（控制理论与控制工程专业论文）基于模型的油气管道泄漏检测与定位方法研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t p l 学科分类号 5 l o 8 0 6 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 0 0 1 1 2 密级 公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名孙良 学号 2 0 0 5 0 8 0 1 1 2 获学位专业名称控制理论与控制工程获学位专业代码 0 8 1 1 0 1 课题来源北京市自然科学基金研究方向智能检测与测控系统 论文题目 基于模型的油气管道泄漏检测与定位方法研究 关键词管道泄漏检测与定位，模型法，瞬态模型，稳态模型，特征线法 论文答辩日期2 0 1 0 年5 月1 9 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师王建林教授 北京化工大学 智能检测与测控系统 评阅人1 丁天怀教授 清华大学 测控技术与仪器 评阅人2周强 教授 中国农业大学检测技术 评阅人3 2 0 1 0 0 0 2 5 3 a 评阅人4 2 0 1 0 0 0 2 5 4 a 评阅人5 2 0 1 0 0 0 2 5 5 a 椭员蝴丁天怀教授清华大学测控技术与仪器 答辩委员1丁天怀教授清华大学测控技术与仪器 答辩委员2陈祥光教授北京理工大学传感与智能检测技术 答辩委员3周富强教授北京航空航天大学测控技术与仪器 答辩委员4周强教授中国农业大学检测技术 答辩委员5黄克谨教授北京化工大学 化工优化控制 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 基于模型的油气管道泄漏检测与定位方法研究 摘要 泄漏检测与定位系统是油气管道安全运行的重要组成部分。目前 已有多种管道泄漏检测与定位方法，但在适用的泄漏工况和应用上都 存在一定的局限性。基于模型的管道泄漏检测与定位方法依据流体的 输送模型对泄漏量和泄漏位置进行预测，适用于突发泄漏、小泄漏和 缓泄等多种泄漏工况的检测和定位。近年来，随着流量测量技术、数 据采集与监控技术及装置的发展及应用，为基于模型的方法在油气管 道泄漏检测中的进一步应用提供了基础。现有的基于模型的管道泄漏 检测与定位方法定位时间过长，定位精度受模型参数影响较大，且在 气体管道上的应用研究较少，因此对基于模型的泄漏检测与定位方法 进行深入研究，促进其在管道泄漏检测中的应用具有重要的理论意义 和应用价值。 本文在详细分析现有基于模型的管道泄漏检测与定位方法的基 础上，进一步研究基于稳态模型的管道泄漏检测与定位方法在油气管 道上的应用，研究泄漏瞬态过程中的泄漏检测与定位方法，并对管道 泄漏仿真建模方法进行探讨。 对管道泄漏仿真建模方法进行研究，基于管道系统与电路系统的 相似性，建立气体管道泄漏仿真模型，为泄漏检测与定位算法的验证 提供必要的泄漏仿真数据，通过实际管道的泄漏实验验证了所建模型 北京化工大学博上学位论文 的有效性。 对基于稳态模型的泄漏检测与定位方法在油气管道上的应用进 行研究，针对气体管道，提出等温定位法和变步长龙格库塔法，可 分别用于等温和非等温气体管道的泄漏定位，并通过仿真和实验研究 对模型简化的影响进行分析，为基于模型的气体管道泄漏检测与定位 方法的应用提供参考和依据。针对稳态模型法受测量噪声影响较大的 问题，采用基于最小二乘的最优泄漏点辨识方法对稳态模型法进行改 进，实验研究表明改进后的稳态模型法可加快定位的收敛速度，增强 了对噪声的抑制能力。 对泄漏瞬态过程中信息产生和传播进行研究，提出一种基于泄漏 瞬变模型的泄漏检测与定位方法，实现在管道泄漏瞬态过程中的准确 定位。并综合稳态模型法和泄漏瞬变模型法的各自特点和优势，构建 集成泄漏检测与定位方法。实验研究表明，所提出的泄漏瞬变模型法 可有效利用泄漏的瞬变信息，在泄漏发生后最短时间内进行定位，所 构建的 性，又 通 效变换 可在不 型法的 法的有 本 型的方法 型法和定 法的实时 的进一步 关键词： 线法 北京化工大学博上学位论文 i v a b s t r a c t r e s e a r c h o nm o d e lb a s e dl e a kd e t e c t i o na n d l o c a t i o nm e t h o df o ro i la n dg a sp i p e l i n e s a b s t r a c t l e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h e m a n a g e m e n to fp i p e l i n es y s t e m s i nr e c e n ty e a r s ，m a n yk i n d so f l e a kd e t e c t i o n a n dl o c a t i o nm e t h o d sh a v eb e e nd e v e l o p e da n du s e d ，b u tm o s to ft h e mh a v e l i m i t si nr e a la p p l i c a t i o n s ，s u c ha st h ea p p l i c a b i l i t ya n dd e t e c ta b i l i t y b a s e do n t h ef l o we q u a t i o n so fp i p e l i n e ，t h em o d e lb a s e dl e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o n m e t h o dc a nd e t e r m i n et h el e a kl o c a t i o na n ds i z eo fl e a k a g e ，a n di si d e n t i f i e d a sap r o m i s i n gm e t h o di nd e t e c t i n gb u r s t ，s m a l la n ds l u g g i s hl e a k s r e c e n t l y , t h ew i d e l yu s e df l o wm e t e r sa n ds u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m sa l s op r o v i d et h eb a s i sf o ra p p l y i n gm o d e lb a s e dl e a kd e t