一种天然气管网泄漏分级定位方法与流程

本发明涉及天然气管网运行监测领域，具体涉及一种天然气管网泄漏分级定位方法。

背景技术：

1、天然气管网通常由调压设备、阀门、分支管段、计量节点以及沿线监测点构成，运行过程中需要对管网压力、流量、阀门状态和用气负荷进行持续监测。当管道发生泄漏时，泄漏位置附近的压力、流量或甲烷浓度会产生异常变化，现有技术中通常通过scada运行数据、管网拓扑模型、压力波到达时差、声波或振动信号、甲烷浓度检测等方式判断泄漏是否发生，并进一步估算泄漏管段或泄漏点位置。

2、在实际城市天然气管网中，管网结构往往包含环状供气、支路供气和调压站分区供气等多种形式，阀门开闭状态、供气方向、调压设备出口设定压力和下游用气负荷会随运行工况变化而变化。对于突发泄漏，压力波或声波特征较为明显，能够通过到达时差进行定位；但对于微小泄漏或缓慢发展的泄漏，压力突变不明显，声波和振动信号容易被运行噪声掩盖，单纯依赖压力突变、声波到达时差或固定阈值判断，容易出现候选管段范围过大或者误定位的问题。

3、同时，甲烷浓度检测虽然能够反映泄漏气体在地表、阀门井或地下空间中的扩散情况，但浓度分布会受到埋深、地面覆盖、阀门井连通关系、风向和巡检位置的影响，浓度最高位置并不必然对应管内泄漏点。现有将压力、流量、声波、振动或浓度数据直接融合计算泄漏位置的方式，通常未针对微残差型泄漏、稳定扩散型泄漏和瞬态冲击型泄漏分别建立对应的定位路径，也缺少在候选定位单元形成后利用管网运行响应进行反向校核的机制，导致复杂管网在不同泄漏形成机理下仍存在定位结果不稳定的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种天然气管网泄漏分级定位方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种天然气管网泄漏分级定位方法，包括以下步骤：

4、s1：获取天然气管网的管线拓扑、阀门位置、调压设备位置、分支节点位置、计量节点位置和测点布置位置，并按照阀门可隔离关系将天然气管网划分为多个阀门可隔离单元；

5、s2：针对每一阀门可隔离单元，基于历史同工况运行数据、当前调压状态、阀门开闭状态和下游用气负荷建立动态运行基准，并基于动态运行基准、管线拓扑、测点相对位置和模拟泄漏数据，形成与该阀门可隔离单元对应的扰动响应矩阵；

6、当存在历史泄漏数据时，以历史泄漏数据对模拟泄漏数据对应的响应参数进行修正；扰动响应矩阵记录该阀门可隔离单元在泄漏工况下相邻测点的响应顺序、响应幅值和残差持续时间；

7、s3：实时采集阀门可隔离单元及其相邻阀门可隔离单元的压力数据、流量数据、调压状态数据和泄漏辅助检测数据，并根据动态运行基准计算泄漏残差特征，泄漏残差特征包括压力残差、流量残差、残差持续时间、残差传播顺序和瞬态波形特征；

8、s4：根据压力残差和流量残差的持续状态、泄漏辅助检测数据的空间变化方向以及瞬态波形特征中突变到达时差的形成状态，将泄漏状态划分为微残差型泄漏、稳定扩散型泄漏和瞬态冲击型泄漏；

9、s5：根据泄漏状态选择对应的定位路径；当泄漏状态为微残差型泄漏时，将泄漏残差特征与扰动响应矩阵进行匹配，确定候选阀门可隔离单元；

10、当泄漏状态为稳定扩散型泄漏时，将泄漏残差特征与扰动响应矩阵进行匹配确定候选阀门可隔离单元，并在候选阀门可隔离单元内结合泄漏辅助检测数据的空间变化方向确定候选管段；

