CN111482418A - 一种气液耦合式长距离管道清洗装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种气液耦合式长距离管道清洗装置，包括水泵站系统、气路系统、气液耦合系统、主管道、工控机及PLC控制柜，气路系统包括空气压缩机、储气罐和气压管路和第二开关阀，气路系统包括空气压缩机、储气罐和气压管路和电磁脉冲阀，气液耦合系统包括清洗管，水泵站系统产生的脉动水流和气路系统产生的脉动气流在管接头处交替进行混合并通过空化作用产生压力对清洗管进行清洗，一种气液耦合式长距离管道清洗方法包括7个步骤，该气液耦合管道清洗装置结构简化、生产效率高、降低了管道清洗的劳动强度，在取水方便的长距离管道铺设地区具有显著的优势。
Description
技术领域
本发明属于机械工程流体传动与控制、工程及自动化控制技术领域，特别涉及一种气液耦合式长距离管道清洗装置及其方法。
背景技术
长距离流体(水、油、气等)输送管道内壁的清洁度对系统正常工作至关重要，这种管道一般传输距离远，管道中间可拆卸的接头(如阀门、法兰等)较少且管道走向复杂，存在多种变径的弯头，在长期运行之后，各种污垢吸附沉积在管壁内，导致流速变缓、效率降低；管道内壁还会因生锈出现大量附着在管道内部的生长环，对流体输送及系统正常运行造成了很大影响。
技术比较成熟的清洗方法有物理清洗和化学清洗。常用的物理清洗方式有高压水射流法、通球清洗、管道机器人及超声波清洗等。高压水射流受限于流体压力衰减，只对平整表面内壁的短距离管道有效，对弯曲、凹凸的管道很难清洗干净；通球清洗要求管道不变径且要求通球在移动中密封，对凹凸不平的管道不适用；管道机器人清洗效果好但成本很高，并且对小直径管道不适用；超声波清洗方式适合短距离管道，对深埋地下的长距离管道不适用。化学清洗法是使用化学清洗剂和相应的工艺对管道进行除锈、除垢，这种方式虽然也能够达到一定的清洗效果，但化学清洗剂会对环境造成污染。因此，探索有效的物理清洗方式符合国家节能减排相关政策。
发明内容
为了克服现有不足，本发明的目的在于提出一种通过控制脉动水流和脉动气流混合后产生的作用力对长距离复杂走向管线进行清洗的装置以及利用该装置对长距离管线进行清洗的方法。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种气液耦合式长距离管道清洗装置，包括水泵站系统、气路系统、气液耦合系统、主管道、工控机及PLC控制柜，水泵站系统包括高压水泵和液压管路，高压水泵进液端通过液压管路与水箱连通、出液端通过液压管路与主管道连通，该系统的主管道上设置有与PLC控制柜相连、使从高压水泵内输出的水经过后产生频率、压力及流量可调节的脉动水流的第二开关阀；
气路系统包括空气压缩机、储气罐和气压管路，储气罐进气端与空气压缩连通、出气端与气压管路连通,气压管路通过管接头与主管道连通，气压管路上还设置有由PLC控制柜控制、使从储气罐进入的气体产生频率、压力及流量可调节的脉动气流的电磁脉冲阀；
气液耦合系统包括两端分别与主管道连通的清洗管，清洗管上设有的第一法兰和第二法兰，第二法兰位于清洗管末端且其内部还设有将清洗管与主管道分隔开的隔板，水泵站系统产生的脉动水流和气路系统产生的脉动气流在管接头处交替进行混合并通过空化作用产生压力对清洗管进行清洗。
进一步的，高压水泵进液端的液压管路上还设有过滤器和第一开关阀。
进一步的，高压水泵出液端设有闸阀且与出液端连通的液压管路上设有单向阀和调整液体流量的第一节流阀。
进一步的，液压管路上位于过滤器和第一开关阀之间的位置上还设有一个与水箱连通的支路且该支路上设有调节液体压力的溢流阀。
