一种气体管道泄露处质量通量计算方法、系统和存储介质

摘要

本发明涉及一种气体管道泄露处质量通量计算方法、系统和存储介质,其方法包括以下步骤，根据气体在气体输送管道内的流动场景选择对应的气体流动马赫数确定方程式，并根据所述气体流动马赫数确定方程式定义用于计算管道断裂口处气体流动马赫数的损失函数；基于损失函数，采用梯度下降法迭代计算气体管道断裂处气体流动马赫数，直至所述气体流动马赫数确定方程式成立，将使所述气体流动马赫数确定方程式成立的气体流动马赫数作为气体输送管道断裂处气体流动马赫数的最优值；根据所述最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量，本发明可以更高效安全的计算管道断裂处气体泄漏质量通量减少对人工经验依赖，降低人员直接参与评估的潜在危险。

说明书

技术领域

本发明涉及管道泄露处质量通量计算领域，具体涉及一种气体管道泄露处质量通量计算方法、系统和存储介质。

背景技术

目前管道运输是对于气体和液体最有效的运输方式，以绝热稳定流动为例，工程中气体和蒸汽在管道内的流动可以视为稳定流动，为了简化器件，可以认为垂直于管道轴向的任一截面上的各种热学参数、热力学参数都相同，气体参数只沿管道轴向(气流流动方向)发生变化，称为一维稳定流动。此外，气体在喷管或扩压管内的流动时间较短，与外界几乎没有热量交换，可以认为是绝热流动，因此，气体在喷管或扩压管内的流动为以为绝热稳定流动。而管道运输往往跨度长，管道安装隐蔽，导致当气体输送管道因事故或人为因素而导致断裂时，评估气体或液体泄漏质量是一个巨大的工作量，传统计算管道断裂处气体泄漏质量通量均是通过人工评估，采用算法大多为试位法或直接求解方程，试位法是计算未知量的一种方法，事先做出一个或者一些估计，每次取值依赖与人工选择，这种方式增加了气体流动马赫数确定方程成立的不确定性，使得气体输送管道断裂处的质量通量计算过程时间长、误差大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了更高效安全的计算管道断裂处气体泄漏质量通量，提供了一种气体管道泄露处质量通量计算方法、系统、计算机和存储介质

一方面，本发明提供一种气体管道泄露处质量通量计算方法，包括以下步骤，

根据气体在气体输送管道内的流动场景选择对应的气体流动马赫数确定方程式，并根据所述气体流动马赫数确定方程式定义用于计算管道断裂口处气体流动马赫数的损失函数；

基于所述损失函数，采用梯度下降法迭代计算气体管道断裂处气体流动马赫数，直至所述气体流动马赫数确定方程式成立，将使所述气体流动马赫数确定方程式成立的气体流动马赫数作为气体输送管道断裂处气体流动马赫数的最优值；

根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量。

本发明的有益效果是：本发明的方法降低气体输送管道断裂时管道断裂处的气体泄漏质量通量评估过程中的设备需求，降低评估成本，摒弃了传统的试位法或直接求解方程，采用迭代的方式计算气体输送管道断裂处的气体流动马赫数，提高气体输送管道断裂处气体泄漏质量通量计算的精度和效率，同时各项参数均可由传感器实时获取后根据计算方法自动计算，方便快捷，降低了人力成本，减少对人工经验依赖，降低人员直接参与评估的潜在危险。

进一步的，基于所述损失函数，采用梯度下降法迭代计算气体管道断裂处气体流动马赫数，具体包括如下步骤，

根据所述损失函数计算关于气体输送管道断裂处气体流动马赫数的梯度函数；

基于所述梯度函数，根据气体输送管道的基本数据和实时数据计算气体流动马赫数的梯度值；

根据所述梯度值结合步长迭代调整气体输送管道断裂处的气体流动马赫数。

采用上述进一步方案的有益效果是，使用梯度函数能更加方便和精确的计算气体流动马赫数。

进一步，所述气体在气体输送管道内的流动场景包括气体绝热流动场景和气体等温流动场景；

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体绝热流动场景时，对应的气体流动马赫数确定方程式具体为气体绝热流动方程式，气体绝热流动方程式为，

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体等温流动场景时，对应的气体流动马赫数确定方程式具体为气体等温流动方程式，气体等温流动方程式为，

其中，m为气体流动马赫数；γ为气体绝热指数；d为管道内径；L为气体流动初始点到泄露处的管道长度；f为范宁摩擦系数，且

其中，ε为净管道的粗糙系数。

进一步的，根据所述气体流动马赫数确定方程式定义用于计算管道断裂口处气体流动马赫数的损失函数，具体为，

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体绝热流动场景时，则将所述气体绝热流动方程式中的气体流动马赫数定义为未知数，得到气体绝热流动方程式的变形式，根据气体绝热流动方程式的变形式构建所述损失函数；

