CN111089230A - 高浓度水煤浆输送管道监测预警系统及预警方法 - Google Patents

高浓度水煤浆输送管道监测预警系统及预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高浓度水煤浆输送管道监测预警系统及预警方法，包括电容传感器、信号获取单元、无线通讯模块和上位机；安装在输送管道上的信号获取单元包括电容检测板和电极状态转换板，在电极状态转换板内STM32控制单元控制ADG612芯片，来对电极的状态进行切换，电容检测板用来测量和传输电容值数据，无线通讯模块将采集到的一个周期的数据发送至上位机进行处理，显示不同位置的管道内部浆体流动状态，进行图像重建，进行相关分析计算，显示水煤浆的实时流动速度，保存历史数据。当管道内部出现堵塞现象或煤粉颗粒沉降现象的时候，能够及时预警处理问题，减小其带来的不必要的损失，此系统提高了管道状态监测的实时性、准确性。

Description

高浓度水煤浆输送管道监测预警系统及预警方法
技术领域
本发明属于管道运输动态监测技术领域，尤其涉及一种高浓度水煤浆输送管道监测预警系统。
背景技术
高浓度水煤浆是由大约65％的煤，34％的水和1％的添加剂通过物理加工得到的一种低污染、高效率、可管道输送的代油煤基流体燃料。它的显著特点是粘度高,而且粘度与其含水量、温度和添加剂等因素有关。水煤浆作为一种可以流动而又能够长期保持悬浮状态的高浓度煤、水混合物,流动状况比较复杂。工业燃用的水煤浆浓度较高、粘度较大，在管内流动时的雷诺数亦较低,流动属于层流状态。水煤浆中含有钙、镁、钠离子盐类容易结垢，水中残留的氧气容易腐蚀管道结垢，进而管径变窄而堵塞管道，影响了长距离输送水煤浆管道的正常安全运行。目前，普遍使用超高分子量聚乙烯材料的管道进行水煤浆的输送，此材料的管道要达到不结垢的条件是水煤浆的流速需要保持在2.3～4.6m/s，而高浓度水煤浆的流速基本保持在0.5～1m/s，加之其流动状况复杂，极易在管道内壁上产生结垢，造成堵塞。
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)作为一种可视化测量技术，由于其具有无辐射、成像速度快、非接触和非侵入，耐高温高压以及低成本等诸多优点，已经发展成为一种非常有前途的过程成像方法，该技术多用于工业管道测量。其系统依赖布置于被测场域边界的阵列电极获取一系列的电容测量值，并利用电容测量值与被测场域内介质分布之间的关系进行图像的重建，得到被测场域内介质分布图像。当管道内多相介质的空间分布发生变化时，电容也会发生变化，数据采集系统则将测得的电容量转化为数字量并传送给计算机，计算机则根据一定的图像重建算法完成图像重建工作，达到对管道输送状态的动态监测和预警。
发明内容
本发明的目的是提供一种高浓度水煤浆输送管道监测预警系统和预警方法，对高浓度水煤浆输送管道不同位置的实时状态进行监测和预警，该系统结构简单，灵敏度高，抗干扰能力强，实用性强。工作人员可通过实时监测水煤浆输送管道不同位置的浆体浓度和流速来确定其输送状态是否正常，当管道内部出现堵塞现象或煤粉颗粒沉降现象的时候，能够及时预警处理问题，减小其带来的不必要的损失，此系统提高了管道状态监测的实时性、准确性。
为了解决上述的技术问题，本发明采用的方案是：一种高浓度水煤浆输送管道监测预警系统，包括电容传感器、信号获取单元、无线通讯模块和上位机；
安装在输送管道上的电容传感器由电极、填充材料和屏蔽电极组成,屏蔽电极由径向电极和屏蔽层组成，屏蔽层用来抑制外界电磁场的干扰，径向电极与屏蔽层相连并且指向圆心，用来抑制相邻电极之间的信号干扰；
