成品油管道输油首站工艺设计（含CAD图纸+文档资料）
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毕业设计（论文）中期报告题 目：成品油管道输油首站工艺设计 学 院： 石油工程学院 专 业： 学 号： 姓 名： 手 机： 指导教师： 教师职称： 填表日期： 教务处制题目名称成品油管道输油首站工艺设计题目来源 国家、省（部）级 市、校级 企业（公司 ） 其他题目类型工程设计 应用研究 基础研究 其他一、毕业设计（论文）概述1.1课题意义与国内外研究现状 成品油运输方式主要有陆路运输和水路运输两大类，从现行运费的构成和价格看， 由于油轮的载重规模较大，使得水路运输的综合费用低于陆路运输，在有条件的情况下，通常优先采用水路运输。陆路运输方式包括管道、铁路、公路等， 由于公路运输所使用的汽车罐车规模小，综合费用较高，通常仅作为终端配送的运输方式，而不作为大宗油品的运输手段；管道和铁路运输是成品油陆上运输的两种主要方式，与铁路运输相比，管道运输主要具有受气候及外界影响小、安全性好、环境污染小、损耗低、易于实现全程自动化控制和运行管理等特点与优势。据有关资料统计 ，2008年美国成品油管道运输占运输总量的47，日本则占20，而中国仅占6。我国成品油管道建设起步较晚，从1973年开始对成品油管道进行工业性试验，1976年建成了我国第一条小口径的格尔木一拉萨长输成品油管道。此后十多年，则基本上处于停滞状态。从20世纪90年代初开始，我国成品油管道建设有了较大突破。据不完全统计 ，截至目前，全国已建和在建的主要成品油管道约为1410 km，其中，中国石油约为6658km，主要包括西部成品油管道、兰一成一渝成品油管道、兰一郑一长成品油管道等；中国石化约为6014km，主要包括西南成品油管道、珠三角成品油管道、鲁皖成品油管道等； 中国海洋石油约为207km，主要包括立沙成品油管道、黄骅港一中捷石化成品油管道等；部队为1080km，即格一拉成品油管道；延长集团为201km，即延长炼油厂一西安成品油管道.近几年来，我国的成品油管道获得了长足发展，但仍然存在着诸多问题： 是，成品油管道从干线管道向周边次级市场地区的扩散覆盖程度低，支线管道偏少，管道运输对市场的覆盖率较低。因此，应加快成品油支线管道建设，提高市场覆盖率。 是，由于SCADA软件的应用受到国外专利技术的限制，我国管道运输技术与自动化控制水平和国外先进水平相比，仍存在一定差距。成品油管道顺序输送技术处于起步阶段，成品油管道顺序输送特点和优势尚未充分发挥出来。建议今后应当紧密跟随国外先进技术，对SCADA软件技术的应用进一步消化吸收，逐步掌握控制方案和规律，实现灵活地多批次、多品种运输。 是，部分成品油管道的输量较低，如中国石油西部成品油管道等，影响了管道的生产效益。建议把成品油管道与上游炼油厂和下游用户充分相结合，减少其他方式的成品油运输量，增加管道输量，以提高经济效益。 1.2 课题的研究目标、内容在一条成品油顺序输送管线中，顺序输送的循环次数越少，每一种油品的一次输送量越大。在管道内形成的混油段和混油的损失也随之减少，但另一方面，油品的生产和消费通常是均衡进行的。各种油品每天都在生产和消费，顺序输送管道对每一种油品来讲是间歇输送。循环次数越少，就需要在管道的起、终点以及沿线的分油点和进油点建造较大容量的储罐区来平衡生产、消费和输送之间的不平衡。油罐区的建造和经营费用就要增加。因而，最优循环次数的确定应从建造、经营油罐区的费用和混油的贬值损失两方面综合考虑。成品油顺序输送管道设计应首先根据输量确定管道的管径以及首末站、分输站、中间泵站等基本工艺条件，同时考虑管道应能适应不同季节成品油需求量的变化，在确定了这些基本条件后，顺序输送和罐容的优化只与管道输送次序、混油处理方式和油罐设置等有关。优化批次、罐容时应根据不同批次分别计算首站罐容、分输油库和末站罐容，并根据输送顺序计算混油量以及混油处理的各项费用，最终确定管道的最终确定管道的最优批次和罐容配置。 1.3 方案的原理、特点与选择依据对于成品油管道，一般不设置加热装置，因此不需要进行热力计算。湛江大鹏湾管道位于南方，冬季温度不太低，因此采用管道埋深处全年最冷月平均温度输送高粘度油品进行设计。对于本设计即按管道埋深处冬季温度输送柴油设计。根据计算温度，进行水力计算，经济性计算。选择优化算法，找出最经济合理的管道参数（管径、壁厚、泵站数）。然后用夏季温度输送汽油进行校核和调整。根据所求得的最经济的管道参数，对顺序管道进行工艺计算、最优循环次数、一年中每种油品的输送天数，首末站所需建的油罐容积、混油切割方案以及混油亏损等。