软测量技术在油气储运工程中的应用.pdf

2 01 2 第 6期 管 道 技 术 P i p e l i n e Te c h n i q u e 5 彳 要 各 a nd Eq u i p me n t 2 01 2 No ． 6 软测量技术在油气储运工程中的应用 杨旭辉 ， 曹亚宏 中国石油大学 华东 信息与控制工程学院， 山东青岛2 6 6 5 5 5 摘要 软测量技术是过程控制和检测领域 的研 究热点之 一。文 中在 简要论述软测量技术概念 、 优 点、 主要 内容和常见建模 方法基础上 ， 介绍 了神经网络软 测量技 术在储油罐原油平均温度测量、 相 关分 析软测量技术在管道泄漏检测和基于小波分析的软测量技术在两相流检测等油气储运工程中的应用。 为油气储运工程 中的软测量技术的应 用提供 了借鉴 思路 ， 并指 出随着软 测量技术的发展 ， 其在 油气储 运工程 中将得到广泛的应 用。 关键词 软测量技术 ； 油气储运 ； 管道泄漏 ； 两相流检测 中图分类号 T E 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 2 0 6 0 0 1 5 0 3 Ap p l i c a t i o n o f S o f t S e n s o r Te c h n o l o g y t o Oi l＆ Ga s S t o r a g e a n d Tr a n s p 0 r t a t i 0 n En g i n e e r i n g YANG Xu． hu i ． CA0 Ya ho n g C o l l e g e o f I n f o r ma t i o n a n d Co n t r o l E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5， C h i n a Ab s t r a c t T h e s o f t s e n s o r t e c h n o l o g y i s o n e o f t h e h o t r e s e a r c h fi e l d s i n t h e p r o c e s s c o n t r o l a n d d e t e c t i o n fi e l d ． B a s e d o n t h e c o n c e p t ， a d v a n t a g e s ， ma i n c o n t e n t s a n d t h e c o mmo n mo d e l i n g me t h o d s o f t h e s o ft s e n s o r t e c h n o l o g y， t h e p a p e r d e s c r i b e s a p p l i c a t i o n s o f t h e n e u r a l n e t w o r k t o t h e me a s u r e me n t o f t h e a v e r a g e t e mp e r a t u r e o f c r u d e o i 1 i n s t o r a g e t a n k s ． t h e c o r r e l a t i o n a n a l y s i s o f t h e d e t e c t i o n o f p i p e l i n e l e a k a g e ． a n d t h e w a v e l e t a n a l y s i s o f t h e t w o p h a s e fl o w me a s u r e me n t i n o i l＆ g a s s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n e n g i n e e r i n g ． I t p r o v i d e s s o me r e f e r e n c e f o r t h e u s e o f t h e s o ft s e n s o r t e c h n o l o g y i n o i l g a s s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n e n g i n e e r i n g， a n d p o i n t s o u t t h a t w i t h t h e d e v e l o p me n t o f t h e s o ft me a s u r e me n t t e c h n o l o gy ， t h e o i l＆ g a s s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n e n g i n e e r i n g w i l l b e wi d e l y u s e d ． Ke y wo r d s s o ft s e n s o r t e c h n o l o g y；o i l g a s s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n； p i p e l i n e l e a k a g e ；t wo p h a s e fl o w me a s u r e me n t 0 引言 软测量技术以易测二次变量 为基础 ， 通过建立 主 导变量与辅助变量间的数学模型来估计和预测主导 变量 。