CN111530845A - 一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置及除垢方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于超声波技术进行阀冷水回路均压电极的手持式除垢装置，属于超声无损去除技术领域。本发明提出的均压电极除垢装置主要包括电流注入模块、垢层厚度检测模块、高频电信号发生模块、功率放大模块、换能器信号模块。厚度检测模块通过施加电流激励测量均压电极电位，根据不同的测量阻抗确定均压电极结垢的厚度，超声波调节模块内置Powell算法，通过测量的厚度信息智能优化高频电信号发生模块发出信号的频率、功率放大模块的放大倍数、以及超声作用时间，实现最优的除垢效果；最后通过换能器模块输出超声波利用空化效应除去电极表面垢层。以往情况下换流阀检修需要抽样拆卸均压电极。

Description

一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置及除垢方法

技术领域

本发明属于高压直流输电系统中设备的冷却系统，尤其是一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置及除垢方法

背景技术

在特高压输电系统中，换流阀既是系统工作的核心设备，同时也是系统的薄弱环节。换流阀在系统工作过程中会产生大量的热量，其温度过热是导致换流阀故障的重要原因，超过25％的换流阀故障是由阀冷系统造成的。换流阀的冷却系统简称阀冷系统，阀冷系统工作时冷却水带走热量，保证换流阀温度保持正常。而换流阀中各金属构件电位不同与冷却水直接接触，金属件之间电位不同就会产生电流，造成金属构件的腐蚀。通过安装均压电极，使电流通过均压电极泄露，但均压电极在运行过程中不断结垢。电极结垢脱落会引起冷却水管堵塞等问题，导致换流站因阀冷系统故障而停运。

目前国内解决均压电极结垢的方法是定期检修清洗，但采用的方法是拆除电极后由工作人员利用机械的方式除垢，由于拆卸均压电极过程比较繁琐，并且反复拆卸均压电极容易使密封垫圈松动，在进行均压电极清洗工作时往往都是抽样进行检查，若样品结垢不明显不会清理所有电极，这也就造成了严重的安全隐患。

因此，换流阀内冷系统水路电极反应结垢的除垢方式需要更高效，以保证除垢效果和除垢工时，进而保证换流阀安全运行。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置及方法。本发明的技术方案如下：

一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置，其包括：电源模块、垢层厚度检测模块、高频信号发生模块、高频信号检测模块、功率放大模块、信号跟踪控制模块及超声波换能器，其中电源模块分别与垢层厚度检测模块、高频信号发生模块、功率放大模块电连接，所述垢层厚度检测模块与高频信号发生模块相连接，高频信号发生模块分别与信号跟踪控制模块模块、功率放大模块单向连接，信号跟踪控制模块与功率放大模块双向连接，功率放大模块与超声波换能器单向连接，所述电源模块用于为电流注入模块和高频信号发生模块提供电源、垢层厚度检测模块用于通过给均压电极施加一个电压，测量其流入均压电极的电流，并根据实际运行结垢情况，进而确定不同运行时间下换流阀均压电极垢层的厚度；高频信号发生模块用于通过接受厚度检测模块的信息产生对应与能够去除相应垢层的超声波频率的电信号；功率放大模块用于将信号发生模块的信号功率放大；高频信号发生模块应用STM32单片机编程内置Powell算法，通过测量的厚度信息智能优化高频电信号发生模块发出信号的频率、功率放大模块的放大倍数、以及超声作用时间，实现最优的除垢效果；信号跟踪控制模块用于通过测量装置反馈信息在负载变化的情况下，保证输出的驱动信号与目标驱动信号一致；及换能器用于将功率放大模块输出的电信号转化为超声信号实现电信号到超声信号的转化。

进一步的，所述高频信号发生模块将工频信号经整流电路、PWM逆变电路产生高频正弦电信号，高频正弦电信号的频率范围为10KHz-100KHz、通过功率放大模块将电信号的功率放大至50W-3000W、将功率放大后的信号输入换能器模块经过压电转换产生对应频率和功率的超声波。

进一步的，所述垢层厚度检测模块将直流恒流电流源接入待测均压电极端，注入电流为1A，另一端接在离均压电极最近的铝散热器上形成回路，根据测量的接入电阻，判断电极的结垢情况。

所述电源模块采用AP12N07-Zero型号AC-DC变换B1212S-1W型号DC-DC变换、垢层厚度检测模块、高频信号发生模块采用STM32F103C8T6型号单片机，信号跟踪控制模块采用TAK17-005型号电流互感器、功率放大模块采用OPA549型号功率放大器、及换能器模块采用频率为20、40Khz功率功率为20、50、100w的超声波换能器。

