CN106289121B - 一种变径管等效管长的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变径管等效管长的计算方法，建立声波幅度衰减模型和直管段泄漏声波幅值衰减模型；获取直管段内气体运行参数，根据直管段内气体运行参数计算直管段声波幅值衰减因子；获取两传感器安装距离，采集泄漏声波传播经变径管段的泄漏声波信号并提取所述泄漏声波信号幅值；将泄漏声波信号幅值与直管段声波幅值衰减因子代入声波幅度衰减模型，获取声波传播距离；根据步骤四中的声波传播距离和步骤三中的两传感器安装距离，计算变径管等效管长。本发明的有益效果是，本发明提供的变径管等效管长的计算方法，通过建立变径管等效管长计算公式，能够得到传感器的等效安全距离，提高定位精度。

Description

一种变径管等效管长的计算方法
技术领域
本发明涉及油气管道声波法泄漏监测技术领域，尤其是一种变径管等效管长的计算方法。
背景技术
目前可以应用于油气管道的泄漏监测方法有许多种，其中，声波法与传统的质量平衡法、负压波法、瞬态模型法等相比具有诸多优点：灵敏度高、定位精度高、误报率低、检测时间短、适应性强；测量的是管线流体中的微弱动态压力变化量，与管线运行压力的绝对值无关；响应频率更宽，检测范围更宽等。
针对输气管道声波法泄漏检测与定位技术的研究中，声速、声波到达上下游传感器的时间差以及上下游传感器之间的安装距离决定泄漏定位精度，但目前研究大都集中在声速和声波到达上下游的时间差的求解计算，以此实现泄漏的准确定位。国内外学者也多是针对声波传播速度的改进以及时间差精度的提高进行研究的。根据调研，现阶段国内外涉及基于声波技术的油气管道泄漏定位方法的专利主要有：
美国专利US6389881公开了一种基于音波技术的管道实时泄漏检测装置和方法。该技术利用传感器采集管内动态压力，采用模式匹配滤波技术对信号进行滤波处理，排除噪声，降低干扰，提高了定位精度；
中国专利200810223454.X公开了一种利用动态压力和静态压力数据进行管道泄漏监测的方法及装置。该方法在管道首末端分别安装一套动态压力传感器和静态压力传感器，测量管内音波信号，音波信号经数据采集装置处理后提取泄漏信号，并利用GPS系统打上时间标签，进行泄漏定位。
中国专利201510020155.6公开了一种基于声波幅值的油气管道泄漏定位方法，该方法采用经过小波分析处理后得到低频段声波幅值来进行泄漏检测和定位，建立了泄漏声波在油气管道介质内的传播模型，提出了一种不考虑声速及时间差的泄漏定位方法。
现有的专利较少涉及上下游传感器之间的安装距离计算，对泄漏定位精度的改进更多的是依靠对声波传播速度和时间差改进的方法，对声波在变径管中传播使得上下游传感器之间的安装距离发生变化没有描述，具体表现为：对声波在传播过程中遇到变径管时会产生声波的反射、二次反射以及干涉等现象考虑不足，使得声波幅值衰减程度明显增大，从而使得上下游传感器之间的安装距离计算不准确，从而造成泄漏定位误差。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种变径管等效管长的计算方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种变径管等效管长的计算方法，包括以下步骤：
步骤一：建立声波幅度衰减模型和直管段泄漏声波幅值衰减模型；
步骤二：获取直管段内气体运行参数，根据直管段内气体运行参数计算直管段声波幅值衰减因子；
步骤三：获取两传感器安装距离，采集泄漏声波传播经变径管段的泄漏声波信号并提取所述泄漏声波信号幅值；
步骤四：将泄漏声波信号幅值与直管段声波幅值衰减因子代入声波幅度衰减模型，获取声波传播距离；
步骤五：根据步骤四中的声波传播距离和步骤三中的两传感器安装距离，计算变径管等效管长。
优选的，所述步骤一中，所述声波幅度衰减模型为：
p＝p0 exp(-αx)
其中，p0表示声波初始幅值，x表示声波传播距离，p表示声波传播距离为x时的声波幅值，α表示声波幅值衰减因子。
