CN114811448B - 一种流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法，其方法步骤如下：S1：利用质量守恒和动量守恒方程对管道进行时空模型建立；S2：设计自适应状态观测器；S3：通过实时测量值计算泄露点的位置，首先运用自适应控制的思想，将泄露点的流速和位置视为基于一组双耦合的双曲线型偏微分方程的自适应观测器中的未知参数，运用了反步变换法将系统动态参数转移，泄露量作为扰动进入到边界条件中，使该系统独立于泄露点的位置，即与系统输出与泄露点无关，因此无论是在静止还是瞬态的情况下，无论泄漏发生在何处或如何分布，都可以进行泄漏检测并估计其大小，本发明不局限于单纯的检测，还能估计泄露点的流速和定位泄露的位置。

Description

一种流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的 方法

技术领域

本发明涉及输送管道泄露检测技术领域，具体是一种流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法。

背景技术

随着管道运输行业的蓬勃发展,运输管道的安全隐患问题日益严重,管道的安全运营问题也引起了人们的广泛重视，例如，石油是众多工业的基础，是一个国家的能源命脉，对于石油的管道运输，管道泄露不但会造成环境破坏，还会产生济损失，严重可能会影响国家安全，对于农业，水灌溉渠道中的泄漏检测，工业上油井钻井作业中的井涌或损失检测也十分重要。目前检测技术可分为硬件和软件两大类，硬件检测技术依赖于管道沿线安装的物理设备，对于线路较短的管道还尚可，一旦到了远距离输送管道的场合，随着物理设备的增加，整个检测系统的可靠性下降，且检修人员雇佣及设备维护更换使得成本剧增，而软件检测技术适用于仪表有限的情况，仅在管道入口和出口处利用仪表进行管道流量和压力的测量。软件检测技术又可分为两类，一种是将管道作黑匣子处理，对测量值进行统计分析。质量或体积平衡检测技术是以质量守恒原理为基础的，输入和输出气体质量或体积之间的不平衡可以发现泄漏的存在，可利用现有管道设备测量，优点是成本相对较低，然而，平衡技术在瞬时方面表现较差，如果发生了小的泄漏，需要较长时间才能检测到，实时暂态建模技术实时性好，缺点是价格昂贵，因为它需要大量的仪器来实时收集数据，使用的模型很复杂，因此对使用者有较高的要求。

目前对于输送管道泄露检测的方法还是具有颇多局限性，有待进一步改进，为此，我们提出一种流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法对其进行优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法，其方法步骤如下：

S1：利用质量守恒和动量守恒方程对管道进行模型建立；

S2：设计自适应状态观测器；

S3：通过实时测量值计算泄露点的位置。

作为本发明进一步的方案：所述S1中，长度为L的管道内单相流体流动的一维质量守恒和动量守恒方程为：

f₀(0,t)＝f₀(t),p(τ,t)＝p_τ(t) (3)

其中τ∈[0,L]，时间t≥0，p(τ,t)为压力，f(τ,t)为体积流量，α为流体的体积模量，ρ为流体的密度，S为管道的横截面面积，F为摩擦因数，g为重力加速度，θ(τ)为管道在τ位置的倾斜角,下标表示偏导数。式(1)和(2)中的最后一项描述了泄漏，其中ψ是管道上的总泄漏大小，φ(τ)将泄漏分布定义为τ的函数。

管道入口和出口处的流量和压力是唯一可用的测量值。它们分别表示为f₀(t)、p₀(t)、f_L(t)和p_L(t)。

f(0,t)＝f₀(t),p(L,t)＝p_L(t) (8)