e c t i o na n d l o c a t i o nm e t h o dt oo i la n dg a sp i p e l i n e h o w e v e r , t h ec u r r e n tm o d e lb a s e d m e t h o dh a dd i f f i c u l t i e si nd e t e r m i n i n gl e a kl o c a t i o nd u r i n gr e l e a s et r a n s i e n t p r o c e s s ，l e a d i n gt oal o n gl o c a t i o nt i m e ，a n dw a ss u b je c t e dt os e v e r en o i s ea n d s e l d o ma d d r e s s e di ng a sp i p e l i n e s i t sa c c u r a c yw a si n f l u e n c e db yt h e p a r a m e t e r so ft h em o d e l t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c ei nb o t ht h e o r y v 北京化工大学博士学位论文 a n da p p l i c a t i o nt or e s e a r c ho nt h em o d e lb a s e dm e t h o da n dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f t h em e t h o d b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so fc u r r e n tm e t h o d s ，t h ea p p l i c a t i o no f s t e a d y - s t a t em o d e lb a s e dm e t h o dt oo i la n dg a sp i p e l i n eh a sb e e nf u t h e r s t u d i e d ，t h em e t h o dt od e t e c ta n dl o c a t el e a k sd u r i n gr e l e a s et r a n s i e n t sh a s b e e nr e s e a r c h e d ，a n dt h em e t h o dt om o d e l i n gal e a k i n gp i p l i n eh a sb e e n i n v e s t i g a t e da sw e l l a c c o r d i n gt ot h ea n a l o g o u sb e t w e e nt h ep i p e l i n ea n dt h ec i r c u i t ，am e t h o d t om o d e l i n gal e a k i n gg a sp i p e l i n eh a sb e e np r o p o s e d t h es i m u l a t i o nm o d e l e s t a b l i s h e dw i t ht h em e t h o dc a np r o v i d et e s td a t af o rl e a kd e t e c t i o na n d l o c a t i o na l g o r i t h m e x p e r i m e n t sc o n d u c t e do nar e a lg a sp i p e l i n ev a l i d a t et h e t h es i m u l a t i o nm o d e l t h ea p p l i c a t i o no ft h es t e a d y - s t a t em o d e lb a s e dm e t h o dt oo i la n dg a s p i p e l i n e sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，a n dt h ei s o t h e r m a ll e a kd e t e c t i o nm e t h o da n d t h ev a r i a b l e - - s t e pr u n g e - k u t t am e t h o dh a v eb e e np r o p o s e df o rl e a kl o c m i o ni n i s o t h e r m a la n dn o n i s o t h e r m a lg a sp i p e l i n e sr e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s e a r c h a n de x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r d e do nt os t u d yt h ee f f e c to ft h em o d e l s i m p l i f i c a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo ft h et w om e t h o d s am o d i f i c a t i o nf o rt h e s t e a d y - s t a t e m o d e lb a s e d m e t h o d ，n a m e dt h eo p t i m a l l e a kl o c a t i o n i d e n t i f i c a t i o nb a s e do nt h el e a s ts q u a r ea l g o r i t h m ，h a sb e e np r e s e n t e da n d e x p e r i m e n tr e s u l t sc o n f i r mt h em o d i f i c a t i o n sa b a b i l i t yt os u p p r e s st h en o i s e a n dt os p e e du pt h ec o n v e r g e n c er a t eo fl e a kl o c a l i z