二、毕业设计（论文）整体安排及进度周 次工 作 内 容检 查 方 式12资料收集，文献阅读，翻译完成翻译3资料收集，文献阅读完成文献综述4-6完成管径选择、布站等计算检查相关计算结果，并按要求修改78完成管线的校核及相关工艺计算检查计算书和相关资料，并按要求修改910计算修改，毕业调研检查计算资料和毕业实习报告11-12绘制工艺流程图和平面布置图检查工艺流程图和平面布置图，并按要求修改13-14绘制泵房安装图和消防工艺图，撰写说明书检查泵房安装图和消防工艺图，并按要求修改15-16 毕业答辩检查毕业设计计算书、图纸等全部资料，按要求修改三、毕业设计（论文）已完成的研究部分1已完成外文翻译；2完成文献综述；3完成管径选择、布站等计算；4完成其他计算： （1）混油量计算，（2）确定输送顺序，（3）混油段处理方案的选择，（4）罐容选择计算，（5）最佳循环次数计算；5首站罐区设计计算；6首站消防工艺计算。四、下一部分的工作安排1 对计算说明书进行详细的修改。2 初步进行CAD图的绘制3 在绘图过程中，根据绘图规范，对计算部分进行修改。五、毕业设计（论文）工作中存在的问题 1 对管道设计中所涉及的规范要求不太熟悉； 2 对泵站调整存在错误认识；3 设计中对节能意识不强，比如冬季和夏季所需扬程不同，没有充分利用剩余能量；4 动静水压力校核没有完全搞清楚；5 缺乏实际调研，对管材价格等经济因素考虑欠缺。学生（签字） 年 4月 18日 指导教师（签字） 年 月 日 毕业设计（论文）任务书 石油工程 学院 专业 班 同学： 现给你下达毕业设计（论文）任务如下，要求你在预定时间内，完成此项任务。一、 毕业设计（论文）题目成品油管道输油首站工艺设计二、毕业设计（论文）依据及参数1.任务输量：设计输量为430万吨/年(汽油265万吨/年, 柴油165 万吨/年)2.年操作天数：350 天3.计算地温（）：冬季14.0；夏季25。4.管道长度：湛江-大鹏湾段688km5.油品物性参数： 粘度（厘沱）密度(20)(t/m3)20020汽油0.610.750.950.74柴油 5.90 8.50 18.0 0.846地形高程/m25171210914178013里程/km0107225359405440536680688三、毕业设计（论文）目标及内容1.说明部分：设计项目的依据及原则、设计方案选择与比较、工程概况等2.计算部分：（一）、水力计算：管径选取与计算、机泵设备的选择计算、泵站的确定与调整。（二）、其它工艺计算：混油量计算，确定输送顺序、混油段处理方案的选择、罐容选择计算、最佳循环次数计算。（三）、管道强度校核。3.绘图部分：全线纵断面图、首站工艺流程图、首站泵房安装图、首站总平面布置图、首站消防系统流程图。其中首站工艺流程图要求手绘和CAD绘,其它图手绘或CAD绘自定。四、课题所涉及主要参考资料1.杨筱蘅 . 输油管道设计与管理M.东营:中国石油出版社,2006. 2.郭光臣,董文兰,张志廉.油库设计与管理M.山东:石油大学出版社,1991.3.姬忠礼，邓志安，赵会军.泵和压缩机M.北京:石油工业出版社，2008.4.范德明.工业泵推荐产品样本M.北京:化学工业出版社，2004.5.王从岗,张艳梅.储运油料学M.山东:中国石油大学出版社，2006.6. 宝鸡石油钢管厂.GB/T 9711.1-1997石油天然气工业输送钢管交货技术条件第一部分：A级钢管 S. 北京：中国标准出版社，19977. 中国石油天然气管道工程有限公司.GB50253-2003输油管道工程设计规范 S. 北京：北京：中国标准出版社，20038.中国石油化工集团公司GB50074-2002石油库设计规范 S 北京：中国计划出版社，20029. 中国石油天然气总公司GB50183-2004原油和天然气工程设计防火规范 S 北京：中国计划出版社，200410. 美国石油学会.API Spec 5L-2007管线钢管规范 S. 北京：石油工业标准化所，200711. 中国石油天然气管道工程有限公司.SY/T 0075-2002油罐区防火堤设计规范 S . 北京：石油工业出版社，200212. 中国石油天然气股份公司规划总院SY/T0048-2000石油天然气工程总图设计规范 S. 