CN113280266A

CN113280266A - 一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法及系统

Info

Publication number: CN113280266A
Application number: CN202110688093.1A
Authority: CN
Inventors: 黄欣慧; 唐俊豪; 钱小雷
Original assignee: Shanghai Tianmai Energy Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Tianmai Energy Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2041-06-21
Also published as: CN113280266B

Abstract

本发明涉及一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统，所述城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统包括燃气站，调压箱，分支管道部以及控制器；其中，燃气站，调压箱，分支管道部之间通过燃气管道进行连接；调压箱包括调压器以及附加设备，调压器实现中低压管网中中低压燃气的压力控制，所述附加设备与控制器之间通讯连接，附加设备接收控制器发送的指令，从而实现对燃气管网施加附加的以时间为变量的特定函数构成的压力值的燃气附加脉冲。

Description

一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法及系统

技术领域

本发明涉及能源输送领域，具体涉及一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法及系统。

背景技术

随着城市化进程的推进，燃气管网的布设得到了普及，各级城市普遍搭建了自己的燃气管道系统。随着燃气管网布设的推进，判断和诊断城市燃气管网的堵塞情况对于燃气管网的管理来说是十分重要的。如果不能及时检测管道的堵塞情况并解决，不仅会影响用户的正常生活，还会带来安全隐患。城市燃气管网包括高中低压管路，高压管路通常作为城市周边环状主线，中低压管道通常作为庭院管道，一般起始于小区调压箱或者楼宇的调压箱出口至用户引入管，通常呈支状分布。低压管道由于布局更加复杂、出口更加接近用户，因此对于中低压管网堵塞进行准确的诊断和定位对于管线管理和用户使用来说都是十分重要的。

目前的中低压管网的堵塞诊断和定位最常用的方法是压力脉冲法,该方法是基于天然气管道不稳定流动过程中相关参数的变化规律,通过各种方法在管道中制造按当地声速传播的压力波，并监测压力波回波的返回时间、频率和/或幅度,利用回波所携带的信息对管道的内部状况进行计算,从而获取相关的堵塞信息。但是，现有技术存在以下不足：1)由于压力脉冲法需要经常性的高频开关阀门，因此如果多次使用其对于燃气管网本身也会造成一些损害。2)由于中低压管线往往作为小区内部的支状网线，每条网线的连通度相对较低，对于每一条管线均设置压力脉冲的检测流程，不仅设备复杂度会增加，而且还会提高整体系统的运算强度，造成设备的浪费和计算效率低下。3)由于中低管网中气体流动状态更容易受到压力脉冲的影响，造成的扰动更大；而且支状中低管网中各条管道的线路长度不同，上述因素均造成了对于提高中低管网堵塞诊断计算准确性的不利因素。

因此，需要提供一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法及系统，能够避免上述现有技术中的问题，在尽可能简化设备，提高计算效率的基础上，进一步提高城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术存在的以下不足：1)由于压力脉冲法需要经常性的高频开关阀门，因此如果多次使用其对于燃气管网本身也会造成一些损害。2)由于中低压管线往往作为小区内部的支状网线，每条网线的连通度相对较低，对于每一条管线均设置压力脉冲的检测流程，不仅设备复杂度会增加，而且还会提高整体系统的运算强度，造成设备的浪费和计算效率低下。3)由于中低管网中气体流动状态更容易受到压力脉冲的影响，造成的扰动更大；而且支状中低管网中各条管道的线路长度不同，上述因素均造成了对于提高中低管网堵塞诊断计算准确性的不利因素。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统，所述城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统包括燃气站，调压箱，分支管道部以及控制器；其中，燃气站，调压箱，分支管道部之间通过燃气管道进行连接；调压箱包括调压器以及附加设备，调压器实现中低压管网中中低压燃气的压力控制，所述附加设备与控制器之间通讯连接，附加设备接收控制器发送的指令，从而实现对燃气管网施加附加的以时间为变量的特定函数构成的压力值的燃气附加脉冲；控制器用于定时或按照预设阈值激发模式控制附加设备进行燃气附加脉冲的施加、收集带有流量检测功能的阀门所测量的流量信息和/或通过上述数据诊断和定位管道堵塞。

具体的，该中低压燃气的压力可以为0.01-0.4MPa。

具体的，分支管道部包括多个分支管道。

具体的，每个分支管道的长度不同。

具体的，在分支管道部的每个分支管道的末端是燃气表。

具体的，在燃气表和附加设备向燃气管网施加燃气附加脉冲的位置之间设置了带有流量检测功能的阀门。

一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法，该方法基于所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统。