进一步优选的，所述步骤一中，声波幅值衰减因子为：
其中，r表示管道直径，单位为m；ρ0表示介质密度，单位为kg/m3；ω表示角频率，ω＝2πf，f表示特定频段声波的中心频率，单位为Hz，c表示管内声波传播速度，单位为m/s，η′表示介质切变黏滞系数，单位为Pa·s；η″表示容变黏滞系数，单位为Pa·s；χ表示热传导系数，单位为W/(m·K)；介质的定容比热Cv，单位为kJ/(kg·K)；Cp表示定压比热，单位为kJ/(kg·K)；Re表示气体流动雷诺数；v表示气体流速单位为m/s。
进一步优选的，所述步骤一中，声波幅值衰减因子为：
其中，r表示管道直径，单位为m；ρ0表示介质密度，单位为kg/m3；ω表示角频率，ω＝2πf，f表示特定频段声波的中心频率，单位为Hz，c表示管内声波传播速度，单位为m/s，η′表示介质切变黏滞系数，单位为Pa·s；η″表示容变黏滞系数，单位为Pa·s；χ表示热传导系数，单位为W/(m·K)；介质的定容比热Cv，单位为kJ/(kg·K)；Cp表示定压比热，单位为kJ/(kg·K)；Re表示气体流动雷诺数；v表示气体流速单位为m/s。
优选的，所述步骤四中，变径管前、后分别设置传感器，泄漏声波信号幅值包括变径管前后传感器采集的泄漏声波信号幅值，分别表示为p1和p2，具体代入步骤为：
其中，x表示泄漏声波传播距离。
优选的，所述步骤五中，变径管长计算公式具体为：将步骤四中的泄漏声波传播距离与两传感器安装距离相减，获取差值，将差值与变径管管长相加，具体为：
其中，L表示变径管管长，l表示两传感器安装距离。
本发明的有益效果是，通过建立的变径管等效管长的计算公式，能够得到传感器的等效安装距离，提高了定位精度。本发明方法简单，操作方便，较好的解决了现阶段定位精度不高的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的变径管等效管长的计算方法的步骤图；
图2是本发明实施例提供的变径管等效管长的计算方法原理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种变径管等效管长的计算方法，包括以下步骤：
步骤S101：建立声波幅度衰减模型和直管段泄漏声波幅值衰减模型；
步骤S102：获取直管段内气体运行参数，根据直管段内气体运行参数计算直管段声波幅值衰减因子；
步骤S103：获取两传感器安装距离，采集泄漏声波传播经变径管段的泄漏声波信号并提取所述泄漏声波信号幅值；
步骤S104：将泄漏声波信号幅值与直管段声波幅值衰减因子代入声波幅度衰减模型，获取声波传播距离；
步骤S105：根据步骤S104中的声波传播距离和步骤S103中的两传感器安装距离，计算变径管等效管长。
所述步骤一中，所述声波幅度衰减模型为：
p＝p0exp(-αx)
其中，p0表示声波初始幅值，x表示声波传播距离，p表示声波传播距离为x时的声波幅值，α表示声波幅值衰减因子。
所述直管段内气体运行参数包括管道直径、介质密度、角频率、管内声波传播速度、介质切变黏滞系数、容变黏滞系数、热传导系数、介质的定容比热、定压比热、气体流动雷诺数和气体流速。
进一步，所述步骤一中，当气体顺流时，声波幅值衰减因子为：
其中，r表示管道直径，单位为m；ρ0表示介质密度，单位为kg/m3；ω表示角频率，ω＝2πf，f表示特定频段声波的中心频率，单位为Hz，c表示管内声波传播速度，单位为m/s，η′表示介质切变黏滞系数，单位为Pa·s；η″表示容变黏滞系数，单位为Pa·s；χ表示热传导系数，单位为W/(m·K)；介质的定容比热Cv，单位为kJ/(kg·K)；Cp表示定压比热，单位为kJ/(kg·K)；Re表示气体流动雷诺数；v表示气体流速单位为m/s。
进一步，所述步骤一中，当气体逆流时，声波幅值衰减因子为：
其中，r表示管道直径，单位为m；ρ0表示介质密度，单位为kg/m3；ω表示角频率，ω＝2πf，f表示特定频段声波的中心频率，单位为Hz，c表示管内声波传播速度，单位为m/s，η′表示介质切变黏滞系数，单位为Pa·s；η″表示容变黏滞系数，单位为Pa·s；χ表示热传导系数，单位为W/(m·K)；介质的定容比热Cv，单位为kJ/(kg·K)；Cp表示定压比热，单位为kJ/(kg·K)；Re表示气体流动雷诺数；v表示气体流速，单位为m/s。
