[发明专利]一种基于双层架构反向寻源化工管道泄漏检测与定位方法

权利要求书

1.一种基于双层架构反向寻源化工管道泄漏检测与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.1：采集化工管道的首末端和中间位置的流量值和压力值；

步骤1.2：在第一层架构的泄漏检测与定位计算模块中计算得到泄漏发生的大致位置x_{layer 1}和泄漏量m_{layer 1}；

步骤1.3：根据步骤1.2获得的泄漏发生的大致位置x_{layer 1}和泄漏量m_{layer 1}计算确定泄漏孔径d_L的搜索范围，具体包括：

首先，定义泄漏位置率k＝x_L/L，其中，L为化工管道的总长，单位m，x_L为泄漏点距离首端的距离，单位m，将步骤1.2第一层架构得到泄漏发生的大致位置x_{layer 1}，计算得到泄漏位置率k_{layer 1}＝x_{layer 1}/L，并将k的搜索范围的上限设置为泄漏位置率k_{layer 1}的0.5倍，下限为k_{layer 1}的2倍，即k∈[0.5k_layer1,2k_layer1]，若2k_layer11,则2k_layer1＝1，另外，将泄漏量m的搜索范围按照步骤1.2中得到的泄漏量m_{layer 1}的0.5倍作为区间的左边界，将泄漏量m_{layer 1}的2倍作为区间的右边界，即m∈[0.5m_layer1,2m_layer1]，若则表示首端流量，最后将泄漏孔径d_L的搜索范围设置为d_L∈(0,D]，其中D为化工管道的管径；

步骤1.4：根据步骤1.3中的泄漏位置率k的搜索范围、泄漏量m的搜索范围以及泄漏孔径d_L的搜索范围在第二层架构的泄漏检测与定位计算模块中对化工管道模型进行反向寻源计算，最终获得精确的泄漏定位和泄漏量预测，具体包括：

(1).确定管路系统基本参数：化工管道的总长L，化工管道的管径D，绝对粗糙度，流体密度dens，压力波速a和首末端流量、压力测量数据；

(2).划分计算时间网格和计算空间网格，计算时间网格由信号采集频率决定，计算空间网格根据化工管道的总长L划分为长度为Δx的n段，根据化工管道模型采用四阶龙格库塔法计算管路沿程的初始流量和压力分布；

(3).设定泄漏位置率k初始值，将化工管道的总长L分为L1和L2两段，其中，L1＝k*L、L2＝L-L1两段，由计算空间网格获得两段L1和L2的计算节点数分别为N1和N2，其中，两段管路L1和L2分别包含边界条件，L1段的边界条件为上游压力、流量实时数据和左泄漏边界条件，L2的边界条件为右泄漏边界条件和下游压力、流量实时数据；

(4).根据式(4d)和(4e)分别计算管道L1段和L2段内的压头H和流速v分布，L1段左边界由式(4d)求得L1段流速的值v_u，t+Δt，右边界由顺特征线经过变形得到式(4e)，计算出L1段泄漏点左端处的压头H_d，t+Δt，同时，计算得到L2段压头的值H_Lk+和L2段泄漏点右端处的流速v_Lk+；

v_Lk＝v_Lk-+v_Lk+ (4a)

H_Lk＝H_Lk-＝H_Lk+ (4b)

其中式4a中，v_Lk表示泄漏点出口处的流速，v_Lk-表示泄漏点左端管道的流速，v_Lk+表示泄漏点右端管道的流速，单位m/s；式4b中，H_Lk表示泄漏点出口处的压头，H_Lk-表示泄漏点左端管道口处的压头，H_Lk+表示泄漏点右端管道口处的压头，单位m；式4c中，Q_L表示泄漏量，单位m³/s，C_d表示孔流系数，g表示重力加速度，Z_L表示泄漏点处的高程，单位m；式4d中，v_u,t+Δt表示t+Δt时刻通过计算得到的管道上游的流速，v_1,t表示t时刻管道节点1处的流速，H_1,t表示t时刻管道节点1处的压头，a表示压力波速，表示t+Δt时刻测量得到的管道上游压头，α表示管道倾斜角，λ表示管道的流体阻力系数，D表示化工管道的管径；其中式4e中，H_d,t+Δt表示t+Δt时刻通过计算得到的管道下游的压头，H_n，t表示t时刻管道第n个节点处的压头，v_n，t表示t时刻管道第n个节点处的流速，表示t+Δt时刻通过测量得到的管道下游的流速；

(5).泄漏点处的压头和流速关系满足式(4a)(4b)(4c)关系，其中，式(4c)为泄漏位置压头与泄漏量的关系，由式(6)计算得到t+Δt时刻的泄漏量Q_Lc，t＝(v_L-，t-v_L+,t)×A_dL，A_dL为泄漏孔截面积，v_L-，t表示t时刻下泄漏点左端管道口处的流速，v_L+，t表示t时刻泄漏点右端管道口处的流速，根据收敛条件定义式(5)可以得到t时刻的相对误差之和Erro_VH；

VH边界条件：

其中，式(5)中，H_0,t+△t表示t+△t时刻首端计算的压头，表示t+△t时刻首端实际测量的压头，V_n+1,t+△t表示t+△t时刻末端计算的流速，表示t+△t时刻末端实际测量的流速，Q_Lc,t+△t表示t+Δt时刻的泄漏量，η_VH为阈值；

式(6)中，H_L表示泄漏点处的高程的压头，Z_L表示泄漏点处的高程，C_d表示孔流系数；

(6).判断式(5)中Erro_VH是否满足收敛条件，即小于阈值η_VH，若满足，则t+Δt时刻反向寻源结束，得到泄漏信息：泄漏位置率k、泄漏孔径的大小d_L和泄漏量Q_Lc，t+△t；若不满足，则使用混沌粒子群进行优化寻优，混沌粒子群将在k∈[0.5k_layer1,2k_layer1]、m∈[0.5m_layer1,2m_layer1]、d_L∈(0,D]，该搜索范围内寻优直到得到满足收敛条件的泄漏位置率k、泄漏孔径大小d_L和泄漏量Q_Lc,t+△t值，D为管径。

2.根据权利要求1所述的一种基于双层架构反向寻源化工管道泄漏检测与定位方法，其特征在于，步骤1.2中，在第一层架构的泄漏检测与定位计算模块中计算得到泄漏发生的大致位置x_{layer 1}和泄漏量m_{layer 1}，具体包括：

将化工管道的首末端的压力值和流量值输入到第一层架构的泄漏检测与定位计算模块中进行计算，其中，化工管道的首末端的压力值通过多序贯概率比检验法实时获取与正常序列不同的似然比来初步判断管道泄漏是否发生，若泄漏发生，则利用负压波定位方法初步判断泄漏发生的大致位置x_{layer 1}；

同时，化工管道的首末端的流量值通过第一层架构的泄漏检测与定位计算模块中质量流量平衡式初步获得泄漏量m_{layer 1}。