一種變徑管等效管長的計算方法與流程

本發明涉及油氣管道聲波法泄漏監測技術領域，尤其是一種變徑管等效管長的計算方法。

背景技術：

目前可以應用于油氣管道的泄漏監測方法有許多種，其中，聲波法與傳統的質量平衡法、負壓波法、瞬態模型法等相比具有諸多優點：靈敏度高、定位精度高、誤報率低、檢測時間短、適應性強；測量的是管線流體中的微弱動態壓力變化量，與管線運行壓力的絕對值無關；響應頻率更寬，檢測范圍更寬等。

針對輸氣管道聲波法泄漏檢測與定位技術的研究中，聲速、聲波到達上下游傳感器的時間差以及上下游傳感器之間的安裝距離決定泄漏定位精度，但目前研究大都集中在聲速和聲波到達上下游的時間差的求解計算，以此實現泄漏的準確定位。國內外學者也多是針對聲波傳播速度的改進以及時間差精度的提高進行研究的。根據調研，現階段國內外涉及基于聲波技術的油氣管道泄漏定位方法的專利主要有：

美國專利US6389881公開了一種基于音波技術的管道實時泄漏檢測裝置和方法。該技術利用傳感器采集管內動態壓力，采用模式匹配濾波技術對信號進行濾波處理，排除噪聲，降低干擾，提高了定位精度；

中國專利200810223454.X公開了一種利用動態壓力和靜態壓力數據進行管道泄漏監測的方法及裝置。該方法在管道首末端分別安裝一套動態壓力傳感器和靜態壓力傳感器，測量管內音波信號，音波信號經數據采集裝置處理后提取泄漏信號，并利用GPS系統打上時間標簽，進行泄漏定位。

中國專利201510020155.6公開了一種基于聲波幅值的油氣管道泄漏定位方法，該方法采用經過小波分析處理后得到低頻段聲波幅值來進行泄漏檢測和定位，建立了泄漏聲波在油氣管道介質內的傳播模型，提出了一種不考慮聲速及時間差的泄漏定位方法。

現有的專利較少涉及上下游傳感器之間的安裝距離計算，對泄漏定位精度的改進更多的是依靠對聲波傳播速度和時間差改進的方法，對聲波在變徑管中傳播使得上下游傳感器之間的安裝距離發生變化沒有描述，具體表現為：對聲波在傳播過程中遇到變徑管時會產生聲波的反射、二次反射以及干涉等現象考慮不足，使得聲波幅值衰減程度明顯增大，從而使得上下游傳感器之間的安裝距離計算不準確，從而造成泄漏定位誤差。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種變徑管等效管長的計算方法。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種變徑管等效管長的計算方法，包括以下步驟：

步驟一：建立聲波幅度衰減模型和直管段泄漏聲波幅值衰減模型；

步驟二：獲取直管段內氣體運行參數，根據直管段內氣體運行參數計算直管段聲波幅值衰減因子；

步驟三：獲取兩傳感器安裝距離，采集泄漏聲波傳播經變徑管段的泄漏聲波信號并提取所述泄漏聲波信號幅值；

步驟四：將泄漏聲波信號幅值與直管段聲波幅值衰減因子代入聲波幅度衰減模型，獲取聲波傳播距離；

步驟五：根據步驟四中的聲波傳播距離和步驟三中的兩傳感器安裝距離，計算變徑管等效管長。

優選的，所述步驟一中，所述聲波幅度衰減模型為：

p＝p₀exp(-αx)

其中，p₀表示聲波初始幅值，x表示聲波傳播距離，p表示聲波傳播距離為x時的聲波幅值，α表示聲波幅值衰減因子。

進一步優選的，所述步驟二中，聲波幅值衰減因子為：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{ra}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}^{\′}\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·{\mathrm{\η}}^{\′\′}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·\mathrm{\χ}(\frac{1}{C_v}-\frac{1}{C_p})+\frac{f\left(\mathrm{Re}\right)}{4r}\frac{v}{c}}{1+\frac{v}{c}}$

