基于压力信号的气液两相流泄漏检测研究

摘要

在油气混输管道的运行管理中，及时发现管道泄漏并确定泄漏位置，是管道安全运行的保障。而目前关于气液两相流混输管线的泄漏检测系统尚不成熟，迫切需要一种实时有效的泄漏检测方法来保证混输管线的安全运行。因此，分析两相流管线泄漏特征、研究适用于两相流管线的泄漏检测方法具有重要意义。本文基于理论研究、数值模拟、实验研究及编程计算对气液两相流管线泄漏规律及检测方法展开研究，主要研究内容如下： （1）分析气液两相流管线检漏技术的难点，主要难点有流动状态不稳定；泄漏参数对泄漏规律影响较大；压力波动大，产生较大环境噪声；多相流流量计精度低。 （2）对气液两相流动泄漏过程进行瞬态分析，利用双流体模型建立气液两相流泄漏系统数学模型，利用隐式差分法求解控制方程，并用C++编程计算气液两相流泄漏数值解。计算结果显示，管线泄漏后，泄漏点下游管线压力、持液率、气液相流速等参数均下降，且数值计算结果与实验数据趋势一致。 （3）为分析泄漏孔尺寸、泄漏位置及气液比等因素对泄漏规律的影响，利用多相流模拟软件建立管道模型进行模拟。提出将变动规律明显、工程易于监测的压力信号作为泄漏检测的依据。根据模拟结果拟合泄漏参数Fk的计算公式。 （4）针对压力信号定位原理的两个关键问题，研究气液两相中压力波速的计算方法及压力信号奇异点的识别方法。推导分析得到分层流压力波速计算公式，并基于压力波速计算公式、定位公式与水力特性方程提出泄漏定位的循环迭代方法。采用小波变换中的模极大值法捕捉压力信号的突变点，采用sym4小波基分解压力信号，分解到第七层时可以在噪声中清晰地识别到泄漏导致的压力下降点。 （5）为观察泄漏规律、采集压力信号，进行水+空气环道实验。改变泄漏点直径、气液流量、泄漏点周向位置等条件，在DN50和DN80管段进行了以分层流为主的多组泄漏实验。实验探究调节气液相流量、启泵/停泵、启动/停运压缩机等瞬态操作导致的流量、压力变化规律，通过实验可知上述瞬态操作导致的流量、压力变化规律与泄漏造成的不同，因此利用压力进行检漏时结合流量分析即不会造成误报。 （6）为在较大背景噪声的环境中有效识别出微小泄漏，引入统计决策法对实验结果进行处理分析，将统计分析与压力信号联合应用于泄漏检测。利用Labview软件编程，实现压力信号的卡尔曼滤波与泄漏判断，并利用程序分析背景噪声及泄漏参数对泄漏检验的影响。

目录

声明

第一章 绪论

1.1论文背景及意义

1.2研究现状

1.2.1管道泄漏研究现状

1.2.2多相流管线泄漏检测难点

1.2.3油气管道泄漏检测方法综述

1.3本文主要研究内容

1.4特色及创新点

1.5研究方法及技术路线

第二章 气液两相流泄漏数学模型

2.1气液两相流流动数学模型

2.1.1控制方程

2.1.2分层流数学模型

2.1.3边界条件

2.1.4分析及求解

2.2两相流泄漏算例分析

2.2.1数值模拟计算结果

2.2.2数值模拟与实验数据对比分析

2.3小结

第三章 气液两相流管线泄漏规律研究

3.1气液两相流泄漏水力特性方程

3.1.1管道水力特性方程

3.1.2两相流管道效率参数

3.1.3两相流管道泄漏参数

3.2泄漏对管线流动参数影响

3.2.1泄漏对管线流量的影响

3.2.2泄漏对管线压力的影响

3.3管线泄漏影响因素分析

3.3.1物理模型

3.3.2分层流条件下泄漏尺寸影响分析

3.3.3分层流条件下气液比影响分析

3.3.4分层流泄漏位置影响分析

3.3.5段塞流条件下泄漏尺寸影响分析

3.3.6压力信号变化规律

3.4小结

第四章 压力信号定位关键问题研究

4.1压力波法检测原理

4.2压力波传播速度

4.2.1气相、液相单相压力波速计算

4.2.2气液两相分层流压力波速计算

4.2.3模拟结果处理与分析

4.2.4负压波定位公式及循环迭代算法的改进

4.3泄漏定位的小波变换实现

4.3.1小波变换应用与泄漏点捕捉

4.3.2实验结果处理与分析

4.4小结

第五章 统计决策与压力信号处理相结合的泄漏检测实验研究

5.1序贯概率比检验概述

5.2序贯概率比检验在管道泄漏中的应用

5.3序贯概率比检验LabView实现

5.3.1参数设置

5.3.2编程实现

5.4气量两相流泄漏实验研究

5.4.1实验环道及流程图

5.4.2实验装置介绍

5.4.3实验方案

5.5实验数据处理

5.5.1数据处理过程

5.5.2背景压力信号影响

5.5.3泄漏参数影响

5.6不同瞬态工况下管线参数变化规律

5.7小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