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摘要 基于稳态模型的长输管道泄漏检测与定位方法研究 摘要 管道运输作为重要的运输形式，在国民经济中具有举足轻重的战略地 位。然而，管道泄漏频频发生造成了严重的经济损失和环境污染，因此管 道泄漏检测与定位方法的研究有着重要的现实意义。虽然基于稳态模型的 管道泄漏检测与定位方法取得了一定的进展，但是由于管道是分布式参数 系统，尤其是长输管道，铺设时途经地形复杂多变，管道中采用了大量的 弯管等局部阻力元件，造成摩阻系数的不均匀分布，影响着稳态模型的定 位精度。因此，研究管道中弯管局部阻力系数修正方法，消除摩阻分布不 均的影响，提高基于稳态模型管道泄漏检测与定位精度具有重要的理论意 义及应用价值。 本文在详细分析管道流体动力学特性的基础上，提出了一种基于稳 态模型的管道泄漏检测与定位方法；分析了管道摩阻分布不均匀对管道 泄漏检测与定位精度的影响，结合有限元分析软件a n s y s 的仿真研究， 给出了长输管道分段方法及摩阻系数的计算方法，在此基础上给出了基 于最小二乘的管道沿程摩阻系数估算方法，以及结合泄漏后验信息的管 道沿程摩阻系数修正方法，并对基于稳态模型的管道泄漏检测与定位方 法进行了改进，给出了定位修正公式。 实验研究表明，改进的基于稳态模型的管道泄漏检测与定位方法， 可以有效地减小管道摩阻系数分布不均所引起的定位误差，提高管道泄 t 北京化工大学硕：1 j 学位论文 漏定位精度，相对定位误差小于o 5 。 关键词：输油管道，泄漏检测与定位，局部阻力，摩阻系数，稳态模型 i i a b s t r a c t r e s e a r c ho nt 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 d l o c a l i z a t i o nb a s e do ns t e a d y s t a t em o d e l i n gm e t h o d a b s t r a c t a sas i g n i f i c a n tw a yo ft r a n s p o r t a t i o n ，p i p e l i n et r a n s p o r th a si m p o r t a n t s t r a t e g i cp o s i t i o ni nt h en a t i o n a le c o n o m y h o w e v e r , p i p e l i n el e a ko c c u r s f r e q u e n t l y , w h i c hn o to n l yc a u s e ss e v e r ee c o n o m i cl o s s e s ，b u ta l s oc o u r s e s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，p i p e l i n el e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o n h a v es i g n i f i c a n tm e a n i n ga n dv a l u e a t p r e s e n t ，p i p e l i n el e a kd e t e c t i o n m e t h o db a s e do ns t e a d y - s t a t em o d e l i n gm e t h o dh a sm a d es o m ep r o g r e s s a s d i s t r i b u t e dp a r a m e t e rs y s t e m s ，t h ep i p e su s ean u m b e ro fb e n tp i p e sw h i c h i n f l u e n c e st h ed i s t r i b u t i o no ff r i c t i o nc o e m c i e n t t h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no f f r i c t i o nc o e f f i c i e n tc a u s e sl o wp r e c i s i o no fl e a kd e t e c t i o n t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo fc o r r e c t i o nm e t h o do fl o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to f b e n dp i p e ， e l i m i n a t i n gt h ea f f e c to fu n e v e nd i s t r i b u t i o no ff r i c t i o n ，a n di m