CN112393125A - 一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测系统及方法，涉及燃气管网漏失检测的技术领域。所述检测系统包括瞬态反问题分析模型、指挥中心、巡检系统、报警系统、定位系统及处理系统，所述瞬态反问题分析模型导入指挥中心，指挥中心按照瞬态反问题分析模型指挥巡检系统，在漏失可能性高的区域巡检更为频繁；巡检系统检测到漏失点，反应至报警系统，报警系统结合定位系统指挥处理系统至漏失点，处理系统对漏失点进行处理。将漏失状况归于水力元件特性，为管网系统本身属性，应用水力瞬变流反问题分析理论进行参数识别，数值模拟漏失点和漏失量，用以指导实际燃气管网系统的漏失检测。
Description
技术领域
本发明涉及燃气管网漏失检测的技术领域，具体是一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测系统及方法。
背景技术
随着城市化进程的加速，城市燃气管道几乎分布于整个城市的地下，服务于国民生计。管网的安全服役是燃气运输的基础，燃气管网一旦泄漏，将会造成巨大的经济损失及人身伤害。然而，燃气泄露的隐蔽性，使得泄漏点的及时准确发现变得非常困难，尤其是微量渗漏发生时。城市燃气管道泄漏的检测在压力管道泄漏检测范畴之内。目前，泄漏检测方法和技术随着管道的建设的发展不断进步。然而，国内外对燃气管道泄漏的检测与定位研究得较少，大多为液体泄漏检测与定位方法。
燃气管道在投入运行后，因腐蚀，管道接口、密封材料老化，机械振动，安装质量不佳，管道热涨冷缩等原因，产生穿孔、裂缝或断裂造成燃气泄漏时有发生。根据统计资料，每年我国城市燃气管道共发生泄漏故障百余起，其中，有31.4％源于燃气管道腐蚀，33.7％源于外力破坏，成为诱导泄漏故障发生的主要原因。管道一旦发生泄漏，会造成巨大危害，管道内流动着的压力较高的可燃气体，在泄漏时若达到爆炸下限，遇到明火或者撞击，将会引发火灾甚至爆炸，造成不可估量的损失。泄漏后释放的气体将污染环境。因此，若不能及时发现泄漏并排查，任由燃气持续泄漏，将会造成巨大的经济损失。
目前国内外主要通过对支状管线水力工况的模拟和分析、开发各类支状管道运行软件和开发各类支状管道运行软件对管道泄漏检测定位进行研究，但目前尚未形成有效精确的用于支状管线泄漏检测定位的方法。国内针对燃气泄漏检测起步较晚，研究经验缺失，缺乏专业的测试技术的设备，搭建的测试平台，多为结构简单的直管道实验台，多以阀门或管道上直接开孔的形式来模拟泄漏过程，无法进行复杂管道运行工况的模拟，不能对现场管道真实状态进行还原。另一方面，由于信号检测技术和仪器的限制，数据采集系统不够完善，对管道突发泄漏状况的测定误差较大。目前，与世界先进管道泄漏检测水平相比，我国的管道泄漏检测水平还有较大差距。已检测的管道数量不足管道总量的10％，管道泄漏检测经验贫乏，同时检测造价十分昂贵，这些都导致我国在城市支状管线的泄漏检测定位方面的研究比较少，因此研究出一套适合我国城市燃气供应系统的泄漏检测及定位方法是十分必要的。
发明内容
为解决上述问题，即解决上述背景技术提出的问题，本发明提出了一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测系统及方法，具体技术方案如下：
一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测系统，所述检测系统包括瞬态反问题分析模型、指挥中心、巡检系统、报警系统、定位系统及处理系统，所述瞬态反问题分析模型导入指挥中心，指挥中心按照瞬态反问题分析模型指挥巡检系统，在漏失可能性高的区域巡检更为频繁；巡检系统检测到漏失点，反应至报警系统，报警系统结合定位系统指挥处理系统至漏失点，处理系统对漏失点进行处理。
一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测方法，所述方法包括以下步骤：
①将管网系统划分为若干个区域，以便进行区域性漏失模拟；
②建立区域性管网微观模型，重点包括对边界的处理，并在此基础上进行管网瞬变分析，编写模拟程序，以此预测实际管网系统的瞬态运行工况；
