一种无轴发电机自供电调流调压智能装备
阅读说明：本技术 一种无轴发电机自供电调流调压智能装备 (Self-powered current and voltage regulating intelligent equipment for shaftless generator ) 是由 王浩 黄靖 谭跃进 蒋云钟 刘浩 田雨 朱永楠 肖长松 罗剑宾 孙晓 文比强 于 2020-10-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无轴发电机自供电调流调压智能装备,包括发电系统、监控系统和调控执行系统；所述发电系统为无轴发电机、所述监控系统为智能RTU系统,所述调控执行系统为内置式驱动活塞阀；所述无轴发电机与内置式驱动活塞阀连接,利用调流调压过程形成的余压和能量采用无轴发电技术发电,为实时监测与控制提供稳定输出电源；所述智能RTU系统集成仿真模型的控制策略库,实时采集阀门运行状态和水力参数,通过PID技术对内置式驱动活塞阀进行智能调节和分布式控制。本发明使用无轴发电机进行自供电,在确保管线在安全与压力需求的前提下,实现了管线余压的最大化利用；通过智能RTU和控制系统解决了输水管线多过程、多约束耦合复杂的调度问题。(The invention discloses a self-powered current and voltage regulating intelligent device of a shaftless generator, which comprises a power generation system, a monitoring system and a regulation and control execution system, wherein the monitoring system is used for monitoring the current and voltage of the power generation system; the power generation system is a shaftless generator, the monitoring system is an intelligent RTU system, and the regulation and control execution system is a built-in driving piston valve; the shaftless generator is connected with the built-in driving piston valve, and generates electricity by using residual pressure and energy formed in the flow and pressure regulating process and adopting a shaftless power generation technology, so that a stable output power supply is provided for real-time monitoring and control; the intelligent RTU system integrates a control strategy library of a simulation model, collects the running state and hydraulic parameters of the valve in real time, and intelligently adjusts and controls the built-in driving piston valve in a distributed mode through a PID (proportion integration differentiation) technology. The self-powered pipeline residual pressure self-supplying device uses the shaftless generator for self power supply, and realizes the maximum utilization of the pipeline residual pressure on the premise of ensuring the safety and pressure requirements of the pipeline; the intelligent RTU and the control system solve the scheduling problem of multi-process and multi-constraint coupling complexity of the water transmission pipeline.)
