CN112609805A - 基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能控制的倒虹管及控制方法，属于排水工程领域，特别涉及一种自动控制流速防止淤积的倒虹管。包括倒虹管、进水井、出水井、控制单元、监控中心。倒虹管使用的管材为可变断面面积排水管，内设隔膜将管道断面分为上下两部分，向上部的储气断面充气或者抽气，可以改变下部分的过水断面面积。通过控制单元的检测传感器对流量、流速等水力参数的探测，控制单元根据流量实时调整过水断面，使倒虹管保持在不淤积的流速运行。检测的参数由控制单元通过无线网络传输至监控中心，监控中心可对倒虹管的运行状态实时监测，并可通过无线网络远程控制倒虹管运行。克服了现有技术倒虹管固定管径，流量小管内流速很低，容易造成管内淤积的缺陷。

Description

基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管及控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能控制的倒虹管及控制方法，属于排水工程领域，特别涉及一种可以自动控制流速防止淤积的倒虹管。

背景技术

排水管道遇到河流、山涧、洼地或地下构筑物等障碍物时，不能按原有的坡度埋设，而是按下凹的折线方式从障碍物下通过，这种管道称为倒虹管。倒虹管由进水井、下行管、平行管、上行管和出水井等组成。倒虹管一般主要用于污水管道穿越河流，污水在倒虹管内的流动是依靠上下游管道中的进出水井的水面高差产生的压力，该高差用以克服污水通过倒虹管的水头损失，即管道的阻力。倒虹管内的水头损失值分为沿程水头损失和局部水头损失。计算倒虹管时，必须计算倒虹管的全部阻力损失值，要求进水井和出水井间的水位高差大于全部水头损失值，并设置一定的水力坡降。

倒虹管在运行过程中，污水中的杂物逐渐沉积于倒虹管内，造成管道淤积堵塞，管道内沉积物的累积，不仅会减小排水管道的断面，而且还会增大水流阻力，从而影响管道的过流能力，当沉积物累积达到一定程度时甚至会造成堵塞，影响整个排水系统的功能。由于倒虹管的清淤比一般管道困难得多，因此，必须采取各种措施来防止倒虹管内污泥的淤积。在设计时，可采取以下措施减少倒虹管的淤积：增大管内设计流速，一般应大于0.9m/s，并应大于进水管内的流速，当管内流速达不到0.9m/s时，应增加定期冲洗措施，冲洗流速不应小于1.2m/s；在进水井设置可利用河水冲洗的设施；倒虹管进水井的前一检查井，应设置污泥槽。

倒虹管内水流速度，与流入倒虹管的流量和倒虹管的断面面积有关，倒虹管的流量即上游进水井流入的流量，如：倒虹管上游管径500mm的污水管，塑料管材，粗糙数0.01，按照规范设计充满度0.70，水力坡降i=0.003，设计流量为225.087L/s，流速为1.533m/s，此时流速较高，管内不易淤积。如果倒虹管也采用500mm的管道，倒虹管运行处于满流状态，该流量流过倒虹管，流速为1.146m/s，基本满足倒虹管内流速要求。一般倒虹管设计时比进水管管径小一级以提高流速，减少倒虹管的淤积。但污水管道的流量每天不同时间段是变化的，在用水低峰时段仅为设计流量的30～40%。如果用水低峰时，按照设计流量的30%计算，流量为67.526L/s，倒虹管上游的管道内充满度约为0.35，该流量下，倒虹管内为满流，水的流速为0.33m/s，仅为排水规范规定的最小设计流速的一半，如果倒虹管采用小一级的400mm管道，倒虹管内水的流速也仅为0.52m/s，低于排水规范规定的最小设计流速。而且污水管道低峰用水时段时间较长，污水中携带的杂物在倒虹管内沉积，用水高峰时段时达到了倒虹管的设计流速，沉积物也很难被全部带走，沉积物不断地沉淀固结。

即使倒虹管设计上采取一些措施，只能减轻倒虹管的淤积，倒虹管内不可避免的还会淤积，尤其是平行管与上行管的衔接处，更容易淤积。污水管道的淤积是日积月累形成的，淤积物在自身重力的固结下，如果不经常性的清淤，倒虹管很容易造成堵塞。现实中很多实例，倒虹管的进水井污水溢流时，才进行疏通清淤，即时采用疏通车的高压水枪对倒虹管内进行清理，由于固结的淤积物沉积时间较长，高压水枪也不易清理到所以部位，只是疏通了满足使用功能。有些城市的排水倒虹管长期不清淤，造成倒虹管无法疏通报废的实例也存在。

倒虹管内淤积固结是长期得不到冲洗造成的，要使倒虹管不淤积，就要经常性地对倒虹管进行冲洗，比如在进水井设置可利用河水冲洗的设施，但许多倒虹管不具备这种条件。利用河水冲洗倒虹管，需要设置提升水泵，架设动力电源，安排人工管理，在一些远离城市去的倒虹管，实施较困难，成本也较高。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管，包括倒虹管、进水井、出水井、控制单元，监控中心。倒虹管使用的管材为可变管道断面面积排水管，内设隔膜将管道断面分为上下两部分，向上部的储气断面充气或者抽气，可以改变下部分的过水断面面积。通过控制单元的检测传感器对流量、流速等水力参数的探测，控制单元根据流量实时调整过水断面，使倒虹管内保持在不淤积的流速运行。设有高速水流冲洗模式，可定期对倒虹管进行冲洗，防止管内淤积。检测的参数由控制单元通过无线网络传输至监控中心，监控中心可对倒虹管的运行状态实时监测，并可通过无线网络远程控制倒虹管运行。有益效果是：克服了现有技术倒虹管固定管径，断面面积不变，流量小时管内流速很低，容易造成管内淤积的缺陷。解决了现有技术倒虹管冲洗清淤困难，成本高的问题。

