CN110043806A - 基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法 - Google Patents

Abstract

基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法，本发明涉及定位燃气直埋管线泄漏点的方法。本发明的目的是为了解决现有燃气管线检测方法中，需要多次对直埋燃气管线开挖寻找泄漏点，造成较大人力物力和经济损失的问题。燃气直埋管线两点寻优溯源定位泄漏的方法过程为：步骤一、确定可能发生泄漏的目标管线；步骤二、对步骤一得到的可能发生泄漏的目标管线进行筛选，确定泄漏管线；步骤三、依次在泄漏管线上方地面，采用两点法钻孔开挖；步骤四、建立泄漏管线泄漏的浓度扩散数学模型并求解；步骤五、泄漏管线上逐步两点寻优，定位泄漏点。本发明用于定位燃气直埋管线泄漏点领域。

Description

基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法

技术领域

本发明涉及定位燃气直埋管线泄漏点的方法。

背景技术

城市直埋燃气管线是城市的生命线，在国民经济与工业生产中发挥着重要的作用。随着城市规模的不断扩大和人口的上升，城镇对天然气的需求日益增加，天然气管道规模也随之不断扩大，城市埋地管网越来越密集。但由于天然气管道在运行过程中，不可避免的存在自然老化腐蚀或人为损坏等因素，导致泄漏事故时有发生，而城市天然气管道由于主要敷设在人口密集区域，周边环境较为复杂，一旦发生泄漏、火灾、爆炸等事故，将会造成严重的人员伤亡和财产损失。据不完全统计，仅2019年1月国内燃气事故就有44起，共造成17人死亡，62人受伤。这些事故造成了重大的人员伤亡和经济损失，可见埋地燃气管线一旦发生泄漏，必须迅速找到泄漏点，这样避免危险事故的发生。

目前工程上常规检测手段以人工巡检方式为主，通过特定仪器检测甲烷等可燃性气体浓度来判定管道是否发生泄漏，然后在沿可能的泄漏管线，大规模、大面积开挖，以进一步寻找泄漏点，这不可避免的造成大量人力物力与时间的浪费和经济损失。

关于燃气管道泄漏检测的理论研究，目前较深入的研究成果是可以通过声波法、模型法甚至管道机器人来判断管道泄漏问题，但这些方法中，无一例外需要获得较多的管道内运行参数信息并且影响甚至破坏管道的正常运行，难以在工程实际中大规模的推广应用。

近期为了避免寻找直埋燃气管线泄漏点，进行大规模的开挖，CN 109030289 A提出一种燃气泄漏扩散范围预测方法，该方法根据目标区域内所有燃气管线获取目标燃气管线集，确定燃气扩散区域，对于所述目标燃气管线集中任一目标燃气管线，对应的燃气泄漏区域根据所述任一目标燃气管线的介质对应的燃气扩散距离确定。方法相似的是CN108692192 A，提供一种燃气管网相邻地下空间安全监测方法及系统，该方法基于周期性探测燃气管网相邻地下空间的气体参数信息，通过整合分析气体参数信息，获得目标气体类型基于燃气管网相邻地下空间的分布信息、气体参数信息及目标气体类型，实现基于燃气管网相邻地下空间对直埋燃气管线泄漏状况的监测。

虽然上述两专利不需要管道内传输参数信息，也不影响管道正常运行，仅是针对在特殊环境中检测到的天然气浓度，来判断燃气管线的泄漏，这比现有的需要燃气管内参数来实现泄漏检测前进了一大步，但由于仅是利用各种定性或地域分区间的划分，来实现逐渐减小区域，逐步递进试寻漏点的方法，这仍然需要多次对直埋燃气管线开挖，进而缩小范围以寻找泄漏点，而这必将还会造成较大人力物力与时间的浪费和经济损失。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有燃气管线检测方法中，需要多次对直埋燃气管线开挖寻找泄漏点，造成较大人力物力和经济损失的问题，而提出基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法。

