CN105550505A - 一种确定气体扩散范围的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定气体扩散范围的方法及系统，采用气体流出量和高斯烟团多阶段动态扩散积分算法并通过现有手册、数据库或实验得到的天然气管道泄漏相关的常规理化多参数的综合性数据分析来确定天然气烟团扩散范围，解决了在数据不全状态下对天然气泄露扩散范围进行较准确预测的难题，提高国家应对突发事故的应急控制能力，对有效避免重大经济损失和人员伤亡具有重要意义。

Description

一种确定气体扩散范围的方法及系统

技术领域

本申请涉及市政技术领域，尤其涉及一种确定气体扩散范围的方法及系统。

背景技术

对于天然气管道泄漏，了解和掌握各种相关理化参数数据与天然气扩散范围之间的关系，对于加强管线维护管理，预防泄漏事故的发生和事故发生后的泄漏范围的精确预测等具有重要的意义。

但是从现有的文献中很难查到相关的参数和天然气泄漏范围预测模型，从而导致实际发生天然气管道泄漏后相关参数数据严重缺少，无法较为准确预测可燃气体泄漏后的具体扩散范围。

天然气管道泄漏是一种宏观大范围大地域事件，历史上的管线泄漏无法查到泄漏过程中的有效参数和数据，而实验测定除了需要昂贵的实验设备和巨大的工作量外，由于实验人员采用的方式方法不同还存在很大误差，并且考虑到安全问题小规模实验无法模拟一级扩散事件。所以必须借助理论方法对天然气管线泄漏后相关预测模型所需理化参数数据和扩散范围的关系进行快速估算或预测，弥补单纯实验研究方法的缺陷与不足。

目前现有的天然气管线泄漏范围预测技术，国内外计算模式有高斯模型、BM模型、Sutton模型、FEM3模型、板块模型、重气模型等，但是总体来说结合以上模型进行。

发明内容

本发明实施例提供了一种确定气体扩散范围的方法及系统，用以解决现有预测的方法研究还不够全面，模型预测阶段不全面，分析的参数过少。现有理论预测方法在实际工程应用中均受到较大限制的问题。

其具体的技术方案如下：

一种确定气体扩散范围的方法，所述方法包括：

获取设定时间内的气体总泄露量；

将所述总泄漏量带入指定的高斯烟团多阶段动态扩散模型，得到气体泄露预测范围；

在所述预测范围中删除误差超过预设阈值的预测范围，得到确定的预测范围。

可选的，获取设定过时间内的其他的总泄露量，包括：

根据地下管线参数以及声速泄露公式，得到泄露开始至阀门关闭的时间段内的第一泄露量；

根据阀门关闭后的泄露时间以及次声速泄露公式，获取所述时间段内的第二泄露量；

将所述第一泄露量与所述第二泄露量之和作为所述总泄露量。

可选的，所述声速泄露公式如下：

$Q_{m_0}=A_{or}{p}_2\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{RT}}_2}\·k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}$

其中，表征第一泄露量，A_or表征管道横截面积，p₂表征管道内压力，M表征管道长度，RT₂表征泄露口面积。

可选的，所述次声速泄露公式如下：

$Q_{m_1}=A_{or}{p}_2\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{RT}}_2}\·\frac{2k}{k-1}\[{\left(\frac{p_a}{p_a}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{p_a}{p_2}\right)}^{\frac{k+1}{k}}\]}$

可选的，将所述第一泄露量与所述第二泄露量之和作为所述总泄露量，包括：

调取计算得出泄露系数；

将所述泄露系数与所述第一泄露量以及所述第二泄露量之和的乘积作为所述总泄露量。

可选的，将所述总泄露量带入指定的高斯烟团多阶段动态扩散模型，得到气体泄露预测范围，包括：

将所述总泄露量带入如下的高斯烟团多阶段动态扩散模型

$\begin{array}{c}\begin{array}{cc}C(x,y,z,t-t^{\′})=\frac{Q}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^{2/3}\·{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\·exp\[-\frac{{(x-ut)}^2}{2{\mathrm{\σ}}_x}\]\·& \exp \[-\frac{y^2}{2{{\mathrm{\σ}}_y}^2}\]\·\end{array}\\ \{\exp \[-\frac{{(z-H)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\]+\exp \[-\frac{{(z+H)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\]\}\end{array}$

得到气体泄露预测范围x,y,z，t-t`表征时间段，Q表征总泄露量。

一种确定气体扩散范围的系统，包括：

泄露量检测模块，用于获取设定时间内的气体总泄露量；

范围预测模块，用于将所述总泄漏量带入指定的高斯烟团多阶段动态扩散模型，得到气体泄露预测范围；

处理模块，用于在所述预测范围中删除误差超过预设阈值的预测范围，得到确定的预测范围。

可选的，所述泄露量检测模块，具体用于根据地下管线参数以及声速泄露公式，得到泄露开始至阀门关闭的时间段内的第一泄露量；根据阀门关闭后的泄露时间以及次声速泄露公式，获取所述时间段内的第二泄露量；将所述第一泄露量与所述第二泄露量之和作为所述总泄露量。

