[发明专利]利用反射式近红外光纤探头构建快速预测原油性质的模型的方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及利用反射式近红外光纤探头构建快速预测原油性质的模型的方法及其应用。

背景技术

原油作为炼化企业的最主要原料，一方面，原油的需求量剧增、进口量扩大、价格居高不下且波动频繁；另一方面，原油产品存在着性质劣质化、种类丰富、同名油前后性质有差异、装置进料要求高、混兑油性质难掌握等诸多特点。这些给炼化企业带来了巨大的压力。及时获得当前原油的性质评价数据——即原油快速评价，将为原油贸易、原油输送、原油调合、原油加工、全厂生产计划、生产调度等生产过程优化提供支撑。原油评价包含指标众多，如密度、残炭、酸值、硫含量、氮含量、蜡含量、沥青质含量和实沸点蒸馏曲线等。采用传统的评价方法，存在分析时间长、处理繁琐、仪器要求高、劳动强度大等现象，已不能满足实际应用的需求。

近红外分析技术是目前最有前景且应用最广泛的快速分析方法之一。近几年来光纤在近红外光谱技术领域的应用使近红外光谱技术从实验室走向现场，光纤化学和热稳定性、对电磁干扰不敏感、传输信号能量集中、灵敏度高、价格低廉等优点，使得近红外光谱仪可以在恶劣、危险的环境中进行远距离快速在线分析。近红外光谱仪的光纤测样附件，按照测样的形式可分为透射器件和漫反射器件；从样品的引入方式来看，有探头型和流通池型。基于光纤结构的近红外探头结构非常灵活，可按硬件要求设计。从现场应用效果看，光纤结构的近红外探头越来越受到急需远程和在线分析的各行业的青睐。

原油组分复杂，属于黏稠深色液体。原油的待测性质多，并且其近红外光谱吸收带较宽且重叠严重。在实际测量中，光谱分析系统探头的结构非常关键。光纤探头的性质和结构不同对测量信噪比有很大的影响。光纤探头的窗片或透镜表面被污染则会影响光通量使灵敏度降低，测试过程中有外来光的干扰则会使检测的信噪比和灵敏度下降。常规透射式光纤探头在测量深色原油时携带样品信息不够，并且在实际应用中流通池易被黏稠原油粘附，进而造成样品谱图失真，模型预测精度低、现场仪器维护工作量大等问题，影响实际投用效果。

因设计原理的不同，反射式光纤探头结合近红外光谱仪，在原油的近红外光谱检测上将一定程度上改善现有的分析不足。根据通过光纤技术远程采集信号，建立原油的近红外反射光谱数据库，利用光谱预处理技术以及近红外建模技术，可以快速获取原油性质，就有可能成为原油等深色重质油品物化性质的在线快速测定的一种良好手段。同时，由于近红外分析仪是二次测量仪表，即近红外分析仪并不是直接测量物质性质，必须先建立待测物质的属性与近红外光谱之间的数学模型然后根据模型来测量物质属性。因此，可以预想到，一种兼顾实用性、实时性、稳定性和良好预测精度的原油快速评价方法的发明，将倍受青睐。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种利用反射式近红外光纤探头构建快速预测原油性质的模型以及利用该模型快速预测原油性质的方法。该方法通过选取合适型号的反射式近红外光纤探头和离线/在线近红外分析仪，采用将光纤探头直接插入原油样品的测量方式，快速获取原油近红外光谱图。通过一阶微分对原油近红外光谱图进行预处理，采用主成分分析方法(PCA)对预处理后的光谱样本进行筛选，利用偏最小二乘法(PLS)建立的原油定量分析模型，基于此模型可实现未知原油性质的快速预测分析。该方法与其他的原油性质测量方法相比，无需复杂的样品预处理，具有操作简单、探头维护量小、近红外光谱信噪比高、定量分析模型精度高等特点，可快速预测原油的性质，在工业在线应用时具有较好的前景。

本发明提供的构建基于近红外反射式光纤探头检测原油性质的模型的方法包括以下步骤：

步骤一：构建原油校正集，测定校正集中原油的性质；

步骤二：利用反射式光纤探头采集原油近红外光谱；

步骤三：利用一阶微分对步骤二获得的原油近红外光谱进行预处理；

步骤四：利用主成分分析方法对预处理后的光谱数据进行训练集样本的选择；

步骤五：根据原油待测性质和原油光谱数据集，选择特定的光谱频段；和

步骤六：利用偏最小二乘法建立原油性质与近红外光谱数据之间的数学关联模型。

在一个或多个实施方案中，步骤一中，用于构建校正集的原油20℃的密度在0.7-1.1g/cm³的范围内，硫含量在0.03％-5.50％的范围内，酸值在0.01-12.00mgKOH/g的范围内。

在一个或多个实施方案中，所述原油性质包括密度、残炭、酸值、硫含量、氮含量、蜡含量、胶质含量、沥青质含量和实沸点数据中的一个或多个。