CN112461296A - 一种带光纤监测的换热机组及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带光纤监测的换热机组及监测方法，包括基于光纤传感器的压力、温度、声波、振动信号采集器、带光纤传感器的阀门、泵、管道及换热器、光纤信号传输线缆及网络、光纤数据分析平台及光纤监测系统平台；所述安装光纤传感器的阀门、泵、管道以及换热器设备的压力、温度、声波以及振动信号通过光纤传感器采集并传输至换热机组控制单元，所述换热机组控制单元就地处理所述光纤信号，或经过光纤信号传输线缆及网络，传输至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台；光纤数据分析平台根据光纤信号获取阀门、泵、管道及换热器的工作状态，实现实时的连续的换热机组在线监测，成本低，而且故障率低，可实现换热机组运行状态连续在线准确监测。

Description

一种带光纤监测的换热机组及其监测方法

技术领域

本发明属于光纤监测技术领域，具体涉及一种带光纤监测的换热机组及其监测方法。

背景技术

集中供热由于热源量大、热效率高、单位燃料消耗少、节约劳动力和占用面积小，因此，在城市供热中，普遍以集中供热为主。所谓集中供热，就是由热源——换热站——用户三部分组成，利用一定的管道向住户的住宅内以各种方式输送热量的一个循环过程。换热站是集中供热系统的重要组成部分，换热站是系统供热网路和供热用户连接的场所，是热源和热源所送达目的地的中间环节。所以换热站的设备在集中供热中起着举足轻重的作用。换热站里面核心设备是换热机组，换热机组由二次侧和一次侧循环系统构成。二次侧循环系统由循环水泵、管道和阀门等组成，与用户构成一个环路；一次侧循环系统由热侧管道、阀门等组成，与热源构成一个环路。两个循环系统通过换热器进行热量交换，将一次侧循环系统的热量传递到二次侧，进而把热量送给用户。

随着目前物联网技术进展，越来越多的换热站的换热机组采用了无人值守等自动化监控运行技术，即通过安装各种各样的传感器及调节阀、平衡阀和调速泵等自控流量设备，从而实现了换热机组的远程控制和自动化运行。但随着传感器数量的增多，传感器类型不统一，不但系统投资大，而且往往出现数据格式不统一，故障率高等问题，很多自控设备和传感器设备没有发挥作用，被人为切除，换热机组很多还是依靠人工手动调节运行。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种带光纤监测的换热机组及其监测方法，采用目前技术越来越成熟、光纤价格也逐年降低的光纤传感器技术，对换热机组进行全面信号监测，从而实现真正的远程和无人值守自动化的运行监控，减少传感器类型不统一及投资巨大的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种带光纤监测的换热机组，包括基于光纤传感器的压力、温度、声波、振动信号采集器、带光纤传感器的阀门、水泵、管道及换热器、光纤信号传输线缆及网络、光纤数据分析平台及光纤监测系统平台；

所述安装光纤传感器的阀门、水泵、管道以及换热器设备的压力、温度、声波以及振动信号通过光纤传感器采集并传输至换热机组控制单元，所述换热机组控制单元就地处理所述光纤信号，或经过光纤信号传输线缆及网络传输至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台；换热机组中的流量计连接通过传输线缆连接换热机组控制单元的输入端；

所述光纤数据分析平台及光纤监测系统平台根据光纤信号获取阀门、泵、管道及换热器的工作状态，基于光纤信号分析阀门、泵、管道及换热器是否发生泄漏或内漏、水泵或阀门工作是否正常任务中的任意一种；光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中还用于所有光纤传感器实时监测的数据。

光纤传感器为干涉型光纤传感器或非干涉型光纤传感器。

光纤传感器为单模光纤、多模光纤或偏振保持光纤中的任意一种或组合。

光纤传感器作为声波信号采集器，其类型包括听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、表面光纤传感器、动态压力传感器、光纤频率传感器、光纤声压传感器、光纤声强传感器、光纤声功率传感器中的任意一种或组合。

