CN106482906B - 一种基于扩散波的近地表气体泄漏快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扩散波的近地表气体泄漏快速定位的方法。本发明涉及的定位方法是在两个不同顺风位置处监测得到扩散波波形，基于扩散波的时间参数随着顺风距离的增加而线性增加，而在侧风和垂直方向上基本不变的特性，通过监测顺风方向两监测点位置的扩散波形，通过计算得到增长时间和预先得到的偏差距离，估算得到监测点距离泄漏源的距离。进一步，为了获得更加准确的定位，减小估计误差，提出三监测点定位方法，利用在泄漏源顺风方向随机的三监测点扩散波监测结果，估算得到平均定位估计结果。本方法具有操作方便、定位速度快等优点，可以被用于近地表危险气体泄漏快速定位、地下储存气体泄漏定位、化工储运装备泄漏定位等领域。

Description

一种基于扩散波的近地表气体泄漏快速定位方法

技术领域

本发明涉及危险气体检测监测领域，特别涉及对于近地表危险气体泄漏源的快速监测定位方法。

背景技术

在现代工业生产过程中，潜在危险气体的泄漏可能会造成巨大的经济损失、人员伤亡和环境破坏，比如地埋天然气管道泄漏、地下储气库泄漏、化工危险气体储运设备泄漏等，一旦发生泄漏，如果不及时处理后果不堪设想。因而如何在危险气体泄漏后进行危险源位置的快速定位十分重要。

目前常用的方法有直接监测定位方法和间接定位方法。直接定位方法通常是利用气体传感器监测到明显的泄漏发生后，利用便携式仪器或其他手段人工寻找判断泄漏的位置。这种方法定位速度比较慢，而且对操作人员会带来潜在的危害。间接定位方法是通过传感器监测方法和数值算法结合实现泄漏源的定位。目前已有的泄漏源辨识算法主要是基于泄漏源反问题求解，分为直接反问题求解、最优化方法以及基于概率统计的随机逼近三种方法。泄漏源反演算法尽管可以比较准确的获得泄漏源位置信息，但是存在的问题是需要大量的监测数据，必须保证有足够的监测点，同时，大部分泄漏源辨识算法由于需要结合计算流体动力学进行扩散模型计算，所以计算估计效率不高，严重影响了泄漏源辨识算法在快速定位方面的应用。

因而，在近地表危险气体泄漏源的定位方面的研究尚存在不足，有待进一步的研究快速准确的泄漏源定位方法。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于扩散波的近地表气体泄漏快速定位方法，能够在泄漏源顺风方向位置通过两个或三个监测点对泄漏气体扩散情况的监测结果，实现快速定位。

为达到上述目的，本发明采用的技术方法是：

一种基于扩散波的近地表泄漏气体快速定位方法，其基本原理是基于气体浓度扩散波，通过监测扩散波的时间参数，包括初始时间t₀、稳定时间t_s以及增长时间Δt，估算泄漏源距离监测点的位置。扩散波初始时间t₀是传感器监测到的泄漏气体浓度开始增大的时刻，扩散波稳定时间t_s为传感器监测到泄漏气体浓度达到稳定浓度的时刻，扩散波增长时间Δt是扩散波稳定时间t_s与初始时间t₀的差值，Δt＝t_s-t₀。由于扩散波初始时间t₀、稳定时间t_s随着泄漏源顺风距离X的增大而近似线性增加，而随侧风距离Y和垂直高度Z基本不变，所以增长时间Δt与顺风距离也存在这样的关系，可以表述为：

Δt＝kX+b (1)

或X＝KΔt+B (2)

其中，参数k或者K是线形系数，而b或B为剩余变量。所以，可以通过分析时间参数与顺风距离之间的关系估计得到监测点距离泄漏源位置的距离。

进一步，基于扩散波原理的泄漏源快速定位方法包含两点监测方法和三点监测定位方法。

进一步，对于两点监测定位方法主要利用在沿泄漏源顺风方向两个位置X₁、X₂处监测到的扩散波变化，进行快速定位。其具体方法为：在两个不同顺风位置X₁、X₂处监测得到扩散波波形，X₀是泄漏源位置、X₁和X₂沿顺风方向两个监测传感器的位置、X₀₁是X₁距离泄漏源的距离，监测点1距离泄漏源的距离计算式如式(3)所示：