a t i o n v i an e wm a n de s t i m a t e l e a kl o c a t i o n b a s e do ns t e a d y - s t a t em o d e la n dm e t h o db a s e do nr e l e a s et r a n s i e n tm o d e l ，a n i n t e g r a t e dm e t h o di sc o n s t r u c t e dt ot a k et h ea d v a n t a g e so f t h et w om e t h o d s s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e l e a s et r a n s i e n tm o d e l b a s e dm e t h o dc a l ld e t e c ta n dl o c a t el e a k si ns h o r t e s tt i m ea f t e rt h er e l e a s ea n d t h ei n t e g r a t e dm e t h o dn o to n l yr e a l i z e dt h el e a kl o c a l i z a t i o ni nr e a lt i m e ，b u t a l s oe n s u r e dt h ei n t e g r i t yi nl e a kd e t e c t i o n t h ee f f e c to fu n e v e nd i s t r i b u t i o no fp i p e l i n ep a r a m e t e ro nt h ep r e c i s i o no f l e a ke s t i m a t i o nh a sb e e na n a l y z e d ，an e wa p p r o a c h ，n a m e de q u i v a l e n t t r a n s f o r m a t i o no ft h ep i p el e n g t h ，w h i c ht r a n s f o r mt h eu n e v e np a r a m e t e r d i s t r i b u t i o nt ot h ev a r i a t i o ni np i p el e n g t h ，h a sb e e np r e s e n t e dt oc o m p e n s a t e f o rt h el o c a t i o ne r r o ri n t r o d u c e db yt h eu n e v e nd i s t r i b u t e dp a r a m e t e r , a n dt o i m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h em o d e lb a s e dm e t h o d e x p e r i m e n t sc o n d u c t e d o n r e a lp i p e l i n e sv e r i f i e dt h ev a l i d a t i o no ft h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d t h ei s o t h e r m a lm e t h o da n dt h ev a r i a b l e - s t e p r u n g e - k u t t a m e t h o d p r o p o s e di nt h i sp a p e re n a b l et h ea p p l i c a t i o no f m o d e lb a s e dm e t h o dt og a s p i p e l i n e s ，t h er e l e a s et r a n s i e n tm o d e lb a s e dm e t h o d a n dt h em e t h o dt o c o m p e n s a t ef o rt h el o c a t i o ne r r o ri m p r o v e t h ea c c u r a c yo ft h el e a ke s t i m a t i o n a n de n a b l el e a kl o c a t i o ni nr e a lt i m e ，p r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f m o d e lb a s e dm e t h o dt oo i la n dg a sp i p e l i n e s v i l = 学位论文 l o c a t i o ni np i p e l i n e s ，m o d e lb a s e d t a t em o d e l ，m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c 2 4 2 管道泄漏稳态仿真模型的建立3 0 2 4 3 非等温气体管道泄漏稳态仿真模型的建立3 3 2 5 管道泄漏瞬态仿真模型的建立3 4 2 6 小结3 7 第三章基于稳态模型的油气管道泄漏检测与定位方法研究3 9 3 1 引言一”一一”3 9 i x 北京化t 大学博士学位论文 3 2 模型法在液体管道泄漏检测与定位中的应用3 9 3 2 1 基于稳态模型的液体管道泄漏检测与定位方法3 9 3 2 2 稳态模型法与实时瞬态模型法的泄漏检测与定位效果的对比4 0 3 2 3 影响液体管道泄漏定位精度的因素4 1 3 3 基于稳态模型的气体管道泄漏检测与定位方法研究4 4 3 3 1 等温定位法4 4 3 3 2 变步长龙格一库塔法4 5 3 3 3 气体管道模型简化对定位影响的仿真研究4 6 3 3 4 基于实时瞬态模型的气体管道泄漏定位方法的分析4 9 3 4 稳态模型法的改进5 1 3 4 1 基于最小二乘的最优泄漏点辨识方法5 1 3 4 2 改进稳态模型法的仿真研究5 2 3 5 小结5 4 第四章基于泄漏瞬态模型的管道泄漏检测与定位方法的研究5 7 4 1 引言5 7 4 2 泄漏瞬态过程的建模5 7 4 2 1 泄漏瞬态信息产生与传播的计算模型5 7 4 2 2 瞬变压力与瞬变信息传播计算模型的实验验证6 0 4 3 基于泄漏瞬变模型的管道泄漏检测与定位方法6 3 4 3 1 基于泄漏压力瞬变模型的泄漏检测与定位方法6 