进一步的，气压管路自储气罐向主管道的方向上依次设置有调节气体压力的减压阀和调节气体流量的第二节流阀。
进一步的，该气液耦合式长距离管道清洗装置上还设置有使工控机与PLC控制柜进行无线通信的通信模块。
进一步的，主管道上还旁设有将从清洗管内清理出来的污染物排出管外的排污管。
一种气液耦合式长距离管道清洗方法，包括以下7个步骤：
S1：启动高压水泵，水箱中的液体进入高压水泵中；
S2：将溢流阀开到最小压力并缓慢调节溢流阀来调节水泵站系统的压力；
S3：开启电磁脉冲阀，打开闸阀，高压水泵中的水流进入第二开关阀内并产生脉动水流；
S4：启动空气压缩机，空气经储气罐、减压阀进入电磁脉冲阀内形成压力、频率可调的脉动气流，脉动气流通过管接头与进入主管道中的脉动水流混合产生空化作用并释放出压力从而完成对清洗管进行清洗，清洗出来的污染物随着水流通过排污管排出管外；
S5：关闭空气压缩机和电磁脉冲阀；
S6：调节溢流阀,将水泵站系统内的压力调至最小；
S7：关闭高压水泵和闸阀，系统停止运行。
借由上述技术方案，本发明的优点是：该气液耦合管道清洗装置结构简化、清洗方法简单、生产效率高、降低了管道清洗的劳动强度，在取水方便的长距离管道铺设地区具有显著的优势。另外，与化学清洗方式相比无污染且系统采用PLC程序控制，具有自动化程度高，便于实现远程监控等优点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一种气液耦合式长距离管道清洗装置的结构示意图，
图2-1、2-1、2-3、2-4是本发明中气压对空化作用影响的曲线图，
图3是本发明中液体压力对空化作用影响的曲线图，
图4是本发明中气液压力对空化作用影响的曲线图。
【附图标记】
1-水箱，2-过滤器，3-溢流阀，4-第一开关阀，5-高压水泵，6-闸阀，7-单向阀，8-第一节流阀，9-第二开关阀，10-管接头，11-电磁脉冲阀，12-第二节流阀，13-减压阀，14-空气压缩机，15-储气罐，16-PLC控制柜，17-通信模块，18-工控机，19-清洗管，20-第一法兰，21-排污管，22-隔板，23-第二法兰。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种气液耦合式长距离管道清洗装置及其方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
请参阅图1，一种气液耦合式长距离管道清洗装置包括水泵站系统、气路系统、气液耦合系统和主管道，水泵站系统包括水箱1、高压水泵5、液压管路，高压水泵5的进液端通过液压管路与水箱1连通且该液压管路上自水箱1至高压水泵5的方向上还依次设有过滤器2和第一开关阀4，该液压管路上位于过滤器2和第一开关阀4之间的位置上还设有一个支路，该支路与水箱1连通且上面设有调节液体压力的溢流阀3；高压水泵5出液端设有闸阀6，与其出液端连通的液压管路上还依次设有单向阀7、调整液体流量的第一节流阀8。打开第一开关阀4，高压水泵5从水箱1中抽取水，水流经过过滤器2过滤后进入高压水泵5，打开闸阀6，高压水泵5内的水经单向阀7和第一节流阀8进入主管道，液压管路和主管道通过第一节流阀8相连通；水泵站系统在正常运行的过程中溢流阀3处于关闭状态，当系统内压力过载时溢流阀3打开，对液体压力进行调节、对水泵站进行保护。
该气液耦合式长距离管道清洗装置上还设有工控机18及PLC控制柜16，工控机18通过通信模块17与PLC控制柜16进行无线通信。水泵站系统内与液压管路连通的主管道上设置有第二开关阀9，第二开关阀9为电磁开关阀且其开闭状态由PLC控制柜16控制，从高压水泵5内输出的水经过第二开关阀9后，在PLC控制柜16、溢流阀3及第一节流阀8的控制下产生频率、压力及流量可调节的脉动水流。
