基于声学传感器的管道泄漏定位研究

摘要

随着能源危机和环境问题的日益严重，碳捕获和封存(Carbon Capture andStorage，CCS)技术被认为是处理全球气候变暖、减少温室气体最有效的一种方法。CCS技术是将工业、能源产业所生产出来的二氧化碳分离出去，再通过碳存储手段，将其输送到海底或者地下等与大气隔绝的地方。其中，管道运输是长距离运输捕获后的二氧化碳最经济、最可靠的方式。因此，针对管道运输中存在的泄漏问题进行研究具有重要意义。掌握CO2管道泄漏扩散规律、准确定位泄漏源可以对泄漏事故进行预测以及采取措施，从而降低事故的发生。
　　本文建立了基于声发射的二氧化碳运输管道泄漏检测平台，通过理论分析、CFD数值模拟以及实验验证，对管道泄漏进行了全面的研究，并且实现了基于声发射方法的泄漏源定位。
　　首先，论文分别从时域角度和频域角度对声发射信号特性进行了分析。时域方面，主要分析了突发型与连续型声发射信号的特性，以及管道材质对声信号的影响;频域方面，基于功率谱密度的原理，比较了声发射信号与噪声信号的频域分布，并且论证了泄漏声发射信号与噪声信号的区别，在此基础上探究可行的去噪方法。
　　其次，根据流体泄漏喷射原理，建立管道泄漏扩散湍流模型，使用Fluent模拟不同管道压力、不同泄漏孔径以及有风速时CO2泄漏的扩散情况，分析出不同因素对泄漏扩散的影响，并且计算出管道泄漏的声信号频谱范围，从而确定本课题所采用的传感器型号以及采集装置。
　　最后，为了去除背景噪声的干扰，提取声发射信号的特征，对声信号采用小波变换以及经验模态分解进行重构。泄漏传统的定位方法是利用泄漏发生时，声发射信号会沿着管壁传播的现象，通过安装在管道两端的传感器进行信号采集，通过互相关分析来确定泄漏孔的位置。由于声发射信号的频散、相移以及传播的衰减问题，该方法在实际应用过程中存在一定的局限性，测量结果具有较大的误差或随机性。因此，本课题对传统定位算法进行了优化设计。提出了采用多传感器数据融合算法来提高定位精度。将泄漏孔上下游的传感器分别分为两组，两组信号分别进行互相关，从而增加检测系统的容错性能以及定位准确性。实验表明，泄漏点定位误差不超过5％，应用多传感器网络可以有效解决决策问题，同时使用了多级数据融合算法，泄漏源定位也显著提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 管道泄漏检测方法综述

1．2．1 硬件测量法

1．2．2 软件测量法

1．3 声发射管道检测国内外的研究现状

1．4 本文主要工作

第2章 声发射检测技术与定位原理

2．1 前言

2．2 声发射检测技术综述

2．3 声信号处理方法

2．3．1 特征参数分析

2．3．2 小波分析

2．4 声发射源定位

2．4．1 互相关法定位原理

2．4．2 声信号传播速度的测量

2．5 本章小节

第3章 泄漏检测系统的设计

3．1 声发射信号分析

3．1．1 声发射信号传播特性

3．1．2 声发射信号及噪声信号分析

3．1．3 声发射信号频谱特性

3．2 检测系统平台搭建

3．2．1 传感器介绍

3．2．2 采集设备介绍

3．3 声速标定

3．4 本章小结

第4章 泄漏定位分析

4．1 前言

4．2 基于互相关算法的泄漏定位

4．3 提高泄漏源定位精度方法研究

4．3．1 信号分组

4．3．2 加权定位平均

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