CN114528782B - 智慧引调水实验装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智慧引调水实验装置，包括一号水箱、二号水箱，水泵，管路组件，所述管路组件包括室内管路和室外管路，所述一号水箱下端出水口依次通过二号管路、室外管路、二十二号管路与二号水箱进水口连通，所述二号水箱出水口通过一号管路与一号水箱顶端连通形成回水重力管路，所述水泵设置在二号管路上靠近一号水箱一侧，所述一号水箱放置位置低于二号水箱，本发明的智慧引调水实验装置采用相似原理的输水系统，研究阀门设备在系统中的特性以及功能需求，从而引导阀门设备智能化升级，在此基础上，满足真实的系统智慧化需求。

Description

智慧引调水实验装置及其应用方法

技术领域

本发明属于智慧水利水务领域，尤其是涉及一种智慧引调水实验装置及其应用。

背景技术

当前的智慧水利水务技术，着重解决业务需求，从应用角度，对水业运维中的调度、检查、节能降耗、预警等需求进行信息化应用开发，这些需求的实现途径大部分为软件功能，作为支撑的硬件基础一般采用现成设备，主要以各类传感器为主，辅以简单的自动化设备；为传统的输水系统技术，主要技术支撑是给排水基础理论以及水力学原理原则，结合水力设备应用而展开。这样的现状，其结果是智慧水利水务，从架构上越来越完善强大，但是实际能解决的问题不多，难以大范围推广应用，而现有的输水系统，着重解决底层技术问题，在各个技术重点上下功夫，越研究越精细，这些研究，如果换一个思维角度，从智能化、信息化方便想办法，往往就比较容易解决。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种智慧引调水实验装置，以采用相似原理，以系统安全防护及预警为中心，将有压输水管道进行比例缩小，按几何相似、运动相似、动力相似、初始条件和边界条件相似的流体相似原则，模拟管道输水系统所有设备均通过信号采集装置采集系统动态参数，参数上传控制系统，实现完整的管道输水系统数字孪生。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种智慧引调水实验装置，包括一号水箱、二号水箱，水泵，管路组件，所述管路组件包括室内管路和室外管路，所述一号水箱下端出水口依次通过二号管路、室外管路、二十二号管路与二号水箱进水口连通形成提升管路，所述二号水箱出水口通过一号管路与一号水箱顶端连通形成回水重力管路，所述水泵设置在二号管路上靠近一号水箱一侧，所述提升管路与一号管路通过二十三号管路连通，所述二十三号管路上设有电动蝶阀，所述一号水箱放置位置低于二号水箱。

进一步的，所述二号管路下游依次通过四号管路、五号管路、九号管路、十号管路、十七号管路、十五号管路与室外管路连通，所述室外管路下游依次通过十八号管路、二十号管路与二十二号管路连通，所述四号管路上设有电磁流量计和调节阀，所述五号管路、九号管路、十号管路和十五号管路均设有电动蝶阀，所述九号管路上还有设有一个电磁流量计，所述十五号管路，十八号管路和二十号管路上分别还设有一个空气阀组，所述十八号管路，二十号管路上还分别设有手动蝶阀，所述二号管路上设有手动蝶阀且设置在水泵与一号水箱之间，在水泵的下游还设有止回阀和电动蝶阀，所述空气阀集气管是透明三通管。

进一步的，所述室内管路还包括十一号管路，所述十一号管路与十号管路并联依次通过九号管路、八号管路与一号水箱连通，所述十号管路上设有向一号水箱流向的单向止回阀，止回阀两侧分别设有一个电动蝶阀，所述八号管路上靠近一号水箱的位置依次设有电磁快开阀和调节阀还包括气压罐所述气压罐通过三号管路与二号管路连通，所述室内管路还包括六号管路，所述六号管路与五号管路连通，另一端可外接空气罐，所述六号管路上设有进气球阀。

进一步的，所述室内管路还包括十六号管路，所述十六号管路与十五号管路并联两端分别与室外管路和十七号管路连通，所述十六号管路上设有爆管阀，和两个电动蝶阀，且电动蝶阀设置在爆管阀的两侧，所述爆管阀与相邻右侧的电磁蝶阀之间连接有十四号管路，与一号水箱连通，所述十四号管路靠近爆管阀一侧依次设有电动蝶阀和电磁快开阀。

进一步的，所述二十三号管路连通一号管路和四号管路，且与四号管路的连接点设置在四号管路与五号管路之间，所述一号管路上靠近一号水箱方向依次设有调节阀、电动蝶阀、电磁流量计、二十三号管路与一号管路连接点，电动蝶阀和调节阀，所述二十三号管路上设有电动蝶阀。

进一步的，所述室内管路还包括十二号管路，所述十二号管路一端与四号管路连通，且连接点设置在四号管路与五号管路连接处，另一端与十四号管路连通，且连接点靠近一号水箱位置，所述十二号管路上靠近四号管路方向依次设有电动蝶阀和水锤泄放阀。