进一步的，所述电源模块采用AP12N07-Zero型号AC-DC变换B1212S-1W型号DC-DC变换、垢层厚度检测模块、高频信号发生模块采用STM32F103C8T6型号单片机，信号跟踪控制模块采用TAK17-005型号电流互感器、功率放大模块采用OPA549型号功率放大器、及换能器模块采用频率为20、40Khz功率功率为20、50、100w的超声波换能器。

一种基于任一项所述装置的除垢方法，其包括以下步骤：

步骤1、垢层厚度检测模块通过电流注入模块向均压电极上施加一个电压，测量其流入均压电极的电流，并根据实际运行结垢情况，进而确定不同运行时间下换流阀均压电极垢层的厚度；

步骤2、获取换流站换流阀均压电极的布置方式，获取流经换流阀去离子水水温、比热容、绝热压缩系数、泊松比、杨氏模量在内的物性参数；

步骤3、根据步骤2获取的实际流经换流阀去离子水水温、比热容、绝热压缩系数、泊松比、杨氏模量在内的物性参数，确定超声波在水电极-去离子水中的传播特性，结合去离子水粘滞系数、表面张力、静压力特性及超声频率，声压、声能量、声功率、声强在内的参数，构建等温状态下气泡的运动方程，即Rayleigh模型，分析空化效应强弱及超声除垢效果的影响因素；

步骤4、根据步骤3得到的空化效应强弱及超声除垢效果的影响因素，分别对不同厚度垢层采用powell算法优化超声波的声学参数，求取对于不同垢层超声除垢最佳效果的超声波参数，并对超声波按照该除垢最佳效果的超声波参数进行调节并除垢。

进一步的，所述步骤4分别对不同厚度垢层采用powell算法优化超声波的声学参数，达到损失最小即min(L(f,p))，具体包括：

Powell算法

给定一个初始超声波特征x₀＝(f₀,P₀)两个，f₀,P₀分别表示装置开始运行时检测的频率和功率线性无关的单位坐标向量e₁、e₂，误差精度ε≥0；

(1)令p_k←e_k+1(k＝1,2)P_k为算法更新方向；

(2)依次沿P_k作一维搜搜得到步长使得L(x^(k)+t_kp_k)＝max L(x^(k)+tp_k)(k＝1,2),令

x^(k)表示第k次更新之后输出的目标超声波特性；t_k表示第k次更新时更新参数的步长；L表示超声波除垢收益函数

(3)作一维搜索L(x⁽ⁿ⁾+t_np_n-1)＝min L(x⁽ⁿ⁾+tp_n-1)，令x⁽ⁿ⁺¹⁾←x⁽ⁿ⁾+t_np_n-1

(4)若||x⁽ⁿ⁺¹⁾-x⁽⁰⁾||＜ε，计算输出结果；否则转(5)；

(5)x⁽⁰⁾←x⁽ⁿ⁺¹⁾,转(2)。

进一步的，所述等温状态下气泡的运动方程，即Rayleigh模型为：

式中：R、R₀—气泡的半径和初始半径；ρ—液体密度；σ—液体表面张力系数；P_v—空泡内蒸汽压力；P_A—外加超声声场，其形式为P_asin(2πft)；P₀—液体静压力；μ—液体粘滞系数；γ—绝热指数，对等温过程值为1。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明有利之处在于：

第一，传统换流阀结垢检测通过拆卸电极的方式进行人工除垢，本专利针对换流阀设计的手持式装置，相比于其他超声除垢装置，本装置的形状能够更好的布置在均压电极附近，同时重量轻便方便工作人员带上阀塔；

第二，传统换流阀拆卸式除垢会造成密封破坏，引起换流阀内冷水回路漏水，在换流阀检修时直接将超声作用在均压电极上进行除垢不必拆卸电极，避免换流阀出现事故；

第三，换流阀检修时间只有一天，因此除垢速度快速是本专利的有利之处通过内置优化算法优化超声参数，即能有效去除垢层又能减少转置能量消耗，极大提升装置的续航能力，增加单次使用时间，减少充电次数使工作人员能够极大加快现场检修人员的检修效率。

综上所述装置契合于换流阀均压电极除垢布置需要的形状，内置算法能极大加快现场检修人员的检修效率，进行非拆卸检测从而保障换流阀运行安全，在垢层去除等领域具有较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明提供第一优选实施例一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置结构框图；

