本發(fā)明涉及危險氣體檢測監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及對于近地表危險氣體泄漏源的快速監(jiān)測定位方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，潛在危險氣體的泄漏可能會造成巨大的經(jīng)濟損失、人員傷亡和環(huán)境破壞，比如地埋天然氣管道泄漏、地下儲氣庫泄漏、化工危險氣體儲運設(shè)備泄漏等，一旦發(fā)生泄漏，如果不及時處理后果不堪設(shè)想。因而如何在危險氣體泄漏后進(jìn)行危險源位置的快速定位十分重要。

目前常用的方法有直接監(jiān)測定位方法和間接定位方法。直接定位方法通常是利用氣體傳感器監(jiān)測到明顯的泄漏發(fā)生后，利用便攜式儀器或其他手段人工尋找判斷泄漏的位置。這種方法定位速度比較慢，而且對操作人員會帶來潛在的危害。間接定位方法是通過傳感器監(jiān)測方法和數(shù)值算法結(jié)合實現(xiàn)泄漏源的定位。目前已有的泄漏源辨識算法主要是基于泄漏源反問題求解，分為直接反問題求解、最優(yōu)化方法以及基于概率統(tǒng)計的隨機逼近三種方法。泄漏源反演算法盡管可以比較準(zhǔn)確的獲得泄漏源位置信息，但是存在的問題是需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，必須保證有足夠的監(jiān)測點，同時，大部分泄漏源辨識算法由于需要結(jié)合計算流體動力學(xué)進(jìn)行擴散模型計算，所以計算估計效率不高，嚴(yán)重影響了泄漏源辨識算法在快速定位方面的應(yīng)用。

因而，在近地表危險氣體泄漏源的定位方面的研究尚存在不足，有待進(jìn)一步的研究快速準(zhǔn)確的泄漏源定位方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于擴散波的近地表氣體泄漏快速定位方法，能夠在泄漏源順風(fēng)方向位置通過兩個或三個監(jiān)測點對泄漏氣體擴散情況的監(jiān)測結(jié)果，實現(xiàn)快速定位。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方法是：

一種基于擴散波的近地表泄漏氣體快速定位方法，其基本原理是基于氣體濃度擴散波，通過監(jiān)測擴散波的時間參數(shù)，包括初始時間t₀、穩(wěn)定時間t_s以及增長時間Δt，估算泄漏源距離監(jiān)測點的位置。擴散波初始時間t₀是傳感器監(jiān)測到的泄漏氣體濃度開始增大的時刻，擴散波穩(wěn)定時間t_s為傳感器監(jiān)測到泄漏氣體濃度達(dá)到穩(wěn)定濃度的時刻，擴散波增長時間Δt是擴散波穩(wěn)定時間t_s與初始時間t₀的差值，Δt＝t_s-t₀。由于擴散波初始時間t₀、穩(wěn)定時間t_s隨著泄漏源順風(fēng)距離X的增大而近似線性增加，而隨側(cè)風(fēng)距離Y和垂直高度Z基本不變，所以增長時間Δt與順風(fēng)距離也存在這樣的關(guān)系，可以表述為：

Δt＝kX+b (1)

或X＝KΔt+B (2)

其中，參數(shù)k或者K是線形系數(shù)，而b或B為剩余變量。所以，可以通過分析時間參數(shù)與順風(fēng)距離之間的關(guān)系估計得到監(jiān)測點距離泄漏源位置的距離。

進(jìn)一步，基于擴散波原理的泄漏源快速定位方法包含兩點監(jiān)測方法和三點監(jiān)測定位方法。

進(jìn)一步，對于兩點監(jiān)測定位方法主要利用在沿泄漏源順風(fēng)方向兩個位置X₁、X₂處監(jiān)測到的擴散波變化，進(jìn)行快速定位。其具體方法為：在兩個不同順風(fēng)位置X₁、X₂處監(jiān)測得到擴散波波形，X₀是泄漏源位置、X₁和X₂沿順風(fēng)方向兩個監(jiān)測傳感器的位置、X₀₁是X₁距離泄漏源的距離，監(jiān)測點1距離泄漏源的距離計算式如式(3)所示：

