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

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于可变断面面积排水管的智能控制倒虹管及控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是：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。本专利技术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）·R2/3·i1/2的原理，水力坡降i增大，流速V也随之增大，本专利技术就是基于这一原理，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张攀，时永生，白玲玲，罗国荣，杜少平，殷会滨，杨少伟，李永正，王珏，刘建华，
申请(专利权)人：广东盛际工程咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44