安装在输送管道上的信号获取单元包括电容检测板和电极状态转换板，在电极状态转换板内STM32控制单元控制ADG612芯片，来对电极的状态进行切换，电容检测板用来测量和传输电容值数据，当一个数据采集周期结束后，无线通讯模块将采集到的一个周期的数据发送至上位机进行处理，显示不同位置的管道内部浆体流动状态，进行图像重建；进行相关分析计算，显示水煤浆的实时流动速度，保存历史数据。
一种高浓度水煤浆输送管道监测预警方法，主要包括如下步骤： (1)在水煤浆输送管道上按实际需求在不同位置安装电容传感器，信号获取单元和无线通讯模块，上游的电容传感器用于图像重建，显示浆体的实时浓度，上游和下游发送回来的电容检测值经过相关分析计算得到相关函数Rxt(τm)，该图形峰值对应的时间τm是浆体从上游传感器到下游传感器的流动时间，经过计算就可得出浆体的流动速度，工作人员通过重建的图像和浆体流速来掌握输送管内不同位置的浆体流动状况；
(2)远程控制电容传感器对激励电极施加电压来测量其他电极对之间的电容值，如此往复直至所有电极全部依次激励，并且电极对之间的电容值测量完毕后，通过无线通讯模块将测得的数据传输至上位机进行图像重建和相关分析计算；
(3)工作人员接收到发送回来的数据，再通过上位机进行图像重建，得出输送管道不同位置的水煤浆介电常数分布图像；
(4)通过监测管道内部水煤浆介电常数分布图像，掌握输送管道内部煤粉颗粒的沉降情况；
(5)通过对比不同时刻的浆体流动速度，判断输送管道内部是否存在堵塞问题，以此达到对输送管道实时状态监测和预警的目的。
本发明基于电容层析成像技术对高浓度水煤浆输送管道进行实时监测和预警，在水煤浆输送管道上的不同位置按实际需求安装一套电容传感器和数据采集传输装置，在上位机中显示不同位置的管道内部浆体流动状态，当浆体出现煤粉颗粒析出沉降浓度发生改变时，尤其是在长距离的管道运输过程中极易造成管道内部堵塞，通过对比不同时刻的浆体流速，判断管道是否发生堵塞，也能够通过对比不同位置的浆体浓度和流速，确定发生堵塞的大致位置，方便现场防护人员准确的、有针对性的对管道堵塞位置进行清理，提高效率，减少损失。
此系统利用内置的无线通讯模块传输监测数据，有效地避免了采集数据时的冗杂和错误，能够提高上位机处理数据的高效性。当上位机接收发送回来的数据后，后台自动进行数据处理显示和历史数据的存储，工作人员能够随时查看管道内部浆体实时流动和历史流动状态波动图，更加高效、准确的分析和判断管道内部浆体浓度变化情况以及是否发生堵塞问题，此系统使用方便，监测效率高。
附图说明
图1是电容传感器的结构图。
图2是输送管道监测预警的原理示意图。
图3是系统总体设计框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
如图3所示，一种高浓度水煤浆输送管道监测预警方法，包括如下步骤：
(1)在水煤浆输送管道上按实际需求在不同位置安装电容传感器，信号获取单元和无线通讯模块，使整个监测系统能够实时地监测输送管道不同位置的状态信息；
(2)远程控制电容传感器对激励电极施加电压来测量其他电极对之间的电容值，如此往复直至所有电极全部依次激励，并且电极对之间的电容值测量完毕后，通过无线通讯模块将测得的数据传输至上位机进行图像重建和相关分析计算；
(3)工作人员接收到发送回来的数据，再通过上位机进行图像重建，得出输送管道不同位置的水煤浆介电常数分布图像。通过监测管道内部水煤浆介电常数分布图像，掌握输送管道内部煤粉颗粒的沉降情况；通过对比不同时刻的水煤浆流速，判断输送管道内部是否存在堵塞问题，以此达到对输送管道实时状态监测和预警的目的。
