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摘要 基于模型的输油管道泄漏检测与定位方法研究 摘要 管道泄漏检测与定位技术是管道安全运行的重要保障。模型法作 为一种有效的管道泄漏检测与定位技术，能够准确地模拟管道运行、 反映管道流动特征，适用于多种泄漏工况。由于管道是分布式参数系 统，实际铺设中比较复杂，在基于模型法进行管道泄漏检测与定位的 过程中，影响检测与定位精度的因素较多，选取判漏依据与定位方法 是解决检测灵敏性与定位精度的关键。因此，消除干扰因素的影响、 研究判漏依据与定位方法，对于改善模型法管道泄漏检测与定位精度 具有重要的理论意义与应用价值。 本文在建立输油管道传输模型的基础上，分析了管道运行工况、 模型相关参数对管道泄漏检测与定位精度的影响，给出了解决噪声 干扰、数据匹配性差、参数不准确等问题的方法；基于稳态模型法， 提出了以管道阻力变化观测器作为判漏依据及结合高差、流态、分 段摩阻系数影响的改进的泄漏定位方法，有效消除了工况干扰，降 低了误报、漏报率；基于瞬态模型法，结合三种边界条件对不同泄 漏位置的敏感性，提出了以管道泄漏敏感观测器作为综合判漏依据 和权值动态修正的泄漏定位方法，解决了局部泄漏定位不准的问题， 提高了检测灵敏性与定位精度。 实验结果表明，改进的基于稳态和瞬态模型的泄漏检测与定位 方法，可以有效地解决工况变化、泄漏特征不明显造成的误报、漏 北京化工大学硕士学位论文 报问题，提高了管道泄漏定位精度，减少了响应时间，最大相对定 位误差小于2 ，泄漏定位时间小于5 0 0 s 。 关键词：输油管道，泄漏检测，泄漏定位，模型法 a b s t r a c t r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no nt e c h n o l o g yo fp i p e l i n el e a k d e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o nb a s e do nm o d e l i n gm e t h o d a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fp i p e l i n el e a kd e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o ni sa l l i m p o r t a n tg u a r a n t e e f o rp i p e l i n e o p e r a t i o n s i m u l a t i n gt h ep i p e l i n e o p e r a t i o na n df l u i df l o wc h a r a c t e r i s t i c sa c c u r a t e l y ，t h em o d e l i n gm e t h o d i sa ne f f e c t i v et e c h n i q u e ，w h i c hc o u l db eu s e di nm a n yc o n d i t i o n s i nt h e p r o c e s so fl e a kd e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o nb a s e do nm o d e l i n gm e t h o d ，i t i sv e r yi m p o r t a n tt oc h o o s et h ep r o p e rj u d g m e n ta n dp o s i t i o n i n gm e t h o d ， a n dd u et ot h ec o n s t r a i n to fm o d e la c c u r a c y , t h e r ea r ek i n d so f i n t e r f e r e n c ef a c t o r s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fs o l v i n gp r o b l e m so f i n t e r f e r e n c ef a c t o r sa n ds e l e c t i n gt h ep r o p e rj u d g m e n ta n dl o c a l i z a t i o n m e t h o dh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e b a s e do na n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fi n t e r f e r e n c ef a c t o r s ，t h e m e t h o do fa m e n d i n