具体的，该方法包括定位至少一个存在堵塞可能性的分支管道和确认存在堵塞的管道并判断堵塞位置的两个步骤。

具体的，附加设备向燃气管道施加燃气附加脉冲的时间跨度为T，T取值范围为3-5秒。

具体的，燃气附加脉冲的幅值u可以表示为函数u＝f(t0)，其中t0表示燃气附加脉冲施加的时间变量，u＝f(t0)＝ksin(ωt0)，其中k为幅度参数，ω为频率参数。

本申请提供的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统具有以下有益效果：

1)通过在分支管路分支之前，施加总的附加脉冲信号，并在支路末端收集多个流量函数，进行分析。解决了对于每一条管线均设置压力脉冲的检测流程，增加设备复杂度和计算量的问题。

2)通过傅里叶变换将流量的时域函数变换为频域函数并通过平均频域函数中高强度信号的筛选，能够将由于施加燃气附加脉冲后在管道末端的阀门处造成明显变化的信号过滤出来，避免了较为复杂的计算，能够提高计算的效率。

3)本申请通过在流量-时间函数中引入了管长和涡流的补偿参数，降低了由于管长区别和涡流干扰造成的误差，提高了计算的准确度。

4)在尽可能简化设备，提高计算效率的基础上，进一步提高城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位的准确性。

附图说明

图1为本申请提供的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用一方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本申请提供的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法，基于本申请提供的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统。所述城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统包括燃气站1，调压箱2，分支管道部3以及控制器4。其中，燃气站1，调压箱2，分支管道部3之间通过燃气管道进行连接。

调压箱2包括调压器2-1以及附加设备2-2，调压器2-1实现中低压管网中中低压燃气的压力控制，例如该中低压燃气的压力可以为0.1-0.4MPa，例如可以为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa。所述附加设备2-2与控制器4之间通讯连接，附加设备2-2接收控制器4发送的指令，从而实现对燃气管网施加附加的以时间为变量的特定函数构成的压力值的燃气附加脉冲。

具体的，附加设备2-2向燃气管网施加燃气附加脉冲的时间可以为特定检测周期，例如每24小时一次，或每12小时一次。作为可以换的实施例，附加设备2-2向燃气管网施加燃气附加脉冲的时间也可以通过控制器4检测分支管道部3中每个分支管道3-1、3-2、……、3-i上设置的带有流量检测功能的电磁阀门所检测到的流量值低于特定阈值时(例如：低于正常或平均流量的60％时)，通过控制器驱动附加设备2-2向燃气管网施加燃气附加脉冲。

附加设备2-2向燃气管道施加燃气附加脉冲的时间持续的总跨度为T，优选的T＝3-5秒，如果T过大容易在管道中造成流体的反复震荡，而如果T过小则造成采样数据过少，容易造成误差。

分支管道部3包括多个分支管道3-1、3-2、3-3、3-4、……、3-i。图1中为了展示方便，将每个分支管道的长度展示为长度相同，而实际连接中每个分支管道的长度根据入户需要均不相同，每个分支管道的长度为L1、L2、L3、L4、……、Li。在分支管道部3的每个分支管道3-1、3-2、3-3、3-4、……、3-i的末端是燃气表，在燃气表和附加设备2-2向燃气管网施加燃气附加脉冲的位置之间设置了带有流量检测功能的阀门，例如可以为带有流量检测功能的电磁阀门，一方面可以起到控制分支管道的开闭的作用，另一方面用于实现精确定位检测，具体检测方法在下文中进行详细的描述。

控制器4用于定时(特定检测周期，例如每24小时一次，或每12小时一次)或按照预设阈值激发模式(通过控制器4检测分支管道部3中每个分支管道3-1、3-2、……、3-i上设置的带有流量检测功能的电磁阀门所检测到的流量值低于特定阈值时，通过控制器驱动附加设备2-2向燃气管网施加燃气附加脉冲)控制附加设备2-2进行燃气附加脉冲的施加、收集带有流量检测功能的阀门所测量的流量信息和/或通过上述数据诊断和定位管道堵塞，该数据诊断和定位管道堵塞包括粗定位(即定位至少一个存在堵塞可能性的分支管道)和再次定位(即确认存在堵塞的管道并判断堵塞位置)，上述流量信息为经过带有流量检测功能的阀门的燃气流量和时间的关系信息，即燃气流量-时间的波形信息，上述波形信息中包括了实时的流量幅值。控制器4通过上述燃气流量和时间的关系信息。具体检测定位方法在下文中进行详细的描述。

基于上述城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统，本申请还提供了一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法。具体包括以下步骤：