进一步的，所述室内管路还包括二十一号管路、十九号管路，所述二十一号管路与二十号管路并联左右两侧分别与二十二号管路和十八号管路连通，所述十九号管路与十八号管路并联左侧与是室外管路连通，右侧与二十号管路连通，所述十九号管路和二十号管路上分别设有手动蝶阀，所述二十二号管路上靠近二号水箱方向依次设有电动蝶阀和调节阀。

进一步的，还包括云平台和控制中心，所述管路组件上设有的空气阀组、止回阀、调节阀、水锤泄放阀、爆管关断阀、气压罐、电动蝶阀，均设有监测感应组件，且设有信息采集模块、逻辑运算模块，阀控模块与控制远程通信模块，通过无线远程通信实现与控制中心之间的数据传输。

智慧引调水实验装置的应用，用于泵站提升系统，包括步骤一，启动水泵，关闭所有功能测试旁路，打开提升管路沿线阀门，步骤二，检测管线压力、流量变化，检测空气阀节点压力变化，液位变化，空气阀浮球位置，空气阀节点漏水情况，检测高位水箱液位变化，步骤三，当二号水箱水位开始变化时，调节靠近二号水箱的调节阀，将系统流量设定为固定值，泵站提升系统中可以用于运行中排气，运行中爆管，运行中水锤防护、停泵的试验操作检测。

智慧引调水实验装置的应用，用于重力流系统，包括步骤一，打开二十三号管路上的电动蝶阀，切换水泵出水口阀门，将水泵出水由进水管切换至回水重力管路，同时将二十二号管路末端调节阀全开，将接入一号水箱的二号管路旁路调节阀打开，步骤二，调节一号管路上的调节阀，控制一号管路回水流速，步骤三，调节一号管路出水口处调节阀，重力流系统用于管线关阀停水和异常放空状态下管线的检测和数据记录。

相对于现有技术，本发明所述的智慧引调水实验装置具有以下优势：

(1)本发明所述的智慧引调水实验装置采用相似原理，以系统安全防护及预警为中心，将有压输水管道进行比例缩小，按几何相似、运动相似、动力相似、初始条件和边界条件相似的流体相似原则，模拟管道输水系统所有设备均通过信号采集装置采集系统动态参数，参数上传控制系统，实现完整的管道输水系统数字孪生；

(2)本发明所述的智慧引调水实验装置具备功能阀门特性研究作用，可分别测试止回阀动力特性与水锤防护性能、水锤泄放阀水锤防护特性、空气阀工作特性、爆管关断阀关阀特性、水锤消除罐水锤防护特性、调流阀调节特性，模拟输水系统时可在泵站提升管线和重力流管线之间自由切换，同时分别对两种系统的过度过程进行模拟，用于研究两种输水系统在各类过渡过程中的瞬态特征，该系统具有故障预警、策略优化、问题溯源等智慧化功能，同时可以对阀门监测和演示，通过本实验装置的精确检测可促进输水系统与阀门设备持续升级提升生产效率减少实验检测成本。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的智慧引调水实验装置示意图。

附图标记说明：

1、一号水箱；2、二号水箱；3、水泵；4、管路组件；401、室内管路；402、室外管路；5、电磁快开阀；6、止回阀；7、电动蝶阀；8、手动蝶阀；9、水锤泄放阀；10、调节阀；11、进气球阀；12、爆管阀；13、电磁流量计；14、空气阀组；1A、一号管路；2A、二号管路；3A、三号管路；4A、四号管路；5A、五号管路；6A、六号管路；7A、七号管路；8A、八号管路；9A、九号管路；10A、十号管路；11A、十一号管路；12A、十二号管路；13A、十三号管路；14A、十四号管路15A、十五号管路；16A、十六号管路；17A、十七号管路；18A、十八号管路；19A、十九号管路；20A、二十号管路；21A、二十一号管路；22A、二十二号管路；23A、二十三号管路。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种智慧引调水实验装置，包括一号水箱1、二号水箱2，水泵3，管路组件4，管路组件4包括室内管路401和室外管路402，一号水箱1下端出水口依次通过二号管路2A、室外管路402、二十二号管路22A与二号水箱2进水口连通形成提升管管路，二号水箱2出水口通过一号管路1A与一号水箱1顶端连通形成回水重力管路，水泵3设置在二号管路2A上靠近一号水箱1一侧，提升管路与一号管路1A通过二十三号管路23A连通，二十三号管路上设有电动蝶阀7，一号水箱1放置位置低于二号水箱2，模拟输水系统通过二十三号管路实现提升管路与重力流管路之间的自由切换。

