成为了目前油气输运管道的当务之急。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种浆液管道堵塞预警的压差检测装置和方法，通过在浆液输运管道两端顶部压力点进行实时的压差检测，并根据两端顶部的压差信号判断管道是否堵塞，根据管道一端顶部和底部的压差信号判断管内流动流型，从而进行管道堵塞快速预警及判别。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种浆液管道堵塞预警的压差检测装置，其包括压力探头组、径向压差传感器、轴向压差传感器、控制系统、泵和远程监控系统；所述压力探头组包括第一～第三压力探头，所述第一压力探头设置在浆液管道的前端顶部，所述第二压力探头设置在所述浆液管道的前端底部，并与所述第一压力探头处于同一径线，所述第三压力探头设置在所述浆液管道的后端顶部，并与所述第一压力探头处于同一轴线；所述径向压差传感器的两端分别与所述第一、第二压力探头相连，用于获取浆液管道前端的径向压差信号并发送到所述控制系统；所述轴向压差传感器的两端分别与所述第一压力探头和第三压力探头相连，用于获取所述浆液管道前后两端的轴向压差信号并发送到所述控制系统；所述控制系统根据得到的径向和轴向压差信号对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并根据判断结果发送相应指令到泵，当发生堵塞时发送预警信号到所述远程监控系统。

进一步的，所述控制系统包括A/D转换模块、轴向压差设定模块、径向压差设定模块和控制系统联锁模块；所述A/D转换模块用于将所述轴向压差传感器和径向压差传感器采集的模拟压差信号转换为数字信号，并进行降噪处理；所述轴向压差设定模块用于根据管内沿程阻力与堵塞发生时压差的变化特性，设定轴向压差阈值并发送到所述控制系统联锁模块；所述径向压差设定模块用于根据固体沉淀造成的管内径向静压分布不均的特性，设定径向压差阈值并发送到所述控制系统联锁模块；所述控制系统联锁模块用于根据设定的径向压差阈值和轴向压差阈值与监测得到的径向压差和轴向压差对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并根据判断结果发送停机或调整指令到所述泵，当发生堵塞时向所述远程监控系统发送堵塞预警信号。

本发明的另一个方面，是提供一种浆液管道堵塞预警的压差检测方法，其包括以下步骤：1)在浆液管道两端的顶部与前端的底部至少各设定一个压力测量点，并将各压力探头与相应的径向和轴向压差传感器相连，进行压差测量；2)径向和轴向压差传感器将测量得到的压差信号发送到控制系统，控制系统根据接收到的压差信号对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并采取相应措施。

进一步的，所述步骤2)中，控制系统根据接收到的压差信号判断是否发生堵塞，并采取相应措施的方法，包括以下步骤：

2.1)将径向压差传感器和轴向压差传感器采集的模拟压差信号转换为数字信号，并进行降噪处理；

2.2)通过计算管内沿程阻力与堵塞发生时压差的变化特性，设定轴向压差阈值；

2.3)根据固体沉淀造成的管内径向静压分布不均的特性，设定径向压差阈值；

2.4)根据步骤2.1)得到的径向和轴向压差信号以及步骤2.2)和2.3)设定的径向和轴向压差阈值对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并根据判断结果发送相应控制指令到泵，发送预警信号到远程监控系统。

进一步的，所述步骤2.2)中，通过计算管内沿程阻力与堵塞发生时压差的变化特性，设定轴向压差阈值的方法为：

首先计算浆液管道正常工作时，根据沿程阻力计算得到正常工作压差为：

式中，PAB_normal为浆液管道正常工作时两端压差，单位为Pa；L为管道长度，单位为m；D为管道直径，单位为m；f为范宁摩擦因子；ρ为浆液密度，单位为kg/m³；U为浆液平均流速，单位为m/s；

