CN117741670B - 一种燃气庭院线水堵监测定位方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气庭院线水堵监测定位方法，属于燃气管线监测技术领域，在燃气庭院线管网中连接各个支管的燃气闸井中预设监测设备，建立燃气管网水堵定位模型，包括管道流量及压力监测模块、声波信号监测模块、以及水堵定位模块；所述管道流量及压力监测模块用于依据压力瞬变流理论，分析管网的流量及压力状况；利用所述声波发射器，采用恒定功率向管道发送声波信号，所述声波信号监测模块用于利用瞬变声波反射的原理分析管网水堵状况；综合所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的监测结果，给出水堵定位的准确位置。本发明综合运用信号处理方法和瞬变流理论计算方法，共同提高堵点点位的准确性。

Description

一种燃气庭院线水堵监测定位方法

技术领域

本发明属于燃气管线监测技术领域，特别涉及一种燃气庭院线水堵监测定位方法。

背景技术

管道的完全堵塞，是指在沿着管道流动方向上一处或者多处都充满某种物质，导致管道输送能力完全丧失。对于燃气管道而言，非专业人员在安全水管道过程中，容易将水管接到地下燃气管道中，导致燃气管段中短时间灌注了大量水，造成临近单元燃气用气中断。庭院线水堵的直接体现是水注入到燃气管道中，在管道的低洼地段形成积水，造成管道阻塞，降低了管道的输气能力，末端用户燃气灶无法用气。地下燃气管道发生水堵后，如发现或处理不及时、不妥当，则可能给社会、企业和个人生命财产带来重大的损失和伤害，甚至造成更大的次生事故。因此，燃气管道水堵发生后的抢修处置工作要求做到稳、快、准。如何快速省事省力找到堵水点并及时进行抢修作业，是衡量城市燃气运营单位保障能力的重要因素。

然而，目前，国内针对管道堵塞定位研究数量较少，往往集中在输油管道和给排水领域，对燃气输配管道的堵塞定位相对较少。现有技术中已有的针对管道堵塞定位研究除基于管道瞬变流特性研究外，还有热力学方法、超声波探堵法、敲击音听法等；此外，还包括声波堵塞法，该方法往往需要信号发射与接收器。

现有技术中，已有一些针对燃气管道堵塞的研究，例如，西南石油大学的硕士论文《输气管道堵塞的瞬态流动特性及其定位方法研究》中，通过搭建实验模拟和SPS软件建模，分析单管（大口径、高压力、大流量）堵塞位置对流量与近起点压差的影响，定义输气管道从堵塞瞬态到停输稳态的持续时间为TTts，探讨堵塞位置L随TTts的变化趋势。该方法适用于不同输气管道的堵塞定位，其前提条件是近端点压差与流量变化变化幅度必须在监测仪表的精度范围内。该论文中记载的起点压力为0.2~0.6MPa，间隔0.1MPa，每个压力点对应10m³/h和20m³/h；而城市庭院线的压力往往是复杂的低压管网（小于0.01Mpa，多为支状），因此，该方法在一般的城市庭院线并不适用。此外，该方法中需要在输气管道近起点、近终点安装压力传感器，也同样不适用于城市庭院线的监测定位。

《低压燃气管道水堵故障泄漏点查找方法》（《煤气与热力》，第36卷第10期，2016年10月，B38-B41页）一文中，通过确定小区供气压力低的原因、分区检查缩小检测范围、确定开挖点和泄漏点、打孔检测查找漏点进行抢修作业。但由于该文中涉及的事件的处置是在事故发生后去判断水堵位置，将该方法用于日常的管线监测并不现实，主要原因是预先在末端安装并不现实，由于末端安装设备需要在用户厨房占用较大的空间，此外还有成本问题、后期维护不方便等问题，也不可能对所有的用户预先安装。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气庭院线水堵监测定位方法，综合运用信号处理方法和瞬变流理论计算方法，共同提高堵点点位的准确性；同时，利用现有管网闸井、窖井等有限空间，预先安装水堵监测设备，无需在末端，如用户厨房等位置安装监测设备，便于维护与成本控制。

本发明提供一种燃气庭院线管网水堵监测定位方法，具体包括如下步骤：

在燃气庭院线所述管网中连接各个支管的燃气闸井中预设监测设备，所述监测设备包括压力变送器、流量监测仪、声波发射器、以及声发射检测仪器；

建立燃气管网水堵定位模型；所述燃气管网水堵定位模型包括管道流量及压力监测模块、声波信号监测模块、以及水堵定位模块；

其中，所述管道流量及压力监测模块用于依据压力瞬变流理论，分析管网的流量及压力状况，判断所述管网中管道是否处于正常状态，或发生水堵；若发生水堵，判断水堵位置；

利用所述声波发射器，采用恒定功率向管道发送声波信号，所述声波信号监测模块用于利用瞬变声波反射的原理分析管网水堵状况；

所述水堵定位模块用于综合所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的监测结果，给出水堵定位的准确位置；

