城镇燃气管道泄漏诊断技术研究

来源:四川燃气 更新时间:2018-10-16 阅读:52

  • 长宁县天能燃气有限责任公司  李 波


          【摘  要】:城镇燃气的蓬勃发展对国民经济水平的提高和社会事业的发展起到了重要作用,随着燃气输配管网大面积的敷设,随之而来的安全问题也越来越突出。为了保证城镇燃气管网的安全运行,本文对城镇燃气管网的泄漏诊断进行了研究。对城镇燃气管网的泄漏监测,提出将SCADA系统和管网仿真系统结合来进行监测,及时发现管网的泄漏故障;针对城镇管网中SCADA系统监测点的个数太少,不能满足泄漏监测和诊断精度这个问题,引入了灵敏度法,增设了监测点,提高精确性;BP神经网络模式识别法识别管网的泄漏段,提高泄漏诊断效率。
          【关键词】:燃气管网  泄漏  诊断  
          1.研究现状
      在管道工业发展的几十年中,国内外学者针对管道燃气泄漏检测作了大量的研究,取得了一些成果,但是目前还没有一种通用的、简单可靠的方法。
      国外管道泄漏检测的研究在70年代末处于起步阶段,80年代末进入了商品阶段,90年代开始趋于成熟,一些公司相继开发出了泄漏检测系统并投入到在实际工程中,如1992年英国壳牌公司基于序列概率比试验方法开发出长输管线检漏系统,该系统适用性好,维护方便,但是定位精度差。
      国内管道泄漏检测研究的起步要晚于国外,直到80年代,国内学者开始对管道实时模型法、应力波法和负压力波法等进行了研究。90年代管道泄漏检测技术得到了快速提高,1993年清华大学开发了用于输油管道的实时监测系统,1997年天津大学发开了用于濮阳站到滑县站输油管道上的监测系统。
      早期国内外对管网泄漏的检测采用基于硬件的方法,主要有直接观察法、声波法、和放射性示踪剂检漏法等。这些方法共同的缺陷是不能及时有效地发现泄漏。随着计算机技术、自动控制理论和人工智能等学科的发展,基于软件的泄漏检测法逐步取代基于硬件的方法,主要有质量平衡法、负压力波法、相关分析法、压力分布图法、小波变换法和模型法等。
      目前输油管道和输气长输管线泄漏检测的研究已趋于成熟,而对城镇燃气管网泄漏检测的研究并不多,由于城镇燃气管网的复杂性和用气负荷的不均匀性,城镇燃气管网的泄漏检测是一个难点。
            2.发展趋势
      为了提高管网监测的灵敏度、降低误报警率,提高泄漏定位的精确度和可靠性,泄漏检测方法主要以下发展趋势:
      (1)SCADA系统与泄漏检测系统的结合
      SCADA系统实时采集的监测点运行数据可以作为管网泄漏检测的基础数据,因此SCADA系统与泄漏检测系统的结合已成为一个主要趋势。
      (2)光纤传感器的应用
      随着分布式光纤传感器的发展,可以将光纤传感器应用于管网中,实时测量管网运行参数,为泄漏检测提供基础数据。光纤传感器具有优越的抗干扰性和解决信号衰减的性能,具有良好的应用前景。
      (3)不同人工智能法的结合
      不同人工智能的法的优缺点各异,将不同的人工智能技术结合起来可以弥补各自的不足之处,这种混合泄漏诊断法是泄漏诊断研究的一个发展趋势。
      3. SCADA系统
      SCADA系统是以监督为基础的一种计算机控制系统,通过监测和控制现场运行的设备实现生产过程与优化调度的自动化控制。
      60年代中期SCADA系统(即监视控制及数据采集系统)已经在国外取得了较为系统的研究,并于70年代应用于工业发达的国家。80年代初期,随着功能的完善SCADA系统广泛地应用于城镇供水、城镇燃气、城镇供热、城镇供电等网络中。
      SCADA系统监测点通常依据经验法布置在大用户节点处,监测点的个数不能满足泄漏监测及诊断的要求。监测点的个数越多,管网故障诊断的结果越精确,但是设置过多的监测点并不现实,不仅提高了投资成本,而且增加了数据储存和处理负担。因此在保证对管网进行有效的实时监控下,如何选择最少个数的监测点,并确定监测点的位置是需要研究的重点。
      当管网某根管段发生泄漏时,必然会引起各节点压力的变化,然而各节点压力的变化程度是不同的,压力变化大的节点可能是最佳的监测点。
      采用山东建筑大学燃气教研室开发的燃气管网在线模拟软件进行城镇燃气管网的故障运行状况模拟,具体步骤如下:
      (1)用软件模拟城镇燃气管网正常运行时各节点压力值;
      (2)分别模拟每根管段发生5%泄漏时,管网各节点的压力值;
      (3)用正常工况下的压力值减去相应节点泄漏工况下的压力值,可得到监测点优化布置的基础数据。
      4. 管网在线仿真系统
      张明光等学者研究的城镇燃气管网在线仿真系统,是通过SCADA系统采集管网监测点的实时数据对所有燃气管网节点参数进行在线模拟,以下详细介绍管网在线仿真系统的计算原理。