然后，根据管道与浆液特性以及计算得到的正常工作压差，确定轴向压差阈值。

进一步的，所述步骤2.3)中，根据固体沉淀造成的管内径向静压分布不均的特性，设定径向压差阈值的方法为：

首先计算当浆液处于悬浮液状态时,管道内的径向压差：

PAC_noramal＝ρgD，

式中，PAC_noramal为管道内浆液处于悬浮液状态时的径向压差，单位为Pa；ρ为浆液密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为kg/(m·s)；D为管道直径，单位为m；

然后根据浆液管道与浆液特性以及计算得到的径向压差，确定径向压差阈值。

进一步的，所述步骤2.4)中，根据步骤2.1)得到的径向和轴向压差信号以及步骤2.2)和2.3)设定的径向和轴向压差阈值进行堵塞判断，并根据判断结果发送相应控制指令到泵，发送预警信号到远程监控系统的方法为：

将轴向压差与设定的轴向压差阈值进行比较：

当轴向压差超过轴向压差阈值时，控制系统确认浆液管道内发生堵塞现象并立即给泵发送停机指令，同时向远程监控系统发送堵塞信号；

当轴向压差在轴向压差阈值内时，将径向压差与径向压差阈值进行比较，若径向压差超过径向压差阈值，则控制系统确认浆液管道内出现固定沉淀容易堵塞并向泵发送调整指令，同时向远程监控系统发送易堵塞预警信号。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在浆液管道的前端和后端设置三个压力检测点，分别对浆液管道前端的径向压差信号和前后端的轴向压差信号进行实时检测，并根据检测结果对管道堵塞进行预警，能够准确的判断检测管道内是否发生堵塞，在管道处于堵塞状态时给远程监控发出堵塞信号，缩短了停产检修时间。2、本发明通过对浆液管道前后端的轴向压差信号进行检测，能够对于管道堵塞之前的流动状态进行识别，在管道处于易堵塞状态时给远程监控发出堵塞预警信号，减少了堵塞发生的概率，大量减少堵塞引起的经济损失和安全危害。因此，本发明可以广泛应用于流体流动安全检测领域。

附图说明

图1是本发明浆液管道堵塞预警的压差检测装置示意图；

图2是本发明堵塞判别与预警的流程图；

图3是管道完全堵塞时的轴向压差曲线示意图；

图4是管道内浆液为悬浮液时的径向压差示意图；

图5是管道内浆液为分层流的径向压差示意图；

图中各标记如下：1、压力探头；2、浆液管道；3、径向压差传感器；4、轴向压差传感器；5、控制系统；6、泵；7、远程监控系统；A、第一压力测量点；B、第二压力测量点；C、第三压力测量点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种浆液管道堵塞预警的压差检测装置，其包括压力探头组1、径向压差传感器3、轴向压差传感器4、控制系统5、泵6和远程监控系统7。其中，压力探头组1包括第一～第三压力探头11～13，且第一压力探头11设置在已有浆液管道2的前端顶部，第二压力探头12设置在浆液管道2的前端底部，与第一压力探头处于同一径线，第三压力探头13设置浆液管道2的后端顶部，与第一压力探头11处于同一轴向；径向压差传感器3的两端分别与第一、第二压力探头11、12相连，用于获取已有浆液管道2前端的径向压差信号并发送到控制系统5；轴向压差传感器4的两端分别与第一压力探头11和第三压力探头13相连，用于获取已有浆液管道2前后两端的轴向压差信号并发送到控制系统5；控制系统5根据得到的径向和轴向压差信号对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并根据判断结果发送相应指令到泵6，发送预警信号到远程监控系统7。

