一种基于瞬变反问题的非金属管道泄漏定位方法技术

本发明专利技术针对城市燃气管道泄漏检测定位问题，提出了一种基于瞬变反问题的非金属管道泄漏定位方法，首先分别采集气体管道在有无泄漏情况下压力和流量的数据，进行数据分析后，找到管道有无泄漏的规律。若管道泄漏，对其建立瞬变流反问题的数学模型。在此基础上，计算出不同泄漏工况下各个压力检测点的理论压力值，结合相关函数方法和压力监测值对比，然后敏感性分析燃气管道的每个假定泄漏点，比较各点相关性系数的大小。本发明专利技术将管道检漏问题转化为系统优化问题。该方法适用于非金属管道泄漏的检测和定位，并且投入成本小，具有较好的实际应用价值。

A Leak Location Method for Nonmetallic Pipeline Based on Transient Inverse Problem

【技术实现步骤摘要】
一种基于瞬变反问题的非金属管道泄漏定位方法
本专利技术涉及非金属管道泄漏检测
，特别是涉及一种基于瞬变反问题的非金属管道泄漏定位方法。
技术介绍
随着我国城市化进程的加快，清洁能源的需求也在不断地加大，近年来，因管道发生泄漏引起的安全事故时有发生，事故将直接造成资源浪费、环境污染等一系列巨大损失，因此及时发现燃气管道泄漏，并准确判断管道泄漏发生的方位以及泄漏量，对燃气管道安全至关重要。一般情况下，输气管道的非稳态工况主要是由于开启或关闭管道内压气站或阀门、管道的堵塞以及管道发生泄漏或者断裂等事故造成的快瞬变，所谓的反问题分析法即已知结论反推原因。基于瞬变反问题的方法对燃气管道进行泄漏检测属于参数识别反问题，即以泄漏管道采集的各测压点的压力或流量值，判断泄漏量或泄漏点的位置。对流体的非恒定流动的研究可以上溯到19世纪中叶。自20世纪初阿列维、儒可夫斯基等学者为水锤理论奠基以来，有压瞬变流研究经历了解析法、图解法、数值计算法等阶段，已经发展成为流体工程中一个比较成熟的学科分支。目前可以说人们已经具有了很强的有压瞬变流的分析预测能力。与此同时，为了使流体工程中具有不同复杂程度的流体输送系统都能够可靠、安全、灵活地运行，国内外学者同样饶有兴致地对有压瞬变流反问题特别是结合具体的工程进行了有益的探讨和研究，并取得了不少具有理论意义和实用价值的成果。起初英国壳牌石油公司的XueJunZhang于1992年提出了一种气体和液体管道的统计检漏法。该方法不需建立管道动态模型，根据在管道入口和出口测量的流体压力和流量，连续计算泄漏的统计概率。当泄漏确定之后，可通过测量流量和压力及其统计平均值估算泄漏量，用最小二乘法进行泄漏定位。国内学者毕鹏山、刘恩斌等人于2011年基于瞬态模型，研究了一种新的泄漏检测方法，改进了传统典型线法的差分格式，并实现了管道从头到尾，从头到尾的实时仿真。然后，它比较两个仿真的结果，并确定是否存在泄漏，并确认泄漏位置。上述管道泄漏检测定位问题的理论或实验研究都尚处于起步阶段，并且存在着检漏精度受仪表精度影响大，定位精度较差的缺点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于瞬变反问题的非金属管道泄漏定位方法，将管道检漏问题转化为系统优化问题。本专利技术解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于瞬变反问题的非金属管道泄漏定位方法，包括如下步骤：S1：分别采集燃气管道在有无泄漏情况下的压力、流量数据，进行数据分析后，找出有无泄漏的特征。对要进行检测的管道判断是否发生了泄漏。若有泄漏，开始S2，否则终止。S2：通过给出特定的边界条件，基于瞬变流反问题分析，建立适合燃气管道泄漏检测的数学模型，选择特征线法对燃气管道漏失瞬变流模型进行求解。燃气管道瞬变分析所得的状态参数及敏感性分析结果的基础上，建立燃气管道漏失的反问题数学模型，以管道末端阀门瞬间关闭引起的管内瞬变流作为系统的激励,以压力监测点得到的压力值作为系统的响应,以泄漏量作为系统的待求解参数。求解瞬变数学模型时，需提供初始时刻的管内各点的压力分布和流量分布等初始条件。通常情况下燃气管道处于瞬变流动状态，管道压力和流量分布情况等初始条件无法实际测量，因此选择采用燃气管道稳定流动时的稳态水力计算结果作为管道漏失瞬变过程的初始条件。