北京：石油工业出版社，2000五、进度安排周 次工 作 内 容检 查 方 式12资料收集，文献阅读，翻译完成翻译3资料收集，文献阅读完成文献综述4-6完成管径选择、布站等计算检查相关计算结果，并按要求修改78完成管线的校核及相关工艺计算检查计算书和相关资料，并按要求修改910计算修改，毕业调研检查计算资料和毕业实习报告11-12绘制工艺流程图和平面布置图检查工艺流程图和平面布置图，并按要求修改13-14绘制泵房安装图和消防工艺图，撰写说明书检查泵房安装图和消防工艺图，并按要求修改15-16 毕业答辩检查毕业设计计算书、图纸等全部资料，按要求修改六、毕业设计（论文）时间 2014年2 月 24 日 -2014年 6 月 15日七、本毕业设计（论文）必须完成的内容1调查研究、查阅文献和搜集资料。2阅读和翻译与课题内容有关的外文资料（外文翻译不能少于2万印刷字符，约合5000汉字）。3撰写文献综述，确定设计方案。4工艺计算；结构和强度设计计算；材料的选择等。5撰写毕业设计说明书。6绘制图纸（安装图、工艺流程图、平面布置图）。八、备注本任务书一式三份，学院、教师、学生各执一份。 油气储运工程 系（教研室） 指导教师 系（教研室）主任 主管院长 学号： 毕业设计（论文）外文翻译 （ 届）论文题目: Online estimation of wax deposition thickness in single-phase sub-sea pipelines based on acoustic chemometrics译文题目:基于声化学计量技术单相海底管道蜡沉积厚度的在线估计 外文出处： FUEL 学 生： 学 院： 石油工程学院 专业班级： 校内指导教师： 专业技术职务; 教 授 校外指导教师： 专业技术职务： 年三月大学本科生毕业设计（论文）外文翻译基于声化学计量技术单相海底管道蜡沉积厚度的在线估计的可行性研究 基于声化学计量技术的管道蜡沉积厚度的估计。偏最小二乘回归估计蜡沉积厚度应用。 蜡沉积厚度模型的验证结果是令人满意的。建议进一步调查和随后的各项执行。 关键词：声化学计量; 最小二乘法 ; 主成分分析 ; 蜡沉积 ; 单相流;摘要海底石油生产管道的蜡沉积对石油生产公司来说是非常重要的。如果没有监测和控制，管道中的蜡沉积可引起严重的经济问题。一些研究人员已经开发出一些模型和研究了原油管道的蜡沉积。截至今天，没有现成的仪器可用于蜡沉积厚度在海底管线的可靠的在线估计。声化学计量技术应用于海底管道的蜡沉积厚度的在线估计的潜力很大。在波斯格伦(挪威国家石油公司研究中心)，该可行性研究用真正的原油或含蜡凝析气进行了一个所谓的收发清管球试验。第一次调查集中在声化学计量技术随后在单相油流管道中的蜡沉积厚度的在线预测的可重复性。偏最小二乘回归模型进行校准和验证一个完全独立的数据集。校准的模型的预测平方根误差0.28毫米，最终蜡沉积厚度为3.36毫米， 0.91斜率和0.83 R2这是令人满意的预测结果。还研究了在不同油流速下蜡沉积厚度变化的效果。初步结果表明，必须基于一个强大的实验设计和样品预处理才能进一步实验。从这个可行性研究中得出的一般结论是，声化学计量技术在蜡沉积厚度的在线估计的应用，必须进一步研究。1.说明 由于世界人口迅速增加，即使世界石油产量已经达到了顶峰，人类对石油及其有关产品仍有很大增长需求1。由于石油需求的增加，加上国际市场上增加了原油价格，一些石油生产公司现在正在开发边际油井，并在海平面以下更深的深度进行钻探。原油从油藏到原油输送主要关注的是流动稳定。石油管道中的蜡沉积是一个影响稳定流动的因素。对于海底单相或多相流长输管线，石油生产管线的蜡沉积是主要障碍之一。从油藏中输送原油可能导致石油流体中蜡的析出。蜡的析出量与海底管线的温度有关，海洋通常是在4 ，而储层温度和压力分别是70-150， 小于2000磅2。原油中的热量传递到海洋主要方式是对流和热传导。第一次蜡出现时的温度通常被称为析蜡温度（WAT ） 。当蜡在石油管道中沉积，这些沉积物必须被连续监测，并且当蜡沉积量影响石油管道生产，必须被清除。这里有一些方法可以用来清除蜡沉积，例如加热，清管操作，和蜡抑制剂，而管路的绝缘层可以防止蜡沉积生成。所有这些方法都有各自的优点和缺点。由于清管器在管道线中具有比其他技术更大的优点,因此是除去蜡沉积物的最广泛使用的方法。在管道中蜡沉积物生长越快导致更频繁和危险的清管操作3 。当蜡被允许长时间生长，管道的有效横截面积减小。在更高的蜡沉积速率下，清管器卡在管道的倾向是很大的。相对于蜡沉积，蜡在生产管线的老化也是研究的一个重要领域。一些研究人员已经开发出蜡老化模型，并且这些模型已经由Aiyejina等人审查 4。在生产中必须去除管道的密封部由于大量蜡沉积物而使生产停止的情况下，涉及的更换和停机时间的损失由Huang等人估算。大约是30000000美元而在需要花费1亿美元成本的严重情况下海上平台就应该被抛弃。因此，对石油公司来说，蜡沉积可引起破坏性的经济影响 2。管道蜡沉积是由以下几个因素引起，原油组合物，温度，流量，压力和热历史的影响5。