一种基于压力差的管道泄露定位的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压力差的管道泄露定位的计算方法，包括：首先，本发明专利技术中建立了管道泄漏模型。然后通过该模型，计算出负压波沿管道衰减的方程。最后推导出管道泄漏位置和管道泄漏前后压力变化的关系。在仿真实验中，本发明专利技术中根据流体动力学首次建立了负压波时域曲线模型，该模型模拟实际管道，将负压波分成三个部分，分别叫做泄漏前稳定状态，泄漏时非稳定状态，泄漏后稳定状态。通过对负压波仿真分析，可以对比ANPW定位算法和传统定位算法，得出ANPW定位算法的优点。

A calculation method of pipeline leakage location based on pressure difference

The invention discloses a calculation method for pipeline leakage location based on pressure difference, which comprises: firstly, a pipeline leakage model is established in the invention. Then, the equation of negative pressure wave attenuation along the pipeline is calculated through the model. Finally, the relationship between pipeline leakage location and pressure change before and after pipeline leakage is derived. In the simulation experiment, the time domain curve model of negative pressure wave is established for the first time in this invention. The model simulates the actual pipeline and divides the negative pressure waves into three parts, which are called the stable state before leakage, the unsteady state in the leakage and the stable state after the leakage. Through the simulation analysis of the negative pressure wave, we can compare the ANPW positioning algorithm and the traditional localization algorithm, and get the advantages of the ANPW location algorithm.