图2表示本发明提供第二优选实施例一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1所示，一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置，其包括：电源模块、垢层厚度检测模块、高频信号发生模块、高频信号检测模块、功率放大模块、信号跟踪控制模块及超声波换能器，其中电源模块分别与垢层厚度检测模块、高频信号发生模块、功率放大模块电连接，所述垢层厚度检测模块与高频信号发生模块相连接，高频信号发生模块分别与信号跟踪控制模块模块、功率放大模块单向连接，信号跟踪控制模块与功率放大模块双向连接，功率放大模块与超声波换能器单向连接，所述电源模块用于为电流注入模块和高频信号发生模块提供电源、垢层厚度检测模块用于通过给均压电极施加一个电压，测量其流入均压电极的电流，并根据实际运行结垢情况，进而确定不同运行时间下换流阀均压电极垢层的厚度；高频信号发生模块用于通过接受厚度检测模块的信息产生对应与能够去除相应垢层的超声波频率的电信号；功率放大模块用于将信号发生模块的信号功率放大；高频信号发生模块应用STM32单片机编程内置Powell算法，通过测量的厚度信息智能优化高频电信号发生模块发出信号的频率、功率放大模块的放大倍数、以及超声作用时间，实现最优的除垢效果；信号跟踪控制模块用于通过测量装置反馈信息在负载变化的情况下，保证输出的驱动信号与目标驱动信号一致；及超声波换能器用于将功率放大模块输出的电信号转化为超声信号实现电信号到超声信号的转化。

基于超声波进行特高压换流站内冷水回路均压电极的手持式除垢方法，其包括以下步骤：

1.基于超声波进行特高压换流站内冷水回路均压电极除垢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，厚度检测模块向电极上施加一个电压，测量其流入均压电极的电流，并根据实际运行结垢情况，进而确定不同运行时间下换流阀均压电极垢层的厚度；

步骤二，根据换流站换流阀均压电极的布置方式设计便携式换流阀超声除垢装置；

步骤三，利用内冷水的物性参数，确定超声波在水中的传播，结合去离子水粘滞系数、表面张力、静压力特性及超声频率，声压、声能量、声功率、声强等参数，构建等温状态下气泡的运动方程,即Rayleigh模型。采用Runge-Kuta法对空化气泡运动方程进行数值分析，求解空化效应强弱及超声除垢效果；

步骤四，根据上述步骤，分别对不同厚度垢层采用powell算法优化超声波的声学参数，求取对于不同垢层超声除垢最佳效果的超声波参数。

优选的，状态采集模块包括直流恒流电源、电流检测芯片、电位检测模块，直流恒流电流源接入待测均压电极端，注入电流为1A，另一端接在离均压电极最近的铝散热器上形成回路，根据测量的接入电阻，判断电极的结垢情况。

优选的，通过高频电信号发生模块将工频信号经整流电路、PWM逆变电路产生高频正弦电信号其信号的频率范围为10KHz-100KHz、通过功率放大模块将电信号的功率放电至50W-3000W、将功率放大后的信号输入换能器模块经过压电转换产生对用频率和功率的超声波。

优选的，步骤三所述的超声波在水电极-去离子水中的传播特性具体情况为：

①声压

声压是指当有声波作用于媒质时，媒质中的压力超过静压力的值。假设把弹性媒质初始未受到声波振动时的处于静止平衡状态的压强记为大气压强P₀，把其受到声波扰动后的压强记为P，则由此而产生的逾量压强(简称逾压)可表示为②声阻抗率与特性阻抗

类比于电工学中阻抗的概念，如果将声压比作电压，将质点速度v比作电流，就可以用一个新的阻抗量描述为：

③在均压电极与去离子水界面超声的折射与反射

对于异质界面来说，超声波可能是垂直入射，或者是倾斜入射，前者将产生反射和透射现象，后者除产生反射和透射外，还将产生折射现象，同时还将出现波型的转换。

当超声波在传播过程中垂直入射到由两种声阻抗率不同的媒质所构成的异质界面时，将产生一个反射波和一个透射波，本装置主要涉及声波的垂直入射：

声压反射系数表示为：

式中：P_r为反射声压

P₀为入射声压

声压透射系数表示D为：

式中：P_d为反射声压

P₀为入射声压

引入异质界面的两种媒质的声阻抗率，将式(2－17)和式(2－18)改写为：

其中压电极材料的声阻抗为Z₁＝45.4，去离子水的声阻抗为Z₂＝1.48带入公式得到均压电极—去离子水的分界面上超声的反射和透射系数R＝-0.9368、D＝0.063。因为在均压电极中声波的衰减系数很小，忽略声压损耗认为均压电极表面的声压与换能器产生的超声声压相同，在均压电极与去离子水表面的透射系数与均压电极表面的声压乘积即为去离子水中声压的大小P_w＝D×P_i。