p r o v i n g a c c u r a c yo fl e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o nb a s e do ns t e a d y - s t a t em o d e lh a v e i 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 o nt h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so ft h ep i p e l i n ef l u i dd y n a m i c s ，t h i s p a p e rp r e s e n t sam e t h o do fp i p e l i n el e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o nb a s e do n s t a b l em o d e l ；a n a l y z et h ei m p a c to fu n e v e nd i s t r i b u t i o no ft h ep i p ef r i c t i o n o np i p e l i n el e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o n ，c o m b i n ew i t hs i m u l a t i o ns t u d yo f i i i 北京化工大学硕士学位论文 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，g i v e nl o n g - d i s t a n c e p i p e l i n e s e c t i o nm e t h o da n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d b a s e do na l o to fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h ee s t i m a t i n gm e t h o db a s e do nl e a s ts q u a r e s o ff r i c t i o n a lr e s i s t a n c ef a c t o ra n dp i p e l i n ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc o r r e c t i o n m e t h o dc o m b i n e dw i t hl e a kp o s t e r i o r ii n f o r m a t i o na r eg i v e n ，a n di m p r o v e d p i p e l i n el e a kd 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 em o d e l a t l a s t ，p o s i t i o nc o r r e c t i o nf o r m u l ai sg i v e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e ds t e a d y - s t a t em o d e l i n g m e t h o dc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ep i p e l i n el o c a t i o ne r r o rc a u s e db yb e n t p i p e s t h ei m p r o v e d l e a kd 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 n s t e a d y - s t a t em o d e lc a ni m p r o v ep i p e l i n el e a kl o c a t i o na c c u r a c y t h er e l a t i v e p o s i t i o n i n ge r r o ri sl e s st h e no 5 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 na n dl o c a l i z a t i o n ，l o c a l r e s i s t a n c e ，f r i c t i o n alr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t n t ，s t e a d y - s t a t em o d e l i n g i v 符号说明 符号说明 水力摩阻系数 压力波传播速度 重力加速度，堙 断面平均压力，砌 油品平均密度，始撒3 流体与水平轴的角度 管道内径，m x 断面的平均流速，m s 流体与水平轴的角度 管道中液体热能 地面热导率 温度函数 流体温度，。