管道内各节点在初始时刻流量相等，为稳态流动的平均流量，可视为定值：M(x,0)＝常数利用反问题分析法对燃气管道进行泄漏检测，其本质是在假设已知管道发生泄漏的位置的情况下，考虑到不同的泄漏位置及不同泄漏量等多种组合工况下对管道发生的瞬变流动进行数值模拟，在发生瞬变流动的过程中管道内，通过计算获得各个测压点压力和流量变化情况。即在燃气管道瞬变分析的基础上，对比分析管道实测值与模拟计算数值的差距，来判断燃气管道发生泄漏的位置。S2.1：决策变量本专利针对单个点泄漏展开，对于单点检漏，决策变量只有一个，即泄漏点位置NL，m。S2.2：目标函数基于瞬变流反问题分析的管道检漏的优化目标是瞬变压力变化过程的计算结果与实测结果的差别最小。因此，其目标函数可表示为：式中，Hm,i为第i个压力测量值，MPa；Hi(x)为第i个压力计算值,MPa；M为压力测量数据的总个数；x为决策变量。对于单点检漏，x为泄漏位置NL,m。式(1)即为包含M个压力测量值(Hm,i，i＝1,2,…,M)，含有1个未知参数NL的瞬变流反问题分析模型。以E(x)最小为目标，确定x值，即确定泄漏点的位置。S2.3:约束条件约束条件包括系统约束和决策变量上下限约束。系统约束包括：瞬变流的基本方程、泄漏出流的边界条件、系统上游边界条件、阀门的边界条件、系统下游边界条件。决策变量上下限约束是指各决策变量的取值必须在规定的范围内，即：对于单点检漏：1<NL<NS(2)式中，NS为管道计算节点总数，假定泄漏不会发生在管段起始端和末尾端(因为如果这两点发生泄漏，很容易被发现)。S2.4:非恒定流状态的泄漏出流边界条件管道泄漏检测一方面受测量传感器噪声干扰的影响，另一方面，一个较准确的瞬变流模型对于精确定位泄漏点和估计泄漏量是至关重要的。因为非恒定摩阻和管道泄漏两个因素都直接影响着瞬变水击波形的畸变和衰减“特性”，并且影响程度比较相似，能否从压力信号突降点或压力幅频特征畸变过程中分清二者的区别又直接关系定位的准确性。显然，采用非恒定摩阻的瞬变流模型是提高瞬变检测法检测精度的一个方向。采用一维Vardy-Brown管道非恒定摩擦阻力模型和网格划分，建立非恒定流状态的泄漏出流边界条件：采用一维Vardy-Brown将管内流体分为两区，假设壁面附近为层流，粘度线性变化，核心区流速均匀分布，推导出了适用于湍流的非恒定摩阻模型，提高了模型的计算效率。当管道泄漏流量按孔口出流方程模拟，即：式中，为(n+1)Δt时刻的泄漏流量，m3/s；Cd为流量系数；为泄漏点处(n+1)Δt时刻的测压管水头，m；ZL为泄漏点的高程，m。泄漏点处应满足流量平衡方程：式中，分别为泄漏节点上、下游断面(n+1)Δt时刻的流量，m3/s。在弹性力学中，相容方程是按应力求解平面问题的方法，根据瞬变流相容性方程，分别得到以下方程：令式中，角标i、n为网格节点(iΔx,nΔt)；ε为线性因子，0≤ε≤1；τu为瞬变切应力中的非恒定项，其表达式由一维Vardy-Brown模型得到；a为水锤波传播速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；A、D分别为主管道的横截面积和直径，单位分别是m2、m；f为管道摩擦阻力系数；Δx和Δt分别为空间和时间步长，单位分别是m，s；ρ为流体密度，kg/m3。联立式(3)～(7)式，即可求解基于非恒定摩擦阻力的泄漏出流的边界条件，得到和的值；B称作特征阻抗；式(8)为自定义推导式。S3：对上述瞬变反数学模型中的泄漏管道系统进行离散：泄漏点区域用若干点先划分为若干段，继而划分为互不重叠的网格，用有限个离散点代替原来离散空间，从而明确计算区域，并按一定时间间隔选取燃气管道的压力检测点位置，此过程即为进行离散分析。