电容层析成像测量原理：利用一组电极从外部环绕工业管道被测区域，通过测量电容传感器不同电极对之间的电容值，根据电容层析成像图像重建算法重建电容传感器内部介电常数分布即进行图像重建，就可以观察到被测区域的内部物质分布情况。当水煤浆在传输过程中出现煤粉颗粒析出，其浓度的分布会发生改变，导致介电常数分布也会发生变化，重建的管道内部浆体流动图像会清晰地反应出水煤浆的浓度变化情况。
如图1所示，一种高浓度水煤浆输送管道监测预警系统，其特征是该系统包括：电容传感器、信号获取单元、无线通讯模块和上位机； R1是管道外半径，R2是电极半径，R3是屏蔽层半径，θ是电极对应的角度
安装在输送管道1上的电容传感器由电极2、填充材料3和屏蔽电极组成,屏蔽电极由径向电极4和屏蔽层5组成，屏蔽层用来抑制外界电磁场的干扰，径向电极与屏蔽层相连并且指向圆心，用来抑制相邻电极之间的信号干扰；
安装在输送管道上的信号获取单元包括电容检测板和电极状态转换板，在电极状态转换板内STM32控制单元控制ADG612芯片，来对电极的状态进行切换，电容检测板用来测量和传输电容值数据，当一个数据采集周期结束后，无线通讯模块将采集到的一个周期的数据发送至上位机进行处理，显示不同位置的管道内部浆体流动状态，进行图像重建；进行相关分析计算，显示水煤浆的实时流动速度，保存历史数据。
其图像重建算法如下
利用有限元划分网格对所监测的输送管道场域进行离散化处理，将其划分为m个单元。通过单个电极激励，其余两两电极测量电容值可以得到u×1维的被测电容矢量矩阵W，
一个由n个极板电容传感器构成的电容成像系统可以提供 u＝n(n-1)/2个独立测量电容值，12块电极测量的独立电容值为66。
电容传感器中电极在管道外壁的布置如图1所示，电极阵列由12 块金属电极组成，电极的编号为1、2、3……12，一个数据采集周期的过程为：首先选择电极1作为激励电极，电极2、3、4……12作为检测电极，并同时测量电极1和2,1和3，…1和12之间的电容值，由于A/D测量电路的输入端处于虚地状态，同时测量是互不影响的。然后切换到电极2作为激励电极，电极3、4……12作为检测电极，并同时测量电极2和3，2和4，…2和12之间的电容值如此，直到电极11作为激励电极，电极12作为检测电极，一个数据采集周期会得到66个独立的测量电容值。这些测量电容值数据形成含有66个元素的数组。
一般的，在电容传感器由n个电极构成时，会构成u个元素的数组，对其进行归一化处理得到u×1维的被测电容矢量矩阵W，其中 u的计算公式为：
u＝n(n-1)/2 (4)
电容层析成像系统中，检测电极获得的电容值与被测场域的介电常数分布为非线性关系，若想重建管道内部不同物质的分布情况，其本质是得到不同物质分布的介电常数分布，当被测场域被剖分足够多的单元，非线性关系可以用线性关系近似表示，
W＝S×G (5)
其中，W为u×1维的被测电容矢量矩阵；S为u×m维的灵敏度矩阵；G为m×1维的灰度矢量矩阵即介电常数分布矩阵；u代表独立的检测电容值个数；m代表被测场域的划分单元数。
由式(2)得到下式：
W＝F(G)＝S·G (6)
设
Figure RE-GDA0002369798050000081
为Jacobian矩阵，则根据Newton-Rapshon方法求解方程(3)的公式为：
Figure RE-GDA0002369798050000082
其中F'(Gk)和F(Gk)分别是当前介电常数分布相对应的雅可比矩阵和电容值，k为迭代次数，在函数F(G)收敛过程中，每迭代一步都会重新更新，F(G)的梯度函数为ST(SG-W),极小化目标函数为
Figure RE-GDA0002369798050000083