c 沿管道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，砌 管壁厚度，m 管材的弹性模量，砌 管子的约束系数 2 0 。c 条件下原油密度，豫掰3 油品的运动粘度，m 2 s 油品在管路中的体积流量，m 3 s 直管道沿程摩阻系数 管道入口压力 管道出口的压力 管道内流体的质量流速 沿程阻力系数 管线内弯管总数 管道内第k 个弯管的局部阻力系数 管道总长 t 。c 时油品密度，姆川3 温度系数，k g ( m 3 。c ) 粘温指数，l 。c 报警阈值 力 口 g 尸 p 口 d y 口 勺后娟r r k 万 e q 风 u q以乞只g 以n 磊三 n s “ 1 3 北京化工大学硕l 学位论文 五 c r 辨识方法得到的摩阻系数 沿程摩阻修正参数 采样周期 x i v 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 何其他个人或集体已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，均已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：彦謦日期：刃勿f 2 2 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：孝分日期：力户j - 2 厶 导师签名：乃童，柞日期：加p ，? z 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 管道运输具有安全、高效、低耗等优点，被广泛地应用于工业、农业、国防等领 域中。随着我国经济发展，对石油天然气等能源的需求不断增加，管道建设规模也在 近2 0 年得到了较大发展，尤其是长输管道分布越来越广，已然成为我国能源大动脉 的重要组成部分，在国民经济中具有举足轻重的战略地位。目前世界上大部分管道已 运行三四十年，且许多长输管道为地埋管道，使用环境恶劣，随着服役时间的增长， 由于老化、腐蚀、地形沉降、人为破坏等因素导致管道泄漏事故时有发生，不仅造成 资源流失和环境污染，而且可能引发燃烧甚至是爆炸事故，严重威胁人民生命和财产 安全。针对管道泄漏检测方法的研究已有数十年的历史，但是由于检测的复杂性，使 得各种检测方法都有一定的局限性。提高管道泄漏检测定位精度、缩短检测时问、降 低误报率和漏报率、提高检测方法的适应性，对管道的安全运行、减少经济损失具有 十分重要的现实意义。 模型法是近年来国际上较为常用的一种管道泄漏检测方法，与其他管道泄漏检测 方法相比，模型法建立管内流体流动的数学模型，通过一定的边界条件( 如管道两段 入口压力、流量) ，能够表征管道内流体流动特征( 压力、流量) ，具有较好的检测效 果。瞬态模型法能够定时采集管道上实测值，通过对管道模型采用先进的数值解法， 实现对管道的实时仿真，从而实现对管道的泄漏检测，但是采用数值求解的计算量庞 大，对时间步长和距离步长要求较高。稳态模型法具有计算量小，实施简单的优点， 但是由于输油管道内分布的弯管等局部阻力元件使得管道摩阻系数分布不均，导致定 位精度不高，从而制约了稳态模型法在管道泄漏检测与定位中的应用。因此，补偿分 布不均的管道摩阻系数，提高基于稳态模型的输油管道泄漏检测与定位精度已成为重 要的研究内容。 1 2 管道泄漏检测技术研究现状 管道泄漏检测方法很多，目前没有对其统一的分类方法，常用的分类方法是根据 测量手段划分，可分为基于硬件的方法与基于软件的方法。基于硬件的方法是指依靠 不同的硬件装置对泄漏物进行直接检测，如直接观察法、检漏电缆法、声学方法、管 道机器人检测法等【。 基于软件的方法主要利用s c a d a ( 监控与数据采集系统) 的压力、流量、温度 北京化- t 人学顾i ：学位论文 等信号进行实时分析和处理，实现泄漏检测与定位。适应性广、安装简单等优点使得 s c a d a 系统受到人们的青睐，并逐步发展成为管道泄漏检测技术的主涮2 1 。此类方 法主要包括：负压波、体积质量平衡法、压力点分析法( p p a ) ，统计检漏法、压力梯 度法、小波变换法、基于神经网络和模式识别的方法、稳态模型法、瞬态模型法p 4 j 。 基于硬件的方法一般只能间断运行，实时性差，造价较高；相比之下，基于软件 的方法实时性较好，适用性较广，是目前较为多用的方法，下文主要针对基于软件的 方法进行阐述。 1 2 1 基于信号处理的泄漏检测与定位方法 流量计价格昂贵，维护困难，而基于信号处理的泄漏检测与定位方法无需建立输 油管道的数学模型，也不需要实际测量的现场流量信号，大多只用现场采集的压力信 号，对现场的要求较低，比较适合我国管线应用【5 ，6 】。基于信号处理的方法一般是通过 采集现场的压力、流量信号，去噪后分析信号，提取信号突变位置及突变时间，依据 相应方法实现泄漏检测及定位【7 1 。主要包括负压波、小波变换法、体积质量平衡法、 压力点分析法( p p a ) ，统计检漏法、压力梯度法。 