用于確定關注界面的位置的方法和設備、以及發(fā)明的計算程序領域的制作方法
【技術領域】
[0001]本申請通常涉及監(jiān)控液體或更一般而言任何可流動的材料流經或被存儲在管道、器皿、或容器中的工業(yè)過程。特別地，本發(fā)明涉及監(jiān)控這種管道、器皿和容器的表面中的結垢(scaling)和/或損耗。
【背景技術】
[0002]污染物或所謂的結垢是在加工工業(yè)的許多不同應用中可能發(fā)生的眾所周知的問題。結垢，往往也稱為污垢(fouling)，一般指在用于引導或存儲可流動材料的管道、器皿、或其他容器的表面上不想要的材料的沉積或累積。
[0003]由于結垢的結果，在這種表面上形成額外的固體材料層。由此，對可流動材料存在時敞開的管道或其他容器內的自由體積(free volume)改變了。這會導致很多問題。例如，自由體積改變了的形狀引起對流體流動的干擾。至少，加工管道的自由內體積減小的橫截面積增大了通過管道的流阻。在極端情況下，該管可能被完全堵塞，從而使所討論的整個加工停止。一般地，結垢是加工工業(yè)的多個領域中的常見問題，引起顯著增加的操作成本和產量損失。
[0004]由于結垢而形成在加工裝備的表面上的材料必須被不停的去除。這可能是非常繁重的。特別是當額外材料是由徑類鍵合(hydrocarbon bonding)形成時，通過機械過程來去除通常是非常艱巨且極其困難的。作為機械去除的可替代選擇，對于各種結垢材料已經研發(fā)了不同的軟化劑和釋放劑。代替在之后去除所形成的結垢材料，通過防止結垢來主動地采取行動通常是更優(yōu)選的。例如，不同的化學制品可以被用作與可流動的材料混合的阻垢劑以控制無機硬質垢的形成。使用這樣的化學制品降低了水垢形成的速率并且更改了水垢的結構使得它可以更容易被去除。在任何情況下，為了防止突發(fā)問題(例如由于加工管道不可預期的堵塞)，或者為了最優(yōu)化使用阻垢劑，人們應該能夠及時地監(jiān)控結垢情況和它的演變。
[0005]另一方面，在用于引導和/或存儲可流動材料的各種工業(yè)加工裝備中出現的另一個問題是管線和器皿的壁的損耗。損耗可能由于化學腐蝕性材料與加工裝備的表面起反應而發(fā)生，但也可能由例如包含在液體流中的沙子引起的簡單的機械磨損而發(fā)生。類似于結垢，損耗也可以改變加工裝備內的體積和流動條件，并且可能因此不利地影響加工。在極端情況下，貫穿管線或器皿的壁的損耗、以及作為結果可流動的材料突然排放至加工裝備的外部可能導致嚴重的事故和高經濟損失、以及甚至使人員受傷。因此類似于結垢，也應該連續(xù)地監(jiān)控損耗。
[0006]損耗還可能與結垢同時發(fā)生。因此，具有能夠在線監(jiān)控上述兩種現象的有效的解決方案將是非常有用的。
[0007]在先前技術中，例如使用基于攝像頭的技術(其中攝像頭被安裝在待分析的加工裝備中)、利用聲學(通常是超聲)方法、或者通過簡單的機械方法(其中特殊的智能測試對象被安裝在管道壁上)來監(jiān)控或診斷結垢和/或管道壁損耗。例如，EP 2115452公開了通過發(fā)送聲信號至管道、測試從管道內部的材料界面反射的信號、以及將測量結果與來自已知的干凈管道的參考信號進行比較從而來測量螺旋卷式膜(spiral wound membrane)內結垢的設備和方法和具體示例。
[0008]超聲和測試對象技術實際上是點測量，嚴重地限制了技術的適用性。在基于攝像頭的技術中，加工會經常被打斷以執(zhí)行實際的監(jiān)控步驟。
[0009]當前，不存在檢測早期階段中結垢和損耗的可靠在線監(jiān)控技術。特別地，不存在可以被用來監(jiān)督上述兩個有害現象的有效的商業(yè)解決方案。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種改善的方法、以及改善的設備用于確定工業(yè)過程中的結垢和/或損耗。本發(fā)明的目的還在于提供用于執(zhí)行上述方法的新穎的計算機程序產品。
[0011]由權利要求1、8和15來描述本發(fā)明的特征。
[0012]本發(fā)明聚焦于一種用于確定位于目標域中、在可流動材料的自由體積與限制上述自由體積的固體材料之間關注界面的位置的方法。對關注界面進行定位的工業(yè)過程可以是可能存在結垢和/或損耗的任何種類的加工。這些種類的加工存在于例如石油生產和提煉、其他基于石油的工業(yè)、以及能源生產中，但不限于這些示例。
[0013]這里“可流動的材料”指在加工管道中或者在器皿或容器中可以流動的任何材料。這種材料可以是液體形式，但還可以包含或多或少的固體或氣體物質。