本发明是通过以下技术实现的：基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管，包括倒虹管100、进水井200、出水井300、控制单元400、监控中心500。所述的倒虹管100使用的管材1为可变管道断面面积排水管，管材1为圆形断面，圆形断面的中间设置有隔膜2，隔膜2采用弹性橡胶材料制成，将管材1分成上下两部分，下部分为过水断面3，上部分为储气断面4，管材1的顶端设有气管5，气管5有若干个通气孔6与储气断面4联通，通过气管5可向储气断面4充气或者抽气，向储气断面4充气时，隔膜2向下膨胀，过水断面3断面面积减小，对储气断面4抽气时，隔膜2向上膨胀，过水断面3断面面积增大。

所述的控制单元400包括气泵7、转换阀8、电磁阀9、控制器10、超声传感器11、气压传感器12、流量计13、水位传感器14。所述的气泵7为抽气充气两用泵，采用转换阀8控制气体流向，转换阀8与电磁阀9连接，电磁阀9通过衔接管与气管5连接。所述的超声传感器11由发射端和接收端组成一组，安装在倒虹管100平坡管段上，超声传感器11至少为一组但不限定为一组，超声传感器11用于检测过水断面3的断面面积和水流速度。超声传感器11的发射端向管材1发射超声波，超声波穿透管材1及管内的水流，被接收端接收，经过控制单元400的解算，可测得管内流速和隔膜2的位置，计算出过水断面3的面积。所述的气压传感器12安装在电磁阀9和气管5连接的管路上，用于检测储气断面4内的气压。所述的流量计13安装在进水井200内，用于检测进水井200处的流入流量。所述的水位传感器14用于检测进水井200内的水位。控制器10根据实时检测的倒虹管100的过水断面3面积、倒虹管100内的流速、储气断面4的气压、进水井200的入流流量，控制气泵7的启闭和转换阀8转换工况，经气管5向储气断面4充气或者抽气，通过控制储气断面4改变过水断面3的断面面积，使过水断面3内水的流速保持在不淤积的流速。控制流速的原理为，流量较小时，压缩过水断面3的断面面积，可以增大管道内流速，是管道断面减小后进水井200的水位会升高，提高了与出水井300的水面高差，增大了水力坡降i，根据谢才公式V=（1/n）·R^2/3·i^1/2的原理，水力坡降i增大，流速V也随之增大，本发明就是基于这一原理，根据不同的流量，通过改变管道断面面积调整流速保持在一定的范围。检测的参数由控制单元400通过无线网络传输至监控中心500，监控中心500可对倒虹管的运行状态实时监测，并可通过无线网络远程控制倒虹管运行。

所述的管材1采用HDPE高密度聚乙烯材料制作，分节制作成若干不同长度的规格，便于施工时按照实际长度组合，采用承插胶圈接口，管内镶嵌隔膜2，隔膜2在两端管口处设置封端15，一节管材1的储气断面4为一个密闭的空间，气管5与储气断面4每0.5~1m设置一个通气孔6，气管5在管材1靠近承口16和插口17处设有气嘴18，两节管口的气嘴18采用连通管19连接，管材1连接成倒虹管100后，气管5形成一个贯通倒虹管100全长的通气孔道。

所述的转换阀8为电动式，控制单元400通过电信号控制转换工况，转换阀8有四个口，分别为阀出口20、阀入口21、阀接口22、阀空口23。阀出口20连接气泵7的泵进气口24，气泵7的泵出气口25连接阀入口21，转换阀8有抽气和充气两种工况，通过电动驱动转换阀8的旋塞90°，改变旋塞内通路与四个口的对应位置，实现抽气和充气的工况转换。抽气工况时，阀出口20与阀接口22相通，阀入口21与阀空口23相通，气体从阀接口22进入，通过阀出口20、泵进气口24、泵出气口25、阀入口21，从阀空口23排出，阀接口22为负压，形成抽气状态；充气工况时，阀出口20与阀空口23相通，阀入口21与阀接口22相通，气体从阀空口23进入，通过阀出口20、泵进气口24、泵出气口25、阀入口21，从阀接口22排出，阀接口22为正压，形成充气状态。阀接口22与电磁阀9相连，气泵7启动抽气或者充气时，电磁阀9开启，气泵7停止时电磁阀9关闭，保证储气断面4和气管5的密闭。

所述的控制器10包括运算单元26、控制单元27、无线通讯单元28、超声传感器模块29、气压传感器模块30、流量计模块31、水位传感器模块32，所述的超声传感器11、气压传感器12、流量计13、水位传感器14通过电缆分别与对应的模块连接，对探测的信号进行A/D转换，将模拟信号转变为数字信号再送入运算单元26，运算单元26对信号运算处理产生实时的倒虹管100运行状态的数据，运算单元26设置控制参数，当倒虹管100运行状态数据满足控制参数时，通过控制单元27控制气泵7和转换阀8、电磁阀9运行。

所述的进水井200上游接进水管33，所述的出水井300下游接出水管34，出水管34比进水管33低，二者高差通过倒虹管100水力计算确定。

所述的进水井200设置有低水位H1，与进水井200衔接的倒虹管100管顶平齐，中水位H2，与进水管33管顶平齐，高水位H3，与进水管33管顶高出0.5~1.5倍管径平齐。