1 负压波法 基于负压波法泄漏检测与定位的基本原理是，当管道上某处突然发生泄漏时，在 泄漏处由于流体物质损失引起的局部液体密度减小，将产生瞬态压力突降和速度差， 作用在流体介质上形成一个负压波，该波以声速自泄漏点向管道两端传播，经过若干 时间后，分别传到上下游，管道两端的压力传感器拾取特定的瞬态压力降的波形即可 以进行泄漏判断，根据上下游压力传感器接收到此压力信号的时间差和负压波的传播 速度就可以定出泄漏点【8 9 】。基于负压波进行检测和定位的主要方法有相关分析法、小 波变换法。 负压波检漏技术是目前国内管道泄漏检测定位中广泛使用的技术。负压波法在应 用的过程中假设的条件和不确定因素较多，为了更准确地判定泄漏并定位，需要结合 其他技术进行综合研究。互相关法是将输入输出端的流量和压力信号经过处理后进行 互相关，利用相关时延技术便可判定是否发生泄漏及泄漏的位置。这种方法能够有效 地检测出较小的泄漏，有效提高了检测的灵敏度和准确度，其缺点是计算量较大，检 测的实时性相对较差【lu j 。 美国的f e r r a n t em 1 2 】率先提出了一种采用小波分析的方法来分析管道泄漏产生 的负压波信号，由此进行泄漏检测定位。小波分析方法是一种窗口大小，即窗口面积 固定但其形状可改变，时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法，即在低频部 分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时i 日j 分辨率和 较低的频率分辨率【1 3 】。利用小波分析方法可以从附加了大量噪声的压力波信号中有效 2 第一章绪论 地提取泄漏压力波信号序列对应的特征点，结合负压波的定位原理，可以确定泄漏点 较为准确的位置【1 4 】。靳世久等【1 5 】首次提出了热油管道瞬态压力波实现管道泄漏点定位 的方法，此方法中捕捉压力波的拐点采用的是连续小波变换技术，并成功应用于中洛 线泄漏监测系统中，泄漏点定位的精度得到了提高，但是由于连续小波变换的计算量 较大，因此定位时问一般较长。 负压波检漏法具有原理简单，适用性较强，定位准确，反应迅速等优点，且无需 建立管道的数学模型；但是定位精度受压力波速、噪声干扰影响较大，当其用于缓慢 泄漏和微小泄漏检测时，由于泄漏过程中不产生负压波或特征点不明显，检测灵敏度 较差甚至无效l 】6 ， 】。 2 质量体积平衡法 目前许多现代管道泄漏检测技术都是以基于质量体积平衡法的输油管道泄漏检 测定位方法为基础，作为一种最基本的检测方法，该方法主要通过测量管道出入口的 体积流量，根据压力、温度的变化对流量进行校正，依据计算或者现场测量出的管道 出入口质量流量来估算管道内剩余液体的质量变化，管道出入口流体质量差作为判定 泄漏发生与否的依据，在质量或体积平衡图上，泄漏引起的流量突变可以得到较清楚 地显示；这种方法具有原理简单并且易于实现的优点，但是需要管道两端的流量信息， 装在管道两端的流量计精度的要求较高，且对泄漏反应时间较长，无法实现定位【l 引。 3 压力点分析法( p p a ) 压力点分析法( p p a ) 是基于负压波原理发展的一种检漏方法。该方法是在大量 研究管道泄漏前后能量和动量平衡特性基础上提出来的，当管道处于正常运行的稳定 状态时，其压力、速度和密度的变化也是连续的；一旦泄漏发生，由于泄漏点处流体 物质损失，引起局部密度减小，压力下降，破坏了原有的稳态。泄漏处引发流体产生 负压波，负压波在沿管道向上下游传播的同时将失稳的流体瞬态传递到输油管道的上 下游各点，此时，管道的上下游各点流体流态都会由瞬态转向为新的稳态。在管道上 下游的压力检测点提取压力变化曲线，通过分析检测点压力变化曲线与正常工况的曲 线，可以判断泄漏发生与否【憎j 。 压力点分析法( p p a ) 无需对管道进行建模，只需要管道沿线上一个或几个检测 点的压力信号，因此具有使用简便、安装迅速、计算量与数据存储量较小等优点，对 气体管道泄漏的的检测此方法还具有响应时间快的优点，但是不能对泄漏点进行定 位，无法准确地实现对泄漏量的评估。 4 统计检漏法 统计检漏法是9 0 年代初提出的一种较新的检测方法，z h a n gxj 【2 0 】首先提出了统 计检漏法的基本思想及算法的基本模型；依据此方法由壳牌石油公司开发的泄漏检测 系统，在实际管道的泄漏检测中有着良好的表现。 该方法根据在管道的入、出口提取的流体流量和压力信号，连续计算泄漏的统计 北京化t 人学硕i j 学位论文 概率。当泄漏发生时，流量与压力之间的关系发生变化，使用序列概率比实验( s p i 汀) 方法和模式识别技术分析压力流量信号，计算发生泄漏的概率。当泄漏确定之后，可 通过测量流体流量和压力及统计平均值估算泄漏量，用最小二乘法进行泄漏定位。统 计检漏法最主要的突破在于无需复杂的管道模型就可达到较高的检测性能1 2 ，但该方 法的定位精度受检测仪表精度影响较大，一个较小的误差可能引起较大的泄漏位置的 偏差【2 2 】。 5 压力梯度法 当管道正常运输时，管道出入口压力梯度相等，压力分布呈斜直线，当管道上发 生泄漏时，泄漏点前流量变大，压力分布直线斜率变大，泄漏点后流量变小，相应斜 率也变小，因此泄漏点前后的压力分布从直线变成折线，由于发生泄漏后泄漏点处压 力梯度的边界条件相同，可推知折点即为泄漏点，据此可进行泄漏点定位。