一种流体管道泄漏源监测定位系统及方法与流程

本发明涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种流体管道泄漏源监测定位系统及方法。

背景技术：

近年来，因油气管道泄漏导致的灾难性事故频发，管道的安全运行和维护受到了威胁和挑战。因此需要使用先进的科学手段建立管道安全预报警体系，通过有效的技术手段对管道内流体泄漏事故进行实时监测，准确发出泄漏报警并快速定位，以便于生产单位启动相应的应急预案，减少类似安全事故的发生。

目前，能够对管道内流体泄漏的监测方法有多种，例如，压力点分析法、负压波法、流量差监测法、光缆监测法等，但是这些方法只能够应用于液体泄漏源位置的监测定位，且通过上述方法定位结果偏差较大。而常用的能够对气体泄漏源位置的定位法有两种，第一种为声波法，通过检测管道内气体泄漏时产生的次声波信号到达检测器的时间，乘以气体内部次声波的传播速度，即可定位气体泄漏位置，但是在实际使用中，由于次声波信号受温度、压力、流速和密度影响的波动较大，因此同一管道不同工况环境下采用该方法的定位结果偏差较大；第二种为瞬态模型法，通过数值模拟预报管线检测点处的理论压力,与实际的测量压力进行比较，当两者之间的差值达到或超过某一个阈值时即认为管线发生了泄漏，然后通过定位公式对泄漏点进行定位，虽然这种方法是目前应用最广泛的定位方法，但是该定位方法的检测灵敏度差，即在管道发生小泄漏时可能存在检测不到，发生漏报的现象。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种流体管道泄漏源监测定位系统及方法，解决了现有技术中采用固定算法结合特定工况环境参数计算得出的泄漏源定位结果不准确的问题。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供一种流体管道泄漏源监测定位系统，包括主站单元和n个子站单元，n个所述子站单元沿流体管道方向依次分布，各所述子站单元分别与所述流体管道连通，n≥2；其中，所述主站单元包括声波等级测定模块和定位计算模块，所述声波等级测定模块的输入端分别与各所述子站单元交互连接，所述声波等级测定模块的输出端与所述定位计算模块连接；

所述子站单元用于探测泄漏源声波信号，采集管道本体信息以及对应管道内的流体信息，组成数据集合；

所述声波等级测定模块用于根据最先接收到的一组所述数据集合测定泄漏源声波等级lnoise；

所述定位计算模块用于根据所述泄漏源声波等级计算定位所述泄漏源位置。

优选的，所述子站单元包括设有gps模块的次声波传感器、压力变送器、流量检测器以及数字化仪，所述次声波传感器通过传感器球阀与所述流体管道连通，所述压力变送器通过压力变送器球阀与所述流体管道连通，所述流量检测器设在所述流体管道上，所述数字化仪的一端分别与所述次声波传感器、所述压力变送器和所述流量检测器连接，所述数字化仪的另一端与所述声波等级测定模块连接；

所述次声波传感器用于探测所述泄漏源声波信号，所述压力变送器和所述流量检测器用于检测管道内的流体信息，所述流体信息包括管道瞬时压力值p和管道瞬时流量值q；

所述数字化仪用于根据控制信号分别控制所述次声波传感器、所述压力变送器和所述流量检测器的开关状态，以及采集所述管道本体信息，所述管道本体信息包括管道粗糙度ε、管道直径d、流体中次声波传播速度cw、管道材料密度ρw、管壁厚度s、管道内传输介质的密度ρf和绝对温度t。

进一步的，所述主站单元还包括与所述声波等级测定模块连接的主控模块，所述主控模块用于接收所述泄漏源声波等级lnoise，并释放增益控制信号；

所述次声波传感器还用于根据所述增益控制信号，放大增益z。

优选的，所述定位计算模块包括算法选择子模块以及分别与所述算法选择子模块连接的次声波法子模块、瞬态模型法子模块、次声波-瞬态模型法子模块；

所述算法选择子模块用于预设低阈值ll和高阈值lh，当泄漏源声波等级lnoise＜低阈值ll时，选择次声波法子模块定位所述泄漏源位置，当泄漏源声波等级lnoise＞高阈值lh时，选择瞬态模型法子模块定位所述泄漏源位置，当低阈值ll时≤泄漏源声波等级lnoise≤高阈值lh，选择次声波-瞬态模型法子模块定位所述泄漏源位置；