可选的，所述范围预测模块，具体用于调取计算得出泄露系数；将所述泄露系数与所述第一泄露量以及所述第二泄露量之和的乘积作为所述总泄露量。

本发明实施例提供的技术方案，采用气体流出量和高斯烟团多阶段动态扩散积分算法并通过现有手册、数据库或实验得到的天然气管道泄漏相关的常规理化多参数的综合性数据分析来确定天然气烟团扩散范围，解决了在数据不全状态下对天然气泄露扩散范围进行较准确预测的难题，提高国家应对突发事故的应急控制能力，对有效避免重大经济损失和人员伤亡具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例中一种确定气体扩散范围的方法的流程图；

图2为本发明实施例中天然气泄露流量随时间变换曲线示意图；

图3为本发明实施例中天然气泄露扩散极限距离随时间变化仿真结果示意图；

图4为本发明实施例中一种确定气体扩散范围的系统结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例中提供了一种确定气体扩散范围的方法及系统，用以解决现有预测的方法研究还不够全面，模型预测阶段不全面，分析的参数过少。现有理论预测方法在实际工程应用中均受到较大限制的问题，该方法包括：获取设定时间内的气体总泄露量；将所述总泄漏量带入指定的高斯烟团多阶段动态扩散模型，得到气体泄露预测范围；在所述预测范围中删除误差超过预设阈值的预测范围，得到确定的预测范围。

本发明实施例提供的技术方案，采用气体流出量和高斯烟团多阶段动态扩散积分算法并通过现有手册、数据库或实验得到的天然气管道泄漏相关的常规理化多参数的综合性数据分析来确定天然气烟团扩散范围，解决了在数据不全状态下对天然气泄露扩散范围进行较准确预测的难题，提高国家应对突发事故的应急控制能力，对有效避免重大经济损失和人员伤亡具有重要意义。

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解，本发明实施例以及实施例中的具体技术特征只是对本发明技术方案的说明，而不是限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的具体技术特征可以相互组合。

如图1所示为本发明实施例中一种确定气体扩散范围的方法流程图，该方法包括：

S101，获取设定时间内的气体泄露量；

S102，将所述总泄漏量带入指定的高斯烟团多阶段动态扩散模型，得到气体泄露预测范围；

S103，在所述预测范围中删除误差超过预设阈值的预测范围，得到确定的预测范围。

具体来讲，本发明实施例所提供的技术方案可以应用到天然气管道泄露预测，天然气管道泄露扩散过程分为4个阶段，分别为阀门关闭前管道声速稳态泄露阶段，阀门关闭后管道次声速非稳态泄露阶段，管道泄露气体溢出地表后烟团随大气风环境高斯非稳态扩散阶段，烟团随风速风向稳定扩散阶段。、

1.声速和次声速稳态泄露阶段：

阀门关闭前后天然气管道内声速和次声速泄露量可由下式计算得出，其中主要输入参数为管内压力，管道横截面积，泄露口面积，泄露段阀门封闭区间内管线长度。

具体来讲，根据地下管线参数以及声速泄露公式，得到泄露开始至阀门关闭的时间段内的第一泄露量，计算公式如下：

$Q_{m_0}=A_{or}{p}_2\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{RT}}_2}\·k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}};$

其中，表征第一泄露量，A_or表征管道横截面积，p₂表征管道内压力，M表征管道长度，RT₂表征泄露口面积。

然后，根据阀门关闭后的泄露时间以及次声速泄露公式，获取所述时间段内的第二泄露量，具体公式如下：

$Q_{m_0}=A_{or}{p}_2\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{RT}}_2}\·\frac{2k}{k-1}\[{\left(\frac{p_a}{p_2}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{p_a}{p_2}\right)}^{\frac{k+1}{k}}\]};$

其中，表征第二泄露量，A_or表征管道横截面积，p₂表征管道内压力，M表征管道长度，RT₂表征泄露口面积。

$Q_m\left(t\right)=Q_{m_0}\·{\[\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{Qm}}_0\·(k-1)}{2\·L\·A_C\·\mathrm{\ρ}}\·t}\]}^{\frac{k+1}{k-1}},$ 泄露质量流量；

对上式声速泄露公式可根据泄露开始至阀门关闭时间计算出一定时间段内泄露量，对上式次声速泄露公式可根据阀门关闭后泄露时间或管内气压衰减曲线运用积分运算法计算出一定时间内泄露量，两者之和即为阀门关闭后的总泄露量。天然气泄露流量随时间变换曲线如图2所示。

