一种天然气管道的监测方法、装置及监测调度系统与流程

1.本发明涉及管道安全监测技术领域，尤其涉及一种天然气管道的监测方法、装置及监测调度系统。


背景技术：

2.随着石油资源的日渐枯竭，天然气能源得到了极大的重视，各地都在大力发展天然气项目。由于天然气是易燃易爆的危险品，从而在其运输的过程中存在很大的风险。管道运输在经济、快捷以及安全等方面有着得天独厚的优势，所以在天然气运输行业中得到了广泛的应用。但由于管道是埋在地下，所处的环境特点会加速老化并产生形变。管道中的天然气压力很高，老化的管道是否能够确保运输的安全受到了广泛的关注。
3.现有技术中，用于监测管道泄漏的方法主要包括直接检测方法和间接检测方法，直接检测方法的优点是定位精确、灵敏度高，缺点是不适用于检测铺设较深的管道的检测；而间接检测方法根据管道泄漏造成的物理参数的变化来对管道泄漏进行检测，但是通常来说，单一的物理参数检测并不能全面地反映管道情况的变化。并且，现有技术中缺乏对于故障泄漏点的快速、精确的定位方法，以及缺乏将故障泄漏点与周围环境情况的有机结合，以推算出故障可能达到的事故规模，从而难以达到对于故障的有效处理。


技术实现要素：

4.基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种天然气管道的监测方法、装置及监测调度系统，以解决现有技术中存在的故障检测不全面、定位不够精确、以及对故障规模缺乏推算的问题。
5.为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种天然气管道的监测方法，包括步骤：
6.建立直角坐标系，所述直角坐标系覆盖所有待测天然气管道；
7.在直角坐标系的x、y轴上每间隔一定距离设置参考坐标点；
8.获取位于天然气管道上的传感器监测点的各传感器的压力监测数据和温度监测数据；
9.获取传感器监测点监测的压力数据与上一个传感器监测点的压力差值δp，以及传感器监测点监测的温度数据与原始温度数据的温度差值δt；
10.根据差值δp和δt分别与压力差阈值和温度阈值的关系，判断是否发生管道泄漏；
11.判断为发生管道泄漏时，确定泄漏位置在所述直角坐标系中的位置。
12.进一步的，所述根据压力差值δp和温度差值δt与压力差阈值以及温度阈值的关系，判断是否发生管道泄漏，包括：
13.若δp≥δp
thresh1
，则判断为发生管道泄漏；或者，
14.若|δt|≥δt
thresh1
，则判断为发生管道泄漏；
15.其中，δp
thresh1
为第一压力差阈值，δt
thresh1
为第一温度阈值。
16.进一步的，所述根据差值δp和δt与压力差阈值以及温度阈值的关系，判断是否发生管道泄漏，包括：
17.若δp
thresh1
>δp≥δp
thresh2
，则同时对该传感器监测点以及该传感器监测点的上一个传感器监测点的温度数据分别与原始温度数据的温度差值进行判断；
18.若|δt1|≥δt
thresh2
且|δt2|≥δt
thresh2
，则判断为发生管道泄漏；
19.其中，δp
thresh2
为第二压力差阈值，δt
thresh2
为第二温度阈值；δt1和δt2分别为该传感器监测点与原始温度数据的温度差值，以及该传感器监测点的上一个传感器监测点的温度数据与原始温度数据的温度差值。
20.进一步的，若δp<p
thresh2
且δt<t
thresh2
，则返回继续进行比较。
21.进一步的，δp
thresh1
>δp
thresh2
；δt
thresh1
>δt
thresh2
。
22.进一步的，所述判断为发生管道泄漏时，确定泄漏位置在所述直角坐标系中的位置，包括步骤：
23.若仅通过温度差值判断发生泄漏；
24.判断传感器监测点是否分别与参考坐标点重合；
25.若重合，则以该参考坐标点的坐标为所述泄漏点在所述直角坐标系中的位置，并且该传感器监测点将监测信息发送至该重合的参考坐标点；
26.若不重合，向各参考坐标点发送监测信息，并由最先接收到该监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点保存该监测信息。