通过坐标变换式，将式(1)～(3)物理模型映射得到以下管道模型。

其中

作为本发明再进一步的方案：所述S2中，设计系统观测器，进行管道的泄漏检测和泄漏量大小的估计，由上述的管道模型(9)得到观测器

其中，G为输出校正增益，f_i和p_o为任意常数用于调整原点位置，且

观测器增益为

其中K为中间变量。

作为本发明再进一步的方案：所述S3中，制定管道泄露位置的定位方法。

假设在位置τ^*∈(0,L)处存在一个泄漏点，选择任意Γ>0，使得(τ^*-Γ,τ^*+Γ)∈(0,L)，由式(4)和(5)得到泄露点的位置的上界为

泄露点的位置的下界为

综上，泄露点观测值由于Γ是任意的，当即可以推断出泄露点的位置。

以此类推，当出现两个泄露点，且它出现在处时，泄漏点的尺寸分别为ψ₁>0和ψ₂>0，我们得到，当t→∞时，泄露点的位置为

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明多次化繁为简，首先运用自适应控制的思想，将泄露点的流速和位置视为基于一组双耦合的双曲线型偏微分方程的自适应观测器中的未知参数，对于管道的泄露检测，运用了反步变换法将系统动态参数转移，泄露量作为扰动进入到边界条件中，使该系统独立于泄露点的位置，即与系统输出与泄露点无关，因此无论是在静止还是瞬态的情况下，无论泄漏发生在何处或如何分布(单个或多个泄漏)，都可以进行泄漏检测并估计其大小，(静止情况下，泄漏量仅仅等于流入减去流出)，本发明不局限于单纯的检测，还能估计泄露点的流速和定位泄露的位置。

附图说明

图1为流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法中发生泄露的管道示意图。

图2为流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法中泄露点流速和位置的实际值与检测值比较示意图。

图3为流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法中为泄露点位置的实际值与检测值比较示意图。

图4为流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法中系统状态估计误差示意图。

图5为流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法中的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～5，本发明实施例中，一种流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法，其方法步骤如下：

S1：利用质量守恒和动量守恒方程对管道进行模型建立；

S2：设计自适应状态观测器；

S3：通过实时测量值计算泄露点的位置。

所述S1中，长度为L的管道内单相流体流动的一维质量守恒和动量守恒方程为：

f₀(0,t)＝f₀(t),p(τ,t)＝p_τ(t) (3)

其中τ∈[0,L]，时间t≥0，p(τ,t)为压力，f(τ,t)为体积流量，α为流体的体积模量，ρ为流体的密度，S为管道的横截面面积，F为摩擦因数，g为重力加速度，θ(τ)为管道在τ位置的倾斜角,下标表示偏导数。式(1)和(2)中的最后一项描述了泄漏，其中ψ是管道上的总泄漏大小，φ(τ)将泄漏分布定义为τ的函数。

管道入口和出口处的流量和压力是唯一可用的测量值。它们分别表示为f₀(t)、p₀(t)、f_L(t)和p_L(t)。

f(0,t)＝f₀(t),p(L,t)＝p_L(t) (8)

通过坐标变换式，将式(1)～(3)物理模型映射得到以下管道模型。

其中

所述S2中，设计系统观测器，进行管道的泄漏检测和泄漏量大小的估计，由上述的管道模型(9)得到观测器

其中，G为输出注入增益，f_i和p_o为任意常数用于调整原点位置，且

观测器的增益为

其中K为中间变量。

所述S3中，制定管道泄露位置的定位方法。

假设在位置τ^*∈(0,L)处存在一个泄漏点，选择任意Γ>0，使得(τ^*-Γ,τ^*+Γ)∈(0,L)，由式(4)和(5)得到泄露点的位置的上界为

泄露点的位置的下界为

综上，泄露点观测值由于Γ是任意的，当即可以推断出泄露点的位置。

以此类推，当出现两个泄露点，且它出现在处时，泄漏点的尺寸分别为ψ₁>0和ψ₂>0，我们得到，当t→∞时，泄露点的位置为

本发明设计了一种由自适应观测器组成的泄漏检测系统，该观测器基于一组控制流体动力学的两个耦合的一维双曲偏微分方程组，收敛性表明，泄漏大小估计问题可以独立于泄漏沿管道的分布来解决，这是获取泄漏位置的简单估计方案的关键，仿真演示了系统检测、量化和定位泄漏的能力。

实施例1

通过模拟了一个真实尺寸的供水管道，在200个节点的均匀网格上使用一阶有限差分进行空间离散化，并用MATLAB的ode45求解器进行时间积分，对无限维观测方程进行了模拟。

利用质量守恒和动量守恒方程对管道进行模型建立；

长度为L的管道内单相流体流动的一维质量守恒和动量守恒方程为

f₀(0,t)＝f₀(t),p(τ,t)＝p_τ(t) (3)

其中τ∈[0,L]，时间t≥0，p(τ,t)为压力，f(τ,t)为体积流量，α为流体的体积模量，ρ为流体的密度，S为管道的横截面面积，F为摩擦因数，g为重力加速度，θ(τ)为管道在τ位置的倾斜角,下标表示偏导数。式(1)和(2)中的最后一项描述了泄漏，其中ψ是管道上的总泄漏大小，φ(τ)将泄漏分布定义为τ的函数。