其中，r表示管道直徑，單位為m；ρ₀表示介質密度，單位為kg/m³；ω表示角頻率，ω＝2πf，f表示特定頻段聲波的中心頻率，單位為Hz，c表示管內聲波傳播速度，單位為m/s，η′表示介質切變黏滯系數，單位為Pa·s；η″表示容變黏滯系數，單位為Pa·s；χ表示熱傳導系數，單位為W/(m·K)；介質的定容比熱C_v，單位為kJ/(kg·K)；C_p表示定壓比熱，單位為kJ/(kg·K)；Re表示氣體流動雷諾數；v表示氣體流速單位為m/s。

進一步優選的，所述步驟一中，聲波幅值衰減因子為：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{ra}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}^{\′}\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·{\mathrm{\η}}^{\′\′}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·\mathrm{\χ}(\frac{1}{C_v}-\frac{1}{C_p})+\frac{f\left(\mathrm{Re}\right)}{4r}\frac{v}{c}}{1-\frac{v}{c}}$

其中，r表示管道直徑，單位為m；ρ₀表示介質密度，單位為kg/m³；ω表示角頻率，ω＝2πf，f表示特定頻段聲波的中心頻率，單位為Hz，c表示管內聲波傳播速度，單位為m/s，η′表示介質切變黏滯系數，單位為Pa·s；η″表示容變黏滯系數，單位為Pa·s；χ表示熱傳導系數，單位為W/(m·K)；介質的定容比熱C_v，單位為kJ/(kg·K)；C_p表示定壓比熱，單位為kJ/(kg·K)；Re表示氣體流動雷諾數；v表示氣體流速單位為m/s。

優選的，所述步驟四中，變徑管前、后分別設置傳感器，泄漏聲波信號幅值包括變徑管前后傳感器采集的泄漏聲波信號幅值，分別表示為p₁和p₂，具體代入步驟為：

$x=\frac{ln(p_2/p_1)}{-\mathrm{\α}}$

其中，x表示泄漏聲波傳播距離。

優選的，所述步驟五中，變徑管長計算公式具體為：將步驟四中的泄漏聲波傳播距離與兩傳感器安裝距離相減，獲取差值，將差值與變徑管管長相加，具體為：

$\frac{ln(p_2/p_1)}{-\mathrm{\α}}-l+L;$

其中，L表示變徑管管長，l表示兩傳感器安裝距離。

本發明的有益效果是，通過建立的變徑管等效管長的計算公式，能夠得到傳感器的等效安裝距離，提高了定位精度。本發明方法簡單，操作方便，較好的解決了現階段定位精度不高的問題。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的變徑管等效管長的計算方法的步驟圖；

圖2是本發明實施例提供的變徑管等效管長的計算方法原理流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

如圖1所示，一種變徑管等效管長的計算方法，包括以下步驟：

步驟S101：建立聲波幅度衰減模型和直管段泄漏聲波幅值衰減模型；

步驟S102：獲取直管段內氣體運行參數，根據直管段內氣體運行參數計算直管段聲波幅值衰減因子；

步驟S103：獲取兩傳感器安裝距離，采集泄漏聲波傳播經變徑管段的泄漏聲波信號并提取所述泄漏聲波信號幅值；

步驟S104：將泄漏聲波信號幅值與直管段聲波幅值衰減因子代入聲波幅度衰減模型，獲取聲波傳播距離；

步驟S105：根據步驟S104中的聲波傳播距離和步驟S103中的兩傳感器安裝距離，計算變徑管等效管長。

所述步驟一中，所述聲波幅度衰減模型為：

p＝p₀exp(-αx)