利用所述燃气管网水堵定位模型，对所述燃气管网进行实时监测，当发现发生水堵时，进行告警，并给出水堵的具体位置。

所述管道流量及压力监测模块在分析管网流量及压力状况时，主要包括以下步骤：

获取所述管网系统的流量、压力历史数据，并对所述历史数据进行预处理；

利用经过预处理的所述历史数据作为输入值，求解压力瞬变流理论的连续性方程和运动方程，获得所述管网各管段在正常使用状态下的各管段流量、压力状况；

利用所述监测设备测得的实时流量、压力数据，求解压力瞬变流理论的连续性方程和运动方程，获得所述管网各管段在实时状态下的各管段流量、压力状况；

比较所述实时状态下的各管段流量、压力状况与所述正常使用状态下的各管段流量、压力状况，判断所述管网中管道是否处于正常状态，或发生水堵；若发生水堵，判断水堵位置。

所述管道流量及压力监测模块通过比较正常情况下和水堵情况下的流量、压力变化曲线，对比水堵情况下流量与正常情况下流量的比值，计算管道水堵发生位置；

当Q _异常 / Q _正常的值分别属于(0，a ₁) 、(a ₁，a ₂)、…… (a _n-1，a _n)时，则判定堵点位置分别在闸井或窖井有限空间至1单元的管段、1~2单元、……n-1~n单元间的管段上；

其中，；；……每个单元 用气计算流量为Q ₀，管段流量本身存储的流量为Q ₁，Q ₁ = πD ² L / 4，L是闸井或窖井有限空间 的管段至1单元的长度；D为管径。

所述声波信号监测模块中，依据下式判断水堵位置：

x = c ₀ (t ₁ - t ₂) / 2，

其中，x为堵点位置到末端楼前管的距离；t ₁为管道通畅的情况下，所述声波信号从发出传送、再折返传回的时间；t ₂为管道发生水堵的情况下，所述声波信号从发出传送、再折返传回的时间；c ₀为所述声波信号的传播速度，，K是天然气的体积弹性模量。

利用所述声波信号监测模块进行管道水堵位置判断时，利用仿真模型，在不同的位置设置阀门条件模拟管道堵塞，模拟不同位置管段发生水堵的情况，具体而言，包括以下步骤：

利用管网仿真系统构建庭院线的管网模型，并基于瞬变声波反射的原理建立燃气管网水堵定位模型；

利用所述管网模型，模拟所述管网不同位置发生水堵时，各管道中信号变化特征，获得仿真模拟数据；

依据所述仿真模拟数据，以及本小区或同类型的其他小区水堵时的相关记录，利用AI对所述燃气管网水堵定位模型进行训练，获得最终的燃气管网水堵定位模型。

所述水堵定位模块给出水堵定位的准确位置依据如下步骤：

当所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的判断的疑似堵点位置小于预定值时，可以认为两者一致；

当所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的判断的疑似堵点位置大于预定值时：

调整所述声波信号监测模块中的信号反射定位频率；

对所述管道流量及压力监测模块输入多组历史数据中的用气高峰数据，将计算出的结果进行均值计算；

将所述声波信号监测模块和所述管道流量及压力监测模块求出的位置取均值。

采用本发明所述的方法可以实现以下有益效果：

1、针对庭院线低压燃气管网水堵事件，可以提供堵点位置快速定位；

2、本发明所述的方法同时采用了信号处理方法和瞬变流计算方法，两种方式共同工作，共同提高堵点点位的准确性；

3、利用现有管网闸井、窖井等有限空间，预先安装水堵监测设备，实现管网异常诊断、告警。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1为阀井与各栋楼燃气管道连接示意图；

图2为燃气管道水堵检测瞬变声波反射的原理示意图；

图3为将压力变送器、声波发射器及接收器设置在阀井内时燃气管道示意图。

具体实施方式

为说明清楚本发明的目的、技术细节及有效应用，使之便于本领域普通技术人员理解与实施，下面将结合本发明实施例及附图作进一步的详细阐述。显然，此处描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种燃气庭院线水堵监测定位方法，具体包括如下步骤：

步骤S01、在燃气庭院线连接各个支管的燃气闸井中预设监测设备。

其中，所述监测设备可包括压力变送器、流量监测仪、声波发射器、以及声发射检测仪器。

压力变送器是一种将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传的设备。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20mADC等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