gt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n td y n a m i c a l l y 、s i g n a l d e n o i s i n gp r o c e s s i n ga n dt i m ed e l a yc o m p e n s a t i o na r ep r o p o s e d f o r t h es t e a d y s t a t em o d e l ，t h ec h a n g eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n tb a s i so fl e a ki s p r o p o s e da st h ej u d g m e n ta n dt h ep o s i t i o n i n gf o r m u l ai sa m e n d e d f o r t h et r a n s i e n t s t a t em o d e lm e t h o d ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h r e et y p e so f b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，ac o m p r e h e n s i v em e t h o di sp r o p o s e d t h ei m p r o v e dm o d e l i n gm e t h o d ( s t e a d y s t a t ea n dt r a n s i e n t s t a t e ) 北京化工大学硕士学位论文 w a sa p p l i e di nap r a c t i c a lo i lp i p e l i n es u c c e s s f u l l y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tw i t hah i g hl o c a t i o n a c c u r a c yt h ei m p r o v e dl e a k d e t e c t i o na n dl o c a t i o nm e t h o db a s e do ns t e a d y - s t a t ea n dt r a n s i e n tm o d e l i ss e n s i t i v et ot h es m a l ll e a k a g ew h i c hh a p p e n ss l o w l ya n da v o i d st h e f a l s ea l a r me f f e c t i v e l y ，t h eb i g g e s tr e l a t i v ep o s i t i o n i n ge r r o ri sl e s st h a n 2 a n dt h ep o s i t i o n i n gt i m ei sl e s st h a n5 0 0 s k e yw o r d s ：o i lp i p e l i n e ，l e a kd e t e c t i o n ，l e a kl o c a l i z a t i o n ，m o d e l i n g m e t h o d 符号说明 盯l 仃2 盯3 吒 p 。，p 2 九m 符号说明 直接瞬变压力值 压力波传播速度 重力加速度，培 扰动前后流速值 断面平均压力，黝 油品平均密度，k g m 3 2 0 。c 条件下原油密度，堙m 3 f 。c 时油品密度，妇m 3 水力摩阻系数 流体与水平轴的角度 管道内径，m 管壁厚度，m 管道中液体热能 地面热导率 温度函数 流体温度，。c 沿管线的某一具体位置距管径中心的径向距离 液体体积弹性系数，p a 管材的弹性模量，p a 管子的约束系数 压缩系数，p a 。 温度系数，k ( m 3 。c ) 油品的运动粘度，m 2 s 油品在管路中的体积流量，m 3 s 粘温指数，1 。c 管道参数实测值 管道参数估计值 报警阈值 流量报警阈值 压力报警阈值 辨识方法得到的摩阻系数 埘 口 g 小尸 p岛肛力 口d 万g 后m r r k e q ， s d q甜k仃 北京化工大学硕上学位论文 砧 q 、q r q c d ( 日m 。) ( 日翻) a q q h a ( - i q h a q h q a n h q q d h h 魏砌 绋 a q a h 4 、疋、岛 公式计算得到的摩阻系数 摩阻修正参数 采样周期 末端流量测量值 末端流量计算值 首端压力测量值 首端压力计算值 q h 边界输入条件下流量偏差 q h 边界输入条件下压力偏差 h q 边界输入条件下流量偏差 h q 边界输入条件下压力偏差 h h 边界输入条件下流量偏差 h h 边界输入条件下压力偏差 总流量偏差 流量偏差修正项 压力偏差修正项 权值修正系数 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：马丽娜 日期：2 o 哆f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 作者签名：马葡挪 别醛轹硝缉 日期：劢夕乡f 日期：加7 6 i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着管道运输技术的迅速发展，管道建设规模不断扩大，管道运输已经发展成为 与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一。