專利名稱：燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種燃氣泄漏檢測系統(tǒng)，尤其涉及一種燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
目前，大多城市的燃氣管網(wǎng)成環(huán)狀或枝狀網(wǎng)絡(luò)分布，形成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和多管耦合結(jié)構(gòu)，在各種野蠻施工、私挖亂建的情況下易造成燃氣管網(wǎng)中燃氣泄漏，從而造成中毒、爆炸等人身傷亡事故和環(huán)境污染。
現(xiàn)有技術(shù)中常采用基于硬件的燃氣泄漏檢測方法和基于軟件的燃氣泄漏檢測方法。基于軟件的燃氣泄漏檢測方法中最具代表性的為實時模型法，利用連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和狀態(tài)方程，建立不穩(wěn)定的流動數(shù)學(xué)模型，實時模擬出壓力、流量等參數(shù)，同時對管道運行的相應(yīng)參數(shù)進行測量，比較模擬值和測量值，確定出管道泄漏點和泄漏量。但這種方法必須依靠復(fù)雜的管道數(shù)學(xué)模型和儀器測量，而在實際檢測燃氣管道的燃氣輸送時，常因用戶和氣站的用氣量突然增大而引起報警器誤報。
因此，需要一種燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，既可對燃氣輸送管進行泄漏檢測定位，又可降低報警系統(tǒng)的誤報幾率。

實用新型內(nèi)容有鑒于此，本實用新型提供了一種燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，既可對燃氣輸送管進行泄漏檢測定位，又可降低報警系統(tǒng)的誤報幾率。
本實用新型提供的燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集器、報警器、控制器、設(shè)置在燃氣輸送管進口的第一壓力傳感器和出口的第一流量傳感器，所述第一壓力傳感器和第一流量傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接入控制器，報警器與控制器的指令輸出端連接，并上設(shè)有初級報警、二級報警和終級報警。
進一步，還包括設(shè)置在燃氣輸送管進口的第一溫度傳感器和出口的第二溫度傳感器，所述第一溫度傳感器和第二溫度傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接入控制器； 進一步，還包括設(shè)置在燃氣輸送管進口的第二流量傳感器和出口的第二壓力傳感器，所述第二流量傳感器和第二壓力傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接入控制器； 進一步，所述報警器為聲光報警器，初級報警發(fā)出黃色指示信號，二級報警發(fā)出橙色指示信號，終級報警發(fā)出紅色信號。
本實用新型的有益效果在于本實用新型結(jié)構(gòu)的燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，采用在燃氣輸送管進口和出口分別設(shè)置壓力傳感器和流量傳感器，壓力傳感器和流量傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接入控制器，實現(xiàn)對燃氣輸送管泄漏檢測進行準確、快速定位，并通過報警器與控制器連接實現(xiàn)三級報警，降低報警系統(tǒng)的誤報幾率。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。


圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為特征線法網(wǎng)格圖； 圖3為本實用新型工作的原理圖。
具體實施方式
