CN116337178B - 一种原油储罐内界面检测方法及检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种原油储罐界面检测方法及检测装置，所述方法中，首先通过采集模块上的含水率传感器测得储油罐内各层的含水率数据，根据多组含水率数据得到储油罐内从上至下的含水率梯度值，然后根据采集模块上的压力传感器测得储油罐内各层的压力值，再将压力值转换为压强信号，根据多组压强信号得到储油罐内从上至下的密度梯度；再利用压差法对气‑油界面进行判定；最后根据校正的含水率数据拟合出高度和含水率对应的曲线，进一步得到罐内水体积，从而得到油体积和油‑水界面；所述装置包括上位机显示监控系统、油水界面检测仪器和通讯电路，油水界面检测仪器包括表头、多个数据采集模块和用于安装多个数据采集模块的连接杆。本发明可以解决现有技术存在的储油罐内界面检测精度不高的问题。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种原油储罐界面检测方法及检测装置。
背景技术
市面上的油水界面检测技术有很多，根据检测的原理可以分为压力式、电容式、浮子式、超声式、微波式、光纤式等。但都面临检测误差较大的情况，无法准确测量原油储油罐内气-油界面，油-水界面；进而无法为后期盘库做数据支撑。
发明内容
本发明的目的是提供为了解决现有技术存在的储油罐内界面检测精度不高的问题，提供了一种原油储罐界面检测方法及检测装置，通过微波法与压差法的相互作用来确定气-油界面、油-水界面位置。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种原油储罐界面检测方法，包括如下步骤：
S1，利用原油罐内不同高度位置所设置的含水率传感器测得储油罐内各层的含水率数据，得到储油罐内从上至下的含水率梯度值；
S2，利用压力传感器测得储油罐内各层的压力值，再将压力值转换为压强信号，根据多组压强信号得到储油罐内从上至下的密度梯度；
S3，利用同一高度处的含水率数据和密度数据互相校正，对不符合规律的含水率值和密度值进行数据修正；
S4，令储油罐气层的压力传感器测得的压强数据为0，则纯油中压力传感器测的压强数据突变，根据液体压强公式即可获得油层高度，进而得到油层界面在储油罐内的高度，气-油界面得以确定；
S5，首先，利用含水率数据拟合出储油桶内高度和含水率对应的曲线，将含水率在5％的界面视为油-乳界面，含水率在95％的界面视为乳-水界面，得到储油桶内纯油的高度和纯水的高度；然后，由所述曲线得到乳化层内某一高度内对应体积和含水率的关系曲线，并对该曲线积分得到乳化层中对应的水体积VW，则乳化层内的油体积Vo＝V乳-VW，其中V乳为乳化层的总体积；由乳化层内的油体积和水体积可以计算得到乳化层内油的高度和水的高度，进而确定储油罐的油-水界面。
进一步的，所述步骤S1中测得含水率以后，利用BP神经网络算法，对采集到的多组含水率数据进行训练，再通过训练模型对实际数据进行预测，得到精度更高的含水率数据。
本发明还提出一种原油储罐界面检测装置，该装置用于所述的原油储罐界面检测方法，包括上位机显示监控系统、油水界面检测仪器和通讯电路，油水界面检测仪器用于采集储油罐内的不同高度处的压强数据和含水率数据，并将所采集的数据通过通讯电路发送给上位机显示监控系统，上位机显示监控系统用于对接收到的数据进行分析。
油水界面检测仪器包括表头、多个数据采集模块和用于安装多个数据采集模块的连接杆，所述表头用于接收上位机显示监控系统的命令以及数据采集模块发送的信息，并控制数据采集模块的启停。
所述数据采集模块包括压力传感器和含水率传感器。
所述相邻数据采集模块通过连接杆连接。