基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管的控制方法，包括调速模式、水位模式和冲洗模式。

所述的调速模式是通过改变过水断面3断面面积，调整管内水流速度V保持在一个区间内，区间的下限流速为V1，一般V1取1.2~1.5m/s，区间的上限流速为V2，取1.2倍V1，控制步骤如下：

a. 超声传感器11检测流过倒虹管100的水流速度Vc；

b. 超声传感器11探测管材1隔膜2的位置，运算单元26换算出过水断面3的面积A，流量计13检测流入进水井200的流量Q，根据V=Q/A公式，运算单元26计算出倒虹管100的流速Vs；

c. 运算单元26判断Vc与Vs的误差≤允许误差η时，取流速V=Vc+Vs，Vc与Vs的误差＞η时，取流速V=Vc，误差η取10%；

d. 运算单元26判断V＜V1时，通过控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至充气工况，开启气泵7向储气断面4充气，过水断面3被压缩，流速V增大，当V=V2时气泵7停止，电磁阀9关闭，储气断面4呈密闭状态；如果流量Q继续增大，流速V随之增大，当运算单元26判断V＞V2时，工况转换，通过控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至抽气工况，开启气泵7对储气断面4抽气，过水断面3扩大，流速V减小，当V=V1时气泵7停止，电磁阀9关闭，倒虹管100的流速V维持在V1~V2之间运行。

所述的水位模式是根据的水位控制倒虹管100运行状态，在调速模式状态下，压缩过水断面3，可能会由于较大的缠绕悬浮物堵塞管道，堵塞的位置流速较大，但在超声传感器11的位置未检测出较大的流速，缠绕悬浮物被挤压在压缩过水断面3内，进水井200水位升高，而过水断面3不能及时扩大，存在溢流的风险；还有一种情况是进水管33流量很小甚至断流，倒虹管100内处于停止状态，失去压缩断面控制流速的意义。水位模式是对调速模式的修正模式，控制步骤如下：

a. 当向储气断面4充气，压缩过水断面3，运算单元26判断V=V2，控制气泵7停止后，如果进水井200的水位达到H2时，而运算单元26判断仍然未达到V＞V2工况转换时，启动修正模式，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至抽气工况，开启气泵7对储气断面4抽气，过水断面3扩大，流过倒虹管100的流量Q增大，进水井200的水位下降，当运算单元26判断V=V1时，气泵7停止，电磁阀9关闭；

b. 当进水管33的流量减小，向储气断面4充气，压缩过水断面3，运算单元26判断V=V1，控制气泵7停止后，不再压缩过水断面3，当进水井200的水位等于H1时，此时为进水管33流量过小导致的，启动修正模式，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至抽气工况，开启气泵7对储气断面4抽气，当超声传感器11探测隔膜2位于管材1中间位置时，气泵7停止，电磁阀9关闭，使隔膜2处于松弛状态，待水流增大后再重新进入调速模式运行。

所述的冲洗模式是对倒虹管100定期冲洗，控制步骤如下：

a. 控制器10预设冲洗周期和冲洗时间，满足预设的冲洗条件时，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至充气工况，开启气泵7向储气断面4充气，过水断面3被压缩，流速V增大，运算单元26判断V=V2，气泵7不停继续向储气断面4充气，过水断面3继续减小，水流以高出V2的流速冲洗过水断面3，使淤积物随水流冲走；

b.当气泵7向储气断面4充气，超声传感器11探测隔膜2位于管材1底部位置时，气泵7停止，电磁阀9关闭，隔膜2与管材1底部存在缝隙，过水断面3很小，但由于湿周与断面积比例很大，摩擦阻力很大，缝隙里水的流速并不会无止境的增大，流过倒虹管100的流量大大减少，进水井200蓄水水位升高，出水井300缺水水位降低，进水井200与出水井300的水位高差增大；

c.当进水井200的水位达到H3时，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至抽气工况，扩大过水断面3，高速水流对倒虹管100冲洗，冲洗流速为V3，V3取1.5~2倍V1，运算单元26判断V= V3时，气泵7停止，电磁阀9关闭；

d. 随着水位降低，流速V逐渐减小，当运算单元26判断V＜V2时，工况转换，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至充气工况，开启气泵7对储气断面4充气，过水断面3压缩，控制流速V=V2~V3之间继续对倒虹管100冲洗；

e.当进水井200的水位下降到H2以下，运算单元26判断V＜V2时，控制单元27关闭气泵7和电磁阀9，进入调速模式运行。

本发明根据进水井200的流量，通过改变倒虹管100的断面面积，控制流速在不淤积流速状态运行。当流量较大是，倒虹管100的断面面积增大，流速降低，流量较小时，压缩倒虹管100的断面面积，增大流速，控制单元400通过智能监控，调整倒虹管100的断面面积，使倒虹管100的流速保持在不淤积流速范围。在流量一定的情况下，减小断面面积可以增大管道内流速，是基于管道断面减小后进水井200的水位会升高，增大了与出水井300的水面高差，水力坡降i增大，根据谢才公式V=（1/n）·R^2/3·i^1/2的原理，水力坡降i增大，流速V也随之增大。

附图说明

图1为倒虹管纵剖面图；

图2为进水井局部放大图；

图3管材正常状态横剖面图；

图4为管材充气状态横剖面图；

图5为管材抽气状态横剖面图；

图6 为管材接口处局部纵剖面图；

图7为转换阀抽气状态原理图；

图8为转换阀充气状态原理图；

图9为自控电气原理图。

图中：100-倒虹管，200-进水井，300-出水井，400-控制单元，500-监控中心，1-管材，2-隔膜，3-过水断面，4-储气断面，5-气管，6-通气孔，7-气泵，8-转换阀，9-电磁阀，10-控制器，11-超声传感器，12-气压传感器，13-流量计，14-水位传感器，15-封端，16-承口，17-插口，18-气嘴，19-连通管，20-阀出口，21-阀入口，22-阀接口，23-阀空口，24-泵进气口，25-泵出气口，26-运算单元，27-控制单元，28-无线通讯单元，29-超声传感器模块，30-气压传感器模块，31-流量计模块，32-水位传感器模块，33-进水管，34-出水管。