优选地，二号管路2A下游依次通过四号管路4A、五号管路5A、九号管路9A、十号管路10A、十七号管路17A、十五号管路15A与室外管路402连通，室外管路402下游依次通过十八号管路18A、二十号20A管路与二十二号管路22A连通，四号管路4A上设有电磁流量计13和调节阀10，五号管路5A、九号管路9A、十号管路10A和十五号管路15A均设有电动蝶阀7，九号管路9A上还有设有一个电磁流量计13，十五号管路15A，十八号管路18A和二十号管路20A上分别还设有一个空气阀组14，十八号管路18A，二十号管路20A上还分别设有手动蝶阀8，空气阀14集气管是透明三通管，二号管路2A上设有手动蝶阀8且设置在水泵3与一号水箱1之间，在水泵3的下游还设有止回阀6和电动蝶阀7，通过各个分段管路上的电动蝶阀能够分别控制各管路的自由开合，使实验过程中增加灵活自由，并且能够对空气阀在线监测演示、进/排气演示、气阻演示、负压补气演示、两相流演示、弥合水锤演示检测。

优选地，还包括气压罐15气压罐15通过三号管路3A与二号管路2A连通，室内管路401还包括六号管路6A，六号管路6A与五号管路5A连通，另一端可外接空气罐，六号管路6A上设有进气球阀11，通过增加气压罐管路能够检测运行中水锤的防护和异常放空状态下气压罐的检测，测试管路中升压保护和负压补水的演示实验。

优选地，室内管路401还包括十一号管路11A，十一号管路11A与十号管路10A并联依次通过九号管路9A、八号管路8A与一号水箱1连通，十号管路10A上设有向一号水箱1流向的单向止回阀6，止回阀6两侧分别设有一个电动蝶阀7，八号管路8A上靠近一号水箱1的位置依次设有电磁快开阀5和调节阀10，通过控制管路上的阀门的开闭测试止回阀的在正常停泵演示、异常停泵演示、零流速追踪特性演示、动力特性演示、流阻测试数据分析。

优选地，室内管路401还包括十六号管路16A，十六号管路16A与十五号管路15A并联两端分别与室外管路402和十七号管路17A连通，十六号管路16A上设有爆管阀12，和两个电动蝶阀7，且电动蝶阀7设置在爆管阀12的两侧，爆管阀与相邻右侧的电动蝶阀7之间连接有十四号管路14A，与一号水箱1连通，十四号管路14A靠近爆管阀一侧依次设有电动蝶阀7和电磁快开阀5，通过管路控制检测爆管关断阀在模拟爆管关断演示、可靠性演示。

优选地，室内管路还包括二十三号管路23A，二十三号管路23A连通一号管路1A和四号管路4A，且与四号管路4A的连接点设置在四号管路4A与五号管路5A之间，一号管路1A上靠近一号水箱方向依次设有调节阀10、电动蝶阀7、电磁流量计13、二十三号管路23A与一号管路1A连接点，电动蝶阀7和调节阀10，二十三号管路上设有两个电动蝶阀7，通过控制二十三号管路上的电动蝶阀的闭合实现提升管路和重力管路之间的自由切换。

优选地，室内管路还包括十二号管路12A，十二号管路12A一端与四号管路4A连通，且连接点设置在四号管路4A与五号管路4A连接处，另一端与十四号管路14A连通，且连接点靠近一号水箱位置，十二号管路12A上靠近四号管路4A方向依次设有电动蝶阀7和水锤泄放阀9，通过管路的控制测试在正常超压泄压演示、异常超压泄压演示、响应速度演示、复位演示、程控演示测试水锤泄放阀各个阶段的性能演示。

优选地，室内管路还包括二十一号管路21A、十九号管路19A，二十一号管路21A与二十号管路20A并联左右两侧分别与二十二号管路22A和十八号管路18A连通，十九号管路19A与十八号管路18A并联左侧与是室外管路402连通，右侧与二十号管路20A连通，十九号管路19A和二十号管路20A上分别设有手动蝶阀8，二十二号管路22A上靠近二号水箱2方向依次设有电动蝶阀7和调节阀10，使管路之间能够灵活切换对数据检测更加精确。

优选地，还包括云平台和控制中心，管路组件4上设有的空气阀组、止回阀6、调节阀10、水锤泄放阀9、爆管关断阀12、气压罐15、电动蝶阀7，均设有监测感应组件，且设有信息采集模块、逻辑运算模块、阀控模块与控制远程通信模块，通过无线远程通信实现与控制中心之间的数据传输，通过各个阀门的数据检测与控制中心数据传输交换，实现智能检测，对实验装置重复合力有效利用，降低成本提高工作效率。

优选地，用于泵站提升系统，包括步骤一，启动水泵，关闭所有功能测试旁路，打开提升管路沿线阀门，步骤二，检测管线压力、流量变化，检测空气阀节点压力变化，液位变化，空气阀浮球位置，空气阀节点漏水情况，检测高位水箱液位变化，步骤三，当二号水箱水位开始变化时，调节靠近二号水箱的调节阀，将系统流量设定为固定值，泵站提升系统中可以用于运行中排气，运行中爆管，运行中水锤防护、停泵的试验操作检测。

