本發(fā)明涉及管道系統(tǒng)泄漏檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大型復(fù)雜天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

目前，管道在線泄漏檢測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)正沿著兩個(gè)思路發(fā)展：一是基于管道內(nèi)部流動(dòng)和泄漏特征的管道分析計(jì)算檢測(cè)方法CPM(Computational Pipeline Monitoring)，一是借助于外部系統(tǒng)和設(shè)備的外部檢測(cè)方法(光纖、電纜和次聲波法等)。

基于管道動(dòng)態(tài)模型的泄漏檢測(cè)方法充分利用了管道系統(tǒng)流動(dòng)和泄漏的全部特征，能識(shí)別管道的正常瞬變流動(dòng)和由微小泄漏所產(chǎn)生的擾動(dòng)，對(duì)所出現(xiàn)的微小泄漏敏感但不受過程中各種測(cè)量噪聲的影響，且不受泄漏發(fā)生時(shí)間和管道運(yùn)行狀態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)和診斷。故其泄漏檢測(cè)靈敏度、可靠性高，泄漏定位準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，是管道泄漏檢測(cè)CPM方法中的高端技術(shù)和方法，也是適用于天然氣管道泄漏報(bào)警和定位的唯一方法，廣泛應(yīng)用于國(guó)外天然氣長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中。

管道動(dòng)態(tài)模型泄漏檢測(cè)技術(shù)涉及管道在線自適應(yīng)動(dòng)態(tài)仿真建模技術(shù)、非線性系統(tǒng)濾波技術(shù)、隨機(jī)狀態(tài)診斷、隨機(jī)過程分析和信號(hào)處理等技術(shù)，使得管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)過程中的各種噪聲不敏感，而對(duì)管道中出現(xiàn)的微小泄漏卻能做出迅速響應(yīng)。

在國(guó)外，管道動(dòng)態(tài)模型泄漏檢測(cè)技術(shù)研究日趨深入和成熟，形成了多種商品化的產(chǎn)品，并在天然氣管道系統(tǒng)泄漏檢測(cè)上得到廣泛應(yīng)用。但在國(guó)內(nèi)，其理論研究和技術(shù)開發(fā)工作較為局限，由于理論研究和應(yīng)用開發(fā)難度高，國(guó)內(nèi)管道泄漏檢測(cè)技術(shù)開發(fā)商并未涉足該領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種大型復(fù)雜天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測(cè)方法，突破分段檢測(cè)的限制，創(chuàng)立CPM大型復(fù)雜天然氣管道系統(tǒng)泄漏檢測(cè)體系，針對(duì)大型復(fù)雜天然氣管道系統(tǒng)及測(cè)量數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，提出基于動(dòng)態(tài)模型的天然氣管網(wǎng)壓力分布相關(guān)性分析泄漏檢測(cè)方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種大型復(fù)雜天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟一、靜態(tài)仿真，以節(jié)點(diǎn)壓力法來分析管網(wǎng)流體定常流動(dòng)；根據(jù)定常流動(dòng)的假設(shè)和關(guān)系式，考慮到管網(wǎng)靜態(tài)流動(dòng)特點(diǎn)，即各參數(shù)不隨時(shí)間變化，得到相應(yīng)的各元件的靜態(tài)分析模型，然后用系統(tǒng)及節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量守恒關(guān)系建立以節(jié)點(diǎn)壓力為未知量的非線性代數(shù)方程組，最后用擬牛頓法求解該方程組，得到流體管網(wǎng)定常流動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬解，對(duì)所測(cè)管道進(jìn)行靜態(tài)仿真，得到管道內(nèi)沿線壓力、流量和溫度的初始分布；

步驟二、在線仿真，應(yīng)用管網(wǎng)仿真軟件進(jìn)行在線仿真，通過標(biāo)準(zhǔn)OPC通訊接口，提供與SCADA系統(tǒng)和其它OPC應(yīng)用軟件的實(shí)時(shí)雙向通訊，按需求自動(dòng)讀取SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，運(yùn)行數(shù)據(jù)包括壓力、流量和溫度，設(shè)備狀態(tài)參數(shù)包括閥門位置、泵/壓縮機(jī)啟/停/功率/轉(zhuǎn)速，并據(jù)此狀態(tài)和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)建模，實(shí)現(xiàn)在線仿真；得到管道內(nèi)沿線壓力、流量和溫度的實(shí)時(shí)分布；

