CN101183249A - 一种燃气管网事故预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于城市燃气管网自动监控技术领域，涉及一种燃气管网事故预警方法，包括下列步骤：建立燃气管网地理信息***，读取已绘制的燃气管网图，存储管网属性数据及空间地理数据；根据管网属性数据，采用失效评定图和人工神经网络等方法预测含有缺陷管线的最大允许工作压力及其剩余寿命；建立燃气管网数据的实时采集与自动监视***，实时采集包括管线各个节点压力在内的动态数据；建立实时监测在役管线是否发生泄漏、运行压力及其寿命等动态或静态报警机制。本发明提出的燃气管网事故预警方法能有效防止燃气重大事故的发生。

Description

一种燃气管网事故预警方法
技术领域
本发明属于管网运行监控领域，尤其是涉及一种基于GIS的燃气管网自动预警技术。
背景技术
随着世界经济迅速发展，人口急剧增加，能源消费不断增长，温室气体和各种有害物质排放激增，人类生存环境受到极大挑战。在这种形势下，一种清洁、高效的能源——天然气正日益受到重视，发展天然气工业开始成为世界各国改善环境和促进经济可持续发展的最佳选择。
“十五”规划明确提出，以提高居民生活质量，改善大气环境、节约能源为目的，在国家政策的支持下，积极发展城市燃气。天然气的开发利用离不开管线***的输送。随着天然气开发规模和使用规模的不断增大，天然气管网***也日趋庞大和复杂。天然气是一种易燃易爆气体，其储存和输送的安全要求非常高。为确保城市燃气管网安全高效运行，有效的事故预警手段是非常必要的。
我国的燃气事故是较多的，事故的不断发生，使我们必须重视燃气的安全问题。造成燃气事故的主要原因有第三方破坏、管线腐蚀穿孔、自然灾害等。燃气管线一旦发生泄漏，将产生各种后果如火焰喷射、气体***等，这些严重威胁到泄漏点附近的生命财产安全。对燃气事故进行提前预警，可有效防止燃气泄漏造成严重后果，保障燃气管网安全、可靠地运营。
预防和控制燃气管网泄漏事故的发生，保证燃气供气***的安全稳定运行是一个综合性的***课题。由于燃气管线大都是隐蔽工程，点多、线长、面广，所以及时发现隐患，把事故苗头扼杀在萌芽状态便成了安全运行的重中之重。据调查，国内的城市天然气管网仍采用比较原始的检漏方式(被动式检漏)，不能做到防患于未然。具体一点说，就是让巡线员拿着检漏仪器在道路上巡视，其结果往往是漏点还没找出来，事故却已经发生。
地理信息***(Geographical Information System，GIS)是集计算机科学、测绘学、遥感学、空间科学、信息科学、管理科学等学科为一体的新兴边缘学科。它能够把图形管理***和数据管理***有机的结合起来，从而克服了数据库和图形***各自固有的局限性，使二者的优势互补，功能更加齐全。目前，国内已将GIS应用于重大危险源的管理，开发了重大危险源的信息管理***软件，但在实现安全监控方面仍存在较大的发展空间。建立一种基于GIS的燃气管网事故预警***，可对在役燃气管网实施动态预警和静态预警，可有效预防燃气重大事故的发生。
发明内容
为了预防燃气管网发生重大危险事故，本发明提供了一种燃气管网事故预警方法。采用本发明提供的预警方法，可以建立一个基于GIS空间数据的可视化管理平台，利用在役燃气管线的安全性评价软件，实现对在役燃气管线的静态预警。同时还将基于GIS平台的管网地理信息***与实时监测管网运行状态的SCADA(Supervisory Control AndData Acquisition)***，即数据采集与监视控制***，进行无缝连接，嵌入管网动态仿真软件，实现对管网事故的动态预警。
本发明提出的燃气管网事故预警方法，包括下列步骤：
1)建立燃气管网地理信息***，读取和存储燃气管网图、管网属性数据及空间地理数据；