其中X₀₁ ^*为初始距离估计值，该值为假设泄漏源位置处泄漏气体扩散增长时间为零的条件下监测点1处距离泄漏源的估计值，计算公式如式(4)：

其中L₁₂为两个监测点之间的顺风距离，Δt₁,Δt₂为两个监测点处分别监测到的增长时间。

偏差距离S为在Δt₀＝0假设下和真实条件下的估计距离差别，该值通常为负值。其计算关系表达为：

其中Δt₀为泄漏源位置处扩散波的增长时间。由于偏差距离S主要依赖于地形特征和大气条件，在常见的风速范围下(5m/s～8m/s)，偏离距离S基本保持稳定,且当地表粗糙高度z₀远小于监测高度h的时候(z₀/h≤0.5)，S的绝对值随着地表粗糙高度的增高而近似线性增大。所以在特定的地形环境和大气环境下，偏差距离S为一稳定值。利用该特性，只需要通过式(4)确定监测点1和监测点2处的增长时间参数，就可以容易得到泄漏源距离监测点1处的距离。

进一步，对于三点监测定位方法，主要利用在沿泄漏源顺风方向随机三个位置X₁、X₂、X₃监测到的扩散波变化，从监测点X₁处到泄漏源X₀之间的距离由公式(6)得到

其中是根据式(4)，由点X₁和X₂处扩散波估计得到的泄漏源离监测点1的初始估计距离；是由X₁和X₃处的扩散波得到的泄漏源离监测点1的初始估计距离；是由X₂和X₃扩散波得到的泄漏源离监测点3的初始估计距离；L₃₁监测点3到监测点1之间的顺风方向相对距离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)本发明所述的近地表泄漏快速定位方法，基于两点或三点扩散波监测就可以实现泄漏源的快速定位，可以提高近地表气体泄漏的定位效率；

(2)本发明所述的近地表泄漏源定位方法基于扩散波原理，如果采用三个以上的监测点结果将进一步修正估计结果，降低估计偏差；

(3)本发明所述泄漏定位方法可以用于地质储存气体技术中的气体泄漏定位中，也可以用于化工设备危险介质储运装备泄漏定位当中，同时还可以用于环境危险气体释放源的定位。

附图说明

图1是本发明泄漏气体浓度扩散波随顺风距离的传播规律。

图2是泄漏气体浓度扩散波随着侧风距离分布规律。

图3泄漏气体浓度扩散波随着距离地面高度的分布规律。

图4扩散波时间参数随顺风距离的变化。

图5两监测点扩散波定位基本原理。

图6三点扩散波定位原理。

具体实施方式

下面结合具体的实例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

图1中，横坐标是时间/S，纵坐标是气体浓度/ppm。Cs为稳定浓度，其为扩散达到稳定后的浓度值；t₀为扩散初始时间，其为监测点观察到泄漏气体开始增大的时刻；t_s是为扩散稳定时间，其为扩散达到稳定浓度的时间。顺风距离L1<L2<L3<L4。扩散波沿顺风距离传播过程中，时间参数t₀、t_s随着顺风距离的增大而增大，而稳定浓度Cs随顺风距离的增大而减小。

图2中，横坐标是时间/S，纵坐标是气体浓度/ppm。侧风距离y1<y2<y3<y4。扩散波沿侧风方向只有稳态浓度发生变化，不同侧风位置处的稳态浓度随着距离泄漏源位置的增大而减小，而时间参数t₀、t_s基本不发生变化。

图3中，横坐标是时间/S，纵坐标是气体浓度/ppm。垂直高度z1<z2<z3。扩散波沿垂直高度只有稳态浓度发生变化，稳态浓度随着距离地面距离的增大而减小，而时间参数t₀、t_s基本不发生变化。