27.进一步的，所述判断为发生管道泄漏时，确定泄漏位置在所述直角坐标系中的位置，包括步骤：
28.若通过压力差值或者通过压力差值结合温度差值判断发生泄漏；
29.判断传感器监测点是否分别与参考坐标点重合；
30.若重合，则根据参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标；
31.若不重合，向各参考坐标点发送监测信息，并根据最先接收到该监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标。
32.进一步的，将计算所得的泄漏点在直角坐标系中的坐标发送至上位机调度决策装置。
33.根据本发明的第二个方面，提供了一种天然气管道的监测装置，包括参考坐标设置模块、监测数据获取模块、管道泄漏监测模块、泄漏点坐标获取模块；其中，
34.所述参考坐标设置模块，建立直角坐标系，所述直角坐标系覆盖所有待测天然气管道；在直角坐标系的x、y轴上每间隔一定距离设置参考坐标点；
35.所述监测数据获取模块，获取位于天然气管道上的传感器监测点的各传感器的压力监测数据和温度监测数据；
36.所述管道泄漏监测模块，比较并获取传感器监测点监测的压力数据与上一个传感器监测点的压力数据的差值δp，以及该传感器监测点监测的温度数据与原始温度数据的差值δt；根据差值δp和δt分别与压力差阈值和温度阈值的关系，判断是否发生管道泄
漏；
37.所述泄漏点坐标获取模块，判断为发生管道泄漏时，确定泄漏位置在所述直角坐标系中的位置。
38.根据本发明的第三个方面，提供了一种天然气管道的监测调度系统，包括监测报警装置、上位机调度决策装置、历史数据查询装置、以及波形显示装置；其中，
39.所述监测报警装置，对天然气管道的各项参数进行监测，将监测数据上传至上位机调度决策装置，并在监测到天然气管道发生故障时进行报警；
40.所述上位机调度决策装置，对所接收到的监测数据进行处理并输出至历史数据查询装置和波形显示装置，并根据所述监测报警装置的监测结果、泄漏位置的坐标和报警情况，获取泄漏点附近的环境状况，对故障进行调度处理；
41.所述历史数据查询装置，存储所接收的监测数据，并对所存储的监测数据进行查询；
42.所述波形显示装置，将所接收的监测数据转换为对应的波形进行显示。
43.其中，所述监测报警装置包括如本发明第二个方面所述的监测装置。
44.综上所述，本发明提供了一种天然气管道的监测方法、装置及监测调度系统，通过在天然气管道上布设的传感器获取管道的温度、压力等监测数据，根据温度和压力组合判据，对管道是否出现泄漏故障进行判断；并且通过建立覆盖整个天然气管道的坐标系以及设置于坐标系上的参考坐标点，在判断管道发生故障时，向上位机发送监测结果、泄漏位置的坐标和报警情况，并结合泄漏点附近的环境状况，以对故障进行调度处理。本发明所提供的技术方案，相对于现有技术具有如下有益的技术效果：
45.(1)将温度监测数据和压力监测数据有机结合进行天然气管道泄漏判断，克服了单一物理数据监测结果不够全面的缺陷，从一定程度上提高了关断泄漏判断的准确性；
46.(2)通过建立覆盖整个天然气管道的直角坐标系以及设置于直角坐标系上的参考坐标点，在判断出发生泄漏故障时，能够快速定位泄漏点在坐标系中的位置，有利于及时发现泄漏点进行故障处理。
47.(3)在判断出发生泄漏故障的泄漏点的同时，获取泄漏点附近的环境状态，根据泄漏点附近的环境状态进行故障处理，给故障处理和调度和实施提供了有效的辅助信息，提高了故障处理和调度的效率和准确性。
附图说明
48.图1是本发明天然气管道的监测方法的流程图；
49.图2是计算泄漏点在直角坐标系中的坐标的原理示意图1；
50.图3是计算泄漏点在直角坐标系中的坐标的原理示意图2；
51.图4是本发明天然气管道的监测装置的构成框图；
52.图5是本发明天然气管道的监测调度系统的构成框图。
具体实施方式
53.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发
