基于小波变换法的天然气泄漏定位研究The Research on Location of the Leak of Natural Gas Based on the Wavelets Analysis学科专业：制冷及低温工程研 究 生：熊 壮指导教师：杨昭 教授天津大学机械 学院二零零九年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日中文摘要随着经济的快速发展以及“西气东输”工程的逐步实施，我国天然气管道的铺设必将迅速增加，因正常腐蚀及人为因素的破坏，管道泄漏的事件时有发生，而管道的泄露会造成人身伤害、环境的污染以及国家经济财产的损失。为了将损失降低到最低限度，需要在泄漏事件发生后迅速的进行检测，并能精确的指出泄漏位置。目前泄漏检测与定位的方法主要可以分为三类：基于模型辨识的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。在信号处理方法中由于小波变换具有良好的时频特性，能迅速的捕捉并精确定位奇异点，因此本文选择了基于小波分析的负压波法作为泄漏检测与定位的方法。本文在泄漏定位公式的推导中，提出使用经过改进的泄漏定位公式，同时提出分别计算泄漏点前后两段的燃气平均流速来代替整个管线燃气平均流速来进行定位计算。在定位算法实现的方法上，采用Romberg算法和二分搜索法相结合。 在对负压波信号的处理上，通过仿真实验比较和分析了小波变换和傅立叶变换，提出采用从整体到局部的搜索法来确定压力突变点，该方法相比于传统的方法能获得更高的精度，也不会减慢系统分析的速度。在泄漏检测方面，提出实时模型法和小波变换相结合的方法，这样可以大大提高系统运行速度。最后，通过实验对循环迭代算法和Romberg算法进行了比较验证，Romberg算法效果更好，误差在495米，获得了较好的效果。关键词：天然气，泄漏定位，负压波，小波变换，Romberg积分算法ABSTRACTAlong with the economy in our country is greatly developing and the project of “Transport The Nature Gas from The West to East” is being carried on, the number of nature gas pipe will be increased. Because of normal corrosion and human destroying, the accident of gas pipeline leak often happened. The leak of gas pipeline will cause many people hurt, large area pollution and national fortune damaged. In order to minimize the loss, we need to detect and locate the leak point immediately.Method of modern leak diagnosis mainly sorts into three: methods: based on parse pattern, method based on signal processing and method based on knowledge. In the method of signal processing, because the wavelets analysis has satisfactory time-frequently distinguish ability, and it can rapidly catch and accurately locate break point of pressure signal. This paper chooses the negative pressure wave method based on the wavelets analysis to detect and locate the leak.In the process of computing the formula of the leak location, improved formula is proposed, at the same time, this paper advises to adopt the gas average flow velocity of front-leak point and leak point-back subsection respectively, which replaces the mean gas average flow velocity of the whole pipelines. In the method of realizing the arithmetic of locating the break point, Romberg and dichotomy searching are adopted。 In the process of pressure signal analysis, this paper compares and analyze the Fourier analysis and the wavelets analysis by simulation experience; meanwhile, this paper proposes to adapt a method, which is from entity to part, to determine the point of pressure changing. This method is more accurate and quick. In the aspect of leak detection, the method of combining the instantaneous model is proposed, which can improve the velocity of the system.Finally, this paper compares the Romberg and iterative methods. Romberg and dichotomy searching，by which method the error is 495 meter, is proved to be better than other method.Key words：nature gas, leak locate, negative pressure wave, wavelet diagnosis, Romberg目录第一章 绪论11.1管道运输的发展与现状11.2开发泄漏自动检测与定位系统的必要性21.3管道泄漏检测与定位概况41.3.1泄漏检测与定位系统的性能指标51.3.2管道泄漏检测与定位的方法51.4国内外管道泄漏监测与定位研究现状111.5本文的主要工作13第二章 负压波法用于天然气泄漏检测与定位的关键技术152.1负压波泄漏检测及定位原理152.1.1瞬态负压波的产生机理152.1.2负压波法泄漏检测与定位原理152.1.3天然气平均流速的计算172.2负压波波速修正公式的推导182.2.1气体压缩系数192.2.2气体密度192.2.3输气管道沿线的温度分布计算192.2.4输气管道压力分布212.3循环迭代法和Romberg算法的提出和比较232.3.1Romberg算法242.3.2搜索算法用于输气管道泄漏定位262.4本章小结28第三章 小波变换在负压波信号处理和分析中的应用293.1傅立叶变换在信号分析中的不足303.1.1傅立叶变换缺乏时间和频率的定位功能303.1.2傅立叶变换对于非平稳信号的局限性323.1.3傅立叶变换在分辨率上的局限性323.2短时傅立叶变换333.3小波变换343.3.1小波变换的定义及特点353.3.2离散小波变换383.4小波变换在负压波信号处理中的应用393.4.1小波变换用于信号除噪393.4.2小波技术用于检测压力突变点423.5本章小结44第四章 小波分析仿真实验及结果分析464.1小波变换与傅立叶变换的比较464.2小波除噪的与傅立叶除噪实验的对比474.3不同阀值作用方式的仿真实验对比494.4小波分析获取奇异点的仿真实验504.5模拟管道泄漏负压波信号的小波分析和处理524.6本章小结54第五章 泄漏定位仿真及工程实例分析565.1matlab和Visual basic6.0的结合565.2仿真过程分析及定位算法实现595.2.1泄漏的检测595.2.2算法的改进和实现595.3具体算例分析615.3.1结论分析645.4燃气管网事故应急救援措施645.4.1燃气管网事故应急救援的基本原则655.5泄漏事故的处理655.5.1管道燃气泄漏的原因655.5.2燃气泄漏的抢修方案确定665.5.3燃气泄漏事故的抢修处理步骤及注意事项665.6本章小结68第六章 结论与展望696.1结论696.2展望70参考文献71发表论文和科研情况说明74致谢75第一章 绪论1.1管道运输的发展与现状现代管道运输起始于19世纪中叶，但真正作为商业性运输手段并经历不同恶劣环境的考验是在20世纪60年代之后。经过一百多年的发展，管道运输业己成为与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一。与其他几种运输方式相比，管道输送具有突出的优点：第一，可大大减少转运换装环节，实现连续运输，运量大、效率高，可避免空车返回的运力浪费并且易于实现自动化管理；第二，管道建设投资省、见效快、占地少，与建设同样长度的铁路相比，管道建设的周期和费用均不到铁路的1/2，占地只有铁路的1/9，并且管道建成投产后，90%的土地可恢复使用；第三，运输过程可实现完全密闭化，效率高，损耗低，燃料消耗是铁路的1/2，是公路的1/9，运输损耗是铁路的1/3，是公路的1/2；第四，可适应各种复杂地形、地貌和气候条件。由于管道输送在运送气