本发明涉及一种监测定位装置， 尤其涉及 LNG储罐泄漏区域的分析与定位技术。 背景技术

液化天然气（LNG)储罐是液化天然气运输和储� �必不可少的储气容器,近年来 LNG 储罐的研制在向大容量方向发展。 LNG储罐是由盛装低温 LNG液体的钢质内罐和提供 正常操作环境与保护功能的混凝土外罐组成的 复合设施。 一旦钢质内罐局部出现破裂， 保温层失效、 储罐外壁混凝土破坏，都会引起严重泄漏现象 ， 使混凝土罐壁内侧急剧降 温产生的拉应力会把罐壁内侧拉裂。随着泄漏 的持续，外罐受影响区域的深度和广度将 逐渐向罐壁外侧和沿罐壁高度发展， 危及外罐的安全。

目前国际上对于 LNG储罐泄漏故障诊断的研究并不多，且现有的 泄漏定位方法大多 需要耗费大量资金， 安装复杂， 实用性较差。 发明内容

本发明的主要目的在于克服已有技术的不足， 提供一种及时发现泄漏情况的液化天 然气储罐泄漏定位方法。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

本发明的液化天然气储罐泄漏定位方法， 它包括以下步骤：

(a)在液化天然气储罐外壁上安装 4组灯泡做为参考点， 依次为第一、 二、 三、 四 组灯泡，每组灯泡包括沿同一竖直方向分别安 装在液化天然气储罐顶和储罐底的上、下 两只灯泡， 四组灯泡中的四个上灯泡位于同一圆周方向上 并且间距 45度分布， 四组灯 泡中的四个下灯泡位于同一圆周方向上并且间 距 45度分布；

(b)在液化天然气储罐外安装四台红外热像仪， 所述的四台红外热像仪位于同一圆 周方向上并且位于液化天然气储罐 1/2高度处，所述的四台红外热像仪分别位于两 组灯 泡之间的中间位置，调整四台红外热像仪距离 液化天然气储罐外壁的距离使每一台红外 热像仪可以检测到大于储罐外壁四分之一的区 域， 所述的四台红外热像仪安装倾角为 零， 且拍摄所得的热图中心正对四个灯泡投影所组 成的平面中心；

(c)打开八个灯泡， 开启四台红外热像仪对液化天然气储罐进行红 外成像扫查， 形 成温度分布红外图像，然后将温度分布红外图 像传入计算机进行如下分析处理： 以灯泡 所在点为图像的特征点，对特征点附近区域进 行匹配计算，依次对四个图像进行左右相 连拼接， 去除相邻图像间的重叠区域作为液化天然气储 罐整体外壁温度分布图像；

( d) 截取液化天然气储罐整体外壁温度分布图像中 出现局部连续降温变化的降温 图像部分，根据降温图像部分做出等温线，等 温线由外部趋近于泄漏中心处的温度依次 降低， 从而确定泄漏所在区域， 确定泄漏所在区域具体步骤为： 以最低温度点处为等温 线坐标原点建立最低温度直角坐标系， 以平行于温度图像底边的水平方向为横坐标方 向， 以竖直向下的高度方向为纵坐标的正方向，在 纵坐标的正方向取 3米参考区域对温 度进行分析，确定温度随高度的变化关系，建 立温度-高度变化曲线图并进行曲线拟合， 光滑修正； 在此基础上求出温度的导数与高度之间的关系 ， 建立导数-高度变化曲线图 并进行曲线拟合， 光滑修正， 并确定温度导数最大值； 取 0. 707 X温度导数最大值为温 度变化控制点，该温度变化控制点所对应的高 度坐标，对应到温度-高度变化曲线图上， 得到所述的温度变化控制点所对应的高度坐标 的控制温度，控制温度所在的等温线所包 围的区域就是泄漏所在区域；