气路系统包括空气压缩机14、储气罐15和气压管路，空气压缩机14出气端与储气罐15相连通，储气罐15出气端设有气压管路且气压管路通过管接头10与主管道连通，该气压管路自储气罐15向主管道的方向上依次设置有调节气体压力的减压阀13、调节气体流量的第二节流阀12以及电磁脉冲阀11，空气压缩机14工作产生的气体进入储气罐15内，气体从储气罐15出去并依次经过减压阀13、第二节流阀12进入电磁脉冲阀11；电磁脉冲阀11的启闭状态及启闭频率由PLC控制柜16控制，在PLC控制柜16、减压阀13及第二节流阀12的控制下，气体经电磁脉冲阀11产生频率、压力及流量可调节的脉动气流。
气液耦合系统包括清洗管19，清洗管19两端与主管道连通，清洗管19上设有第一法兰20和第二法兰23，第二法兰23位于清洗管19末端且内部设置有隔板22，隔板22能够将清洗管19与主管道隔离起来；清洗管19末端处还旁设有排污管21，将从清洗管19内清理出来的污染物通过排污管21水流排出管外，防止污染物随水流进入主管道。高压水泵5工作时，当高压水泵5内某点压力降低到低于水的饱和蒸汽压力时水就开始汽化，从而在流体内部出现一定的微气核，微气核在外部作用下会产生生长、破灭的动力学过程，这个过程叫空化作用。空化作用充分时，产生的气核会发生长大、破灭，而破灭时会释放出压力，且释放出的压力通常为管道内部流体压力的几十倍。在通常管道的清洗过程中由于管道中微气核很少，因此空化作用很微弱，而脉动水流和脉动气流在管接头10处通过PLC控制进行交替混合，通过气液的耦合，通入的气体在液体的作用下促进了原来管道中微气核的数量，使充液管道中产生了大量的微气核，进而大幅促进了原来管道中空化作用的效果。空化过程产生的力作用到管道内壁上，从而对污染物进行去除与剥离。在该气液耦合系统中，液体和气体的压力、流量和交替时间都是可控的，从而使得空化作用的效果也是可控的。
一种气液耦合式长距离管道清洗方法如下：
S1：启动高压水泵5，水箱1中的液体经过过滤器2进入高压水泵5中；
S2：将溢流阀3开到最小压力，缓慢调节溢流阀3来调节水泵站系统的压力；
S3：开启电磁脉冲阀11，打开闸阀6，高压水泵5中的水流通过单向阀7和第一节流阀8进入第二开关阀9内并产生频率、压力及流量可调节的脉动水流；
S4：启动空气压缩机14，空气经储气罐15、减压阀13进入电磁脉冲阀11内形成压力、频率可调的脉动气流，脉动气流通过管接头10与进入主管道中的脉动水流混合产生空化作用并释放出压力从而完成对清洗管19的清洗，清洗出来的污染物随着水流通过排污管21排出管外；
S5：关闭空气压缩机14和电磁脉冲阀11；
S6：调节溢流阀3,将水泵站系统内的压力调至最小；
S7：关闭高压水泵5和闸阀6，系统停止运行。
请参阅图2-1、2-1、2-3、2-4和图4，气体压力和液体压力的增大会促进空化后压力的增大，同时，在气液交替时间的控制中，气体时间越长，空化效果越明显；另外，气泡半径的大小对空化效果也有影响。总之，理论研究与实验研究均表明，气液耦合系统是可控的，产生的空化作用力可对管道内壁的污染物进行去除且效果明显。
请参阅图2-1、2-1、2-3、2-4表明，随着气压的升高，空化作用加剧，产生的空化作用力加大；图3表明，随着液体压力的升高，空化作用加剧，产生的空化作用力加大。从图1可以看出，气压与液体压力都可以进行调节，气体压力通过减压阀13调节、液体压力通过溢流阀3调节。此外，图4表明气液交替混合的时间对空化作用效果也有显著的影响，从图4的现场测试表明，通气时间越长，空化作用力越大。综上所述，图1的气液耦合系统，首先通过加入气体，促进了管道内部水流空化核的形成，同时，在气液耦合参数可调可控的气体与液体的作用下，通过理论研究与试验研究，均表明了管道内部流体空化作用的可控性与显著性，且系统气液参数可通过PLC进行程序控制，自动化程度高，具有显著的经济效益与社会效益。