进一步，控制系统5包括A/D转换模块、轴向压差设定模块、径向压差设定模块和控制系统联锁模块；其中，A/D转换模块用于将径向压差传感器3和轴向压差传感器4采集的模拟压差信号转换为数字信号，并进行降噪处理；轴向压差设定模块用于根据管内沿程阻力与堵塞发生时压差的变化特性，设定轴向压差阈值并发送到控制系统联锁模块；径向压差设定模块用于根据固体沉淀造成的管内径向静压分布不均的特性，设定径向压差阈值并发送到控制系统联锁模块；控制系统联锁模块用于根据设定的径向压差阈值和轴向压差阈值与监测得到的径向压差和轴向压差对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并根据判断结果发送停机或调整指令到泵6，当发送堵塞时向远程监控系统7发送堵塞预警信号。

如图2所示，基于上述浆液管道堵塞预警的压差检测装置，本发明还提供一种浆液管道堵塞预警的压差检测方法，其包括以下步骤：

1)在浆液管道2两端的顶部与前端的底部至少各设定一个压力测量点，并将各压力探头与相应的径向压差传感器3和轴向压差传感器4相连，进行压差测量。

本发明以设置三个压力测量点为例进行介绍，但不限于此。其中：第一压力测量点A设置在管道前端的顶部，第二压力测量点B设置在管道后端的顶部，第三压力测量点C设置在管道前端的底部,且与第一压力测量点A处在同一径向；第一压力测量点A和第二压力测量点B分别用于监测管道上相应测量点的上部浆液的压力，第三压力测量点C用于检测浆液管道上相应测量点处下部浆液的压力；第一压力测量点A与第二压力测量点B进行压差比较，以监测管道是否堵塞；第一压力测量点A与第三压力测量点C的压力进行压差比较，以检测管内流动流型。

2)径向压差传感器3和轴向压差传感器4将测量得到的径向和轴向压差信号发送到控制系统5，控制系统5根据接收到的径向和轴向压差信号判断管道是否发生堵塞，并采取相应措施。

其中，控制系统5根据接收到的压差信号判断是否发生堵塞，并采取相应措施的方法，包括以下步骤：

2.1)压差信号采集处理：通过控制系统5中的A/D转换模块把压差传感器采集的模拟信号转换为数字信号，并进行降噪处理；

2.2)轴向压差阈值设定：通过计算管内沿程阻力与堵塞发生时压差的变化特性，设定轴向压差阈值，设定值为数字量即为堵塞时的压差的报警值。

本发明在设定轴向压差阈值时，首先计算浆液管道正常工作时，根据沿程阻力计算得到正常工作压差为：

式中，PAB_normal为浆液管道正常工作时两端压差，单位为Pa；L为管道长度，单位为m；D为管道直径，单位为m；f为范宁摩擦因子，其值为1；ρ为浆液密度，单位为kg/m3；U为浆液平均流速，单位为m/s；

然后，根据管道与浆液特性以及计算得到的正常工作压差，确定轴向压差阈值。考虑到浆液管道流型的影响，轴向压差PAB处在一定工作范围内，根据管道与浆液特性选取一个阈值PAB_max(如PAB_max＝2PAB_normal)。

2.3)径向压差阈值设定：根据固体沉淀造成的管内径向静压分布不均的特性，设定径向压差阈值，设定值为数字量即管内浆液沉淀时的压差的报警值。

本发明在设定径向压差阈值时，由于管道内浆液中的固体处于悬浮状态的时候，管道内径向压差为浆液径向的水头差，当管道底部出现一定量的沉淀的时候，沉淀物上层浆液流动受到底层沉淀的影响，管内径向将产生额外的压差波动，并且沉淀量不同或者沉淀累积形态不同时产生的径向压差不同。当浆液处于悬浮液状态时,管道内的径向压差为：

PAC_noramal＝ρgD

式中，PAC_noramal为管道内浆液处于悬浮液状态时的径向压差，单位为Pa；ρ为浆液密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为kg/(m·s)；D为管道直径，单位为m。

考虑到泵输送速度、湍流的影响和固体颗粒存在的影响，径向压差PAC处在一定工作范围内，根据管道与浆液特性选取一个阈值PAC_max。管道底部出现一定量沉淀时，径向压差PAC增大并超过设定的工作径向压差阈值PAC_max，径向压差传感器将压差信号传递到控制系统，通过预设程序判断管道处于易堵塞状态，向泵发出调整指令并给远程监控系统发出易堵塞警报。