(e)取控制温度所在的等温线上的任意 A点，确定该任意 A点在图像像素坐标系中 的位置，

然后根据公式

将图像中泄漏区域对应到液化天然气储罐外壁 表面，式中、 _Ρ , Θ, Η)为控制温度所在 的等温线上的任意 Α 点在液化天然气储罐外壁上的储罐泄漏对应点 在以储罐底面中心 为坐标原点的底面中心坐标系中的位置坐标， 底面中心坐标系以储罐底面的圆心为坐标 原点， 连结第一、 二组灯泡的下两只灯泡， 以平行于此连接线的直线为 X轴， 正方向为 由第一组灯泡指向第二组， y轴为通过坐标原点且正方向为竖直向上的直� �， z轴为通 过坐标原点且垂直于 xo ₂ _y平面向外的直线， （χ ₂ , ₂ , ) 是在储罐底面中心坐标系下， 红外图像中储罐泄漏点对应到储罐外壁上的点 坐标； 是液化天然气储罐底面半径； ^θ 是液化天然气储罐底面中心点与所述的储罐泄 漏对应点在液化天然气储罐底面投影的 连线与所述的底面中心坐标系的 轴正方向之间的夹角， Α为所述的储罐泄漏对应点与 液化天然气储罐底面间的竖直距离， H是储罐高度， ^是在图像坐标系下过储罐泄露 点且平行于图像坐标系 y轴的直线上储罐顶距储罐底之间的竖直距离� � u、 V分别是任 意 A点在像素直角坐标系中的横坐标和纵坐标，� �像坐标系和像素直角坐标系均是以液 化天然气储罐整体外壁温度分布图像中第一、 二组的四只灯泡为角点的矩形中心所在的 位置为坐标原点， 以水平向右的方向为 X轴正方向， 以竖直向上的方向为 y轴正方向建 立的平面直角坐标系，像素直角坐标系中的坐 标为像素点， 图像坐标系中的坐标为以毫 米为单位的位置坐标， ， 分别表示红外热像仪 x、 y方向上的单位像素间的距离， t 为任意 A点在组成液化天然气储罐整体外壁温度分布� �像中所处的组成图像的序位号， 按照从左到右的顺序， 任意 A点处在液化天然气储罐整体外壁温度分布图� �中的四幅 拼接组成图像的序位号分别为 1、 2、 3、 4， m是单个红外热像仪所拍摄的温度分布红 外图像经裁剪去掉重叠区域后横向距离所包含 的像素个数，在控制温度所在的等温线上 任取 N点，依次通过上述公式计算出其对应于储罐� �壁上的储罐泄漏对应点，将全部储 罐泄漏对应点连接到一起得到的连线所包围的 区域为实际的储罐泄漏区域。

采用本方法可以通过液化天然气储罐表面温度 变化，确定温度变化控制点，定位储 罐泄漏所在区域， 缩小泄漏排查区域， 在此基础上， 进一步确定储罐发生故障的部分， 一方面操作简单方便，另一方面可大大减少了 储罐防护工作量，提高 LNG储罐工作可靠 性， 避免危险情况的发生。 附图说明