具体实施方式

为了本领域技术人员更好地理解本发明，结合图1～图9对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明包括倒虹管100、进水井200、出水井300、控制单元400，监控中心500。进水井200和出水井300分设在河道的两侧，两井之间采用下穿河道的倒虹管100连接，见图1。本发明根据进水井200的流量，通过改变倒虹管100的断面面积，控制流速在不淤积流速状态运行。当流量较大时，倒虹管100的断面面积增大，流速降低，流量较小时，压缩倒虹管100的断面面积，增大流速，控制单元400通过智能监控，调整倒虹管100的断面面积，使倒虹管100的流速保持在不淤积流速范围。当流量一定时，减小断面面积可以增大管道内流速，是管道断面减小后进水井200的水位升高，提高了与出水井300的水面高差，增大了水力坡降i，根据谢才公式V=（1/n）·R^2/3·i^1/2的原理，水力坡降i增大，流速V也随之增大。

进水井200上游接进水管33，出水井300下游接出水管34，出水管34比进水管33低，二者高差通过倒虹管100水力计算确定，这个高差是水流在倒虹管100内流动的动力，高差应大于管道的水头损失，高差越大，倒虹管100内的流速越大，但受排水管道设计标高的限制，进出水井的高差不可能做的太大，一般大于管道水头损失再加上水力坡降。为了实现倒虹管的智能控制和蓄水冲洗功能，进水井200设置有低水位H1，与进水井200衔接的倒虹管100管顶平齐，中水位H2，与进水管33管顶平齐，高水位H3，与进水管33管顶高出0.5~1.5倍管径平齐，见图2。

为了保证倒虹管100在不同流量都保持在不淤积流速状态运行，倒虹管100使用的管材1为可变管道断面面积排水管，管材1为圆形断面，圆形断面的中间设置有隔膜2，见图3。隔膜2采用弹性橡胶材料制成，将管材1分成上下两部分，下部分为过水断面3，上部分为储气断面4，管材1的顶端设有气管5，气管5有若干个通气孔6与储气断面4联通，通过气管5可向储气断面4充气或者抽气，向储气断面4充气时，隔膜2向下膨胀，过水断面3断面面积减小，见图4，对储气断面4抽气时，隔膜2向上膨胀，过水断面3断面面积增大，见图5。

管材1采用HDPE高密度聚乙烯材料制作，分节制作成若干不同长度的规格，如：2m、3m、5m、8m、10m，便于施工时按照实际长度组合，采用承插胶圈接口，管内镶嵌隔膜2，隔膜2在两端管口处设置封端15，一节管材1的储气断面4为一个密闭的空间，气管5与储气断面4每0.5~1m设置一个通气孔6，气管5在管材1靠近承口16和插口17处设有气嘴18，两节管口的气嘴18采用连通管19连接，见图6。管材1除了直管外，还应包括弯头，有下翻弯头和上翻弯头，与进水井200和出水井300衔接的为下翻弯头，位于下行管和平坡管段、平坡管段与上行管连接处的为上翻弯头，弯头也都带隔膜2、封端15、承口16、插口17、气嘴18，管材1连接成倒虹管100后，气管5形成一个贯通倒虹管100全长的通气孔道。

控制单元400用于控制倒虹管100的运行状态，设置在进水井200一侧的河岸边，如果倒虹管100较长，也可以在进水井200和出水井300分别设在控制单元400，分成两岸分别控制，但两岸的控制参数应一致，可以采用无线方式同步控制。控制单元400包括气泵7、转换阀8、电磁阀9、控制器10、超声传感器11、气压传感器12、流量计13、水位传感器14。气泵7为抽气充气两用泵，气泵7有两个口，一个进气口用于抽气，一个出气口用于充气，连接气管5固定为一个口，气泵7采用转换阀8控制气体流向，完成抽气和充气的转换。转换阀8与电磁阀9连接，电磁阀9通过衔接管与气管5连接，电磁阀9的作用是抽气或者充气达到要求，气泵7停止后，关闭电磁阀9，保证储气断面4和气管5的密闭。转换阀8为电动式，控制单元400通过电信号控制转换工况。转换阀8有四个口，分别为阀出口20、阀入口21、阀接口22、阀空口23。阀出口20连接气泵7的泵进气口24，气泵7的泵出气口25连接阀入口21，转换阀8有抽气和充气两种工况，通过电动驱动转换阀8的旋塞旋转90°，改变旋塞内通路与四个口的对应位置，实现抽气和充气的工况转换。抽气工况时，阀出口20与阀接口22相通，阀入口21与阀空口23相通，气体从阀接口22进入，通过阀出口20、泵进气口24、泵出气口25、阀入口21，从阀空口23排出，阀接口22为负压，形成抽气状态，见图7。充气工况时，阀出口20与阀空口23相通，阀入口21与阀接口22相通，气体从阀空口23进入，通过阀出口20、泵进气口24、泵出气口25、阀入口21，从阀接口22排出，阀接口22为正压，形成充气状态，见图8。阀接口22与电磁阀9相连，气泵7启动抽气或者充气时，电磁阀9开启，气泵7停止时电磁阀9关闭，保证储气断面4和气管5的密闭。阀空口23需设置空气过滤器。