此流动稳定问题作为一个重要的研究课题已经有一段时间了。一些研究人员检测蜡沉积并提出研究的方法 6-11 。 Aiyejina等人4在石油管道中检测蜡形成。在他们的严格检测下，掌握了蜡沉积原理（包括蜡沉积模型）。 Hoffmann等人 12 提出了一种热脉冲监测技术用于海底石油管线蜡沉积厚度的在线监测。一个可靠和准确的在线蜡沉积厚度仪器或技术将对石油生产公司来说将是重大突破。该仪器如果可用，不仅降低了生产成本，而且使石油生产企业能够开发含有高含蜡量的油井。由于这方面的发展，世界石油产量将增加，以满足不断增长的需求。声化学计量技术是一个普遍的过程监控技术，作为一种过程监控的解决方案已应用在其它行业。文献中的发达声化学计量技术作为适应于石油行业的一种过程监控解决方案自成立以来受到限制。 Arvoh等人13,14 ，把在线估计的声化学计量技术应用于同时把水和气积聚在一个紧凑的浮选单元，用于生成水的处理气体和液体的流速。从这项研究中，很明显，这种技术在石油工业中的应用前景是光明的。在这样的可行性研究下，声化学计量技术作为一种过程的监控解决方案在单相海底油流管道蜡沉积厚度的在线估计中被应用。 可行性研究是借助霍夫曼和阿蒙森操作的单相流试验并由他们报道出来。在霍夫曼和阿蒙森进行的实验的主要目的是获取实验数据来验证模型的基本假设，因为从野外生产管线很难获得数据。实验用50.8毫米（2英寸）流动循环实验装置在挪威的波斯格伦国家石油公司研究中心。这些调查通过北海含蜡凝析气流被水环包围，模拟海底环境试验段。在这个可行性研究中，两个主成分分析（PCA）和偏最小二乘回归法（PLS-R）分别用于处理从声传感器来的信号，以调查该技术在海底单相流管道蜡沉积的在线估计的潜在应用。在这项研究中所采用的基准测量是压降测量和最后报告 15 的重量蜡沉积厚度。用一个完全独立的数据集验证已经校准的PLS -R模型。 模型的评价是基于均方根误差的预测（ RMSEP ），斜率，偏移，相关系数，说明残留检验方差图和分值图。最终结果是在此实验研究蜡沉积厚度的在线估计的介绍和讨论得来的。结果表明，存在声化学计量技术在海底管道线蜡沉积厚度的在线估计的潜在可能性，因此进一步研究这种技术的应用目前正在进行中。2 材料和方法声化学计量技术是单相流管道中蜡沉积厚度在线估计的首选技术。由于测量和数据记录机制需要很少或没有监测，这些调查中清管器收发装置的性质对提出这项技术很有优势。除此之外，声化学计量技术还拥有多项优于传统的监控的特点，包括：在线操作。实时预测。传感器易于固定。非侵入式测量。节省时间且利用经验建模。虽然这种技术具有一些优点，但这种技术与所有其他的化学计量技术相比的主要缺点是需要基准测量。除此之外，因为蜡沉积在管道中的变化，对于蜡沉积发生在数千米的管道中，这种技术被认为是一个“点测量”。2.1 流动循环在波斯格伦，挪威国家石油公司的研究中心的蜡沉积实验测试设备包括一个流动的循环，真正的原油和凝析气是从油罐发给测试部分（图1）。对于实验装置的详细描述，有兴趣的读者可以参考Hoffmann 和 Amundsen 15 。对可行性研究的实验装置这里只有一个简短的描述。 5.5米长的测试部分是由一个环形空间组成，通过逆流水流包围。无论是油和水的温度可以在5 和70之间分别进行调整，这意味着不同温度条件下可以进行测试。在油罐中原油或凝析气的总量是2000升，因此在实验期间蜡沉积不是一个问题。在大气压力下，该试验装置用原油和天然气冷凝液进行操作。实验装置配备有能够提供原油或天然气冷凝物的体积流量为3-30立方米/小时的范围内的一个泵。科里奥利流量计是用来监测的体积流动速率（表1） 。内径为50.8毫米（ 2英寸）的不锈钢管被用于这些实验中。图1. 蜡沉积实验装置表1 仪器仪表质量流量压力温度仪器E&H科里奥利流量计罗斯蒙特3051 CD2Rosemount温度变送器精度0.1%0.065%0.5范围031 m3/h0620Mbar-100-13002.2 实验在这个研究中，从北海接收的终端含蜡凝析气被用于所有单相流实验中。含蜡凝析油主要工艺参数列于表2中。第一个实验研究主要集中在实验的可重复性。在每个实验测试，实验装置通过的流体是在60下熔化的并且在以6小时为期的前期实验中沉积在管道中的蜡。这个阶段后，将油和水的温度都被设置为所希望的值。流速和压力降的测量被用来验证是否除去在管道中所有沉积蜡。然后水的温度通过该环形空间降低到目标值，并在试验期间保持稳定。每个实验周期内的温度变化保持在0.2 ，而这时的流量保持为0.1立方米/小时。在每个实验中实验周期通常是2天，调查重复性完成后，管道被排空，测试部分被取出以测量所沉积的蜡的厚度。