光纤传感器加装在板式换热器上，用于实时在线监测板式换热器不同位置的温度、声波及振动信号。

在板式换热器底部拉筋方向布置一根底部光纤传感器，或在板式换热器底部中心位置两边对称布置两根底部光纤传感器，所述板式换热器底部光纤传感器对底部多级板片及密封胶垫之间的泄漏及温度变化进行实时在线监测。

在板式换热器顶部拉筋方向布置一根顶部光纤传感器，或在板式换热器顶部中心位置两边对称布置两根顶部光纤传感器，顶部光纤传感器对顶部多级板片及密封胶垫之间的泄漏及温度变化进行实时在线监测。

在一次热网水或二次热网水进出口管路上的法兰中间垫片位置分别对应布置进水光纤传感器和出水光纤传感器，用于监测进出水温以及法兰密封泄漏状况。

本发明还提供一种光纤监测换热机组的监测方法，包括以下步骤：

S1，根据换热机组类型及泵、阀设备类型，确定安装光纤传感器的位置以及光纤传感器类型，换热机组中实时在线监测的参数有温度、压力、声波信号以及泄漏状态；换热机组中需要监测的实体包括法兰的连接处、换热器、水泵、管道以及阀门；

S2，对换热机组中每个光纤传感器进行编号，并将其采集的信号数据与光纤编号信息进行关联，所述关联信息存储在光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中；

S3，安装有线或无线的光纤信号传输线缆及网络，将所述光纤传感器所收集的信号传输至换热机组控制中心以及光纤监控分析平台；

S4，对于能够在换热机组控制平台处理的信号，进行就地信号处理和就地对换热机组的控制；对于需要上传至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中的信号，通过传输线路及网络，传输至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中，在光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中进行分析和处理。

光纤监控分析平台基于大数据或人工智能算法对实时数据及历史数据进行分析处理，具体方法步骤如下：

步骤1：在现有热网监控平台基础上，设置存储大数据或人工智能算法的服务器，服务器用于对所获取的光纤传感器信号数据进行分析处理；

步骤2：将热力站及换热机组的压力、温度、设备声波信号、振动信号进行连续的长时间的记录监测，同时关联室外室内温度以及天气预报历史数据；

步骤3：所述服务器持续分析热网信号数据的历史数据、室外温度历史数据以及当前环境温度数据，优化热力站及换热机组的实时运行参数；

步骤4：通过远程控制差压控制平衡阀、水泵以及电动调节阀来控制流量，实现优化的热力站及换热机组的运行。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明采用通过相对便宜的光纤传感器，实现实时的连续的换热机组在线监测，不但成本低，而且故障率低，可实现换热机组的温度、压力、设备故障的连续在线准确监测；光纤传感器实时将换热机组的运行状态数据传输至换热机组控制中心和光纤监控分析平台，以便于及时进行分析和调整运行参数；

2)光纤传感器不但实现板式换热器的泄漏监测，而且通过对比分析不同运行状态下的光纤信号，可实现对换热机组的启停、故障、泄漏等状态的实时监控。

进一步的，对板式换热器整体进行实时在线监测，并对信号进行分析，发现换热器泄漏、换热异常、换热片结垢导致换热恶化等故障问题。

进一步的，利用一种光纤传感器，可以实现温度、压力、声波等多种信号的采集，从而降低整个系统监测的传感器投资额

进一步的，通过对实时数据及历史数据进行分析处理，对当前实时热力站及换热机组的运行进行优化，所得参数更加可靠及时。

附图说明

图1为本发明所提供的具体实施例一的示意图；

图2为本发明所提供的具体实施例二的示意图。

图3为本发明所提供的具体实施例二俯视示意图。

附图中，1-板式换热器，2-光纤传感器，11-进水法兰，12-出水法兰，21-顶部光纤传感器，22-进水光纤传感器，23-出水光纤传感器，24-底部光纤传感器，3-差压控制平衡阀，4-电动调节阀，5-流量计，6-水泵。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，

请参考图1至图2，一种带光纤监测的换热机组，所述换热机组中的换热器、管道、水泵6以及阀门上均设置有光纤传感器，光纤传感器2通过光纤信号传输线缆及网络将监测信号传送至信号采集器，信号采集器通过光纤信号传输线缆及网络将监测信号传送至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台，所述信号采集器采集光纤传感器的压力、温度、声波以及振动信号；换热机组中所有的流量计5连接通过传输线缆连接换热机组控制单元的输入端；