      (1)节点流量计算
      节点流量计算法常用的有比流量法和区域划分法,由于燃气管网用气分布和用气负荷不均匀,这两种方法用于在线模拟中的误差较大。而节点流量计算精度对管网在线模拟结果精度的影响很大,为了提高模拟精度,节点流量计算采用实时采集和实时调整的方法。
      (a)SCADA系统监测点流量计算
         对于已经布置监测点的管网节点,节点流量可以通过SCSDA系统实时采集。
      (b)未监测用户节点流量计算
      各类用户的用气情况是不均匀的,影响用气不均匀的因素有很多,如气候状况、当地生活水平、作息制度等。不同种类用户用气规律也是不同的,因此不同用户分开研究。选取具有代表性的居民用户用气节点、公福用户用气节点、工业用户用气节点、采暖用户用气节点、汽车用户用气节点,对这几类用气节点的用气量进行统计,可以安装自动抄表系统或者进行人工测量,以24小时为周期,统计每小时的用气量,可以得到各类用户节点小时流量系数:
      首先计算当前时刻监测点压力值的实时数据和模拟数据的差值,然后计算当前时刻与前一天该时刻的监测点压力值的实时数据的差值,当两个差值都大于设定的阈值,并且当前时刻监测点压力值的实时数据小于上一时刻压力值的实时数据时,发出泄漏故障报警。现在的问题是该如何设定阈值,如果阈值设的太大会,当出现故障时会漏报,反而设的太小的话会出现误报警。
      阈值的设定往往需要综合考虑各种因素,主要为管网在线仿真系统的模拟误差。管网在线仿真系统的模拟误差在5%以内,因此泄漏故障报警的阈值可以设定为5%。受到管网在线仿真系统精度的限制,管网泄漏监测系统只能监测到管段断裂这样的大泄漏事故。
      5. BP神经网络
      神经网络的神经元是通过网络的信息处理来相互作用,这些信息的存储取决于神经网络的结构以及取值和阈值。神经网络具有模式识别功能,样本数据通过隐含层神经元的运算,在特征空间提取模式特征,实现类别的划分,最后将划分的结果通过输出层输出,类别划分后可以对一组新数据的类型进行识别。BP神经网络广泛应用于各领域中,是应用于设备检测与故障诊断方面最为广泛的基本网络之一,本文也采用BP神经网络的模式识别功能,对城镇燃气管网的泄漏进行识别。
      基于BP神经网络的泄漏识别系统数据融合构建原理为:创建神经网络结构(网络层数,各层神经元个数);设定网络参数的初始值(权值和阈值赋初值);
      输入泄漏样本数据,并在特征空间中提取特征值作归一化处理;通过处理好的样本数据对神经网络进行学习,直到达到预期的误差或者学习次数;采集新的泄漏数据进行仿真,得到泄漏识别结果。
      管网各节点流量是随时间不断变化的,因此不同时刻管网正常运行参数和泄漏模拟参数都是不同的。BP神经网络参数(权值和阈值)是基于样本数据通过训练得到的,因此在不同时段内BP神经网络参数也是不同的。
      本文建议在建立BP神经网络泄漏识别系统时,根据城镇燃气管网的日用气规律划分非均匀时间间隔,每个时间段内保存一组神经网络参数。
      6. 结论
      本文基于BP神经网络模式识别法和管网模型法,对城镇燃气管网的泄漏诊断进行了研究。综合本文的分析,主要研究成果如下:
      (1)针对城镇燃气管网泄漏事故的监测,提出了SCADA系统和管网在线仿真系统结合法进行泄漏监测。由于管网在线仿真系统精度的限制,只能监测到管段断裂等大泄漏事故。SCADA系统通常采用经验法,将监测点布置在大用户节点处,监测点的个数不能满足泄漏诊断的要求,本文采用灵敏度法对SCADA系统增加监测点。
      (2)探讨了城镇燃气管网的泄漏识别。本文提出BP神经网络模式识别法进行泄漏识别,对已经分区的管网首先识别泄漏区域,然后在泄漏区域中识别泄漏管段。BP神经网络的识别精度很高,不考虑数据采集误差的前提下,可以识别泄漏量为2%以上的事故。泄漏识别结果验证了采用BP神经网络法可以识别小泄漏故障。
      (3)引入模糊聚类法对城镇燃气管网进行分区。城镇燃气管网的管段个数少则数百多则上千,大量的管段个数不仅影响了BP神经网络管的识别精度,而且降低了诊断的效率。将管网分区后,每个区域内的管段个数明显少于整个管网的管段个数,可以提高识别精度和诊断效率。管网分区的结果表明相同区域内的管段并不是都彼此相连的,因此管网分区是根据某种内在联系的虚拟分区,而不是空间上的分区。
      (4)研究了泄漏点的计算方法。BP神经网络只能对泄漏识别到段,不能将泄漏定位到点,为了求解泄漏点,建立了管段的泄漏模型,并采用模型法对泄漏点进行了求解,弥补了BP神经网络只能识别到段的缺陷。在不考虑仪表误差的前提下,定位误差在5%以内。计算结果验证了模型法用于泄漏点定位的可行性。
       
    参考文献:
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