由于不可避免的管道老化、腐 蚀、焊缝缺陷及其它自然或人为损坏等原因，管道泄漏事故时有发生，而且日趋严重， 不仅造成巨大的经济损失和资源浪费，还带来安全和污染问题。由于管道输送介质的 特殊性，管道所处环境( 地上、管沟、埋地、海底) 的多样性，以及泄漏形式的复杂性( 泄 漏、穿孔、断裂等) ，已有的多种检测管道泄漏的方法都有一定的局限性。泄漏检测的 灵敏性与泄漏定位的准确性是管道泄漏检测与定位技术研究的关键，提高泄漏检测的 灵敏性与定位准确性、减少误报、漏报的发生，对于保证管道安全运行、减少损失和 危害，具有重要的意义。 模型法是近年来国际上研究管道泄漏检测的一种主要方法，与其他检漏方法相 比，基于管道流动模型的方法能够提供所有的管道流动的特征( 流量、压力和温度) 、 流体性质( 密度、粘性) ，并考虑管道物理性质( 管长、管径、管壁厚) 等的影响，具有较 好的检测效果。而且模型法中的实时模型法还具有调整以区分仪器误差、正常的瞬变 流动和泄漏的潜力，能更精确、敏感地满足泄漏检测对实时性的要求。因此，开展基 于模型的输油管道泄漏检测定位方法研究已成为管道运行安全监测的重要内容。 1 2 管道泄漏检测技术研究现状 目前没有对管道泄漏检测技术的系统分类方法，一般根据测量手段可大体分为基 于硬件的方法和基于软件的方法。基于硬件的方法是指对泄漏物进行直接检测的方 法，有时也称为直接检漏法。例如直接观察法、检漏电缆法、声波法、光纤检漏法和 探测球法等【1 z j 。 基于软件的方法又称为间接检漏法，是指借助于计算机系统，通过检测因泄漏造 成的流量、压力、温度等物理参数的变化来判断是否发生泄漏以及泄漏点的位置【3 】。 这类方法有：负压波法、应力波法、压力梯度法、实时模型法、统计检漏法和质量体 积平衡法等。主要优点是适应性强、安装简单，但对检测仪表的精度要求很高，否则 会带来较大的定位误差。因此，通常在应用这类方法时需选用精度较高的仪表，或利 用数学方法对采集的数据进行修正【4 】。这里主要针对基于软件的方法进行阐述。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 1 基于信号处理的泄漏检测与定位方法 基于信号处理的方法主要通过对现场传回的压力、流量信号去除干扰后，采用特 殊的分析手段提取信号突变位置及突变时间而实现泄漏检测及定位【5 1 。这种方法不需 要建立管道的数学模型，也不需要实际测量的流量信号，对现场条件要求低，因此在 国内得到了广泛的应用。主要包括质量体积平衡法，压力梯度法，负压波法，压力点 分析方法等。 1 质量体积平衡法 基于管道质量平衡技术检测管道的泄漏是一种最基本的检测方法，是许多现代管 道泄漏检测技术的基础，包括瞬态模型法。该方法主要通过检测管道进出口的体积流 量、压力、温度等参数直接计算出相应的质量流量或直接检测管道进出口的质量流量， 并估算出管道内剩余液体的质量变化量，凭借进出管道流体的质量差来判断是否发生 了泄漏。这种方法简单直观、易于实现，但需要在管线两端安装高精度的流量计且不 能及时检测管道泄漏，也不能实现泄漏定位【6 j 。 2 压力梯度法 压力梯度法基本原理是管线压力沿管线线性变化的情况下，管线出入口处的压力 梯度相等，当管线某处发生泄漏时，管线内压力分布发生变化，出入口压力梯度不一 致，从而判定有泄漏发生。根据泄漏发生后变化的压力梯度在泄漏点处有相同的边界 条件，即可进行泄漏点定位。 t o s h i of u k u d a 7 1 提出了一种基于压力梯度时间序列分析的管道泄漏检测方法。该 方法通过自动回归模型对变化的管道压力梯度序列使用统计的方法进行分析，用以检 测出管道的泄漏。此种方法建立起不包含管道和流体模型的回归模型。对于仪表精度 要求不很高，但是这种方法的模型可能偏离实际管道，而且对管道动态变化非常敏感， 抗干扰性较差。 基于线性压力梯度的管道泄漏定位原理和算法较为简单，不需要安装流量计，只 需要在管道的两端安装压力表，就可以检测泄漏，并确定泄漏点的位置，但由于沿管 线的梯度分布是非线性的，因此这种方法的定位精度较差，而且测量仪表对定位结果 也有很大影响，所以基于线性的压力梯度法只可以作为一个辅助手段与其他方法一起 使用。 3 负压波法 当管道发生泄漏时，管内外压差使流体迅速流失，泄漏部位的物质损失使临近部 位流体密度减小，压力降低，并且以类似于声波向上下游扩散，在管道两端安装的压 力传感器能捕捉到这种信号，就可以检测泄漏的发生，进而根据负压波传到管道两端 的时间差以及负压波速就可以进行泄漏定位。