压力梯度 法通过在管道上下游安装压力传感器，通过采集的压力信息即可实现判漏，并且对泄 漏点进行定位，具有简单、直观的优点，但是由于在实际运行的管道沿线压力梯度往 往是非线性的，因而导致采用压力梯度法进行定位的精度较差，且测量仪表的精度也 对定位精度产生很大的影响，所以此方法只可作为管道泄漏定位的一个辅助手段【2 3 1 。 1 2 2 基于管道模型的泄漏检测与定位方法 模型法的基本思想是根据管道的特点进行相应的假设，推导输油管道的动态模 型，将管道运行参数代入输油管道模型中，估算管道的压力、流量等参数，并和实际 的现场测量值进行比较，实现泄漏点的检测与定位。目前基于管道模型的泄漏检测与 定位方法包括状态观测器法、系统辨识法、人工神经网络法、稳态模型法、瞬态模型 法。 1 状态观测器法 状态观测器法就是建立管道状态空间模型，以被检测的两站压力为输入，计算观 测器的输出与观测值的偏差，通过对信号的偏差进行适当的运算，完成管道泄漏的检 l ! t 矛l 定位。b i l l m a n nl 掣2 4 】人给出了一种非线性自适应观测器，这种观测器可以较好 地解决管道各物理参数随时间变化问题，利用对摩阻的在线辨识来控制泄漏报警信号 的消失与否。a s h t o nsa 等【2 5 】设计了一种针对具有二次非线性项的非线性模型的故障 检测用非线性观测器，该观测器的误差动态特性不受状态、输入、输出及未知干扰的 影响，并对未知输入具有鲁棒性。v e r d ec 【2 6 】利用管道首末端的压力和流量信号间的 冗余关系实现了多点泄漏的检测。 2 系统辨识法 系统辨识法通过在管道系统上施加m 序列信号，采用线性a r m a 模型结构增加 某些非线性项来构造管道的模型结构，用辨识的方法求解管道模型参数，使用与估计 4 第一章绪论 器方法类似的原理实现泄漏的检测和定位【27 1 。为了对管道的泄漏进行检测，对根据管 道实际情况建立的“故障灵敏模型”及“无故障模型”进行对比和计算；基于故障灵 敏模型，用相关分析法实现泄漏检测；基于无故障模型，用适当的算法进行定位。该 方法的局限性在于检测管道泄漏时相应时间较慢；另外，此方法需要采用实际测量的 流量信号，而流量受流体成分、温度、压力等参数影响，其测量值准确度较低，且流 量计价格昂贵，维护困难怛引。 3 人工神经网络法 管道泄漏相关的未知因素多种多样，常规的数学模型难以准确描述，故其应用于 工业现场时常因误差很大或漏报误报而无法使用。基于人工神经网络检测管道泄漏的 方法，不同于已有的基于管道准确流动模型描述的泄漏检测法，能够运用自适应能力 学习管道的各种工况，对管道运行状况进行分类识别，是一种基于经验的类似人类的 认知过程的方法。试验证明，这种方法是十分灵敏和有效的。理论分析和实践表明， 这种检漏方法能够迅速准确预报出管道运行情况，检测管道运行故障并且有较强的抗 恶劣环境和抗噪声干扰的能力【2 9 | 。 g e r h a r dg 等【3 0 】提出通过使用人工神经网络来进行管道瞬态模型的输出修正，人 工神经网络经过不断的训练之后能够根据管道工况对所建立的模型输出进行一定的 补偿，从而减少管道操作过程的种种不确定因素所引起的偏差。唐秀家等【3 l 】率先提出 了以泄漏信号特征指标构造神经网络输入矩阵，采用b p n n ( b a c kp r o p a g a t i o nn e u r a l n e t w o r k ) 神经网络，建立对管道运行状况进行分类的神经网络模型以检测管道泄漏 故障的发生。 基于神经网络学习计算研制的管道泄漏检测仪器简洁实用，此方法需要通过大量 的历史数据进行训练，但是由于此类数据在实际运行中较难获得，对神经网络的训练 也无法达到理想状态，难以应用于现场中各种工况【3 2 】。 4 瞬态模型法 瞬态模型法是将流体介质在管道中的流动视为一元流动，利用介质流动的质量、 动量、能量守恒原理，建立的流动连续性方程、动量方程、能量方程，即管内流体动 态模型。此模型与实际管道同步执行，采集管道上的实测值作为边界条件求解管内流 场，然后将计算值与管端的实测值相比较，若二者之差超过一定阈值时，则判定管道 发生泄漏，泄漏点的定位机理大都是基于线性压力梯度法。瞬变模型法的检测精度依 赖于测量仪器误差、流动模型误差、数值方法误差；阈值的选取也影响误报率和漏报 率，若采用较小阈值来检测更小的泄漏，则会导致误报率上升，如果要求低的误报率， 那么漏报率必然变大。 由于管内流体动态模型相关的流体力学方程为微分方程，且较为复杂，求解十分 困难，目前较为常用的求解方法主要有特征线法与中心差分法。a b d u l r a h m a nm l j 3 j 通 过输油管道两端检测的压力、流量等参数边界条件，求得从管道上下游分布求得管道 北京化t 大学顾。f ：学位论义 沿线实时压力分布曲线，当泄漏发生时，判定泄漏点为这两组曲线的交点。刘恩斌等 【3 4 】在传统的特征线法基础上对差分格式进行了改进，同时从输油管道两端分别实施仿 真，通过对两次结果进行比较来判断泄漏并确定泄漏点的位置，使瞬态模型法更好地 满足工程应用的需求。 