包括重复性/复制实验，每个实验总的实验时间一般为5天。 表2 流体性质油密度（20）809kg/ m3 析蜡点近似30倾点1含蜡量约4.5%2.3 声化学计量技术自首次开发以来，在科学和技术领域，声化学计量技术的应用已经成熟。声化学计量技术的理论和原理的一般描述可以在 16 中找到，因此这里只需简要说明该技术。Brel和Kjr的四个微型加速计模型以4519高分辨率的信噪比被用于获取良好的声音信号。加速计可以在-51至100操作，而加速计的安装谐振频率为60千赫。加速计被胶合到管子，由于该环形带充满水，加速计和电缆之间的连接上覆盖环氧树脂（图2，左图），以防止该加速计由于水造成的损害。连接电缆也免受因毛细作用受到水损害。来自加速计的时域信号首先在模拟/数字转换器的放大模块（SAM）被放大到最大可能的数字分辨率。用同一个带通滤波器把不需要的频率衰减。之后，（ 4096）固定数目的样品用Blackman Harris window改造17功能转换，以减少频谱泄漏。快速傅立叶变换（FFT）用于将时域信号变换到频域。这种转变有助于在不同时间段获得的声谱的比较。在这些实验中选择的采样频率为300千赫。每个声谱为200个声谱的平均。 试验段的每个单独的管道上有2个加热线圈和两个被胶合在管道上的加速计。加热线圈是Hoffmann 和 Amundsen利用热脉冲原理研究蜡沉积使用的。来自加速计的信号受到加热线圈严重的影响，由于靠近加速计的加热线圈所引起的湍流和电磁干扰。三个电缆和加速计之间的连接不够紧密因而一段时间后，逆流的水流经环以它的方式进入了加速计和随后破坏它们。在这种情况下，只有一个加速计被用于声学化学计量技术研究。除去被粘在管上的剩余加速仪的加热线圈以减少测量干扰的影响。只有一个加速计，进行了可行性研究并取得这些可喜的成果，进一步调查可以开展包括监测管道上的不同位置蜡沉积。本文档中所有的结果和讨论是基于只有一个加速计。 图2 左：加速器在试验段连接2个。右图：测试部分包括4个量在管道内。左侧的安装不适合于这种情况。加速计被粘到管道。2.4 参考测量结合管道最终蜡沉降重量，测试部分两端压力降的测量作为参照。下面的WAT ，蜡开始在试验部分内壁中沉积，从而导致有效横截面面积和表面粗糙度的变化，进而导致压力降的变化。Hoffmann 和 Amundsen关于蜡沉积形成方面描述了三种主要方法。在这个可行性研究中，通过两个方法结合获得更准确的蜡沉积分布。通过测量增加的压力降时，蜡积聚可以从HAALAND的摩擦系数的相关性18来确定15。测试部分的内径可以从数值上得到解决： 其中：D为管道内径，p是压力降，Q为体积流速，油密度p，差压测量的长度L，是油的粘度，管内壁的表面粗糙度。通过压降测量来确定蜡的沉积厚度的数据有点繁琐。由于基准数据测量复杂，该模型的预测性能可受到不利影响。为了减少基准测量的复杂性，非线性函数被用于拟合数据点。从压降测量数据中得出的蜡积聚量，然后拟合一个非线性函数。图3示出的从压降测量值得出的蜡的积聚厚度和其对应的非线性函数的示图。从该图中，可以观察到的非线性函数在曲线的开始是偏置，因此压力降的测量被用作参考测量和评估测量复杂性的影响。当实验完成测量，测试部分的最终重量可以提供精确的信息来计算管道中的沉积蜡的最终厚度。蜡层的厚度是从所测量的密度和计算出的管的截面面积计算出来。在这个计算中，假定在管道的整个横截面所沉积的蜡均匀地分布在整个海底管线上,实际应用可以认为假设是准确的。测试部分的一个可移动的部分被用于直观地检查蜡沉积物，并测量所沉积的蜡的重量。从最终的重量测量，计算蜡沉积厚度。预测的蜡沉积厚度是从压降测量计算出的是不准确的。因此，计算出的蜡沉积厚度用来提高压降测量的精度。因此，压力降的测量和计算出的蜡沉积厚度的组合被用作这些实验研究的基准测量。 图3 蜡厚度测量是通过压力降的测量数据和一个非线性拟合函数。该非线性函数在测量的开始是偏置，而压降测量是在随后的调查中使用。2.5 多元校正主成分分析法（ PCA）和偏最小二乘回归法（ PLS -R ）分别是本研究中所采用的多变量数据分析技术。PCA和PLS- R 都是化学计量学会中最常用的数据分析技术。2.5.1 主成分分析PCA是构成多变量数据分析的基础。实质上PCA是一种数据压缩技术，是在数据矩阵（传感器的测量值）中，X ，被分解成“信息”部分和“干扰”部分。 所有的数据分析技术要求X数据矩阵必须包含相关信息。在传统的模型中，样本（N）的数量通常是比变量（K）的数量多，其中K可以是从传感器（例如温度，流量，压力，pH值）中的测量值。