③分析燃气管网系统的各种边界条件，并寻求非稳态下复杂管网系统中摩阻系数的变化规律，建立燃气管网瞬变反问题分析模型，从而数值模拟实际管网的漏失点和漏失量；
④改进Levenberg-Marquardt(LM)算法，用于考虑多点漏失问题，提高求解多目标函数的精确性，克服求解复杂非线性问题时出现的局部收敛问题，同时，建立遗传算法求解模型，提高管网多点漏失定点定量数值模拟的精确性；
⑤完善现有实验条件，在实验室中建立燃气管网单点及多点漏失实验模型，以此校核所建立的瞬态反问题分析模型，并验证新算法的可行性；
⑥运用完善后的反问题分析模型进行实际中的燃气管网漏失检测。
进一步的，步骤③中竖直模拟过程如下：(1)通过可调控的“瞬变发生器”引入外部激励，采用管网中能提取的测压点响应值为相应；(2)构造有限数量的有效模式集合，既采用可压缩流体的连续性方程和运动方程作为联系激励和相应中间的烟花结构；(3)为确定漏失位置、漏失系数及粗糙度，采用优化算法通过全局寻优最小化压力的测量值与计算值中间的偏差对该类问题进行求解。
进一步的，步骤③中数值模拟实际管网的漏失点时采用基于压力敏感性模型的泄漏诊断法，根据系统不同位置的测量压力对系统泄漏时的敏感性进行泄漏诊断，模型如下：
敏感性分析过程为分整个管网最有可能的泄漏点的实际位置或者区域。该过程将余差向量m(k)和敏感性矩阵R(k)采用相关性函数进行对比分析，既公式(3)：
进一步的，公式(1)中m(k)代表余差向量，系统正常运行时各时刻k下的系统压力测量值
与(泄漏)时系统压力测量值
的差值，i表示系统设置的压力测点的个数；公式(2)为敏感性矩阵R(k)，每一列向量表示管网某单个节点出现标称泄漏时各测压点的压力测量值
与管网无泄漏时各测压点
的余差。从模型的角度而言，管网所有可能的泄漏点所可以构成泄漏阵列F＝{f1,f2,f3…，fj},因此压力敏感性矩阵R(k)的列数j等于管网所有可能的泄漏点数，行数i为管网设定的压力检测点数；计算m(k)和R(k)的每一列的相关函数，得到k时刻最大的相关函数值ρ所对应的可能泄漏点为出现泄漏的可能性最大位置。
本发明的有益技术效果为：将漏失状况归于水力元件特性，为管网系统本身属性，应用水力瞬变流反问题分析理论进行参数识别，数值模拟漏失点和漏失量，用以指导实际燃气管网系统的漏失检测；应用水力瞬变反问题分析理论，数值模拟燃气管网漏失点及漏失量，是本项目的主要创新；针对我国复杂的燃气管网，提出适于瞬变分析的水力分区思想；改进瞬变流反问题分析模型，同时模拟管壁粗糙度，提高管网漏失数值模拟的准确性。
附图说明
图1为本发明的技术路线流程图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测系统，所述检测系统包括瞬态反问题分析模型、指挥中心、巡检系统、报警系统、定位系统及处理系统，所述瞬态反问题分析模型导入指挥中心，指挥中心按照瞬态反问题分析模型指挥巡检系统，在漏失可能性高的区域巡检更为频繁；巡检系统检测到漏失点，反应至报警系统，报警系统结合定位系统指挥处理系统至漏失点，处理系统对漏失点进行处理。
一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测方法，所述方法包括以下步骤：
①将管网系统划分为若干个区域，以便进行区域性漏失模拟；
②建立区域性管网微观模型，重点包括对边界的处理，并在此基础上进行管网瞬变分析，编写模拟程序，以此预测实际管网系统的瞬态运行工况；
③分析燃气管网系统的各种边界条件，并寻求非稳态下复杂管网系统中摩阻系数的变化规律，建立燃网瞬变反问题分析模型，从而数值模拟实际管网的漏失点和漏失量；
④改进Levenberg-Marquardt(LM)算法，用于考虑多点漏失问题，提高求解多目标函数的精确性，克服求解复杂非线性问题时出现的局部收敛问题，同时，建立遗传算法求解模型，提高管网多点漏失定点定量数值模拟的精确性；
⑤完善现有实验条件，在实验室中建立燃气管网单点及多点漏失实验模型，以此校核所建立的瞬态反问题分析模型，并验证新算法的可行性；
⑥运用完善后的反问题分析模型进行实际中的燃气管网漏失检测。
步骤③中竖直模拟过程如下：(1)通过可调控的“瞬变发生器”引入外部激励，采用管网中能提取的测压点响应值为相应；(2)构造有限数量的有效模式集合，既采用可压缩流体的连续性方程和运动方程作为联系激励和相应中间的烟花结构；(3)为确定漏失位置、漏失系数及粗糙度，采用优化算法通过全局寻优最小化压力的测量值与计算值中间的偏差对该类问题进行求解。