其中X₀₁^*為初始距離估計值，該值為假設(shè)泄漏源位置處泄漏氣體擴散增長時間為零的條件下監(jiān)測點1處距離泄漏源的估計值，計算公式如式(4)：

其中L₁₂為兩個監(jiān)測點之間的順風(fēng)距離，Δt₁,Δt₂為兩個監(jiān)測點處分別監(jiān)測到的增長時間。

偏差距離S為在Δt₀＝0假設(shè)下和真實條件下的估計距離差別，該值通常為負(fù)值。其計算關(guān)系表達(dá)為：

其中Δt₀為泄漏源位置處擴散波的增長時間。由于偏差距離S主要依賴于地形特征和大氣條件，在常見的風(fēng)速范圍下(5m/s～8m/s)，偏離距離S基本保持穩(wěn)定,且當(dāng)?shù)乇泶植诟叨葄₀遠(yuǎn)小于監(jiān)測高度h的時候(z₀/h≤0.5)，S的絕對值隨著地表粗糙高度的增高而近似線性增大。所以在特定的地形環(huán)境和大氣環(huán)境下，偏差距離S為一穩(wěn)定值。利用該特性，只需要通過式(4)確定監(jiān)測點1和監(jiān)測點2處的增長時間參數(shù)，就可以容易得到泄漏源距離監(jiān)測點1處的距離。

進(jìn)一步，對于三點監(jiān)測定位方法，主要利用在沿泄漏源順風(fēng)方向隨機三個位置X₁、X₂、X₃監(jiān)測到的擴散波變化，從監(jiān)測點X₁處到泄漏源X₀之間的距離由公式(6)得到

其中是根據(jù)式(4)，由點X₁和X₂處擴散波估計得到的泄漏源離監(jiān)測點1的初始估計距離；是由X₁和X₃處的擴散波得到的泄漏源離監(jiān)測點1的初始估計距離；是由X₂和X₃擴散波得到的泄漏源離監(jiān)測點3的初始估計距離；L₃₁監(jiān)測點3到監(jiān)測點1之間的順風(fēng)方向相對距離。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明所述的近地表泄漏快速定位方法，基于兩點或三點擴散波監(jiān)測就可以實現(xiàn)泄漏源的快速定位，可以提高近地表氣體泄漏的定位效率；

(2)本發(fā)明所述的近地表泄漏源定位方法基于擴散波原理，如果采用三個以上的監(jiān)測點結(jié)果將進(jìn)一步修正估計結(jié)果，降低估計偏差；

(3)本發(fā)明所述泄漏定位方法可以用于地質(zhì)儲存氣體技術(shù)中的氣體泄漏定位中，也可以用于化工設(shè)備危險介質(zhì)儲運裝備泄漏定位當(dāng)中，同時還可以用于環(huán)境危險氣體釋放源的定位。

附圖說明

圖1是本發(fā)明泄漏氣體濃度擴散波隨順風(fēng)距離的傳播規(guī)律。

圖2是泄漏氣體濃度擴散波隨著側(cè)風(fēng)距離分布規(guī)律。

圖3泄漏氣體濃度擴散波隨著距離地面高度的分布規(guī)律。

圖4擴散波時間參數(shù)隨順風(fēng)距離的變化。

圖5兩監(jiān)測點擴散波定位基本原理。

圖6三點擴散波定位原理。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

圖1中，橫坐標(biāo)是時間/S，縱坐標(biāo)是氣體濃度/ppm。Cs為穩(wěn)定濃度，其為擴散達(dá)到穩(wěn)定后的濃度值；t₀為擴散初始時間，其為監(jiān)測點觀察到泄漏氣體開始增大的時刻；t_s是為擴散穩(wěn)定時間，其為擴散達(dá)到穩(wěn)定濃度的時間。順風(fēng)距離L1<L2<L3<L4。擴散波沿順風(fēng)距離傳播過程中，時間參數(shù)t₀、t_s隨著順風(fēng)距離的增大而增大，而穩(wěn)定濃度Cs隨順風(fēng)距離的增大而減小。