本发明的有益效果是：本发明通过微波法与压差法的相互作用来确定油水界面位置，可以准确测量原油储罐内油水界面高度，以及油体积与水体积，实时反映原油储罐内油水界面状态。本发明所采用的装置结构紧凑，检测变量多，能有效准确地检测原油储罐内油水界面的高度，为后期的盘库做数据支撑，操作方便，简单可靠；通过本方法，不仅可以减少人工，降低能耗，降低成本，还能缩短油水分离的时间，减少出油含水，提高排放污水标准。同时还符合数字化油田，智慧工厂，节能环保的要求。
附图说明
图1为本发明所述装置的硬件结构示意图；
图2为储油罐中油乳水界面示意图；
图3为本发明所述方法得到的含水率曲线；
图4为本发明所述方法测得的油-水、油-气界面示意图；
图中标记：1、上位机显示监控系统，2、表头，3、数据采集模块4、连接杆，5、通讯电路，6、储油桶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
实施例1：本发明所提出的一种原油储罐界面检测方法，包括如下步骤：
步骤1：测得储油罐内的含水率梯度
步骤1.1：测得储油罐内各个含水率测量模块处的含水率值
含水率检测模块为含水率传感器，基于油和水之间介电常数ε的明显差异，常温下(20℃)水的介电常数大约为80，而原油的介电常数大概只有2.5，水的介电常数比原油大很多，油水混合物的介电常数主要由油和水的比例决定，微波在含水介质中的波速、波长以及衰减常数公式如下所示：
式中，v代表的是波速，c为光速，μ为磁导率，ε为介质的介电常数，f表示微波发射频率,α为衰减系数，σ为电导率；自然界中，一般物质的磁导率为1，可以忽略不计。微波在经过空气，纯油，纯水后的波形有明显区别，当微波在纯水中传播时，根据式(1)，波速只有在空气下传播速度的九分之一，导致在相同的传输距离下，微波在介质为空气时传输所需要的时间会小于微波在纯油中传输所需要的时间，在最终的波形检测时对波形进行比较会发现发生了相位的偏移，再通过鉴相器将检测的相位的偏移值转化为电压值输出，进而获得模块附近油水混合物的含水率值。
当测量侧电路与参考侧电路接触的介质相同时，测量导线与参考导线上的微波信号传输速度一样，微波信号不会发生相移；当测量侧电路接触的被侧介质含水时，测量导线上的微波信号传输速度降低，导致经过相同距离时，传输速度越快，所用的时间越少，从而发生微波的相移；通过鉴幅鉴相器的比较，得到被测介质含水率。具体的，鉴幅鉴相器输出的相位直流电压信号VP对应测量导线和参考导线的相差，在测量被侧介质含水率之前，先进行标定，譬如纯油和纯水。通过标定得到在纯油介质下的相差信号VPO，纯水时为VPW，即标定了含水率0-100％。在实时测量时，相差信号为VPX，根据公式(4)可求得含水率的估计值，再通过线性拟合后可得到真正的含水率:
鉴幅鉴相器不仅可以比较两路输入信号的相移大小，也可以比较输入信号幅值的大小。纯水，纯油以及油水混合物的电导率是不同的，由式(3)可知，衰减常数的大小和电导率相关，电导率越大，衰减常数越大，而电导率和矿化度有关，因此本设计不仅可以根据相移的大小求出油水混合物中含水率的大小，还可以根据幅值的比较求得电导率的大小，进而得到油水混合物中矿化度的状态。再根据实际标定的矿化度的值对纯水下测得的相移值进行修正，可以有效减少实验误差。
步骤1.2：经过线性拟合后可以得到各个高度处的含水率值，将多个含水率值从上到下排列可以得到含水率数值逐渐增大的含水率梯度。
步骤2：测得储油罐内的密度梯度
步骤2.1：测得储油罐内各个压力检测模块间的密度值：压力检测模块为压力传感器，检测储油罐内各层的压力数据，最终转换成密度数据。
压差法的基本原理是利用油与水的密度不同，通过检测储罐不同位置的压力来反映不同位置的油水混合物密度。根据如下公式：
P＝ρgh(5)
P为测量点处的压强值(表压)，ρ为密度，g为重力加速度，h为液位高度。通过设置多个压强测量点，则相邻测量点之间的压强差公式可表示为：
ΔP＝PN-PN-1＝ρNghN-ρN-1ghN-1(6)
若相邻两层之间的压强差近似相等，即出现下式：
ΔPN≈ΔPN+1(7)
则可近似认为PN-1到PN+1之间的油水混合物的密度相同，此时压强差ΔPN可以变换为：