所述次声波法子模块采用次声波法监测并计算泄漏源至最近所述子站单元的距离sc；

所述瞬态模型法子模块采用瞬态模型法监测并计算泄漏源至最近所述子站单元的距离ss；

所述次声波-瞬态模型子模块采用噪声归一法监测并计算泄漏源至最近所述子站单元的距离sz，sz＝gc*sc+gs*ss，其中，

优选的，所述放大增益z＝5*lnoise，所述低阈值ll＝400，所述高阈值lh＝600。

与现有技术相比，本发明提供的流体管道泄漏源监测定位系统具有以下

有益效果：

本发明提供的流体管道泄漏源监测定位系统中，由主站单元和n个子站单元组成，主站单元包括等级测定模块和与之连接的定位计算模块，等级测定模块分别与n个子站单元交互连接，且各子站单元沿流体管道方向依次分布；本发明通过采用在流体管道上分布布置子站单元的方式，使得各子站单元实时监测对应小段的流体管道，从而在任一小段的流体管道发生泄漏时，都能够被离其最近处的子站单元探测到泄漏源声波信号，然后通过主站单元锁定该子站单元所处流体管道位置，可初步定位泄漏源的大致位置处。

另外，子站单元还能够采集管道本体信息以及对应管道内的流体信息，使得声波等级测定模块根据泄漏源声波信号、管道本体信息和管道内的流体信息测定当前泄漏源声波等级lnoise(噪声等级)，当泄漏源声波等级lnoise仅适用次声波法的计算条件时，则采用次声波法计算得到泄漏源至最近处子站单元的距离，当泄漏源声波等级lnoise仅适用瞬态模型法的计算条件时，则采用瞬态模型法计算得到泄漏源至最近处子站单元的距离，而当泄漏源声波等级lnoise即适用次声波法的计算条件，又适用瞬态模型法的计算条件时，则采用精确度更高的次声波-瞬态模型法计算得到泄漏源至最近处子站单元的距离。

可见，相比较于现有技术中只采用次声波法定位泄漏源位置而言，本发明提供的流体管道泄漏源监测定位系统能够根据泄漏源声波等级lnoise，在不同工况下自动选择合适算法计算得到泄漏源至最近处子站单元的距离，再结合最近处子站单元所处流体管道位置，进而准确的对泄漏源进行定位。

本发明的另一方面提供一种流体管道泄漏源监测定位方法，应用于上述技术方案所述的流体管道泄漏源定位系统中，所述方法包括：

探测泄漏源声波信号，采集管道本体信息以及对应管道内的流体信息，组成数据集合；

根据最先接收到的一组所述数据集合测定泄漏源声波等级lnoise；

根据所述泄漏源声波等级计算定位所述泄漏源位置。

优选的，在测定得到泄漏源声波等级lnoise之后，利用主控模块释放增益控制信号，使得次声波传感器根据增益控制信号，放大增益z。

较佳的，所述根据最先接收到的一组数据集合测定泄漏源声波等级lnoise的方法包括：

其中，a为修正系数、ε为管道粗糙度、r为噪声衰减系数、d为管道直径、b为温度产生的噪声修正系数、△e为数据修正系数。

进一步的，所述噪声衰减系数r的计算方法为：

所述温度产生的噪声修正系数b的计算方法为：

所述数据修正系数△e的计算方法为：

其中，p表示管道瞬时压力值、q表示管道瞬时流量值、cw表示流体中次声波传播速度、ρw表示管道材料密度、s表示管壁厚度、ρf表示管道内传输介质的密度、t表示绝对温度、v表示流体流速。

优选的，所述定位计算模块包括算法选择子模块、次声波法子模块、瞬态模型法子模块和次声波-瞬态模型法子模块，所述根据泄漏源声波等级，对应选择次声波法、瞬态模型法、次声波-瞬态模型法中的任一种定位泄漏源位置的方法包括：

利用算法选择子模块预设低阈值ll和高阈值lh；

判断所述泄漏源声波等级lnoise与所述低阈值ll和所述高阈值lh的关系；

当泄漏源声波等级lnoise＜低阈值ll时，选择次声波法子模块采用次声波法监测并计算泄漏源至最近所述子站单元的距离sc；

当泄漏源声波等级lnoise＞高阈值lh时，选择瞬态模型法子模块采用瞬态模型法监测并计算泄漏源至最近所述子站单元的距离ss；

当低阈值ll时≤泄漏源声波等级lnoise≤高阈值lh，选择次声波-瞬态模型子模块采用噪声归一法监测并计算泄漏源至最近所述子站单的距离sz，sz＝gc*sc+gs*ss，其中，gs＝1-gc，

