CN110501270B - 一种冰浆输送管道防堵塞监测方法、系统及解除装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冰浆输送管道防堵塞监测方法、系统及解除装置，在高浓度冰浆管道输送过程，当冰粒子沿管道截面呈不均匀分布时，管道内不同位置冰浆的导电率发生改变。利用电阻层析成像原理监测高浓度冰浆管道输冰粒子浓度分布，即可定量评估管道堵塞潜在风险并根据风险等级开发解除装置，同时监测方法、系统与解除装置的适用性、精确性和鲁棒性能够得到有效保障。
Description
技术领域
本发明属于冰浆输送管道领域，具体说是一种冰浆输送管道防堵塞监测方法、系统与解除装置。
背景技术
暖通空调系统能耗占建筑能耗比例高达40％以上，通过暖通空调技术创新驱动建筑节能已成为其低碳发展的关键。区域供冷作为一种先进的集中空调解决方案，已在容积率、负荷密度及负荷率高的城市商务区广泛应用。为提升输配管网冷量输送效率，以高载能冰浆代替传统冷冻水、以相变全热代替温差显热降温用户建筑已成为区域供冷技术发展新趋势。虽然冰浆在区域供冷系统中应用具有显著优势，但仍面临诸多难题。其中之一，就是如何将冰浆携带的全热冷量通过二次管网安全、高效地输送至用户建筑。然而，冰浆隶属特殊的固液两相流，冰粒子与载流体间密度差异使其在供冷管路内呈现复杂的非均质性流动。特别是当冰浆管道输送速度较低时，高浓度冰浆中冰粒子向管道顶部聚集加剧而诱发管道堵塞。因此，以高浓度冰浆输送管道为监测对象，开发防堵塞监测方法与解除装置，对优化冰浆管道输送、保证系统安全运行具有重要工程价值。
目前，有关高浓度冰浆输送管道防堵塞监测方法研究已有部分文献报道。其中，高速成像法、在线采样法和超声波测速法应用最为广泛。高速成像法是利用高速相机记录冰浆管道输送流型分布，根据冰粒子在管道顶部聚集图像判断管道是否存在堵塞。该方法对管材透明度有明确要求，同时难于得到定量的监测结果，因此其工程适用性受到限制。在线采样法是将采样装置插入输送管道，测试管道内不同位置冰粒子含量，进而定量判断管道内是否存在因冰粒子聚集而导致的管道堵塞。该方法虽然能够实现冰浆输送管道定量监测，但是采样探头插入管道内会对冰浆流动产生一定扰流，因此其测试精度有待提高。超声波测速法是利用多普勒超声波测速仪测试冰浆管道输送对应的冰粒子速度分布，当管道内某位置冰粒子聚集时其对应的速度分布曲线发生变形，根据速度分布曲线的变形情况判断管道是否堵塞。该监测方法为无扰监测，但是对冰浆流动的稳定性要求较为严格，同时监测结果对超声波脉冲频率变化响应较为敏感，因此其鲁棒性需改进。此外，既有的监测方法缺乏对监测结果的反馈，即：根据监测结果确定管道堵塞时的解除方案。由此可见，发展具有一定适用性、精确性和鲁棒性的高浓度冰浆输送管道防堵塞监测方法与解除装置至关重要。
发明内容
本申请提供一种冰浆输送管道防堵塞监测方法、系统与解除装置，利用电阻层析成像原理监测高浓度冰浆管道输冰粒子浓度分布，即可定量评估管道堵塞潜在风险并根据风险等级开发解除装置，同时监测方法、系统与解除装置的适用性、精确性和鲁棒性能够得到有效保障。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种冰浆输送管道防堵塞监测方法，具体包括如下步骤：
S1、敏感场激励单元的激励电流经电极阵列加到被测管道内的高浓度冰浆中，建立敏感场；依次测量敏感场的场域边界上电极对之间被测电压；
S2、信号测试与转换单元将测得电压输出信号转换为电导率输出信号；
S3、数据采集与处理单元将采集到的电导率输出瞬时信号，完成相应的解调、滤波处理，以获得直接反应物场变化的信息，输送给图像重建与参数提取单元；
S4、基于图像重建与参数提取单元获得的被测管道内高浓度冰浆沿管道截面的冰粒子浓度分布数据，利用防堵塞识别与解除单元判定冰粒子浓度分布的不均匀性，如果冰粒子浓度分布的不均匀性指数超过设定值，则通过解除装置进行处理。
进一步的，信号测试与转换单元将测得电压输出信号转换为电导率输出信号，其转换方法如公式(1)所示：
σs,n＝KIn/Un (1)
式中，K表示与被测管道形状有关的常数，σs,n表示高浓度冰浆的电导率，Un表示被测电压，In表示激励电流，n表示测试数据序列。
进一步的，图像重建与参数提取单元中采用的提取方法如公式(2)所示：