步骤1、通过控制器4判断是否达到特定条件，如果到达特定条件，则通过控制器4向调压箱2的附加设备2-2发送驱动信号，从而驱动附加设备2-2向调压箱2和分支管道部3的每个分支管道3-1、3-2、3-3、3-4、……、3-i的分路节点o之间施加燃气附加脉冲，同时调压箱2的调压器2-1保持调压箱2和分支管道部3的每个分支管道3-1、3-2、3-3、3-4、……、3-i的分路节点o之间的中低压的基本燃气压力该中低压燃气的压力可以为0.01-0.4MPa，例如可以为0.01MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa；如果没有达到特定条件，则继续等待。

其中，所述特定条件可以为固定周期/频率条件，即特定时间周期内检测一次，例如：每24小时一次，或每12小时一次。上述特定条件还可以为达到预设阈值激发条件，即附加设备2-2向燃气管网施加燃气附加脉冲的时间也可以通过控制器4检测分支管道部3中每个分支管道3-1、3-2、……、3-i上设置的带有流量检测功能的电磁阀门所检测到的流量值低于特定阈值时(例如：低于正常或平均流量的60％时)，通过控制器驱动附加设备2-2向燃气管网施加燃气附加脉冲。

上述燃气附加脉冲的幅值u可以表示为函数u＝f(t0)，其中t0表示燃气附加脉冲施加的时间变量，优选的u＝f(t0)＝ksin(ωt0)，其中k为幅度参数，ω为频率参数。t0时间跨度为T，T＝3-5秒，即脉冲波发射的时间长度不超过T，T＝3-5秒。如果T过大容易在管道中造成流体的反复震荡，而如果T过小则造成采样数据过少，容易造成误差。通过k和ω的设置，使得在时间跨度T内，形成5-8个正弦脉冲周期，正弦脉冲的幅值为3-4倍的基本燃气压力。

步骤2、通过控制器4接受分支管道部3中每个分支管道3-1、3-2、……、3-i上设置的带有流量检测功能的电磁阀门所检测到的分支末端流量，并且计算拟合分支末端流量和时间构成的i个拟合函数v_i＝g_i(t1)，其中t1表示燃气附加脉冲施加开始计时后计算的时间变量，v_i表示每个分支管道3-1、3-2、……、3-i上设置的带有流量检测功能的电磁阀门所检测到的分支末端流量。

步骤3、利用控制器4，通过涉及分支管道部3中每个分支管道3-1、3-2、……、3-i的管长和涡流的i个补偿参数分别对于i个拟合函数v_i＝g_i(t1)进行补偿，补偿后的拟合函数v_ic＝g’_i(t1)，具体的：

其中M_i(t1)为每个分支管道3-1、3-2、……、3-i的补偿函数，其中t1为燃气附加脉冲施加开始计时后的时间，P_i(t1)为基于Li的第一补偿分量，S_i为每个分支管道3-1、3-2、……、3-i的横截面积，W_i(t1)为考虑了涡流效应的第二补偿分量。其中∈的定义为：

其中，k为燃气附加脉冲的幅度参数，ω为燃气附加脉冲的频率参数，v’为涡流流阻，

为经验常数，取值为0.39-0.74，

为每个分支管道长度L1、L2、L3、L4、……、Li的算术平均值，L_i为当前计算的分支管道的长度,T为燃气附加脉冲施加的时间跨度。

补偿后的拟合函数v_ic＝g’_i(t1)具体为：

本申请通过在流量-时间函数中引入了管长和涡流的补偿参数，降低了由于管长区别和涡流干扰造成的误差，提高了计算的准确度。

步骤4、对补偿后的拟合函数v_ic＝g’_i(t1)进行傅里叶FFT变换，得到频域函数F_i＝FFT(v_ic)。

步骤5、利用控制器4，通过检测频域函数F_i＝FFT(v_ic)是否存在超过阈值的高强度频率f_high信号，来判断该条支路管道是否存在堵塞风险。具体包括：

1)利用控制器4，计算平均频域函数

并确定高强度频率f_high：

对i个分支管道的频域函数F_i，进行F1，F2，……，Fi取算术平均值得到平均频域函数

该平均频域函数

曲线上的点，均可以表示在频率-信号强度构成的X-Y坐标中，基于平均频域函数

计算平均频域函数中所有频率强度超过频域函数最大强度1/2的频率即高强度频率f_high，在频域函数中高强度频率f_high表示了频域函数信号中流量变化率比较大的部分信号，即由于施加燃气附加脉冲后在管道末端的阀门处造成明显变化的信号。

2)利用控制器4，计算i个支路的频域函数F_i＝FFT(v_ic)在对应高强度频率f_high频率上是否存在超阈值情况：

计算所有i个支路的频域函数F_i＝FFT(v_ic)在对应高强度频率f_high整体频率范围内的信号响度平均值，即将所有支路上的所有高强度频率f_high的强度信号取算术平均值，得到