圖2中，橫坐標(biāo)是時間/S，縱坐標(biāo)是氣體濃度/ppm。側(cè)風(fēng)距離y1<y2<y3<y4。擴散波沿側(cè)風(fēng)方向只有穩(wěn)態(tài)濃度發(fā)生變化，不同側(cè)風(fēng)位置處的穩(wěn)態(tài)濃度隨著距離泄漏源位置的增大而減小，而時間參數(shù)t₀、t_s基本不發(fā)生變化。

圖3中，橫坐標(biāo)是時間/S，縱坐標(biāo)是氣體濃度/ppm。垂直高度z1<z2<z3。擴散波沿垂直高度只有穩(wěn)態(tài)濃度發(fā)生變化，穩(wěn)態(tài)濃度隨著距離地面距離的增大而減小，而時間參數(shù)t₀、t_s基本不發(fā)生變化。

圖4中，(a)為穩(wěn)定時間t_s對順風(fēng)距離的變化；(b)為初始時間t₀隨順風(fēng)距離的變化；(c)為增長時間Δt隨順風(fēng)距離的變化。其中Δt＝t_s-t₀。無論擴散初始時間、穩(wěn)定時間還是增長時間均隨順風(fēng)距離的增加而增大，且這種變化是線形的，此原理可以被用作泄漏源的快速定位。

圖5中，X₀是泄漏源位置、X₁和X₂是沿順風(fēng)方向兩個監(jiān)測傳感器的位置、X₀₁是X₁距離泄漏源的距離。Δt₁,Δt₂分別是監(jiān)測點1以及監(jiān)測點2處的增長時間；L₁₂是X₁和X₂之間的順風(fēng)距離。由于擴散波時間參數(shù)在側(cè)風(fēng)方向和垂直方向基本不變，所以兩監(jiān)測點的連線不需要和風(fēng)向一致。

圖6中，Δt₁,Δt₂，Δt₃分別是監(jiān)測點1、監(jiān)測點2及監(jiān)測點3處的增長時間；L₁₂是X₁和X₂之間的順風(fēng)距離；L₃₁監(jiān)測點3到監(jiān)測點1之間的順風(fēng)方向相對距離；L₃₂監(jiān)測點3到監(jiān)測點2之間的順風(fēng)方向相對距離。三個監(jiān)測點位置滿足位于泄漏源順風(fēng)方向即可。

本發(fā)明提供的定位方法，是基于濃度擴散波的氣體泄漏快速定位方法。從近地表泄漏到大氣中的氣體隨時間的擴散過程類似于機械波的傳播，其在不同位置上以相似的波形向前推進(jìn)，這種波稱為濃度擴散波。在某一位置上濃度非穩(wěn)態(tài)擴散達(dá)到穩(wěn)定的峰值濃度可以視為是擴散波的振幅。

時間參數(shù)Δt被定義為擴散穩(wěn)定時間與初始擴散時間的差值，其可以用來表示擴散波的周期性：Δt＝t_s-t₀。

如附圖一、二、三所示，擴散波時間參數(shù)擴散初始時間t₀和穩(wěn)定時間t_s在擴散波的傳播過程中，在不同順風(fēng)位置上不斷變化，而在側(cè)風(fēng)和垂直方向上基本不變的。因此，基于濃度擴散波此特性，可以進(jìn)行泄漏源的定位。