根据这一原理，可采用相关分析法和小 波变换法进行泄漏检测及定位。 第一章绪论 负压波法是目前在管道泄漏检测定位中广泛使用的技术。德国学者r i s e r m 和 h s i e b e r t t 8 j 经过多年研究，提出将输入输出端的流量和压力信号经过处理后进行互相 关的方法有效地检测出较小的泄漏，提高了检测的灵敏度和准确度，并在实际应用中 取得了满意的结果，但计算量较大，实时性较差。美国的m a r c of e n - a n t e 9 】提出采用小 波分析的方法，利用小波技术对管道的压力信号进行奇异性分析，由此来检测泄漏。 国内王爱民i l o l 研究了相关分析在管道泄漏技术中的应用。王海生等1 1 l 】基于小波分析研 究输油管道泄漏检测技术。李长俊等【1 2 】基于负压波原理进行了输油管道泄漏检测技术 及应用的研究。靳世久等【1 3 】提出了热油管道瞬态压力波进行泄漏点定位的方法，并采 用连续小波变换技术捕捉压力波的拐点，安装于中洛线的泄漏监测系统运行表明，该 系统提高了泄漏点定位的精度，缺点是连续小波变换计算量很大，定位时间稍长。 负压波检漏法不需要建立管线的过程数学模型，利用信号模型、采用相关函数、 频谱分析等方法，直接分析可测信号。这种方法的检漏原理简单，定位准确，具有感 漏精度高、反应迅速的优点。但定位精度受压力波速、噪声干扰影响较大，同时由于 该方法压力捕捉的信号是由泄漏突发产生的，因此对于缓慢增加的泄漏反应较弱甚至 无效。 4 压力点分析法( p p a ) 管道在正常运行时，其压力值呈现连续变化的稳定状态。当泄漏发生时，泄漏点 处出现压力突降，破坏了原有的稳态，使管道向新的稳态过渡。泄漏点处产生的负压 波以声速沿管道向两个方向传播，同时将失稳的瞬态传递到管道的沿线各点，这样， 管道的沿线各点都会发生向新的稳态的过渡过程。通过在管道沿线设点进行压力检 测，用统计的方法分析检测值，提取压力变化曲线，并与管道处于正常运行状态时的 曲线作比较，根据两者之间的差别来判断泄漏是否发生。 o s b e r t 公司采用压力点分析法和流量平衡法开发出了一套泄漏检测系统，1 9 9 2 年投入商用。此系统在美国、加拿大被广泛应用于油气管道的泄漏检测【l 钔。 压力点分析方法只需要一个或几个检测点的压力信号，不需要建模，存储数据量 和计算量都比较小，对气体管道泄漏的响应时间比较快。但其最大的缺点是无法定位， 同时对泄漏量的评估能力比较差。 1 2 2 基于模型的泄漏检测与定位方法 建立长输管线的动态模型，然后利用模型对管线系统的参数进行在线估算，将估 算值和实际的测量值进行比较，以确定泄漏的发生和泄漏点位置，这就是基于模型的 泄漏检测与定位方法的基本思想。目前基于模型的管道泄漏检测与定位方法包括系统 辨识法、状态空间法、稳态模型法、瞬态模型法、人工神经网络法等【l s 】。 3 北京化工大学硕士学位论文 1 系统辨识法 系统辨识法就是辨识出管道模型，并与管道实际值进行比较来进行判漏【1 6 1 。 d i g c m c s t 【1 7 】提出了故障模型滤波器的方法，通过给出一套故障模型，其中每个 模型对应于一种故障类型，用这一套模型对管道运行状况进行检测，与哪一个模型不 一致，就认为发生了那一类故障。该方法基于对管道及流体参数的准确测量建立管道 运行模型，其缺点是对仪表要求高，运算量大。r i s c r m a n n 1 8 】提出故障敏感滤波器法， 根据进出口端的实测参数和其估计值的差值进行泄漏判断。上述两种可变状态的监测 方法都需要对管道和流体的统一模型线性化。陶洛文，方崇智等【1 9 】提出通过辨识管内 不恒定流的数学模型来确定故障位置的方法，先辨识出管线的数学模型，再对数学模 型加尖脉冲，通过分析脉冲响应的办法确定故障的位置，能够较好地检测出泄漏量大 于1 0 的泄漏和堵塞，并在实验室中进行了管道泄漏和堵塞的实验。 系统辨识方法要在管线上施加m 序列激励信号，对大泄漏量的定位精度更高。 但该方法需在管道上施加m 序列激励信号，并假设两站的压力不受泄漏量的影响， 也仅适于小泄漏量情形。 2 状态空间法 状态空间法以管道过程的状态空间模型为基础，运用各种控制算法进行管道的泄 漏检测和定位，根据模型的不同可分为基于观测器和基于状态估计的泄漏检测与定位 方法。 基于观测器的方法在模型中未考虑泄漏的影响，通过对观测器的输出与实测信号 之间的残差进行运算实现泄漏的检测和定位。b i l l m a n n 2 0 】基于中心差分法建立管道过 程的状态空间模型，通过对管道两端的残差信号进行相关分析，确定泄漏发生的时间 进行泄漏判断和定位。g e r h a r d 等【2 l 】通过对非线性分布式参数的管道系统进行线性化 和拉氏变换，构造管道的多输入多输出传递函数，根据动量平衡进行泄漏定位，由于 采用集总参数的传递函数形式，减少了计算量。基于观测器的方法根据残差信号的变 化进行泄漏的判断，因此残差阈值的选择非常关键。 基于状态估计的管道泄漏检测与定位方法在管道状态空间模型中包含了泄漏的 影响，将管道沿线各点的泄漏量也作为状态变量进行估计。