一種原油儲罐界面參數的快速檢測方法及其實現①

楊 帆 張偉志 張彩麗

(陜西科技大學 a.電信學院；b.機電學院)

一種原油儲罐界面參數的快速檢測方法及其實現①

楊 帆a張偉志a張彩麗b

(陜西科技大學 a.電信學院；b.機電學院)

針對原油儲罐多液位界面參數測量中數據處理存在的問題，提出了基于遞歸累積和序列數據拐點檢測原理的界面參數分析方法。該方法利用多液位界面參數測量儀采集的序列數據，遞歸地調用基于累積和的序列拐點檢測算法，利用拐點數據的特性作為儲罐內部多種介質的分界點，從而判定多液位界面參數的具體信息。

界面參數檢測 原油儲罐 遞歸累積和 序列數據拐點

隨著我國原油產區逐漸進入老化階段，所生產的原油含水量不斷增大。對生產現場的原油儲罐進行實時產能監測，是保證科學生產的重要前提[1]。因此，對原油儲罐內部的空氣、原油及水等介質在儲罐中的具體位置進行精確測量就成為生產現場自動化和信息化的重要任務。劉麗鈞和李曉游構建了電機驅動的儲罐內部介質介電常數檢測裝置，循環檢測罐內不同高度的介電常數，通過檢測介電常數的變化來確定分界面的位置[2]。趙波利用數控執行機構帶動微波探頭在原油儲罐內作垂直勻速運動，通過對原油儲罐含水率的動態檢測，達到測量儲罐內油水界面位置的目的[3]。文獻[4，5]對目前主要的界面參數檢測裝置實現的原理進行了剖析。文獻[6，7]通過計算實時測量數據與典型介質測試數據的距離方法，實現了油水界面測試裝置檢測數據的計算機判讀。任磊等采用移動式電容法，獲取原油儲油罐不同位置介電常數的檢測結果，基于神經網絡方法確定了多液位的分界點[8]。任喜偉等基于多級閾值法進行了油水界面參數的計算[9]。這些研究成果主要聚焦于自動檢測裝置的設計開發，對于測試數據僅進行了簡單的比較分析處理，少數文獻提出了檢測數據處理的要點在于確定測試數據序列的突變點，但未給出如何進行突變點檢測從而有效計算界面參數。為此，基于原油儲罐多液位界面檢測系統測試數據序列，利用數據序列拐點檢測法，檢測數據序列的突變點，并以此作為不同介質的分界點，克服以往簡單比較分析時需要人為調整數據閾值的缺點，為多液位界面參數檢測提供了一種新方法。

1 序列數據拐點檢測方法

拐點，又稱反曲點，在數學上指改變曲線向上或向下方向的點，就是數據序列從一種模式改變為另一種模式的轉折點。數據序列拐點檢測算法比較多，其中計算簡單且結果準確度較高的是文獻[10]中提及的累積和(Cumulative Sum,CUSUM)控制圖方法。累積和是一種序貫分析法，由劍橋大學的Page E S于1954年最先提出。

累積和用以在某個相對穩定的數據序列中，通過對數據信息的累積，將過程中小的偏移加以放大，從而提高檢測數據偏移的靈敏度，進而檢測出數列的平均值或均方差開始發生改變的數據點。累積和最典型的應用是在工程控制、質量檢測等方面關于改變檢測(Change Detection)中對參量變化的檢測，用途極為廣泛。

累積和檢測數據序列拐點的算法步驟如下：

a. 獲取待檢測數據序列X={x1,x2,…,xn}。

c. 設置序列的累積和初始值CS0=0。

2 原油儲罐多液位界面測試數據的分段方法

目前，原油儲罐多液位界面參數測試儀多為矩陣式分布的傳感探極結構，如圖1所示。傳感探極與罐壁平行安裝，傳感探極上均勻分布有若干傳感模塊，分別檢測罐體內對應位置處介質的介電常數或介質對檢測模塊發射電磁信號的衰減系數。利用不同介質對電場或磁場的衰減程度不同的特性，在MCU的有序控制下實時獲取罐內介質每一個等分點電場和磁場物理量的變化信息(這些信息反映了罐內不同位置介質對信號衰減特性的數字化結果，為無量綱數據)，并對這些信息進行分析計算，就能準確無誤地獲得罐內多種介質的多液位高度及其界面位置參數，從而實現封閉原油儲罐內儲油狀態的可視化和定量監視。

圖1 多液位界面參數測試原理

根據以上測試原理，檢測構成中獲取的實際上是一個反映不同介質對于電場或磁場衰減特性的數據序列。實驗結果表明：空氣中信號衰減最少，油中次之，水中信號衰減最大。測試數據序列呈現一定程度的升序排列總體特性(個別數據會由于傳感器件性能而出現異常)。以此數據序列判斷罐內多液位界面參數(即空氣、油、水3種典型介質)的分界點，就是要通過尋找序列中數據的突變點將數據序列科學地劃分為3個有序分段。

按照拐點檢測算法，數據序列獲取的第1個拐點就是油水界面點。油水界面點之前的子序列，再按照拐點檢測算法，即可找出油氣界面點。因此，基于數據序列拐點檢測方法的油水界面參數計算，可以抽象為基于拐點的序列分段算法。算法的實現步驟如下：

a. 獲取原油儲罐多液位界面參數檢測系統的測試數據序列X={x1,x2,…,xn}。

b. 按照CUSUM算法，找出數據序列X的第1個分界點p1，數據序列分為兩段X1={x1,x2,…,xp1}，X2={ xp1+1, xp1+2,…,xn}。該分界點即為原油儲罐中油水界面的位置。

c. 對于子序列X1，按照步驟b找出子序列的分界點p11，對其進一步分割，得到該序列的兩個子序列X11={x1,x2,…,xp11}，X12={ xp11, xp11+1,…,xp1}。該分界點即為原油儲罐中油氣界面的位置。