图 1是本发明的液化天然气储罐泄漏定位方法中� �用的设备的整体安装示意图； 图 2是图 1所示的安装结构的俯视图；

图 3为热图像裁剪去除重叠区域的示意图；

图 4是图 3中的四个红外热像仪拍摄的热图像经拼接后� �整体储罐外壁温度分布 图；

图 5-1、 5-2、 5-3、 5-4、 5_5、 5_6为泄漏区域等温线示意图；

图 6-1是泄漏区域坐标图， 6-2是温度-高度、 导数-高度图；

图 7是被监测的液化天然气储罐的坐标系示意图� �

图 8是被监测的液化天然气储罐的横截面点投影� �意图。 具体实施方式

如附图所示的本发明的液化天然气储罐泄漏三 维监测与漏点定位方法，它包括以下 步骤： （a) 在液化天然气储罐外壁上安装 4组灯泡 2做为参考点，依次为第一、二、三、 四组灯泡， 每组灯泡包括沿同一竖直方向分别安装在液化 天然气储罐顶和储罐底的上、 下两只灯泡， 四组灯泡中的四个上灯泡位于同一圆周方向上 并且间距 45度分布， 四组 灯泡中的四个下灯泡位于同一圆周方向上并且 间距 45度分布； （b) 在液化天然气储罐 1外安装四台红外热像仪 3， 所述的四台红外热像仪位于同一圆周方向上并 且位于液化 天然气储罐 1/2高度处，所述的四台红外热像仪分别位于两 组灯泡之间的中间位置，调 整四台红外热像仪距离液化天然气储罐外壁的 距离使每一台红外热像仪可以检测到大 于储罐外壁四分之一的区域，所述的四台红外 热像仪安装倾角为零，且拍摄所得的热图 中心正对该两组灯泡投影所组成的平面中心； 图 1中 1是液化天然气储罐， 2是灯泡， 3是红外热像仪， 4是热像仪拍摄的储罐外壁最小区域。 （c) 打开八个灯泡， 开启四台 红外热像仪对液化天然气储罐进行红外成像扫 查，形成温度分布红外图像，然后将温度 分布红外图像传入计算机进行如下分析处理： 以灯泡所在点为图像的特征点，对特征点 附近区域进行匹配计算，依次对四个图像进行 左右相连拼接，去除相邻图像间的重叠区 域（如图 3中 5是图像间的重叠区域）作为液化天然气储罐� �体外壁温度分布图像， 如 图 4所示； （d)由于泄漏在高度方向上存在温度变化剧烈� ��和温度变化平缓区， 在最低 温度点处建立直角坐标系如图 6-1所示，截取液化天然气储罐整体外壁温度分 布图像中 出现局部连续降温变化的降温图像部分，根据 降温图像部分做出等温线，等温线由外部 趋近于泄漏中心处的温度依次降低， 从而确定泄漏所在区域， 图 5-1、 5-2、 5-3、 5-4、 5-5、 5-6列出了 6种可能出现的泄漏区域等温线示意图。 确定泄漏所在区域具体步骤 为： 以最低温度点处为等温线坐标原点建立最低温 度直角坐标系， 以平行于温度图像底 边的水平方向为横坐标方向， 以竖直向下的高度方向为纵坐标的正方向，在 纵坐标的正 方向取 3米参考区域对温度进行分析，确定温度 t随高度 _y的变化关系，建立温度 -高度 卜 ^变化曲线图并进行曲线拟合， 光滑修正； 在此基础上求出温度的导数 t'与高度 >之 间的关系， 建立导数 -高度 t'-j变化曲线图并进行曲线拟合， 光滑修正， 并确定温度导 数最大值 ma^ ; 取 0. 707 X温度导数最大值 maW为温度变化控制点， 该温度变化制 点所对应的高度坐标为 j ₃ ， 对应到温度 -高度 - >变化曲线图上， 得到所述的温度变化 控制点所对应的高度坐标 j ₃ 的控制温度 t ₃ ，控制温度^所在的等温线所包围的区域� �是 泄漏所在区域。 图 6-2中， ^是温降区的最低温度， ^是高度是 3m处的温度， t ₃ 是高 度为 j ₃ 时的温度， ^max ^是温度导数的最大值。 (e)取控制温度所在的等温线上的任意 A点，确定该任意 A点在图像像素坐标系中 的位置 (Μ, _ν )，

将图像中泄漏区域对应到液化天然气储罐外壁 表面，式中、 _Ρ , θ, }ή为控制温度所在 的等温线上的任意 Α 点在液化天然气储罐外壁上的储罐泄漏对应点 在以储罐底面中心 为坐标原点的底面中心坐标系中的位置坐标， 底面中心坐标系以储罐底面的圆心为坐标 原点， 连结第一、 二组灯泡的下两只灯泡， 以平行于此连接线的直线为 X轴， 正方向为 由第一组灯泡指向第二组， y轴为通过坐标原点且正方向为竖直向上的直� �， z轴为通 过坐标原点且垂直于 X0 ₂ J平面向外的直线， 是在储罐底面中心坐标系下， 红外图像中储罐泄漏点对应到储罐外壁上的点 坐标； 是液化天然气储罐底面半径； ^θ 是液化天然气储罐底面中心点与所述的储罐泄 漏对应点在液化天然气储罐底面投影的 连线与所述的底面中心坐标系的 轴正方向之间的夹角， Α为所述的储罐泄漏对应点与 液化天然气储罐底面间的竖直距离， H是储罐高度， ^是在图像坐标系下过储罐泄露 点且平行于图像坐标系 y轴的直线上储罐顶距储罐底之间的竖直距离� � u、 V分别是任 意 A点在像素直角坐标系中的横坐标和纵坐标，� �像坐标系和像素直角坐标系均是以液 化天然气储罐整体外壁温度分布图像中第一、 二组的四只灯泡为角点的矩形中心所在的 位置为坐标原点， 以水平向右的方向为 X轴正方向， 以竖直向上的方向为 y轴正方向建 立的平面直角坐标系，像素直角坐标系中的坐 标为像素点，而图像坐标系中的坐标为以 毫米为单位的位置坐标， ， 分别表示红外热像仪 x、 y方向上的单位像素间的距离，