步驟三、參數(shù)學(xué)習(xí)，根據(jù)敏度分析理論，在隱式法和特征線法氣體管道動(dòng)態(tài)仿真狀態(tài)空間模型基礎(chǔ)上，如式(1)所示；提出基于管道瞬變流動(dòng)狀態(tài)空間模型的管道參數(shù)實(shí)時(shí)在線學(xué)習(xí)模型，如式(2)所示；建立管道實(shí)時(shí)在線學(xué)習(xí)過程，計(jì)算過程如表1所示；以適應(yīng)管道參數(shù)的不確定性和緩慢變化過程，從而通過學(xué)習(xí)-觀測(cè)過程耦合，消除和減少管道參數(shù)不確定性和緩慢變化所造成的影響，實(shí)現(xiàn)在線自適應(yīng)精確動(dòng)態(tài)仿真，為管道動(dòng)態(tài)模型泄漏檢測(cè)技術(shù)提供動(dòng)態(tài)模型仿真基礎(chǔ)；管道實(shí)時(shí)在線學(xué)習(xí)模型是動(dòng)態(tài)估計(jì)和跟蹤管道參數(shù)不確定性的有效手段，良好的實(shí)時(shí)在線學(xué)習(xí)模型是魯棒模擬器的重要保證：

式中，θ為待估計(jì)參數(shù)形成的r維向量，θ∈R^r，它可以是時(shí)間序列的緩變參數(shù)，也可以是空間分布參數(shù)，根據(jù)學(xué)習(xí)和估計(jì)的需要確定其形式；

式中，為一數(shù)量，其中λ為記憶因子，滿足0≤λ≤1。

表1參數(shù)學(xué)習(xí)步驟及計(jì)算過程

步驟四、泄漏檢測(cè)，計(jì)算各壓力測(cè)點(diǎn)的仿真壓力與實(shí)測(cè)壓力偏差，通過仿真-實(shí)測(cè)壓力偏差分布的相關(guān)性分析，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜油氣管道系統(tǒng)的泄漏狀態(tài)辨識(shí)和診斷。

本發(fā)明具有以下特征：適合大型復(fù)雜氣體和液體管網(wǎng)系統(tǒng)；突破流體介質(zhì)的限制；突破天然氣管道分段檢測(cè)的限制、充分利用分布特征；連續(xù)監(jiān)測(cè)，不斷更新泄漏位置和泄漏點(diǎn)，不受泄漏時(shí)間的影響，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)漏點(diǎn)；需要復(fù)雜的在線仿真，檢測(cè)效果依賴于管道沿線儀表的布置。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是參數(shù)學(xué)習(xí)及估計(jì)工程圖。

圖3是榆濟(jì)線PNS管網(wǎng)仿真模型圖。

圖4是參數(shù)學(xué)習(xí)后系統(tǒng)平均壓力偏差圖。

圖5是參數(shù)學(xué)習(xí)后系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)壓力偏差圖。

圖6是任村(林州站)模擬泄漏檢測(cè)結(jié)果圖。

圖7是遮峪閥室與安陽(yáng)站壓力偏差趨勢(shì)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)敘述。

一種大型復(fù)雜天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟一、靜態(tài)仿真，圖3即是建立的榆濟(jì)管道管網(wǎng)仿真模型，模型共由55個(gè)節(jié)點(diǎn)、54條管線組成，其中包括一座壓縮機(jī)站，一臺(tái)調(diào)壓設(shè)備。根據(jù)定常流動(dòng)的假設(shè)和關(guān)系式，考慮管網(wǎng)靜態(tài)流動(dòng)特點(diǎn)，得到相應(yīng)的各元件的靜態(tài)分析模型；然后利用系統(tǒng)及各站點(diǎn)的質(zhì)量守恒關(guān)系，建立以站點(diǎn)壓力為未知量的非線性代數(shù)方程組；榆濟(jì)線最終的方程組維數(shù)是294維，最后用擬牛頓法求解該方程組，迭代精度設(shè)置為0.0001，得到流體管網(wǎng)定常流動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬解，即得到管道內(nèi)沿線壓力、流量和溫度的初始分布；

步驟二、在線仿真，通過標(biāo)準(zhǔn)OPC通訊接口，實(shí)現(xiàn)與榆濟(jì)線SCADA系統(tǒng)(PVSS.OPC.1)的實(shí)時(shí)雙向通訊，每20秒自動(dòng)讀取SCADA讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)包括各站點(diǎn)壓力、流量和溫度，壓縮機(jī)站進(jìn)出、站壓力，調(diào)壓撬進(jìn)出口壓力，并據(jù)此數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)建模，實(shí)現(xiàn)在線仿真，所建立的方程組是530維，以隱式差分法求解該方程組，得到管道內(nèi)沿線壓力和流量的實(shí)時(shí)分布；