安装有光纤传感器2的阀门、水泵6、管道以及换热器的压力、温度、声波以及振动信号通过光纤传感器采集，并通过光纤信号传输线缆及网络传输至换热机组控制单元，所述换热机组控制单元能就地处理所述光纤信号，或经过光纤信号传输线缆及网络，传输至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台；

光纤传感器2对供水压力、一次网供水水温、二次网供水水温以及供水流量进行实时监测，并将数据反馈至换热机组的控制单元，换热机组控制单元同时还获取室外和室内温度，并与热网监控平台通信；采用光纤传感器实时监控回水压力和温度以及供水压力和温度。

阀门中优选通过差压控制平衡阀6和电动调节阀4来调节压差和流量，水泵6采用调速变频水泵。

优选的，换热机组控制单元的输出端连接差压控制平衡阀3、电动调节阀4以及水泵6控制信号输入端，换热机组控制单元根据热网监控平台的参数调节信号向差压控制平衡阀3、电动调节阀4以及水泵6发出动作信号，使其调节热网中的水流量。

同时流量计5将监测的流量信号传送至换热机组控制单元，也可以通过光纤信号传输线缆及网络传输至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台；在进行数据分析时，基于光纤传感器2所监测的信号分析结果与所有流量计5监测的信号进行比对分析换热机组每一处监测环节的运行状态。

所述光纤监控系统平台根据光纤传感器采集的信号，分析出换热机组中换热器的工作状态、是否发生泄漏或内漏以及泵或阀门工作是否正常。

所述光纤传感器为干涉型光纤传感器或非干涉型光纤传感器。

所述光纤传感器为单模光纤传感器、多模光纤传感器或偏振保持光纤传感器中的任意一种或组合。

所述光纤传感器作为声波信号采集器，其类型包括听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、表面光纤传感器、动态压力传感器、光纤频率传感器、光纤声压传感器、光纤声强传感器、光纤声功率传感器中的任意一种或组合。

实施例2，具体的，以板式换热器1为例，

所述光纤传感器2加装在板式换热器上，对板式换热器不同位置的温度、声波及振动信号进行实时在线监测，并对监测的信号进行分析，发现换热器泄漏、换热异常、换热片结垢导致换热恶化等故障问题。

当采用板式换热器1时，在板式换热器底部拉筋方向布置一根底部光纤传感器24，或在底部中心位置两边对称布置两根光纤传感器24，保证能够对底部多级板片及密封胶垫之间的泄漏及温度变化进行实时在线监测。

在板式换热器顶部拉筋方向布置一根顶部光纤传感器21，或在顶部中心位置两侧对称布置两根顶部光纤传感器21，保证能够对顶部多级板片及密封胶垫之间的泄漏及温度变化进行实时在线监测。

在本实施例的基础上，在板式换热器的介质入口和介质出口的进水法兰11和出水法兰12处布置用于监测压力和温度的光纤传感器，进水法兰11处布置进水光纤传感器22，出水法兰处布置出水光纤传感器23，实施对系统的流量和温度进行监测，并反馈至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台。在一次侧进水口和二次侧出水口均布置有光纤传感器，具体的，如图2和图3所示。

作为可选的实施例，

分别在板式换热器的导流区域布置用于监测压力和温度的光纤传感器，用于监测高压侧和低压侧之间是否发生串液。

在板式换热器的换热板上布置光纤传感器，所述光纤传感器用于监测器振动状态，监测是否发生湍流；还可以在中部的拉杆上布置光纤传感器以实时监测所述中部拉杆的应力状态。

对于法兰连接的部分：

所述光纤传感器布置在一次热网水或二次热网水进出口管路上的法兰中间垫片位置，用于监测进出水温、法兰密封/泄漏状况。

一种光纤监测换热机组的监测方法，包括以下步骤：

根据换热机组的类型及主要泵、阀相关设备情况，确定安装光纤传感器的位置，选择合适的光纤传感器类型，针对换热机组中需要监测设备的温度、压力、声波信号以及泄漏状况进行实时在线监测。换热机组中需要监测设备包括换热器、水泵、管道以及阀门，还需要对法兰连接处进行监测，阀门至少包括差压控制平衡阀3和电动调节阀4