所述步骤四中，变径管前、后分别设置传感器，泄漏声波信号幅值包括变径管前后传感器采集的泄漏声波信号幅值，分别表示为p1和p2，具体代入步骤为：
其中，x表示泄漏声波传播距离。
上述公式为声波幅度随距离衰减的公式。
优选的，所述步骤五中，变径管长计算公式具体为：将步骤四中的泄漏声波传播距离与两传感器安装距离相减，获取差值，将差值与变径管管长相加，具体为：
其中，L表示变径管管长，l表示两传感器安装距离。
如图2所示，泄漏声波经长度为L的变径管段进行传播，变径管段前后分别安装传感器1和传感器2，传感器1和传感器2间距为l，即两传感器安装距离为l，传感器1和传感器2采集声波信号幅值分别为p1和p2。
将长度为L的变径管段用同样管长的直管段代替，明确直管段内的运行参数，此时为顺流，则可得到声波传播距离为
将上述计算得到的声波传播距离与两传感器间距相减，并将差值与等效管长相加，即可得到变径管的等效管长，即
本发明提供的变径管等效管长的计算方法，通过建立变径管等效管长计算公式，能够得到传感器的等效安全距离，提高定位精度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种变径管等效管长的计算方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：建立声波幅度衰减模型和直管段泄漏声波幅值衰减模型；
步骤二：获取直管段内气体运行参数，根据直管段内气体运行参数计算直管段声波幅值衰减因子；
步骤三：获取两传感器安装距离，采集泄漏声波传播经变径管段的泄漏声波信号并提取所述泄漏声波信号幅值；
步骤四：将泄漏声波信号幅值与直管段声波幅值衰减因子代入声波幅度衰减模型，获取声波传播距离；
步骤五：根据步骤四中的声波传播距离和步骤三中的两传感器安装距离，计算变径管等效管长。
2.如权利要求1所述的变径管等效管长的计算方法，其特征是，所述步骤一中，所述声波幅度衰减模型为：
p＝p0exp(-αx)
其中，p0表示声波初始幅值，x表示声波传播距离，p表示声波传播距离为x时的声波幅值，α表示声波幅值衰减因子。
3.如权利要求2所述的变径管等效管长的计算方法，其特征是，所述步骤一中，当气体顺流时，声波幅值衰减因子为：
其中，r表示管道直径，ρ0表示介质密度，ω表示角频率，ω＝2πf，c表示管内声波传播速度，η′表示介质切变黏滞系数，η″表示容变黏滞系数，χ表示热传导系数，Cv表示介质的定容比热，Cp表示定压比热，Re表示气体流动雷诺数，v表示气体流速。
4.如权利要求2所述的变径管等效管长的计算方法，其特征是，所述步骤一中，当气体逆流时，声波幅值衰减因子为：
其中，r表示管道直径，单位为m；ρ0表示介质密度，单位为kg/m3；ω表示角频率，ω＝2πf，f表示特定频段声波的中心频率，单位为Hz，c表示管内声波传播速度，单位为m/s，η′表示介质切变黏滞系数，单位为Pa·s；η″表示容变黏滞系数，单位为Pa·s；χ表示热传导系数，单位为W/(m·K)；介质的定容比热Cv，单位为kJ/(kg·K)；Cp表示定压比热，单位为kJ/(kg·K)；Re表示气体流动雷诺数；v表示气体流速单位为m/s。
5.如权利要求3或4所述的变径管等效管长的计算方法，其特征是，所述步骤四中，变径管前、后分别设置传感器，泄漏声波信号幅值包括变径管前后传感器采集的泄漏声波信号幅值，分别表示为p1和p2，具体代入步骤为：
其中，x表示泄漏声波传播距离。
6.如权利要求5所述的变径管等效管长的计算方法，其特征是，所述步骤五中，变径管长计算公式具体为：将步骤四中的泄漏声波传播距离与两传感器安装距离相减，获取差值，将差值与变径管管长相加，具体为：
其中，L表示变径管管长，l表示两传感器安装距离。
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