2.4)控制系统联锁：根据步骤2.1)得到的径向和轴向压差信号以及步骤2.2)和2.3)设定的径向和轴向压差阈值进行堵塞判断，并根据判断结果发送相应控制指令到泵，发送预警信号到远程监控系统。

具体的堵塞判断方法为：

将轴向压差与设定的轴向压差阈值进行比较：

当轴向压差超过轴向压差阈值时，控制系统确认浆液管道内发生堵塞现象并立即给泵发送停机指令，同时向远程监控系统发送堵塞信号；

当轴向压差在轴向压差阈值内时，将径向压差与径向压差阈值进行比较，若径向压差超过径向压差阈值，则控制系统确认浆液管道内出现固定沉淀容易堵塞并向泵发送调整指令，同时向远程监控系统发送易堵塞预警信号。

下面通过具体实施例对本发明堵塞判断方法进行进一步描述。

情况1：如图3所示，浆液管道发生完全堵塞：管道发生堵塞时，堵塞段上游压力持续升高，堵塞段下游压力持续降低，管道两端压差PAB迅速增高，轴向压差传感器4测定压差PAB传入控制系统5，控制系统5通过预设控制程序判断PAB>PAB_max，从而判断发生堵塞，立即给泵6发出停机指令并向远程监控系统7发出堵塞警报。

情况2：如图4所示，浆液管道未发生堵塞，管内流型为悬浮液：此时，管道两端压差存在一定波动范围，且PAB<PAB_max，管道径向压差PAC为径向水头压力，且PAC<PAC_max，轴向压差传感器4将测定的PAB传入控制系统5，控制系统5通过预设控制程序判断管道未发生堵塞，径向压差传感器3测定压差PAC传入控制系统5，控制系统5通过预设控制程序判断管道内浆液处于悬浮液状态，管道正常运行。

情况3：如图5所示，浆液管道未发生堵塞，管内流型为分层流：管道两端存在一定波动范围，且PAB<PAB_max，管道径向存在一定压差PAC，且PAC>PAC_max，轴向压差传感器4将测定的PAB传入控制系统，控制系统5通过预设控制程序判断管道未发生堵塞，径向压差传感器3测定压差PAC传入控制系统，控制系统5通过预设控制程序判断管道内浆液处于分层流状态，并向泵6发出调整指令(如增加泵速度)，并给远程监控系统7发出易堵塞警报。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种浆液管道堵塞预警的压差检测装置，其特征在于：其包括压力探头组、径向压差传感器、轴向压差传感器、控制系统、泵和远程监控系统；

所述压力探头组包括第一、第二、第三压力探头，所述第一压力探头设置在浆液管道的前端顶部，所述第二压力探头设置在所述浆液管道的前端底部，并与所述第一压力探头处于同一径线，所述第三压力探头设置在所述浆液管道的后端顶部，并与所述第一压力探头处于同一轴线；

所述径向压差传感器的两端分别与所述第一、第二压力探头相连，用于获取浆液管道前端的径向压差信号并发送到所述控制系统；

所述轴向压差传感器的两端分别与所述第一压力探头和第三压力探头相连，用于获取所述浆液管道前后两端的轴向压差信号并发送到所述控制系统；

所述控制系统根据得到的径向和轴向压差信号对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并根据判断结果发送相应指令到泵，当发生堵塞时发送预警信号到所述远程监控系统；