2)根据管线属性数据，确定管线载荷，并给定缺陷初始尺寸和裂纹扩张量；
3)按照裂纹扩展方程求出寿命增量，将累加法和逼近法相结合，进行寿命预测；
4)采用失效评定图方法，评定管线是否安全，如果不安全，计算管线的最大允许工作压力和剩余寿命；
5)将各管线的实际寿命与所预测的剩余寿命相比较，如果达到剩余寿命，报告管线寿命预警信息；
6)建立燃气管网的数据采集与监视控制***，实时采集包括各个节点管线压力在内的动态数据；
7)将燃气管网的数据采集与监视控制***所采集的各个节点管线压力根据与该节点管线的最大允许工作压力相比较，如果超出，则报告管线压力预警信息。
上述的燃气管网事故预警方法，在步骤1)之后和步骤5)之前，最好还包括下列步骤：
g)根据管线属性信息，确定缺陷轴向和纵向尺寸以及管线最小壁厚；
h)采用人工神经网络预测模型分析土壤腐蚀速率；
i)计算管线的失效压力；
j)结合管线的安全系数，计算出管线的最大允许工作压力；
k)通过建立可靠性数学模型，对管线进行可靠性分析，确定管线的剩余寿命；
l)将步骤d)和e)所确定的管线的最大允许工作压力和管线的剩余寿命分别与步骤4)所确定的管线的最大允许工作压力和剩余寿命相比较，选择最小值作为管线的最大允许工作压力和剩余寿命。
本发明的燃气管网事故预警方法，其中的步骤b)可以包括下列步骤：(1)将管线外界土壤的化学组成作为网络的输入；(2)将相应管材的权值赋予网络的连接单元；(3)运行人工神经网络预测模型分析管材的土壤腐蚀速率。
为完善上述的燃气管网事故预警方法，最好还包括下列的动态预警步骤：
A.建立管线实时仿真模型，计算各个节点管线的参数值，并根据燃气管线的压力平衡关系，设定泄漏阈值；
B.利用燃气管网的数据采集与监视控制***采集各个节点处的包括气体流量和温度在内的动态数据的测量值；
C.计算各个节点处测量值与所计算的参数值之间的偏差；
D.如果偏差超过泄漏阈值，则报告管线泄漏预警信息。
采用本发明提供的预警方法，可以建立集成燃气管网的GIS***和SCADA***的可视化管理平台，实现SCADA实时监控功能与GIS功能的结合，使得它们在功能上相互支持、模块配置灵活，操作人员面对的不再是大堆的遥测数据和报警信息，而是燃气管网的全面信息，包括管网的地理位置、结构参数和运行参数等，该***具有动态预警和静态预警功能，能有效防止燃气重大事故的发生。本发明还可应用于供水、供电等管网，具有较大的经济效益和深远的社会效益。
附图说明
图1为本发明实施例的***构成图。图中：
1燃气管网图  2GIS***    3SCADA***    4实时网络空间数据库5动态预警模块  6静态预警模块  7预警信息
图2为本发明实施例的燃气管网GIS***组成图。
图3为本发明实施例的动态预警模块的程序流程框图。
图4为本发明实施例的静态预警模块的程序流程框图。
具体实施方式
下面结合一个燃气管网事故预警***的实施例，对本发明做详细说明。
本实施例利用GIS技术建立燃气管网事故预警***。GIS技术把燃气管网信息与相应的地理位置相联系，产生了图与数据相互连接。目前在我国测绘界普遍使用的计算机绘图软件大多是基于AUTOCAD软件作基础平台，通过AUTOLISP语言或者AUTOCAD VBA技术进行二次开发，从而达到绘制管网图的目的，且绝大多数的测绘数据是采用AUTOCAD数据库格式进行建库。本发明可将AUTOCAD软件绘制的燃气管网图直接转换到GIS，以建立一个基于GIS技术的可视化管理平台。