通過遞歸調用CUSUM算法，可以依次找出原油儲罐中油水界面和油氣界面的位置，從而實現封閉罐體內部狀態的可視化，進而實現精確的外部觀測，為實施科學的生產調度提供可靠的數據支持。而且該方法計算簡單，完全可以滿足生產實時控制的需要。

3 現場應用

原油儲罐界面參數快速檢測方法在某采油廠開發的原油儲罐油水界面監控系統中得到應用。以某儲油罐數據采集結果為例，罐中安裝的油水界面測量儀的測量點數為54點。一次測量獲取的原始數據列于表1(數據依次排列，表示罐體內部對應54個位置處的介質對電磁信號的衰減特性)，數據波形如圖2所示，其中data1為原始數據曲線。根據經驗可以清晰地判斷圖2中data2為第1個數據拐點，data3為第2個數據拐點，data4為第3個數據拐點。data4對應的是油水界面分界點，data3對應的是油與油氣混合物界面的分界點，data2對應的是油氣界面分界點。

表1 54點油水界面測量儀測量數據

圖2 一次測量原始數據波形

對于檢測結果的原始序列進行第1次拐點檢測算法應用，得到的累積和數據CS序列曲線及其極小值對應點位置(測位序號33)如圖3a所示。

第1次檢測將原始序列分割為兩個子序列——原始數據1～33構成子序列1，原始數據34～54構成子序列2。對于子序列1，再次進行子序列拐點檢測，得到的累積和數據CS序列曲線及其極小值對應點位置(測位序號24)如圖3b所示；對于原始數據1～23，再次進行子序列拐點檢測，得到的累積和數據CS序列曲線及其極小值對應點位置(測位序號12)如圖3c所示。

圖3 數據序列遞歸調用累積和拐點檢測計算結果

實際應用結果表明，基于CUSUM算法進行3次序列拐點的遞歸調用檢測結果和人工經驗的數據分界點完全一致，這表明基于累積和數據拐點檢測方法，在原油儲罐多液位界面檢測儀測試數據分析處理中是有效的。

4 結束語

原油儲罐多液位界面測試中，基于累積和數據拐點檢測算法，對數據序列進行自動分析和判斷，得出原油儲罐中空氣、油氣混合、原油、油水混合及水等不同介質的界面位置，改變人為設置不同介質閾值時，由于溫度影響、傳感器性能改變等因素造成的識別錯誤率高的缺點。只要傳感器陣列性能一致，按照筆者提出的方法，僅依靠數據序列值的自身特點，就可以準確判斷出多介質的界面位置，可以在實際生產中發揮有效作用。

[1] 張華莎.石油化工油品儲罐計量與測量儀表設計方案[J].石油化工自動化,2015,51(5):1～7.

[2] 劉麗鈞,李曉游.原油儲罐多界面測試系統研究與設計[J].儀表技術與傳感器,2006,(5):27～29.

[3] 趙波.原油儲罐油水界面動態檢測系統的研究[D].西安:西安石油大學,2014.

[4] 馬世海,吳珂,李曉薇.油-水兩相界面測量技術綜述[J].化工自動化及儀表,2016,43(12):1233～1238,1252.

[5] 曲浩琳.原油儲罐內多相界面測量系統應用研究[D]. 西安:西安石油大學,2014.

[6] 楊帆,張彩麗,任喜偉.一種分布式原油儲罐油水界面監測系統設計[J].計算機測量與控制,2011,19(6):1308～1310.

[7] 楊帆,張彩麗,任喜偉.一種原油儲罐油水界面測量裝置及其測量方法[P].中國:CN102052952A,2011-05-11.

[8] 任磊,陳祥光,劉春濤.原油儲罐油水界面測量方法的研究及應用[J].儀器儀表學報,2008,29(10):2186～2191.

[9] 任喜偉,任工昌,楊帆.電磁場式油水界面測量分析及數據優化方法[J].化工自動化及儀表,2012,39(7):858～861.

[10]KohlmorgenJ,LemmS.AnOn-lineMethodforSegmentationandIdentificationofNon-stationaryTimeSerials[C].NeuralNetworksforSignalProcessingXI,IEEESignalProcessingSocietyWorkshop.Pscataway,NJ:IEEE,2001:113～122.

ARapidDetectionMethodandItsApplicationinMeasuringCrudeOilTankInterfaceParameters

YANG Fana, ZHANG Wei-zhia, ZHANG Cai-lib

(a.InstituteofElectricityandInformationEngineering; b.InstituteofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology)

In order to solve the problems of data processing in measuring interface parameters of crude oil storage tank, an interface parameter analysis method based on the inflection point detection principle of recursive CUSUM sequence data was proposed. The method has the interface parameter measuring instrument employed to collect sequence data, calls inflection point algorithm recursively based on CUSUM of the sequence data, and has the characteristics of the inflection point data taken as the demarcation point of various mediums in the oil tank so as to determine specific information of multi-level interface parameters.

interface parameters detection, crude oil tank, recursive CUSUM, inflection points of sequence data

TH816

B

1000-3932(2017)08-0750-04

2017-01-21，

2017-05-09)

楊帆(1973-)，副教授，從事計算機監控技術、智能信息處理技術的教學和研究，sustei@163.com。