Φn＝[2-2(1+ηs,n)/(σw/σso)]/[2+(1+ηs,n)/(σw/σso)] (2)
ηs,n＝(σs,n-σso)/σso (3)
式中，σso表示被测管道内高浓度冰浆高速流动时对应的电导率，σw表示被测管道内高浓度冰浆液体相的电导率，σs,n表示测试工况下高浓度冰浆的电导率，ηs,n表示测试工况下高浓度冰浆的相对电导率，Φn表示高浓度冰浆的冰粒子局部浓度。
进一步的，防堵塞识别与解除单元中判定冰粒子分布的不均匀性，具体判别方法如公式(4)所示：
式中，Пindicator表示被测管道内高浓度冰浆沿管道截面的冰粒子浓度分布不均匀性指数；Пindicator越小，表示冰粒子分布均匀性越好；Пindicator越大，表示冰粒子分布均匀性越差；根据Пindicator值，判定被测管道的堵塞情况并建立相应的解除方案；当Пindicator在安全值范围内，无动作；当Пindicator超过一级阙值，调整安装在被测管道上游的流量调节阀的阀门开度；当Пindicator超过二级阙值，启动解除装置中的非恒定加热热源设备对被测管道进行多点位移动加热。
本申请还提供一种冰浆输送管道防堵塞监测系统，包括：敏感场激励单元、信号测试与转换单元、数据采集与处理单元、图像重建与参数提取单元、防堵塞识别与解除单元和用于发送电流激励信号、数据显示和图像计算的主控计算机单元；所述主控计算机单元分别与敏感场激励单元、数据采集与处理单元、图像重建与参数提取单元电连接，所述敏感场激励单元、信号测试与转换单元、数据采集与处理单元、图像重建与参数提取单元、防堵塞识别与解除单元依次电连接，所述防堵塞识别与解除单元中设有解除装置；
所述敏感场激励单元包括电极阵列、激励电流和被测电压，所述电极阵列是由多个电极均匀布置在被测管道的外壁，所述被测管道内的流体为高浓度冰浆；相邻两个电极之间的电压为被测电压，激励电流经电极阵列加到被测管道内的高浓度冰浆中。
本申请还提供一种解除装置，包括非恒定加热热源设备，该设备上部设有半圆形凹槽，所述半圆形凹槽内设有分散式加热片；固定卡箍两端分别通过固定旋转装置、弹簧挂钩与非恒定加热热源设备顶部相连，所述固定旋转装置与弹簧挂钩分布在半圆形凹槽两侧，半圆形凹槽与固定卡箍之间为被测管道。
进一步的，所述非恒定加热热源设备底部连接有移动支架，所述移动支架包括水平导轨、竖直导轨和旋转臂，所述竖直导轨垂直安装在水平导轨上，旋转臂一侧与竖直导轨顶部相连，旋转臂另一侧设有安装板，在安装板上设有两个圆形孔，柱状螺栓分别经相应的圆形孔拧入非恒定加热热源设备底部的螺纹孔中。
进一步的，在水平导轨底部设有高度调节座。
进一步的，在非恒定加热热源设备一侧设有启停按钮、档位调节按钮和温度表盘，档位调节按钮控制分散式加热片的运行片数。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本申请通过监测高浓度冰浆管道输送过程冰粒子空间分布，评估冰浆输送管道堵塞潜在风险，能够优化冰浆供冷管路系统运行。根据冰粒子浓度分布的不均匀性，定量地确定相应的风险解除方法和解除装置，能够有效保证高浓度冰浆管道输送的安全性与经济性。
附图说明
图1为一种冰浆输送管道防堵塞监测系统结构图；
图2为非恒定加热热源设备结构示意图；
图3为非恒定加热热源设备俯视图；
图4为非恒定加热热源设备主视图；
图5为非恒定加热热源设备侧视图；
图6为移动支架结构示意图；
图7为移动支架俯视图；
图8为移动支架主视图；
图9为移动支架侧视图；
图10为非恒定加热热源设备与移动支架连接示意图；
图11为非恒定加热热源设备与移动支架连接主视图。
图中序号说明：1.敏感场激励单元，2.信号测试与转换单元，3.数据采集与处理单元，4.图像重建与参数提取单元，5.防堵塞识别与解除单元，6.主控计算机单元，7.电极阵列，8.激励电流，9.被测电压，10.被测管道，11.高浓度冰浆，12.非恒定加热热源设备，13.分散式加热片，14.固定卡箍，15.启停按钮，16.档位调节按钮，17.温度表盘，18.弹簧挂钩，19.固定旋转装置，20.螺纹孔，21.水平导轨，22.竖直导轨，23.旋转臂，24.高度调节座，25.圆形孔，26.柱状螺栓。
具体实施方式
本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1