超声传感器11由发射端和接收端组成一组，安装在倒虹管100平坡管段上，超声传感器11至少为一组，也可以是多组。超声传感器11用于检测过水断面3的断面面积和水流速度，超声传感器11的发射端向管材1发射超声波，超声波穿透管材1及管内的水流，被接收端接收，经过控制单元400的解算，可测得管内流速和隔膜2的位置，计算出过水断面3的面积。超声传感器11采用与管材1相同的材料密闭封装在管材1的外顶面和外底面，超声传感器11只是发射和接收超声波的器件，不含电子元器件，故障率很低，采用电缆穿入密闭的穿线管内，附在管材1的外侧引致控制单元400。超声传感器11的成本较低，可以设置多组，比如在每一节管材1上都设置，均采用电缆分别引致控制单元400，可以多组同时使用，校正误差采用平均值，也可以只用一组，其余组的超声传感器11作为备用。控制单元400设置气压传感器12，气压传感器12安装在电磁阀9和气管5连接的管路上，用于检测储气断面4内的气压，本发明不采用气压进行控制，气压仅是检测密闭性和系统纠错的一个手段。流量计13采用多普勒超声波流量计，安装在进水井200内，用于检测进水井200处的流入流量，根据倒虹管100的面积换算流速，对超声波检测的流速校正误差。控制单元400设置水位传感器14，检测进水井200内的水位，用于水位控制模式和冲洗模式。水位传感器14采用压力式水位传感器，是一种较好的无电极水位传感器，检测水深幅度大，依靠水的不同深度在传感器上产生的不同压力换算出水位，但这种传感器是一种净水压力传感器，在水流速度较快的排水管道内采用压力式水位传感器，水流速度会对压力产生影响，造成检测数据偏差，因此，水位传感器14应安装在一个套管内，水位可在套管内升降，传感器不受水流影响。

控制器10包括运算单元26、控制单元27、无线通讯单元28、超声传感器模块29、气压传感器模块30、流量计模块31、水位传感器模块32。运算单元26为一个可编程单片机，与控制单元27、无线通讯单元28、超声传感器模块29、气压传感器模块30、流量计模块31、水位传感器模块32集成在一块PCB板上，防水封装在仪器盒内组成控制器10，仪器盒带有触摸屏面板，用于调整控制参数。超声传感器11、气压传感器12、流量计13、水位传感器14通过电缆分别与对应的模块连接，对探测的信号进行A/D转换，将模拟信号转变为数字信号再送入运算单元26，运算单元26对信号运算处理产生实时的倒虹管100运行状态的数据，运算单元26设置控制参数。控制器10根据实时检测的倒虹管100的过水断面3面积、倒虹管100内的流速、储气断面4的气压、进水井200的入流流量，当倒虹管100运行状态数据满足控制参数时，通过控制单元27控制气泵7的启闭和转换阀8转换工况。经气管5向储气断面4充气或者抽气，通过控制储气断面4改变过水断面3的断面面积，使过水断面3内水的流速保持在不淤积的流速。检测的参数由控制单元400通过无线网络传输至监控中心500，监控中心500可对倒虹管的运行状态实时检测，并可通过无线网络远程控制倒虹管运行。自控电气原理图见图9。

气泵7、转换阀8、电磁阀9、控制器10和气压传感器12安装在一个控制箱内，控制箱可以设置在进水井200旁的地下的操作井内，也可以设置在进水井200旁的地面，见图2。控制单元400采用220V供电，在远离城区的倒虹管，也可以采用太阳能+蓄电池供电，气泵7间歇运行时间短，功率较小，控制电路耗电很低，太阳能+蓄电池供电可以满足需要。

确定倒虹管的路线时，应尽可能与河道正交通过，以缩短倒虹管的长度，并应选择在河床和河岸较稳定、不易被水冲刷的地段及埋深较小的部位敷设。通过河道的倒虹管100，管顶与规划河底距离一般不宜小于1.0m，河道下的倒虹管100应采用混凝土包封。通过航运河道时，其位置和规划河底距离应与航运管理部门协商确定，并设置标志，遇冲刷河床应考虑采取防冲措施。

本发明智能控制倒虹管的控制方法，有调速模式、水位模式和冲洗模式三种模式。

一、调速模式，是通过改变过水断面3断面面积，调整管内水流速度V保持在一个区间内，区间的下限流速为V1，一般V1取1.2~1.5m/s，区间的上限流速为V2，取1.2倍V1，控制步骤如下：

a. 超声传感器11检测流过倒虹管100的水流速度Vc；

b. 超声传感器11探测管材1隔膜2的位置，运算单元26换算出过水断面3的面积A，流量计13检测流入进水井200的流量Q，根据V=Q/A公式，运算单元26计算出倒虹管100的流速Vs；

c. 运算单元26判断Vc与Vs的误差≤允许误差η时，取流速V=Vc+Vs，Vc与Vs的误差＞η时，取流速V=Vc，误差η取10%；

d. 运算单元26判断V＜V1时，通过控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至充气工况，开启气泵7向储气断面4充气，过水断面3被压缩，流速V增大，当V=V2时气泵7停止，电磁阀9关闭，储气断面4呈密闭状态；如果流量Q继续增大，流速V随之增大，当运算单元26判断V＞V2时，工况转换，通过控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至抽气工况，开启气泵7对储气断面4抽气，过水断面3扩大，流速V减小，当V=V1时气泵7停止，电磁阀9关闭，倒虹管100的流速V维持在V1~V2之间运行。