基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法具体过程为：

步骤一、确定可能发生泄漏的目标管线；具体过程为：

在任意监测点监测到天然气浓度值C₀之后，以该监测点为中心，辐射扩散至最大扩散半径R，形成圆形区域，在形成的圆形区域内的所有燃气管线即为可能发生泄漏的目标管线；

步骤二、对步骤一得到的可能发生泄漏的目标管线进行筛选，确定泄漏管线；

步骤三、依次在泄漏管线上方地面，采用两点法钻孔开挖；

步骤四、建立泄漏管线泄漏的浓度扩散数学模型并求解；

步骤五、泄漏管线上逐步两点寻优，定位泄漏点。

本发明的有益效果为：

采用区间定位管线，能快速圈出可能泄漏的目标管线的最大区间；采用两点寻优溯源定位泄漏点，能准确确定出燃气管线泄漏点，这种定性和定量相互结合的燃气管线泄漏检测方法，可极大减少人力物力等经济损失和时间的浪费。

本发明提出一种城市基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法，采用区间定位管线和两点寻优溯源定位泄漏点相结合的方法，来实现直埋燃气管线的泄漏定位。

1.确定可能泄漏的目标管线

首先依据任意位置在土壤中监测到的天然气浓度，或者是任意检查井或窨井监测到天然气浓度，基于燃气管线在不同土壤中的渗漏特点，以天然气在土壤中最大扩散速度来估算，确定出天然气的最大泄漏扩散半径，以监测点为圆心，依据最大泄漏扩散半径，圈出圆周空间，得出圆形空间内的燃气管线均为可能的目标泄漏管线，管线与圆周空间的交点即为包括泄漏点在内的目标管线的两个端点，由于城市燃气管线环状布置，该种方法圈出的可能泄漏的目标管线，可能有一条、甚至两到三条，进而进行目标管线的筛选。

2.目标管线上两点钻孔位置的确定

沿可能泄漏的目标管线L上钻两孔，两钻孔距不少于1/4L，不大于1/2L，且两孔距两边端点不少于(1/4)L。这样既避免两孔过近，泄漏点会溢出，也保证了泄漏点在边缘区，也能在计算区间内。

3.两点寻优溯源定位的计算方法：

经过第1步判断，可以将浓度扩散路径限制于沿目标管线的一维空间，这样使解析求解浓度扩散成为可能。

依据第2步，沿目标管线钻两孔，形成一维计算空间的两个边界条件，这样使浓度扩散解析解的准确泄漏点的定量确定，成为可能。

方法为：建立天然气在土壤中沿管线方向一维浓度扩散分布模型，基于两孔所测的浓度值形成边界条件，确定天然气在土壤中扩散浓度的定量表达式。

建立两点寻优溯源的目标函数表达式，采用单纯形算法对目标函数进行迭代求解，直至精准确定泄漏位置。

综上本发明减少了定位所需的土壤钻孔数量，并能提高埋地燃气管线泄漏点定位的精度。解决了现有方法需要多次对直埋燃气管线开挖，进而缩小范围以寻找泄漏点，造成较大人力、物力、时间的浪费，以及经济损失的问题。

附图说明

图1为本发明确定可能发生泄漏的目标管线图；

图2为本发明长度为L的目标管线图；

图3为本发明目标管线的筛选程序框图；

图4为本发明天然气在土壤中的扩散分区图；

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法具体过程为：

本发明采用区间定性和准确定位相结合的新方法，来实现直埋燃气管线的泄漏定位。

首先依据土壤物性参数，计算天然气在不同土壤(砂质土、壤土、粘土)中的最大扩散速度，计算确定天然气最大泄漏半径，然后基于土壤中任意位置监测到的天然气浓度，或者任意检查井或窨井监测到天然气浓度，进而确定直埋管线距离监测点可能的天然气管线最远泄漏点两个端点，这样就完成了第一步，将可能的泄漏点定位于一定长度的燃气管线L管线内，下一步就是沿一维管线定点钻孔并利用浓度传感器，检测泄漏浓度值，采用优化算法确定泄漏点了。取管线上的两点钻孔，两钻孔间距的距离不少于1/4L，不大于1/2L。它是为了能同时减少定位所需的土壤钻孔数量并能够提高埋地燃气管线泄漏点定位的精度而提出的。

步骤一、确定可能发生泄漏的目标管线；具体过程为：

若在土壤中任意位置、任意检查井或窨井监测到泄漏的天然气浓度后，首先确定可能发生泄漏的目标管线。

方法是：在任意监测点监测到天然气浓度值C₀之后，以该监测点为中心，辐射扩散至最大扩散半径R，如图1所示，形成圆形区域，在形成的圆形区域内的所有燃气管线即为可能发生泄漏的目标管线；