然而在PCA的现代应用中，包含光谱数据（C-射线，X射线，声信号，近红外，红外，紫外等）和色谱数据（高效液相色谱法，气相色谱法，薄层色谱法等）19，这都是很常见的。因此，在现代的使用中，K常比N大。信号预处理在改善信息中的传感器的测量是至关重要的。常用预处理技术包括： 从每一列中减去平均值。 缩放每一列（如通过除以标准偏差）。PCA和PLS-R大多情况下，应用在X数据矩阵20变量之间的共线性。术语共线性意味着在矩阵X，存在一些承载大部分的可用信息的主导型变异。可变量X所包含的主要信息X=Xk，k=1,2k 被压缩到T=t1,tk (AK),这就是所谓主成分X的数值。解释可变性的各种因素通过特征值的幅度表现。数值向量的列T是彼此正交的，此外，加载向量的列，P，也彼此正交。因此，X数据矩阵可以分成： 其中构成有用的信息部分，E是X的残差矩阵（测量干扰）。当A= K的所有特征向量（T）可以被提取，这意味着 X = TPT。NIPALS算法是最常用的算法，并且可以在20， 111页找到，并且详细的理论说明，应用和实际的例子可在文献19-21中找到。2.5.2偏最小二乘回归偏最小二乘回归法用来校准单相流管道蜡沉积厚度的在线预测模型。它的理论，原理和应用都可以在文献 20,22 中可以找到，因此这里只给出这种技术的简要说明。偏最小二乘法（ PLS- R）是一个统计数据的建模技术，它旨在发现涉及一个矩阵（X）和参考矢量（y）的实证模型。在PLS -R的建模过程中，提取数据集X和Y之间的线性关系。 PLS -R的重要性已经在物理，分析化学，制药和工业过程监测和控制等领域逐步显现出来 22 。在PLS- R中，变量y用于指导X数据矩阵的分解，从而导致了在校准的模型中信息在X和Y不相关的PLS元件的减少 20 。NIPALS算法是在PLS回归分析和多变量数据分析软件中的最广泛使用的算法。在该算法中，目的是要同时描述X和Y，使误差尽可能小，并且在同一时间从X矩阵中提取尽可能多的有用信息，描述响应变量y22。在评估回归模型中均方根误差的预测（RMSEP），偏移，斜率和相关系数是常用的。除了这些，有关的分值图，装载重量图的视觉评估，解释方差图也提供了有用的信息，校准和预测模型的发展。均方根误差的预测（RMSEP）的计算公式为：RMSEP =i=1n(yi,预测-yi，基准）n图4 预处理（顶部）前的声谱和预处理（底部）后的声谱。各声谱的平均移动频率计算为366赫兹。2.5.3 样品预处理在PCA和PLS- R中，样品的预处理可以在来自传感器的测量值中提取有用的信息。也就是说，当正确应用时，光谱预处理具有提高模型的预测性能的趋势。还有，这里有几个预处理技术可以应用到由加速计获得的频谱数据。在声化学计量技术中最常用的预处理方法是平均定心和方差缩放。为了开发蜡沉积在线估计模型，在重复性实验和5天及5天以上实验中可行性研究提出每个蜡沉积实验持续的时间是2天。数据采集过程中采用时间间隔为5分钟的采样频率。这意味着，数据采集设备对每个实验的1440个声谱（对应于5天）采集并记录。海底管道蜡沉积发生了一段时间后，蜡生长也取决于工艺条件和油的含蜡量。5分钟的采样频率对于捕捉管道中蜡生长的相关信息被认为是不够好的。然而，在将来的调查中是否有必要增加或减少采样频率。每个声谱由频率高达150千赫。图 4（顶部）显示了样品预处理之前的原始声谱。对于可变方向的所有样本按366赫兹的矩形窗口计算移动平均值。图 4 （下图）示出了相同的光谱预处理后。从这个图中，清楚的对称性可以被观察到，在44千赫和150千赫之间的频率的对称线在94千赫。用PCA和PLS-R进行校准时，X数据矩阵用到了平均定心和方差缩放。3 结果与讨论基于主成分分析和偏最小二乘回归对可行性研究结果进行了介绍和讨论。可行性研究是同类型中第一个把声化学计量技术用于单相海底管线在线蜡沉积估计的，研究运用的第一数据分析技术是PCA其次是PLS-R。3.1 第一次声化学计量技术测试PCA应用于分析从加速计获得的数据，以调查该技术在估计蜡沉积的潜在应用。如果这个研究的结果没有显示蜡厚度增长的迹象，那么这项研究将被终止。在这些过程中，首先进行测试中两个实验数据集的介绍和讨论，以表明有作进一步调查的可能性。图5示出为两个独立的数据集用主成分分析法绘制的score 1（T1）线。这两个实验数据之间的差异在它们的流体性质和工艺条件。油品入口温度和油流量（图5右）分别设定为24，5立方米/小时，而图5左分别设定为19.4，5立方米/小时 。从主成分（PC）score 1（T1）看出，增加持续时间导致score值的增加（图5）。 图5 主成分分析的分值向量1来自两个独立的数据集。这两个图显示了在各自实验中蜡沉积在管道的生长。