在具有管线内压力自动监控的系统中，一般在中等泄露孔管道泄露2分钟后，压力传感器可检查到管线内气压明显下降并自动关闭阀门或人工关闭。由上式稳态泄漏2分钟内流量输入计算得出为1050kg/(m²·s),关闭阀门后,根据质量流量随时间变化拟合出简化快速计算公式G＝1050×e^-0.0012t。

由于实际天然气管线泄露质量与理论值有一定偏差，可用泄露系数进一步精确结果。在快速简化计算时泄漏系数Q取0.69左右。

2.高斯非稳态扩散阶段和风速稳态扩散阶段：

考虑溢出时间受土地扩散阻碍，仿真计算近似认为同时从地表向大气扩散。

由天然气泄露总量可通过高斯烟团浓度扩散式计算出非稳态大气扩散阶段扩散范围随时间的变化。如下式所示：

$\begin{array}{c}C(x,y,z,t-t^{\′})=\\ \begin{array}{cc}\frac{Q}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^{2/3}\·{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\·\exp \[-\frac{{(x-ut)}^2}{2{\mathrm{\σ}}_x}\]\·& \exp \[-\frac{y^2}{2{{\mathrm{\σ}}_y}^2}\]\·\{\exp \[-\frac{{(z-H)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\]+\end{array}\\ \exp \[-\frac{{(z+H)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\]\}\end{array}$

在天然气随风速风向稳定扩散阶段，扩散范围方向基本与风速风向一致，可近似认为天然气浓度衰减与风速风向扩散面积成正比。

考虑到城市中实际天然气管道泄漏后,地表扩散阶段会受到楼宇,树木等障碍物阻碍而衰减扩散速度和减小扩散极限范围。本发明经过查找大量数据并理论验证，采用阻碍系数F＝0.27修正扩散过程。天然气扩散范围随时间变化的曲线如图3所示。具体的仿真参数如图表1所示：

表1

进一步来讲，在本发明实施例中，通过如下过程来建立预测模型：

1、建模样本数据及参数的分类处理：

在建立预测模型之前首先对建模样本进行两类分类处理，划分为受爆管高压喷射动能影响较大的初期高速扩散和受风力风向影响较大的中后期持续扩散模型。

2、理化参数的确定：

对于建模输入变量的理化参数包括：天然气管内气压、管内气体流速、天然气管泄漏孔与管线横截面积比、地表高空风速、风向、阻力扩散系数、管内天然气浓度、泄漏系数和时间等。

所述各理化参数数据收集的途径主要有三种：实验测定，相关手册及文献已知数据的筛选。

3、预测模型的建立：

根据分类处理结果，对两类样本分别建立预测模型，具体步骤如下：将样本集随机划分为两个部分，其中一部分用于建立模型，另一部分不参与建模，用于对所建模型进行验证。

针对训练集样本，以2所选用的理化参数及气体组分配比作为输入变量，样本对应的泄漏扩散范围作为输出变量，应用气体流出量及高斯烟团多阶段动态扩散积分算法,对两者之间的内在定量关系进行统计建模，并用matlab进行仿真，得到两者之间存在的定量函数关系，建立相应的预测模型。

4、模型的验证与修订：

预测模型的稳定性的验证方式为交叉验证方法，预测模型的外推能力利用利用外部验证方式采用建立的模型测验测试集样本的扩散范围。

根据上述预测结果，删除误差过大样本，然后返回数据修正模型，直到模型测试结果在误差允许范围内。

5、预测模型的应用:

针对样本类别，根据2选择相应的理化参数，计算出相应的数值，将其带入3所建立的相应预测模型进行计算即可得到天然气泄漏两个阶段的扩散范围数据。天然气泄露扩散极限距离随时间变化仿真结果如图3所示。

对应本发明实施例中一种确定气体扩散范围的方法，本发明实施例中还提供了一种确定气体扩散范围的系统，如图4所示为本发明实施例中一种确定气体扩散范围的系统的结构示意图，该系统包括：

泄露量检测模块401，用于获取设定时间内的气体总泄露量；

范围预测模块402，用于将所述总泄漏量带入指定的高斯烟团多阶段动态扩散模型，得到气体泄露预测范围；

处理模块403，用于在所述预测范围中删除误差超过预设阈值的预测范围，得到确定的预测范围。

进一步，在本发明实施例中，所述泄露量检测模块401，具体用于根据地下管线参数以及声速泄露公式，得到泄露开始至阀门关闭的时间段内的第一泄露量；根据阀门关闭后的泄露时间以及次声速泄露公式，获取所述时间段内的第二泄露量；将所述第一泄露量与所述第二泄露量之和作为所述总泄露量。