步骤二、对步骤一得到的可能发生泄漏的目标管线进行筛选，确定泄漏管线；

步骤三、依次在泄漏管线上方地面，采用两点法钻孔开挖；

步骤四、建立泄漏管线泄漏的浓度扩散数学模型并求解；

步骤五、泄漏管线上逐步两点寻优，定位泄漏点。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中最大扩散半径R基于如下公式选取：

R＝vt

其中，t为泄漏源至监测点的扩散时间(估计值，以一昼夜24h进行计算)；v为泄漏天然气在土壤中的扩散速度。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二中对步骤一得到的可能发生泄漏的目标管线进行筛选，确定泄漏管线；具体过程为：

首先对圆内的可能发生泄漏的目标管线进行优先级排序，以与报警检查井或者报警监测点的距离为标准，距离从小到大排序，排序为：i,i+1，...，I；与监测点的距离小的目标管线优先进行钻孔开挖；距离监测点越近的可能发生泄漏的目标管线泄漏的可能性越大，优先进行钻孔开挖；

首先对目标管线i上方地面进行钻孔，使用便携式天然气浓度传感器对钻孔处的天然气浓度值进行监测；

若监测到天然气浓度，则初步判定该可能发生泄漏的目标管线为泄漏管线，执行步骤三；

若监测不到天然气浓度，则初步判定该可能发生泄漏的目标管线不是泄漏管线，此时对目标管线i+1上方地面进行钻孔，使用便携式天然气浓度传感器对钻孔处的天然气浓度值进行监测；(若监测到天然气浓度，则初步确定该可能发生泄漏的目标管线为泄漏管线，执行步骤三；若监测不到天然气浓度，则初步判定该可能发生泄漏的目标管线不是泄漏管线，此时对目标管线i+2上方地面进行钻孔)直至对圆内的可能发生泄漏的目标管线全部监测完；

则依据第五步进行漏点精准定位。筛选过程如程序框图3所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三中依次在泄漏管线上方地面，采用两点法钻孔开挖；具体过程为：

设泄漏管线长度为L，沿泄漏管线长度方向选取两点x₁和x₂，选法为：

泄漏管线上方两钻孔间距的距离不少于1/4L，不大于1/2L，且两孔距泄漏管线两边端点的距离不少于1/4L；

钻孔孔深至管线埋深位置。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述泄漏管线上方两钻孔间距的距离不少于1/4L，不大于1/2L，且两孔距可能发生泄漏的目标管线两边端点的距离不少于1/4L；表达式为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤四中建立泄漏管线泄漏的浓度扩散数学模型并求解；具体过程为：

考虑到天然气在土壤中扩散为非稳态扩散过程中，遵循菲克第二定律的扩散现象，在扩散到的位置x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。扩散系数D为与扩散物质浓度c无关的物性常数，且满足一堆扩散时，菲克第二定律的表达式如下：

其中，t为扩散时间(s)，D为扩散系数(m²/s)，x为扩散到的位置(距离泄漏源的扩散距离对应的位置)(m)，c为扩散物质浓度(m³/s)。

得到天然气沿管线长度一维方向的扩散解析解分布函数，进而建立目标函数，给出求解约束条件。

将泄漏管线中心作为坐标原点，假设泄漏源位于坐标原点处(即泄漏源位置已知)，通过计算拟合出天然气在土壤中沿管线的浓度分布满足高斯分布，即得到泄漏管线泄漏的浓度扩散数学模型：

式中，c为天然气在土壤中沿管线扩散浓度，单位为mg/m³；Q为泄漏源强度，kg/s；D为扩散系数，m²/s；x为天然气从泄漏孔扩散到土壤中的任意位置坐标，单位为m。

当泄漏源强度Q，泄漏源位置x₀均作为未知参数时，假设泄漏源位置为x₀，以x₀为坐标原点建立新的坐标系，则天然气沿管线在土壤中扩散的任意位置x'表示为

x′＝x-x₀ (2)

将(2)带入(1)，得出泄漏源在x₀处(泄漏源位置未知)时，天然气沿管线任一点的天然气浓度扩散数学模型，

式中，x₀为泄漏源位置坐标，单位为m。

求解天然气沿管线任一点的天然气浓度扩散数学模型C(Q,x)，得到扩散范围内沿泄漏管线各个位置的天然气理论浓度。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤五中泄漏管线上逐步两点寻优，定位泄漏点；具体过程为：