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沿线压力分布与 管道边界条件的实时变化之间的关系，有效提高了管道泄漏检测定位的精度，但由于 瞬态模型法中描述流体的质量、动量、能量守恒方程多采用特征线法和中心差分法进 行求解，因此计算量大，对计算的距离步长和时间步长都要求较高。与此同时，误报 率较高也是制约瞬态模型法在实际中应用的因素之一。 5 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时的水力模型作出管道 沿线压力梯度分布曲线。当管道处于正常运行时，取管道摩阻系数平均值获得压力梯 度分布曲线，此时管道压力梯度为一斜线，当管道发生泄漏后，泄漏点上、下游管段 的压力梯度不同，两者的交点判定为泄漏点的位置。 基于稳态模型的输油管道泄漏检测与定位方法将管道内压力梯度近似视为直线， s e i d e r sej 等【3 5 】提出通过采集安装在输油管道上、下游的压力信号，分别获得从上游到 下游和从下游到上游的压力梯度曲线，两者的交点即为泄漏点。由于输油管道的各部 分摩阻系数并非一致，压力梯度曲线并不是直线，故采用此方法的定位误差较大。 基于稳态模型法的泄漏检测与定位具有方法简单，计算量小，安装实施方便等优 点，对于工况稳定的管道具有较好的适应性。由于管道一般较长，管道上下游参数变 化具有一定的滞后性，且目前使用的稳态模型法中大都使用管道的平均摩阻系数，即 将管道压力梯度近似为直线，导致了定位误差较大。 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 管道作为五大运输方式之一，在国民经济中占据重要地位，维护管道的安全运行， 防止管道事故发生是一项及其重要的工作。作为管道事故中最经常发生的泄漏事故， 危害性极大，不但造成大量财产损失，污染环境，甚至会导致人身伤亡事故。 基于模型法的管道泄漏检测与定位技术，所建立管道模型是根据流体流动机理， 模型充分地考虑了管道流动特征及管道物理性质等因素的影响，对于缓慢泄漏和小泄 漏检测具有良好的检测效果。但由于瞬态模型法的求解只能采用数值方法，如特征线 法、中心差分法，使得计算量大，对时间步长和距离步长要求严格，不利于工程应用。 稳态模型算法简单，但是实际管道往往摩阻系数分布不均，而目前稳态模型中的摩阻 6 第一章绪论 系数均采用平均摩阻系数，影响了定位精度。因此本课题通过对稳态模型法中摩阻系 数影响因素及弯管局部阻力系数的分析，进行判漏依据与定位方法研究，利用有限元 分析软件a n s y s 对影响摩阻系数的主要因素弯管进行分析，运用相应的改进措施， 提高管道泄漏检测定位的精度，有着重要的理论意义与应用价值。 1 3 2 主要研究内容 本课题以某成品油长输管道的管道泄漏检测项目为背景，研究基于稳态模型的长 输管道泄漏检测与定位方法，为输油管道的安全运行提供基础。本课题的主要研究有： 1 基于管道流动过程的分析，建立管道稳态模型，研究基于稳定模型的泄漏检 测与定位方法，确定模型参数计算方法和模型求解方法，讨论长输管道中弯 管的局部阻力系数对定位精度的影响。 2 基于有限元分析软件a n s y s 仿真实验，分析长输管道中常见弯管所造成的局 部阻力，研究管道摩阻系数的计算方法；在分析局部阻力分布特点的基础上， 讨论管道的合理分段方法。 ， 3 基于管道稳态模型，研究管道摩阻系数的修正方法；基于最小二乘原理，研 究管道沿程摩阻系数的估算方法；基于泄漏后验信息，进一步研究管道的沿 程摩阻系数修正方法。 4 将所提出的基于稳态模型长输管道泄漏检测与定位修正方法应用于某输油管 道的泄漏检测与定位，验证其有效性。 第一二章皋十稳态模型的管道泄漏柃钡i 方法研究 2 1 引言 第二章基于稳态模型的管道泄漏检测方法研究 稳态模型法是一种重要的管道泄漏检测定位方法，该方法将管道内流体运动近似 为稳定流动进行分析，认为压力管道中任一点的参数只与管道位置有关，与时问无关， 通过相应的稳态模型估算管道沿线各点参数，将计算值与实际测量值对比，从而进行 管道的泄漏检测与定位。 本章从管道流体动力学分析入手，提出分析管道稳定流动的基本假设，推导管道 稳态模型，确定模型中参数的计算方法，结合稳态建模的特点，重点分析管道摩阻系 数不均对泄漏检测与定位的影响。 2 2 基于稳态模型的输油管道泄漏检测与定位 2 2 1 管道传输模型的建立 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。压力管道中任一点 的参数只与管道位置有关，与时间无关的流动称为稳定流动，反之就是不稳定流动或 称为瞬变流动。在实际的输油管道中，管内流动难以保持绝对的稳定。油品在管道中 的流动可视为一元流动，假设管材和流体变形均在线性弹性变形范围内，分析简单管 道的瞬变流动过程，建立运动过程和连续方程的微分形式。这里假定管道沿线管径、 壁厚和管内流体性质均相同。 1 运动方程 运动方程是通过对瞬变流动的隔离体应用牛顿第二定律建立的，推导过程中需要 假设管内流体均为一维流动，即在管道横截面上流体的压力、密度和流速分布均匀； 且管子和流体变形均为线性弹性形变【36 | 。 