所述声波发射器，通过发射短波脉冲，当遇到水堵后声波反射回来。

所述声发射检测仪器主要有传感器、前置放大器、信号监测、接收器等组成，用于对反射的回波信号进行感知、分析、显示。

考虑到燃气管道的复杂性，从调压站/箱出口连接的燃气管道，由于建筑物位置的不同，管道走向千差万别。行业中，为了检修方便，需要间隔一段时间设置燃气闸井。本发明中依托燃气闸井的井室，在井室内安装所述压力变送器及所述声波发射器。所述声波发射器向相连接的管道发送声波信号，接收信号接口的数量依据分支管的数量而定。

步骤S02、建立燃气管网水堵定位模型。

其中，所述燃气管网水堵定位模型包括管道流量及压力监测模块、声波信号监测模块、以及水堵定位模块。

所述管道流量及压力监测模块用于依据压力瞬变流理论，分析管网实时的流量及压力状况。

其中，所述压力瞬变流理论的基本方程为连续性方程和运动方程。

连续性方程如公式（1）所示：

(1)

式中，

H为测压管水头，H = P / rg + z，其中，P为测得的表压，z为管段高程，g为重力加速度，r为流体密度；

x为断面与监测点位置之间的距离；

t为时间；

V为断面平均速度；

；

a为气击波的传播速度，，其中，E为管道弹性模量，为常量，D为管道直径，d 为管道壁厚，K为体积弹性模量，/>，是一个比较稳定的材料常数。

所述运动方程如式（2）所示：

（2）

式中，f为管道侧面的摩擦力。

所述管道流量及压力监测模块在分析管网实时的流量及压力状况时，主要包括以下步骤：

步骤S201、获取所述管网系统的流量、压力历史数据，并对所述历史数据进行预处理。

其中，所述流量数据来源于公式（3）中的燃气灶具同时工作系数k、同种燃具或成组燃具的数目N、燃具的额定流量Q _n 等影响因素。

公式（3）为居民生活燃气计算流量，可以依据（GB 50028-2020）《城镇燃气设计规范》10.2.9条来确定；

（3）

式中，Q _h 为燃气管道的计算流量（m ³ / h）；k为燃气灶具同时工作系数；N为同种燃具或成组燃具的数目；Q _n 为燃具的额定流量（m ³ / h）。

对所述历史数据进行预处理，包括去除缺省值、异常值等，去除单位小时内用气规律波动的影响。

步骤S202、利用经过预处理的所述历史数据作为输入值，求解所述连续性方程和运动方程，获得所述管网各管段在正常使用状态下的各管段流量、压力状况。

所述连续性方程和运动方程，即公式（1）、（2）中的因变量V和H是x和t的函数，可用特征线法、有限差分法进行求解。

求解过程中，所述经过预处理的所述历史数据中的流量、压力数据，作为输入条件，管道基本属性，例如管道直径、长度、摩阻系数等作为物理边界条件。

步骤S203、利用所述监测设备测得的实时流量、压力数据，求解所述连续性方程和运动方程，获得所述管网各管段在实时状态下的各管段流量、压力状况。

求解过程中，所述监测设备测得的实时流量、压力数据作为输入条件，管道基本属性，例如管道直径、长度、摩阻系数等作为物理边界条件。

步骤204、比较所述实时状态下的各管段流量、压力状况与所述正常使用状态下的各管段流量、压力状况，判断所述管网中管道是否处于正常状态，或发生水堵；若发生水堵，判断水堵位置。

到管道堵塞时，管道的长度L发生改变，输入条件不变，沿途用户流量发生变化，末端用户的用气量变为0，可以通过公式（1）（2）计算管道中各点流量、压力和压力分布状况。

通过比较正常情况下和水堵情况下的流量、压力变化曲线，可以对比水堵情况下流量与正常情况下流量的比值，粗略计算出管道水堵发生在哪栋楼。

假设一栋楼有n个单元，则各管段异常工况下的管道计算流量/正常情况下的管道 计算流量分别近似为：；；……。 其中，每个单元用气计算流量为Q ₀，管段流量本身存储的流量为Q ₁，Q ₁ = πD ² L / 4，此处的L 是闸井或窖井有限空间的管段至1单元的长度；D为管径。

当Q _异常 / Q _正常的值分别属于(0，a ₁) 、(a ₁，a ₂)、…… (a _n-1，a _n)时，则判定堵点位置分别在闸井或窖井有限空间至1单元的管段、1~2单元、……n-1~n单元间的管段上。