基于GIS技术的燃气管网地理信息***(GIS***)与SCADA***组合成一个一体化***。在数据建设中，GIS作为静态数据的组织者，负责数据的录入、存储、提供部分特殊的查询算法。SCADA作为动态数据的组织者，负责动态数据的获取和存储等问题。利用SCADA提供统一接口函数，在GIS***中实现直接从实时库中读取信息。通过数据建设的一体化，实现GIS和SCADA共享设备信息、动态数据。SCADA***需要从GIS中获取的信息主要包括：地理图形背景信息；离线的图形信息；管网的参数信息。在GIS图形上显示的实时运行信息主要包括：管内气体运行参数的实时信息：压力、流量和温度。综合利用视图、属性表等GIS提供的显示手段，采用动态着色技术、动态刷新技术，可以完整、准确、形象地动态显示实时运行信息。
该***功能模块可分为两个部分：
(1)静态预警模块：嵌入的管线安全性评价软件，能够根据管线的材料、外界土壤、缺陷类型等因素，对在役管线的最大允许工作压力进行评定，从而实施在役燃气管线的静态预警；
(2)动态预警模块：嵌入的管网动态仿真软件，利用GIS***的属性数据以及SCADA***的实时测量数据，实时预测燃气管网的运行状态，并不断将SCADA***的测量数据和仿真软件的预测结果进行比较，实施管网的动态预警。
在图1中，采用ESRI公司的地理信息***软件ArcGIS开发出燃气管网GIS***2。利用ArcGIS中的一个软件开发包ArcEngine将AutoCAD绘制的燃气管网图1载入GIS***2中。ArcGIS中基本的图元要素分为点、线、面、注记四种类型。AutoCAD中基本的图元要素分为块、线、文本。先在ArcGIS中分别建立点图层、线图层和注记图层，然后导入对应的CAD图元信息。GIS***2和SCADA***3保持相对独立，这样可以保证两个***运行的安全、稳定、可靠和高效。GIS***2和SCADA***3又是紧密集成的。SCADA***3只提供基本的数据采集服务，即不维护运行画面，只是作为后台***向GIS***2提供实时数据，接受GIS***2的命令进行遥控操作。GIS***2建立和管理的数据综合了管网空间信息和属性信息，既能方便地查询和管理，为自动化管理***提供基础数据平台。GIS***2的空间数据和SCADA***3的实时数据通过模块处理后被规则化以***内部格式保存在实时网络空间数据库4中。动态预警模块5和静态预警模块6分别从实时网络空间数据库4提取数据并进行分析计算。如果动态预警模块5计算的结果与SCADA***3的测量数据之间的偏差超过一定值，就将管网存在泄漏风险的预警信息7提供给操作人员。如果在役管线服役完静态预警模块6预测的剩余寿命时，就将管线危险预警信息7提供给操作人员。
在图2中，燃气管网GIS***2中各个模块的功能：用户权限管理模块，不同的人员会有不同的***操作权限。通过访问权限的设定和菜单项的过滤验证保证数据的安全；***集成接口模块，其可方便与数据采集***、客户服务***等进行数据及功能集成，满足燃气管网输配调度决策的需要；图形及数据编辑模块，允许用户增删各种型号的输气管线或者是对已有的管线属性数据进行编辑和修改；图形显示及输出模块，可将管线、附属设备(调压器、阀门等)以及基础地形图进行放大、缩小、分层显示等，另外还可以打印输出各类图形和报表；管网查询及统计模块，可进行管网空间数据及属性数据的双向查询；管线安全性评价模块，根据在役燃气管线的管线、土壤环境、气候条件等因素预测管线的使用寿命，并与管线的实际使用年限进行比较；管网信息共享模块，在Client/Server方式下实现远程数据库的智能化共享与联接，只要具有登陆权限的用户都可以通过网络实时地获取信息，并通过电子邮件等方式实现双向的操作。具有管理员权限的用户可以远程访问数据库并对数据进行修改。
在图3中，实时网络空间数据库4存储了管网的属性数据(管线、管长、管径、管线粗糙度等)和地理信息数据以及SCADA***3提供的管网运行参数(气体压力、流量和温度)数据。GIS***2中嵌入的管网动态仿真软件通过读取管网属性数据以及SCADA***的监控数据，进行实时动态仿真。软件程序已对安全运行条件下管网各个节点处的信号进行了估计。利用各节点处的一系列残差信号估计了一系列的“潜在泄漏量”，根据这些“潜在泄漏量”对照预先设的阈值进行泄漏检测。模型的参数经过不断的调整，使得无泄漏发生时各个“潜在泄漏量”最小化。如果模型的预测结果与测量数据之间的偏差超过了设定的阈值，则认为管线发生了泄漏，并泄漏预警信息提供给操作人员。