技术领域
本发明涉及阀门技术领域，更具体地，涉及一种无轴发电机自供电调流调压智能装备。
背景技术
活塞阀主要用于长距离供水的管网中，如南水北调管网等，起调节流量、消能排空、减压及调压等作用，尤其在大口径、高压力和大压差的工况更显其优越的调节和控制功能，具有消能、降噪、减振及防气蚀的特点。在大型调水工程项目中，多分水口的控制是一个多过程、多约束的耦合控制过程，同时受到末端调节室调流调压阀的影响，调节过程复杂而多变。传统的活塞阀只能由人力控制来操纵阀门的开启与关闭，无法智能化的运行和维护，不能监控阀门实时情况，根据阀中出现的问题或故障自动调节、发出报警指示，导致水资源损耗、浪费。
随着输水系统日益复杂，信息化程度逐渐升级。目前通常在调流调压阀外设置电动执行器，采用涡轮蜗杆和曲柄连杆机构传动，对管线压力、流量进行调控，水库放空等，白白丢弃了管网富余的水压，造成水力资源的浪费，且传动效率低；同时工程调度需要闸泵阀系统协同调度，在供水管线上布设数据采集仪器、数据传输设备等，包括阀门本身的驱动电力来源，都是一个需要解决的问题；沿管线架设电缆及网络线缆成本投入大，并且存在管理、安全等诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种无轴发电机自供电调流调压智能装备，通过无轴发电机进行自供电，提高了对水能的利用效率，不会占用管道空间。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种无轴发电机自供电调流调压智能装备，包括发电系统、监控系统和调控执行系统；所述发电系统为无轴发电机，所述监控系统为智能RTU系统，所述调控执行系统为内置式驱动活塞阀；所述无轴发电机与内置式驱动活塞阀连接，采用无轴发电技术将调流调压过程形成的余压和能量转换成电能，为实时监测与控制提供稳定输出电源；所述智能RTU系统集成仿真模型的控制策略库，实时采集阀门运行状态和水力参数，并通过PID技术对内置式驱动活塞阀进行智能调节和分布式控制。
进一步地，所述无轴发电机包括定子、转子、桨叶和压盖，所述定子和转子设置在管道内，所述定子设置在转子外圈，所述转子与桨叶为一体化设计；所述定子外壁与管道固定连接；所述转子包括开槽圆环、永磁体，所述开槽圆环设置在桨叶外侧，所述开槽圆环的凹槽内交替放置极性不同的永磁体，所述压盖设置在无轴发电机与管道的连接处。
进一步地，所述无轴发电机自供电调流调压智能装备还包括数据采集控制装置，所述数据采集控制装置通过RS485总线与内置式驱动活塞阀相连，并在处理器内置嵌入式控制算法对内置式驱动活塞阀进行调节，Modbus、IEC104等常见水利行业协议进行传输，可以兼容多种不同信号形式传输，支持多种通信方式。
进一步地，所述数据采集控制装置中处理器集成了水力模型、设备特性曲线的仿真运行数据，构建策略知识库，准确控制阀门运行安全性，所述数据采集控制装置采用基于目标指令、控制策略的分布式控制方式控制内置式驱动活塞阀。
进一步地，所述数据采集控制装置中处理器中集成有阀门常见类故障与阀门运行特征数据，构建健康诊断知识库，快速、准确判断阀门健康度。
进一步地，所述智能RTU系统集成了无轴发电机自供电调流调压智能装备KV曲线，作为日常运行校核运行状态和故障等健康度判断的依据，并不断校核；接收并集成上层平台完成的迭代了KV曲线的瞬态水力模型的分析数据，在目标控制和策略控制时，作为控制过程安全校核的依据，并对控制后的效果进行评估；在智能RTU中构建了策略库，将经过安全校核的经验控制策略，和经过瞬态安全仿真的控制策略，集中存储作为策略库；在日常控制过程中汲取非策略库中的控制模式，并更新策略库。
进一步地，所述内置式驱动活塞阀上安装有传感器，所述传感器与数据采集控制装置连接，所述传感器包括安装在内置式驱动活塞阀表面的振动传感器、噪音传感器和安装在内置式驱动活塞阀内的压力传感器、流量传感器；所述振动传感器和噪音传感器的采集频率为0.2～1Hz，所述压力传感器的采集频率为10～100Hz，所述流量传感器的采集频率为1～10Hz。
进一步地，所述内置式驱动活塞阀包括阀体、鼠笼、阀座和活塞，所述阀座设于阀体末端，所述活塞与鼠笼之间设有连接盘，所述阀体内部具有容纳空间用于安装驱动装置，所述驱动装置与连接盘之间通过连接板连接，由驱动装置带动活塞沿内置式驱动活塞阀中心轴线前后移动。