其中，气体绝热流动方程式的变形式表示为，

所述损失函数表示为，

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体等温流动场景时，则将所述气体等温流动方程式中的气体流动马赫数定义为未知数，得到气体等温流动方程式的变形式，根据气体等温流动方程式的变形式构建所述损失函数；

其中，气体等温流动方程式的变形式表示为，

所述损失函数表示为

采用上述进一步方案的有益效果是，区分气体输送管道内的流动场景类型，使用不同的气体流动方程式来定义损失函数，使计算结果更加精确科学。

进一步的，所述梯度函数表示为，

所述梯度值表示为，

进一步的，根据所述梯度值结合步长迭代调整气体输送管道断裂处的气体流动马赫数，具体包括以下步骤，

根据所述梯度值结合步长迭代，确定第n次迭代时气体流动马赫数的增量；

第n次迭代时气体流动马赫数的增量表示为，

其中，n代表迭代次数，m(n)即为第n次迭代时的气体流动马赫数；

根据第n次迭代时气体流动马赫数的增量计算第n+1次迭代时气体流动马赫数；

第n+1次迭代时气体流动马赫数表示为，

m(n+1)＝m(n)+Δm(n)。 (8)

采用上述进一步方案的有益效果是，根据梯度函数、梯度值来计算每次的增量，代入进行多次迭代，取到气体流动马赫数的最优值。

进一步的，根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量，具体包括如下步骤，

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体绝热流动场景时，根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量的公式为，

其中，G为质量通量，P为气体输送管道断裂口处气体压力，T为气体输送管道断裂口处气体温度，R为理想气体常数，M为泄露气体的相对分子量，γ为气体绝热指数；且

其中，P

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体等温流动场景时，根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量的公式为，

其中，G为质量通量，P为气体输送管道断裂口处气体压力，T为气体输送管道断裂口处气体温度，R为理想气体常数；M为泄露气体的相对分子量；且

其中，P

采用上述进一步方案的有益效果是，区分气体输送管道内的流动场景类型，使用不同的公式来计算气体输送管道断裂时的气体质量通量，计算结果更加精确科学。

第二方面，本发明提供一种气体管道泄露处质量通量计算系统,包括以下模块，

损失函数定义模块，其用于根据气体在气体输送管道内的流动场景选择对应的气体流动马赫数确定方程式，并根据所述气体流动马赫数确定方程式定义用于计算管道断裂口处气体流动马赫数的损失函数；

梯度下降法迭代模块，其用于基于所述损失函数，采用梯度下降法迭代计算气体管道断裂处气体流动马赫数，直至所述气体流动马赫数确定方程式成立，将使所述气体流动马赫数确定方程式成立的气体流动马赫数作为气体输送管道断裂处气体流动马赫数的最优值；

气体质量通量计算模块，其用于根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量。

本发明的有益效果是：本发明的方法降低气体输送管道断裂时管道断裂处的气体泄漏质量通量评估过程中的设备需求，降低评估成本，摒弃了传统的试位法或直接求解方程，采用迭代的方式计算气体输送管道断裂处的气体流动马赫数，提高气体输送管道断裂处气体泄漏质量通量计算的精度和效率，同时各项参数均可由传感器实时获取后根据计算方法自动计算，方便快捷，降低了人力成本，减少对人工经验依赖，降低人员直接参与评估的潜在危险。

第三方面，本发明提供了一种计算机，包括处理器和存储器，所述存储器内存储有至少一条计算机指令，所述计算机指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种气体管道泄露处质量通量计算方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机存储介质，包括存储器，所述存储器内存储有至少一个指令，在所述指令被执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种气体管道泄露处质量通量计算方法。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明系统模块结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

第一方面：

如图1所示，一种气体管道泄露处质量通量计算方法，包括以下步骤，

根据气体在气体输送管道内的流动场景选择对应的气体流动马赫数确定方程式，并根据所述气体流动马赫数确定方程式定义用于计算管道断裂口处气体流动马赫数的损失函数；

基于所述损失函数，采用梯度下降法迭代计算气体管道断裂处气体流动马赫数，直至所述气体流动马赫数确定方程式成立，将使所述气体流动马赫数确定方程式成立的气体流动马赫数作为气体输送管道断裂处气体流动马赫数的最优值；

根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量。

某个组分在单位时间内通过垂直于传质方向上单位面积的质量称为质量通量；将随机事件或其有关随机变量的取值映射为非负实数以表示该随机事件的“风险”或“损失”的函数，通常用于估计计算值和真实值之间的差距；梯度下降法是求解极值的一种方法，即计算过程是沿梯度下降的方向求解极小值或梯度上升的方向求解极大值。