'为任意 A 点在组成液化天然气储罐整体外壁温度分布图 像中所处的组成图像的序位 号， 按照从左到右的顺序， 任意 A点处在液化天然气储罐整体外壁温度分布图� �中的 四幅拼接组成图像的序位号分别为 1、 2、 3、 4， m是单个红外热像仪所拍摄的温度分 布红外图像经裁剪去掉重叠区域后横向距离所 包含的像素个数，在控制温度所在的等温 线上任取 N点，依次通过上述公式计算出其对应于储罐� �壁上的储罐泄漏对应点，将全 部储罐泄漏对应点连接到一起得到的连线所包 围的区域为实际的储罐泄漏区域。

τ ^π 的

求解过程如下：

由于红外热像仪采集的图像以标准电视信号的 形式输入计算机，经数模转换器转换 为数字图像，所以每幅数字图像在计算机内以 数组形式存储，数组的每一个元素 (像素） 的值就是图像点的亮度 (或称为灰度）。 设每个图像去除重叠区域后均剩余 个像素 点， 则四个图像拼接后包含像素点为 4m X "。 在图像上定义像素直角坐标系 o - m， 以图像中第一、 二组的四只灯泡为角点组成 的矩形区域中心所在的位置为坐标原点 0， 以水平向右的方向为 _M 轴正方向， 以竖直向 上的方向为 V轴正方向建立的平面像素直角坐标系， 每一像素的坐标 ( _M , 分别表示该 像素在数组中的列数和行数。 在与 o - m^目同坐标原点处建立物理单位为毫米图像平� �� 坐标系 ₀ - x_y， ， 分别表示图像平面上单位像素间的距离， 则有：

( 1 )

在储罐纵截面上建立坐标系 i^ - xj^如图 7所示，储罐纵截面坐标系是以包含第一、 二组灯泡的储罐截面为坐标平面，以纵截面中 四个灯泡为角点组成的矩形区域中心所在 的位置为坐标原点 ₀ ,， 连结第一、 二组灯泡的下两只灯泡， 以平行于此连接线的直线为 x轴， 正方向为由第一组灯泡指向第二组， y轴为通过坐标原点且正方向为竖直向上的 直线， z轴为通过坐标原点且垂直于 平面向外的直线。 设在图像坐标系 o - xj下， 图像中划定区域的某点的坐标为 （x,_y )， 通过此点做平行于图像坐标系 y轴的直线， 在此直线上投影所得的储罐顶距储罐底的距离 是/ ¾， 在储罐截面坐标系 _0l -xj _Z 中每组 上下两只灯泡相距 H ,则在外壁上坐标为 (Χ, , , )，其中

Κ _ y _ ^χ (2)

H y _l x _l 为方便表示和以后位置确定，在储罐底面中心 处建立以储罐底面中心为坐标原点的 底面中心坐标系 o ₂ - xyz，底面中心坐标系以储罐底面的圆心为坐标 原点 0 ₂ ，连结第一、 二组灯泡的下两只， 以平行于此连接线的直线为 X轴， 正方向为由第一组指向第二组， y轴为通过坐标原点且正方向为竖直向上的直� �， z轴为通过坐标原点且垂直于 xo ₂ _y平 面向外的直线， 如图 7储罐坐 ， 两坐标系之间的坐标变换为：