进一步地，所述阀体内部安装有闷盖，所述闷盖封闭端呈弧面结构，所述阀座口部设有阀座密封圈，所述活塞口部设有活塞密封圈，所述阀体表面安装有控制盒，所述控制盒上设有穿线管。
进一步地，所述无轴发电机自供电调流调压智能装备还包括整流短管，所述整流短管内设置有多根整流小孔，所述多根整流小孔阵列呈平板或蜂窝状结构。流经无轴发电机的水流会产生扰流，影响内置式驱动活塞阀正常工作，通过整流管道的整流，可以使水流快速调整流态，缩短安装距离，降低对内置式驱动活塞阀的影响。无轴发电机设在内置式驱动活塞阀下游时原理相同，通过设置整流短管避免对无轴发电机工作产生影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
由于管网在通过调流调压阀调节后，水压会降低，管道中降低的部分水压和能量就会丢弃。本发明在供水管网压力管理系统基础上，通过无轴发电机与调流调压内置式驱动活塞阀集成，回收由内置式驱动活塞阀在调节水压和水流时丢弃的能量和管网富余的水压，将其转换成电能，满足管网系统电能需求，有效的节约了能源。并能通过数据采集控制装置进行数据采集、远传、控制，实现可实时监控内置式驱动活塞阀中流量、压力、动作位置，存储并传输数据，根据阀门中不同的情况作出相应的调节，抑制故障的发生，提升阀门和系统的安全性、可靠性。
本发明使用无轴发电机对内置式驱动活塞阀和数据采集控制装置进行供电，克服了传统有轴发电机对管道空间的占用和对水能的损耗，可以在节省安装空间的同时提高对水能的利用效率；在确保管线在安全、压力与流量满足需求的前提下，将管线余压最大化利用，具有10～110千瓦的大功率，适用于任何管线，对管道水流影响小，可配合管线监测(数据采集、远传、现场就地控制等)、低功率电装执行(10kW)等用电需求，还可用于小规模的生产生活用电。
本发明通过在内置式驱动活塞阀内置驱动电机，提高了传动效率；在运行过程中行程定位精度高、重复精度高、可靠性高。
附图说明
图1为一种无轴发电机自供电调流调压智能装备的结构示意图；
图2为无轴发电机的结构示意图；
图3为无轴发电机的爆炸图；
图4为整流短管的结构示意图；
图5为内置式驱动活塞阀的结构示意图；
图6为内置式驱动活塞阀的爆炸图；
图7为内置式驱动活塞阀的剖视图；
图8为智能RTU工作流程图；
图9为无轴发电机自供电调流调压智能装备的工作流程图。
其中，1为管道、2为无轴发电机、3为内置式驱动活塞阀、4为整流短管、5为数据采集控制装置、21为定子、22为转子、23为桨叶、24为压盖、221为开槽圆环、222为永磁体、301为阀体、302为活塞、303为连接盘、304为鼠笼、305为阀座、306为阀座密封圈、307为闷盖、308为连接板、309为活塞密封圈、310为驱动装置、311为穿线管、312为振动传感器、313为噪音传感器、314为压力传感器、315为流量传感器、316为控制盒。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1～9所示，本实施例提供一种无轴发电机自供电调流调压智能装备，包括发电系统、监控系统和调控执行系统；其中发电系统为无轴发电机2，监控系统为智能RTU系统，调控执行系统为内置式驱动活塞阀3；无轴发电机2、和内置式驱动活塞阀3通过管道1连接，管道1上还安装有整流短管4；在管道1侧面安装有用于调节和控制内置式驱动活塞阀3的数据采集控制装置5。本实施例中无轴发电机2与内置式驱动活塞阀3连接，采用无轴发电技术利用调流调压过程形成的余压和能量发电，为实时监测与控制提供稳定输出电源。
在内置式驱动活塞阀3上安装有传感器，包括安装在内置式驱动活塞阀3表面的振动传感器312、噪音传感器313，安装在内置式驱动活塞阀3内的压力传感器314、流量传感器315。具体地，振动传感器和噪音传感器的采集频率为0.2～1Hz，压力传感器的采集频率为10～100Hz，流量传感器的采集频率为1～10Hz，传感器可配置不同的采集频率。数据采集控制装置5与各传感器相连，通过智能RTU系统进行传感器数据采集，传输，远程控制内置式驱动活塞阀3。
本实施例中的无轴发电机2包括定子21、转子22、桨叶23和压盖24，定子21和转子22设置在管道1内，转子22与桨叶23为一体化设计，取消了中心轴，无轴发电机2整体采用钛合金螺栓联结，便于各种环境现场分散式拆装。定子21外壁与管道1固定连接；转子22包括开槽圆环221、永磁体222，开槽圆环221设置在桨叶23外侧，开槽圆环221的凹槽内交替放置极性不同的永磁体222，在无轴发电机2与管道1的连接处设置有压盖24。
