城市地下燃气管网泄漏监测关键技术研究

摘要

天然气作为一种清洁、高效的能源，日益受到国内、外的重视。由于天然气的易燃易爆特性，作为天然气输送主要手段的管道的安全性显得尤为重要。随着我国能源结构调整进程的加快，城镇天然气管网的建设也在飞速发展。相对于长输管道，城镇天然气管网位于人口聚居地的地下，从城镇居民的安全角度看，其泄漏造成的危害性远高于长输管道。而城镇燃气管网的压力低，多分支，多附件、处于复杂多样的环境噪声中的特点，决定了其泄漏检测定位的难度远高于长输管道的泄漏检测定位。
　　 广义声发射是近些年发展起来的用于解释由泄漏引发的管壁中的应力波理论，该理论认为由泄漏引发的信号为连续信号，这种特性使得其在检测理论上有别于常规的负压波理论，也正是由于该信号的连续特性，可对其进行连续捕捉，而不必担心由于错过了时间而漏检。基于高阶累积量理论的高阶谱是信号处理领域中崭新的手段，具有基于二阶统计量的处理手段所无法比拟的优越性。文中将广义声发射理论和高阶谱理论结合起来，应用于城市地下燃气管网的泄漏检测及定位，主要工作有：
　　 1)按照国家标准，铺设了36m管线模拟城市地下燃气管网，其中直管线30m，过弯头管线6m；
　　 2)采用广义声发射理论解释由泄漏引发的管壁中的应力波现象，并据此理论研究了城市中(B)、低压燃气管网泄漏信号的特点，结合应力波在管壁中的传播特性，选择声频范围内的泄漏信号作为检测对象；
　　 3)在双谱理论的基础上，依据双谱可辨别信号平稳性的特点及统计独立的信号和的双谱等于信号双谱和的特性，研究了城市环境噪声——汽车、火车、施工等噪声的平稳性；
　　 4)依据双谱估计理论，研究了泄漏信号、管内流体噪声及检测仪器噪声的高斯性，依据双谱估计理论，采用了基于双谱的统计量，实现了在复杂城市环境噪声中的泄漏信号的检测及泄漏点的定位；
　　 5)在对两泄漏信号统计独立及检测噪声与信号统计独立的假设前提下，建立了两点泄漏模型，并利用四阶累积量对位于两检测系统之间的泄漏点数目进行了估计，实验结果表明，在信噪比较高的情况下，该方法对泄漏点数目的估计的准确率可达95％以上；
　　 6)在两点泄漏模型的基础上，从双谱理论出发，建立了两泄漏信号的自双谱和互双谱组成的方程组，巧妙的利用双谱域中的两条直线上的双谱值，建立了两泄漏点的定位双谱理论公式，并在实验的基础上，验证了该公式的正确性及该方法在工程上的可行性。该理论对检测范围内存在两泄漏点的情况的检测及定位具有很高的应用价值。
　　 大量现场实验结果表明：双谱技术可有效实现复杂城市环境噪声中的地下中压B及低压燃气管网的泄漏检测，在0.005～0.2Mpa的压力范围内，可检测最小距离为30m，定位绝对误差小于1.5m。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1天然气管道泄漏检测技术的研究背景

1.1.1发展中的天然气干线建设

1.1.2城镇天然气管网的建设

1.2城市天然气管网

1.2.1城镇天然气管网供气系统

1.2.2城镇燃气管道的泄漏

1.3天然气管道泄漏特点及相应的检测技术

1.3.1天然气管道泄漏特点

1.3.2天然气管道泄漏检测技术

1.3.3国外比较先进的天然气管道泄漏检测技术

1.3.4发展中的城市天然气管道检测与防护技术

1.4本文研究的主要内容

第二章 监测系统设计

2.1检测系统中的敏感元件——传感器

2.1.1传感器种类的选择

2.1.2传感器型号的选择

2.1.3压电加速度计的动态补偿

2.2传感器的安装

2.3传感器外围装置

2.4本章小结

第三章 泄漏声波的产生及传播理论

3.1气体泄漏模型

3.2泄漏声波的产生

3.3连续声发射信号的表征参数

3.4影响泄漏声发射的因素

3.4.1流密度与泄漏声发射

3.4.2管内、外压力差与泄漏声发射

3.4.3泄漏孔形状与泄漏声发射

3.5圆管中的波传播理论

3.6本章小结

第四章 泄漏声发射信号实验研究

4.1实验装置

4.2实验研究

4.2.1介质压力对泄漏声发射信号的影响

4.2.2泄漏孔径的大小对泄漏声发射信号的影响

4.2.3泄漏孔的粗糙程度对泄漏声发射信号的影响

4.2.4传播距离对泄漏声发射信号的影响

4.2.5弯头对泄漏声发射信号的影响

4.2.6其他影响因素

4.3本章小结

第五章 基于高阶累积量谱的泄漏信号处理技术

5.1基于高阶统计量的数据检验

5.1.1双谱基本理论

5.1.2数据平稳性检验

5.1.3数据高斯性检验

5.2几个重要的统计量

5.3燃气管网的泄漏检测

5.3.1实验数据的采集与处理

5.3.2检测系统模型

5.3.3检测过程流程

5.4泄漏检测实验

5.5本章小结

第六章 泄漏定位研究

6.1单点定位模型

6.2单点泄漏定位基本原理

6.2.1互双谱定位法

6.2.2参数法

6.2.3 HOS与GCC相结合的定位法

6.3互双谱相位法定位实验

6.3.1 CBM定位法

6.3.2CBM及MCBM法定位比较实验研究

6.4泄漏两点模型

6.4.1两点模型

6.4.2源数估计

6.4.3实验验证两点定位理论

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1论文完成的主要工作

7.2论文主要创新点

7.3进一步的研究计划

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