具体过程如下：根据统一时步矩形网格法，利用下式计算各管段的时间步长：式中，Δl为管段距长，m；v为压力波在管道内的波速，m/s；根据儒可夫本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于瞬变反问题的非金属管道泄漏定位方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：分别采集燃气管道在有无泄漏情况下的压力和流量数据，进行数据分析后，找出有无泄漏的特征；对要进行检测的管道判断是否发生了泄漏；若有泄漏，开始S2，否则终止；S2：通过给出特定的边界条件建立适合燃气管道泄漏检测的瞬变问题数学模型；S3：对步骤S2中泄漏管道数学模型中管道系统进行离散，明确计算区域，并选取燃气管道的压力检测点位置；S4：计算得到的各个压力检测点在管道不同泄漏情况下的压力值；S5：采用相关函数法对燃气主干管道和枝线管道的各个节点进行敏感性分析并对比各节点的相关性系数；S6：根据步骤S5的相关系数，确定管道泄漏点的位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于瞬变反问题的非金属管道泄漏定位方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：分别采集燃气管道在有无泄漏情况下的压力和流量数据，进行数据分析后，找出有无泄漏的特征；对要进行检测的管道判断是否发生了泄漏；若有泄漏，开始S2，否则终止；S2：通过给出特定的边界条件建立适合燃气管道泄漏检测的瞬变问题数学模型；S3：对步骤S2中泄漏管道数学模型中管道系统进行离散，明确计算区域，并选取燃气管道的压力检测点位置；S4：计算得到的各个压力检测点在管道不同泄漏情况下的压力值；S5：采用相关函数法对燃气主干管道和枝线管道的各个节点进行敏感性分析并对比各节点的相关性系数；S6：根据步骤S5的相关系数，确定管道泄漏点的位置。2.如权利要求1所述的基于瞬变反问题的非金属管道泄漏定位方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：S2.1：确定决策变量针对单个点泄漏展开，对于单点检漏，决策变量只有一个，即泄漏点位置NL，m；S2.2：确定目标函数基于瞬变流反问题分析的管道检漏的优化目标是瞬变压力变化过程的计算结果与实测结果的差别最小，因此，其目标函数可表示为：式中，Hm，i为第i个压力测量值，MPa；Hi(x)为第i个压力计算值，MPa；M为压力测量数据的总个数；x为决策变量，对于单点检漏，x为泄漏位置NL，m；式(1)即为包含M个压力测量值Hm，i(i＝1，2，...，M)，含有一个未知参数NL的瞬变流反问题分析模型；以E(x)最小为目标，确定x值，即确定泄漏点的位置；S2.3：确定约束条件决策变量上下限约束是指各决策变量的取值必须在规定的范围内，对于单点检漏：1＜NL＜NS(2)式中，NS为管道计算节点总数，节点指管道上可能发生泄漏的点，且假定泄漏不会发生在被测管道起始端和末尾端；S2.4：确定非恒定流状态的泄漏出流边界条件采用一维Vardy-Brown管道非恒定摩擦阻力模型和网格划分，建立非恒定流状态的泄漏出流边界条件；管道泄漏流量按孔口出流方程模拟，即：式中，为泄漏节点下游断面(n+l)Δt时刻的泄漏流量，m3/S；n为自然数，0，1，2，3…n；Cd为流量系数；AL为泄漏面积，m2；g为重力加速度，m/s2；ΔHL为任意点的压头，m；为泄漏点处(n+1)Δt时刻的测压管水头，m；ZL为泄漏点的高程，m；泄漏点处应满足流量平衡方程：式中，分别为泄漏节点上、下游断面(n+1)Δt时刻的流量，m3/s；在弹性力学中，相容方程是按应力求解平面问题的方法，根据瞬变流相容性方程：令式中，角标i、n为网格节点(iΔx，nΔt)；ε为线性因子，0≤ε≤1；τu为瞬变切应力中的非恒定项，其表达式由一维Vardy-Brown模型得到；a为水锤波传播速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；A、D分别为主管道的横截面积和直径，单位分别是m2、m；f为管道摩擦阻力系数；Δx和Δt分别为空间和时间步...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛璘，郝永梅，杨健，王永萍，贺雷，马逸飞，庄孙歧，薛晶，
申请(专利权)人：常州港华燃气有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32