燃气管道泄漏检测定位理论与实验研究

摘要

燃气管道由于腐蚀、老化、第三方破坏等原因会引发泄漏事故，燃气管道泄漏将直接造成能源浪费、环境污染和经济损失，因此在燃气管道的运行管理过程中，需及时检测到泄漏事故的发生，确定泄漏发生的位置，判断泄漏发生的程度。本文采用实验与理论相结合的研究方法，对城市燃气直管线及支状管线的泄漏检测定位做了以下研究：
　　基于流体动力学理论和信号检测方法，搭建了燃气管道泄漏检测综合实验台，该实验台可针对燃气直管线及支状管线，实现在不同泄漏孔径下的在线监测、检测和定位的实验研究。
　　针对直管道可测的参数情况，归纳为 A、B两类边界，给出基于瞬态流动数学模型在两类边界条件下的泄漏检测方法，实验得出直管道泄漏与阀门调节、压缩机调节所具有的不同工况特征，使模型法更方便于工程实际泄漏检测的应用。对于直管线的泄漏，提出采用改进的激励响应法进行泄漏点的定位，对泄漏孔径超过管道直径4％的情况，可实现有效定位，同时解决了激励阀门动作时间不确定的问题，使定位精度大为提高，对实验台上距离末端4m、7m、10m处的泄漏点，定位精度分别提高了0.75%、1.9%和3.15%。对直管线上不同的泄漏孔径比，进行了泄漏信号的小波熵泄漏程度分析，提出泄漏程度的划分标准，进而给出不同泄漏程度下，泄漏量的计算方法。
　　建立了支状管线气体流动数学模型，对模型进行了解析求解，分析了支状管线运行特性，得出可将复杂支状管线分解成多个只含有进气或分气支线的简单管线叠加。对运行压力为2.5MPa的支状管线进行了模拟计算，当进气支线泄漏孔径比为3.3%、6.6%和10%时，进气支线泄漏造成主管线压力波动分别为285Pa、545Pa和1014Pa；当分气支线泄漏孔径比3%、6%、10%时，分气支线泄漏造成主管线首端点压力波动分别为28.23Pa、112.94Pa和254.11Pa。
　　针对支状管线存在分支节点会导致压力信号产生干扰噪声和白噪声的问题，通过对压力信号的小波变换，剔除了分支节点等压力突变点引起的信号奇异，分析了支状管线各点信号小波模极大值与泄漏的关系，考察了分支节点对小波模极大值泄漏检测的影响，确定出可检测的最小泄漏孔径比为6%。研究提出适于支状管线泄漏检测定位的小波基函数，根据小波奇异点位置，实现了带有进气和分气的支状管线泄漏判断和定位。
　　随着城市燃气化进程的加快，管道安全运行问题日益突出。开展城市燃气管道系统泄漏检测定位的研究，不仅可以保证城市燃气供应系统的安全性，降低事故的危害；而且可以提高城市燃气供应系统的安全管理水平，延长城市燃气供应系统的使用寿命，进一步提高城市燃气供应系统的经济效益和社会效益。