阀门关闭前后天然气管道内声速和次声速泄露量可由下式计算得出，其中主要输入参数为管内压力，管道横截面积，泄露口面积，泄露段阀门封闭区间内管线长度。

具体来讲，根据地下管线参数以及声速泄露公式，得到泄露开始至阀门关闭的时间段内的第一泄露量，计算公式如下：

$Q_{m_0}=A_{or}{p}_2\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{RT}}_2}\·k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}};$

其中，表征第一泄露量，A_or表征管道横截面积，p₂表征管道内压力，M表征管道长度，RT₂表征泄露口面积。

然后，根据阀门关闭后的泄露时间以及次声速泄露公式，获取所述时间段内的第二泄露量，具体公式如下：

$Q_{m_0}=A_{or}{p}_2\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{RT}}_2}\·\frac{2k}{k-1}\[{\left(\frac{p_a}{p_1}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{p_a}{p_2}\right)}^{\frac{k+1}{k}}\]};$

其中，表征第二泄露量，A_or表征管道横截面积，p₂表征管道内压力，M表征管道长度，RT₂表征泄露口面积。

$Q_m\left(t\right)=Q_{m_0}\·{\[\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{Qm}}_0\·(k-1)}{2\·L\·A_C\·\mathrm{\ρ}}\·t}\]}^{\frac{k+1}{k-1}},$ 泄露质量流量；

对上式声速泄露公式可根据泄露开始至阀门关闭时间计算出一定时间段内泄露量，对上式次声速泄露公式可根据阀门关闭后泄露时间或管内气压衰减曲线运用积分运算法计算出一定时间内泄露量，两者之和即为阀门关闭后的总泄露量。天然气泄露流量随时间变换曲线如图2所示。

在具有管线内压力自动监控的系统中，一般在中等泄露孔管道泄露2分钟后，压力传感器可检查到管线内气压明显下降并自动关闭阀门或人工关闭。由上式稳态泄漏2分钟内流量输入计算得出为1050kg/(m²·s),关闭阀门后,根据质量流量随时间变化拟合出简化快速计算公式G＝1050×e^-0.0012t。

由于实际天然气管线泄露质量与理论值有一定偏差，可用泄露系数进一步精确结果。在快速简化计算时泄漏系数Q取0.69左右。

进一步，在本发明实施例中，所述范围预测模块402，具体用于调取计算得出泄露系数；将所述泄露系数与所述第一泄露量以及所述第二泄露量之和的乘积作为所述总泄露量。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种确定气体扩散范围的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取设定时间内的气体总泄露量；

将所述总泄漏量带入指定的高斯烟团多阶段动态扩散模型，得到气体泄露预测范围；

在所述预测范围中删除误差超过预设阈值的预测范围，得到确定的预测范围。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取设定过时间内的其他的总泄露量，包括：

根据地下管线参数以及声速泄露公式，得到泄露开始至阀门关闭的时间段内的第一泄露量；

根据阀门关闭后的泄露时间以及次声速泄露公式，获取所述时间段内的第二泄露量；

将所述第一泄露量与所述第二泄露量之和作为所述总泄露量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述声速泄露公式如下：

其中，表征第一泄露量，A_or表征管道横截面积，p₂表征管道内压力，M表征管道长度，RT₂表征泄露口面积。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述次声速泄露公式如下：

。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述第一泄露量与所述第二泄露量之和作为所述总泄露量，包括：

调取计算得出泄露系数；

将所述泄露系数与所述第一泄露量以及所述第二泄露量之和的乘积作为所述总泄露量。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述总泄露量带入指定的高斯烟团多阶段动态扩散模型，得到气体泄露预测范围，包括：

将所述总泄露量带入如下的高斯烟团多阶段动态扩散模型

得到气体泄露预测范围x，y，z，t-t`表征时间段，Q表征总泄露量。

7.一种确定气体扩散范围的系统，其特征在于，包括：

泄露量检测模块，用于获取设定时间内的气体总泄露量；

范围预测模块，用于将所述总泄漏量带入指定的高斯烟团多阶段动态扩散模型，得到气体泄露预测范围；

处理模块，用于在所述预测范围中删除误差超过预设阈值的预测范围，得到确定的预测范围。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述泄露量检测模块，具体用于根据地下管线参数以及声速泄露公式，得到泄露开始至阀门关闭的时间段内的第一泄露量；根据阀门关闭后的泄露时间以及次声速泄露公式，获取所述时间段内的第二泄露量；将所述第一泄露量与所述第二泄露量之和作为所述总泄露量。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述范围预测模块，具体用于调取计算得出泄露系数；将所述泄露系数与所述第一泄露量以及所述第二泄露量之和的乘积作为所述总泄露量。