一种原油储罐界面参数的快速检测方法及其实现①

杨 帆 张伟志 张彩丽

(陕西科技大学 a.电信学院；b.机电学院)

一种原油储罐界面参数的快速检测方法及其实现①

杨 帆a张伟志a张彩丽b

(陕西科技大学 a.电信学院；b.机电学院)

针对原油储罐多液位界面参数测量中数据处理存在的问题，提出了基于递归累积和序列数据拐点检测原理的界面参数分析方法。该方法利用多液位界面参数测量仪采集的序列数据，递归地调用基于累积和的序列拐点检测算法，利用拐点数据的特性作为储罐内部多种介质的分界点，从而判定多液位界面参数的具体信息。

界面参数检测 原油储罐 递归累积和 序列数据拐点

随着我国原油产区逐渐进入老化阶段，所生产的原油含水量不断增大。对生产现场的原油储罐进行实时产能监测，是保证科学生产的重要前提[1]。因此，对原油储罐内部的空气、原油及水等介质在储罐中的具体位置进行精确测量就成为生产现场自动化和信息化的重要任务。刘丽钧和李晓游构建了电机驱动的储罐内部介质介电常数检测装置，循环检测罐内不同高度的介电常数，通过检测介电常数的变化来确定分界面的位置[2]。赵波利用数控执行机构带动微波探头在原油储罐内作垂直匀速运动，通过对原油储罐含水率的动态检测，达到测量储罐内油水界面位置的目的[3]。文献[4，5]对目前主要的界面参数检测装置实现的原理进行了剖析。文献[6，7]通过计算实时测量数据与典型介质测试数据的距离方法，实现了油水界面测试装置检测数据的计算机判读。任磊等采用移动式电容法，获取原油储油罐不同位置介电常数的检测结果，基于神经网络方法确定了多液位的分界点[8]。任喜伟等基于多级阈值法进行了油水界面参数的计算[9]。这些研究成果主要聚焦于自动检测装置的设计开发，对于测试数据仅进行了简单的比较分析处理，少数文献提出了检测数据处理的要点在于确定测试数据序列的突变点，但未给出如何进行突变点检测从而有效计算界面参数。为此，基于原油储罐多液位界面检测系统测试数据序列，利用数据序列拐点检测法，检测数据序列的突变点，并以此作为不同介质的分界点，克服以往简单比较分析时需要人为调整数据阈值的缺点，为多液位界面参数检测提供了一种新方法。

1 序列数据拐点检测方法

拐点，又称反曲点，在数学上指改变曲线向上或向下方向的点，就是数据序列从一种模式改变为另一种模式的转折点。数据序列拐点检测算法比较多，其中计算简单且结果准确度较高的是文献[10]中提及的累积和(Cumulative Sum,CUSUM)控制图方法。累积和是一种序贯分析法，由剑桥大学的Page E S于1954年最先提出。

累积和用以在某个相对稳定的数据序列中，通过对数据信息的累积，将过程中小的偏移加以放大，从而提高检测数据偏移的灵敏度，进而检测出数列的平均值或均方差开始发生改变的数据点。累积和最典型的应用是在工程控制、质量检测等方面关于改变检测(Change Detection)中对参量变化的检测，用途极为广泛。

累积和检测数据序列拐点的算法步骤如下：

a. 获取待检测数据序列X={x1,x2,…,xn}。

c. 设置序列的累积和初始值CS0=0。

2 原油储罐多液位界面测试数据的分段方法

目前，原油储罐多液位界面参数测试仪多为矩阵式分布的传感探极结构，如图1所示。传感探极与罐壁平行安装，传感探极上均匀分布有若干传感模块，分别检测罐体内对应位置处介质的介电常数或介质对检测模块发射电磁信号的衰减系数。利用不同介质对电场或磁场的衰减程度不同的特性，在MCU的有序控制下实时获取罐内介质每一个等分点电场和磁场物理量的变化信息(这些信息反映了罐内不同位置介质对信号衰减特性的数字化结果，为无量纲数据)，并对这些信息进行分析计算，就能准确无误地获得罐内多种介质的多液位高度及其界面位置参数，从而实现封闭原油储罐内储油状态的可视化和定量监视。

图1 多液位界面参数测试原理

根据以上测试原理，检测构成中获取的实际上是一个反映不同介质对于电场或磁场衰减特性的数据序列。实验结果表明：空气中信号衰减最少，油中次之，水中信号衰减最大。测试数据序列呈现一定程度的升序排列总体特性(个别数据会由于传感器件性能而出现异常)。以此数据序列判断罐内多液位界面参数(即空气、油、水3种典型介质)的分界点，就是要通过寻找序列中数据的突变点将数据序列科学地划分为3个有序分段。