由式(5)得到Gk+1后，若其满足精度要求，最终介电常数分布矢量 G＝Gk+1,若其不满足精度要求，则继续重复式(5)，以此类推，直到求得的介电常数分布满足精度要求，得到满足精度要求的介电常数分布矩阵G。根据求得的介电常数分布矩阵G和被测区域划分的网格，做出相应介电常数分布图像，即可完成图像的重建。
水煤浆流动速度的相关分析计算方法如下：
电容传感器监测水煤浆流动速度的原理如图2所示。在输送管道上安装双截面电容传感器，上游的传感器发送回来的数据用于浆体浓度监测即进行图像重建，上游、下游发送回来的电容值数据进行相关分析计算。虽然浆体流过上游截面的形状肯定和流过下游截面的形状完全不同，但是只要上游下游截面之间的距离足够的小，浆体流动的形状相对变化就小，就可以近似的认为浆体流过上下游截面的形状基本一致，满足“凝固”流动假设。依据以上的原理，流过上游截面的浆体所产生的噪声经过一定的时间会被下游的传感器检测到，其噪声产生的波形和经过上游传感器时噪声产生的波形相似，只是在时间上相差τm，假设上游传感器检测得到的信号为x(t),下游得到的信号为 y(t),经相关分析计算得到相关函数Rxt(τm),该图形峰值对应的时间τm就是浆体从上游传感器到下游传感器的流动时间,其相关计算公式为：
Figure RE-GDA0002369798050000091
式中，x(i)为上游传感器测得的电容信号，y(i+j)为下游传感器测得的电容信号，i为相关取样个数，j为相隔一段时间的取样个数，Δt为电容系统测量一组数据所用的时间，由电容采集系统的自身属性所决定，求得该图形峰值对应的时间τm的公式为：
τm＝j·Δt (2)
当浆体先后流过上下游电容传感器的时间τm确定，系统所使用的双截面电容传感器，其上游、下游的电容极板几何中心距离已确定为 L(L的大小由实际应用中的情况确定)，则可以求得浆体的实时流动速度，公式为：
Figure RE-GDA0002369798050000092
通过对上游、下游的电容传感器测得的电容信号进行相关分析计算，即可近似地求得管道内部水煤浆的流动速度，上位机将每次进行相关分析计算的浆体流动速度值进行保存，工作人员即可通过查看历史数据曲线图来掌握管道内部浆体的流动情况，当有堵塞异常情况发生时，导致了流动速度发生改变，工作人员根据浆体流动速度曲线图实时的监测管道运输情况，对异常情况进行及时的预警，对于长距离的管道运输，则可以通过监测不同位置的浆体流动速度，判断异常堵塞问题发生的大致位置，以便于现场维护人员能够及时，精准的处理事故，减少不必要的经济损失。

Claims (4)

1.一种高浓度水煤浆输送管道监测预警系统，其特征是该系统包括：电容传感器、信号获取单元、无线通讯模块和上位机；
安装在输送管道(1)上的电容传感器由电极(2)、填充材料(3)和屏蔽电极组成,屏蔽电极由径向电极(4)和屏蔽层(5)组成，屏蔽层用来抑制外界电磁场的干扰，径向电极与屏蔽层相连并且指向圆心，用来抑制相邻电极之间的信号干扰；
安装在输送管道上的信号获取单元包括电容检测板和电极状态转换板，在电极状态转换板内STM32控制单元控制ADG612芯片，来对电极的状态进行切换，电容检测板用来测量和传输电容值数据，当一个数据采集周期结束后，无线通讯模块将采集到的一个周期的数据发送至上位机进行处理，显示不同位置的管道内部浆体流动状态，进行图像重建；进行相关分析计算，显示水煤浆的实时流动速度，保存历史数据。
2.如权利要求1所述的高浓度水煤浆输送管道监测预警系统，其特征是监测预警系统的预警方法包括如下步骤：