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器2、報警器4、控制器3、設(shè)置在燃氣輸送管1進口的第一壓力傳感器8和出口的第一流量傳感器9；第一壓力傳感器8和第一流量傳感器9通過數(shù)據(jù)采集器2接入控制器3；報警器4與控制器3的指令輸出端連接，其上設(shè)有初級報警、二級報警和終級報警。對燃氣輸送管1進行檢測時，打開設(shè)置在燃氣輸送管1的調(diào)節(jié)閥11和調(diào)節(jié)閥12，第一流量傳感器9和第一壓力傳感器8檢測信號輸入數(shù)據(jù)采集器2，由控制器3模擬仿真判斷燃氣輸送管泄漏位置，并由報警器4上的初級報警、二級報警和終級報警進行報警，降低報警系統(tǒng)的誤報幾率。
本實施例還在燃氣輸送管進口設(shè)置第二流量傳感器7和出口的第二壓力傳感器10，第二流量傳感器7位于第一壓力傳感器8的前方，第二壓力傳感器10位于第二流量傳感器9的后方，本實施例中的前方和后方指相對燃氣輸送管1內(nèi)氣體流動的方向，靠輸送管1的進口方為前方，靠進口方為后方，第二流量傳感器7和第二壓力傳感器10通過數(shù)據(jù)采集器2接入控制器3，實現(xiàn)燃氣輸送管的反向檢測，與正向檢測同時進行得到仿真曲線。報警器4為聲光報警器，初級報警發(fā)出黃色指示信號，二級報警發(fā)出橙色指示信號，終級報警發(fā)出紅色信號。
本實施例采用空壓機13代替燃氣動力輸送設(shè)備，主要考慮到第一，降低實施的危險性；第二，減少多次泄漏所造成的不必要的能源浪費。打開空壓機13，從空壓機出來的壓縮空氣經(jīng)過一段軟管進入到燃氣輸送管1中，首先打開進氣調(diào)節(jié)閥11和出氣調(diào)節(jié)閥12，開啟燃氣輸送管1兩端分別設(shè)置流量傳感器和壓力傳感器，傳感器測得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器2傳遞到控制器3中，并利用數(shù)據(jù)庫記錄下來，以便仿真模型的調(diào)用。與此同時，傳感器測得的數(shù)據(jù)可以在模擬的儀表上實時的顯示出來。
本實用新型中，控制器3內(nèi)設(shè)置有運算程序 動態(tài)等溫數(shù)學(xué)模型，計算公式
式中ρ-氣體的密度，kg/m3； M-氣體的質(zhì)量流量，kg/s； A-管道流通橫截面面積，m2； t-時間變量，s； P-氣體壓力，pa； θ-管道與水平面間的傾角，rad； D-管道內(nèi)徑，m； g-重力加速度，m/s2； x-管道位置變量，m； λ-管道水利摩阻系數(shù)。
對于燃氣輸送管瞬間流動，本實施例主要應(yīng)用特征線法，特征線法利用原數(shù)學(xué)模型的特征，將偏微分方程化為沿特征線上的全微分。
由①×σ1+②×σ2得， 整理得出， 且 ③ 則， 由③得， ∴σ2＝λσ1 由特征行列式， -1+λ2c2＝0 得， 由①式轉(zhuǎn)化為， ④ 將σ2＝λσ1代入④中， 特征線法網(wǎng)格圖(如圖2所示) 沿特征線14， 即， ⑤ 沿特征線24， 得， ⑥ 聯(lián)立， 通過特征線方法，原方程求解為， ⑤+⑥， ⑦ ⑤-⑥， ⑧ 方程⑦和⑧為兩個非線性方程，通?？刹捎玫ㄟM行求解。進行不穩(wěn)定流動問題分析時，通常從時間為零的穩(wěn)定流開始。因此，在計算Δt時刻網(wǎng)格點上的P和M后，然后直接在t＝2Δt上計算，并將Δt時刻的P和M值作為初始值，依此類推，一直計算到所要求的時間為止。
注P1入口傳感器測得壓力 P2出口傳感器測得壓力 M1入口流量傳感器測得瞬時流量 M2出口流量傳感器測得瞬時流量。
圖3為本實用新型工作的原理圖，如圖所示本實用新型采用燃氣輸送管道1兩端雙向同時仿真的定位方法，燃氣輸送管道1輸送燃氣沒有發(fā)生泄漏時，將初始數(shù)據(jù)通過智能設(shè)備傳入模型中，得出的仿真曲線應(yīng)重合，如曲線Y；當管道發(fā)生泄漏時，泄漏點處由于管道內(nèi)外的壓差，流體迅速流失，壓力下降，泄漏點兩邊的流體由于存在壓差而向泄漏點處補充，這一過程依次向上下游傳遞，短時間內(nèi)便可以傳遞到監(jiān)測點處，通過數(shù)據(jù)比較可知，有泄漏事故發(fā)生，此時報警器的初級報警發(fā)出黃色指示信號；為了確定是否真正發(fā)生事故，此時調(diào)用首末兩端數(shù)據(jù)進行仿真曲線的模擬，雖然與曲線Y已經(jīng)不再重合，但是首末兩端的兩條曲線依然重合，那么說明是端點處用氣量過大所造成，此時排除誤報，否則報警器的二級報警發(fā)出橙色指示信號；為了進一步排除誤報，調(diào)用上一時刻沒有發(fā)生泄漏時的數(shù)據(jù)再次進行仿真曲線模擬，與此相比較，若圖上所示，便可確定泄漏發(fā)生X，報警器的終級發(fā)出紅色指示信號。