与现有技术相比，本发明提供的流体管道泄漏源监测定位方法的有益效果与上述技术方案提供的流体管道泄漏源监测定位系统的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一中流体管道泄漏源监测定位系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一中流体管道泄漏源监测定位系统的结构框图；

图3为本发明实施例二中流体管道泄漏源监测定位方法的流程示意图。

附图标记：

1-子站单元，2-主站单元；

11-次声波传感器，12-压力变送器；

13-传感器球阀，14-压力变送器球阀；

15-流量检测器，16-数字化仪；

21-声波等级测定模块，221-次声波法子模块；

222-瞬态模型法子模块，223-次声波-瞬态模型法子模块；

224-算法选择子模块，23-主控模块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1和图2，本实施例提供一种流体管道泄漏源监测定位系统，包括主站单元2和n个子站单元1，n个子站单元1沿流体管道方向依次分布，各子站单元1分别与流体管道连通，n≥2；其中，主站单元2包括声波等级测定模块21和定位计算模块，声波等级测定模块21的输入端分别与各子站单元1交互连接，声波等级测定模块21的输出端与定位计算模块连接；子站单元1用于探测泄漏源声波信号，采集管道本体信息以及对应管道内的流体信息，组成数据集合；声波等级测定模块21用于根据最先接收到的一组数据集合测定泄漏源声波等级lnoise；定位计算模块用于根据泄漏源声波等级计算定位泄漏源位置。

具体实施时，依据同一工况环境下声波的传播速度相同的原理，当相邻子站单元1间存在泄漏源时，离泄漏源最近处的子站单元1最先探测到泄漏源声波信号，且此时探测到的泄漏源声波信号的质量最佳，然后，利用声波等级测定模块21根据泄漏源声波信号、管道本体信息、管道内的流体信息组成的数据集合测定泄漏源声波等级lnoise，通过泄漏源声波等级lnoise判断流体管道上是否存在泄漏源，并在监测到有泄漏源的情况下，利用定位计算模块根据泄漏源声波等级计算定位泄漏源的具体位置。

通过上述具体实施过程可知，本实施例提供的流体管道泄漏源监测定位系统中，由主站单元2和n个子站单元1组成，主站单元2包括声波等级测定模块21和与之连接的定位计算模块，声波等级测定模块21分别与n个子站单元1交互连接，且各子站单元1沿流体管道方向依次分布；本实施例通过采用在流体管道上分布布置子站单元1的方式，使得各子站单元1实时监测对应小段的流体管道，从而在任一小段的流体管道发生泄漏时，都能够被离其最近处的子站单元1探测到泄漏源声波信号，然后通过主站单元2锁定该子站单元1所处流体管道位置，可初步定位泄漏源的大致位置处。

另外，子站单元1还能够采集管道本体信息以及对应管道内的流体信息，使得声波等级测定模块21根据泄漏源声波信号、管道本体信息和管道内的流体信息测定当前泄漏源声波等级lnoise(噪声等级)，当泄漏源声波等级lnoise仅适用次声波法的计算条件时，则采用次声波法计算得到泄漏源至最近处子站单元1的距离，当泄漏源声波等级lnoise仅适用瞬态模型法的计算条件时，则采用瞬态模型法计算得到泄漏源至最近处子站单元1的距离，而当泄漏源声波等级lnoise即适用次声波法的计算条件，又适用瞬态模型法的计算条件时，则采用精确度更高的次声波-瞬态模型法计算得到泄漏源至最近处子站单元1的距离。

可见，相比较于现有技术中只采用次声波法定位泄漏源位置而言，本实施例提供的流体管道泄漏源监测定位系统能够根据泄漏源声波等级lnoise，在不同工况下自动选择合适算法计算得到泄漏源至最近处子站单元1的距离，再结合最近处子站单元1所处流体管道位置，进而准确的对泄漏源进行定位。