内置式驱动活塞阀3包括阀体301、鼠笼304、阀座305和活塞302，阀座305设于阀体301末端，活塞302与鼠笼304之间设有连接盘303，阀体301内部具有容纳空间用于安装驱动装置310，驱动装置310与连接盘303之间通过连接板308连接，由驱动装置310带动活塞302沿内置式驱动活塞阀3中心轴线前后移动。
连接盘303上具有多处镂空，只需起到连接活塞302与鼠笼304的作用即可，镂空可减轻连接盘303本身重量，降低其加工工艺难度，同时也降低其制作成本。活塞302与鼠笼304均具有法兰端面且两法兰端面贴合，连接盘303通过螺栓与该两法兰端面紧固连接。本实施例中在整流短管4内设置有多根整流小孔，多根整流小孔阵列呈平板或蜂窝状结构且焊接成一体，整流短管4安装在无轴发电机2后方，对通过无轴发电机2的水流整流，调整流态，减少对内置式驱动活塞阀3的影响。
阀体301内部安装有闷盖307，闷盖307封闭端呈弧面结构，阀座口部设有阀座密封圈306，活塞口部设有活塞密封圈，阀体表面安装有控制盒316，控制盒316上设有穿线管311。
本实施例中，数据采集控制装置5通过RS485总线与内置式驱动活塞3阀相连，并在处理器内置嵌入式控制算法对内置式驱动活塞阀3进行调节，Modbus、IEC104等常见水利行业协议进行传输，可以兼容多种不同信号形式传输，支持多种通信方式。
具体地，在数据采集控制装置5中处理器集成了水力模型、设备特性曲线的仿真运行数据，构建策略知识库。各个传感器实时采集传输数据到数据采集控制装置5中，由处理器处理，当采集到的数据超出了设定范围最大值，处理器做出该器件故障的判定，数据采集控制装置5发出报警信号，通知工作人员及时处理，准确控制阀门运行安全性。
在离线状态下，各个传感器实时采集传输数据到数据采集控制装置5中，采集到的数据与设定在处理器中的设定值范围对比，如没有超出设定范围最小值，则将该数据记录存储在存储芯片中，如超出了设定范围但没有超过设定范围最大值，在记录到储存芯片的同时，由处理器里集成的水力模型数据会自动根据当前数据，分析整理出合理的方案，并且通过数据采集装置传输至器件动作，使采集到的数据控制在合理范围。
在数据采集控制装置5的处理器中集成有阀门常见类故障与阀门运行特征数据，构建健康诊断知识库，能快速、准确判断阀门健康度。当超过设定值范围时，处理器自动分析模型数据，得出针对当前工况的最优处理方案，通过I/O接口传送至驱动装置，驱动装置310依照方案中指令执行。
本实施例中，智能RTU系统集成仿真模型的控制策略，实时采集阀门运行状态和水力参数，并通过PID控制技术对内置式驱动活塞阀进行智能调节和分布式控制。具体地，智能RTU采用ARM V8架构的CPU Cortex-A72，并配以4G以上的内存，集成了无轴发电机自供电调流调压智能装备KV曲线，作为日常运行校核运行状态和故障等健康度判断的依据，并不断校核；接收并集成上层平台完成的迭代了KV曲线的瞬态水力模型的分析数据，在目标控制和策略控制时，作为控制过程安全校核的依据，并对控制后的效果进行评估；在智能RTU中构建了策略库，将经过安全校核的经验控制策略，和经过瞬态安全仿真的控制策略，集中存储作为策略库；在日常控制过程中汲取非策略库中的控制模式，并更新策略库。
无轴发电机自供电调流调压智能装备KV曲线的绘制过程如下：调节内置式驱动活塞阀的开度值并保持不变，流量稳定后，测量并记录装备两端的压力和流量值，完成无轴发电机自供电调流调压智能装备在该阀门开度下的压力-流量对应值；随后将内置式驱动活塞阀调节至下一开度，流量稳定后，测量并记录装备两端的压力和流量值，完成无轴发电机自供电调流调压智能装备在该阀门开度下的压力-流量对应值。以此类推，完成无轴发电机自供电调流调压智能装备在各阀门开度下的压力-流量对应值，工作人员根据采集的数据，绘制KV曲线。采用智能RTU中的控制策略调节和控制阀门时，将策略库中的KV曲线和形成的经验数据作为阀门的参考对阀门进行调节。如对压力的调节时，检测到阀门的压力与策略库中的健康运行参数差异超出安全值，智能RTU系统对阀门发出指令，驱动装置根据指令执行，调节阀门的开合度，并不断进行反馈校正，直至控制压力到达安全值。
本智能内置式驱动活塞阀集成现代物联网技术，实现可实时监控内置式驱动活塞阀中流量、压力、动作位置等信息，存储并传输数据，根据阀门中不同的情况作出相应的调节，远程控制内置式驱动活塞阀，抑制故障的发生，提升阀门和系统的安全性、可靠性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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