此時，通過前后兩端雙向仿真得出的壓力曲線便有了交叉點，如曲線Z和曲線W，此交叉點便是泄漏點位置。泄漏報警時差最小化方法為了能夠縮短泄漏事故發(fā)生的報警時間和報警精度，采用雙向同步仿真的方法。此時能夠確定泄漏發(fā)生的最短時間為min(t1，t2，t3)，其中，t1泄漏所造成的擾動傳播到管道首端所需時間；t2為泄漏所造成的擾動傳播到管道終端所需時間；t3為泄漏所造成的擾動熵變過程傳播到管道終端所需的時間。則此時能夠確定泄漏發(fā)生的最短時間為min(t1，t2，t3)，從而將報警時間變?yōu)樽疃獭?br> 為了防止燃氣輸送管內(nèi)溫度變化對檢測泄漏定位和報警誤差的影響，本實施例還采用在燃氣輸送管進口設(shè)置第一溫度傳感器5和出口設(shè)置第二溫度傳感器6，第一溫度傳感器5和第二溫度傳感器6通過數(shù)據(jù)采集器2接入控制器3，通過第一溫度傳感器5和第二溫度傳感器6對檢測的信號進行糾偏，避免因燃氣輸送管內(nèi)溫度變化而影響對泄漏位置的判斷和報警器的報警誤差。
動態(tài)非等溫數(shù)學(xué)模型 1)連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程) 其中v-燃氣流速，m/s；ρ-燃氣密度，kg/m3；t-時間變量，s；x-管長變量，m。
由于壓力的改變是一個動態(tài)的過程，控制體可能被壓縮或膨脹，故連續(xù)性方程也可表示為 其中a-聲速，m/s。
2)動量方程(動量守恒方程) 3)能量方程(能量守恒方程) 其中q-單位質(zhì)量單位時間內(nèi)的得熱量，W/kg；cv-定容比熱容，J/kg·K。
假設(shè)熱傳遞僅通過管壁和沿著管線的燃氣間，則根據(jù)傳熱學(xué)原理，可以得出如下能量守恒方程 ⑨ 其中λ-燃氣熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/m·K；kL-熱輸運系數(shù)，W/m·K。
4)模型的簡化 為了計算過程的可靠性及可行性，對上述模型作如下假設(shè)和簡化 a)在動量方程中，加速項


及ρgsinθ相對于其他項較小可以忽略； b)在能量方程中，對于高壓長輸管線而言，由于地下土壤溫度變化較小，故此可以忽略能量守恒方程式⑨中的

項，以簡化微分方程的求解； c)對于高壓長輸管線，當管道高差在100m以下時，通過簡化積分可以得知，高差項較之其他項小得多，因而可以不予考慮。
則通過上述假設(shè)和簡化，輔以狀態(tài)方程可以得到如下動態(tài)非等溫管道仿真數(shù)學(xué)模型 壓縮因子及摩擦系數(shù) 由于高壓氣體管道流動一般情況下均處于紊流狀態(tài)，對于紊流的摩擦系數(shù)計算方法，其具體計算方法在此不給予詳細的討論和分析。
壓縮因子的計算以P-R計算方法為準，其具體計算方法。
非管元件數(shù)學(xué)模型 非管元件在燃氣管網(wǎng)中包括壓縮機、閥門、儲氣田、站場、一般阻力元件等，由于其計算主要是考慮壓力和流量的平衡問題，計算方法相對簡單，在此不進行深入的分析。
數(shù)學(xué)模型的求解 作為差分求解的第一步，必須把連續(xù)的求解域用有限的離散點來代替。采用了差分法來進行穩(wěn)動態(tài)等溫仿真模型的求解，其差分法實際就是時間中心隱式格式的不同變形。該格式具有中性穩(wěn)定性，必須添加人工粘性系數(shù)，即耗散項才可以保證其解的穩(wěn)定性。
下面，將以動態(tài)非等溫模型的求解為例，采用Beam-Warming隱式耗散格來進行修正，從而得到其穩(wěn)定可靠的解。
對動態(tài)非等溫數(shù)學(xué)模型表示為 其中 令E＝AU，則

