基于小波变换法的天然气泄漏检测和定位研究定稿.doc
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1、基于小波变换法的天然气泄漏定位研究The Research on Location of the Leak of Natural Gas Based on the Wavelets Analysis学科专业:制冷及低温工程研 究 生:熊 壮指导教师:杨昭 教授天津大学机械 学院二零零九年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢
2、意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名: 导师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日中文摘要随着经济的快速发展以及“西气东输”工程的逐步实施,我国天然气管道的铺设必将迅速增加,因正常腐蚀及人为因素的破坏,管道泄漏的事件时有发生,而管道的泄露会造成人身伤害
3、、环境的污染以及国家经济财产的损失。为了将损失降低到最低限度,需要在泄漏事件发生后迅速的进行检测,并能精确的指出泄漏位置。目前泄漏检测与定位的方法主要可以分为三类:基于模型辨识的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。在信号处理方法中由于小波变换具有良好的时频特性,能迅速的捕捉并精确定位奇异点,因此本文选择了基于小波分析的负压波法作为泄漏检测与定位的方法。本文在泄漏定位公式的推导中,提出使用经过改进的泄漏定位公式,同时提出分别计算泄漏点前后两段的燃气平均流速来代替整个管线燃气平均流速来进行定位计算。在定位算法实现的方法上,采用Romberg算法和二分搜索法相结合。 在对负压波信号的处理上,通
4、过仿真实验比较和分析了小波变换和傅立叶变换,提出采用从整体到局部的搜索法来确定压力突变点,该方法相比于传统的方法能获得更高的精度,也不会减慢系统分析的速度。在泄漏检测方面,提出实时模型法和小波变换相结合的方法,这样可以大大提高系统运行速度。最后,通过实验对循环迭代算法和Romberg算法进行了比较验证,Romberg算法效果更好,误差在495米,获得了较好的效果。关键词:天然气,泄漏定位,负压波,小波变换,Romberg积分算法ABSTRACTAlong with the economy in our country is greatly developing and the project
5、of “Transport The Nature Gas from The West to East” is being carried on, the number of nature gas pipe will be increased. Because of normal corrosion and human destroying, the accident of gas pipeline leak often happened. The leak of gas pipeline will cause many people hurt, large area pollution and
6、 national fortune damaged. In order to minimize the loss, we need to detect and locate the leak point immediately.Method of modern leak diagnosis mainly sorts into three: methods: based on parse pattern, method based on signal processing and method based on knowledge. In the method of signal process
7、ing, because the wavelets analysis has satisfactory time-frequently distinguish ability, and it can rapidly catch and accurately locate break point of pressure signal. This paper chooses the negative pressure wave method based on the wavelets analysis to detect and locate the leak.In the process of
8、computing the formula of the leak location, improved formula is proposed, at the same time, this paper advises to adopt the gas average flow velocity of front-leak point and leak point-back subsection respectively, which replaces the mean gas average flow velocity of the whole pipelines. In the meth