所述控制系统包括A/D转换模块、轴向压差设定模块、径向压差设定模块和控制系统联锁模块；

所述A/D转换模块用于将所述轴向压差传感器和径向压差传感器采集的模拟压差信号转换为数字信号，并进行降噪处理；

所述轴向压差设定模块用于根据管内沿程阻力与堵塞发生时压差的变化特性，设定轴向压差阈值并发送到所述控制系统联锁模块；

所述径向压差设定模块用于根据固体沉淀造成的管内径向静压分布不均的特性，设定径向压差阈值并发送到所述控制系统联锁模块；

所述控制系统联锁模块用于根据设定的径向压差阈值和轴向压差阈值与监测得到的径向压差和轴向压差对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并根据判断结果发送停机或调整指令到所述泵，当发生堵塞时向所述远程监控系统发送堵塞预警信号。

2.一种采用如权利要求1所述装置的浆液管道堵塞预警的压差检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在浆液管道两端的顶部与前端的底部至少各设定一个压力测量点，并将各压力探头与相应的径向和轴向压差传感器相连，进行压差测量；

2)径向和轴向压差传感器将测量得到的压差信号发送到控制系统，控制系统根据接收到的压差信号对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并采取相应措施。

3.如权利要求2所述的浆液管道堵塞预警的压差检测方法，其特征在于：所述步骤2)中，控制系统根据接收到的压差信号判断是否发生堵塞，并采取相应措施的方法，包括以下步骤：

2.1)将径向压差传感器和轴向压差传感器采集的模拟压差信号转换为数字信号，并进行降噪处理；

2.2)通过计算管内沿程阻力与堵塞发生时压差的变化特性，设定轴向压差阈值；

2.3)根据固体沉淀造成的管内径向静压分布不均的特性，设定径向压差阈值；

2.4)根据步骤2.1)得到的径向和轴向压差信号以及步骤2.2)和2.3)设定的径向和轴向压差阈值对管道堵塞情况以及管道内浆液的流型进行判断，并根据判断结果发送相应控制指令到泵，发送预警信号到远程监控系统。

4.如权利要求3所述的浆液管道堵塞预警的压差检测方法，其特征在于：所述步骤2.2)中，通过计算管内沿程阻力与堵塞发生时压差的变化特性，设定轴向压差阈值的方法为：

首先计算浆液管道正常工作时，根据沿程阻力计算得到正常工作压差为：

式中，PAB_normal为浆液管道正常工作时两端压差，单位为Pa；L为管道长度，单位为m；D为管道直径，单位为m；f为范宁摩擦因子；ρ为浆液密度，单位为kg/m³；U为浆液平均流速，单位为m/s；

然后，根据管道与浆液特性以及计算得到的正常工作压差，确定轴向压差阈值。

5.如权利要求3所述的浆液管道堵塞预警的压差检测方法，其特征在于：所述步骤2.3)中，根据固体沉淀造成的管内径向静压分布不均的特性，设定径向压差阈值的方法为：

首先计算当浆液处于悬浮液状态时,管道内的径向压差：

PAC_noramal＝ρgD，

式中，PAC_noramal为管道内浆液处于悬浮液状态时的径向压差，单位为Pa；ρ为浆液密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为kg/(m·s)；D为管道直径，单位为m；

然后根据浆液管道与浆液特性以及计算得到的径向压差，确定径向压差阈值。

6.如权利要求3所述的浆液管道堵塞预警的压差检测方法，其特征在于：所述步骤2.4)中，根据步骤2.1)得到的径向和轴向压差信号以及步骤2.2)和2.3)设定的径向和轴向压差阈值进行堵塞判断，并根据判断结果发送相应控制指令到泵，发送预警信号到远程监控系统的方法为：

将轴向压差与设定的轴向压差阈值进行比较：

当轴向压差超过轴向压差阈值时，控制系统确认浆液管道内发生堵塞现象并立即给泵发送停机指令，同时向远程监控系统发送堵塞信号；

当轴向压差在轴向压差阈值内时，将径向压差与径向压差阈值进行比较，若径向压差超过径向压差阈值，则控制系统确认浆液管道内出现固定沉淀容易堵塞并向泵发送调整指令，同时向远程监控系统发送易堵塞预警信号。

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