考虑到模型的非线性， b c n k h c r o u f 等【2 2 】采用扩展卡尔曼滤波( e k f ，e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ) 对管道的状态 变量进行估计，根据管道的动量平衡进行泄漏定位。由于采用e k f 进行状态估计， 会受噪声、初值估计以及非线性系统线性化过程中模型的不准确的影响，造成e k f 滤波性能不稳定。因此董东【2 3 】在处理k a l m a n 滤波器的过程噪声上采用了自适应的滤 波方法，补偿过程噪声的时变特性。白莉等【2 4 j 利用强跟踪滤波器选择适当的时变增益 阵，改善e k f 由于模型不确定性所造成的鲁棒性差的问题。近年来随着非线性估计 理论的发展，出现了许多新的非线性滤波方法，如粒子滤波、不敏卡尔曼( u k f ， 4 第一章绪论 u s e e n t e dk a l m a nf i l t e r ) 、多模型的状态估计策略等。 基于状态空间的管道泄漏检测与定位方法采用状态空问的形式，更便于运用基于 现代控制理论的各种算法进行泄漏的诊断。由于模型进行了简化和线性化，计算量比 实时模型法要小，计算速度也要快，但模型的精度要低一些，同时存在计算步长选取 的问题。 3 稳态模型法 基于稳态模型的管道泄漏检测与定位方法根据管道稳态的水力模型建立管道压 力梯度分布曲线。当管道发生泄漏后，泄漏点上游管段的压力梯度会增大，泄漏点下 游管段的压力梯度会降低，两者的交点即为泄漏位置。 基于稳态模型的管道泄漏检测与定位方法在输油管道上应用较早，考虑到对液体 管道而言，压力梯度近似为直线，s e i d e r s 等【2 5 】最早提出在输油管道的上游和下游各安 装两个压力传感器，分别测得两个压力梯度，其交点即为泄漏点。但由于输油管道的 压力梯度并非完全是直线，因此采用此方法定位精度不高。z h a n 一2 6 】提出采用流量对 压力梯度进行了修正，提高了定位精度，该方法成功应用于壳牌公司的输油管道上。 基于稳态模型的方法实施简单，计算量小，适用于工况稳定的管道泄漏检测。由 于管道距离较长，管道两端参数变化所造成的相互影响具有一定的滞后性，在目前使 用的稳态模型中都没有考虑到管道两端边界条件变化的影响，往往会造成数据之间的 不匹配，因此定位精度较低。 4 瞬态模型法 瞬态模型法利用流体的质量、动量、能量守恒方程等建立管内流体动态模型，此 模型与实际管道同步执行，定时采集管道上的一组实际值，如管道首末端的压力和流 量，运用这些测量值，由模型观测管道中流体的压力和流量值，然后将这些观测值与 实测量值作比较来检漏，若二者不一致，则说明管道发生泄漏。该法的检测精度依赖 于模型和硬件的精度，泄漏点的定位机理大都是基于线性压力梯度法。 由于管道的流体力学方程为偏微分方程，目前无法获得解析解，多采用特征线法 和中心差分等数值方法进行求解。a b d u l r a h m a n 27 】针对输油管道，以管道两端所测参 数分别作为边界条件，得到两条管道沿线实时压力分布曲线，发生泄漏时，这两组曲 线的交点即为泄漏点。刘恩斌等【2 8 】对特征线差分法进行改进，从管道两端分别对管道 进行仿真，使模型更适合于管道的泄漏检测。p h y s i k e r t 2 9 】以管道两端压力作为边界条 件，采用实时模型对管道两端流量进行估计，与实测信号进行比较运算，利用动量平 衡进行定位。 基于瞬态模型的管道泄漏检测与定位方法在模型中考虑了管道边界条件的实时 变化对管道沿线压力分布的影响，有利于提高泄漏定位精度，但由于采用数值方法进 行求解，因此对计算的距离步长和时间步长都要求较高。 北京化工大学硕上学位论文 5 人工神经网络法 由于人工神经网络可在不具备对象先验知识的条件下，根据对象的输入输出建模， 非常适合解决非线性和不确定性系统的建模问题，因此将人工神经网络应用于管道泄 漏检测与定位，弥补机理模型的不足。 g e r h a r d 等【3 0 】提出以人工神经网络对管道瞬态模型的输出进行修正，通过训练使 得人工神经网络能够根据管道工况对模型的输出进行补偿，从而缓解管道操作过程的 不确定因素造成的偏差。a d k e z a 等【3 i 】提出直接采用人工神经网络作为管道的模型，经 过训练，将人工神经网络模型作为管道无泄漏工况的观测器，进行泄漏的判断和定位。 由于人工神经网络需要各种工况下大量的历史数据进行训练，而这些数据在实际 中很难获得，因此使得网络训练不足，在应用上难以满足各种工况。 综上所述，在已有的管道泄漏检测与定位技术中，基于硬件的管道泄漏检测准确 度较高，但是过分依赖于硬件检测设备的精度，对于长输管线而言成本过高；基于信 号处理的方法特别是负压波法是目前管道泄漏检测中广泛使用的方法，该方法不需要 建立复杂的管道数学模型，只需要根据管道两端的压力信号变化进行泄漏检测和定 位，检测及定位精度较高，但对于突发的中等程度或大泄漏检测效果较好，对于缓慢 发生的泄漏和小泄漏效果较差，且无法用于已经发生的泄漏检测。同时，定位精度受 压力波速、现场噪声的影响较大，容易产生误报警。而基于模型的管道泄漏检测与定 位方法基于流体流动机理建立管道模型，能够有效地描述管道流动特征及管道的物理 性质等因素影响，适用于检测缓慢泄漏和小泄漏等多种泄漏工况。