优选地，用于重力流系统，包括步骤一，打开二十三号管路23A上的电动蝶阀，切换水泵出水口阀门，将水泵出水由进水管切换至回水重力管路，同时将二十二号管路22A末端调节阀全开，将接入一号水箱的二号管路2A旁路调节阀打开，步骤二，调节一号管路上的调节阀，控制一号管路回水流速，步骤三，调节一号管1A路出水口处调节阀，重力流系统用于管线关阀停水和异常放空状态下管线的检测和数据记录。

实验装置系统规格采用管道系统口径DN150，水泵扬程30-40米，流量满足DN150管道最大流速6m/s，一楼与二楼水箱设计落差10米，室外管线最长可布置1100米以上，水泵：要求变频与工频自由切换；阀门：实验室内部阀门全部为电动阀，外部管线检修阀为手动闸阀，空气阀全部带在线检测，空气阀集气管采用透明三通管，实验室内部阀门布置包含空气阀组、止回阀、调节阀、水锤泄放阀、爆管关断阀、气压罐、电动蝶阀、电动闸阀，以上所有阀门均自带监测感应装置以及阀控模块，与控制平台软件交互数据，除阀门自身所带的传感器之外，管道中进水管和回水管均配置电磁流量计，根据监测需求，不同位置设置压力变送器。所有信号采集全部采用无线。

系统模拟分别模拟两个系统，一个泵站提升管线，一个重力流管线。

模拟管线输水过程中的初期充水、运行中排气(人为充气)、运行中调流、运行中爆管(人为制造爆管工况)、运行中水锤防护(人为制造水锤)、正常变频停泵/工频停泵、异常断电停泵、正常关阀停水、异常关阀停水、下游异常放空。

实现方法及具体操作流程

1)泵站提升系统：

初期充水：a、启动水泵，关闭所有功能性测试旁路，打开提升管线沿线电动阀门；b、检测管线压力、流量变化，检测空气阀节点压力变化，液位变化，空气阀浮球位置，空气阀节点漏水情况，检测高位水箱液位变化。C、当高位水箱液位有变化时(此时管道充满水)，调节出水口调流阀，将系统流量调节到设定值(设定流速2m/s)。

运行中排气：a、从水泵出口部位，旁接压缩空气进入管道，接入的空气为少量，即打开气管阀后10秒关阀；b、观察/监测沿线空气阀微量排气动作，记录整个微量排气过程。C、重新接入空气管，接入大量空气，即打开气管阀5分钟后关阀；d、观察/监测沿线空气阀排气动作，重点观察/监测二段排气动作。

运行中爆管：a、打开爆管测试功能管段的旁路阀门，让管道压力水流过爆管阀；b、将爆管阀下游的支路阀门快速打开；c、观察/监测爆管阀动作以及该节点压差、阀门关阀过程；d、监测管线整个压力与流量变化过程；e、监测空气阀节点位置，空气阀工作状态(哪里有负压补气，哪里没有)。

运行中水锤防护：a、关闭水锤泄放阀旁路，关闭气压罐旁路；b、关闭出水口快速关闭阀(出口调节阀上游)；c、监测管线压力、流量，监测沿线空气阀节点压力变化，记录水锤升压过程，压力波形图，流量曲线；d、打开末端快速关闭阀，打开水锤泄放阀旁路，重复以上过程，记录管线压力、流量，监测水锤泄放阀工作过程；e、打开末端快速关闭阀，打开气压罐旁路，重复以上过程，记录管线压力、流量，监测气压罐工作过程，记录气压罐补水、进水过程及流量；f、打开末端快速关闭阀，打开气压罐旁路，打开气压罐旁路，重复以上过程，记录管线压力、流量，监测水锤泄放阀和气压罐工作过程；g、控制末端快速关闭阀的关阀速度，分别对应0.5秒、1秒、5秒、10秒关阀，重复以上试验，记录管线压力、流量数据，导出水锤瞬态曲线。

停泵试验：a、变频停泵：分别控制变频停泵速率为3分钟、1分钟、10秒，进行变频停泵，记录整个管线的压力、流量瞬态曲线，记录管线中空气阀、水锤泄放阀、气压罐、止回阀工作过程，导出各节点位置的过程压力变化；b、工频停泵，过程同上，停泵时间按工频实际时间并记录该时间；c、直接切断水泵电源，记录以上过程，并记录停泵时间；d、分别对开、关水锤泄放阀，开、关气压罐等不同水锤防护措施下的以上过程进行测试，并记录。E、分别安装不同止回阀，对以上过程进行测试，止回阀有轴流式止回阀、零流速止回阀、橡胶板止回阀、旋启式止回阀、缓闭止回阀等。

2)重力流系统：切换水泵出口阀组，将水泵出水由进水管切换至回水管，同时将进水管末端调节阀全开，将进水管一楼接入水箱的旁路调节阀打开；b、调节一楼水箱调节阀，控制回水流速在2m/s；c、调节原回水管出水口处调节阀，控制流速2m/s。