11、当泄漏状态为瞬态冲击型泄漏时，基于突变到达时差确定候选管段和泄漏点初始位置，并根据管网构件位置对泄漏点初始位置进行约束修正；

12、s6：对候选阀门可隔离单元对应的调压阀、支路阀门或旁通阀门施加低幅度控制扰动，采集扰动前后的压力残差、流量残差和残差恢复时间；当扰动前后的压力残差变化方向、流量残差变化方向与扰动响应矩阵中的对应方向一致，相邻阀门可隔离单元的残差变化顺序与扰动响应矩阵中的响应顺序一致，且残差恢复时间落入扰动响应矩阵记录的残差持续时间范围内时，输出泄漏定位结果；

13、当上述任一条件不满足时，将候选阀门可隔离单元拆分为子单元后返回步骤s3重新定位。

14、优选地，步骤s1中，所述阀门可隔离单元按照相邻两处可关断阀门之间的管段、调压设备出口至下游第一处可关断阀门之间的管段、分支节点至相邻可关断阀门之间的支路管段进行划分；

15、当一个分支节点连接三个以上支路时，以该分支节点为公共边界，将各支路分别划入不同的阀门可隔离单元，并为每一阀门可隔离单元记录上游边界节点、下游边界节点、相邻阀门可隔离单元编号和单元内测点编号。

16、优选地，步骤s2中，所述历史同工况运行数据按照调压设备出口设定压力、阀门开闭状态、供气方向、时段用气负荷和环境温度进行筛选；

17、当历史运行数据中的调压设备出口设定压力、阀门开闭状态和供气方向与目标采样时刻一致，且时段用气负荷和环境温度分别落入目标采样时刻对应数据的设定偏差范围内时，将该历史运行数据作为同工况样本；

18、所述动态运行基准包括入口压力基准、出口压力基准、入口流量基准、下游消耗流量基准和相邻测点响应延迟基准。

19、优选地，步骤s2中，所述模拟泄漏数据通过以下方式生成：以每一阀门可隔离单元作为泄漏源单元，分别设置不同泄漏流量，并在对应的调压状态、阀门开闭状态和下游用气负荷下计算该泄漏源单元及其相邻阀门可隔离单元的压力变化、流量变化和响应时间；

20、所述扰动响应矩阵包括测点响应顺序项、压力响应幅值项、流量响应幅值项和残差持续时间项，测点响应顺序项按照相邻测点出现压力残差的先后顺序记录，压力响应幅值项按照各测点压力残差相对于该阀门可隔离单元入口压力基准的变化比例记录，流量响应幅值项按照入口流量残差与下游消耗流量残差的差值记录，残差持续时间项按照压力残差和流量残差连续超过对应残差阈值的时间长度记录。

21、优选地，步骤s3中，所述压力残差为目标采样时刻的实测压力与动态运行基准中的压力基准之间的差值，流量残差为目标采样时刻的入口实测流量与下游消耗流量基准之间的差值，残差传播顺序为相邻测点的压力残差达到对应残差阈值的先后顺序，瞬态波形特征为压力数据、声波数据或振动数据在同一采样窗口内的突变起始时刻。

22、优选地，所述残差阈值根据无泄漏状态下同工况样本中的压力残差标准差和流量残差标准差确定；

23、压力残差阈值为无泄漏状态下同工况样本压力残差标准差的2倍至4倍，流量残差阈值为无泄漏状态下同工况样本流量残差标准差的2倍至4倍；

24、所述采样窗口为10秒至300秒，并按照天然气管网的压力等级、测点间距和数据采样频率在该范围内取值。

25、优选地，步骤s4中，当压力残差和流量残差均连续超过对应残差阈值，且压力数据、声波数据和振动数据中未提取到两个以上测点之间的突变到达时差时，将泄漏状态划分为微残差型泄漏；