9、od of realizing the arithmetic of locating the break point, Romberg and dichotomy searching are adopted。 In the process of pressure signal analysis, this paper compares and analyze the Fourier analysis and the wavelets analysis by simulation experience; meanwhile, this paper proposes to adapt a meth
10、od, which is from entity to part, to determine the point of pressure changing. This method is more accurate and quick. In the aspect of leak detection, the method of combining the instantaneous model is proposed, which can improve the velocity of the system.Finally, this paper compares the Romberg a
11、nd iterative methods. Romberg and dichotomy searching,by which method the error is 495 meter, is proved to be better than other method.Key words:nature gas, leak locate, negative pressure wave, wavelet diagnosis, Romberg目录第一章 绪论11.1管道运输的发展与现状11.2开发泄漏自动检测与定位系统的必要性21.3管道泄漏检测与定位概况41.3.1泄漏检测与定位系统的性能指标51
12、.3.2管道泄漏检测与定位的方法51.4国内外管道泄漏监测与定位研究现状111.5本文的主要工作13第二章 负压波法用于天然气泄漏检测与定位的关键技术152.1负压波泄漏检测及定位原理152.1.1瞬态负压波的产生机理152.1.2负压波法泄漏检测与定位原理152.1.3天然气平均流速的计算172.2负压波波速修正公式的推导182.2.1气体压缩系数192.2.2气体密度192.2.3输气管道沿线的温度分布计算192.2.4输气管道压力分布212.3循环迭代法和Romberg算法的提出和比较232.3.1Romberg算法242.3.2搜索算法用于输气管道泄漏定位262.4本章小结28第三章
13、小波变换在负压波信号处理和分析中的应用293.1傅立叶变换在信号分析中的不足303.1.1傅立叶变换缺乏时间和频率的定位功能303.1.2傅立叶变换对于非平稳信号的局限性323.1.3傅立叶变换在分辨率上的局限性323.2短时傅立叶变换333.3小波变换343.3.1小波变换的定义及特点353.3.2离散小波变换383.4小波变换在负压波信号处理中的应用393.4.1小波变换用于信号除噪393.4.2小波技术用于检测压力突变点423.5本章小结44第四章 小波分析仿真实验及结果分析464.1小波变换与傅立叶变换的比较464.2小波除噪的与傅立叶除噪实验的对比474.3不同阀值作用方式的仿真实验
14、对比494.4小波分析获取奇异点的仿真实验504.5模拟管道泄漏负压波信号的小波分析和处理524.6本章小结54第五章 泄漏定位仿真及工程实例分析565.1matlab和Visual basic6.0的结合565.2仿真过程分析及定位算法实现595.2.1泄漏的检测595.2.2算法的改进和实现595.3具体算例分析615.3.1结论分析645.4燃气管网事故应急救援措施645.4.1燃气管网事故应急救援的基本原则655.5泄漏事故的处理655.5.1管道燃气泄漏的原因655.5.2燃气泄漏的抢修方案确定665.5.3燃气泄漏事故的抢修处理步骤及注意事项665.6本章小结68第六章 结论与展望
15、696.1结论696.2展望70参考文献71发表论文和科研情况说明74致谢75第一章 绪论1.1管道运输的发展与现状现代管道运输起始于19世纪中叶,但真正作为商业性运输手段并经历不同恶劣环境的考验是在20世纪60年代之后。经过一百多年的发展,管道运输业己成为与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一。与其他几种运输方式相比,管道输送具有突出的优点:第一,可大大减少转运换装环节,实现连续运输,运量大、效率高,可避免空车返回的运力浪费并且易于实现自动化管理;第二,管道建设投资省、见效快、占地少,与建设同样长度的铁路相比,管道建设的周期和费用均不到铁路的1/2,占地只有铁路的1/9,并且管道建成
16、投产后,90%的土地可恢复使用;第三,运输过程可实现完全密闭化,效率高,损耗低,燃料消耗是铁路的1/2,是公路的1/9,运输损耗是铁路的1/3,是公路的1/2;第四,可适应各种复杂地形、地貌和气候条件。由于管道输送在运送气体、液体、浆体等散装物品方面所具有的独特优势,它犹如人体内担负着血液运输任务的血管一样,在经济发展中正起着不可替代的重要作用。目前,世界上主要管道干线己达230万多公里,其中原油管道50万公里,成品油管道30万公里,天然气管道150万公里,并且以每年4至5万多公里的速度在递增。我国的管道运输业是随着石油工业的发展而发展起来的。五十年代末,全国只有很少几条原油短距离管道。随着大