关阀停水：a、分别以2秒、5秒、30秒、2分钟的速率，关闭下游调节阀，以及以0.5秒的速度关闭与调节阀串联的快速关闭阀，检测管线压力流量变化过程，记录瞬态曲线；b、分别切换开、关水锤泄放阀，开关气压罐，在此条件下记录管线压力流量变化过程，记录瞬态曲线，记录水锤泄放阀工作过程，气压罐工作过程。

异常放空：a、分别以2秒、5秒、30秒、2分钟的速率，开启下游调节阀，以及以0.5秒的速度开启与调节阀串联的快速关闭阀，检测管线压力流量变化过程，记录瞬态曲线，监测沿线空气阀工作过程，记录瞬态曲线；b、分别切换开、关水锤泄放阀，开关气压罐，在此条件下记录管线压力流量变化过程，记录瞬态曲线，记录水锤泄放阀工作过程，气压罐工作过程。

注：以上测试，需注意，制造的水锤升压不得超过管道及阀门设备的承压极限，不得造成真实破坏。

3)阀门监测与演示

空气阀：在线监测演示、进/排气演示、气阻演示、负压补气演示、两相流演示、弥合水锤演示；

实现方法及操作流程如下：

在线监测演示：a、空气阀上的压力传感器、液位传感器、位移开关、检漏开关、电磁阀信号及控制线接入阀控模块，阀控模块通电启动，与后台软件完成通信连接；b、在空气阀初期大量排气、微量排气、两相流排气、负压补气等状态下，阀控模块将这些时候的空气阀入口压力、液位、阀位、检漏信号等上传至云后台软件；c、后台软件根据以上信息，通过时间同步关联，进行逻辑计算，判断空气阀工作状态，是处于大量排气、微量排气、两相流排气、负压补气状态中的哪一种，将结果直接呈现在空气阀界面上。同时，将出现故障的逻辑计算结果也一并呈现；d、当有故障被诊断为不微量排气，而空气阀集气时，软件给阀控模块发送控制指令，强制开启电磁阀排气，并同时发送警报，该功能可在程控与人工控制之间切换。

进/排气演示：同上步骤，空气阀接好后，管线空管状态下，接入压缩空气，软件中将显示空气阀处于大量排气状态，此时调出各节点空气阀界面，演示空气阀大量排气时的工作状态。

气阻演示：a、在管线运行状态下，对管道充气，此时空气阀处于两相流排气状态，记录此时管线各节点的压力与流量；b、将空气阀的检修阀关闭，观察此时空气阀节点处的透明三通管集气状态，同时记录此时管线的压力与流量；c、将以上两组数据列出来，进行输水效率计算，展示气阻状态下的输水效率下降幅度。

负压补气演示：a、在重力输水状态下，控制二楼高位水箱水位在重力输水管道的下水口平行部位，将一楼进水口的调节阀流量调节到满足满管流状态的流量；b、打开一楼进水口的快速开启阀，管道中的水在重力作用下快速进入一楼水箱，管道拐点处出现负压，此时空气阀补气，软件记录此时空气阀工作状态；c、个别关键节点(二楼拐点)，调节该空气阀的检修阀开度，将开度与负压值对应起来，展示空气阀负压补气能力，与空气阀和主管道口径比的关系；d、记录负压阀门开启动作与负压值的关系，记录出现负压至阀门开启的时间，统计此两个数值与水锤升压之间的关系，以报表呈现。

两相流演示：a、管道正常运行时，在一楼水泵出口(流量计后面)，对管道接入大量压缩空气(控制空气不会反串进入一楼水箱)；b、监测管线各节点空气阀状态，监测此时管线压力与流量，同时在空气阀观察点观察透明三通处的两相流排气状态。

弥合水锤演示：a、演示提供切换至泵站提升管线，关闭水锤泄放阀、气压罐旁路；b、控制高位水箱水位超出出水口0.5米以上，执行工频停泵指令；c、监测各空气阀节点，出现负压补气的节点为弥合水锤关注节点，监测此节点在负压补气、补气后排气以及气排完后水柱弥合时的水锤升压；d、该节点分别用防水锤空气阀和复合式空气阀进行演示，记录两种空气阀在相同条件下的水锤升压，展示防水锤空气阀的水锤防护效果。

止回阀：正常停泵演示、异常停泵演示、零流速追踪特性演示、动力特性演示、流阻测试；

正常停泵演示：正常停泵分为变频停泵和工频停泵，其中变频停泵分为几个不同速率停泵进行停泵演示，工频停泵则按水泵固有速率演示。停泵演示时，记录止回阀关阀过程，记录管线流量、压力，记录瞬态升压，输出过程曲线图。(此演示需隔离水锤泄放阀、气压罐)

异常停泵演示：演示断电停泵，单独切断水泵电源，记录此时止回阀关阀过程，记录管线流量、压力，记录瞬态升压，输出过程曲线图。(此演示需隔离水锤泄放阀、气压罐)