式中， R表示储罐底面半径。

设点 A是图像中的某点， （ ^M 。， ^V 。）是其像素坐标， 由公式 （1 )可知对应的图像坐标 ( ^Χ 。Ά)， A点对应于储罐截面纵坐标系中的 A1点和储罐底面中心坐标系中的 A2点， 由公式 （2) ( 3 ) 可得 A1点坐标 ( ^χ ι， "ι， ^ζ ι)和 A2点坐标 (图 8是储罐横截面 点投影示意图， 表示 Al、 A2所在的储罐横截面）， 以 A2点的柱面坐标系表示其位置， 即 A2点位置为 (Α ^^， 是液化天然气储罐底面半径 R _; 是液化天然气储罐底面中 心点与所述的储罐泄漏对应点 A2在液化天然气储罐底面投影的连线与所述的� ��面中心 坐标系的 轴正方向之间的的夹角， 为所述的储罐泄漏对应点 A2与液化天然气储罐 底面间的竖直距离， 当 - _≤M≤ 时， 由几何关系计算可得 A2位置:

2 2

H , ,„

θ - a - - arccos = - arccos —— u ₀ - a _x I R (4)

R

_; H , H

n - y ₂ -—— v ₀ . a _v Η

^{2 y} 2 当 _≤M≤ 时， 为便于计算， 可先将坐标系 ₀₁ -9^和 ₀₂ -9^绕储罐中心轴线旋转 2 2

90 度角， 使相对坐标分布与图 7 相同， 将 A 点坐标转移到新坐标系中， 则 x ₂ =—{u-m)-d _x ， 按照几何关系计算后再将坐标系 -^^和^-^^逆转 90度变 K 换回原位， 最后得 A2位置

θ-α-- arccos

₇ H , H

n-y, -— · „ +— 同理可得， _≤Μ≤ ^时， Α2点位置 (A )为:

2 2

2m)-d R + π

< _Μ < 时， Α2点位置 (A )为:

2 2

θ - a - arccos - 3m) · d _x l R +— π 综上所述，设 为任意 Α点在组成液化天然气储罐整体外壁温度分布� ��像中所处的 组成图像的序位号， 按照从左到右的顺序， 任意 A点处在液化天然气储罐整体外壁温 度分布图像中的四幅拼接组成图像的序位号分 别为 1、 2、 3、 4， m是单个红外热像仪 所拍摄的热图像经裁剪去掉重叠区域后横向距 离所包含的像素个数， 是液化天然气储 罐底面半径 R; 是液化天然气储罐底面中心点与所述的储罐泄 漏对应点 A2在液化天 然气储罐底面投影的连线与所述的底面中心坐 标系的 轴正方向之间的的夹角， 为所 述的储罐泄漏对应点 A2与液化天然气储罐底面间的竖直距离， 则 可统一表示 为:

θ = α = arccos d _x l R + ■π

H ， H

h y ₂ — v - d _v +—

K ^y 2

实施例 1

(a) 在液化天然气储罐外壁上安装 4组灯泡做为参考点， 依次为第一、 二、三、 四 组灯泡，每组灯泡包括沿同一竖直方向分别安 装在液化天然气储罐顶和储罐底的上、下 两只灯泡， 四组灯泡中的四个上灯泡位于同一圆周方向上 并且间距 45度分布， 四组灯 泡中的四个下灯泡位于同一圆周方向上并且间 距 45度分布； （b) 在液化天然气储罐外 安装四台红外热像仪，所述的四台红外热像仪 位于同一圆周方向上并且位于液化天然气 储罐 1/2高度处，所述的四台红外热像仪分别位于两 组灯泡之间的中间位置，调整四台 红外热像仪距离液化天然气储罐外壁的距离使 每一台红外热像仪可以检测到大于储罐 外壁四分之一的区域，所述的四台红外热像仪 安装倾角为零，且拍摄所得的热图中心正 对该两组灯泡投影所组成的平面中心。 （c) 打开八个灯泡， 开启四台红外热像仪对液化 天然气储罐进行红外成像扫查，形成温度分布 红外图像，然后将温度分布红外图像传入 计算机进行如下分析处理： 以灯泡所在点为图像的特征点，对特征点附近 区域进行匹配 计算，依次对四个图像进行左右相连拼接，去 除相邻图像间的重叠区域作为液化天然气 储罐整体外壁温度分布图像； （d)截取液化天然气储罐整体外壁温度分布图� ��中出现局 部连续降温变化的降温图像部分，根据降温图 像部分做出等温线，等温线由外部趋近于 泄漏中心处的温度依次降低， 从而确定泄漏所在区域， 确定泄漏所在区域具体步骤为： 以最低温度点处为等温线坐标原点建立最低温 度直角坐标系，以平行于温度图像底边的 水平方向为横坐标方向， 以竖直向下的高度方向为纵坐标的正方向，在 纵坐标的正方向 取 3米参考区域对温度进行分析，确定温度 t随高度 的变化关系，建立温度 -高度 - _y 变化曲线图并进行曲线拟合， 光滑修正； 在此基础上求出温度的导数 t'与高度 j之间的 关系， 建立导数 -高度 t'-j变化曲线图并进行曲线拟合， 光滑修正， 并确定温度导数最 大值 ma^ ; 取 0. 707 X温度导数最大值 maW为温度变化控制点， 该温度变化控制点 所对应的高度坐标为 j ₃ ， 对应到温度 -高度 t - y变化曲线图上， 得到所述的温度变化控 制点所对应的高度坐标 ₃ 的控制温度 t ₃ ，控制温度^所在的等温线所包围的区域� �是泄 漏所在区域。