是E的Jacobian矩陣。則可以求得A為 其中 令 則 耗散格式修正項 在上方程的右端添加如下四階耗散項 -εe(4)(Uj+2n-4Uj+1n+6Ujn-4Uj-1n+Uj-2n) 其目的在于避免定常數(shù)值解中出現(xiàn)奇偶失聯(lián)波動并增強格式穩(wěn)定性。這樣，Crank-Nicolson離散格式變?yōu)? 其中 上式是一個三對角塊矩陣，本文將采用塊追趕法來進行求解。為了保證塊追趕的求解過程中的穩(wěn)定性，將在上式左端添加如下二階耗散項 這樣，上式變?yōu)? 式中 εe(4)和εi的均取0.1。
因此，本文將采用延長初始時刻和延長出口點數(shù)的方法，即在第一時刻之前補充一個1時刻，其各參數(shù)均與初始時刻保持一致；管道出口點在原來出口點的基礎(chǔ)上增加一個點，即Nx+2點，該點參數(shù)將與出口點保持完全一致。由于這樣并未改變原來管道的運行參數(shù)和條件，所得結(jié)果也將與原來求解結(jié)果一致，不會發(fā)生變化。
則此時，所得離散差分方程組為 用塊追趕法求解這個三對角塊矩陣方程，即可求出δUjn+1(j＝1，2，...Nx+1) 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當中。應(yīng)當理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求1.一種燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，其特征在于包括數(shù)據(jù)采集器(2)、報警器(4)、控制器(3)、設(shè)置在燃氣輸送管進口的第一壓力傳感器(8)和出口的第一流量傳感器(9)；所述第一壓力傳感器(8)和第一流量傳感器(9)通過數(shù)據(jù)采集器(2)接入控制器(3)；所述報警器(4)與控制器(3)的指令輸出端連接，其上設(shè)有初級報警、二級報警和終級報警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，其特征在于還包括設(shè)置在燃氣輸送管進口的第一溫度傳感器(5)和出口的第二溫度傳感器(6)，所述第一溫度傳感器(5)和第二溫度傳感器(6)通過數(shù)據(jù)采集器(2)接入控制器(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，其特征在于還包括設(shè)置在燃氣輸送管進口的第二流量傳感器(7)和出口的第二壓力傳感器(10)，所述第二流量傳感器(7)和第二壓力傳感器(10)通過數(shù)據(jù)采集器(2)接入控制器(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，其特征在于所述報警器(4)為聲光報警器，初級報警發(fā)出黃色指示信號，二級報警發(fā)出橙色指示信號，終級報警發(fā)出紅色信號。
專利摘要本實用新型公開了一種燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集器、報警器、控制器、設(shè)置在燃氣輸送管進口的第一壓力傳感器和出口的第一流量傳感器；所述第一壓力傳感器和第一流量傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接入控制器；報警器與控制器的指令輸出端連接，其上設(shè)有初級報警、二級報警和終級報警；本實用新型結(jié)構(gòu)的燃氣管網(wǎng)泄漏定位與報警系統(tǒng)，采用在輸送管的進口和出口分別設(shè)置壓力傳感器和流量傳感器，壓力傳感器和流量傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接入控制器，實現(xiàn)對燃氣輸送管泄漏檢測進行準確、快速定位，并通過報警器與控制器連接實現(xiàn)三級報警，降低報警系統(tǒng)的誤報幾率。
文檔編號F17D5/06GK201416750SQ20092012704
公開日2010年3月3日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者張甫仁, 湃 徐, 張文忠, 邢榮軍, 曾小燕 申請人:張甫仁