目录

燃气管道泄漏检测定位理论与实验研究

STUDY ON THE LEAKAGE DETECTION THEORY AND EXPERIMENT RESEARCH OF GAS PIPELINE NETWORK

摘 要

Abstract

符号表

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 管道泄漏检测及定位技术综述

1.3 国内外泄漏检测定位及实验研究现状

1.3.1 国外泄漏检测定位研究现状

1.3.2 国内泄漏检测定位研究现状

1.3.3 国内外实验研究现状

1.3.4 国内外研究现状总结

1.4 本课题的研究内容

第2章 燃气管线泄漏检测实验系统

2.1 实验系统设计

2.2 实验系统主要设备选型

2.2.1 储气罐选型

2.2.2 压缩机选型

2.2.3 数据采集卡及压力传感器选型

2.2.4 流量计的选型计算

2.2.5 其它设备

2.3 实验台监测系统开发

2.3.1 实验台监控及数据采集系统

2.3.2 监控系统平台开发

2.4 实验数据误差分析

2.4.1 粗大误差剔除

2.4.2 趋势项剔除

2.5 本章小结

第3章 燃气直管道泄漏检测分析及工况识别

3.1 燃气直管道泄漏检测方案

3.2 燃气直管道瞬变流动模型的建立

3.2.1 模型的建立

3.2.2 初始条件和边界条件

3.3 管道瞬变流动模型的求解

3.3.1 A类边界条件下瞬变流动模型求解

3.3.2 B类边界条件下瞬变流动模型求解

3.4 瞬态模型法泄漏检测算例分析

3.4.1 A类边界条件下泄漏检测算例

3.4.2 B类边界条件下泄漏检测算例

3.5 泄漏工况与其它管道调节工况的实验对比

3.5.1 实验方案及步骤

3.5.2 泄漏工况与阀门调节工况实验对比

3.5.3 泄漏工况与压缩机调节工况实验对比

3.6 本章小结

第4章 燃气直管道泄漏定位及影响因素分析

4.1 激励响应法定位原理

4.2 激励响应波传递过程数值模拟

4.2.1 激励响应波幅值的推导

4.2.2 激励响应波传递过程模拟

4.3 激励响应法泄漏定位计算

4.3.1 泄漏点位置确定

4.3.2 定位精度的提高

4.4 激励响应法定位影响因素分析

4.4.1 泄漏孔大小对激励响应法定位的影响

4.4.2 激励波大小对激励响应法定位的影响

4.4 本章小结

第5章 燃气直管道泄漏程度判定及泄漏量计算

5.1 泄漏程度判定及泄漏量计算方案

5.1.1 泄漏信号小波变换与小波熵

5.1.2 泄漏信号小波熵计算步骤

5.2 泄漏信号小波熵参数的确定

5.2.1 小波基的确定

5.2.2 分解尺度的确定

5.3 泄漏程度分级及其小波熵表征

5.4 泄漏量计算

5.4.1 小孔泄漏时泄漏量求解

5.4.2 管道裂缝泄漏时泄漏量求解

5.4.3 大孔泄漏时泄漏量求解

5.5 算例分析

5.6 本章小结

第6章 燃气支状管线流动工况特性研究

6.1 支状管线泄漏特征分析

6.2 支状管线数学建模及其泛定化

6.3 泛定方程的广义解

6.3.1 支状管线模型的广义解

6.3.2 分支节点处流量的确定

6.4 基于广义解的支状管线特性分析

6.4.1 含进气支线的支状管线特性分析

6.4.2 含分气支线的支状管道特性分析

6.4.3 同时含有进气分气的支状管线特性分析

6.5 支状管线泄漏工况下的特性分析

6.5.1 进气支线泄漏对管线运行特性的影响

6.5.2 分气支线泄漏对管线运行特性的影响

6.5.3 主干线泄漏对管道运行特性的影响

6.6 本章小结

第7章 燃气支状管线的泄漏检测定位

7.1 支状管线泄漏检测定位方法的提出

7.2 支状管线泄漏信号的小波变换降噪

7.2.1 支状管线泄漏信号的小波变换降噪原理及步骤

7.2.2 用于支状管线泄漏信号降噪的小波基选取

7.3 基于小波奇异点分析的支状管线泄漏检测

7.3.1 信号奇异性的小波变换模极大值表征

7.3.2 基于波形相似度的奇异点检测小波基选取

7.3.3 分支节点对泄漏检测的干扰

7.4 基于小波奇异点时延信息的支状管线泄漏定位

7.4.1 含进气支线的泄漏点定位

7.4.2 含分气支线的泄漏点定位

7.5 支状管线小波奇异点泄漏检测及定位实验算例

7.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历