26、当压力残差和流量残差均连续超过对应残差阈值，且泄漏辅助检测数据在连续两个以上采样窗口内沿同一管线方向增大时，将泄漏状态划分为稳定扩散型泄漏；

27、当两个以上测点的压力数据、声波数据或振动数据中提取到突变起始时刻，并形成突变到达时差时，将泄漏状态划分为瞬态冲击型泄漏。

28、优选地，所述泄漏辅助检测数据包括固定甲烷传感器采集的甲烷浓度数据、移动巡检设备采集的甲烷浓度数据、阀门井内甲烷浓度数据和地下空间甲烷浓度数据；

29、步骤s5中，当泄漏状态为稳定扩散型泄漏时，将泄漏辅助检测数据对应的采集位置投影至天然气管网中心线，按照相邻采集位置的甲烷浓度梯度方向、采集位置与管线中心线的距离以及阀门井连通关系，在候选阀门可隔离单元内确定候选管段。

30、优选地，步骤s5中，当泄漏状态为瞬态冲击型泄漏时，选取候选管段两侧的压力测点、声波测点或振动测点，分别确定两侧测点的突变起始时刻，并根据两侧测点间距、突变到达时差和传播速度计算泄漏点初始位置；

31、所述传播速度根据候选管段的管径、管材、埋深、气体温度和运行压力进行修正；

32、当泄漏点初始位置与阀门井、三通、弯头或管道接头的距离小于构件约束距离时，将泄漏点初始位置修正至对应的阀门井、三通、弯头或管道接头位置，构件约束距离为候选管段相邻两个测点间距的1%至5%。

33、优选地，步骤s6中，所述低幅度控制扰动为调压阀出口设定压力调整、支路阀门开度调整或旁通阀门开度调整；

34、调压阀出口设定压力的调整幅度为调整前出口设定压力的1%至5%，支路阀门开度和旁通阀门开度的调整幅度为调整前开度的1%至8%，扰动持续时间为30秒至180秒；

35、扰动结束后，分别计算候选阀门可隔离单元及其相邻阀门可隔离单元的压力残差变化方向、流量残差变化方向、相邻阀门可隔离单元的残差变化顺序和残差恢复时间。

36、综上所述，本发明主要具有以下有益效果：

37、本技术通过按照阀门可隔离关系将天然气管网划分为多个阀门可隔离单元，并针对各阀门可隔离单元建立动态运行基准和扰动响应矩阵，使压力残差、流量残差、残差传播顺序和残差持续时间能够在对应运行工况下进行比对，而不是采用固定阈值或整网统一模型进行判断，达到在调压状态、阀门开闭状态和下游用气负荷变化时仍能缩小泄漏候选范围，减少复杂管网中因负荷波动、供气方向变化造成误定位的效果。

38、本技术通过根据压力残差和流量残差的持续状态、泄漏辅助检测数据的空间变化方向以及瞬态波形特征中突变到达时差的形成状态，将泄漏状态划分为微残差型泄漏、稳定扩散型泄漏和瞬态冲击型泄漏，并分别采用扰动响应矩阵匹配、甲烷浓度梯度辅助管段确定、到达时差结合构件约束修正的定位路径，达到针对不同泄漏形成机理选择相适配定位方式的效果，避免微小泄漏因缺少明显压力波而无法定位，也避免稳定扩散泄漏仅依赖浓度最高点造成管段判断偏差。

39、本技术通过在候选阀门可隔离单元形成后，对对应的调压阀、支路阀门或旁通阀门施加低幅度控制扰动，并将扰动前后的压力残差变化方向、流量残差变化方向、相邻阀门可隔离单元残差变化顺序以及残差恢复时间与扰动响应矩阵进行匹配，达到对候选定位结果进行运行响应验证的效果；当匹配条件不满足时，将候选阀门可隔离单元拆分为子单元重新定位，从而使定位过程具备反向校核机制，区别于仅依靠一次仿真计算、压力波到达时差或多源数据加权融合直接输出泄漏位置的方式。