步骤③中数值模拟实际管网的漏失点时采用基于压力敏感性模型的泄漏诊断法，根据系统不同位置的测量压力对系统泄漏时的敏感性进行泄漏诊断，模型如下：
敏感性分析过程为分整个管网最有可能的泄漏点的实际位置或者区域。该过程将余差向量m(k)和敏感性矩阵R(k)采用相关性函数进行对比分析，既公式(3)：
公式(1)中m(k)代表余差向量，系统正常运行时各时刻k下的系统压力测量值
与(泄漏)时系统压力测量值
的差值，i表示系统设置的压力测点的个数；公式(2)为敏感性矩阵R(k)，每一列向量表示管网某单个节点出现标称泄漏时各测压点的压力测量值
与管网无泄漏时各测压点
的余差。从模型的角度而言，管网所有可能的泄漏点所可以构成泄漏阵列F＝{f1,f2,f3…，fj},因此压力敏感性矩阵R(k)的列数j等于管网所有可能的泄漏点数，行数i为管网设定的压力检测点数；计算m(k)和R(k)的每一列的相关函数，得到k时刻最大的相关函数值ρ所对应的可能泄漏点为出现泄漏的可能性最大位置。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测系统，其特征在于：所述检测系统包括瞬态反问题分析模型、指挥中心、巡检系统、报警系统、定位系统及处理系统，所述瞬态反问题分析模型导入指挥中心，指挥中心按照瞬态反问题分析模型指挥巡检系统，在漏失可能性高的区域巡检更为频繁；巡检系统检测到漏失点，反应至报警系统，报警系统结合定位系统指挥处理系统至漏失点，处理系统对漏失点进行处理。
2.一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
①将管网系统划分为若干个区域，以便进行区域性漏失模拟；
②建立区域性管网微观模型，重点包括对边界的处理，并在此基础上进行管网瞬变分析，编写模拟程序，以此预测实际管网系统的瞬态运行工况；
③分析燃气管网系统的各种边界条件，并寻求非稳态下复杂管网系统中摩阻系数的变化规律，建立燃网瞬变反问题分析模型，从而数值模拟实际管网的漏失点和漏失量；
④改进Levenberg-Marquardt(LM)算法，用于考虑多点漏失问题，提高求解多目标函数的精确性，克服求解复杂非线性问题时出现的局部收敛问题，同时，建立遗传算法求解模型，提高管网多点漏失定点定量数值模拟的精确性；
⑤完善现有实验条件，在实验室中建立燃气管网单点及多点漏失实验模型，以此校核所建立的瞬态反问题分析模型，并验证新算法的可行性；
⑥运用完善后的反问题分析模型进行实际中的燃气管网漏失检测。
3.根据权利要求2所述的一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测方法，其特征在于：步骤③中数值模拟过程如下：(1)通过可调控的“瞬变发生器”引入外部激励，采用管网中能提取的测压点响应值为相应；(2)构造有限数量的有效模式集合，既采用可压缩流体的连续性方程和运动方程作为联系激励和相应中间的烟花结构；(3)为确定漏失位置、漏失系数及粗糙度，采用优化算法通过全局寻优最小化压力的测量值与计算值中间的偏差对该类问题进行求解。
4.根据权利要求2所述的一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测方法，其特征在于：步骤③中数值模拟实际管网的漏失点时采用基于压力敏感性模型的泄漏诊断法，根据系统不同位置的测量压力对系统泄漏时的敏感性进行泄漏诊断，模型如下：
敏感性分析过程为分整个管网最有可能的泄漏点的实际位置或者区域。该过程将余差向量m(k)和敏感性矩阵R(k)采用相关性函数进行对比分析，既公式(3)：
5.根据权利要求4所述的一种基于反问题分析的燃气管网漏失检测方法，其特征在于：公式(1)中m(k)代表余差向量，系统正常运行时各时刻k下的系统压力测量值
与(泄漏)时系统压力测量值
的差值，i表示系统设置的压力测点的个数；公式(2)为敏感性矩阵R(k)，每一列向量表示管网某单个节点出现标称泄漏时各测压点的压力测量值
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