零流速追踪特性演示：在不同停泵特性下，调节管线末端调节阀，将流速分别调到1m/s、2m/s、3m/s、4m/s，监测止回阀关阀特性，以时间为关联量，同步记录阀门开度、水锤升压、瞬时流速，将瞬时流速与阀门开度进行匹配，默认当阀门开度为零时瞬时流速在-0.05-0.05m/s范围内，为零流速关阀，记录不同关阀流速下的水锤升压，输出水锤升压瞬态曲线。

动力特性演示：a、将系统切换至重力流系统，隔离水锤泄放阀与气压罐旁路，将止回阀动力特性测试旁路开启，关闭主路；b、调节一楼水箱进水调节阀开度，在保障管线不出现负压的条件下，将管线流速调节到4m/s；c、调节水泵出口调节阀，将水泵出口流速调节到1m/s，此前确保二路水箱处于高水位；d、切换回路电动阀，将水泵出水切换至主管道，之后关闭一楼水箱进水口的快速关闭阀；e、记录此瞬间，主管道的瞬时流量变化曲线及输出数据报表，并同步记录此时阀门开度特性，阀门节点的压力特性，管线压力特性；f、通过记录下来的流量特性数据，计算该过程的系统减加速度，输出止回阀动力特性曲线图。

流阻测试：记录止回阀前后压差，记录系统流量，记录阀门开度，分别采用不同强度的弹簧，控制阀门开度，在不同流速下计算阀门在1％-100％开度区间的K v值(每个百分点一个数据，输出K v曲线)。以上测试分别用于不同止回阀。

水锤泄放阀：正常超压泄压演示、异常超压泄压演示、响应速度演示、复位演示、程控演示

正常超压泄压演示：a、根据以上各类工况下的水锤升压值，选择在正常停泵、正常关阀停水工况下，水锤泄放阀能感应到的水锤升压工况，进行该项演示；b、如停泵水锤泄压演示，停泵动作启动后，系统追踪记录系统管线压力，记录水锤泄放阀泄压过程。

异常超压泄压演示：a、根据以上各类工况下的水锤升压值，选择在异常停泵、异常关阀停水工况下，水锤泄放阀能感应到的水锤升压工况，进行该项演示；b、如停泵水锤泄压演示，停泵动作启动后，系统追踪记录系统管线压力，记录水锤泄放阀泄压过程。

响应速度演示：a、如超压泄压演示过程类同；b、记录泄压过程中管道介质瞬时流速，同时间关联，记录同步的阀门开度，观察过程中流量曲线，记录流量从有数据至归零的瞬间，流速的跳动值并记录(该值越接近零，则止回阀追踪零流速效果越好)，同时对比此时的阀门开度。C、记录全过程的水锤升压，分析水锤升压与追踪零流速之间的关系，是否越接近零流速水锤越小。D、该过程需同时在各种工况中测试，包含长管线与短管线，正常水锤与异常水锤，1m/s流速与4m/s流速。

复位演示：a、在水泵启动的状态下，快速关闭旁通管道，人为制造水锤，当泄压启动后，关闭旁通阀，使主管压力恢复正常值；b、记录该过程阀门的动作，当阀门开始复位后，开始记录阀门复位时间。C、记录全过程的水锤升压，分析阀门复位是否引起二次关阀水锤，以及不同关阀时间下的水锤升压。

程控演示：a、类同机械泄压演示过程，将机械泄压导阀及复位导阀关闭，启动电磁阀泄压控制程序；b、重复以上超压泄压过程。C、记录全过程的水锤升压，记录响应速度，将该数据与机械泄压参数对比，演示程控泄压效果，d、同时开启机械泄压与程控泄压，设置的超压泄压参数相同，重复以上泄压过程，多次测试，观察机械泄压先启动还是程控泄压先启动；同时开启机械泄压与程控泄压，设置的超压泄压参数程控比机械高5％，重复以上泄压过程，多次测试，观察机械泄压先启动还是程控泄压先启动；e、设置程控泄压参数为低压泄压，当出现停泵时，提前开启泄压阀，记录此过程的水锤升压，验证水锤预防阀机理。

爆管关断阀：模拟爆管关断演示、可靠性演示；

模拟爆管关断演示：a、将演示管线切换至提升管线，管线流速调节至2m/s；b、开启爆管关断阀演示旁路，切断主管路；c、快速开启爆管阀下游的旁通管路阀门，并记录此时的主管流速，记录此时爆管阀动作过程，直至管道被切断；d、关闭爆管阀下游旁通管路，手动复位爆管阀，回复管道工作。

可靠性演示：a、将演示管线切换至提升管线，管线流速调节至2m/s；b、调节主管流速，从0.5m/s至3.5m/s范围缓慢调节，观察爆管阀是否有误动作。

气压罐：升压保护及负压补水演示

升压保护及负压补水保护演示：a、将管线切换至提升管线，流速调节为4m/s，开启气压罐旁路，主管对气压罐进行补水，观察孔及磁翻板液位计显示有液位；b、切断水泵电源，模拟断电停泵，记录该过程气压罐工作状态；c、记录该过程中气压罐液位变化，液位变化与主管流速和压力变化关联，用时间同步出曲线图；d、分别调节气压罐旁路的进水阀开度，进行以上试验，验证气压罐进水口面积与管线水锤升压的关系。