ΔPN＝ρNgΔh (8)
由于相邻传感器之间的距离固定，故可认为Δh已知，现已知ΔP、g、Δh，根据上述公式可以反推出密度ρ。若出现ΔPN≠ΔPN+1，则可确定相邻两侧间的油水混合物的密度不相等，若进一步出现下式的情况则可以认为PN-1到PN+1之间出现了界面的变化：
ΔPN-2≈ΔPN-1≠ΔPN≠ΔPN+1≈ΔPN+2(9)
由上式可知，PN-3与PN-1之间为同一种介质，PN与PN+2之间为同一种介质，而PN-1与PN之间的介质密度与上下层都不相同。经过上述的判断方法，可以得出结论在PN-1与PN之间发生了分层现象。最终经过多组压力传感器测得的数据可以得到多组密度值。
当得到多组压力传感器数据后，经过比较分析则可得到容器内油水混合物自上而下的密度梯度值。由于纯水的密度约为1×103kg/m3，纯油的密度为0.71×103kg/m3，故储油罐内从上至下的密度梯度将在0.71×103kg/m3～1×103kg/m3范围之间波动。
步骤3：油水界面判断
步骤3.1：修正数据偏差
由于每个压力传感器都是独立的，因此，在测压强数据时常常会因为自身硬件的问题产生测量数据的偏差，例如在空气中压力传感器测得的数据应为0，但是可能存在硬件误差使得数据不为0。面对此类情况本系统可利用含水率数据对压强数据进行自适应修正，例如当压力传感器测得的数据不为0而在同一层测得的含水率数据为0时，则可证明传感器模块所在层为气层，进而系统将对压强值进行自动修正。
同理，当含水率数据出现明显问题后也可通过压力传感器测得的数据对含水率数据进行修正。
步骤3.2：得到气-油界面
在储油罐内，经过长时间静置后，储油罐内的油水混合物会逐渐分层，从上到下表现为气层，油层，乳化层，水层，如图2所示。由于在气层和油层的介质为气体和纯油，测得的含水率很低，接近于0，导致含水率仪器测得的含水率值相差不大，此时无法根据含水率来精确判断气-油界面高度，但是空气和纯油的密度相差较大，会使得压力传感器测得的数据差生较大变化，因此气-油界面可通过压力传感器测得的密度数据得出。
测量方法：首先标定0压强点，令压力传感器在储油罐内的气层测得的压强数据作为0，在纯油中压力传感器测得的数据会发生突变，此时利用式(5)即可获得油层在相邻传感器之间的高度，进而得到油界面在整个储油罐内的高度。至此，气-油界面可以得到。进而得到空气的高度HA。
步骤3.3：得到油乳界面和乳水界面
在油界面往下，油罐内混合液体的含水率和密度的大小将随着高度的降低而逐渐增大，而纯油和纯水的密度差与含水率差相比较小，所以传感器测得压差变化的幅度要小于含水率变化的幅度，此时含水率数据具有更好的可读性，令含水率小于5％处的液体视为纯油，含水率5％～95％的液体视为乳化层，含水率大于95％的液体视为纯水，当从上至下得到多组含水率测量值后，通过对多组含水率数据进行BP神经网络算法的预测处理对含水率数据拟合矫正，可以得到准确率更高的含水率数值，根据校正后的含水率数据自上而下拟合出含水率梯度曲线，此时根据上述规则可将含水率在5％的界面视为油乳界面，含水率在95％的界面视为乳水界面，对应如下图2所示。此时储油罐内纯油HO的高度和纯水HW的高度均可得出。
步骤3.4：得到乳化层中的油水体积进而拟合出油水界面
把步骤3.3拟合校正后的含水率数据表示为W，将含水率在5％～95％的乳化层高度记为H；之后可以根据预测得到的多组含水率数据拟合出一条高度和含水率对应的曲线，如图3所示，由于已知储油罐内高度H和含水率W的曲线，由体积公式：
V＝ΔH·S (10)
可得乳化层中高度为ΔH时对应的体积V与含水率W的曲线，式中的S为储油罐横截面积，再对曲线进行积分：
Vw＝∫WdV (11)
即可得到乳化层中对应的水体积，在乳化层中不含空气，且乳化层高度已知，进而可求出乳化层的体积V乳，对应的乳化层中油的体积也可由下式得到：
VO＝V乳-VW(12)