【技术实现步骤摘要】
一种基于压力差的管道泄露定位的计算方法
本专利技术涉及管道运输领域，具体涉及一种基于压力差的管道泄露定位的计算方法。
技术介绍
水资源运输中，管道运输是最便捷和经济的运输方式。随着供水管道运输的迅猛发展，管道泄漏是供水管道运输安全中一个最主要的问题，其发生的原因主要包括管道老龄化，管道腐蚀和人为破坏等。管道泄漏将会导致一系列的问题，例如财产损失，环境破坏甚至危害公民安全。因此，我们有必要提高对管道泄漏的重视程度，加大对其的研究力度，提高供水管网泄漏检测和定位技术，能够及时检测泄漏并精准定位，减少供水管道漏失率。目前，多种信号应用于供水管道泄漏检测与定位，例如声信号，振动信号，压力波信号等。Xu.提出一种基于多层次方法的声发射检测定位技术，实验表明该方法可以达到5.3％的定位精度。Su.首次发现管道压力信号的混沌特性和小泄漏的关系，通过非线性时间序列分析报告进行混沌特性的估计，进而对管道泄漏进行检测与定位。Sepideh.提出基于供水管道的振动信号检测定位技术，通过测量管道表面加速度的交叉谱密度，定义了一个称为泄漏检测指数的度量单位，用于检测泄漏的发生和评估严重程度。在众多管道泄漏检测定位的方法中，负压波检测法发展较早，应用较多，技术最为成熟，该方法具有易于安装，经济实惠，灵敏度高，误报率低等的优点，因此负压波法广泛的应用于供水管道泄漏检测和定位中。Sun.针对液体管道提出了一种集成信号的方法，该方法将压力信号和流量信号结合在一起，当泄漏发生时，集成信号的变化幅度比传统压力信号的更大，并且不会被终端设备影响。Lu.提出了一种基于EMD的小噪声去噪方法，降低了噪声对管道压力信号的影响，然后利用时间差法对泄漏位置进行精准定位。Wang.利用FBG系统进行管道泄漏的检测，为了提高该系统的性能，在管道上放置一定数量的FBG传感器。Hou.采用双传感器方法进行精准定位，消除了单传感器经常发生误报的影响。现在，几乎所有的负压波检测法都是通过时间差和负压波波速进行定位，尤其是在长管道运输中。为了确定负压波到达首末两端的时间并且计算时间差，这就要求采集系统具有高的采样率。在工业生产中，采样率过高会极大的浪费资源，违背了低功耗原则。此外，负压波在铁管道中的速度大约为1200m/s，当采样率过低或者管道长度较短时，计算负压波到达首末两端的时间差将变得十分困难。
技术实现思路
本专利技术设计开发了一种基于压力差的管道泄露定位的计算方法，本专利技术的专利技术目的是为了降低现有技术中定位管道泄漏位置算法的采样率和低功耗问题。本专利技术提供的技术方案为：一种基于压力差的管道泄露定位的计算方法，包括如下步骤：步骤一、建立如下供水管路模型：式中，V为管道内水的流速，P为管道内水的管道压力，x为距离首端的距离，t为时间参数，ρ为水的密度，g为重力加速度，θ为管道和水平面的夹角，f为由达西公式算出的摩擦系数，D为管道直径，a为负压波波速；步骤二、根据所述供水管路模型得到如下负压波沿着供水管道的衰减方程：式中，ΔP0为首端压力变化值，为末端压力变化值，A为管道横截面积，为管道平稳状态下的质量流量，Lp为管道总长度，l为漏点距离首端的距离；步骤三、根据所述衰减方程得到如下管道泄漏位置：优选的是，对所述步骤一中的供水管路模型进行转换，得到转换后的供水管路模型为：式中，Q＝ρVA，V为管道内水的流速，ρ为水的密度，A为管道横截面积。优选的是，在所述转换后的供水管路模型中，当时，所述供水管路模型为：式中，分别为泄漏前的压力和质量流量，ΔP,ΔQ为泄漏后的压力变化和质量流量变化，L＝1/A，C＝A/a2。优选的是，建立所述衰减方程包括如下步骤：当供水管道在距离首端l处发生泄漏时，将所述供水管道分成第一部分x＝0到x＝l-和第二部分x＝l+到x＝Lp；使所述第一部分和所述第二部分均满足如下公式：ΔP(0,s)＝A1ΔP(Lp,s)+A1ΔQ(Lp,s)-A1A2ΔQ(0,s)，式中，A1＝1/cosh(nLp)-1/Zksinh(nLp)，A2＝cosh(nLp)-Zksinh(nLp)；确定泄漏点处的边界条件；根据所述边边界条件得到所述衰减公式。优选的是，所述边界条件包括：ΔQ(l-,s)＝ΔQ(0,s)ΔQ(l+,s)＝ΔQ(Lp,s)，本专利技术与现有技术相比较所具有的有益效果：现有的基于负压波检测法的技术都是通过时间差和负压波波速进行定位，尤其是在长管道运输中。为了确定负压波到达首末两端的时间并且计算时间差，这就要求采集系统具有高的采样率。在工业生产中，采样率过高会极大的浪费资源，违背了低功耗原则。由于噪声的干扰，判断负压波的突变点变得十分困难，即使采用去噪方法，依旧会有很大的误差。此外，负压波在铁管道中的速度大约为1200m/s，当采样率过低或者管道长度较短时，计算负压波到达首末两端的时间差将变得十分困难。本专利技术为了解决上述的问题，提出了采用压力差的方法进行管道泄漏定位，不同于判断负压波的突变点，本专利技术将采用负压波泄漏前后的稳定压力值进行求解，通过管道方程及管道泄漏边界条件推导出负压波的衰减规律，通过压力差的变化计算出管道泄漏位置。针对泄露前后的平稳状态，去噪效果要比非稳定状态好，因此本专利技术有效的降低了采样率，减小了能耗，抗噪声能力强，适用于大部分的工业生产，实际应用价值较高。附图说明图1为本专利技术所述的泄漏点处无噪声负压波图。图2为本专利技术所述的SNR为15dB的泄漏点处压力变化示意图。图3为本专利技术所述的上下包络示意图。图4为本专利技术所述的管道物理模型。图5为本专利技术所述的不同SNR的误差值。图6为本专利技术所述的不同SNR的标准差值。图7为本专利技术所述的不同压力变化的误差值。图8为本专利技术所述的不同压力变化的标准差值。图9为本专利技术所述的不同泄露点位置的误差值。图10为本专利技术所述的不同泄露点位置的标准差值。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。本专利技术提供一种基于压力差的管道泄露定位的计算方法，包括如下过程：为了描述供水管道状态，在本专利技术中给出管道的两种模型如公式(1)和公式(2)：式中，V为管道内水的流速，P为管道内水的管道压力，x为距离首端的距离，t为时间参数，ρ为水的密度，g为重力加速度，θ为管道和水平面的夹角，f为由达西公式算出的摩擦系数，D为管道直径，a为负压波波速；根据流体动力学，得出：Q＝ρVA(3)式中，V为管道内水的流速，ρ为水的密度，A为管道横截面积；忽略管道对流项的影响，将公式(3)带入公式(1)和公式(2)中，得到如下公式：泄漏点l之前的质量流量为：泄漏点l之后的质量流量为：式中，为管道平稳状态下的质量流量，l-为泄漏点之前的坐标距离，l+为泄漏点之后的坐标距离。管道压力P和质量流量Q可以由下式表示：式中，分别为泄漏前的压力和质量流量，ΔP,ΔQ为泄漏后的压力变化和质量流量变化。将公式(8)和公式(9)带入公式(4)和(5)，并且将新公式做线性变化得到：其中，类似于电感，电阻和电容。将公式(10)和公式(11)做拉普拉斯变换得：为了求解公式(12)和公式(13)，本专利技术中将两个公式对x求导得：公式(14)和公式(15)的形式类似波动方程的形式，本专利技术中可以求解得出：ΔP(x,s)＝C1e-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压力差的管道泄露定位的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、建立如下供水管路模型：

【技术特征摘要】
1.一种基于压力差的管道泄露定位的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、建立如下供水管路模型：式中，V为管道内水的流速，P为管道内水的管道压力，x为距离首端的距离，t为时间参数，ρ为水的密度，g为重力加速度，θ为管道和水平面的夹角，f为由达西公式算出的摩擦系数，D为管道直径，a为负压波波速；步骤二、根据所述供水管路模型得到如下负压波沿着供水管道的衰减方程：式中，ΔP0为首端压力变化值，为末端压力变化值，A为管道横截面积，为管道平稳状态下的质量流量，Lp为管道总长度，l为漏点距离首端的距离；步骤三、根据所述衰减方程得到如下管道泄漏位置：2.如权利要求1所述的基于压力差的管道泄露定位的计算方法，其特征在于，对所述步骤一中的供水管路模型进行转换，得到转换后的供水管路模型为：式中，Q＝ρVA，V为管道内水的流速，ρ为水的密度，A为管道横截面积。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娟，郑强，乔乔，钱志鸿，吕伟力，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22