调节阀：调流变速演示、压力/流量/液位控制演示

调流变速演示：a、分别切换提升管线与重力管线，对调节阀设置不同调节速率；b、调节阀调节流速，从0.5m/s调节至4m/s，整个调节时间分别设定为1秒、5秒、10秒、30秒、1分钟，记录各调节速率下，管线的水压波动，验证阀门调节速率与管线水锤升压的关系。

压力/流量/液位控制演示：将管线切换至提升管线，控制高位水箱进水调节阀，分别用阀前\阀后压力、流量、水箱水位三哥设定参数对调节阀进行控制，调节阀控制界面输出调节阀调节过程中各自对应的参数变化。

手动阀：静态信号传输演示

静态信号传输演示：手动阀安装静态信号收发装置，演示时主动激活装置，系统展示装置上传至系统的当前阀门参数，这些参数包含阀门信息及开关状态信息。

其他要求

1、安全性要求

以上所有模拟与演示，均需在可控范围操作，室外管线不可爆管、漏水以及发生剧烈震动；室内设备要确保在各种模拟工况下不出现淹水、触电等危险事故。同时要考虑室内布置合理、二楼承重、室外管线布置不影响厂区正常运行。

2、经济性要求

在满足以上需求的基础上，尽量节约成本，减少设备费用，减少占地空间。

系统利用相似原理，系统设计参数符合流体装置几何相似、运动相似、动力相似、初始条件和边界条件相似的流体相似原则，确保系统研究的水力特性覆盖DN50-4000有压管线特性；

系统研究的特性为定性研究，不是定量研究，与常规实验装置不同，并不强调所有参数的精准性；

系统为一套实物系统和一套虚拟系统，虚拟系统将真实的物理系统动态、静态参数采集至终端，实现实验系统的数字孪生；

有压输水管道系统模拟真实输水系统，通过水泵扬水驱动水进入管道，经过模拟的管道起伏，进入高位稳压罐，稳压罐的水在罐内压力作用下回到低位水箱，如此形成循环水系统；同时，还可对管道系统进行水路切换，直接将水泵扬水进入高位稳压罐，稳压罐的水模拟高位水池，将水压至管道系统，最后进入低位水池，如此形成模拟重力流输水系统；

管道系统由水泵、智能止回阀、智能调节阀、智能水锤消除罐、智能水锤泄放阀、智能空气阀、智能爆管关断阀等功能性智能阀门以及检修阀、压力变送器、流量传感器等组成，这些阀门设备的连接模拟真实的输水系统而设置；

以上所有智能阀门的智能化功能具体体现在：在线感知、功能反馈、自动控制、异常报警，以及自适应功能，这些智能化阀门是系统控制软件执行智慧化运行的基础支撑；

该实验系统除了模拟演示两种输水系统，还可用于演示各独立子模块功能：止回阀动力特性演示、水锤泄放阀水锤防护特性演示、水锤消除罐水锤防护特性演示、空气阀性能在线检测演示、水锤检测等演示模块，用于研究这些阀门在输水系统中的性能与真实需求。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.智慧引调水实验装置，其特征在于：包括一号水箱（1）、二号水箱（2），水泵（3），管路组件（4），所述管路组件（4）包括室内管路（401）和室外管路（402），所述一号水箱（1）下端出水口依次通过二号管路（2A）、室外管路（402）、二十二号管路(22A)与二号水箱(2)进水口连通形成提升管路，所述二号水箱(2)出水口通过一号管路（1A）与一号水箱（1）顶端连通形成回水重力管路，所述水泵（3）设置在二号管路（2A）上靠近一号水箱（1）一侧，所述提升管路与一号管路（1A）通过二十三号管路（23A）连通，所述二十三号管路上设有电动蝶阀（7），所述一号水箱（1）放置位置低于二号水箱（2），所述二号管路（2A）下游依次通过四号管路（4A）、五号管路（5A）、九号管路（9A）、十号管路（10A）、十七号管路（17A）、十五号管路（15A）与室外管路（402）连通，所述室外管路（402）下游依次通过十八号管路（18A）、二十号管路（20A）与二十二号管路（22A）连通，所述四号管路(4A)上设有电磁流量计(13)和调节阀(10)，所述五号管路（5A）、九号管路（9A）、十号管路（10A）和十五号管路（15A）均设有电动蝶阀（7），所述九号管路（9A）上还有设有一个电磁流量计(13)，所述十五号管路（15A），十八号管路（18A）和二十号管路（20A）上分别还设有一个空气阀组（14），所述十八号管路（18A），二十号管路（20A）上还分别设有手动蝶阀（8），所述二号管路（2A）上设有手动蝶阀（8）且设置在水泵（3）与一号水箱（1）之间，在水泵（3）的下游还设有止回阀（6）和电动蝶阀（7），所述空气阀组（14）集气管是透明三通管，所述二十三号管路（23A）连通一号管路（1A）和四号管路（4A），且与四号管路（4A）的连接点设置在四号管路（4A）与五号管路（5A）之间，所述一号管路（1A）上靠近一号水箱方向依次设有调节阀(10)、电动蝶阀（7）、电磁流量计(13)、二十三号管路（23A）与一号管路（1A）连接点，电动蝶阀（7）和调节阀(10)，所述二十三号管路上设有两个电动蝶阀（7）。