具体的，请继续参阅图1和2，上述实施例中的子站单元1包括设有gps模块的次声波传感器11、压力变送器12、流量检测器15以及数字化仪16，次声波传感器11通过传感器球阀13与流体管道连通，压力变送器12通过压力变送器球阀12与流体管道连通，流量检测器15设在流体管道上，数字化仪16的一端分别与次声波传感器11、压力变送器12和流量检测器15连接，数字化仪16的另一端与声波等级测定模块21连接；次声波传感器11用于探测泄漏源声波信号，压力变送器12和流量检测器15用于检测管道内的流体信息，流体信息包括管道瞬时压力值和管道瞬时流量值；数字化仪16用于根据控制信号分别控制次声波传感器11、压力变送器12和流量检测器15的开关状态，以及采集管道本体信息，管道本体信息包括管道粗糙度、管道直径、流体中次声波传播速度、管道材料密度、管壁厚度、管道内传输介质的密度和绝对温度。

具体实施时，根据上述泄漏源声波信号、管道本体信息和管道内的流体信息测定泄漏源声波等级lnoise的方法如下：

其中，a为修正系数、ε为管道粗糙度、r为噪声衰减系数、d为管道直径、b为温度产生的噪声修正系数、△e为数据修正系数。

进一步的，噪声衰减系数r的计算方法为：

温度产生的噪声修正系数b的计算方法为：

数据修正系数△e的计算方法为：

需要说明的是，p表示管道瞬时压力值、q表示管道瞬时流量值、cw表示流体中次声波传播速度、ρw表示管道材料密度、s表示管壁厚度、ρf表示管道内传输介质的密度、t表示绝对温度、v表示流体流速。

通过上述具体实施过程可知，利用设有gps模块的次声波传感器11探测泄漏源声波信号，在泄漏源声波信号中加入时间和定位标签，用来排除网络链路延时对定位造成的影响，此外，使用高精度的压力变送器12和高精度的流量检测器15能够准确测量当前管道内的流体信息，并通过数字化仪16采集管道本体信息，使得上述数据组成的数据集合准确反映当前流通管道的实际工况，进而通过数字化仪16将该数据集合转发至声波等级测定模块21远程测定泄漏源声波等级lnoise。

请参阅图2，为了提高次声波传感器11探测泄漏源声波信号的灵敏度，上述实施中的主站单元2还包括与声波等级测定模块21连接的主控模块23，主控模块23用于在接收泄漏源声波等级lnoise后，释放增益控制信号；次声波传感器11用于根据增益控制信号，放大增益z。优选的，放大增益z＝5*lnoise，这样可使该放大增益达到次声波传感器11的最大量程，从而提高探测灵敏度。

可以理解的是，子站单元1设置的数量可根据流体管道的长度自由设置，在流体管道总长度一定的条件下，设置的子站单元1数量越多，则相邻子站单元1的间隔距离越近，通过子站单元1探测到流体泄漏信号的准确度也越高，进而定位的泄漏源位置越准确。因此，本实施不对子站单元1设置的数量进行限定，本领域技术人员可根据流体管道的实际情况自由选择。

进一步的，请继续参阅图2，上述实施例中的定位计算模块包括算法选择子模块224以及分别与算法选择子模块224连接的次声波法子模块221、瞬态模型法子模块222、次声波-瞬态模型法子模块222；算法选择子模块224用于预设低阈值ll和高阈值lh，当泄漏源声波等级lnoise＜低阈值ll时，选择次声波法子模块221定位泄漏源位置，当泄漏源声波等级lnoise＞高阈值lh时，选择瞬态模型法子模块222定位泄漏源位置，当低阈值ll时≤泄漏源声波等级lnoise≤高阈值lh，选择次声波-瞬态模型法子模块223定位泄漏源位置；次声波法子模块221采用次声波法监测并计算泄漏源至最近子站单元1的距离sc；瞬态模型法子模块222采用瞬态模型法监测并计算泄漏源至最近子站单元1的距离ss；次声波-瞬态模型子模块223采用噪声归一法监测并计算泄漏源至最近子站单元1的距离sz，sz＝gc*sc+gs*ss，其中，

gs＝1-gc，示例性的，低阈值ll＝400，高阈值lh＝600。

具体实施时，采用次声波法定位泄漏源位置的具体方法如下：泄漏源处在相邻的第n-1子站单元1和第n子站单元1之间，且泄漏源至第n-1子站单元1的距离最近，测得第n-1子站单元1至第n子站单元1之间的距离为δd，然后记录第n子站单元1和第n-1子站单元1探测到同一泄漏源声波信号的时间差δt，并采集当前工况环境下泄漏源发出次声波的传播速度v1，求得泄漏源至第n-1子站单元1的距离进而结合第n-1子站单元1的所处流体管道的位置，实现对泄漏源准确定位。