假定扩散范围内泄漏管线第j个测量位置的天然气理论浓度为相应第j个测量位置的天然气测量浓度值为通过不断调整泄漏源强度Q和x₀，使得天然气测量浓度与天然气理论浓度的平方和最小，即

则目标函数为

式中，N为泄漏管线测量位置总数；

采用单纯形算法优化目标函数，目标函数取最小值时对应的污染源位置坐标即为泄漏点。

进行钻孔位置的不断优化，进而确定泄漏位置及泄漏源强度。由于目标函数为泄漏源强度Q和污染源位置坐标x₀的二元函数，因而每次钻两个孔，进行不断优化，以达到最少的钻孔点最快速地进行精准溯源定位。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例具体是按照以下步骤制备的：

1.目标管线的确定

埋地燃气管道泄漏大多数为小孔泄漏，根据美国石油协会标准，小孔泄漏是指泄漏孔孔径在0～6.35mm之间，以最大值6.35mm为限值进行计算，通过查阅管线相关资料，获取目标燃气管线的管道压力(以城市中压燃气管线0.4MPa为例)、管径(DN100)等参数，据此计算泄漏最大扩散范围为R₀＝vt。

根据实测，泄漏的天然气在砂质土壤中扩散速度最快，在壤土中扩散速度次之，在粘土中扩散速度最慢，即v_沙质土＞v_壤土＞v_粘土。即可确定出最大扩散半径R₀，进而确定出圆内的所有可能的燃气泄漏的目标管线。

实验发现，天然气在土壤中的泄漏扩散经历泄漏口段喷射段该喷射段区域为以泄漏孔为中心的半径为2m的圆域，泄漏1h后天然气开始均速向周边土壤中匀速渗流如图4所示。不同土壤中的渗流速度如表1所示。

表1不同土壤中的渗流速度

以泄漏时间为24h计算，可以计算出最大扩散半径R₀

R₀＝vt+2＝5×10^-5×3600×24+2＝6.32m

这样，在窨井或者土壤中监测点的燃气浓度传感器开始报警后，以监测点为中心，以最大扩散半径6.32m为半径进行画圆，在圆内的所有燃气管线即为目标泄漏管线。

2.目标函数的确定

天然气在土壤中沿管线的浓度分布满足高斯分布，假设泄漏源位于坐标原点处，

式中，c(x)为扩散范围内点x在t时的浓度，mg/m³；Q为泄漏源强度，kg/s；D为扩散系数。

假定由扩散模型(即上式)得到的第i个测量位置的计算浓度为而为相应点的测量浓度值，通过不断调整源强Q使得测量浓度与计算浓度的平方和最小，即

式中，由式(4)得到，即

从而将泄漏源强的反问题转化为式(6)的最优化问题的求解，利用模式搜索算法逐步优化调整，使得所要求解的源强就是目标函数最小的Q。

当泄漏源强度Q，污染源位置x₀均作为未知参数时，假设泄漏源位置为x₀，以x₀为坐标为原点建立新的坐标系，则天然气沿管线在土壤中扩散的任意位置x'可表示为

x′＝x-x₀ (7)

从而右侧任一点的浓度值可以表示为

则目标函数为

通过不断地调整源强和源位置坐标，使得目标函数取值最小。

约束条件：在目标管道沿线，打两个孔，坐标分别为x₁和x₂,

求解方法：设目标泄漏管线的中点为坐标原点，设初始泄漏源位置为x₀，通过钻两个孔，可以得到坐标分别为x₁和x₂,相应地，可以得到对应的和将已知参数值带入目标函数minf(Q，x)，进行迭代计算。

3.优化算法

采用单纯形算法进行迭代求解：

单纯形算法利用给定单纯形的顶点函数值大小，确定最高点和最低点，通过一系列的反射、扩展、压缩等操作构成新的单纯形，不断逼近极小点从而最终寻找到最优解。

对单纯形顶点的函数值进行排序，使满足

其中n为变量的维数，k为迭代次数，f(x_i ^(k))为点i的函数值(i＝,2,..,n),为单纯形心的函数值。

假设反射、压缩和扩展系数为α，β，γ(均为常数)，反射、压缩和扩展操作分别为：

其中，

当满足下式时算法停止。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法，其特征在于：所述方法具体过程为：