明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
54.下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种天然气管道的监测方法，该方法的流程图如图1所示，包括步骤：
55.基于待测天然气管道组成的天然气管道网，建立直角坐标系，所述直角坐标系覆盖所有待测天然气管道；在直角坐标系的x、y轴上每间隔一定距离设置参考坐标点。通过建立直角坐标系，覆盖所有待测的天然气管道组成的天然气管道网，使得在发生故障时，能够迅速对泄漏点的位置进行定位。所设置的参考坐标点上，设置有通信模块，为了实现长距离的通信，可以设置无线通信模块，该通信模块用于实现与传感器监测点、以及上位机调度决策装置的通信，可以接收传感器监测点发送的监测数据信息，以及向上位机调度决策装置上传该监测数据信息、以及本参考坐标点的坐标信息。当天然气管道所涉及的范围较小时，也可以通过有线通信方式与传感器监测点进行通信。参考坐标点在x、y轴上设置的间隔距离，可以根据实际情况下，天然气管道所占的长度或管道网所覆盖的面积，以及在监测过程中希望达到的定位精度等情况进行设置。
56.在天然气管道上每间隔一定距离设置传感器监测点，获取位于传感器监测点的各传感器的压力监测数据和温度监测数据。传感器监测点的设置间隔距离与上述参考坐标点的设置原则基本一致。各个传感器监测点上设置有传感器，至少包括压力传感器和温度传感器，也包括有其他天然气管道监测常用的物理量监测用传感器，例如流量传感器、管壁应力传感器、湿度传感器等。传感器监测点的位置与参考坐标点的位置可能有重合。传感器监测点上也设置有通信模块，以实现传感器监测点与参考坐标点，以及传感器监测点与上位机的通信，该通信模块可以为无线通信模块，当天然气管道所涉及的范围较小时，也可以通过有线通信方式与参考坐标点进行通信。
57.获取传感器监测点监测的压力数据与上一个传感器监测点的压力数据的差值δp，以及该传感器监测点监测的温度数据与原始温度数据的差值δt。上一个传感器监测点通常包括根据天然气在管道中的流动方向，位于该传感器监测点上游的并且相邻的一个传感器监测点的数据。根据差值δp和δt分别与压力差阈值和温度阈值的关系，判断是否发生管道泄漏。具体来说，可以采用以下步骤进行判断：
58.若δp≥δp
thresh1
，则判断为发生管道泄漏；或者，
59.若|δt|≥δt
thresh1
，则判断为发生管道泄漏。
60.若δp
thresh1
>δp≥δp
thresh2
，则同时对该传感器监测点以及该传感器监测点的上一个传感器监测点的温度数据分别与原始温度数据的温度差值进行判断；
61.若|δt1|≥δt
thresh2
且|δt2|≥δt
thresh2
，则判断为发生管道泄漏.
62.若δp<p
thresh2
且δt<t
thresh2
，则返回继续进行比较。
63.其中，δp
thresh1
、δp
thresh2
分别为第一和第二压力差阈值，δt
thresh1
、δt
thresh2
分别为第一和第二温度阈值；δp
thresh1
>δp
thresh2
，t
thresh1
>δt
thresh2
；δt1和δt2分别为该传感器监测点与原始温度数据的温度差值，以及该传感器监测点的上一个传感器监测点的温度数据与原始温度数据的温度差值。
64.为了克服通过单一物理量进行管道泄漏判断存在片面性的缺陷，本实施例中采用将压力和温度监测数据相结合的方式来对管道泄漏进行判断。由于管道发生泄漏时，泄漏
处的压力数据会发生变化，因此，根据传感器监测点监测的压力数据与上一个传感器监测点的压力数据的差值可以判断该处发生的泄漏。然而，由于地形条件、环境条件、管壁条件等各种其他外部条件的不完全相同，会导致每个监测点处监测的压力也会有不同程度的差别。同时，由于天然气泄漏时气体体积会发生膨胀，因此，管道一旦发生泄漏，气体体积会发生膨胀，根据气体内能公式可知，泄漏处温度就会降低。而温度的变化同样会受到外界其他因素的影响。基于上述分析，当压力数据的差值或者温度变化的数值超过相应的第一阈值时，可以直接判断为发生了泄漏故障。而当压力数据的差值或者温度变化的数值处于一定的阈值范围时，为了排除其他因素的影响，需要将二者的变化数据相互结合来进行泄漏故障的判断。而当当压力数据的差值和温度变化的数值均较小时，可以认为暂时没有发生泄漏故障，返回继续监测各项数据。
