本發(fā)明涉及油氣管道聲波法泄漏監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種變徑管等效管長的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

目前可以應(yīng)用于油氣管道的泄漏監(jiān)測方法有許多種，其中，聲波法與傳統(tǒng)的質(zhì)量平衡法、負(fù)壓波法、瞬態(tài)模型法等相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、定位精度高、誤報(bào)率低、檢測時(shí)間短、適應(yīng)性強(qiáng)；測量的是管線流體中的微弱動(dòng)態(tài)壓力變化量，與管線運(yùn)行壓力的絕對值無關(guān)；響應(yīng)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(shù)的研究中，聲速、聲波到達(dá)上下游傳感器的時(shí)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(dá)上下游的時(shí)間差的求解計(jì)算，以此實(shí)現(xiàn)泄漏的準(zhǔn)確定位。國內(nèi)外學(xué)者也多是針對聲波傳播速度的改進(jìn)以及時(shí)間差精度的提高進(jìn)行研究的。根據(jù)調(diào)研，現(xiàn)階段國內(nèi)外涉及基于聲波技術(shù)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(shù)的管道實(shí)時(shí)泄漏檢測裝置和方法。該技術(shù)利用傳感器采集管內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力，采用模式匹配濾波技術(shù)對信號進(jìn)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(dòng)態(tài)壓力和靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行管道泄漏監(jiān)測的方法及裝置。該方法在管道首末端分別安裝一套動(dòng)態(tài)壓力傳感器和靜態(tài)壓力傳感器，測量管內(nèi)音波信號，音波信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集裝置處理后提取泄漏信號，并利用GPS系統(tǒng)打上時(shí)間標(biāo)簽，進(jìn)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(jīng)過小波分析處理后得到低頻段聲波幅值來進(jìn)行泄漏檢測和定位，建立了泄漏聲波在油氣管道介質(zhì)內(nèi)的傳播模型，提出了一種不考慮聲速及時(shí)間差的泄漏定位方法。

現(xiàn)有的專利較少涉及上下游傳感器之間的安裝距離計(jì)算，對泄漏定位精度的改進(jìn)更多的是依靠對聲波傳播速度和時(shí)間差改進(jìn)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(fā)生變化沒有描述，具體表現(xiàn)為：對聲波在傳播過程中遇到變徑管時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲波的反射、二次反射以及干涉等現(xiàn)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(jì)算不準(zhǔn)確，從而造成泄漏定位誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種變徑管等效管長的計(jì)算方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種變徑管等效管長的計(jì)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(nèi)氣體運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)直管段內(nèi)氣體運(yùn)行參數(shù)計(jì)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(jīng)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(jù)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(jì)算變徑管等效管長。

優(yōu)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(shí)的聲波幅值，α表示聲波幅值衰減因子。

進(jìn)一步優(yōu)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(zhì)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(nèi)聲波傳播速度，單位為m/s，η′表示介質(zhì)切變黏滯系數(shù)，單位為Pa·s；η″表示容變黏滯系數(shù)，單位為Pa·s；χ表示熱傳導(dǎo)系數(shù)，單位為W/(m·K)；介質(zhì)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(dòng)雷諾數(shù)；v表示氣體流速單位為m/s。

進(jìn)一步優(yōu)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(zhì)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(nèi)聲波傳播速度，單位為m/s，η′表示介質(zhì)切變黏滯系數(shù)，單位為Pa·s；η″表示容變黏滯系數(shù)，單位為Pa·s；χ表示熱傳導(dǎo)系數(shù)，單位為W/(m·K)；介質(zhì)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(dòng)雷諾數(shù)；v表示氣體流速單位為m/s。

優(yōu)選的，所述步驟四中，變徑管前、后分別設(shè)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(yōu)選的，所述步驟五中，變徑管長計(jì)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(fā)明的有益效果是，通過建立的變徑管等效管長的計(jì)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(fā)明方法簡單，操作方便，較好的解決了現(xiàn)階段定位精度不高的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的變徑管等效管長的計(jì)算方法的步驟圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的變徑管等效管長的計(jì)算方法原理流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種變徑管等效管長的計(jì)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(nèi)氣體運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)直管段內(nèi)氣體運(yùn)行參數(shù)計(jì)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(jīng)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(jù)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(jì)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(shí)的聲波幅值，α表示聲波幅值衰減因子。

所述直管段內(nèi)氣體運(yùn)行參數(shù)包括管道直徑、介質(zhì)密度、角頻率、管內(nèi)聲波傳播速度、介質(zhì)切變黏滯系數(shù)、容變黏滯系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、介質(zhì)的定容比熱、定壓比熱、氣體流動(dòng)雷諾數(shù)和氣體流速。

進(jìn)一步，所述步驟一中，當(dāng)氣體順流時(shí)，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(zhì)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(nèi)聲波傳播速度，單位為m/s，η′表示介質(zhì)切變黏滯系數(shù)，單位為Pa·s；η″表示容變黏滯系數(shù)，單位為Pa·s；χ表示熱傳導(dǎo)系數(shù)，單位為W/(m·K)；介質(zhì)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(dòng)雷諾數(shù)；v表示氣體流速單位為m/s。

進(jìn)一步，所述步驟一中，當(dāng)氣體逆流時(shí)，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(zhì)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(nèi)聲波傳播速度，單位為m/s，η′表示介質(zhì)切變黏滯系數(shù)，單位為Pa·s；η″表示容變黏滯系數(shù)，單位為Pa·s；χ表示熱傳導(dǎo)系數(shù)，單位為W/(m·K)；介質(zhì)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(dòng)雷諾數(shù)；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(shè)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(yōu)選的，所述步驟五中，變徑管長計(jì)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(jīng)長度為L的變徑管段進(jìn)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(nèi)的運(yùn)行參數(shù)，此時(shí)為順流，則可得到聲波傳播距離為

將上述計(jì)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(fā)明提供的變徑管等效管長的計(jì)算方法，通過建立變徑管等效管長計(jì)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(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。