该曲线的性质表明，该蜡沉积厚度随时间增加。在这两个图中的蜡生长之间的差异可以与温度差和油的密度相关联。分值矢量大小的增加与管道中的蜡沉积相关联。图5中两个图的形状可以被认为是类似的。得分矢量图的形状的差异与设定点的温度和实验中所使用油品的密度的差异相关。研究表明，油温对石油管道上的蜡沉积会产生重大影响 5,23 。因此，通过声传感器的测量值以显示沉积的蜡的生长差异，对这项技术的发展很有意义。即使所有数据集的采样频率相同，在分值图中更多的样品用于校准。样品的数量的差异与该加热器打开的和 关闭的频率有关。重要声明第一次提出结果是基于校准声学传感器测量值，与蜡沉积的工艺条件和工艺流体等信息无关。3.2 温度控制影响如前面描述（第2部分） ，在其他部分中使用的加热器，利用热脉冲12研究蜡沉积厚度。设置此加热器开关频率，之后加热器将自动操作。第一次实验调查后， 再次运用PCA技术对数据进行分析，以确定该热脉冲测量原理是否对声谱有任何显著影响。从PCA得到分值图对整个数据组提出了分析和讨论（图6） 。实验结果的得出需要5天以上。在5天的实验期之后，处理的数据被提取和分析。从处理的数据中，可以得出结论，该加热器在5天中有约25时间在工作。和右侧分值图相比，左侧分值图有相当数量的（图6）的样品。这正好说明在这个特定的实验中加热器大部分时间是关闭的。铭记，获取每个声谱的时间间隔为5分钟，当加热器是关闭”时，全部数据的75被记录和提取，这部分数据与工艺条件的数据是一致的。在回归模型中，对一个单一的实验有两个不同的群组都会对模型的预测能力产生负面影响，因此一般不推荐使用。因此，无论是打开 或关闭 测量，可考虑进行模型校准。由于当加热器是关闭 测量比打开 有较高的样本数量，当加热器接通关闭 被推荐使用，测量值随后被提取并用于校准和预测从这时开始在管道中的蜡沉积。在实际的海底石油生产应用中，没有加热器，因而从声传感器获得的所有信号将在同一接近的主成分空间进行分组。因此就没有必要在模型的校准和验证之前，提取主成分分析的部分数据。 图6 主成分分析分分布1和分布2来说明在加热器被打开或关闭。从这个图中，可以看出两个明显的群体，且更多数据被被采集时，加热器是关闭的。3.3 在线蜡厚度测量 Hoffman和Amundsen在他们的早期研究中用这套实验装置进行了实验来验证蜡沉积的可再生性 15 。从他们的调查中得出结论是，在单相流系统中蜡沉积是可重现的。在这样的背景下进行了基于声波的化学计量技术调查海底管道蜡沉积厚度的实验。通过两个独立的实验数据集的介绍和讨论，以决定声学测量是否再加上偏最小二乘回归，以适应作为一个有用的替代。为了预测蜡沉积厚度，模型进行校准，并进一步用独立的数据集验证。在类似的工艺和操作条件，每个实验的校准和验证数据集是在5天之内进行的。油流量被设定为10立方米/小时，同时使用的冷却剂被设定为5立方米/小时。在标定实验数据中，从重量测量计算出的蜡厚度为3.26毫米，而验证实验是2.98毫米。图7 （左）显示的是模型的残余验证方差图。从残余验证方差图中， 2个 PLS主成分分析被认为是最适合的校准模型。用2个 PLS组件，管道中的蜡沉积厚度的相关的信息82 可以被模型提取。在实验期间，时间序列图显示管道蜡厚度的增长趋势，这被用作辅助评估模型预测性能。预测测试集验证蜡沉积厚度由模型（图7 ，右）在传达未来的预测模型的预测功率/性能的一个真实的画面。在这个模型中，预测（ RMSEP ）的均方根误差，斜率和R2分别为0.28毫米， 0.91和0.83 。 0.97的相关系数表示预测蜡沉积厚度和参考测量之间有很强的线性关系。也可以考虑预测曲线的性质与参考压力降的测量是类似的。这个阶段的研究中，该模型预测的蜡沉积厚度的精度是令人满意的和有意义的，铭记该模型用完全独立的数据集进行验证。尽管在这个阶段的研究工作取得这些可喜的成果，但是需要考虑影响蜡增长的几个因素和其他预处理技术。装载重量曲线在频率上给出的信息非常重要。装载重量曲线（图8）表明，高达70千赫的频率对于校准和预测都很重要。这并不令人惊讶，因为加速计的谐振频率为60千赫。校准模型用略高于加速计（高达70千赫）的频率没有改变预测模型的属性。因此，通过声传感器获取的所有频率被用于模型校准，并建议在未来中应用。图7 左：解释方差检验图。 2 个PLS主成分可以被认为是最佳的模型校准。右：在5天的实验期间蜡沉积厚度的在线预测预测和参考时间序列图。该机型 配备了独立的数据集（测试集验证）进行了验证。图8荷载重量图，显示第一和第二PLS主成分。此图表明，所有的频率被认为对 模型校准很重要，即使频率低于被认为是更重要的70千赫（左半部分）。