3 4 3 2 基于泄漏信息瞬变模型的泄漏检测与定位方法6 4 4 4 基于泄漏瞬态模型的泄漏检测与定位方法的仿真研究6 6 4 4 1 算法定位精度6 6 4 4 2 噪声影响的仿真研究6 7 4 4 3 缓泄程度对算法影响的仿真研究7 0 4 5 基于泄漏瞬变模型的泄漏检测方法最小可检测泄漏率的分析7 1 4 5 1 泄漏压力瞬变模型法的最小可检测泄漏率分析7 l 4 5 2 泄漏信息瞬变模型法的最小可检测泄漏率分析7 3 4 6 集成泄漏检测与定位方法7 4 4 6 1 集成泄漏检测与定位方法的构建7 5 4 6 2 集成泄漏检测与定位方法的仿真研究7 7 4 7 小结7 7 x 第五章 5 1 引言 5 2 摩阻 5 2 1 摩 5 2 2 摩 5 2 3 摩 5 2 4 摩 5 2 5 摩 5 3 管径 5 3 1 管 5 3 2 管 5 3 3 管 5 4 小结 第六章 6 1 实验 6 1 1 气 6 1 2 石 6 2 等温 6 3 基于 6 3 1 稳 6 3 2 稳 6 4 集成 第七章 7 1 结论9 9 7 2 展望1 0 0 参考文献1 0 1 致谢1 0 7 北京化t 大学博七学位论文 文1 0 9 x i i co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c f i o n ”l 1 1f o r w o r d 。1 1 2r e v i e wo nt h el e a kd e t e c t i o nt e c h n o l o g yf o ro i la n dg a sp i p e l i n e 。2 1 2 1l e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o nm e t h o db a s e do nt r a n s i e n tp r e s s u r es i g n a lp r o c e s s i n g 3 1 2 2l e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o nm e t h o db a s e do nf l o wb a l a n c e 4 1 2 3l e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o nm e t h o db a s e do nm o d e l omooodmoo a 1 0 1 3r e s e a r c ho b j e c t i v e sa n ds c o p e 1 7 1 3 1r e s e a r c ho b j e c t i v e s 1 7 1 3 2r e s e a r c hs c o p e 。1 8 c h a p t e r2r e s e a r c ho nt h ea p p r o a c ht om o d e l i n gl e a k i n go f f a n dg a s p i p e l i n e 。1 9 2 1f o r w o r d 1 9 2 2p i p ef l o we q u a t i o n sa n db a s i cs o l u t i o nm e t h o d 。1 9 2 2 1p i p ef l o we q u a t i o n s 。1 9 2 2 2s o l u t i o nm e t h o df o rs t e a d yf l o w 2 0 2 2 3s o h t i o nm e t h o df o rt r a n s i e n tf l o w 2 3 2 3a n a l y s i so f t h er e l e a s ep r o c e s sa n da p p r o a c ht om o d e l i n gt h er e l e a s ep r o c e s s 。2 6 2 3 1a n a l y s i so f t h er e l e a s ep r o c e s s 。2 7 2 3 2a n a l y s i so f t h ea p p r o a c ht om o d e l i n gt h er e l e a s ep r o c e s s 。2 8 2 4r e s e a r c ho nt h em e t h o dt od e v e l o pt h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h el e a k i n gp i p e l i n e 3 0 2 4 1e q u a t i o n sg o v e r n i n gt h ef l o wi nal e a k i n gp i p e l i n e 。3 0 2 4 2m o d e l i n gs t e a d yf l o wi nal e a k i n gi s o t h e r m a lg a sp i p e l i n eb a s e do ne q u i v a l e n t p r i n c i p l e o oo oooo s aoo “3 0 2 4 3m o d e l i n gs t e a d yf l o wi i lal e a k i n gn o n - i s o t h e r m a lg a sp i p e l i n e 3 3 2 5m o d e l i n gt h e 仃a n s i e n tf l o wi nal e a k i n gp i p e l i n e 。3 4 2 6s u m m a r y - 。