按照拐点检测算法，数据序列获取的第1个拐点就是油水界面点。油水界面点之前的子序列，再按照拐点检测算法，即可找出油气界面点。因此，基于数据序列拐点检测方法的油水界面参数计算，可以抽象为基于拐点的序列分段算法。算法的实现步骤如下：

a. 获取原油储罐多液位界面参数检测系统的测试数据序列X={x1,x2,…,xn}。

b. 按照CUSUM算法，找出数据序列X的第1个分界点p1，数据序列分为两段X1={x1,x2,…,xp1}，X2={ xp1+1, xp1+2,…,xn}。该分界点即为原油储罐中油水界面的位置。

c. 对于子序列X1，按照步骤b找出子序列的分界点p11，对其进一步分割，得到该序列的两个子序列X11={x1,x2,…,xp11}，X12={ xp11, xp11+1,…,xp1}。该分界点即为原油储罐中油气界面的位置。

通过递归调用CUSUM算法，可以依次找出原油储罐中油水界面和油气界面的位置，从而实现封闭罐体内部状态的可视化，进而实现精确的外部观测，为实施科学的生产调度提供可靠的数据支持。而且该方法计算简单，完全可以满足生产实时控制的需要。

3 现场应用

原油储罐界面参数快速检测方法在某采油厂开发的原油储罐油水界面监控系统中得到应用。以某储油罐数据采集结果为例，罐中安装的油水界面测量仪的测量点数为54点。一次测量获取的原始数据列于表1(数据依次排列，表示罐体内部对应54个位置处的介质对电磁信号的衰减特性)，数据波形如图2所示，其中data1为原始数据曲线。根据经验可以清晰地判断图2中data2为第1个数据拐点，data3为第2个数据拐点，data4为第3个数据拐点。data4对应的是油水界面分界点，data3对应的是油与油气混合物界面的分界点，data2对应的是油气界面分界点。

表1 54点油水界面测量仪测量数据

图2 一次测量原始数据波形

对于检测结果的原始序列进行第1次拐点检测算法应用，得到的累积和数据CS序列曲线及其极小值对应点位置(测位序号33)如图3a所示。

第1次检测将原始序列分割为两个子序列——原始数据1～33构成子序列1，原始数据34～54构成子序列2。对于子序列1，再次进行子序列拐点检测，得到的累积和数据CS序列曲线及其极小值对应点位置(测位序号24)如图3b所示；对于原始数据1～23，再次进行子序列拐点检测，得到的累积和数据CS序列曲线及其极小值对应点位置(测位序号12)如图3c所示。

图3 数据序列递归调用累积和拐点检测计算结果

实际应用结果表明，基于CUSUM算法进行3次序列拐点的递归调用检测结果和人工经验的数据分界点完全一致，这表明基于累积和数据拐点检测方法，在原油储罐多液位界面检测仪测试数据分析处理中是有效的。

4 结束语

原油储罐多液位界面测试中，基于累积和数据拐点检测算法，对数据序列进行自动分析和判断，得出原油储罐中空气、油气混合、原油、油水混合及水等不同介质的界面位置，改变人为设置不同介质阈值时，由于温度影响、传感器性能改变等因素造成的识别错误率高的缺点。只要传感器阵列性能一致，按照笔者提出的方法，仅依靠数据序列值的自身特点，就可以准确判断出多介质的界面位置，可以在实际生产中发挥有效作用。

[1] 张华莎.石油化工油品储罐计量与测量仪表设计方案[J].石油化工自动化,2015,51(5):1～7.

[2] 刘丽钧,李晓游.原油储罐多界面测试系统研究与设计[J].仪表技术与传感器,2006,(5):27～29.

[3] 赵波.原油储罐油水界面动态检测系统的研究[D].西安:西安石油大学,2014.

[4] 马世海,吴珂,李晓薇.油-水两相界面测量技术综述[J].化工自动化及仪表,2016,43(12):1233～1238,1252.

[5] 曲浩琳.原油储罐内多相界面测量系统应用研究[D]. 西安:西安石油大学,2014.

[6] 杨帆,张彩丽,任喜伟.一种分布式原油储罐油水界面监测系统设计[J].计算机测量与控制,2011,19(6):1308～1310.

[7] 杨帆,张彩丽,任喜伟.一种原油储罐油水界面测量装置及其测量方法[P].中国:CN102052952A,2011-05-11.

[8] 任磊,陈祥光,刘春涛.原油储罐油水界面测量方法的研究及应用[J].仪器仪表学报,2008,29(10):2186～2191.

[9] 任喜伟,任工昌,杨帆.电磁场式油水界面测量分析及数据优化方法[J].化工自动化及仪表,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)

杨帆(1973-)，副教授，从事计算机监控技术、智能信息处理技术的教学和研究，sustei@163.com。