长输液体管道泄漏监测方法研究

论文摘要

长输管道作为一种重要的运输手段,早已在我国和世界工业中广泛应用。但由于种种原因,管道泄漏事故时有发生。为了减小管道泄漏造成的经济损失,以及对环境造成的严重污染,有必要对管道泄漏监测技术加以研究。已有的监测方法,或价格昂贵,或维修困难,或影响正常运行,针对长输管线来讲,都是不理想的。本文研究的重点是根据管道进出口处流量和压强的特征识别管道泄漏并确定泄漏点的位置。为了从理论上指导泄漏监测方法的建立,本文用特征线法计算了管道泄漏时的控制方程。通过对输水管道和输油管道的泄漏数值计算发现,管道泄漏时管道上下游水力参数的综合变化规律不同于阀门启闭引起的水力参数的变化规律,这一规律的发现为泄漏识别方法的提出提供了依据。依据管道泄漏时上下游水力参数具有独特变化规律的事实,本文提出了两种泄漏识别方法。一种方法是基于新息理论变点检测的管道泄漏识别方法。文中将基于多元假设的序列似然比检测方法与新息理论结合推导出基于新息理论的变点检测方法,利用BP神经网络非线性时间序列预测方法建立了管道进出口处水力参数的新息模型,然后利用本文提出的变点检测方法监测经新息模型产生的新息序列实现管道泄漏在线识别。另一种方法是基于半模糊聚类的长输管道泄漏识别方法。文中的半模糊聚类算法是通过将陈守煜的模糊聚类算法中的隶属度阈值化以后得到的,并利用该半模糊聚类算法将管道进出口处的水力参数看作指标特征值进行聚类,根据聚类结果判别管道是否发生泄漏。通过对实验输水管道以及实际输油管道的泄漏识别得到这两种方法的漏报警率为3.4%左右。本文给出了两种泄漏点定位方法。一种是基于BP神经网络预测原理的压力梯度法。该方法采用BP神经网络预测摩阻系数,利用压力梯度法求得泄漏点的位置。另一种是由逆瞬态法和压力梯度法迭代求解泄漏点位置的方法。该方法将泄漏点前后的摩阻系数以及泄漏流量系数看作优化控制变量、水击方程的数值计算结果与测量值之差的绝对值作为控制目标,利用遗传算法优选泄漏点前后的摩阻系数,与压力梯度法结合不断迭代求解泄漏点的位置。通过输水管道的泄漏实验得到这两种方法漏点定位的平均误差分别为12%和4%左右。本文编制了泄漏监测系统软件。软件包括界面程序、泄漏识别和泄漏点定位程序以及数据库。并将该软件安装到平湖油田的海底输油管线上进行了现场测试。为了验证本文所做的具体工作,设计了长48.775m、管径53mm的输水管道,实验在大连理工大学的水力学实验室里进行。通过实验验证了管道泄漏以及阀门启闭工况下管道上下游流量和压强的变化规律。并利用管道泄漏监测系统软件分别识别了阀门启闭工况以及泄漏工况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 管道发展概述
• 1.3 管道泄漏事故
• 1.4 管道泄漏检测技术和方法回顾
• 1.5 本文的研究目的和主要内容
• 2 管道泄漏及上下游阀门启闭对管道上下游水力参数的影响
• 2.1 引言
• 2.2 管道泄漏瞬变模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 特征线法
• 2.2.3 有限差分方程
• 2.2.4 边界条件的处理
• 2.3 数值计算分析
• 2.3.1 输水管道计算算例
• 2.3.2 输油管道计算算例
• 2.4 本章小结
• 3 基于新息理论的变点检测及其在长输管道泄漏监测中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 变点检测
• 3.2.1 基于二元假设的序列似然比检测
• 3.2.2 基于多元假设的序列似然比检测
• 3.2.3 门限值
• 3.3 基于新息理论的变点检测
• 3.3.1 新息的概念以及性质
• 3.3.2 基于新息理论的变点检测
• 3.4 管道系统新息模型的构建
• 3.4.1 非线性时间序列BP神经网络预测原理
• 3.4.2 基于非线性时间序列BP神经网络预测模型的管道新息模型
• 3.5 管道系统新息序列的正态分布性检验
• 3.5.1 正态分布检验原理
• 3.5.2 试验管道新息序列的正态性检验
• 3.6 变点检测方法在管道泄漏识别中的应用
• 3.7 试验结果分析
• 3.7.1 试验水管变点检测结果分析
• 3.7.2 海底管线现场数据变点检测结果分析
• 3.8 本章小结
• 4 基于半模糊聚类的长输管道泄漏监测
• 4.1 引言
• 4.2 半模糊聚类模型
• 4.3 管道泄漏识别
• 4.3.1 试验管道泄漏识别
• 4.3.2 现场数据泄漏识别
• 4.4 本章小结
• 5 长输管道泄漏点定位方法以及泄漏量的计算
• 5.1 引言
• 5.2 基于神经网络原理的压力梯度法
• 5.2.1 管道中泄漏点位置的确定
• 5.2.2 摩阻系数的不确定性对漏点定位的影响
• 5.2.3 摩阻系数率定的传统方法
• 5.2.4 基于BP神经网络的摩阻系数预测
• 5.2.5 稳定流状态下泄漏点位置的确定
• 5.3 基于逆瞬态法与压力梯度法结合的管道泄漏点定位
• 5.3.1 瞬态模型
• 5.3.2 摩阻模型
• 5.3.3 特征线法
• 5.3.4 GA优化
• 5.3.5 逆瞬态法计算框图
• 5.3.6 泄漏点定位算法
• 5.3.7 泄漏水管试验结果分析
• 5.4 泄漏量的计算
• 5.5 本章小结
• 6 管道泄漏检测系统软件
• 6.1 系统的组成
• 6.2 软件系统的构成
• 6.2.1 LabView界面程序
• 6.2.2 泄漏监测程序程序
• 6.2.3 数据库
• 6.3 泄漏监测系统软件的功能
• 6.3.1 数据读入及存储
• 6.3.2 参数据算
• 6.3.3 图形显示
• 6.4 监测软件在平湖油气田海底输油管线上的现场测试
• 6.4.1 平湖油气田海底管线概况
• 6.4.2 平湖油田海底输油管线安装图
• 6.4.3 泄漏监测软件的现场测试
• 6.5 本章小结
• 7 管道水力模型实验
• 7.1 引言
• 7.2 实验装置
• 7.3 实验设备
• 7.4 数据采集系统
• 7.5 仪器标定
• 7.5.1 压力传感器调零
• 7.5.2 电磁流量计的标定
• 7.6 量测内容及试验工况
• 7.6.1 量测内容
• 7.6.2 试验工况
• 7.7 参数率定
• 7.7.1 摩阻系数的率定
• 7.7.2 孔口出流公式的率定
• 7.7.3 水击波速的计算
• 7.8 不同工况下水力参数的变化规律
• 7.8.1 上游阀门开启
• 7.8.2 上游阀门关闭
• 7.8.3 下游阀门开启
• 7.8.4 下游阀门关闭
• 7.8.5 管道泄漏
• 7.8.6 恒定流工况以及泄漏工况下压力梯度的沿程变化
• 7.9 工况识别
• 7.9.1 上游阀门开启识别
• 7.9.2 上游阀门关闭识别
• 7.9.3 下游阀门开启识别
• 7.9.4 下游阀门关闭识别
• 7.9.5 管道泄漏监测
• 7.10 泄漏监测系统在实验管道上的性能指标
• 7.11 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