软测量技术具有响应迅速 ， 连续 给出主导变量 信息， 适用性强、 投资低、 维护保养简单等优点， 在石 油化工等过程变量难 以测 量 的工业 中得 到了广泛应 用。由于软测量技术的独特优势， 使其在油气储运工 业中也具有重要的应用价值。 1 软测量技术概述 软测量技术内容主要包括辅助变量选择 ， 数据采 集和预处理 ， 软测量模型建立 ， 模型 的在线校正和维 护。二次变量选择包括变量类型、 变量数 目、 检测点 位置的选择 。二次变量数 目与过程 的 自由度和模 型 的不确定性有关。数据采集和预处理包含数据变换 和误差处理。数据采集和预处理十分重要， 关系到软 收稿 日期 2 0 1 2一 O l 一1 1 收修 改稿 日期 2 0 1 2 0 6 2 3 测量的精度和整体性能。 常见 的软测量建模方法有机理建模 、 回归分析法 建模 、 基于人工智能建模和基于动态信号分析建模。 机理建模优点是工程背景清晰， 并且有较大的实际适 用范围。回归分析法建模常见方法有主元回归和部 分最小二 乘法。人工智 能的软测 量建模方法有人工 神经网络、 模糊数学和模式识别等。模式识别的优势 是在缺乏先验知识的场合， 可利用日常操作数据进行 软测量建模。模糊数学方法适用于被测对象难以用 常规数学定量描述的复杂工业过程。近年来， 神经网 络方法在工程中获得广泛应用。其特点是通过学习 样本和建立神经网络， 以过程可测变量为输入， 在线 计算不可测变量。实际应用中， 这 3种方法常结合在 一 起使用 ， 提高软仪表的性能。基于动态信号分析的 建模方法 主要有相关分 析法和现代非线性信息处理 技术等 。 目前 ， 基于相关分析 的软测量建模法主要用于难 1 6 P i p e l i n e Te c h ni q ue a n d Eq u i p me n t NO V ． 2 01 2 测流体流速或流量的在线测量和故障诊断等。基于 现代非线性信息处理技术建模大多采用各种先进的 非线性信息处理技术， 如小波分析、 混沌和分形技术 等处理信息。该技术主要应用于常规信号处理手段 难 以适应的复杂工业系统。模型 的校正包括短期校 正和长期校正。短期校正主要是修正模型的常数项 和参数， 方法有自适应法、 增量法和多时标法等； 长期 校正是修正模型结构 ， 一般用离线方法来重新训练模 型 。 2 软测量技术在油气储运工程中的应用实例 2 ． 1 神经网络软测量在储油罐原油平均温 度测量 中 的应用 在油气储运工程中， 影响储油罐原油平均温度的 因素 比较多， 如油品存放时间、 环境温度 、 储 油罐材料 换热系数等。另外， 原油在储油罐中的温度分布不均 匀也对原油 的平均温度产生影 响。同时， 由于储油罐 体积大， 应用常规的仪表测量， 需安装一定数量的温 度传感器， 用这种方法测得的数据精度低且成本较 高。所以， 采用径向基函数神经网络软测量技术来测 量原油平均温度 。运用 实际测得的数据对神经 网络 进行训练和仿真， 证明了该方法能够解决原油平均温 度的测量问题 。 建立原油平均温度软测量模型_ 2 如下 1 选用距油罐底 2 m、 沿罐外壁均匀分布的 1 9 个点的温度作为网络输入， 原油平均温度为网络输 出 。 2 选用 2层径 向基 函数神经 网络 ， 网络输人 向 量维数 l 9 ， 输出向量维数 1 ， 输出值为原油的平均温 度 ， 其网络结构如图 1 所示。 图 1 MAT L AB径 向基 函数神经 网络结构 3 利用 M A T A L B神经网络工具箱构造出典型神 经网络的激活函数， 调用激活函数计算出所选定网络 的输出。再根据各种典型的修正网络权值的规则， 用 M A T L A B编写各种网络设计与训练子程序。 4 在 M A T L A B中打开神经网络工具箱， 导人训 练所用数据， 用输入样本本身作为网络初始化权值， 选择训练网络类型进行 网络训练。经过多次训 练， 得 到最佳 网络训练精度和散布常数 。 5 将作为 网络检验的数据 ， 代入训练好的网络 中进行仿真。分析表明该网络计算值的平均温度误 差约为 0 ． O 5℃ ， 平均相对误差只有 0 ． 0 2℃ ， 标准偏差 为0 ． 0 7 9 o C ． 由此可以看出， 该模型符合要求且结果比 较精确， 网络模型预测值和测量值有较好的吻合。 2 ． 2 相关分析软测量在管道泄漏检测和定位 中的应 用 管道输送广泛应用于油气运输领域， 但 由于腐 蚀、 焊缝缺陷、 磨损等原因造成的管道泄漏， 不仅影响 管道的正常运行， 对环境等也造成 了巨大威胁。因 此， 及时发现泄漏及准确定位， 对消除管道安全隐患 至关重要。基于负压波相关分析 的管道泄漏检测法 无需设置流量计， 降低了使用成本， 同时检测效率高、 灵敏度好， 大大降低了误报率。 基于相关分析的软测量方法 ， 是研究 2个或 2个 以上变量间相关程度 的大小并用 函数来表达对象 相 互关系的方法。当管道发生泄漏时 ， 负压波 以一定 的 速度向管道两端传播， 经若干时间后其压力波信号被 管线上下游 的压力传感器检测 到。根据上下游压 力 传感器接收到压力波信号的时间差， 对压力波信号进 行分析处理 ， 可实现泄漏点定位。负压波泄漏检测 定 位方法 的定位精度可高达 2 ％ ， 是 目前应用最广泛的 管道泄漏检测技术。 如图 2所 示 ， 在管 线两 端分别 设 置压力 传感 器 P 1 、 P 2和 P 3 、 P 4 ， 当管道在 Q点发生泄漏时 ， 泄漏产生 的负压波以一定波速向两端压力传感器传播。P l 和 P 4压力传感器是考虑到泄漏点上下游压力波 的传播 速度不同， 与 P 2 、 P 3组合检测泄漏点上下游压力波传 播速度和压力波源的方向。