依据上式计算结果，可以进行堵点位置初步判定。

以下以一个具体的例子来具体说明。如图1所示，从闸井出来的燃气管线分别进入1~6#单元，每单元户数20。 假设每个单元用气计算流量为Q ₀，管段流量本身存储的流量为Q ₁，当堵点位置依次发生闸井或窖井有限空间的管段至1单元、1~6单元间的管段上时，异常工况下的管道计算流量/正常情况下的管道计算流量分别近似为：

、、、、、。

依据上式计算结果，可以进行堵点位置初步判定。

所述声波信号监测模块用于利用瞬变声波反射的原理，分析管网水堵状况。

依据图2，燃气管道水堵的检测可应用声波反射的原理，具体如下。

在监测点A设置压力变送器、流量计及声波发射器，该点到末端楼前管的水平距离为L。

利用所述声波发射器在A点发送声波信号。在正常情况下，从上游A点向下游沿程输送燃气。截面C简化为代表楼前管，因为该处楼前管往往和单元楼的调压箱设备相连接，且立管往往是竖向布置，跟埋地水平输配管道有较大差异。从A点发出声波信号，当声波信号到达C点后，由于管道走向发生变化，截面C会产生一个流向向左的反射声波信号。

因此，假设在管道通畅的情况下，从A点发出的所述声波信号从发出传送到截面C、再经过截面C折返传送到A点的时间为t ₁；在管道发生堵塞的情况下，所述声波信号从A点传播到B点就会停止向前流动，在B处产生一个向左方向的反射波，该波信号传播、经过折返到达A点的时间为t ₂。

据此，管道堵塞的定位公式为：

x = c ₀ (t ₁ - t ₂) / 2 （4）

其中，X为堵点位置到末端楼前管（即截面C）的距离；

c ₀为所述声波信号的传播速度，依据《AGA10天然气声速》报告，，K是天然气的体积弹性模量，/>，ρ是天然气的密度，这些参数取决于天然气的摩尔组分、温度和压力。

在A点位置采用所述声波发射器，采用恒定功率向管道发送声波信号。当在管道中某点发生堵塞时，反射回来的信号会和发生的信号重合，此处要去掉原来的信号波动，可以删选出反射回来的信号。波动信号振幅大小跟管道位置相关，波动信号在管线中传播的距离越长，衰减越多。

在本发明中，由于所述及声波发射器及接收器设置在阀井内，如图3所示，闸井到1、2、3、4号楼的燃气管道的水平长度分别为L1、L2、L3、L4，依据所述管道堵塞定位公式（4）可以判断出燃气堵塞管段。

这样，就能够第一时间快速筛查出具体哪栋楼前管段产生了水堵，减少作业人员判断抢修时间，减少作业开挖路面工作量。通过快速修复燃气管道，降低水堵停气对居民的影响。

利用所述声波信号监测模块进行管道水堵位置判断时，为了提高管道水堵定位的精度，可以利用仿真模型，在不同的位置设置阀门条件模拟管道堵塞，模拟不同位置管段发生水堵的情况。

具体而言，包括以下步骤：

步骤S301、利用管网仿真系统构建庭院线的管网模型，分别采用用气高峰闸井通往各个楼栋管网出口的流量、压力时间序列变化量作为输入参数，以管网基础属性直径、长度、坡度等信息，基于瞬变声波反射的原理建立燃气管网水堵定位模型。

步骤S302、利用所述管网模型，模拟所述管网不同位置发生水堵时，各管道中信号变化特征。尤其是，对庭院中管道较差的情况进行重点模拟分析，以防降雨积水、地下水上升等导致的水堵。可以通过减少D x的值，增加模拟堵塞的数量N = l / D x，l为管道水平长度。

步骤S303、依据步骤S302中获得的仿真模拟数值，与同类型的其他小区水堵时的相关记录等，利用AI对所述燃气管网水堵定位模型进行训练，以使得当发生水堵的时候，所述模型能够快速、准确识别水堵位置。

所述水堵定位模块用于综合所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的监测结果，给出水堵定位的准确位置。

当所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的判断的疑似堵点位置小于预定值时，可以认为两者一致。其中，所述预定值取决于作业坑尺寸。

当所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的判断的疑似堵点位置大于预定值时，调整所述声波信号监测模块中的信号反射定位频率，对所述管道流量及压力监测模块输入多组历史数据中的用气高峰数据，将计算出的结果进行均值计算，然后和所述声波信号监测模块求出的位置取均值。