二、水位模式，是根据进水井200的水位控制倒虹管100运行状态。在调速模式状态下，压缩过水断面3，可能会由于较大的缠绕悬浮物堵塞管道，堵塞的位置流速较大，但在超声传感器11的位置未检测出较大的流速，缠绕悬浮物被挤压在压缩过水断面3内，进水井200水位升高，而过水断面3不能及时扩大，存在溢流的风险；还有一种情况是进水管33流量很小甚至断流，倒虹管100内处于停止状态，失去压缩断面控制流速的意义。水位模式是对调速模式的修正模式，控制步骤如下：

a. 当向储气断面4充气，压缩过水断面3，运算单元26判断V=V2，控制气泵7停止后，如果进水井200的水位达到H2时，而运算单元26判断仍然未达到V＞V2工况转换时，启动修正模式，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至抽气工况，开启气泵7对储气断面4抽气，过水断面3扩大，流过倒虹管100的流量Q增大，进水井200的水位下降，当运算单元26判断V=V1时，气泵7停止，电磁阀9关闭；

b. 当进水管33的流量减小，向储气断面4充气，压缩过水断面3，运算单元26判断V=V1，控制气泵7停止后，不再压缩过水断面3，当进水井200的水位等于H1时，此时为进水管33流量过小导致的，启动修正模式，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至抽气工况，开启气泵7对储气断面4抽气，当超声传感器11探测隔膜2位于管材1中间位置时，气泵7停止，电磁阀9关闭，使隔膜2处于松弛状态，待水流增大后再重新进入调速模式运行。

三、冲洗模式，是对倒虹管100定期冲洗，控制步骤如下：

a. 控制器10预设冲洗周期和冲洗时间，可以1~7天一次，一般选择在18~20时用水高峰时间段，用水高峰时段蓄水快，冲洗开始时补水也快。控制器10满足预设的冲洗条件时，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至充气工况，开启气泵7向储气断面4充气，过水断面3被压缩，流速V增大，运算单元26判断V=V2，气泵7不停继续向储气断面4充气，过水断面3继续减小，水流以高出V2的流速冲洗过水断面3，使淤积物随水流冲走；

b.当气泵7向储气断面4充气，超声传感器11探测隔膜2位于管材1底部位置时，气泵7停止，电磁阀9关闭，隔膜2与管材1底部存在缝隙，过水断面3很小，但由于湿周与断面积比例很大，摩擦阻力很大，缝隙里水的流速并不会无止境的增大，流过倒虹管100的流量大大减少，进水井200蓄水水位升高，而出水井300流量减小水位下降，此时进水井200的水位与出水井300的水位差增大；

c.当进水井200的水位达到H3时，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至抽气工况，扩大过水断面3，H3与出水管34的水头高差较大，即水力坡降i较大，使倒虹管100内水流速度很高，高速水流对倒虹管100冲洗，冲洗流速为V3，V3取1.5~2倍V1，运算单元26判断V=V3时，气泵7停止，电磁阀9关闭；

d. 随着水位降低，流速V逐渐减小，当运算单元26判断V＜V2时，工况转换，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至充气工况，开启气泵7对储气断面4充气，过水断面3压缩，控制流速V=V2~V3之间继续对倒虹管100冲洗；

e.当进水井200的水位下降到H2以下，运算单元26判断V＜V2时，控制单元27关闭气泵7和电磁阀9，进入调速模式运行。

实施例一：调速模式，如背景技术描述的管径500mm倒虹管，塑料管材，粗糙数0.01，设计充满度0.7，水力坡降i=0.003，流量为225.087L/s，流速为1.533m/s。如果倒虹管也采用500mm的管道，倒虹管运行处于满流状态，该流量流过倒虹管，流速为1.146m/s。由于满流时湿周比充满度0.7时大，摩阻力大，水力半径相应减小，所以流速较低。如果采用管径450mm的管道，流过设计流量225.087L/s，满流时流速约为1.418 m/s。若采用本发明的变断面管道，控制隔膜2使过水断面3为全断面面积的75%左右时，过水断面3高度为400mm，流过设计流量225.087L/s，流速约为1.531m/s。倒虹管内流速宜大于等于进水管的设计流速，因此，控制器10设置取V1=1.6 m/s，V2=1.2×V1=1.96 m/s。控制隔膜2使过水断面3为全断面面积的60%左右时，过水断面3高度为320mm，流过设计流量225.087L/s，流速约为1.958m/s。当用水低峰时，按照设计流量的30%计算，流量为67.526L/s计算，如要保证V1=1.6 m/s，应控制隔膜2使过水断面3为全断面面积的21%左右，过水断面3高度为90mm。如V2=1.96 m/s，应控制隔膜2使过水断面3为全断面面积的18%左右，过水断面3高度为77mm。以上为理论计算，实际运行控制单元400根据检测的流速V，自动控制过水断面3的大小。

实施例二：冲洗模式，以实施例一的倒虹管参数为例，设计充满度0.7，即进水井200的和出水井300的充满度都是0.7，水位在管底上0.35m的位置，满足倒虹管运行的条件是水位差应大于等于管道水头损失再加上水力坡降。如果本例管道水头损失为0.2m，进水井200和出水井300的间距为70m，i=0.003的水力坡降高差为0.21m，进水井200和出水井300的管底高差为0.41m。在用水量高峰时段，向储气断面4充气，过水断面3被压缩，流速V增大，运算单元26判断V=V2，气泵7不停继续向储气断面4充气，过水断面3继续减小，当被压缩至隔膜2贴近管底时，隔膜2与管材1底部存在缝隙，过水断面3很小，但由于湿周与断面积比例很大，摩擦阻力很大，此时的流过倒虹管100的流量很小，进水井200水位上升，出水井300下降，出水井300由于无水补充（很小的流量可以忽略），水位将至出水管34的管底，当进水井200的水位达到H3时，开启冲洗模式，如果H3取1倍的管径，即管顶以上500mm，进水井200和出水井300水位差为1.41m，除去0.2m管道水头损失，高差为1.21m，不同的流速管道水头损失不同，但变化不大可忽略，冲洗开始时水力坡降i=1.21/70=0.0173，倒虹管100内的流速为3.288m/s，基本为V1的2倍，如果控制器10设置取冲洗流速V3取1.5倍的V1，V3=2.4m，水流以高出V2的流速冲洗过水断面3，使淤积物随水流冲走。随着进水井200的水位下降，流速降低。水流从初始流速3.288m/s降低至2.4m/s，再从2.4m/s降低至1.96m/s，当运算单元26判断流速V＜1.96m/s时，工况转换，控制单元27开启电磁阀9，转换阀8转至充气工况，开启气泵7对储气断面4充气，过水断面3压缩，控制流速V=1.96m/s~2.4m/s之间继续对倒虹管100冲洗。当进水井200的水位下降到H2以下，运算单元26判断V＜1.96m/s时，控制单元27关闭气泵7和电磁阀9，结束冲洗进入调速模式运行。