优选的，所述的超声波在水电极-去离子水中空化效应情况为：Rayleigh模型当超声波在液体中传播时，由于其扰动声场尽作用于液体使气泡受到正压力而开始收缩时，由能量守恒关系可知，液体由于气泡收缩而获得的动能与气泡克服内部压力所做的功相等，再进一步考虑气泡空化过程中液体的粘滞作用和辐射阻尼，

可得到等温状态下气泡的运动方程，即Rayleigh模型为：

式中：R、R₀—气泡的半径和初始半径；

ρ—液体密度；

σ—液体表面张力系数；

P_v—空泡内蒸汽压力；

P_A—外加超声声场，其形式为P_a sin(2πft)；

P₀—液体静压力；

μ—液体粘滞系数；

γ—绝热指数，对等温过程值为1。

参数值见表1：

表1 Rayleigh模型参数

①超声频率对空化效果的影响

在给定的参数条件下，随着声场频率由f＝20KHz逐渐增加到f＝50KHz，空化泡膨胀到极限位置时的半径依次递减，即空化过程的振幅减小、激烈程度减弱；其原因在于，首先是由于空化阈随声场频率增加而增加，即空化变得越来越兙不容易发生；其次是随着声场频率增加，其作用周期变快，相应超声波的膨胀相的作用兙时间变短，使得在该作用时间内空化泡不能完成膨胀一收缩一崩溃的空化过程，或者说完成的不充分。因此，对于超声空化的各种研究和应用来说，应当尽量采用较低的超声频率从而获得较好的空化效果。兙

②声场声压对空化作用的影响

对于给定的参数条件下，随着声场声压由132.5KPa逐渐增加到200KPa，空化泡膨胀到极限位置时的半径依次递增，即空化过程的振幅增大激烈程度加剧。其原因是在较高的声压作用下，空化过程变得容易发生。因此，应当尽量采用较高的超声功率来获得较好的空化效果。

③除垢效果函数构造

根据步骤二，步骤三建立线性除垢效果函数，

G(f,P)＝a×f+b×P+c

式中：a—超声频率对空化效应的影响因子

b—超声声压对空化效应的影响因子

c—空化效应的非齐次部分

④构造空化效应、能量损耗的代价函数

根据步骤四建立损失函数L(f，P)，：

均压电极除垢装置可以产生频率为10KHz-100KHz、声压为100KPa-200KPa的超声波，本装置考虑到现场实际除垢能力与装置能耗的需要，构造变量为频率、声压的损失函数L(f，P)，函数中包含单次启动消耗能量C、产生单位时间特定超声消耗能量M、除垢效果耗时T。

6.根据步骤五、所述的对超声波的声学参数优化，基于不同垢层厚度超声除垢最佳效果的超声波参数达到损失最小即min(L(f,p))。

Powell算法

给定一个初始超声波特征(f₀,P₀)两个，线性无关的单位坐标向量e₁、e₂，误差精度ε≥0

(1)令P_k←e_k+1(k＝1,2)

(2)依次沿P_k作一维搜搜得到步长使得L(x^(k)+t_kp_k)＝min L(x^(k)+tp_k)(k＝1,2),令

(6)作一维搜索L(x⁽ⁿ⁾+t_np_n-1)＝minL(x⁽ⁿ⁾+tp_n-1)，令x⁽ⁿ⁺¹⁾←x⁽ⁿ⁾+t_np_n-1

(7)若||x⁽ⁿ⁺¹⁾-x⁽⁰⁾||＜ε，计算输出结果；否则转(5)；

(8)x⁽⁰⁾←x⁽ⁿ⁺¹⁾,转(2)