但由于管道是分布 式参数系统，实际铺设中比较复杂，所建管道模型中影响模型法管道泄漏检测与定位 精度的因素较多。因此本课题正是研究基于模型的泄漏检测与定位方法，为模型法泄 漏检测与定位技术的应用奠定基础。 1 3 课题的研究意义和主要研究内容 1 3 1 课题的研究意义 管道输送是一种非常重要的运输方式，随着管道运输业的发展，因自然或人为原 因造成的管道泄漏问题日益严重，造成了极大的资源浪费和环境污染。因此，研究管 道泄漏检测与定位技术，及时发现泄漏并准确判定泄漏点位置，对于减少损失，保证 管道安全运行具有重要的现实意义。 基于模型法的管道泄漏检测与定位技术，根据流体流动机理建立管道模型，能够 有效地描述管道流动特征及管道物理性质等因素的影响，适用于缓慢泄漏和小泄漏检 测，是一种非常有效的泄漏检测与定位方法。在基于模型法进行管道泄漏检测与定位 的过程中，选取判漏依据与定位方法是解决检测灵敏性与定位精度的关键。但由于受 6 第一章绪论 模型精度的限制，影响模型法定位精度的干扰因素较多，造成的定位误差波动较大。 因此本课题通过对模型法中影响因素的分析，进行判漏依据与定位方法研究，运用相 应的改进措施，减少干扰因素影响，提高管道泄漏检测的灵敏性与定位的准确性，降 低误报、漏报率，具有十分重要的理论意义与应用价值。 1 3 2 主要研究内容 本课题结合某企业科技攻关项目，研究基于稳态和瞬态两种模型的泄漏检测与定 位方法，为输油管道的安全运行提供基础。本课题的主要研究内容有： 1 在详细分析管道瞬变流动过程的基础上，根据流体在管道中流动所遵循的基 本规律，建立输油管道传输模型，讨论模型中参数的影响及参数求解方法。 2 通过分析管道模型中相关参数、工况变化对泄漏检测灵敏度与定位精度的影 响，给出相应的解决方法，在此基础上，研究新的泄漏检测判断依据及泄漏 定位方法，提高稳态模型法泄漏检测与定位的精度。 3 结合瞬态模型能够实时反映参数动态变化的特点，分析三种边界输入对管线 不同泄漏位置的敏感性，在消除相关参数、工况变化影响的基础上，研究新 的泄漏检测判断依据及定位方法，提高瞬态模型法泄漏检测灵敏性与定位精 度。 4 将所提出的基于模型( 稳态和瞬态) 的输油管道泄漏检测与定位方法应用于 某输油管线的泄漏检测与定位，验证其有效性。 7 第二章输油管道传输模型 2 1 引言 第二章输油管道传输模型 管内流体传输与瞬变的研究工作从1 9 世纪初发展到现在，已经形成了一套较为 完整的流体网络理论，这一理论为研究流体管道传输和瞬变问题提供了重要的理论依 据。分析管道瞬变流动过程，是准确建立管道流动模型，进行模型法输油管道泄漏检 测定位的关键。 本章从分析管道瞬变流动过程产生的原因入手，认识到泄漏会引发管道内瞬变压 力的波动。提出分析瞬变流动的基本假设，在此基础上研究不同的瞬变流动过程计算 方法，建立了管道传输模型，分析讨论了各种油品参数的影响及计算。本章的研究内 容是后续研究工作的理论基础。 2 2 管道的瞬变流动过程 2 2 1 瞬变流动过程产生的原因 原油输送管道内液体的流动状态可分为稳定和不稳定两大类，稳定流动是管道中 任一点流速和压力仅与该点的位置有关，而与时间无关。不稳定流动又称瞬变流动， 是由于稳定流动受到破坏而引起的。输油管道的密闭输油流程使全线成为一个统一的 水力系统，管道沿线某点的流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动，该压力脉动从 扰动点沿管道向上下游传播，即引起管道的瞬变流动【3 2 1 。 一般引起管道系统瞬变流动的因素有两种：一是有计划的调整输量或切换流程， 包括启、停中间泵站，泵机组调速，管道站点倒换油罐，分支线路的启、停等都会引 起管内流量波动，产生瞬交流动，对此可以人为控制，使压力波动处于允许范围内。 另一种是由事故引起的流量变化，如停电或机械故障造成的泵机组停机或某一台机组 的停机，调节阀失灵误动作、干线截断阀的关闭，以及管道泄漏都会引起管内流量的 变化，产生瞬变压力波动。 沿管道传播的瞬变压力有时会导致压力的剧烈变化，甚至可能破坏管道的正常运 行，如果压力波动超过允许工作条件，就需要采取相应措施进行调节和保护。由于管 道泄漏也会引发瞬变压力波动，因此研究管道的瞬变流动规律，对于研究管道泄漏检 测具有重要意义。 9 北京化工人学硕士学位论文 2 2 2 瞬变流动分析的基本假设 长输管道流动瞬变分析模型一般建立在两个假设条件的基础上来建立长输管道 瞬变流动基本微分方程：一是管内流体为均质一维流动；二是管材和流体变形均在线 性弹性变形范围内。具体表现为以下基本假设： ( 1 ) 流体轴向对称，没有切向速度分量。 ( 2 ) 流体流动为小幅度信号( 小扰动) ，其马赫数很低，忽略直流的影响，即认为流体本 身流速远小于波的传播速度。和平均密度相比，密度变化很小。 ( 3 ) 流体的粘性力比较小。 ( 4 ) 管路半径小于流体流动的波长，表明在管路横截面上压力是均匀的，径向速度为 零。 ( 5 ) 相对管直径来说，管路充分长，管路端点的影响可以忽略不计。 2 2 3 直接瞬变压力计算 管道产生瞬变流动，流量变化越大，变化时间越短，产生的瞬变压力波动越剧烈。 