9 北京化r t 人学硕斗：学位论文 f i g 2 1a n a l y s i so fs t r e s s 如图2 1 是流体受力分析图，隔离体横截面为a ，作用在环形面上的剪切力 一气万。融，管道内流体质量沿流动方向的分力为一p g ( 彳+ 丝o x 譬 艿髑i n 口，作用在环 形表面上的压力为( p + _ o 舐p8 2 x ) o 瓦a 融，摩阻系数按达西公式f 。= t p a v v l ，运用牛顿第 二定律，整理可得 一掣跚( n o 舐p9 2 x 、1o 瓦a6 x - p g ( 胁o 舐as 2 x ) 跏i 一伽万亿。， 一to 1 - - r d r d 8 一户9 4 万x s i n 口 其中：f = m 口= 舐立d t ，彳= _ 7 1 2 0 广2 ，代入上式整理可得 立+去望+gsindto x口+ 三2 d 帖o ( 2 - 2 ) + 一+ 2 口+ 卅卅= ul z 。z j p 。 。 式中，元达西水力摩阻系数； p x 断面的平均压力，p a ； p 流体平均密度，k g l m 3 ； 1 ，x 断面的平均流速，m s ； g 重力加速度，船； 口流体与水平轴的角度； d 管道内径，m 。 在不稳定流动状态下，所分析管到内流速、时间、管道距离的关系为： 去= 老+ 塞妄，将去展开代入( 2 _ 2 ) 式，可得 1 0 第二章皋十稳态模型的管道f f 漏榆测方法研究 砉+亲生+吉等+gsincr+去v2=。(2-3dt ， 8 t8 xda x2 d 由于位移对时间的偏导数即为流速，即j d x ：v ，将譬带入( 2 3 ) ，则上式化简为 害+ v 塞+ 吉翌+ g s i n c r + 去v 2 = 。( 2 - 4 s 1 0 x ，十1 ，一十v2 u ， a t瓠p2 d 2 连续性方程 根据自然界普遍存在的质量守恒定律，隔离体中流体质量不能无缘无故地自然生 成或消失，要保持其中的流体呈连续状态而不出现任何空隙，则隔离体中流体质量变 化量与同一时间内流经控制面的净增质量必须完全相等。 图2 2 质量守恒示意图 f i g 2 2c o n s e r v a t i o no fm a s s 如图，在缸时间内的针对隔离体运用质量守恒定律，可得【3 6 】 t - a ( p a v ) 万x = 昙( 州艿x ) ( 2 - 5 ) 展开上式，忽略高阶小量，整理后得 d p + p a 2o ，v ：0 ( 2 - 6 ) 0= 式中，a 为压力波的传播速度。 不稳定流动状态下瞬变压力与时间和管道距离的关系：警= 等+ 篆妄，将面d p 展 开代入( 2 5 ) 式，可得 i o p + 罢妾+ p a 2 宴：0 ( 2 - 7 一+ = a t8 xd t瓠 同样将关系式! ；= 1 ，代入式( 2 7 ) ，得到管道的连续性方程为 北京化工人学硕上学位论文 等+ v 罢+ p a 2 宴：0 ( 2 - 8 )i + v ii 。 运动方程( 2 4 ) 和连续性方程( 2 8 ) 是液体管道瞬变流动过程的两个基本方程，上述 两个方程为偏微分方程，由于二次摩擦项的存在无法求其解析解，只能通过数值方法 求解。 3 能量方程 油品在管道中的流动可近似视为一元流动，该运动满足三大守恒定律( 质量守恒、 动量守恒，能量守恒) ，根据能量守恒定律，建立管道内流体的能量方程，为 4 詈+ v 罢 + 丁罢( 等) 一尝一苦v r ( r ) = 。 c 2 叫 式中， 七地面热导率； c 矿管道中液体热能； 丁流体温度； r ( r ) 韫度函数； ，管道中某点距管径中心的径向距离。 结合运动方程、连续性方程和能量方程，即为管道传输模型 竺+ v 竺+ 脚2 堡：0 o t o x o x 瓦o v + y 瓦o v + 丢篆+ g s i s l l l 口+ 去y 2 = o ( 2 - 1 0 ) + y + 一+ 2 口+ ，= ui z 。j uj a ta x da x u 2 d 胪矿 詈+ v 罢 + 丁象( 等) 一尝一苦v m ) = 。 上述三个方程描述了管内油品流动的普遍规律，即油品的压力、密度、流速、温 度等物理量之间的关系。 2 2 2 稳态管道模型的建立 在上节管道传输模型的基础上，为了简化模型便于研究主要参数对泄漏检测定位 的影响，假设温度、管径和油品密度恒定不变。 1 无高程差影响的管道模型 1 2 第一二章甚卜稳态模型的管道衬址漏榆测方法研究 图2 3 水平管道示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i co ft h el e v e lp i p e l i n e 如图2 3 所示，认为管道中油品流动为稳定状态，压力流量的变化与时间无关， 温度恒定不变，只考虑连续性方程和运动方程，且假设整条管道水平无落差，根据( 2 1 0 ) 建立的管道模型，得到无高程差的管道模型，即： 2 有高程差影响的管道模型 在实际的输油管道运行中，由于管道所经过地势不同，其走向也随之变化，管道 存在一定高程差，为使模型更加符合管道实际情况，需要考虑管道上下游落差，下图 为带高程差的管道示意图。 