其中，p₀表示聲波初始幅值，x表示聲波傳播距離，p表示聲波傳播距離為x時的聲波幅值，α表示聲波幅值衰減因子。

所述直管段內氣體運行參數包括管道直徑、介質密度、角頻率、管內聲波傳播速度、介質切變黏滯系數、容變黏滯系數、熱傳導系數、介質的定容比熱、定壓比熱、氣體流動雷諾數和氣體流速。

進一步，所述步驟一中，當氣體順流時，聲波幅值衰減因子為：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{ra}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}^{\′}\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·{\mathrm{\η}}^{\′\′}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·\mathrm{\χ}(\frac{1}{C_v}-\frac{1}{C_p})+\frac{f\left(\mathrm{Re}\right)}{4r}\·\frac{v}{c}}{1+\frac{v}{c}}$

其中，r表示管道直徑，單位為m；ρ₀表示介質密度，單位為kg/m³；ω表示角頻率，ω＝2πf，f表示特定頻段聲波的中心頻率，單位為Hz，c表示管內聲波傳播速度，單位為m/s，η′表示介質切變黏滯系數，單位為Pa·s；η″表示容變黏滯系數，單位為Pa·s；χ表示熱傳導系數，單位為W/(m·K)；介質的定容比熱C_v，單位為kJ/(kg·K)；C_p表示定壓比熱，單位為kJ/(kg·K)；Re表示氣體流動雷諾數；v表示氣體流速單位為m/s。

進一步，所述步驟一中，當氣體逆流時，聲波幅值衰減因子為：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{ra}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}^{\′}\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·{\mathrm{\η}}^{\′\′}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^3}\·\mathrm{\χ}(\frac{1}{C_v}-\frac{1}{C_p})+\frac{f\left(\mathrm{Re}\right)}{4r}\·\frac{v}{c}}{1-\frac{v}{c}}$

其中，r表示管道直徑，單位為m；ρ₀表示介質密度，單位為kg/m³；ω表示角頻率，ω＝2πf，f表示特定頻段聲波的中心頻率，單位為Hz，c表示管內聲波傳播速度，單位為m/s，η′表示介質切變黏滯系數，單位為Pa·s；η″表示容變黏滯系數，單位為Pa·s；χ表示熱傳導系數，單位為W/(m·K)；介質的定容比熱C_v，單位為kJ/(kg·K)；C_p表示定壓比熱，單位為kJ/(kg·K)；Re表示氣體流動雷諾數；v表示氣體流速，單位為m/s。

所述步驟四中，變徑管前、后分別設置傳感器，泄漏聲波信號幅值包括變徑管前后傳感器采集的泄漏聲波信號幅值，分別表示為p₁和p₂，具體代入步驟為：

$x=\frac{ln(p_2/p_1)}{-\mathrm{\α}}$

其中，x表示泄漏聲波傳播距離。

上述公式為聲波幅度隨距離衰減的公式。

優選的，所述步驟五中，變徑管長計算公式具體為：將步驟四中的泄漏聲波傳播距離與兩傳感器安裝距離相減，獲取差值，將差值與變徑管管長相加，具體為：

$\frac{ln(p_2/p_1)}{-\mathrm{\α}}-l+L;$

其中，L表示變徑管管長，l表示兩傳感器安裝距離。

如圖2所示，泄漏聲波經長度為L的變徑管段進行傳播，變徑管段前后分別安裝傳感器1和傳感器2，傳感器1和傳感器2間距為l，即兩傳感器安裝距離為l，傳感器1和傳感器2采集聲波信號幅值分別為p₁和p₂。

將長度為L的變徑管段用同樣管長的直管段代替，明確直管段內的運行參數，此時為順流，則可得到聲波傳播距離為

將上述計算得到的聲波傳播距離與兩傳感器間距相減，并將差值與等效管長相加，即可得到變徑管的等效管長，即

本發明提供的變徑管等效管長的計算方法，通過建立變徑管等效管長計算公式，能夠得到傳感器的等效安全距離，提高定位精度。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。