本发明方法工作原理为：

假设发生气体输送管道断裂事故时，判断气体流动场景是等温流动或绝热流动，并根据所述气体流动马赫数确定方程式定义用于计算管道断裂口处气体流动马赫数的损失函数；

以气体输送管道入口处作为初始状，从业务静态数据库和实时数据库中获取式(2)或(4)所需的数据；

取初始状态马赫数m(0)＝1，根据所述数据计算损失函数式(2)或(4)的损失值，判断所述损失值是否在可接受范围内，即直至所述气体流动马赫数确定方程式成立，是则停止迭代，否则根据式(6)-(8)计算下次迭代使用气体流动马赫数m(n+1)，直至式(2)或(4)的损失值在可接受范围内；

根据式(9)或(10)结合迭代得到的气体流动马赫数计算气体输送管道发生破裂事故时的质量通量。

损失函数为将随机事件或其有关随机变量的取值映射为非负实数以表示该随机事件的“风险”或“损失”的函数，通常用于估计计算值和真实值之间的差距。

梯度下降法是求解极值的一种方法，即计算过程是沿梯度下降的方向求解极小值或梯度上升的方向求解极大值。

而基于所述损失函数，采用梯度下降法迭代计算气体管道断裂处气体流动马赫数的具体步骤为：

根据所述损失函数计算关于气体输送管道断裂处气体流动马赫数的梯度函数；

基于所述梯度函数，根据气体输送管道的基本数据和实时数据计算气体流动马赫数的梯度值；

根据所述梯度值结合步长迭代调整气体输送管道断裂处的气体流动马赫数。

本发明方法在处理计算之前会先根据已有数据分析气体在气体输送管道内的流动场景，包括气体绝热流动场景和气体等温流动场景；

以绝热稳定流动为例，工程中气体和蒸汽在管道内的流动可以视为稳定流动，为了简化器件，可以认为垂直于管道轴向的任一截面上的各种热学参数、热力学参数都相同，气体参数只沿管道轴向(气流流动方向)发生变化，称为一维稳定流动。此外，气体在喷管或扩压管内的流动时间较短，与外界几乎没有热量交换，可以认为是绝热流动，因此，气体在喷管或扩压管内的流动为以为绝热稳定流动。

而研究气体和蒸汽的一维稳定流动主要有三个基本方程，即连续性方程、绝热稳定流动能量方程和定熵过程方程。其中连续性方程为，在一维稳定流动的通道中，取截面1至截面n，根据质量守恒定律，可导出一个基本关系式。在稳定流动通道内任意固定点上的参数不随时间的改变而改变，各截面处质量流量都相等。即q1＝q2＝...＝qn＝ACf/v＝定值，其中q为截面处质量流量，单位为kg/s，A为各截面处截面积，单位m2，Cf为截面处气体流速，单位m/s，v为截面处的气体比体积，单位m

cfdcf＝-dh；

说明气体和蒸汽在绝热稳定流动过程中，其动能的增加等于焓的减少。他适用于任何工质的可逆与不可逆绝热稳定流动过程。对于定熵过程方程，气体在管道内进行的绝热流动过程，若是可逆的，就是定熵过程。气体的状态参数变化符合理想气体定熵过程方程式，即

Pvk＝定值；

对于微元可逆绝热流动过程，可写成

由这些定律可推断出气体在不同流动环境下的气体流动方程，具体为，

而当气体在气体输送管道内的流动场景为气体绝热流动场景时，对应的气体流动马赫数确定方程式具体为气体绝热流动方程式，气体绝热流动方程式为，

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体等温流动场景时，对应的气体流动马赫数确定方程式具体为气体等温流动方程式，气体等温流动方程式为，

式中：

m为气体流动马赫数，表示声速倍数的数，在物理学上一般称为马赫数，是一个无量纲数；γ为气体绝热指数；d为管道内径，单位为m；L为气体流动初始点到泄露处的管道长度，单位为m；f为范宁摩擦系数，取

其中，ε为净管道的粗糙系数。

根据不同的气体流动场景来确定所述气体流动马赫数确定方程式，再定义用于计算管道断裂口处气体流动马赫数的损失函数，具体为，

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体绝热流动场景时，则将所述气体绝热流动方程式中的气体流动马赫数定义为未知数，得到气体绝热流动方程式的变形式，根据气体绝热流动方程式的变形式构建所述损失函数；

其中，气体绝热流动方程式的变形式表示为，

所述损失函数表示为，

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体等温流动场景时，则将所述气体等温流动方程式中的气体流动马赫数定义为未知数，得到气体等温流动方程式的变形式，根据气体等温流动方程式的变形式构建所述损失函数；