(1)在水煤浆输送管道上按实际需求在不同位置安装电容传感器，信号获取单元和无线通讯模块，上游的电容传感器用于图像重建，显示浆体的实时浓度，上游和下游发送回来的电容检测值经过相关分析计算得到相关函数Rxt(τm)，该图形峰值对应的时间τm是浆体从上游传感器到下游传感器的流动时间，经过计算就可得出浆体的流动速度，工作人员通过重建的图像和浆体流速来掌握输送管内不同位置的浆体流动状况；
(2)远程控制电容传感器对激励电极施加电压来测量其他电极对之间的电容值，如此往复直至所有电极全部依次激励，并且电极对之间的电容值测量完毕后，通过无线通讯模块将测得的数据传输至上位机进行图像重建和相关分析计算；
(3)工作人员接收到发送回来的数据，再通过上位机进行图像重建，得出输送管道不同位置的水煤浆介电常数分布图像；
(4)通过监测管道内部水煤浆介电常数分布图像，掌握输送管道内部煤粉颗粒的沉降情况；
(5)通过对比不同时刻的浆体流动速度，判断输送管道内部是否存在堵塞问题，以此达到对输送管道实时状态监测和预警的目的。
3.如权利要求2所述的高浓度水煤浆输送管道监测预警方法，其特征是流动速度的相关分析计算方法如下：假设上游传感器检测得到的信号为x(t),下游得到的信号为y(t),经相关分析计算得到相关函数Rxt(τm),该图形峰值对应的时间τm就是浆体从上游传感器到下游传感器的流动时间,其相关计算公式为：
Figure FDA0002300806480000021
式中，x(i)为上游传感器测得的电容信号，y(i+j)为下游传感器测得的电容信号，i为相关取样个数，j为相隔一段时间的取样个数，Δt为电容系统测量一组数据所用的时间，由电容采集系统的自身属性所决定，求得该图形峰值对应的时间τm的公式为：
τm＝j·Δt (2)
再确定电容传感器上游、下游的电容极板几何中心距离L，则可以求得浆体的实时流动速度，公式为：
Figure FDA0002300806480000031
。
4.如权利要求2所述的高浓度水煤浆输送管道监测预警方法，其特征是图像重建算法如下：
一般的，在电容传感器由n个电极构成时，一个数据采集周期会得到u个独立的测量电容值，这些测量电容值数据形成含有u个元素的数组，对其进行归一化处理得到u×1维的被测电容矢量矩阵W，其中u的计算公式为：
u＝n(n-1)/2 (4)
电容层析成像系统中，检测电极获得的电容值与被测场域的介电常数分布为非线性关系，当被测场域被剖分足够多的单元，非线性关系可以用线性关系近似表示，
W＝S×G (5)
其中，W为u×1维的被测电容矢量矩阵；S为u×m维的灵敏度矩阵；G为m×1维的灰度矢量矩阵即介电常数分布矩阵；u代表独立的测量电容值个数；m代表被测场域的划分单元数；
由式(5)得到下式：
Figure FDA0002300806480000032
设
Figure FDA0002300806480000041
为Jacobian矩阵，则根据Newton-Rapshon方法求解方程(6)的公式为：
Gk+1＝Gk-[(F'(Gk))T(F'(Gk))]-1·[(F'(Gk))T(F(Gk)-W)] (7)
其中F'(Gk)和F(Gk)分别是当前介电常数分布相对应的雅可比矩阵和电容值，k为迭代次数，在函数F(G)收敛过程中，每迭代一步都会重新更新，F(G)的梯度函数为ST(SG-W),极小化目标函数为
Figure FDA0002300806480000042
由式(7)得到Gk+1后，若其满足精度要求，最终介电常数分布矢量G＝Gk+1,若其不满足精度要求，则继续重复式(7)，以此类推，直到求得满足精度要求的介电常数分布矩阵G，根据求得的介电常数分布矩阵G和被测区域划分的网格，做出相应介电常数分布图像，即可完成图像的重建。
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