由圖四可以看出，擴散初始時間、穩(wěn)定時間和增長時間均隨順風(fēng)距離的增加而增大，且這種變化是可以看做是線形的。由于擴散初始時間和穩(wěn)定時間是時刻值，而增長時間是時間間隔值，該參數(shù)可以輕易通過擴散波波形得到。因為增長時間Δt隨離泄漏源順風(fēng)距離線形增加，可以表述為：

Δt＝kX+b

或X＝KΔt+B

其中，參數(shù)k或者K是線形系數(shù)，而b或B為剩余變量。所以，可以通過分析時間參數(shù)Δt與順風(fēng)距離之間的關(guān)系估計得到監(jiān)測點到泄漏源位置的距離。所以此結(jié)論就是基于擴散波進(jìn)行定位的基本依據(jù)。

本發(fā)明提出基于擴散波的近地表氣體泄漏快速定位方法包括兩點定位和三點定位方法。其中兩監(jiān)測點定位方法如圖五所示，其原理是利用在兩個不同順風(fēng)位置X₁、X₂處監(jiān)測得到擴散波波形，根據(jù)不同位置處增長時間與距離泄漏源順風(fēng)距離成線性關(guān)系，可以獲得監(jiān)測點1距離泄漏源得計算式：

其中，Δt₀,Δt₁,Δt₂分別是泄漏點、監(jiān)測點1以及監(jiān)測點2處的增長時間，X₀₁是X₁距離泄漏源的距離,L₁₂是監(jiān)測點1和監(jiān)測點2之間的順風(fēng)距離。

但是，公式中所述時間參數(shù)Δt₀是擴散波在泄漏點處的增長時間，該值在實際操作過程中是很難測定，因而暫時假設(shè)Δt₀＝0，則X₀₁的初步估計值為：

由圖4增長時間隨順風(fēng)距離的變化規(guī)律，可以看出，越接近泄漏源，增長時間越短。但在泄漏源處氣體增長時間并不為零，所以假設(shè)增長時間為零，距離值將會被高估。比較上述兩式，可以得到偏差距離S的計算表達(dá)為：

其物理意義是偏差距離S為在Δt₀＝0假設(shè)下和真實條件下的估計距離差別，該值通常為負(fù)值。則監(jiān)測點1距離泄漏源的實際距離可以表述為：

若能得到S的值，則可以得到比較準(zhǔn)確的泄漏源位置。通過對比可以發(fā)現(xiàn)S與式(1)中的剩余變量B是相同的，因而可以通過增長時間與順風(fēng)距離的關(guān)系提前確定偏差距離值。在本專利所述定位方法中，偏差距離S主要依賴于地形特征和大氣條件，在常見的風(fēng)速范圍下(5且當(dāng)?shù)孛娲植诟叨葄₀遠(yuǎn)小于監(jiān)測高度h的時候m/s～8m/s)，偏離距離S基本保持穩(wěn)定,(z₀/h≤0.5)，S的絕對值隨著粗糙高度的增高而近似線性增大。所以在特定的地形環(huán)境和大氣環(huán)境下，偏差距離S為一穩(wěn)定值，利用該特性，確定了監(jiān)測點1和監(jiān)測點2處的增長時間參數(shù)，就可以容易得到泄漏源距離監(jiān)測點1處的距離。

進(jìn)一步，為了減小兩監(jiān)測點定位方法帶來的誤差，本發(fā)明提出三監(jiān)測點定位方法，如圖六，在隨機三點定位條件下，從監(jiān)測點X₁處到泄漏源X₀之間的距離由下式計算得到：

其中是由點X₁和X₂處擴散波估計得到的泄漏源離監(jiān)測點1的初始估計距離；是由X₁和X₃處的擴散波得到的泄漏源離監(jiān)測點1的初始估計距離；是由X₂和X₃擴散波得到的泄漏源離監(jiān)測點3的初始估計距離；L₃₁是監(jiān)測點3到監(jiān)測點1之間的順風(fēng)方向相對距離。