(e)取控制温度所在的等温线上的任意 A点，确定该任意 A点在图像像素坐标系中 的位置 ("， ，

将图像中泄漏区域对应到液化天然气储罐外壁 表面，式中、 _Ρ , θ, }ή为控制温度所在 的等温线上的任意 Α 点在液化天然气储罐外壁上的储罐泄漏对应点 在以储罐底面中心 为坐标原点的底面中心坐标系中的位置坐标， 底面中心坐标系以储罐底面的圆心为坐标 原点， 连结第一、 二组灯泡的下两只灯泡， 以平行于此连接线的直线为 X轴， 正方向为 由第一组灯泡指向第二组， y轴为通过坐标原点且正方向为竖直向上的直� �， z轴为通

11 过坐标原点且垂直于 xo ₂ j平面向外的直线， （X ₂ , J ₂ , ) 是在储罐底面中心坐标系下， 红外图像中储罐泄漏点对应到储罐外壁上的点 坐标； 是液化天然气储罐底面半径； ^θ 是液化天然气储罐底面中心点与所述的储罐泄 漏对应点在液化天然气储罐底面投影的 连线与所述的底面中心坐标系的 轴正方向之间的夹角， Α为所述的储罐泄漏对应点与 液化天然气储罐底面间的竖直距离， H是储罐高度， ^是在图像坐标系下过储罐泄露 点且平行于图像坐标系 y轴的直线上储罐顶距储罐底之间的竖直距离� � u、 V分别是任 意 A点在像素直角坐标系中的横坐标和纵坐标，� �像坐标系和像素直角坐标系均是以液 化天然气储罐整体外壁温度分布图像中第一、 二组的四只灯泡为角点的矩形中心所在的 位置为坐标原点， 以水平向右的方向为 X轴正方向， 以竖直向上的方向为 y轴正方向建 立的平面直角坐标系，像素直角坐标系中的坐 标为像素点，而图像坐标系中的坐标为以 毫米为单位的位置坐标， ， 分别表示红外热像仪 x、 y方向上的单位像素间的距离， t为任意 A 点在组成液化天然气储罐整体外壁温度分布图 像中所处的组成图像的序位 号， 按照从左到右的顺序， 任意 A点处在液化天然气储罐整体外壁温度分布图� �中的 四幅拼接组成图像的序位号分别为 1、 2、 3、 4， m是单个红外热像仪所拍摄的热图像 经裁剪去掉重叠区域后横向距离所包含的像素 个数，在控制温度所在的等温线上任取 N 点，依次通过上述公式计算出其对应于储罐外 壁上的储罐泄漏对应点，将全部储罐泄漏 对应点连接到一起得到的连线所包围的区域为 实际的储罐泄漏区域。

采用本方法可以通过液化天然气储罐表面温度 变化，确定温度变化控制点，定位储 罐泄漏所在区域， 缩小泄漏排查区域， 在此基础上， 进一步确定储罐发生故障的部分， 一方面操作简单方便，另一方面可大大减少了 储罐防护工作量，提高 LNG储罐工作可靠 性。

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