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置，其特征在于，包括：电源模块、垢层厚度检测模块、高频信号发生模块、高频信号检测模块、功率放大模块、信号跟踪控制模块及超声波换能器，其中电源模块分别与垢层厚度检测模块、高频信号发生模块、功率放大模块电连接，所述垢层厚度检测模块与高频信号发生模块相连接，高频信号发生模块分别与信号跟踪控制模块模块、功率放大模块单向连接，信号跟踪控制模块与功率放大模块双向连接，功率放大模块与超声波换能器单向连接，所述电源模块用于为电流注入模块和高频信号发生模块提供电源、垢层厚度检测模块用于通过给均压电极施加一个电压，测量其流入均压电极的电流，并根据实际运行结垢情况，进而确定不同运行时间下换流阀均压电极垢层的厚度；高频信号发生模块用于通过接受厚度检测模块的信息产生对应与能够去除相应垢层的超声波频率的电信号；功率放大模块用于将信号发生模块的信号功率放大；高频信号发生模块应用STM32单片机编程内置Powell算法，通过测量的厚度信息智能优化高频电信号发生模块发出信号的频率、功率放大模块的放大倍数、以及超声作用时间，实现最优的除垢效果；信号跟踪控制模块用于通过测量装置反馈信息在负载变化的情况下，保证输出的驱动信号与目标驱动信号一致；及超声波换能器用于将功率放大模块输出的电信号转化为超声信号实现电信号到超声信号的转化。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置，其特征在于，所述高频信号发生模块将工频信号经整流电路、PWM逆变电路产生高频正弦电信号，高频正弦电信号的频率范围为10KHz-100KHz、通过功率放大模块将电信号的功率放大至50W-300W、将功率放大后的信号输入换能器模块经过压电转换产生对应频率和功率的超声波。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置，其特征在于，所述垢层厚度检测模块将直流恒流电流源接入待测均压电极端，注入电流为1A，另一端接在离均压电极最近的铝散热器上形成回路，根据测量的接入电阻，判断电极的结垢情况。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的均压电极手持式除垢装置，其特征在于，所述电源模块采用AP12N07-Zero型号AC-DC变换B1212S-1W型号DC-DC变换、垢层厚度检测模块、高频信号发生模块采用STM32F103C8T6型号单片机，信号跟踪控制模块采用TAK17-005型号电流互感器、功率放大模块采用OPA549型号功率放大器、及超声波换能器采用频率为20、40Khz功率功率为20、50、100w的超声波换能器。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述装置的除垢方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、垢层厚度检测模块通过电流注入模块向均压电极上施加一个电压，测量其流入均压电极的电流，并根据实际运行结垢情况，进而确定不同运行时间下换流阀均压电极垢层的厚度；

步骤2、获取换流站换流阀均压电极的布置方式，获取流经换流阀去离子水水温、比热容、绝热压缩系数、泊松比、杨氏模量在内的物性参数；

步骤3、根据步骤2获取的实际流经换流阀去离子水水温、比热容、绝热压缩系数、泊松比、杨氏模量在内的物性参数，确定超声波在水电极-去离子水中的传播特性，结合去离子水粘滞系数、表面张力、静压力特性及超声频率，声压、声能量、声功率、声强在内的参数，构建等温状态下气泡的运动方程，即Rayleigh模型，分析空化效应强弱及超声除垢效果的影响因素；

步骤4、根据步骤3得到的空化效应强弱及超声除垢效果的影响因素，分别对不同厚度垢层采用powell算法优化超声波的声学参数，求取对于不同垢层超声除垢最佳效果的超声波参数，并对超声波按照该除垢最佳效果的超声波参数进行调节并除垢。

6.根据权利要求5所述的除垢方法，其特征在于，所述步骤4分别对不同厚度垢层采用powell算法优化超声波的声学参数，达到损失最小即min(L(f,p))，具体包括：

Powell算法

给定一个初始超声波特征x₀＝(f₀,P₀)两个，f₀,P₀分别表示装置开始运行时检测的频率和功率线性无关的单位坐标向量e₁、e₂，误差精度ε≥0；

(1)令p_k←e_k+1(k＝1,2)P_k为算法更新方向；

(2)依次沿P_k作一维搜搜得到步长使得L(x^(k)+t_kp_k)＝max L(x^(k)+tp_k)(k＝1,2),

令

x^(k)表示第k次更新之后输出的目标超声波特性；t_k表示第k次更新时更新参数的步长；L表示超声波除垢收益函数；

(3)作一维搜索L(x⁽ⁿ⁾+t_np_n-1)＝min L(x⁽ⁿ⁾+tp_n-1)，令x⁽ⁿ⁺¹⁾←x⁽ⁿ⁾+t_np_n-1

(4)若||x⁽ⁿ⁺¹⁾-x⁽⁰⁾||＜ε，计算输出结果；否则转(5)；

(5)x⁽⁰⁾←x⁽ⁿ⁺¹⁾,转(2)。

7.根据权利要求5所述的除垢方法，其特征在于，所述等温状态下气泡的运动方程，即Rayleigh模型为：

式中：R、R₀—气泡的半径和初始半径；ρ—液体密度；σ—液体表面张力系数；P_v—空泡内蒸汽压力；P_A—外加超声声场，其形式为P_asin(2πft)；P₀—液体静压力；μ—液体粘滞系数；γ—绝热指数，对等温过程值为1。

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