对换热机组中每个光纤传感器进行编号，并将采集的信号数据与光纤编号信息进行关联；

安装有线或无线的光纤信号传输线缆及网络，将所述光纤传感器所收集的信号传输至换热机组控制中心或光纤监控分析平台；

能够在换热机组控制平台处理的信号，进行就地信号处理和就地对换热机组的控制；

需要上传至热网监控平台的信号，通过传输线路及网络，传输至热网监控平台，利用大数据或人工智能算法对信号进行分析处理。

本发明还提供一个实施例，具体提供一种基于光纤传感器的换热机组监测系统，包括数据采集模块、网络通信模块、本地存储模块、网络存储模块和调试模块，

数据采集模块：通过与处理器进行交互，读取数据，并将数据发送到网络通信模块进行数据的网络传输，同时发给存储模块，进行本地存储或者网络存储；数据采集模块采用光纤传感器；

网络通信模块：与上位机进行通信，将采集到的数据通过网络发送至上位机，同时又从上位机获取命令，上位机接入换热机组控制中心和光纤监控分析平台，上位机将数据发送至换热机组控制中心和光纤监控分析平台；

本地存储模块：将数据采集模块发送过来的数据进行本地存储；

网络存储模块：将数据采集模块发送过来的数据存储到网络存储介质中。

可选的，对于本发明所述的换热机组控制中心和光纤监控分析平台可以设置多个上位机，或采用服务器，并且还为网络存储模块和本地存储模块分别布置网络端的服务器和本地的服务器，提高整个系统的可靠性，本地存储模块和网络存储模块互为备用的同时，还能提供远程数据以及监测服务。

换热机组控制单元集成网络通信模块以及调试模块，能够同时将数据采集模块实时获取的光纤信号数据发送至本地存储模块、网络存储模块以及热网监控平台；同时也能就地处理信号，向差压控制平衡阀、电动调节阀以及加压泵发出调节指令。

作为一个可选的实施例，一种基于光纤传感器的换热机组监测系统，包括数据采集模块、网络通信模块、本地存储模块、网络存储模块以及调试模块，数据采集模块：通过与处理器进行交互，读取数据，并将数据发送到网络通信模块进行数据的网络传输，同时发给存储模块，进行本地存储或者网络存储，所述处理器采用FPGA；网络通信模块：与上位机进行通信，将采集到的数据通过网络发送至上位机，同时又从上位机获取命令，以控制系统的运行；本地存储模块：将数据采集模块发送过来的数据进行本地存储；网络存储模块：将数据采集模块发送过来的数据存储到网络存储介质中。

基于本发明所述系统的一种实施方法，光纤监控分析平台基于大数据或人工智能算法对实时数据及历史数据进行分析处理，具体方法步骤如下：

步骤1：在原有热网监控平台基础上，存储有大数据或人工智能算法的专有服务器，服务器用于对所获取的热网信号数据进行分析处理；

步骤2：将热力站及换热机组的压力、温度、设备声波信号、振动信号进行连续的长时间的记录监测，同时关联室外室内温度以及天气预报历史数据；

步骤3：所述服务器持续分析热网信号数据的历史数据、室外温度历史数据以及当前环境温度数据，优化热力站及换热机组的实时运行参数；

步骤4：利用远程控制的电动调节阀、调速变频水泵以及平衡阀门控制流量，实现优化的热力站及换热机组的运行。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的带光纤监控的管道液体输运系统和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带光纤监测的换热机组，其特征在于，包括基于光纤传感器的压力、温度、声波、振动信号采集器、带光纤传感器的阀门、水泵(6)、管道及换热器、光纤信号传输线缆及网络、光纤数据分析平台及光纤监测系统平台；

所述安装光纤传感器的阀门、水泵(6)、管道以及换热器设备的压力、温度、声波以及振动信号通过光纤传感器(2)采集并传输至换热机组控制单元，所述换热机组控制单元就地处理所述光纤信号，或经过光纤信号传输线缆及网络传输至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台；换热机组中的流量计(5)连接通过传输线缆连接换热机组控制单元的输入端；