本实施例提供一种冰浆输送管道防堵塞监测方法，具体包括如下步骤：
S1、敏感场激励单元1的激励电流8经电极阵列7加到被测管道10内的高浓度冰浆11中，建立敏感场；依次测量敏感场的场域边界上电极对之间被测电压9。其中，16块电极组成8个电极对，共计得到104组被测电压。
S2、信号测试与转换单元2将测得电压输出信号转换为电导率输出信号，转换方法如公式(1)所示：
σs,n＝KIn/Un (1)
式中，K表示与被测管道10形状有关的常数，σs,n表示高浓度冰浆11的电导率，Un表示被测电压9，In表示激励电流8，n表示测试数据序列(即：n＝1,2,……,N；N＝104)。
S3、数据采集与处理单元3将采集到的电导率输出瞬时信号，完成相应的解调、滤波处理，以获得直接反应物场变化的信息，输送给图像重建与参数提取单元4，该单元中参数提取方法如公式(2)所示：
Φn＝[2-2(1+ηs,n)/(σw/σso)]/[2+(1+ηs,n)/(σw/σso)] (2)
ηs,n＝(σs,n-σso)/σso (3)
式中，σso表示被测管道10内高浓度冰浆11高速流动时对应的电导率(即：冰粒子混合均匀)，σw表示被测管道10内高浓度冰浆11液体相的电导率(即：冰粒子载流体)，σs,n表示测试工况下高浓度冰浆11的电导率，ηs,n表示测试工况下高浓度冰浆11的相对电导率，Φn表示高浓度冰浆11的冰粒子局部浓度。
S4、基于图像重建与参数提取单元4获得的被测管道10内高浓度冰浆11沿管道截面的冰粒子浓度分布数据，利用防堵塞识别与解除单元5判定冰粒子分布的不均匀性，判别方法如公式(4)所示：
式中，Пindicator表示被测管道10内高浓度冰浆11沿管道截面的冰粒子浓度分布不均匀性指数；Пindicator越小，表示冰粒子分布均匀性越好；Пindicator越大，表示冰粒子分布均匀性越差。根据Пindicator值，判定被测管道10的堵塞情况并建立相应的解除方案。当Пindicator在安全值范围内，系统无动作；当Пindicator超过一级阙值，调整安装在被测管道10上游的流量调节阀的阀门开度；当Пindicator超过二级阙值，系统启动非恒定加热热源装置12对被测管道10进行多点位移动加热。
实施例2
如图1所示，本实施例提供一种冰浆输送管道防堵塞监测系统，包括敏感场激励单元1、信号测试与转换单元2、数据采集与处理单元3、图像重建与参数提取单元4、防堵塞识别与解除单元5和主控计算机单元6。其中，敏感场激励单元1包括电极阵列7、激励电流8和被测电压9，同时电极阵列7是由16块电极均匀布置在被测管道10的外壁，被测管道10内的流体为高浓度冰浆11。
实施例3
如图本实施例提供一种解除装置，包括非恒定加热热源设备，如图2-5所示，该设备上部设有半圆形凹槽，所述半圆形凹槽内设有分散式加热片；固定卡箍两端分别通过固定旋转装置、弹簧挂钩与非恒定加热热源设备顶部相连，所述固定旋转装置与弹簧挂钩分布在半圆形凹槽两侧，半圆形凹槽与固定卡箍之间为被测管道。在非恒定加热热源设备一侧设有启停按钮、档位调节按钮和温度表盘，优选的，在非恒定加热热源设备上设有多个固定卡箍。
非恒定加热热源设备发出12的加热量，由档位调节按钮16控制分散式加热片13的运行片数来实现。与此同时，为了保证非恒定加热热源设备12的多点位测量，将非恒定加热热源设备12与移动支架24连接。移动支架24的结构图如图6-9所示。所述移动支架24包括水平导轨21、竖直导轨22和旋转臂23。其中，旋转臂23连接的安装板上设有两个相同的圆形孔25，通过两个相同的柱状螺栓26经圆形孔25拧入非恒定加热热源设备12上的螺纹孔20，进而将非恒定加热热源设备12与移动支架24连接，如图10-11所示。此外，移动支架24的底座高度可竖向调节。
电阻层析成像是测试敏感场中不同媒介的电导率间接获得媒介的分布。当冰粒子在冰浆管道输送过程中呈现不均匀分布时，管道横截面内不同位置流体的电导率并不一致，因此通过测量管道内不同位置的电导率即可利用电阻层析成像预测出管道内冰粒子浓度的空间分布。根据冰粒子浓度的空间分布数据，引入冰粒子浓度分布不均匀性判别指数，判定冰粒子在管道内聚集风险。利用判别指数进行风险评估，进而能够有效地制定不同的管道堵塞解除方案。因此，该监测方法、系统与解除装置的适用性、精确性和鲁棒性能够得到有效保证。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种冰浆输送管道防堵塞监测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、敏感场激励单元的激励电流经电极阵列加到被测管道内的高浓度冰浆中，建立敏感场；依次测量敏感场的场域边界上电极对之间被测电压；