通过以上公式即可得到储油罐内的油水界面位置，通过油水体积即可得到储油罐内乳化层中的油和水的分量，通过步骤3.2得到的气油界面，步骤3.4得到的油水界面可将储油罐内的界面情况表示为图4所示。
实施例2：基于实施例1的方法，本发明还提出一种实现该方法的检测装置，包括上位机显示监控系统1、油水界面检测仪器和通讯电路5。
上位机显示监控系统1可接收多个油水界面检测仪器发送的数据，通过对数据进行分析可以得到各个储油罐内气-油界面，油-水界面的位置以及各层在储油罐内所占的高度。
油水界面检测仪器包括表头2、数据采集模块3以及安装数据采集模块3的连接杆4。
表头2内包括主微处理器电路，通讯电路，显示电路；表头2负责接收上位机显示监控系统1的命令，接收数据采集模块3发送的信息，并控制数据采集模块3的启动与停止。
数据采集模块3包括压力检测模块和含水率测量模块；含水率测量模块测得储油罐内各层的含水率；压力检测模块检测储油罐内各层的压力数据，最终转换成密度数据；主处理器电路根据接收到的密度数据以及含水率数据确定储油罐内气-油界面、油-水界面位置。
压力检测模块采用压力传感器，含水率测量模块采用含水率传感器，数据采集模块3之间通过连接杆4连接，使得同一高度位置既设置有压力检测模块，也设置有含水率测量模块。
所述的通讯电路5采用485协议。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种原油储罐界面检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，利用原油罐内不同高度位置所设置的含水率传感器测得储油罐内各层的含水率数据，得到储油罐内从上至下的含水率梯度值；
S2，利用压力传感器测得储油罐内各层的压力值，再将压力值转换为压强信号，根据多组压强信号得到储油罐内从上至下的密度梯度；
S3，利用同一高度处的含水率数据和密度数据互相校正，对不符合规律的含水率值和密度值进行数据修正；
S4，令储油罐气层的压力传感器测得的压强数据为0，则纯油中压力传感器测的压强数据突变，根据液体压强公式即可获得油层高度，进而得到油层界面在储油罐内的高度，气-油界面得以确定；
S5，首先，利用含水率数据拟合出储油桶内高度和含水率对应的曲线，将含水率在5％的界面视为油-乳界面，含水率在95％的界面视为乳-水界面，得到储油桶内纯油的高度和纯水的高度；然后，由所述曲线得到乳化层内某一高度内对应体积和含水率的关系曲线，并对该曲线积分得到乳化层中对应的水体积VW ，则乳化层内的油体积Vo ＝V乳 -VW ，其中V乳为乳化层的总体积；由乳化层内的油体积和水体积可以计算得到乳化层内油的高度和水的高度，进而确定储油罐的油-水界面。
2.根据权利要求1所述的一种原油储罐界面检测方法，其特征在于：所述步骤S1中测得含水率以后，利用BP神经网络算法，对采集到的多组含水率数据进行训练，再通过训练模型对实际数据进行预测，得到精度更高的含水率数据。
3.一种原油储罐界面检测装置，该装置用于权利要求1或2所述的原油储罐界面检测方法，其特征在于：包括上位机显示监控系统、油水界面检测仪器和通讯电路，油水界面检测仪器用于采集储油罐内的不同高度处的压强数据和含水率数据，并将所采集的数据通过通讯电路发送给上位机显示监控系统，上位机显示监控系统用于对接收到的数据进行分析。
4.根据权利要求3所述的一种原油储罐界面检测装置，其特征在于：油水界面检测仪器包括表头、多个数据采集模块和用于安装多个数据采集模块的连接杆，所述表头用于接收上位机显示监控系统的命令以及数据采集模块发送的信息，并控制数据采集模块的启停。
5.根据权利要求4所述的一种原油储罐界面检测装置，其特征在于：每个数据采集模块包括一个压力传感器，一个含水率传感器以及一个温度传感器。
6.根据权利要求5所述的一种原油储罐界面检测装置，其特征在于：相邻数据采集模块通过连接杆连接。
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