根据儒可夫斯基的水击理论，流速瞬间变化产生的压力波动可表示为【3 3 】 a h = 一旦一v o )( 2 1 ) g 式中，胡直接瞬变压力值； 口压力波传播速度； g 重力加速度； v 0 、，扰动前后流速值； 上式表明了瞬变压力值与管内流速的变化关系，流速的变化会产生管内压力的波 动。对于管道泄漏而言，泄漏会引发管道内流速发生变化而产生瞬变压力，可以根据 式( 2 1 ) 通过泄漏点前后流速的变化求得此压力值，但直接瞬变压力的计算不能反应压 力波的传播和变化。 2 2 4 瞬变流动过程的数值计算 直接瞬变压力计算方法虽然能够根据流速变化计算出直接的瞬变压力值，但不能 反应该瞬变压力的传播方向和变化规律。因此为了更好地分析管道的瞬变流动过程， 使用弹性理论，分析压力波作用的微元体的受力与质量守恒，建立运动过程和连续方 程的微分形式，使用数值方法分析管道的瞬变流动过程。 下面是分析简单管道的不稳定流动过程，认为简单管道沿线管径、壁厚和管内流 l o 第二章输油管道传输模型 体性质均相同。 1 运动方程 运动方程推导时有两点假设：一是管内流体为均质一维流动，即管道横截面上的 压力、流速和密度是均匀分布的；二是管子和流体变形均在线性弹性形变范围内。 i 图2 _ l 受力分析图 f i g 2 - 1a n a l y s i so fs t r e s s 图2 - 1 是流体受力分析图。分析得到 ，= 一用+ 尸2 + 尸3 + 尸4 一店+ 罢害卜s t n 口 =一掣面+(尸+op&、io苏a&一昭(彳+罢鱼&sina-roax2 2 加万( 2 - 2 ) 缸 k，苏k 叙 ， 、 一彳竽- - 一 c 0 z d 8 一p g a & s i n 口 将关系式f = m a = p a i d 讲v ，：掣，彳= 生4 代入上式整理后，得 - - 宝+ 刍篆+ s i n a + g去州= o ( 2 - 3 ，凌p 缸 面州2 o ) 式中，p x 断面平均压力，砌； 1 ，工断面的平均流速，m l s ； p 流体平均密度，姆m 3 ； 兄水力摩阻系数； g 重力加速度，堙； 口流体与水平轴的角度； d 管内径，m 。 考虑到瞬变流动过程中管内流速与时间和管线距离有关系，不同的时间、不同位 置的管线，流体流速有所不同，故将掣项展开代入( 2 3 ) 式，有 堡+ 瓦o v 石d x + l po 办p + g s i n a + z 2 _ 生。_ o t ，2 = o ( 2 4 ) a xd t do x z d 、。 北京化工大学硕士学位论文 由于流速是位移对时间的偏导数，即位移随时间的变化量，有譬：y ，则上式化简为 象+ v 宝+ 吉芸+ g s i n o r + 三2 d v 2 - 一( 2 - 5 ) 1 1 0+ v + ，2 8 ta xp 瓠 2 连续性方程 连续性方程描述了时刻f 流入及流出隔离体的流体净质量等于隔离体内的质量随 时间的变化率。对隔离体，考虑垃时间内的质量守恒，有【3 3 】 二墨孚型疵：昙( 函) ( 2 - 6 ) 展开上式，忽略高阶小量，整理后得 d e ，+ p a 2av：0(2-7)o- = 由于瞬变压力也是一个随时间和管线位置- 的变0 化量，故将竽项展开，代入上式，有 i a p + 竽拿p a 2a 刍v ：0 ( 2 - 8 ) - 1 - 0 + 2 乱a xd t瓠 同样将关系式譬：y 代入式( 2 8 ) ，得到管道的连续性方程为 等+ 1 ，娑+ p a 2a，v：0(2-9)pa 0+ 1 ，+ 2 街a x钕 式中，a 为压力波的传播速度。 通过对管道内流体的受力分析，得到描述液体管道瞬变流动过程的两个基本方程 运动方程( 2 5 ) 和连续性方程( 2 - 9 ) 。这两个方程是一组具有因变量( p 1 ，) 和自变量( 五f ) 的一阶线性双曲线偏微分方程组。表明了管道内流体压力、流速随管线位移和时间变 化的关系。由于二次摩擦项的存在，只能采用数值解法求解这两个偏微分方程，这两 个方程是模型法管道建模的基础，本课题在基于瞬态模型的输油管道泄漏检测与定位 方法的研究中，采用了特征线法对方程进行求解，具体方法见第四章。 2 3 管道传输模型的建立 油品在管道中的流动可视为一元流动，该运动必然满足质量守恒、动量守恒和能 量守恒，因此，可以根据流体力学建立油品在管道中的流动模型，包括连续性方程 ( 2 9 ) 、动量方程( 2 5 ) 和能量方程，这些方程描述了管道中油品的压力、温度、流量之 间的关系。运动方程和连续性方程在上一节的管道瞬变流动过程分析中做了详细的推 导。根据能量守恒定律，建立管道内流体的能量方程，为【3 3 】 孵 鲁+ v 鼍 + 嗉( 等) 一世2 d 一苦v m ) = 。 c 2 枷， 1 2 第二章输油管道传输模型 式中，g 管道中液体热能； 后地面热导率； 丁( ，- ) 韫度函数。 丁流体温度； ，沿管线的某一具体位置距管径中心的径向距离。 因此将流体运动的连续性方程、运动方程和能量方程联立，就可以将这三个方程 和与这三个方程有关的各种热物性参数关系式应用于管内油品的流动上，就可描述油 品在管道中流动的普遍规律，即油品的压力、密度、流速、温度等物理量之间的关系。 