对 P 2和 P 3的压力信号 进行相关处理。 泄漏点0 P 3 P 4 l J ， I I 卜 。 * 图 2相关分析法确定泄漏位置 设 P 2 、 P 3 处压力信号分别为 、 y ， 则有 1 r 尺 丁 _TX t y ￡一r d t 式中 丁 为时延， 7 I ∈ 一 D ／ a ， D ／ a ； a 为负压波的传播 速度 ； D为 P 2、 P 3之 间 的距 离 ； t为时 间； T为周 期 ； R r 为压力信号 、 Y的相关函数。 当没有发生 泄漏 时， 相关 函数维 持一 相对 恒定 值 ； 当发生泄漏时 ， R r 将发生变化 ， 当变化量达到 一 定数值时 ， 则认为发生泄漏 。设 t 、 t 分别为负压波 到达 P 2 、 P 3点的时间， 当 t 。 一t 时 ， R 丁 达 到最 大值 ， 则泄漏点与 P 3的距离 L Da 7 - ／ 2 。对泄 第6期 杨旭辉等 软测量技术在油气储运工程中的应用 1 7 漏点的定位精确度和泄漏判断准确度主要取决于负 压波在管道 中传播 速度的测定误差 。 综上所述， 基于负压波相关分析的软测量在管道 泄漏检测与定位中已得到很好的应用， 它是一种优良 的管道泄漏外部检测法， 是 目前管道泄漏检测和定位 的主攻方向之一。 2 ． 3 基于小波分析技术的软测量在气液两相流检测 中的应用 在油气的输送过程中， 对气液两相流的检测研究 是迫切需 要解决 的领域。实时有效地检测 多相流系 统的各种信息对系统的计量、 控制和可靠运行具有重 要意义。软测量技术作为一种新型的过程参数检测 技术， 为解决多相流这一多变非线性复杂系统的参数 检测提供了一条新的思路和途径， 近年来受到广泛关 注。 基于小波分析技术的软测量就是利用易测辅助 变量， 采用小波分析信息处理技术， 通过对已获得的 信息进行分析处理， 提取出信号特征量， 从而实现对 某一参数的在线检测或过程的状态辨识。在多相流 系统中， 差压波动信号含有丰富的信息， 检测方便可 靠。因此， 将两相流的差压波动信号作为易测辅助变 量。主导变量就是气液两相流中重要参数一流型。 设计实验过程 如下 将气相 空气 和液相 水 分别由空压机和离心泵经混相器混合后， 流人内径分 别为 2 0 m m、 2 5 a im和 4 0 m m的有机玻璃管测试管 段。间距 1 5 m m提取差压信号， 采样频率为 2 0 0 H z ． 差压信号经滤波及 1 2位 A ／ D转换后送人 P C机存储 和进行数据分析处理。选用离散小波变换对每种流 型下的数据进行分析 ， 可获得不 同流型下测量数据的 时频域特征。综合考虑小波阶数和滤波器的长度， 在 保证精度的前提下， 采用 S y m 5小波滤波器。经过实 验分析验证， 所选用的小波函数基本满足实验要求。 由此， 利用基于小波分析技术软测量模型， 实现了对 气液两相流的流型判别。 3 结束语 近年来， 为解决过程控 制 中难测变量 的问题 ， 软 测量技术得到了很大的发展。软测量以数学理论、 信 号处理理论、 现代控制理论为基础， 以软件为核心实 现手段 ， 核 心问题 是建模。 目前 ， 软测量技术在油气 储运领域得到了一定的应用， 随着国内原油储备库的 建设和输油输气管网的不断投产_6 J ， 软测量技术在油 气储运工程 中的应用将越来越广泛 。 参考文献 [ 1 ] 何金田． 自动检测技术． 西安 西安电子科技大学出版社， 2 0 1 1 2 9 62 9 9 ． [ 2 ] 赵丽玲． 软测量技术在储油罐原油平均温度测量中的应 用研究 [ 学位论文] ． 南京 南京信息工程大学， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 王长建， 叶伟文， 肖超波， 等． 负压波在管道泄漏检测与定 位中的应用． 管道技术与设备 ， 2 0 0 9 6 2 7 2 8 ． [ 4 ] 黄志尧 ， 王保良， 史志才， 等． 气液两相流系统的小波软测 量技术． 仪器仪表学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 3 1 31 5 ． [ 5 ] 冯耀荣， 陈浩， 张劲军， 等． 中国石油油气管道技术发展展 望． 油气储运 ， 2 0 0 8 ， 2 7 3 1 8 ． [ 6 ] 俞金寿． 软测量技术及其应用． 自动化仪表 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 1 7 ． 作者简介 杨旭辉 1 9 8 6 一 ， 本科， 研究方向为检测装置及 自动 化 。 上接 第 1 2页 3 将模拟出的数据成果转化为应用研究， 将研 究结果应用于实际工程， 实现其经济效益和社会效 益。 油气管道在国家发展、 城市社会生活中占据着极 其重要的地位， 只有选用合理的模型， 采用理论、 实验 以及数值模拟相结合的方法， 并借助计算机程序分 析， 才可能真实地模拟断层作用下埋地管道的反应， 从而制定出有效的管道抗震对策， 尽可能地减轻地震 灾害。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 4 7 0 --2 0 0 8 油气输送管道线路工程抗震技术规 范． [ 2 ] 刘爱文． 基于壳模型的埋地管道抗震分析． 北京 中国地 震局地球物理研究所， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 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