管道入口和出口处的流量和压力是唯一可用的测量值。它们分别表示为f₀(t)、p₀(t、f_L(t)和p_L(t)。

f(0,t)＝f₀(t),p(L,t)＝p_L(t) (8)

通过坐标变换式，将式(1)～(3)物理模型映射得到以下管道模型。

其中

步骤二，设计系统观测器，进行管道的泄漏检测和泄漏量大小的估计

由上述的管道模型(9)得到观测器

其中，G为输出注入增益，f_i和p_o为任意常数用于调整原点位置，且

观测器增益为

其中K为中间变量。

步骤三，制定管道泄露位置的定位方法。

假设在位置τ^*∈(0,L)处存在一个泄漏点，选择任意Γ>0，使得(τ^*-Γ,τ^*+Γ)∈(0,L)，由式(4)和(5)得到泄露点的位置的上界为

泄露点的位置的下界为

综上，泄露点观测值由于Γ是任意的，当/>即可以推断出泄露点的位置。

设管道长24公里，内径1.1米。进口流量和出口压力设置为变化量，以在管道中创造瞬时条件。

图1为泄露点流速和位置的实际值与检测值比较示意图，其中实线为估计值，虚线为实际值，观测器正常运行一段时间，无发生任何泄露，状态估计收敛到它们的真实值。

在第1分钟时刻，距离管道入口15公里处发生流速为20升/秒的点泄漏。

在第4分钟时刻，第二次泄漏发生在距离管道进口4公里处，泄露流速为30升/秒，使总泄漏流速达到50升/秒。

第7分钟后，第一个泄露点被修复。图1可以显示看见对泄漏流速的估计是非常迅速的。

图2显示，当出现单点泄漏时(t＝4和t＝7时刻)，位置估计正确，当有两个泄漏点时，根据(83)位置估计在两个泄漏点之间。

第二次泄漏的正确位置也可以在t＝5分钟时计算出来，它出现在处，泄漏点的尺寸分别为ψ₁>0和ψ₂>0，我们得到泄露点的位置为

解式(38)中的令/>和/>

图3显示了观察器状态估计中的误差当正确估计泄漏大小时，状态迅速收敛到其真实值，即误差趋于0。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的原理和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种流动条件下管道泄漏检测、泄露流速估计与泄露定位的方法，其特征在于：其方法步骤如下：

S1：利用质量守恒和动量守恒方程对管道进行时空模型建立；

S2：设计自适应状态观测器；

S3：通过实时测量值计算泄露点的位置；

所述S1中，长度为L的管道内单相流体流动的一维质量守恒和动量守恒方程为：

f₀(0,t)＝f₀(t),p(τ,t)＝p_τ(t) (3)

其中τ∈[0,L]，时间t≥0，p(τ,t)为压力，f(τ,t)为体积流量，α为流体的体积模量，ρ为流体的密度，S为管道的横截面面积，F为摩擦因数，g为重力加速度，θ(τ)为管道在τ位置的倾斜角,下标表示偏导数，式(1)和(2)中的最后一项描述了泄漏，其中ψ是管道上的总泄漏大小，将泄漏分布定义为空间变量τ的函数，κ为管道泄露分布函数/>的积分变量

管道入口和出口处的流量和压力是唯一可用的测量值，它们分别表示为f₀(t)、p₀(t)、f_L(t)和p_L(t)，

f(0,t)＝f₀(t),p(L,t)＝p_L(t) (8)

通过坐标变换，将式(1)～(3)物理模型映射得到以下规范的管道模型，

其中，w为管道状态的一个耦合变量，r为管道状态的另一个耦合变量，x为管道的空间分布变量，(9)涉及到的中间变量的具体形式为

所述S2中，设计系统状态观测器，进行管道的泄漏检测和泄漏量大小的估计，由上述的管道模型(9)得到观测器有如下形式

其中，G为输出校正增益，f_i和p_o为任意常数用于调整原点位置，中间变量Q的具体形式为

观测器增益为

其中K为中间变量；

所述S3中，制定管道泄露位置的定位方法，

假设在位置τ^*∈(0,L)处存在一个泄漏点，选择任意Γ>0，使得(τ^*-Γ,τ^*+Γ)∈(0,L)，由式(4)和(5)得到泄露点的位置的上界为

泄露点的位置的下界为

综上，泄露点观测值由于Γ是任意的，当/>即可以推断出泄露点的位置，

以此类推，当出现两个泄露点，且它出现在处时，泄漏点的大小分别为ψ₁＞0和ψ₂＞0，我们得到，当t→∞时，泄露点的位置为