所述光纤数据分析平台及光纤监测系统平台根据光纤信号获取阀门、泵、管道及换热器的工作状态，基于光纤信号分析阀门、泵、管道及换热器是否发生泄漏或内漏、水泵(6)或阀门工作是否正常任务中的任意一种；光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中还用于所有光纤传感器(2)实时监测的数据。

2.根据权利要求1所述的带光纤监测的换热机组，其特征在于，光纤传感器(2)为干涉型光纤传感器或非干涉型光纤传感器。

3.根据权利要求1或2所述的带光纤监测的换热机组，其特征在于，光纤传感器(2)为单模光纤、多模光纤或偏振保持光纤中的任意一种或组合。

4.根据权利要求1所述的带光纤监测的换热机组，其特征在于，光纤传感器(2)作为声波信号采集器，其类型包括听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、表面光纤传感器、动态压力传感器、光纤频率传感器、光纤声压传感器、光纤声强传感器、光纤声功率传感器中的任意一种或组合。

5.根据权利要求1所述的带光纤监测的换热机组，其特征在于，光纤传感器(2)加装在板式换热器(1)上，用于实时在线监测板式换热器(1)不同位置的温度、声波及振动信号。

6.根据权利要求5所述的带光纤监测的换热机组，其特征在于，在板式换热器(1)底部拉筋方向布置一根底部光纤传感器(24)，或在板式换热器(1)底部中心位置两边对称布置两根底部光纤传感器(24)，所述板式换热器(1)底部光纤传感器(24)对底部多级板片及密封胶垫之间的泄漏及温度变化进行实时在线监测。

7.根据权利要求5所述的带光纤监测的换热机组，其特征在于，在板式换热器顶部拉筋方向布置一根顶部光纤传感器(21)，或在板式换热器(1)顶部中心位置两边对称布置两根顶部光纤传感器(21)，顶部光纤传感器(21)对顶部多级板片及密封胶垫之间的泄漏及温度变化进行实时在线监测。

8.根据权利要求5所述的带光纤监测的换热机组，其特征在于，在一次热网水或二次热网水进出口管路上的法兰中间垫片位置分别对应布置进水光纤传感器(22)和出水光纤传感器(23)，用于监测进出水温以及法兰密封泄漏状况。

9.一种光纤监测换热机组的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据换热机组类型及泵、阀设备类型，确定安装光纤传感器(2)的位置以及光纤传感器类型，换热机组中实时在线监测的参数有温度、压力、声波信号以及泄漏状态；换热机组中需要监测的实体包括法兰的连接处、换热器、水泵(6)、管道以及阀门；

S2，对换热机组中每个光纤传感器进行编号，并将其采集的信号数据与光纤编号信息进行关联，所述关联信息存储在光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中；

S3，安装有线或无线的光纤信号传输线缆及网络，将所述光纤传感器所收集的信号传输至换热机组控制中心以及光纤监控分析平台；

S4，对于能够在换热机组控制平台处理的信号，进行就地信号处理和就地对换热机组的控制；对于需要上传至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中的信号，通过传输线路及网络，传输至光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中，在光纤数据分析平台及光纤监测系统平台中进行分析和处理。

10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，光纤监控分析平台基于大数据或人工智能算法对实时数据及历史数据进行分析处理，具体方法步骤如下：

步骤1：在现有热网监控平台基础上，设置存储大数据或人工智能算法的服务器，服务器用于对所获取的光纤传感器信号数据进行分析处理；

步骤2：将热力站及换热机组的压力、温度、设备声波信号、振动信号进行连续的长时间的记录监测，同时关联室外室内温度以及天气预报历史数据；

步骤3：所述服务器持续分析热网信号数据的历史数据、室外温度历史数据以及当前环境温度数据，优化热力站及换热机组的实时运行参数；

步骤4：通过远程控制差压控制平衡阀(3)、水泵(6)以及电动调节阀(4)来控制流量，实现优化的热力站及换热机组的运行。

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