65.当判断为发生管道泄漏时，确定泄漏位置在所述直角坐标系中的位置，该步骤包括以下两种情况：
66.若仅通过温度差值判断发生泄漏：判断传感器监测点是否分别与参考坐标点重合；若重合，则以该参考坐标点的坐标为所述泄漏点在所述直角坐标系中的位置，并且该传感器监测点将监测信息发送至该重合的参考坐标点；若不重合，向各参考坐标点发送监测信息，并由最先接收到该监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点保存该监测信息。
67.若通过压力差值或者通过压力差值结合温度差值判断发生泄漏：判断传感器监测点是否分别与参考坐标点重合；若重合，则根据参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标；若不重合，由该两个传感器监测点分别向各参考坐标点发送监测信息，并根据最先接收到该监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标。
68.图2和图3中示出了采用本实施例提供的监测方法，当通过压力差值或者通过压力差值结合温度差值判断发生泄漏时，计算泄漏点在直角坐标系中的坐标的示意图。结合图2，以传感器监测点刚好与位于直角坐标系的x轴上的参考坐标点重合为例，例如监测到泄漏故障的传感器监测点1和传感器监测点2分别与参考坐标点x1和x2重合，计算泄漏点与传感器监测点1之间的距离m1‑
x1，其中m1为该泄漏点的x坐标：
[0069][0070]
其中，v为管道中压力波的传播速度，δt为传感器监测点1和传感器监测点2接收到压力波的时间差。
[0071]
也就是说，当发生管道泄漏位置所在的传感器监测点均与参考坐标点重合时，该传感器监测点刚好位于直角坐标系的x轴或者y轴上，根据参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标。
[0072]
若不重合，向各参考坐标点发送监测信息，确定最先接收到该监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点a、b和c、d对应的坐标分别为x
01
，x
02
，y
01
，y
02
，结合图3，设泄漏点e的坐标为(x，y)，m
01
为泄漏点e距离传感器监测点3的距离，m
02
为泄漏点e距离传感器监测点4的距离，则：
[0073][0074]
根据上述公式可以计算处泄漏点e的坐标(x，y)。
[0075]
也就是说，当该传感器监测点没有位于直角坐标系的x轴或者y轴上时，需要确定其在直角坐标系中的位置。确定某点在直角坐标系中的位置，需要确认该点的x坐标信息和y坐标信息，由传感器监测点向各个参考坐标点发送泄漏点的温度数据、压力数据、以及时间信息数据，该时间信息数据为发送时刻的时间信息数据，各个参考坐标点根据发送时刻的时间信息数据，以及其接收到数据的接收时刻的时间信息数据，x轴上和y轴上分别有一个参考坐标点接收到同一数据的时间最早，根据这两个参考坐标点的坐标，并结合上述公式，即可以计算处泄漏点处的坐标。
[0076]
在上述两种情况下，参考坐标点接收到监测信息，向上位机调度决策装置发送该泄漏点的监测信息以及该泄漏点的坐标信息。
[0077]
根据本发明的第二个实施例，提供了一种天然气管道的监测装置，该装置的构成框图如图4所示，包括参考坐标设置模块、监测数据获取模块、管道泄漏监测模块、泄漏点坐标获取模块。
[0078]
参考坐标设置模块，建立直角坐标系，所述直角坐标系覆盖所有待测天然气管道；在直角坐标系的x、y轴上每间隔一定距离设置参考坐标点。
[0079]
监测数据获取模块，获取位于天然气管道上的传感器监测点的各传感器的压力监测数据和温度监测数据。