输油管道模型的表达式为 翌+ 1 ，竺+ 脚2 生：0 o t锄融 塑+ 1 ，拿+ 三竽+ g s i n 口+ 三v z ：一 (一11)sirl 02 + 1 ，+ 一+ 2 口+ v 2 t - o ta xp 缸。2 d 、 胪署+ v 罢 + 丁象( 等) 一百p v 2 1 v i f 一菩v r ( ，) = 。 本文的研究没有考虑温度变化对管道压力、流速等参数的影响，认为输油管道为 恒温的，温度不随时间和管线位置变化而变化，这种假设忽略了能量变化的影响，简 化了管道模型，减少了模型求解的计算量，但会对检测精度产生一定影响。 2 4 管道传输模型参数计算 2 4 1 压力波传播速度 当管道发生泄漏时，管内外压差使流体迅速流失，泄漏部位的物质损失使临近部 位流体密度减小，压力降低，管内会产生压力波动，并且向上下游扩散。压力波是一 种水击波，是模型法管道泄漏检测定位分析中一个重要的影响因素，其在管道内的传 播速度取决于液体的压缩性和管壁的弹性。根据管道内压力波沿管道传播时液体的质 量守恒原理，考虑管子的弹性变形特性和管道的约束条件，对于薄壁管( d 8 2 5 ) ， 推导出压力波传播速度计算公式，即p 3 j 髟 1 + i k p 譬 c l 式中，口压力波传播速度，m s ； k 液体体积弹性系数，p a ； ( 2 1 2 ) 北京化工大学硕士学位论文 e 管材的弹性模量，p a ； 艿管壁厚度； d 管道内径； g 管子的约束系数； 压力波计算公式表明：管内压力波的传播速度决定于液体的弹性、液体的密度和 管材弹性变形，即传播速度与液体类型和管道性质有关，管道性质由管壁材料的弹性 和变形特性决定，而变形特性又与管道横截面形状，管道的约束条件和管道的d 6 值 有关。体积弹系数随液体的品种、温度、压力的不同而不同。 管道约束系数c l 的计算方法为： ( 1 ) 管子一端固定，另一端自由伸缩：c l = 1 一等 ( 2 1 3 ) 二 ( 2 ) 管子无轴向位移( 埋地管道) ：c 1 = 1 一2 ( 2 一1 4 ) ( 3 ) 管子轴向可自由伸缩：c l = 1( 2 1 5 ) 其中，为管材的泊松系数。本文实验研究中所使用的管道是长距离埋地输油管 道，采用公式( 2 - 1 4 ) 来计算c l 值。 2 4 2 影响压力波速的相关参数 由于管内液体的弹性、密度和管材弹性变形等因素会影响管内的压力波传播速 度，因此，下面进行了关于液体弹性、密度和管材弹性变形求解的研究。 1 液体体积弹性系数 液体体积弹性系数是影响压力波传播速度的重要参数，根据液体体积弹性系数的 定义，其与压缩系数成反比关系，纠3 3 】 足=i1(2-16) 式中，f 压缩系数，彤毛； 液体的体积弹性系数随其组成、压力和温度而不同。当压力在4 0 m p a 以下时， 弹性系数随压力变化较小，随温度变化较大。随着温度升高，液体体积弹性系数减小。 温度升高，液体密度减小，液体可压缩性增大，压力波传播速度减小。 2 压缩系数的计算 原油压缩系数与液体的体积弹性系数成倒数关系，经大量研究测定，认为我国原 油的压缩系数与油品的温度和密度有关系，可以表示为如下关系式，即【3 3 】 1 4 第二章输油管道传输模型 h l p 1 0 1 0 ) = 0 5 1 9 9 2 + 0 0 0 2 3 6 6 2 t + 8 4 6 5 + 2 3 6 6 6 。2 ( 2 - 1 7 ) 式中，风2 0 。c 条件下原油密度，姆m 3 ； 丁原油温度，。c 。 通过式( 2 1 7 ) 可以知道，随着温度的升高，液体的可压缩性逐渐增大，对于温度 固定的油品，压缩系数为一定值。本文研究中认为温度为一常量，因此油品的可压缩 性不变，通过压缩系数计算公式，在已知管内油品温度的情况下，可求得压缩系数， 同时可求得液体体积弹性系数。 3 油品密度 油品的密度可以通过实际测量得到，也可以根据2 0 。c 时油品密度按下式换算成 计算温度下的密度值，即 办= 风一s 【f 一2 0 j( 2 1 8 ) 式中，肛，风分别为f 。c 和2 0 。c 时油品密度，堙m 3 ； g 温度系数，g = 1 8 2 5 0 0 0 1 3 1 5 p o ，k g ( m 3 4 c ) 在已知2 0 。c 时油品密度的情况下，通过测定现场温度，可以计算求得该温度下， 原油的密度。由于实际输送原油的复杂性，这种计算方法对于求解实际管道运行情况 下的油品密度，有一定的不精确性，存在偏差。因此本文实验研究中使用的油品密度 值是通过实际测定得到的。 2 4 3 雷诺数的确定 雷诺数标志着油流中惯性力和粘滞力之比。雷诺数小时，粘滞力起主要作用；雷 诺数大时，惯性损失起主要作用，即【3 3 】 r e ：一v d ：掣( 2 1 9 ) d翮d 式中，d 油品的运动粘度，m 2 s ； q 油品在管路中的体积流量，朋3 s 。 根据雷诺数可以将流体在管道中的流动状态分为两大类：层流和紊流。 1 r e 3 0 0 0 ，流态为紊流。紊流又分为三个区： ( 1 ) 光滑区：3 0 0 0 r e r e 。靠近管壁处有