其中，气体等温流动方程式的变形式表示为，

所述损失函数表示为，

而所述梯度函数可以表示为，

根据梯度函数(4)可得，所述梯度值表示为，

根据所述梯度值结合步长迭代调整气体输送管道断裂处的气体流动马赫数，具体包括以下步骤，

根据所述梯度值结合步长迭代，确定第n次迭代时气体流动马赫数的增量；

第n次迭代时气体流动马赫数的增量表示为，

其中，n代表迭代次数，m(n)即为第n次迭代时的气体流动马赫数；

根据第n次迭代时气体流动马赫数的增量计算第n+1次迭代时气体流动马赫数；

第n+1次迭代时气体流动马赫数表示为，

m(n+1)＝m(n)+Δm(n)。 (8)

某个组分在单位时间内通过垂直于传质方向上单位面积的质量称为质量通量。

根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量，具体包括如下步骤，

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体绝热流动场景时，根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量的公式为，

其中，G为质量通量，P为气体输送管道断裂口处气体压力，T为气体输送管道断裂口处气体温度，R为理想气体常数，M为泄露气体的相对分子量，γ为气体绝热指数；且

其中，P

当气体在气体输送管道内的流动场景为气体等温流动场景时，根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量的公式为，

其中，G为质量通量，P为气体输送管道断裂口处气体压力，T为气体输送管道断裂口处气体温度，R为理想气体常数，M为泄露气体的相对分子量；且

其中，P

本发明构建存储目标监测管道基础数据的静态数据库和气体输送管道发生断裂泄漏时的实时数据库，通过数据与算法模型相结合的方式计算气体管道断裂时管道断裂处的气体质量通量；根据气体在气体输送管道内呈绝热流动或等温流动的马赫数确定方程式建立用于计算管道断裂口处气体流动马赫数的损失函数；根据损失函数计算关于气体输送管道断裂处气体流动马赫数的梯度函数，并基于上述静态数据库和实时数据库中存储的数据计算梯度值；根据梯度值结合步长迭代调整气体输送管道断裂处的气体流动马赫数的取值，使得损失函数值趋于0，取得气体输送管道断裂处气体流动马赫数的最优值；根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量。

本发明的有益效果是，本发明的方法降低气体输送管道断裂时管道断裂处的气体泄漏质量通量评估过程中的设备需求，降低评估成本，摒弃了传统的试位法或直接求解方程，采用迭代的方式计算气体输送管道断裂处的气体流动马赫数，提高气体输送管道断裂处气体泄漏质量通量计算的精度和效率，同时各项参数均可由传感器实时获取后根据计算方法自动计算，方便快捷，降低了人力成本，减少对人工经验依赖，降低人员直接参与评估的潜在危险。

第二方面，

如图2所示，一种气体管道泄露处质量通量计算系统,包括以下模块，

损失函数定义模块，其用于根据气体在气体输送管道内的流动场景选择对应的气体流动马赫数确定方程式，并根据所述气体流动马赫数确定方程式定义用于计算管道断裂口处气体流动马赫数的损失函数；

梯度下降法迭代模块，其用于基于所述损失函数，采用梯度下降法迭代计算气体管道断裂处气体流动马赫数，直至所述气体流动马赫数确定方程式成立，将使所述气体流动马赫数确定方程式成立的气体流动马赫数作为气体输送管道断裂处气体流动马赫数的最优值；

气体质量通量计算模块，其用于根据管道断裂处气体流动马赫数的最优值计算气体输送管道断裂时的气体质量通量。

有益效果是，本发明的系统降低气体输送管道断裂时管道断裂处的气体泄漏质量通量评估过程中的设备需求，降低评估成本，摒弃了传统的试位法或直接求解方程，采用迭代的方式计算气体输送管道断裂处的气体流动马赫数，提高气体输送管道断裂处气体泄漏质量通量计算的精度和效率，同时各项参数均可由传感器实时获取后根据计算方法自动计算，方便快捷，降低了人力成本，减少对人工经验依赖，降低人员直接参与评估的潜在危险。

第三方面，本发明提供了一种计算机，包括处理器和存储器，所述存储器内存储有至少一条计算机指令，所述计算机指令被所述处理器执行时实现如上述所述的一种气体管道泄露处质量通量计算方法。

有益效果是，本发明的计算机降低气体输送管道断裂时管道断裂处的气体泄漏质量通量评估过程中的设备需求，降低评估成本，摒弃了传统的试位法或直接求解方程，采用迭代的方式计算气体输送管道断裂处的气体流动马赫数，提高气体输送管道断裂处气体泄漏质量通量计算的精度和效率，同时各项参数均可由传感器实时获取后根据计算方法自动计算，方便快捷，降低了人力成本，减少对人工经验依赖，降低人员直接参与评估的潜在危险。

第四方面，本发明提供了一种计算机存储介质，包括存储器，所述存储器内存储有至少一个指令，在所述指令被执行时实现上述所述的一种气体管道泄露处质量通量计算方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。