一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法与流程

本发明属于海洋工程声学检测，涉及一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法。

背景技术：

1、海水淡化超滤系统在运行过程中，原水中的有机物、胶体和无机盐类会不断在膜面沉积，形成包含有机软垢和无机硬垢的混合污染层。有机软垢主要由腐殖酸、微生物代谢产物等粘弹性物质构成，无机硬垢则以碳酸钙、硫酸钙等刚性结晶为主。这两种垢型的物理和化学性质差异很大，需要采用不同的清洗药剂和工艺，如果未区分垢型属性而采用单一清洗策略，不仅难以恢复膜通量，还可能加速膜材料的老化。

2、现有技术中，对超滤膜结垢的监测普遍依赖可编程逻辑控制器采集的跨膜压差和产水流量等水力学参数，利用达西定律或经验阻力模型推算膜污染程度。部分监测手段也引入了超声波时域反射或透射技术，通过测量声速或衰减来定性判断膜面是否有附着物堆积。这些方案通常将结垢统一视为均质阻力层，不区分有机成分和无机成分，也未对工业现场的强机械振动和电磁干扰进行专门抑制。

3、在跨膜压差和产水流量尚未发生明显变化时，膜面微观结垢层可能已经形成，水力学参数的响应存在滞后，容易错过合适的清洗时机。超声波技术在膜组件外壳和管壁中传播时，接收信号会混入水泵和管路传递的强机械振动，导致有效信号被淹没。单一模式的导波或声脉冲对所有类型的垢层只能给出笼统的衰减或反射特征，无法分辨有机软垢和无机硬垢各自对声波的不同调制机制。这些缺陷使得现有技术难以在结垢早期给出精确的属性判定，也无法为差异化化学清洗提供可靠的决策依据。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，包括：s1、通过部署于膜组件外壳的差分电磁超声接收阵列接收包含表面导波与环境振动的第一原始信号，以及包含环境振动和电磁背景噪声的第二原始信号，对两种原始信号进行物理差分对消，得到宽频导波信号。

2、s2、交替向管壁发送水平剪切波脉冲和兰姆波脉冲，采集回波信号，分别进行同步压缩小波变换，得到水平剪切波降噪重构信号和兰姆波降噪重构信号。

3、s3、对两种降噪重构信号进行变分模态分解，提取水平剪切波特征向量和兰姆波特征向量，计算同一时刻下两者的差异比值，将差异比值与两种特征向量组合生成结垢敏感特征向量。

4、s4、将结垢敏感特征向量输入梯度提升树分类模型，输出结垢物质属性倾向度和结垢严重程度标签，所述结垢物质属性倾向度包括有机软垢成分占比概率和无机硬垢成分占比概率。

5、s5、读取超滤系统可编程逻辑控制器中的实时跨膜压差和瞬时产水流量，根据结垢严重程度标签确定声学熵漂移量，将实时跨膜压差、瞬时产水流量和声学熵漂移量输入声学熵漂移-水力学压差衰减联合表征方程，反演得到膜水通量真实衰减当量。

6、s6、比较膜水通量真实衰减当量与清洗触发条件，当满足触发条件时，依据结垢物质属性倾向度查询清洗工艺映射关系，若有机软垢成分占比概率高于第一设定值则向可编程逻辑控制器发送碱洗药剂投加指令，若无机硬垢成分占比概率高于第二设定值则发送酸洗药剂投加指令。

7、相较于现有技术，本发明的有益效果如下：（1）本发明将差分电磁超声接收阵列与双模式导波激发、同步压缩小波变换、变分模态分解以及梯度提升树分类模型有机结合，能够在强机械振动和电磁干扰的工业现场环境中稳定提取与结垢类型和程度相关的声学特征。通过物理差分对消滤除共模噪声，使得水平剪切波和兰姆波的回波信号具有可靠的信噪比，为后续特征分析提供了高信噪比的信号源。

8、（2）本发明利用水平剪切波对剪切刚度敏感和兰姆波对粘弹性阻尼敏感的特性，通过计算模态能量衰减系数的差异比值，构建了能够同时反映无机硬垢附着和有机软垢附着各自影响程度的结垢敏感特征向量。梯度提升树模型从该特征向量中推理出有机软垢成分占比概率和无机硬垢成分占比概率，实现了对混合结垢中主导垢型的概率化辨识，解决了传统水力学监测手段无法区分垢型的技术盲区。

9、（3）本发明将声学监测结果与超滤系统可编程逻辑控制器中的实时跨膜压差和瞬时产水流量相结合，利用声学熵漂移-水力学压差衰减联合表征方程反演出膜水通量真实衰减当量。这一融合策略克服了单一依赖水力学参数时因操作工况波动导致的误判，也弥补了纯声学信号无法直接反映膜通量损失的不足。根据结垢物质属性倾向度触发针对性的碱洗或酸洗药剂投加指令，避免了清洗药剂的错配，提高了清洗效率并延长了膜组件的使用寿命。

1.一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，其特征在于，得到宽频导波信号，包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，其特征在于，得到水平剪切波降噪重构信号和兰姆波降噪重构信号，包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，其特征在于，生成结垢敏感特征向量，包括：

5.根据权利要求4所述的一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，其特征在于，所述差异比值序列行向量通过水平剪切波模态能量衰减系数与兰姆波模态能量衰减系数的逐点比值获得；其中，水平剪切波模态能量衰减系数用于表征膜面因无机硬垢附着引起的剪切刚度变化，兰姆波模态能量衰减系数用于表征膜面因有机软垢附着引起的粘弹性变化。

6.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，其特征在于，将结垢敏感特征向量输入梯度提升树分类模型，输出结垢物质属性倾向度和结垢严重程度标签，包括：

7.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，其特征在于，声学熵漂移-水力学压差衰减联合表征方程通过以下方式建立：

8.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，其特征在于，反演得到膜水通量真实衰减当量，包括：

9.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声的海水淡化超滤系统结垢故障预警方法，其特征在于，依据结垢物质属性倾向度查询清洗工艺映射关系，若有机软垢成分占比概率高于第一设定值则向可编程逻辑控制器发送碱洗药剂投加指令，若无机硬垢成分占比概率高于第二设定值则发送酸洗药剂投加指令，包括：