17、庆、胜利、辽河、华北等油田的开发,我国管道运输自七十年代初进入了一个高速发展的时期,逐步建成了东北、华北、华东地区三个区域性输油网络。1979年以后又相继建成了濮临线、中洛线、中开线、中沧线等输油干线。到1994年末,我国输油和输气管道总长度已达到17378公里,其中原油管道9443公里,天然气管道7935公里,全年输送原油1.3亿吨,天然气102亿立方米1,2,3,4,5,6。随着国家四大世纪工程(南水北调、西气东输、西电东送、青藏铁路)的进一步实施,2010年以前,我国将完成三大管网的“西气东输”,总管网覆盖21个省市自治区。随着管道运输异军突起,管道运输范围显著扩大,不仅可以输送石油、成
18、品油、水、天然气、煤气等液、气体介质,而且也可以输送城市垃圾、工业原料、粮食、水泥、煤浆等固体散装物料。由此可见,管道运输潜力是巨大的。虽然我国管道运输业已有了较大发展,长输管道建设已初具规模,但与一些发达国家相比,尚有一定的距离。到1994年底,我国长距离管道是世界管道总长度的1/92,美国的1/40,原苏联的1/18,美国的管道运输量占全国货运周转量的24%,而我国仅占2%左右7。以上的这些分析均表明,我国的管道运输工业处于一个既充满生机,又富有挑战的新时期,必将随着国民经济的持续快速发展而发展。1.2开发泄漏自动检测与定位系统的必要性随着管线的增多,管龄的增长,由于施工缺陷和腐蚀等问题以
19、及人为破坏管道事故频频发生,给人民的生命财产和生存环境造成了巨大的威胁。世界上管道工业史的大量数据表明,管道同世界上其他事物一样,事故的发生都有称为“浴缸效应”的一般规律8。图1-1 浴缸曲线图1-1的“浴缸效应”事故概率曲线表明:在整个管道寿命区内都有事故发生,事故发生的概率可分为三个阶段:管道在运行第一阶段(初生期)和第三阶段(衰老期)事故发生的概率较高,第二阶段(稳定期)事故发生的概率较低。其原因是:初生期管道在材质、防腐层、焊口等方面存在着未被检查发现的缺陷或由于铺管作业中造成的管体损伤,以及由于管道周围的环境仍未达到稳定造成的事故。另外人为破坏及操作失误也是重要的原因,因而失效率较高
20、;但随着时间的延续,失效率逐渐降低。在稳定期,由于管道周围环境趋于稳定,在初期造成事故的管道本身的一些缺陷也通过维修得到了弥补,事故率比初生期显著降低,管道处于平稳运行期,因此这一时期影响事故率的主要因素是人为破坏或操作失误等。在管道运行的衰老期,由于腐蚀磨损,管道趋于老化,事故率上升。每条管线,由于设计水平、施工质量、介质腐蚀性、维护条件以及安全管理水平的差异,因而各自的浴盆曲线也有所不同,但总的规律是相同的,老管道将不可避免地恶化或达到设计寿命极限。我国长输管线相当一部分己经逐渐步入老龄期。我国有很大一部分管道超过20年管龄,己进入事故高发阶段。据统计资料,我国输油管道自1975年以来发生
21、严重事故一百多起。1986年以前油田管线平均穿孔率为0.6次/(公里年)。统计资料表明,目前世界上总管网的50己经用了30年甚至更长时间9。由于腐蚀、意外损坏等原因,管道事故发生的概率增大,泄漏事故时有发生。此问题任何国家都必须面对,而且会日趋严重。一方面,由于所输介质的危险性和污染性,一旦发生事故会造成巨大的生命财产损失和环境污染;另一方面,长输管道长度一般都在几百公里以上,大部分都经过条件恶劣的无人区,发生泄漏事故之后难以及时发现或确定泄漏地点,可能酿成更大的事故。据统计,在俄罗斯管龄在30年以上的原油管道占25%,成品油管道占34%,由于部分油气管线在泄漏状态下运行,俄罗斯每年损失的石油
22、和天然气达10%,这意味着每年大约2500万吨石油和天然气渗入土壤。泄漏引发的管道事故的报道更是使人触目惊心。1989年6月4日,在原苏联境内bash-kiria的一条成品油管道由泄漏引发爆炸,酿成573人死亡,623人受伤,2个车头、38节车厢被毁的悲剧。1994年3月24日美国一输气干线在新泽西州爱迪生地区破裂产生的爆炸和着火使八座建筑物倒塌,1人死亡,100人受伤10,11。对于旧管线来说,由于不可避免的老化、腐蚀及其它的自然、人为损坏等原因,管道泄漏时有发生,造成的人身伤害、环境污染、经济损失都是巨大的。不法分子频繁地在输油、输气管道上打孔盗窃,造成极其严重的后果:一是管道安全受到威胁
23、。管道金属本体及防护系统将遭到严重破坏,管道强度明显下降。频繁停输抢修,频繁启动运行,也会使管道寿命大大缩短。二是恶性事故不断发生。不法分子打孔盗油气,往往不顾后果,致使原油、天然气大量外泄,着火爆炸事故随时可能发生,国有资产损失严重。以上数据充分说明,管道泄漏造成的经济损失、环境污染及人身伤害是巨大的。如果能够及时发现泄漏,确定泄漏点,就能有效地减轻泄漏事故造成得危害。然而由于打孔盗油的不法分子一般在夜间打孔盗油,且管道埋地较深,盗油现场处理的很隐蔽,通过常规的巡线检测方法很难找到盗油点;另外,长输管道距离长,沿途多为荒漠、沼泽、戈壁或河流,而检测方式多为人工定期巡检,这都限制了泄漏检测与定
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