图4中，(a)为稳定时间t_s对顺风距离的变化；(b)为初始时间t₀随顺风距离的变化；(c)为增长时间Δt随顺风距离的变化。其中Δt＝t_s-t₀。无论扩散初始时间、稳定时间还是增长时间均随顺风距离的增加而增大，且这种变化是线形的，此原理可以被用作泄漏源的快速定位。

图5中，X₀是泄漏源位置、X₁和X₂是沿顺风方向两个监测传感器的位置、X₀₁是X₁距离泄漏源的距离。Δt₁,Δt₂分别是监测点1以及监测点2处的增长时间；L₁₂是X₁和X₂之间的顺风距离。由于扩散波时间参数在侧风方向和垂直方向基本不变，所以两监测点的连线不需要和风向一致。

图6中，Δt₁,Δt₂，Δt₃分别是监测点1、监测点2及监测点3处的增长时间；L₁₂是X₁和X₂之间的顺风距离；L₃₁监测点3到监测点1之间的顺风方向相对距离；L₃₂监测点3到监测点2之间的顺风方向相对距离。三个监测点位置满足位于泄漏源顺风方向即可。

本发明提供的定位方法，是基于浓度扩散波的气体泄漏快速定位方法。从近地表泄漏到大气中的气体随时间的扩散过程类似于机械波的传播，其在不同位置上以相似的波形向前推进，这种波称为浓度扩散波。在某一位置上浓度非稳态扩散达到稳定的峰值浓度可以视为是扩散波的振幅。

时间参数Δt被定义为扩散稳定时间与初始扩散时间的差值，其可以用来表示扩散波的周期性：Δt＝t_s-t₀。

如附图一、二、三所示，扩散波时间参数扩散初始时间t₀和稳定时间t_s在扩散波的传播过程中，在不同顺风位置上不断变化，而在侧风和垂直方向上基本不变的。因此，基于浓度扩散波此特性，可以进行泄漏源的定位。

由图四可以看出，扩散初始时间、稳定时间和增长时间均随顺风距离的增加而增大，且这种变化是可以看做是线形的。由于扩散初始时间和稳定时间是时刻值，而增长时间是时间间隔值，该参数可以轻易通过扩散波波形得到。因为增长时间Δt随离泄漏源顺风距离线形增加，可以表述为：

Δt＝kX+b

或X＝KΔt+B

其中，参数k或者K是线形系数，而b或B为剩余变量。所以，可以通过分析时间参数Δt与顺风距离之间的关系估计得到监测点到泄漏源位置的距离。所以此结论就是基于扩散波进行定位的基本依据。

本发明提出基于扩散波的近地表气体泄漏快速定位方法包括两点定位和三点定位方法。其中两监测点定位方法如图五所示，其原理是利用在两个不同顺风位置X₁、X₂处监测得到扩散波波形，根据不同位置处增长时间与距离泄漏源顺风距离成线性关系，可以获得监测点1距离泄漏源得计算式：

其中，Δt₀,Δt₁,Δt₂分别是泄漏点、监测点1以及监测点2处的增长时间，X₀₁是X₁距离泄漏源的距离,L₁₂是监测点1和监测点2之间的顺风距离。

但是，公式中所述时间参数Δt₀是扩散波在泄漏点处的增长时间，该值在实际操作过程中是很难测定，因而暂时假设Δt₀＝0，则X₀₁的初步估计值为：

由图4增长时间随顺风距离的变化规律，可以看出，越接近泄漏源，增长时间越短。但在泄漏源处气体增长时间并不为零，所以假设增长时间为零，距离值将会被高估。比较上述两式，可以得到偏差距离S的计算表达为：