采用瞬态模型法定位泄漏源位置的具体方法如下：绘制泄漏发生前管道全线压力分布曲线，得到流体正常流量q，绘制泄漏发生后在第n-1子站单元1的边界条件仿真得到的管线压力分布曲线,得到泄漏点前的流量为q+δq1，绘制泄漏发生后在第n子站单元1的边界条件仿真得到的管线压力分布曲线，得到泄漏点后的流量为q-δq2，以及获取第n-1子站单元1至第n子站单元1之间的距离为δd，然后利用输气管稳定流动的伯努利方程推导得出泄漏点至第n-1子站单元1的距离ss，计算公式如下：

进而实现对泄漏源进行定位。

采用次声波-瞬态模型法定位泄漏源位置的具体方法如下：通过噪声归一法监测并计算泄漏源至最近所述子站单元1的距离sz，sz＝gc*sc+gs*ss，其中，gs＝1-gc，进而实现对泄漏源进行定位。

通过上述具体实施过程可知，当泄漏源声波等级lnoise即适用于次声波法的计算条件，又适用于瞬态模型法的计算条件时，这时系统选用次声波-瞬态模型子模块根据当前工况环境下的泄漏源声波等级lnoise，分别对次声波法测得的距离sc和瞬态模型法测得的距离ss进行权重分段计算以得到泄漏点至第n-1子站单元1的准确距离，并对其定位，相比较于现有技术中采用固定算法结合特定工况环境参数计算得出定位结果而言，本实施例结合了泄漏源声波等级lnoise，利用了噪声归一法对泄漏源进行测算分析，因此得到的定位结果更准确。

实施例二

请参阅3，本发明实施例提供了一种流体管道泄漏源监测定位方法，包括：

探测泄漏源声波信号，采集管道本体信息以及对应管道内的流体信息，组成数据集合；

根据最先接收到的一组所述数据集合测定泄漏源声波等级lnoise；

根据所述泄漏源声波等级计算定位所述泄漏源位置。

优选的，在测定得到泄漏源声波等级lnoise之后，利用主控模块23释放增益控制信号，使得次声波传感器11根据增益控制信号，放大增益z。

较佳的，所述根据最先接收到的一组数据集合测定泄漏源声波等级lnoise的方法包括：

其中，a为修正系数、ε为管道粗糙度、r为噪声衰减系数、d为管道直径、b为温度产生的噪声修正系数、△e为数据修正系数。

进一步的，所述噪声衰减系数r的计算方法为：

所述温度产生的噪声修正系数b的计算方法为：

所述数据修正系数△e的计算方法为：

其中，p表示管道瞬时压力值、q表示管道瞬时流量值、cw表示流体中次声波传播速度、ρw表示管道材料密度、s表示管壁厚度、ρf表示管道内传输介质的密度、t表示绝对温度、v表示流体流速。

优选的，所述根据泄漏源声波等级，对应选择次声波法、瞬态模型法、次声波-瞬态模型法中的任一种定位泄漏源位置的方法包括：

利用算法选择子模块224预设低阈值ll和高阈值lh；

判断所述泄漏源声波等级lnoise与所述低阈值ll和所述高阈值lh的关系；

当泄漏源声波等级lnoise＜低阈值ll时，选择次声波法子模块221采用次声波法监测并计算泄漏源至最近所述子站单元1的距离sc；

当泄漏源声波等级lnoise＞高阈值lh时，选择瞬态模型法子模块222采用瞬态模型法监测并计算泄漏源至最近所述子站单元1的距离ss；

当低阈值ll时≤泄漏源声波等级lnoise≤高阈值lh，选择次声波-瞬态模型子模块223采用噪声归一法监测并计算泄漏源至最近所述子站单元1的距离sz，sz＝gc*sc+gs*ss，其中，gs＝1-gc，

与现有技术相比，本发明实施例提供的流体管道泄漏源监测定位方法的有益效果与上述实施例一提供的流体管道泄漏源定位系统的有益效果相同，在此不做赘述。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：rom/ram、磁碟、光盘、存储卡等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。