2.根据权利要求1所述的智慧引调水实验装置，其特征在于：所述室内管路（401）还包括十一号管路（11A），所述十一号管路（11A）与十号管路（10A）并联依次通过九号管路（9A）、八号管路（8A）与一号水箱（1）连通，所述十号管路（10A）上设有向一号水箱（1）流向的单向止回阀（6），止回阀（6）两侧分别设有一个电动蝶阀（7），所述八号管路（8A）上靠近一号水箱（1）的位置依次设有电磁快开阀（5）和调节阀(10)，还包括气压罐（15）所述气压罐（15）通过三号管路（3A）与二号管路（2A）连通，所述室内管路（401）还包括六号管路（6A），所述六号管路（6A）与五号管路（5A）连通，另一端可外接空气罐，所述六号管路（6A）上设有进气球阀（11）。

3.根据权利要求1所述的智慧引调水实验装置，其特征在于：所述室内管路（401）还包括十六号管路（16A），所述十六号管路（16A）与十五号管路（15A）并联两端分别与室外管路（402）和十七号管路（17A）连通，所述十六号管路（16A）上设有爆管阀（12），和两个电动蝶阀（7），且电动蝶阀（7）设置在爆管阀（12）的两侧，所述爆管阀与相邻右侧的电动蝶阀（7）之间连接有十四号管路（14A），与一号水箱（1）连通，所述十四号管路（14A）靠近爆管阀一侧依次设有电动蝶阀（7）和电磁快开阀（5）。

4.根据权利要求1所述的智慧引调水实验装置，其特征在于：所述室内管路还包括十二号管路（12A），所述十二号管路（12A）一端与四号管路（4A）连通，且连接点设置在四号管路（4A）与五号管路（5A）连接处，另一端与十四号管路（14A）连通，且连接点靠近一号水箱位置，所述十二号管路（12A）上靠近四号管路（4A）方向依次设有电动蝶阀（7）和水锤泄放阀(9)。

5.根据权利要求1所述的智慧引调水实验装置，其特征在于：所述室内管路还包括二十一号管路（21A）、十九号管路（19A），所述二十一号管路（21A）与二十号管路（20A）并联左右两侧分别与二十二号管路（22A）和十八号管路（18A）连通，所述十九号管路（19A）与十八号管路（18A）并联左侧与是室外管路（402）连通，右侧与二十号管路（20A）连通，所述十九号管路（19A）和二十号管路（20A）上分别设有手动蝶阀（8），所述二十二号管路（22A）上靠近二号水箱（2）方向依次设有电动蝶阀（7）和调节阀（10）。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的智慧引调水实验装置，其特征在于：还包括云平台和控制中心，所述管路组件（4）上设有的空气阀组、止回阀（6）、调节阀（10）、水锤泄放阀（9）、爆管阀（12）、气压罐（15）、电动蝶阀（7），均设有监测感应组件，且设有信息采集模块、逻辑运算模块、阀控模块与控制远程通信模块，通过无线远程通信实现与控制中心之间的数据传输。

7.权利要求1～6任意一项所述的智慧引调水实验装置的应用方法，其特征在于：用于泵站提升系统，包括步骤一，启动水泵，关闭所有功能测试旁路，打开提升管路沿线阀门，步骤二，检测管线压力、流量变化，检测空气阀节点压力变化，液位变化，空气阀浮球位置，空气阀节点漏水情况，检测高位水箱液位变化，步骤三，当二号水箱水位开始变化时，调节靠近二号水箱的调节阀，将系统流量设定为固定值，泵站提升系统中用于运行中排气，运行中爆管，运行中水锤防护、停泵的试验操作及检测。

8.权利要求1～6任意一项所述的智慧引调水实验装置的应用方法，其特征在于：用于重力流系统，包括步骤一，打开二十三号管路(23A)上的电动蝶阀，切换水泵出水口阀门，将水泵出水由进水管切换至回水重力管路，同时将二十二号管路（22A）末端调节阀全开，将接入一号水箱的二号管路（2A）旁路调节阀打开，步骤二，调节一号管路上的调节阀，控制一号管路回水流速，步骤三，调节一号管路（1A）出水口处调节阀，重力流系统用于管线关阀停水和异常放空状态下管线的检测和数据记录。