3.4 不同的油流量一些研究人员针对不同的流速对蜡沉积的影响进行了研究，而在声化学计量学会一些研究人员已经研究了改变流量对声信号的影响。一般的结论是，已经吸入的声化学计量技术的应用与流速的关系是，增加流量导致相应声信号峰值振幅的增加。这样很多人想到的是问题， “声音信号的峰值振幅的增加是否对应于蜡沉积厚度的增加或减少？”10，然后霍夫曼和阿蒙森 15 研究了单相流的蜡沉积，他们的结论是相同的工艺条件下，增大流速导致管道中的蜡沉积厚度的减少。流速和蜡沉积厚度之间的关系是在两个调查中以非线性函数的形式被发现。大多数文献中关于流速对声音信号的影响提出的模型是基于发现的上升流速和声音信号的幅度的线性关系。这因而就有必要调查在单相海上石油管道估蜡沉积厚度与流动速率对声频信号的影响的相关性。在这些调查中，设定三个进油口的流量（11.8立方米/小时，12.8立方米/小时和13.8立方米/小时）进行了实验，而处理条件保持恒定在实验期间内。进油温度设定在27 ，而入口水（冷却液）流量为12.5立方米/小时。流量11.8立方米/小时和12.8立方米/小时的实验持续4.8天而最后的实验是在10.9天进行。通过体积流量为11.8立方米/小时，12.8立方米/小时和13.8立方米/小时的压降测量的实验产生的蜡厚度轮廓近似为h （蜡） t 0.56 ，h（蜡） t 0.69和h （蜡） t 1.03 。其中h是蜡沉积厚度，t是时间（分钟）。根据11.8立方米/小时，12.8立方米/小时和13.8立方米/小时流量计算出的蜡沉积厚度分别为0.55毫米，0.52毫米和0.89毫米。在同一流量下测量的数据用这几种模型进行校准和验证不正确的数据。这些模型的结果是不能接受的。再次，模型用两套数据集校准和验证。从这些多元数据分析的结果还是不能接受。尽管该方法在校准数据集时表现突出，但验证模型的结果是不能接受的。一般的观点是，在不同流速下，声谱在主成分的方向不同，而那些相同的流速下的声谱在同一方向上（图9）布置。从图9中，不同的流量下数值从左向右没有增加。这个数值图可以用来说明用一个或两个数据集校准一个模型并验证剩余的数据的难度。这种情况的发生被Arvoh等人发现并报道。 24 其中伽马测量结合多元数据分析应用到估算体积分数和确定多相流的流型。在公布的信息里，因为有大量的可用实验数据，他们能够开发一种技术能够准确预测某个成分的体积分数。这一发现并没有在以往的声化学计量技术研究中应用。为了进一步研究这些结果，实验设计了在不同的流速下能够准确地预测管道蜡沉积厚度的发展模型。 图9 在m3/ h为单位的不同的油流量的实验中，第一和第二主成分的分值图。分值图显示了在各自的流速下有三个清晰的群体。4结论石油生产管道蜡沉积对石油生产公司可以有毁灭性的经济影响。一些研究人员已经研究蜡沉积的原理，但今天仍没有的现成的工具进行石油生产管道蜡沉积厚度的在线预测。基于清管球收发装置的调查实验，声化学计量技术被应用于单相油流管道蜡沉积厚度的在线估计。第一次测试中进行了声化学计量技术的应用潜力的探讨。所得到的实验数据利用主成分分析法进行分析。数值图1显示了导致管道的蜡的厚度增长的因素。这些初步结果显示，存在声化学计量技术的应用潜力。偏最小二乘回归技术应用于校准一个数据组模型和验证一个独立的测试数据。PLS -R建模的结果表明，预测蜡生长的精度是满意的。还研究了基于声化学计量技术，不同的流量对蜡沉积厚度的影响。初步调查显示，在相同的流速下样品位于相同的主成分空间，样品具有不同的流速也位于不同的组分空间。具有不同流速的实验需要重复测试和其它预处理，来开发能够在不同的流速预测石蜡沉积厚度的模型。5今后的工作 可行性研究表明，声化学计量技术在单相产油管道蜡沉积厚度的在线估计的潜在应用是光明的。这个可行性研究的结果将形成这一技术的未来发展的基础。进一步调查的领域包括： （1）设计一个良好的实验步骤来调查不同油流量对蜡沉积厚度的影响。 （2）研究各种工艺参数(温度，管道直径和含蜡原油）的影响。 （3）开发一个蜡沉积厚度在单相和两相流管线在线预测模型。 （4）缩放窗口。 （5）开发蜡沉积厚度测试在线估计的通用模型并验证其可行性。参考文献：1 Aleklett K, Hk M, Jakobsson K, Lardelli M, Snowden S, Sderbergh B .The peak of the oil age analyzing the world oil production reference scenario in world energy outlook 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