步骤一、确定可能发生泄漏的目标管线；具体过程为：

在任意监测点监测到天然气浓度值C₀之后，以该监测点为中心，辐射扩散至最大扩散半径R，形成圆形区域，在形成的圆形区域内的所有燃气管线即为可能发生泄漏的目标管线；

步骤二、对步骤一得到的可能发生泄漏的目标管线进行筛选，确定泄漏管线；

步骤三、依次在泄漏管线上方地面，采用两点法钻孔开挖；

步骤四、建立泄漏管线泄漏的浓度扩散数学模型并求解；

步骤五、泄漏管线上逐步两点寻优，定位泄漏点。

2.根据权利要求1所述基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法，其特征在于：所述步骤一中最大扩散半径R基于如下公式选取：

R＝vt

其中，t为泄漏源至监测点的扩散时间；v为泄漏天然气在土壤中的扩散速度。

3.根据权利要求1或2所述基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法，其特征在于：所述步骤二中对步骤一得到的可能发生泄漏的目标管线进行筛选，确定泄漏管线；具体过程为：

首先对圆内的可能发生泄漏的目标管线进行优先级排序，以与监测点的距离为标准，距离从小到大排序，排序为：i,i+1，...，I；与监测点的距离小的目标管线优先进行钻孔开挖；

首先对目标管线i上方地面进行钻孔，使用便携式天然气浓度传感器对钻孔处的天然气浓度值进行监测；

若监测到天然气浓度，则初步判定该可能发生泄漏的目标管线为泄漏管线，执行步骤三；

若监测不到天然气浓度，则初步判定该可能发生泄漏的目标管线不是泄漏管线，此时对目标管线i+1上方地面进行钻孔，使用便携式天然气浓度传感器对钻孔处的天然气浓度值进行监测；直至对圆内的可能发生泄漏的目标管线全部监测完。

4.根据权利要求3所述基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法，其特征在于：所述步骤三中依次在泄漏管线上方地面，采用两点法钻孔开挖；具体过程为：

设泄漏管线长度为L，沿泄漏管线长度方向选取两点x₁和x₂，选法为：

泄漏管线上方两钻孔间距的距离不少于1/4L，不大于1/2L，且两孔距泄漏管线两边端点的距离不少于1/4L；

钻孔孔深至管线埋深位置。

5.根据权利要求4所述基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法，其特征在于：所述泄漏管线上方两钻孔间距的距离不少于1/4L，不大于1/2L，且两孔距可能发生泄漏的目标管线两边端点的距离不少于1/4L；表达式为：

6.根据权利要求5所述基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法，其特征在于：所述步骤四中建立泄漏管线泄漏的浓度扩散数学模型并求解；具体过程为：

将泄漏管线中心作为坐标原点，假设泄漏源位于坐标原点处，通过计算拟合出天然气在土壤中沿管线的浓度分布满足高斯分布，即得到泄漏管线泄漏的浓度扩散数学模型：

式中，c为天然气在土壤中沿管线扩散浓度，单位为mg/m³；Q为泄漏源强度，kg/s；D为扩散系数，m²/s；x为天然气从泄漏孔扩散到土壤中的任意位置坐标，单位为m；

当泄漏源强度Q，泄漏源位置x₀均作为未知参数时，假设泄漏源位置为x₀，以x₀为坐标原点建立新的坐标系，则天然气沿管线在土壤中扩散的任意位置x'表示为

x’＝x-x₀ (2)

将(2)带入(1)，得出泄漏源在x₀处时，天然气沿管线任一点的天然气浓度扩散数学模型，

式中，x₀为泄漏源位置坐标，单位为m；

求解天然气沿管线任一点的天然气浓度扩散数学模型c(Q,x)，得到扩散范围内沿泄漏管线各个位置的天然气理论浓度。

7.根据权利要求6所述基于两点寻优溯源定位燃气直埋管线泄漏点的方法，其特征在于：所述步骤五中泄漏管线上逐步两点寻优，定位泄漏点；具体过程为：

假定扩散范围内泄漏管线第j个测量位置的天然气理论浓度为相应第j个测量位置的天然气测量浓度值为通过不断调整泄漏源强度Q和x₀，使得天然气测量浓度与天然气理论浓度的平方和最小，即

则目标函数为

式中，N为泄漏管线测量位置总数；

采用单纯形算法优化目标函数，目标函数取最小值时对应的污染源位置坐标即为泄漏点。