S2、信号测试与转换单元将测得电压输出信号转换为电导率输出信号；
S3、数据采集与处理单元将采集到的电导率输出瞬时信号，完成相应的解调、滤波处理，以获得直接反应物场变化的信息，输送给图像重建与参数提取单元；
S4、基于图像重建与参数提取单元获得的被测管道内高浓度冰浆沿管道截面的冰粒子浓度分布数据，利用防堵塞识别与解除单元判定冰粒子浓度分布的不均匀性，如果冰粒子浓度分布的不均匀性指数超过设定值，则通过解除装置进行处理；
上述方法是在防堵塞监测系统中实施的，所述系统包括：敏感场激励单元、信号测试与转换单元、数据采集与处理单元、图像重建与参数提取单元、防堵塞识别与解除单元和用于发送电流激励信号、数据显示和图像计算的主控计算机单元；所述主控计算机单元分别与敏感场激励单元、数据采集与处理单元、图像重建与参数提取单元电连接，所述敏感场激励单元、信号测试与转换单元、数据采集与处理单元、图像重建与参数提取单元、防堵塞识别与解除单元依次电连接，所述防堵塞识别与解除单元中设有解除装置；
所述敏感场激励单元包括电极阵列、激励电流和被测电压，所述电极阵列是由多个电极均匀布置在被测管道的外壁，所述被测管道内的流体为高浓度冰浆；相邻两个电极之间的电压为被测电压，激励电流经电极阵列加到被测管道内的高浓度冰浆中；
所述解除装置，包括非恒定加热热源设备，该设备上部设有半圆形凹槽，所述半圆形凹槽内设有分散式加热片；固定卡箍两端分别通过固定旋转装置、弹簧挂钩与非恒定加热热源设备顶部相连，所述固定旋转装置与弹簧挂钩分布在半圆形凹槽两侧，半圆形凹槽与固定卡箍之间为被测管道；
信号测试与转换单元将测得电压输出信号转换为电导率输出信号，其转换方法如公式(1)所示：
σs,n＝KIn/Un (1)
式中，K表示与被测管道形状有关的常数，σs,n表示高浓度冰浆的电导率，Un表示被测电压，In表示激励电流，n表示测试数据序列；
图像重建与参数提取单元中采用的提取方法如公式(2)所示：
Φn＝[2-2(1+ηs,n)/(σw/σso)]/[2+(1+ηs,n)/(σw/σso)] (2)
ηs,n＝(σs,n-σso)/σso (3)
式中，σso表示被测管道内高浓度冰浆高速流动时对应的电导率，σw表示被测管道内高浓度冰浆液体相的电导率，σs,n表示测试工况下高浓度冰浆的电导率，ηs,n表示测试工况下高浓度冰浆的相对电导率，Φn表示高浓度冰浆的冰粒子局部浓度；
防堵塞识别与解除单元中判定冰粒子浓度分布的不均匀性，具体判别方法如公式(4)所示：
式中，Пindicator表示被测管道内高浓度冰浆沿管道截面的冰粒子浓度分布的不均匀性指数；Пindicator越小，表示冰粒子分布均匀性越好；Пindicator越大，表示冰粒子分布均匀性越差；
当Пindicator在安全值范围内，无动作；当Пindicator超过一级阙值，调整安装在被测管道上游的流量调节阀的阀门开度；当Пindicator超过二级阙值，启动解除装置中的非恒定加热热源设备对被测管道进行多点位移动加热。
2.根据权利要求1所述一种冰浆输送管道防堵塞监测方法，其特征在于，所述非恒定加热热源设备底部连接有移动支架，所述移动支架包括水平导轨、竖直导轨和旋转臂，所述竖直导轨垂直安装在水平导轨上，旋转臂一侧与竖直导轨顶部相连，旋转臂另一侧设有安装板，在安装板上设有两个圆形孔，柱状螺栓分别经相应的圆形孔拧入非恒定加热热源设备底部的螺纹孔中。
3.根据权利要求2所述一种冰浆输送管道防堵塞监测方法，其特征在于，在水平导轨底部设有高度调节座。
4.根据权利要求1所述一种冰浆输送管道防堵塞监测方法，其特征在于，在非恒定加热热源设备一侧设有启停按钮、档位调节按钮和温度表盘，档位调节按钮控制分散式加热片的运行片数。
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