步驟三、參數(shù)學(xué)習(xí)，根據(jù)敏度分析理論，在隱式法和特征線法氣體管道動(dòng)態(tài)仿真狀態(tài)空間模型基礎(chǔ)上，如式(1)所示，提出基于管道瞬變流動(dòng)狀態(tài)空間模型的管道參數(shù)實(shí)時(shí)在線估計(jì)和學(xué)習(xí)模型；如式(2)所示，建立管道實(shí)時(shí)在線學(xué)習(xí)過程，如圖2所示，計(jì)算過程如表1所示，以適應(yīng)管道參數(shù)的不確定性和緩慢變化過程，從而通過學(xué)習(xí)-觀測(cè)過程耦合，消除和減少管道參數(shù)不確定性和緩慢變化所造成的影響，實(shí)現(xiàn)在線自適應(yīng)精確動(dòng)態(tài)仿真，為管道動(dòng)態(tài)模型泄漏檢測(cè)技術(shù)提供動(dòng)態(tài)模型仿真基礎(chǔ)；管道實(shí)時(shí)在線學(xué)習(xí)模型是動(dòng)態(tài)估計(jì)和跟蹤管道參數(shù)不確定性的有效手段，良好的實(shí)時(shí)在線學(xué)習(xí)模型是魯棒模擬器的重要保證：

式中，θ為待估計(jì)參數(shù)形成的r維向量，θ∈R^r，它可以是時(shí)間序列的緩變參數(shù)，也可以是空間分布參數(shù)，根據(jù)學(xué)習(xí)和估計(jì)的需要確定其形式；

式中，為一數(shù)量，其中λ為記憶因子，滿足0≤λ≤1；

表2參數(shù)學(xué)習(xí)步驟及計(jì)算過程

參數(shù)學(xué)習(xí)不小于10min，系統(tǒng)獲取足夠多的實(shí)時(shí)管道流動(dòng)數(shù)據(jù)，通過該數(shù)據(jù)進(jìn)行管道緩變參數(shù)加權(quán)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)管道參數(shù)自學(xué)習(xí)過程。學(xué)習(xí)過程結(jié)束后，觀測(cè)管道系統(tǒng)平均壓力偏差和沿線各點(diǎn)壓力偏差，結(jié)果分別如圖4和圖5所示。圖4是系統(tǒng)平均壓力偏差隨時(shí)間變化的關(guān)系，從圖中可以看出，系統(tǒng)平均壓力偏差在1KPa波動(dòng)，這說明整個(gè)系統(tǒng)仿真精度非常高。圖5是沿線個(gè)點(diǎn)壓力偏差隨時(shí)間變化的關(guān)系，從圖中可以看出，沿線各點(diǎn)壓力偏差均在4KPa以內(nèi)，即沿線各點(diǎn)仿真壓力比較高。

步驟四、設(shè)置泄漏檢測(cè)參數(shù)。壓力分布相關(guān)性泄漏檢測(cè)方法參數(shù)設(shè)置如表3和表4所示。它們定義了壓力分布泄漏檢測(cè)所需的所有參數(shù)、檢測(cè)方法和檢測(cè)報(bào)警具體要求。其中表3明確了PPRTM泄漏檢測(cè)的具體方法、參數(shù)及報(bào)警要求；表4列出了榆濟(jì)管道沿線所有可能的壓力測(cè)點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)，其中固定壓差偏差須通過運(yùn)行穩(wěn)定后自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能自動(dòng)標(biāo)定。

表3 PPRTM泄漏檢測(cè)要求

表4壓力分布

步驟五、進(jìn)行壓力相關(guān)性分析泄漏檢測(cè)，包括仿真-實(shí)測(cè)壓力分布偏差對(duì)比、管道泄漏壓力分布偏差特征分析、泄漏診斷和報(bào)警、泄漏處理和定位。

本次測(cè)試以林州站為測(cè)試站點(diǎn)。模擬該站發(fā)生泄漏，進(jìn)行泄漏檢測(cè)。由于林州站距離任村閥室較近，在仿真模型中，將林州站與任村閥室合并一處。

泄漏檢測(cè)從6月11日20：32開始，此時(shí)林州站已經(jīng)開始為用戶供氣，供氣瞬時(shí)流量為6464.9Nm³/h，模擬該站發(fā)生5858.4Nm³/h的泄漏。泄漏檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，泄漏發(fā)生后，林州站上游遮峪閥室，與林州站下游安陽(yáng)站壓力偏差均開始增大，圖中紅色圓圈標(biāo)注的地方，這表明PPRTM泄漏檢測(cè)方法可以檢測(cè)出兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)之間的泄漏。將遮峪閥室與安陽(yáng)站壓力偏差提取出，如圖7所示。圖7中，由于管線模擬發(fā)生泄漏，遮峪閥室與安陽(yáng)站壓力偏差都產(chǎn)生了影響，并且隨著泄漏的持續(xù)，壓力偏差不斷增大。