3 7 c h a p t e r3r e s e a r c ho nt h es t e a d y - s t a t em o d e lb a s e d m e t h o df o ro i la n d g a sp i p e l i n e 3 9 北京化t 大学博士学位论文 3 1f o r w a r d “0 00 3 9 3 2a n a l y s i so f t h es t e a d y - s t a t em o d e lb a s e dm e t h o do no i lp i p e l i n e 3 9 3 2 1s t e a d y - s t a t em o d e lb a s e dm e t h o df o ro i l p i p e l i n e 3 9 3 2 2 c o m p a r i s o nb e t w e e ns t e a d y - s t a t em o d e lb a s e dm e t h o da n dt h er e a lt i m e 仃a n s i e n t m o d e lb a s e dm e t h o d 4 0 3 2 3a n a l y s i so f t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ea c c u r a c yo f t h em e t h o d 4 1 3 3r e s e a r c ho nt h es t e a d y s t a t em o d e lb a s e dm e t h o df o rg a sp i p e l i n e 4 4 3 3 1i s o t h e r m a ll e a kl o c a t i o nm e t h o d o bz m 3 3 2v a r i a b l e s t e pr u n g e k u t t al e a kl o c a t i o nm e t h o d 4 5 3 3 3s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h ee f f e c to f s i m p l i f i c a t i o no f g a sp i p e l i n e 4 6 3 3 4 a n a l y s i so f t h er e a lt i m em o d e lb a s e dm e t h o di ng a sp i p e l i n e 4 9 3 4m o d i f i c a t i o no f s t e a d s t a t em o d e lb a s e dm e t h o d 5 l 3 4 1o p t i m a ll e a k a g ep o i n ti d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nl e a s ts q u a r em e t h o d 5 1 3 4 2s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h em o d i f i e dm e t h o d 5 2 3 5s u m m a r y 5 4 c h a p t e r4r e s e a r c ho nt h er e l e a s et r a n s i e n tm o d e lb a s e dm e t h o d 。5 7 4 1f o r w a r d o oo 5 7 4 2m o d e l i n gt h er e l e a s e 仃a n s i e n t 5 7 4 2 1c a l c u l a t i o nm o d e lf o rt h e g e n e r a t i o n a n dp r o p o g a t i o no ft h e r e l e a s et r a n s i e n t i n f o r m a t i o n - 0 0 1 1 1 o oo 000 5 7 4 2 2e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no f t h ec a l c u l a t i o nm o d e l 。6 0 4 3r e s e a r c ho nt h er e l e a s e 仃a n s i e n tm o d e lb a s e dl e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o n m e t h o d - t l l l 6 3 4 3 1l e a l ( d e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h er e l e a s ep r e s s u r et r a n s i e n tm o d e l 6 3 4 3 2l e a kd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h er e l e a s et r a n s i e n ti n f o r m a t i o nm o d e l 6 4 4 4s i m u l a t i o nm s e a r c ho nt h em e t h o db a s e do nr e l e a s et r a n s i e n tm o d e l - 6 6 4 4 1v e r i f i c a t i o no f t h ea c c u r a c yo f t h em e t h o d 6 6 4 4 2s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h ee f f e c to f n o i s e 6 7 4 4 3s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h ee f f e c to f t h ee x t e n to f s l u g g i s hl e a k a g e 7 0 4 5a n a l y s i so nt h el e a s td e t e c t a b i l i t yo f t h em e t h o db a s e do nr e l e a s et r a n s i e n tm o d e l 7 1 4 5 1a n a l y s i so nt h el e a s td e t e c t a b i l i t yo ft h em e t h o db a s e do nr e l e a s ep r e s s u r et r a n s i e n t m o d e l 7 1 4 5 2 a n a l y s i s o nt h el e a s td e t e c t a b i l i t yo ft h em e t h o db a s e do nr e l e a s et r a n s i e n t i n f o r m a t i o nm o d e l - 7 3 x c o n t e n t s 4 6i n t e g r a t e dl e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o nm e t h o d ”7 4 4 6