基于此，在判断出L1、L2、L3、L4中某段管段Li发生水堵后，判断出Li中水堵的具体位置，即具体到哪栋楼哪单元。

步骤S03、利用所述燃气管网水堵定位模型，对所述燃气管网进行实时监测，当发现发生水堵时，进行告警，并给出水堵的具体位置。

接到告警后，人员到现场进行处置。

所述燃气管网水堵监测定位模型主要针对城市燃气管网水堵场合，综合利用瞬变流理论、压力变送器、信号发生器及接收器，实现燃气管道水堵的实时监测和告警。

对于本领域技术人员而言，显然本发明并不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一方面来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述实施例的说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (4)

1.一种燃气庭院线管网水堵监测定位方法，具体包括如下步骤：

在燃气庭院线所述管网中连接各个支管的燃气闸井中预设监测设备，所述监测设备包括压力变送器、流量监测仪、声波发射器、以及声发射检测仪器；

建立燃气管网水堵定位模型；所述燃气管网水堵定位模型包括管道流量及压力监测模块、声波信号监测模块、以及水堵定位模块；

其中，所述管道流量及压力监测模块用于依据压力瞬变流理论，分析管网的流量及压力状况，判断所述管网中管道是否处于正常状态，或发生水堵；若发生水堵，判断水堵位置；

利用所述声波发射器，采用恒定功率向管道发送声波信号，所述声波信号监测模块用于利用瞬变声波反射的原理分析管网水堵状况；

所述水堵定位模块用于综合所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的监测结果，给出水堵定位的准确位置；

利用所述燃气管网水堵定位模型，对所述燃气管网进行实时监测，当发现发生水堵时，进行告警，并给出水堵的具体位置；

所述管道流量及压力监测模块在分析管网流量及压力状况时，主要包括以下步骤：

获取所述管网系统的流量、压力历史数据，并对所述历史数据进行预处理；

利用经过预处理的所述历史数据作为输入值，求解压力瞬变流理论的连续性方程和运动方程，获得所述管网各管段在正常使用状态下的各管段流量、压力状况；

利用所述监测设备测得的实时流量、压力数据，求解压力瞬变流理论的连续性方程和运动方程，获得所述管网各管段在实时状态下的各管段流量、压力状况；

比较所述实时状态下的各管段流量、压力状况与所述正常使用状态下的各管段流量、压力状况，判断所述管网中管道是否处于正常状态，或发生水堵；若发生水堵，判断水堵位置；

所述声波信号监测模块中，依据下式判断水堵位置：

，

其中，x为堵点位置到末端楼前管的距离；t ₁为管道通畅的情况下，所述声波信号从发出传送、再折返传回的时间；t ₂为管道发生水堵的情况下，所述声波信号从发出传送、再折返传回的时间；c ₀为所述声波信号的传播速度，，K是天然气的体积弹性模量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述管道流量及压力监测模块通过比较正常情况下和水堵情况下的流量、压力变化曲线，对比水堵情况下流量与正常情况下流量的比值，计算管道水堵发生位置；

当Q _异常 / Q _正常的值分别属于(0，a ₁) 、(a ₁，a ₂)、…… (a _n-1，a _n)时，则判定堵点位置分别在闸井或窖井有限空间至1单元的管段、1~2单元、……n-1~n单元间的管段上；

其中，；；……；每个单元用气 计算流量为Q ₀，管段流量本身存储的流量为Q ₁，Q ₁ = pD ² L / 4，L是闸井或窖井有限空间的管 段至1单元的长度；D为管径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

利用所述声波信号监测模块进行管道水堵位置判断时，利用仿真模型，在不同的位置设置阀门条件模拟管道堵塞，模拟不同位置管段发生水堵的情况，具体而言，包括以下步骤：

利用管网仿真系统构建庭院线的管网模型，并基于瞬变声波反射的原理建立燃气管网水堵定位模型；

利用所述管网模型，模拟所述管网不同位置发生水堵时，各管道中信号变化特征，获得仿真模拟数据；

依据所述仿真模拟数据，以及本小区或同类型的其他小区水堵时的相关记录，利用AI对所述燃气管网水堵定位模型进行训练，获得最终的燃气管网水堵定位模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述水堵定位模块给出水堵定位的准确位置依据如下步骤：

当所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的判断的疑似堵点位置小于预定值时，可以认为两者一致；

当所述管道流量及压力监测模块以及所述声波信号监测模块的判断的疑似堵点位置大于预定值时：

调整所述声波信号监测模块中的信号反射定位频率；

对所述管道流量及压力监测模块输入多组历史数据中的用气高峰数据，将计算出的结果进行均值计算；

将所述声波信号监测模块和所述管道流量及压力监测模块求出的位置取均值。