本申请的说明书和附图仅是具体一个实施方式，而不是限制性的，本领域的技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，均在本申请保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管，其特征是：包括倒虹管（100）、进水井（200）、出水井（300）、控制单元（400），监控中心（500），所述的倒虹管（100）使用的管材（1）为可变管道断面面积排水管，管材（1）为圆形断面，圆形断面的中间设置有隔膜（2），隔膜（2）采用弹性橡胶材料制成，将管材（1）分成上下两部分，下部分为过水断面（3），上部分为储气断面（4），管材（1）的顶端设有气管（5），气管（5）有若干个通气孔（6）与储气断面（4）联通，通过气管（5）可向储气断面（4）充气或者抽气，向储气断面（4）充气时，隔膜（2）向下膨胀，过水断面（3）断面面积减小，对储气断面（4）抽气时，隔膜（2）向上膨胀，过水断面（3）断面面积增大；

所述的控制单元（400）包括气泵（7）、转换阀（8）、电磁阀（9）、控制器（10）、超声传感器（11）、气压传感器（12）、流量计（13）、水位传感器（14），所述的气泵（7）为抽气充气两用泵，采用转换阀（8）控制气体流向，转换阀（8）与电磁阀（9）连接，电磁阀（9）通过衔接管与气管（5）连接；所述的超声传感器（11）由发射端和接收端组成一组，安装在倒虹管（100）平坡管段上，超声传感器（11）至少为一组但不限定为一组，超声传感器（11）用于检测过水断面（3）的断面面积和水流速度；所述的气压传感器（12）安装在电磁阀（9）和气管（5）连接的管路上，用于检测储气断面（4）内的气压；所述的流量计（13）安装在进水井（200）内，用于检测进水井（200）处的流入流量；所述的水位传感器（14）用于检测进水井（200）内的水位；控制器（10）根据实时检测的倒虹管（100）的过水断面（3）面积、倒虹管（100）内的流速、储气断面（4）的气压、进水井（200）的入流流量，控制气泵（7）的启闭和转换阀（8）转换工况，经气管（5）向储气断面（4）充气或者抽气，通过控制储气断面（4）改变过水断面（3）的断面面积，使过水断面（3）内水的流速保持在不淤积的流速，检测的参数由控制单元（400）通过无线网络传输至监控中心（500），监控中心（500）可对倒虹管的运行状态实时检测，并可通过无线网络远程控制倒虹管运行。

2.根据权利要求1所述的基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管，其特征是：所述的管材（1）采用HDPE高密度聚乙烯材料制作，分节制作成若干不同长度的规格，采用承插胶圈接口，管内镶嵌隔膜（2），隔膜（2）在两端管口处设置封端（15），一节管材（1）的储气断面（4）为一个密闭的空间，气管（5）与储气断面（4）每0.5~1m设置一个通气孔（6），气管（5）在管材（1）靠近承口（16）和插口（17）处设有气嘴（18），两节管口的气嘴（18）采用连通管（19）连接，管材（1）连接成倒虹管（100）后，气管（5）形成一个贯通倒虹管（100）全长的通气孔道。

3.根据权利要求1所述的基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管，其特征是：所述的转换阀（8）为电动式，控制单元（400）通过电信号控制转换工况，转换阀（8）有四个口，分别为阀出口（20）、阀入口（21）、阀接口（22）、阀空口（23），阀出口（20）连接气泵（7）的进气口（24），气泵（7）的出气口（25）连接阀入口（21），转换阀（8）有抽气和充气两种工况，抽气工况时，阀出口（20）与阀接口（22）相通，阀入口（21）与阀空口（23）相通，气体从阀接口（22）进入，通过阀出口（20）、进气口（24）、出气口（25）、阀入口（21），从阀空口（23）排出，阀接口（22）为负压，形成抽气状态；充气工况时，阀出口（20）与阀空口（23）相通，阀入口（21）与阀接口（22）相通，气体从阀空口（23）进入，通过阀出口（20）、进气口（24）、出气口（25）、阀入口（21），从阀接口（22）排出，阀接口（22）为正压，形成充气状态；阀接口（22）与电磁阀（9）相连，气泵（7）启动抽气或者充气时，电磁阀（9）开启，气泵（7）停止时电磁阀（9）关闭，保证储气断面（4）和气管（5）的密闭。

4.根据权利要求1所述的基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管，其特征是：所述的控制器（10）包括运算单元（26）、控制单元（27）、无线通讯单元（28）、超声传感器模块（29）、气压传感器模块（30）、流量计模块（31）、水位传感器模块（32），所述的超声传感器（11）、气压传感器（12）、流量计（13）、水位传感器（14）通过电缆分别与对应的模块连接，对探测的信号进行A/D转换，将模拟信号转变为数字信号再送入运算单元（26），运算单元（26）对信号运算处理产生实时的倒虹管（100）运行状态的数据，运算单元（26）设置控制参数，当倒虹管（100）运行状态数据满足控制参数时，通过控制单元（27）控制气泵（7）和转换阀（8）、电磁阀（9）运行。