其物理意义是偏差距离S为在Δt₀＝0假设下和真实条件下的估计距离差别，该值通常为负值。则监测点1距离泄漏源的实际距离可以表述为：

若能得到S的值，则可以得到比较准确的泄漏源位置。通过对比可以发现S与式(1)中的剩余变量B是相同的，因而可以通过增长时间与顺风距离的关系提前确定偏差距离值。在本专利所述定位方法中，偏差距离S主要依赖于地形特征和大气条件，在常见的风速范围下(5且当地面粗糙高度z₀远小于监测高度h的时候m/s～8m/s)，偏离距离S基本保持稳定,(z₀/h≤0.5)，S的绝对值随着粗糙高度的增高而近似线性增大。所以在特定的地形环境和大气环境下，偏差距离S为一稳定值，利用该特性，确定了监测点1和监测点2处的增长时间参数，就可以容易得到泄漏源距离监测点1处的距离。

进一步，为了减小两监测点定位方法带来的误差，本发明提出三监测点定位方法，如图六，在随机三点定位条件下，从监测点X₁处到泄漏源X₀之间的距离由下式计算得到：

其中是由点X₁和X₂处扩散波估计得到的泄漏源离监测点1的初始估计距离；是由X₁和X₃处的扩散波得到的泄漏源离监测点1的初始估计距离；是由X₂和X₃扩散波得到的泄漏源离监测点3的初始估计距离；L₃₁是监测点3到监测点1之间的顺风方向相对距离。

Claims (3)

1.一种基于扩散波的近地表气体泄漏快速定位方法，其特征在于：按如下步骤实现：

1)通过模拟可以验证以下规律，扩散波的三个时间参数初始时间t₀、稳定时间t_s、增长时间Δt随着顺风距离的增加而线性增加，而在侧风和垂直方向上基本不变，并以此规律为前提；

2)由上述规律，提出两点定位方法：利用在沿泄漏源顺风方向两个位置X₁、X₂处监测到的扩散波变化，进行快速定位，其定位估计值包括监测点1处距离泄漏源的初始距离估计值X₀₁ ^*和偏差距离S两部分，监测点1距离泄漏源的距离

泄漏源初始距离估计X₀₁ ^*，是利用两个监测点之间的顺风距离L₁₂、两个监测点处分别监测到的增长时间Δt₁,Δt₂计算得到的，其计算公式为：

偏差距离S，与两监测点处顺风距离L₁₂，泄漏位置处扩散波的增长时间Δt₀，监测点1以及监测点2处的增长时间Δt₁,Δt₂相关，表达关系为：

为了减小定位误差，准确定位，提出三点定位方法：利用在沿泄漏源顺风方向随机三个位置X₁、X₂、X₃监测到的扩散波变化，从监测点X₁处到泄漏源X₀之间的距离由公式：得到；

X₁₂ ^*是由点X₁和X₂处的扩散波估计得到的泄漏源离监测点1的初始估计距离；X₁₃ ^*是由X₁和X₃处的扩散波得到的泄漏源离监测点1的初始估计距离；X₃₂ ^*是由X₂和X₃处的扩散波得到的泄漏源离监测点3的初始估计距离；L₃₁是监测点3到监测点1之间的顺风方向相对距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于扩散波的近地表气体泄漏快速定位方法，其特征在于：所述增长时间Δt，是扩散波稳定时间t_s与初始时间t₀的差值，Δt＝t_s-t₀，其与顺风距离X的关系可以表达为：

Δt＝kX+b或

X＝KΔt+B

其中，参数k或者K是线形系数，而b或B为剩余变量。

3.根据权利要求1所述的一种基于扩散波的近地表气体泄漏快速定位方法，所述偏差距离S的特征在于，其物理意义是在Δt₀＝0假设下和真实条件下的距离差别，该值通常为负值，主要依赖于地形特征和大气条件，在常见的风速范围下(5m/s～8m/s)，偏离距离S基本保持稳定，且当粗糙高度z₀远小于监测高度h的时候(z₀/h≤0.5)，S的绝对值随着粗糙高度的增高而近似线性增大，在特定的地形环境和大气环境下，偏差距离S为一稳定值。