p q 图2 - 4 带高程著的管道示意图 f i g 2 - 4s c h e m a t i co fp i p e l i n ew i t he l e v a t i o n 根据管道传输模型考虑管道高程差时( 口0 ) ，可得管道运动方程和连续性方程如 ( 2 - 1 2 ) 所示 加一锄五一如 印 加一苏 丝魂 帅 弘望缸 刁但 沪 生加 0 r 划 眦 加一苏 弘 2 ， v。x 印 西一苏 望跏 州 p翌叙 很0 p 方 程 性 方 续 动 连 运 北京化t 大学硕士学位论义 2 2 3 管道模型参数的确定 1 压力波传播速度 当管道上某处突然发生泄漏时，在泄漏处由于流体物质损失引起的局部液体密度 减小，将产生瞬态压力突降和速度差，作用在流体介质上形成一个负压波，该波以声 速自泄漏点向管道两端传播，液体的压缩性和管壁的弹性是压力波传播速度的决定性 因素。根据液体的质量守恒原理，管道内压力波在沿管道传播时，考虑管道的弹性变 形特性以及管道的约束条件，当管道为薄壁管( d 6 2 5 ) ，管内压力波传播速度的计 算公式如下【3 6 j l + i k f 片 c l ( 2 - 1 3 ) 式中，口压力波传播速度，m s ； e 管材的弹性模量，p 口； 万管道的管壁厚度； d 一一管道内径； k 管内液体体积弹性系数，翰； c l 管道的约束系数； 从压力波速计算公式可见，传播速度决定于液体的弹性、液体的密度和管材弹性 变形。 管道约束系数g 的由管道的约束条件决定：管子一端固定，另一端自由伸缩： c 。= 1 一等；管子无轴向位移( 埋地管道) ：c 1 = 1 一2 ，管子轴向可自由伸缩：c i = 1 。 本文实验研究中管道是长距离埋地输油管道，故采用c 1 = 1 一2 进行计算。 液体体积弹性系数是影响压力波传播速度的重要参数，其定义如下： k=i1(2-14) 式中，f 液体的压缩系数，只乞； 液体的组成、压力和温度决定了其体积弹性系数。据所查文献显示，当压力在 4 0 m p a 以下时，弹性系数受压力影响较小，但是受温度影响较大。河北省计量研究 所通过大量的研究，给出了我国油品温度和密度与原油压缩系数的关系式 l n ( f 1 0 1 0 ) = 0 5 1 9 9 2 + 0 0 0 2 3 6 6 2 t + 8 4 6 5 彩。2 + 2 3 6 6 6 ( 2 - 1 5 ) 式中，风2 0 。c 时原油的密度，豫m 3 ； 丁原油的温度，。c 。 1 4 第、二章皋十稳态模型的管道泄漏检测方法研究 结合式( 2 1 4 ) 与( 2 1 5 ) 可以计算不同温度下原油的体积弹性系数。 2 雷诺数 流体流动时惯性力和粘滞力的比值定义为雷诺数( r e ) ，当雷诺数小时，粘滞力影 响较大；反之，惯性损占据主要位置，即【3 6 】 r e ：堕：旦( 2 - 1 6 、 式中，u 油品的运动粘度，m 2 s ； q 油品在管路中的体积流量，m3 s 。 雷诺数是表征流体流动特性的重要参数，也是划分管道内流体流动状态的关键参 数。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。雷诺数较 小时，流体流动时各质点间的粘滞力起主要作用，靠近管壁处的边界层较厚，能后完 全覆盖管壁上的粗糙突起，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状 态，一般r e 3 0 0 0 时，流态为紊流。紊流又分为三个区： 、u 、u 、 ( 1 ) 水力光滑区，3 0 0 0 r e 二三；，式中r e 。= 二竺；称为第一边界雷诺数，是划 分光滑区和混合摩擦区的边界雷诺数。 。2，混合摩擦区，e。re665-7百6519等)，re：665-7百6519等)r 称为第二边界雷 ( 2 ) 混合摩擦区， e 。 r e 五厂一，r e ：= 乏厂一称为第二边界雷 诺数，是划分混合摩擦区和阻力平方区的边界雷诺数。 ( 3 ) 阻力平方区，r e r e ，管壁的边界层很薄，管壁的粗糙突起完全暴露在边界层 之外。 管内油品的流动状态是依据雷诺数的不同而划分的，而水力摩阻系数的计算方法 由流动状态决定，因此确定雷诺数值对管道泄漏定位具有很大影响。 3 油品运动粘度 据已查的大量文献显示，原油和成品油的粘度尚未有普遍适用的关系式，大量的 研究测试工作表明决定原油和成品油的粘度的主要因素是其化学组成。国内常见的油 温关系经验公式为【3 6 】 l g 1 9 ( v + 0 8 xl o “为= 口+ b l g ( t + 2 7 3 ) ( 2 1 7 ) 式中，d 油品运动粘度，m 2 s ； a ，b 一一随油品不同的系数。 北京化丁大学硕士学位论文 油品运动粘度和温度有关，其中粘温指数关系式可表示为生：p 一“( 五一引，其中，d ，、 u 2 0 ：为温度正、正时油品运动粘度，m 2 s ；u 为粘温指数，1 。c 。 本课题实验研究中管道内的油品为低粘度的成品油，粘温指数为o 0 2 。 4 水力摩阻系数 不同的流态，管道的水利摩阻系数计算方法不同，根据按雷诺数划分的不同的流 态，水力摩阻系数计算方法如下【3 6 】 ( 1 ) r e 2 0 0 0 ：雷诺数在2 0 0