5.根据权利要求1所述的基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管，其特征是：所述的进水井（200）上游接进水管（33），所述的出水井（300）下游接出水管（34），出水管（34）比进水管（33）低，二者高差通过倒虹管（100）水力计算确定。

6.根据权利要求1所述的基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管，其特征是：所述的进水井（200）设置有低水位H1，与进水井（200）衔接的倒虹管（100）管顶平齐，中水位H2，与进水管（33）管顶平齐，高水位H3，与进水管（33）管顶高出0.5~1.5倍管径平齐。

7.一种用于权利要求1的倒虹管控制方法，其特征是：包括调速模式、水位模式和冲洗模式；

所述的调速模式是通过改变过水断面（3）断面面积，调整管内水流速度V保持在一个区间内，区间的下限流速为V1，区间的上限流速为V2，控制步骤如下：

a. 超声传感器（11）检测流过倒虹管（100）的水流速度Vc；

b. 超声传感器（11）探测管材（1）隔膜（2）的位置，运算单元（26）换算出过水断面（3）的面积A，流量计（13）检测流入进水井（200）的流量Q，根据V=Q/A公式，运算单元（26）计算出倒虹管（100）的流速Vs；

c. 运算单元（26）判断Vc与Vs的误差≤允许误差η时，取流速V=Vc+Vs，Vc与Vs的误差＞η时，取流速V=Vc；

d. 运算单元（26）判断V＜V1时，通过控制单元（27）开启电磁阀（9），转换阀（8）转至充气工况，开启气泵（7）向储气断面（4）充气，过水断面（3）被压缩，流速V增大，当V=V2时气泵（7）停止，电磁阀（9）关闭，储气断面（4）呈密闭状态；如果流量Q继续增大，流速V随之增大，当运算单元（26）判断V＞V2时，工况转换，通过控制单元（27）开启电磁阀（9），转换阀（8）转至抽气工况，开启气泵（7）对储气断面（4）抽气，过水断面（3）扩大，流速V减小，当V=V1时气泵（7）停止，电磁阀（9）关闭，倒虹管（100）的流速V维持在V1~V2之间运行。

8.根据权利要求7所述的倒虹管控制方法，其特征是：所述的水位模式是根据进水井（200）的水位控制倒虹管（100）运行状态，是对调速模式的修正模式，控制步骤如下：

a. 当向储气断面（4）充气，压缩过水断面（3），运算单元（26）判断V=V2，控制气泵（7）停止后，如果进水井（200）的水位达到H2时，而运算单元（26）判断仍然未达到V＞V2工况转换时，启动修正模式，控制单元（27）开启电磁阀（9），转换阀（8）转至抽气工况，开启气泵（7）对储气断面（4）抽气，过水断面（3）扩大，流过倒虹管（100）的流量Q增大，进水井（200）的水位下降，当运算单元（26）判断V=V1时，气泵（7）停止，电磁阀（9）关闭；

b. 当进水管（33）的流量减小，向储气断面（4）充气，压缩过水断面（3），运算单元（26）判断V=V1，控制气泵（7）停止后，不再压缩过水断面（3），当进水井（200）的水位等于H1时，启动修正模式，控制单元（27）开启电磁阀（9），转换阀（8）转至抽气工况，开启气泵（7）对储气断面（4）抽气，当超声传感器（11）探测隔膜（2）位于管材（1）中间位置时，气泵（7）停止，电磁阀（9）关闭，使隔膜（2）处于松弛状态，待水流增大后再重新进入调速模式运行。

9.根据权利要求7所述的倒虹管控制方法，其特征是：所述的冲洗模式是对倒虹管（100）定期冲洗，控制步骤如下：

a. 控制器（10）预设冲洗周期和冲洗时间，满足预设的冲洗条件时，控制单元（27）开启电磁阀（9），转换阀（8）转至充气工况，开启气泵（7）向储气断面（4）充气，过水断面（3）被压缩，流速V增大，运算单元（26）判断V=V2，气泵（7）不停继续向储气断面（4）充气，过水断面（3）继续减小，水流以高出V2的流速冲洗过水断面（3），使淤积物随水流冲走；

b.当气泵（7）向储气断面（4）充气，超声传感器（11）探测隔膜（2）位于管材（1）底部位置时，气泵（7）停止，电磁阀（9）关闭，隔膜（2）与管材（1）底部存在缝隙，过水断面（3）很小，但由于湿周与断面积比例很大，摩擦阻力很大，缝隙里水的流速并不会无止境的增大，流过倒虹管（100）的流量大大减少，进水井（200）蓄水水位升高，出水井（300）缺水水位降低，进水井（200）与出水井（300）的水位高差增大；

c.当进水井（200）的水位达到H3时，控制单元（27）开启电磁阀（9），转换阀（8）转至抽气工况，扩大过水断面（3），高速水流对倒虹管（100）冲洗，冲洗流速为V3，运算单元（26）判断V= V3时，气泵（7）停止，电磁阀（9）关闭；

d. 随着水位降低，流速V逐渐减小，当运算单元（26）判断V＜V2时，工况转换，控制单元（27）开启电磁阀（9），转换阀（8）转至充气工况，开启气泵（7）对储气断面（4）充气，过水断面（3）压缩，控制流速V=V2~V3之间继续对倒虹管（100）冲洗；

e.当进水井（200）的水位下降到H2以下，运算单元（26）判断V＜V2时，控制单元（27）关闭气泵（7）和电磁阀（9），进入调速模式运行。

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