综上所述，这种基于可控的气液耦合理论和控制方法的提出，对目前长距离管道的清洗具有较显著的效果，对振动理论和振动利用工程的发展具有重要的学术价值，具有较好的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种气液耦合式长距离管道清洗装置，其特征在于：包括水泵站系统、气路系统、气液耦合系统、主管道、工控机及PLC控制柜，水泵站系统包括高压水泵和液压管路，高压水泵进液端通过液压管路与水箱连通、出液端通过液压管路与主管道连通，该系统的主管道上设置有与PLC控制柜相连、使从高压水泵内输出的水经过后产生频率、压力及流量可调节的脉动水流的第二开关阀；
气路系统包括空气压缩机、储气罐和气压管路，储气罐进气端与空气压缩连通、出气端与气压管路连通,气压管路通过管接头与主管道连通，气压管路上还设置有由PLC控制柜控制、使从储气罐进入的气体产生频率、压力及流量可调节的脉动气流的电磁脉冲阀；
气液耦合系统包括两端分别与主管道连通的清洗管，清洗管上设有的第一法兰和第二法兰，第二法兰位于清洗管末端且其内部还设有将清洗管与主管道分隔开的隔板，水泵站系统产生的脉动水流和气路系统产生的脉动气流在管接头处交替进行混合并通过空化作用产生压力对清洗管进行清洗。
2.根据权利要求1所述的一种气液耦合式长距离管道清洗装置，其特征在于：高压水泵进液端的液压管路上还设有过滤器和第一开关阀。
3.根据权利要求1所述的一种气液耦合式长距离管道清洗装置，其特征在于：高压水泵出液端设有闸阀且与出液端连通的液压管路上设有单向阀和调整液体流量的第一节流阀。
4.根据权利要求1所述的一种气液耦合式长距离管道清洗装置，其特征在于：液压管路上位于过滤器和第一开关阀之间的位置上还设有一个与水箱连通的支路且该支路上设有调节液体压力的溢流阀。
5.根据权利要求1所述的一种气液耦合式长距离管道清洗装置，其特征在于：气压管路自储气罐向主管道的方向上依次设置有调节气体压力的减压阀和调节气体流量的第二节流阀。
6.根据权利要求1所述的一种气液耦合式长距离管道清洗装置，其特征在于：该气液耦合式长距离管道清洗装置上还设置有使工控机与PLC控制柜进行无线通信的通信模块。
7.根据权利要求1所述的一种气液耦合式长距离管道清洗装置，其特征在于：主管道上还旁设有将从清洗管内清理出来的污染物排出管外的排污管。
8.一种气液耦合式长距离管道清洗方法，其特征在于：包括以下7个步骤：
S1：启动高压水泵，水箱中的液体进入高压水泵中；
S2：将溢流阀开到最小压力并缓慢调节溢流阀来调节水泵站系统的压力；
S3：开启电磁脉冲阀，打开闸阀，高压水泵中的水流进入第二开关阀内并产生脉动水流；
S4：启动空气压缩机，空气经储气罐、减压阀进入电磁脉冲阀内形成压力、频率可调的脉动气流，脉动气流通过管接头与进入主管道中的脉动水流混合产生空化作用并释放出压力从而完成对清洗管进行清洗，清洗出来的污染物随着水流通过排污管排出管外；
S5：关闭空气压缩机和电磁脉冲阀；
S6：调节溢流阀,将水泵站系统内的压力调至最小；
S7：关闭高压水泵和闸阀，系统停止运行。
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- 2020-05-20 CN CN202010430665.1A patent/CN111482418A/zh active Pending
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