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基于流动辨识的长输油气管线泄漏监测方法研究

白莉  
【摘要】:工业流体管道泄漏事故导致巨大的经济损失、资源浪费和环境污染,有时甚至危及生命安全。长输管道的安全可靠运行正受到越来越多来自工程、环境和社会的关注。由于管道老化或工作环境导致的管道腐蚀穿孔造成持续性小规模的泄漏,这种泄漏的及早发现与准确定位是当前国际上海底油气长输管线泄漏检测技术的难题。在随机非平稳变化的管道运输工况调节过程中有效监测到泄漏并准确定位,是国内外各种泄漏检测方法及软件在工程应用中的薄弱环节。 本课题的研究目标是针对海底管道油气运输的安全问题,探求用于海管监测系统可靠有效的泄漏检测方法和技术。针对研制和开发一个具有实用检测性能的长输管线流动监测系统的核心——泄漏检测的有效性问题(精确性、敏感性、可靠性和稳健性)展开方法研究。 第一章回顾了长输管线在工业应用中的发展和现状以及一些重大泄漏事故的回顾。综述国内外研究方法和实际应用中的问题。结合海底油气管线运行的特殊性,将问题归结为基于有压流动辨识和状态估计问题。运行中流体管线一旦出现泄漏,意味着管线系统的组成、布置或边界条件发生改变。根据观测序列辨识模型参数属于求解系统辨识反问题的范畴。考虑流体性质及管道物理性质的影响,基于管道流动模型的方法能够提供管道流动特征的详细和精确描述,对泄漏敏感,但前提是管道流动实时模型与实际过程保持相容。 第二章给出了基本管内瞬变流动力学方程组,考虑到输送流体的性质,如粘性、可压缩性、状态相变等的不同,分别给出了相应的控制方程组。 第三章提出一种基于自适应滤波的管道泄漏统计监测方法,视泄漏为目标信号,引入通过新息进行有色噪声中复合信号检测的思想。对观测序列中的有色噪声进行自适应滤波,使问题转化为白噪声中未知信号幅值的检验问题。给定误警概率和漏报概率,施行具有个致最大功效的似然比检验(Uniformly Most Powerful Test,UMPT)。给出的平稳和非平稳运行的管道泄漏试验,UMPT都能以95%的检测概率迅速给出准确判决,误警概率低于5%。体现该方法对泄漏的敏感性和对非平稳运行的稳健性。引用国际上著名基于统计分析的泄漏检测系统所给算例进行分析对比,UMPT的改进在于明显缩短了检测时间。 第四章首先将管道流动监测与泄漏检测问题归为有压瞬变流反问题的求解——系统在线辨识。即通过观测部分模型参数的数据,实时动态地辨识管道系统元件的动态特性或模型参量的时空分布。在过渡流模拟中引入非线性分布参数系统扩展卡尔曼滤波(the Extended Kalman Filter)的管道流动状态估计。经模型试验数据验证,表明具有时变跟踪能力的扩展卡尔曼滤波器滤除特征线法(Characteristic Method)过渡流模拟在泄漏监测中 基于流动辨识的长输油气管线泄漏监测方法研究 受到的噪声干扰的情况下得到稳定、准确度高的近似解。提出利用观测序列在线更新水 力摩阻系数获取较好定位精度的时均DW公式泄漏定位方法。能够分别与UMPT和 CME灯结合完成泄漏检测与定位。一组平稳流动试验数据得到定位平均相对精度为 2 .41%。 第五章主要根据泄漏导致管道流动水力要素不仅在空间上而且在时间上也具有特 征发展趋势,扩展了进出口流量差中泄漏信号统计检测的思想,对四个观测序列分别构 造时间差序列,进行准一致最大功效似然比检验,进一步提出基于信息融合的多传感器 观测序列分布式广义似然比检测与决策融合口istribution Deteetion and Deeision Fusion based on oenerally Li址lihood Rati。Test,D一GLRT)进行长输油气管线泄漏监测的算法。通 过试验数据和一条实际海底长输天然气/凝析油管线的分析表明此算法不仅具有准一致 最大功效似然比检验对小泄漏的高敏感性,适用输送流体为水、天然气、原油及气一液 两相流,且对流体性质在输送过程中动态变化具有稳健性。 第六章侧重进行水力模型试验验证基于UMPT、CMEKF和D一GLRT三种泄漏检测方 法的性能。根据不同边界条件下管道流动特征,区分泄漏与工况调节的模式。分析平稳 非平稳流动以及过渡流动中各种典型运行工况中应用所提算法的性能。基于大量试验水 管试验数据分析得到的泄漏监测性能指标: 非平稳流动泄漏检测的误报概率小于5%。可有效监测(指的是在给定相对定位精度 和误报概率内)的最小泄漏流量相对进口流量为0.8%。非平稳流动泄漏定位平均相对误 差小于4.犯%。 第七章总结全文的工作,并展望进一步的研究工作。 本文研究工作以中国海洋石油研究中心外委项目—海底油气管线泄漏检测系统技 术研究(C NOOCRC一DEI一2002一002)为背景。本文工作填补了国内在海底长输油气管线泄 漏计算机检测与监测研究领域的空白。


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