[0080]
管道泄漏监测模块，比较并获取传感器监测点监测的压力数据与上一个传感器监测点的压力数据的差值δp，以及该传感器监测点监测的温度数据与原始温度数据的差值δt；根据差值δp和δt分别与压力差阈值和温度阈值的关系，判断是否发生管道泄漏。
[0081]
泄漏点坐标获取模块，判断为发生管道泄漏时，确定泄漏位置在所述直角坐标系中的位置。
[0082]
上述各个模块中的参考坐标设置、监测数据获取、管道泄漏监测以及泄漏点坐标获取方式均与本发明第一个实施例中提供的方法相同，在此不再赘述。
[0083]
根据本发明的第三个实施例，提供了一种天然气管道的监测调度系统，该系统的构成框图如图5所示。包括监测报警装置、上位机调度决策装置、历史数据查询装置、以及波形显示装置。
[0084]
所述监测报警装置，对天然气管道的各项参数进行监测，将监测数据上传至上位机调度决策装置，并在监测到天然气管道发生故障时进行报警。该监测报警装置中包括本发明第二个实施例所述的天然气管道监测装置，其中包括有设置在天然气管道上的传感器监测点的各个传感器。通过设置在天然气管道上的传感器监测点的各个传感器对天然气管道的各项参数进行监测，所述各项参数包括但不限于温度数据、压力数据、流量数据、管壁应力数据、湿度数据等。
[0085]
所述上位机调度决策装置，对所接收到的监测数据进行处理并输出至历史数据查
询装置和波形显示装置，并根据所述监测报警装置的监测结果、泄漏位置的坐标和报警情况，获取泄漏点附近的环境状态，对故障进行调度处理。具体来说，可以根据泄漏点的位置以及实时环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果，并结合该扩散结果对故障进行调度和处理。泄漏可能导致的扩散结果，可以通过以下方式获得：
[0086]
根据泄漏点在所述直角坐标系中的位置，获取该泄漏点的环境状态，根据泄漏点的位置以及环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果。由于环境状态不同时，天然气泄漏的扩散程度也会不同，为了使得对于泄漏可能导致的扩散结果进行更加精确的推算，在计算时考虑了泄漏点处的湿度和温度等物理量的影响，来对泄漏点处的扩散浓度进行计算，该计算公式基于气体在不同条件下扩散的原理，以及基于实际情况下实验数据的拟合。
[0087]
获取环境状态中的湿度h和温度t；
[0088]
根据以下公式计算扩散浓度c：
[0089][0090]
其中，q为泄漏流量，t为泄漏时间，σ
x
、σ
y
分别为x、y轴方向扩散参数，r为气体常数，x、y分别为泄漏点的x、y轴坐标。
[0091]
所述历史数据查询装置，存储所接收的监测数据，并对所存储的监测数据进行查询。
[0092]
所述波形显示装置，将所接收的监测数据转换为对应的波形进行显示。
[0093]
综上所述，本发明涉及一种天然气管道的监测方法、装置及监测调度系统，通过在天然气管道上布设的传感器获取管道的温度、压力等监测数据，根据温度和压力组合判据，对管道是否出现泄漏故障进行判断；并且通过建立覆盖整个天然气管道的坐标系以及设置于坐标系上的参考坐标点，在判断管道发生故障时，向上位机发送监测结果、泄漏位置的坐标和报警情况，并结合泄漏点附近的环境状态，以对故障进行调度处理。通过将温度监测数据和压力监测数据有机结合进行天然气管道泄漏判断，克服了单一物理数据监测结果不够全面的缺陷，从一定程度上提供了关断泄漏判断的准确性；通过建立覆盖整个天然气管道的直角坐标系以及设置于直角坐标系上的参考坐标点，在判断出发生泄漏故障时，能够快速定位泄漏点在坐标系中的位置，有利于及时发现泄漏点进行故障处理。在判断出发生泄漏故障的泄漏点的同时，获取泄漏点附近的环境状态，根据泄漏点附近的环境状态进行故障处理，给故障处理和调度和实施提供了有效的辅助信息，提高了故障处理和调度的效率和准确性。
[0094]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。