基于聲發(fā)射的CO2運輸和存儲設(shè)備泄漏檢測與定位研究.pdf

1、隨著全球變暖的加劇，CO2的過度排放引起了各國政府的重視。碳捕獲與封存(CCS)技術(shù)既能夠大規(guī)模減少CO2排放量，又不影響化石燃料的使用，對我國中長期應(yīng)對氣候變化、推進低碳發(fā)展具有重要意義。CO2運輸是CCS技術(shù)中連接捕獲與封存的紐帶，工業(yè)規(guī)模的CO2泄漏事故如果得不到及時有效的處理，將會造成重大的經(jīng)濟損失，并且嚴重危害生態(tài)環(huán)境和人類健康，因此，在實施CCS項目過程中，準確可靠的泄漏檢測技術(shù)是不可或缺的。目前，CCS尚在發(fā)展當(dāng)中，還沒有

2、成熟完善的泄漏檢測和定位方法，只能借鑒石油、天然氣和自來水的相關(guān)泄漏檢測經(jīng)驗，但是存在的技術(shù)難點很多，亟待研究解決。第一，石油、天然氣和自來水的泄漏檢測本身還有許多難點尚未解決，泄漏爆炸新聞時有報道;第二，CO2性質(zhì)特殊，極易發(fā)生相態(tài)變化，運輸過程中可能會出現(xiàn)氣、液、超臨界等多種相態(tài)，與石油、自來水、天然氣的物理特性差別很大;第三，目前的泄漏檢測研究主要針對固定式的運輸管道，但是對移動式的存儲設(shè)備的泄漏檢測研究較少;第四，CO2運輸和存

3、儲設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、帶有保溫層、埋在地下或海底，既需要快速準確的泄漏檢測和定位方法，又需要盡可能少破壞或不破壞地表封土和保溫層，因此，CO2運輸和存儲設(shè)備的泄漏檢測與定位研究非常具有挑戰(zhàn)性。為了滿足CO2運輸環(huán)節(jié)的安全性，亟待研究一種能有效適用于CO2運輸和存儲設(shè)備的泄漏檢測與定位方法。
　　論文比較了現(xiàn)有泄漏檢測方法的優(yōu)缺點和適用條件，并結(jié)合CO2運輸設(shè)備的特點，開展了基于聲發(fā)射技術(shù)的CO2泄漏檢測和定位研究;針對CO2泄漏檢測難點

4、，通過理論分析、數(shù)值仿真、實驗驗證等途徑深入研究泄漏聲發(fā)射信號的聲源特征、傳播機理、傳感器陣列布局、信號的濾波、分解、特征提取以及泄漏源定位等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了準確的CO2運輸和存儲設(shè)備的泄漏定位，尤其是實現(xiàn)了多泄漏源的定位，填補了國內(nèi)對CO2運輸環(huán)節(jié)的泄漏檢測空白，為CO2運輸環(huán)節(jié)的安全監(jiān)測提供了保障。具體研究內(nèi)容包括:
　　(1)泄漏聲發(fā)射源機制和信號特征分析
　　通過理論分析與實驗驗證相結(jié)合的方法，研究泄漏源的聲發(fā)射機制

5、，設(shè)計了CO2泄漏檢測實驗裝置，模擬并分析了不同形狀、尺寸泄漏源以及多泄漏源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征。
　　(2)泄漏信號去噪和多尺度分解
　　針對泄漏聲發(fā)射信號易受噪聲干擾、傳播過程中發(fā)生頻散畸變等問題，研究了泄漏信號去噪、多尺度分解和特征提取等關(guān)鍵問題。針對不同CO2運輸設(shè)備的形狀特征和聲波衰減規(guī)律，分別采用了基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)、改進型經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EEMD)以及小波包分解的算法，對采集的含有噪聲的泄漏信號進行多尺度

6、分解，提取包含泄漏特征的特定模態(tài)信號進行波形重構(gòu)，減小了模態(tài)混疊對泄漏源定位的影響。
　　(3)CO2運輸管道泄漏定位研究
　　根據(jù)管道的幾何形狀，將泄漏源定位模型進行一維簡化，并分析泄漏信號沿管道壁面的傳播模式和衰減特性，確定了用于管道泄漏定位的傳感器選型依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上研究了可行的定位算法、需要的傳感器數(shù)量等問題，提出了基于相關(guān)系數(shù)融合的TDOA定位算法和無需聲速的改進型定位算法，達到了提高泄漏源定位精度的目的。

7、>　　(4) CO2存儲設(shè)備泄漏定位研究
　　針對CO2存儲設(shè)備的殼體特征，將泄漏源定位模型進行二維簡化，分別提出了基于近場模型和遠場模型的波束形成定位方法以及基于雙曲線的定位方法，仿真分析了陣列形狀、傳感器間距和數(shù)量對定位算法性能的影響，得到了最優(yōu)化的參數(shù)配置，并且對提出的定位方法進行了實驗驗證和結(jié)果比較。
　　(5)多泄漏源的識別和定位研究
　　目前的泄漏檢測和定位研究主要針對檢測區(qū)域內(nèi)只存在單一泄漏源的情況，多泄