当每个支路的频域函数具有以下情况时，

(其中

是所有支路上的所有高强度频率f_high的强度信号取算术平均值，I_i-high是i条支路中每一个支路中对应于高强度频率f_high的信号强度)，控制器4判断存在超阈值情况，否则控制器4判断不存在超阈值情况。相应的，如果某条支路存在超阈值情况，控制器4判断判断该条支路管道存在堵塞风险，如果某条支路不存在超阈值情况，控制器4判断判断该条支路管道不存在堵塞风险。

通过傅里叶变换将流量的时域函数变换为频域函数并通过平均频域函数中高强度信号的筛选，能够将由于施加燃气附加脉冲后在管道末端的阀门处造成明显变化的信号过滤出来，避免了较为复杂的计算，能够提高计算的效率。

步骤6，针对步骤5中，确定的存在堵塞风险的支路，进一步确定堵塞的管路和堵塞的位置。

针对步骤5中，确定的存在堵塞风险的支路，控制器4驱动相应管道末端的带有流量检测功能的电磁阀门，进行瞬时关闭-开启动作。由于支路管道的持续稳态供气，进行相应管道末端的带有流量检测功能的电磁阀门的瞬时关闭-开启动作，会使得气体流量遇到关闭的阀门后，向上游传递能量压力，即压力波。当上述压力波在管道中到达堵塞下游端(用户端),流动受阻则动能降低、势能增加导致该处压力升高,压力波以正压波的形式向阀门方向传播。此后，当上述压力波在管道中到达堵塞上游端(供气端)时，压力波进入未堵塞区,由于突然膨胀和速度的降低会形成一个负压波向管线下游端(阀门方向)传播。向阀门方向传播传递正压力波时，通过阀门流量计检测获得的流量-时间函数会出现向上的短暂波峰，而向阀门方向传播传递负压力波时，通过阀门流量计检测获得的流量-时间函数会出现向下的短暂波谷。

通过控制器4检测每个管路中是否出现上述的流量-时间函数的波峰和波谷现象，如果没有出现上述的流量-时间函数的波峰和波谷现象，则控制器4判断该管路不存在堵塞现象。如果出现上述的流量-时间函数的波峰和波谷现象，则控制器4判断该管路存在堵塞现象。

并且进一步，通过上述流量-时间函数的波峰和波谷的极值出现的时间t_p和t_v计算堵塞的起始点和结束点，具体为X_start＝Ct_p/2，L_d＝C(t_p-t_v)/2。其中，X_start为堵塞距离阀门的距离，L_d为堵塞长度。

本申请提供的为本申请提供的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法和系统有以下有益效果：

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统，其特征在于：所述城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统包括燃气站，调压箱，分支管道部以及控制器；其中，燃气站，调压箱，分支管道部之间通过燃气管道进行连接；调压箱包括调压器以及附加设备，调压器实现中低压管网中中低压燃气的压力控制，所述附加设备与控制器之间通讯连接，附加设备接收控制器发送的指令，从而实现对燃气管网施加附加的以时间为变量的特定函数构成的压力值的燃气附加脉冲；控制器用于定时或按照预设阈值激发模式控制附加设备进行燃气附加脉冲的施加、收集带有流量检测功能的阀门所测量的流量信息和/或通过上述数据诊断和定位管道堵塞。

2.根据权利要求1所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统，其特征在于：该中低压燃气的压力可以为0.01-0.4MPa。

3.根据权利要求1所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统，其特征在于：分支管道部包括多个分支管道。

4.根据权利要求1所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统，其特征在于：每个分支管道的长度不同。

5.根据权利要求1所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统，其特征在于：在分支管道部的每个分支管道的末端是燃气表。

6.根据权利要求5所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统，其特征在于：在燃气表和附加设备向燃气管网施加燃气附加脉冲的位置之间设置了带有流量检测功能的阀门。

7.一种城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法，其特征在于：该方法基于权利要求1-6之一所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位系统。

8.根据权利要求7所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法，其特征在于：该方法包括定位至少一个存在堵塞可能性的分支管道和确认存在堵塞的管道并判断堵塞位置的两个步骤。

9.根据权利要求8所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法，其特征在于：附加设备向燃气管道施加燃气附加脉冲的时间跨度为T，T取值范围为3-5秒。

10.根据权利要求9所述的城市燃气中低压管网堵塞诊断和定位方法，其特征在于：燃气附加脉冲的幅值u可以表示为函数u＝f(t0)，其中t0表示燃气附加脉冲施加的时间变量，u＝f(t0)＝ksin(ωt0)，其中k为幅度参数，ω为频率参数。