在图4中，GIS***2中嵌入的管线安全性评价软件通过读取实时网络空间数据库4中的管网属性数据(管线材料、管线缺陷尺寸、土壤化学组成等)对在役管线的最大允许工作压力进行评定。由于对管线安全性影响的因素较多，通过敏感性分析，可以识别出对管线安全性影响最大的参数。将管线缺陷分为两类：裂纹缺陷和腐蚀缺陷。对裂纹缺陷进行安全评定时，采用的是失效评定图(FDA)方法。计算出给定条件下的Kr和Lr值，如果评价点(Kr，Lr)是在评定曲线内侧，该管线被认为是安全的；如果评价点(Kr，Lr)是在评定曲线外侧，则该管线是不安全的，计算出管线的最大允许工作压力。对腐蚀缺陷进行安全评定时，利用人工神经网络预测模型计算土壤腐蚀速率，其步骤为：1)将管线外界土壤的化学组成作为网络的输入；2)将相应管线的权值赋予网络的连接单元；3)运行人工神经网络预测模型分析管线的土壤腐蚀速率。最后，结合API579凹坑评定标准中提出的方法，计算出该管线的最大允许工作压力。如果在役燃气管线的工作压力超过最大允许工作压力，***就出现预警信息。

Claims (4)

1.一种燃气管网事故预警方法，包括下列步骤：
1)建立燃气管网地理信息***，读取和存储燃气管网图、管网属性数据及空间地理
数据；
2)根据管线属性数据，确定管线载荷，并给定缺陷初始尺寸和裂纹扩张量；
3)按照裂纹扩展方程求出寿命增量，将累加法和逼近法相结合，进行寿命预测；
4)采用失效评定图方法，评定管线是否安全，如果不安全，计算管线的最大允许工作压力和剩余寿命；
5)将各管线的实际寿命与所预测的剩余寿命相比较，如果达到剩余寿命，报告管线寿命预警信息；
6)建立燃气管网的数据采集与监视控制***，实时采集包括各个节点管线压力在内的动态数据；
7)将燃气管网的数据采集与监视控制***所采集的各个节点管线压力根据与该节点管线的最大允许工作压力相比较，如果超出，则报告管线压力预警信息。
2.根据权利要求1所述的燃气管网事故预警方法，其特征在于，在步骤1)之后和步骤5)之前，还包括下列步骤：
a)根据管线属性信息，确定缺陷轴向和纵向尺寸以及管线最小壁厚；
b)采用人工神经网络预测模型分析土壤腐蚀速率；
c)计算管线的失效压力；
d)结合管线的安全系数，计算出管线的最大允许工作压力；
e)通过建立可靠性数学模型，对管线进行可靠性分析，确定管线的剩余寿命；
f)将步骤d)和e)所确定的管线的最大允许工作压力和管线的剩余寿命分别与步骤4)所确定的管线的最大允许工作压力和剩余寿命相比较，选择最小值作为管线的最大允许工作压力和剩余寿命。
3.根据权利要求2所述的燃气管网事故预警方法，其特征在于，其中的步骤b)包括下列步骤：(1)将管线外界土壤的化学组成作为网络的输入；(2)将相应管材的权值赋予网络的连接单元；(3)运行人工神经网络预测模型分析管材的土壤腐蚀速率。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的燃气管网事故预警方法，其特征在于，还包括下列步骤：
A.建立管线实时仿真模型，计算各个节点管线的参数值，并根据燃气管线的压力平衡关系，设定泄漏阈值；
B.利用燃气管网的数据采集与监视控制***采集各个节点处的包括气体流量和温度在内的动态数据的测量值；
C.计算各个节点处测量值与所计算的参数值之间的偏差；
D.如果偏差超过泄漏阈值，则报告管线泄漏预警信息。
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