[0014]石油工業(yè)中水垢材料的示例是瀝青(bitumen)和瀝青質(asphaltene)以及一般術語“礦物結垢”所覆蓋的各種結垢材料。后者包括例如碳酸鈣和基于硫酸鈣化合物，基于硫酸鈣化合物包括例如石膏。在能源生產中，由于包含在燒水壺表面的水中的污垢物的沉積，可能發(fā)生結垢?？梢孕纬蔁畨爻恋砦锏乃酃肝锇ɡ玮}、鎂、鐵、鋁和二氧化硅。水垢通常形成為這些材料的鹽。
[0015]至于在目標域中形成的結垢，限制自由體積以及因此限定和限制關注界面的固體材料可以是水垢材料。下文討論其他情形。
[0016]本發(fā)明的方法包括以下步驟。
[0017]首先，該方法包括:提供所述目標域的數學模型，針對多對電極組來確定與由一對電極組形成的電容器的電容成比例的特征電量，所述電極組的電極被配置為與所述目標域成電容測量連接且由所述目標域中具有邊界面的固體支撐體來支撐。
[0018]在該方法中上文提到的目標域指考慮的二維或三維區(qū)域。
[0019]一般而言，所述數學模型指二維或三維目標域的物理材料特性與特征電量之間關系的數值表示。由此，數學模型的一般目的是提供特征電量值的估計，根據目標域中的材料特性來確定上述值。
[0020]特征電量可以是與由一對電極組形成的電容器的電容成比例或取決于該電容的任何電量。在電極與目標域之間的電容測量連接指將電極如此連接至目標域使得可以執(zhí)行電容測量、或者至少執(zhí)行與由多對電極組形成的電容器的電容成比例的一些特征電量的測量。為了實現這個，例如，在電極與目標域之間不應該具有形成等勢屏(equipotentialshield)的任何連續(xù)導電體。
[0021]被支撐體支撐指電極可以被裝設在支撐體的任何表面上，或者可以部分地或全部地嵌入其中，使得它們能夠不與支撐體的外部直接接觸。對最合適的配置的選擇取決于例如可以由電絕緣材料或導電材料構成的支撐體的材料。在第一種情況下，電極可以嵌入在支撐體內。在導電支撐體材料的情況下，電極應該位于支撐體的表面上。
[0022]這里，邊界面指用于限定支撐體與其外部之間的界面的支撐體的表面。目標域“中”的位置指邊界面屬于二維或三維目標域。換言之，這個定義包含了邊界面位于二維或三維目標域的內部范圍內的情形、以及邊界面與目標域邊界重合從而限定目標域的邊界的情形。
[0023]這里“電極組”指一個或多個電極。因此，在該方法中觀察的電容器可以形成在僅僅一對兩個電極之間，但是這些單個電極中的一個或兩個還可以由一組至少兩個單獨電極來代替。
[0024]待測量的作為特征電量的電容或一些其他基于電容的電量是基于水垢材料通常是電絕緣材料這個事實的，在可流動的材料本身可能是導電的情形下也是如此。
[0025]影響電容的主要電量自然是目標域中的介電常數。換言之，在一對電極組之間由該對電極組形成的電容器的電容、以及由此與該電容成比例的任何電量取決于目標域內材料(多種)的介電常數。相反地，實際上，所述數學模型還優(yōu)選地確定目標域中的介電常數。這可以被確定為僅僅一個代表值，但是更優(yōu)選地被確定為目標域面積或體積中的介電常數分布O
[0026]該方法還包括針對多對電極組來接收特征電量的測量值。這里“接收”指本發(fā)明的方法本身不一定包括執(zhí)行實際測量，但是這種測量(即，測量到的結果)可以被單獨地執(zhí)行且僅僅作為該方法的步驟來接收。這允許實現以下實施例，例如，在測量地點處執(zhí)行的測量結果被電子地發(fā)送至實施實際分析和確定關注界面的分析地點。另一方面，整體地執(zhí)行測量和分析當然也是可以的，即，使用也包括電極和合適的測量裝備的單個分析系統(tǒng)作為執(zhí)行實際計算的計算機器件。
[0027]可以根據在電子測量領域尤其電容測量領域中公知的原理來執(zhí)行測量。以下在本說明書的【具體實施方式】部分中討論了由數學模型確定的以及利用多對電極組測量到的可能的特征電量的其他細節(jié)和示例。
[0028]在接收到期望數量的測量到的電量值之后，調整數學模型以便減少測量到的特征電量值與由數學模型所確定的那些值之間的差異。這意味著將測量到的電量值與由數學模型確定的相應仿真值進行比較，并且改變數學模型的參數，使得仿真值更接近實際測量到的值，使得主要的電量(例如介電常數)具有所需的特性。
[0029]當測量到的電量值與仿真的電量值之間實現充分一致時，使用表示真實目標域的調整后的模型作為確定關注界面的位置的基礎。
[0030]例如，當所述模型確定目標域中的介電常數分布時，調整后的模型提供目標域中真實介電常數分布的重構，并且可以基于