石油是我国重要的能源,在国民经济中占有重要的地位。原油储罐油水界面的准确位置在石油储运和加工过程中起着关键的作用。研究油水界面测量过程的优化方法、建立油水界面监测系统意义重大,在石油化工过程系统工程中有着重要的理论研究和工程应用价值。鉴于原油储罐油水界面测量过程中现有原油乳状液粒径检测算法存在计算精度不高,计算过程复杂;现有油水界面数据计算方法简单,算法效率较低;现有油水界面测量装置设计不合理,应用范围较小;现有油水界面信息管理水平不足,用户体验较差等问题。论文首先对油水界面测量及计算方法进行了归纳分析;其次,提出了基于连通域标记的原油乳状液粒径检测算法,再次,提出了用于油水界面测量的自适应阈值聚类优化算法,最后设计了新型油水界面测量装置及仿真系统,开发了油水界面监测管理系统。论文的主要贡献体现在以下几个方面:(1)鉴于掌握原油乳状液液滴粒径大小及粒径分布是分析原油乳状液稳定性和粘度等性能的前提条件、对原油乳状液破乳和油水界面测量起着重要的作用,在明确原油乳状液类型及鉴别方法和特性的前提下,讨论了现有原油乳状液粒径检测方法,并对现有原油乳状液粒径检测方法进行相关特性解析;通过对比研究,利用图像处理技术,提出了基于连通域标记的原油乳状液粒径检测算法。该算法通过图像滤波和二值化操作,对原油乳状液图像进行预处理后,经过连通域标记和等价标记替换处理,获得原油乳状液粒径显微已标记图像,分析已标记图像中的连通域、计算液滴个数和粒径大小、统计液滴粒径分布。(2)在油水界面测量过程中,鉴于油水界面经验值分类统计算法和经典K-means聚类算法存在异常数据、依赖人工选取典型值和初始聚类中心等问题,提出了自适应阈值聚类算法。首先采用中值预处理算法消除油水界面数据中的伪数据,获得有利于聚类划分的油水界面优化数据;其次采用自适应阈值查找算法,自动找到一组最优初始阈值;最后采用改进的K-means聚类优化算法对油水界面数据进行合理分类,并根据最优化聚类结果计算油水界面及液位高度。该算法能够消除异常数据,自动获取最优初始阈值,并改进油水界面测量经验值分类统计算法和经典K-means聚类算法的思想,实现最优数据分类。(3)为了改进油水界面测量技术向非接触式、多维数据计算发展,弥补自适应阈值聚类算法应用中存在的数据量不足的问题,设计一种新型油水界面测量装置及仿真系统,可获取更全面的二维油水界面数据,满足监测系统测试和上位机软件开发需求。该新型油水界面测量装置利用光的吸收原理,设计光源光照阵列和感光传感阵列,获取分布式油水界面矩阵数据;利用自适应阈值聚类算法计算每一组油水界面数据,并对所有数据求均值获得最终结果。另外,基于新型油水界面测量装置矩阵数据样式和通信原理,设计了油水界面仿真系统。该仿真系统程序设计包含框架设计、发送指令仿真程序设计、返回数据仿真程序设计、接受数据仿真程序设计等。(4)由于我国部分油田联合站原油储罐油水界面监测模式还处于人工管理阶段,部分油田联合站虽然借助高性能测量仪表实现监测自动化,但存在油水界面测量误差大、监测系统兼容性差、用户界面交互复杂等问题,论文提出设计并开发油水界面监测系统。该系统采用底层硬件测量、中间层通信服务和顶层数据展示的三层总体架构设计;分别通过Web Service接口设计、下位机设计、上位机设计和数据访问设计等建立油水界面监测软件设计体系;通过开发下位机GPRS通信模块和上位机信息管理平台完成油水界面监测系统整体建设。在油水界面测量过程不同阶段的实验与应用结果表明,一是基于连通域标记的原油乳状液粒径检测算法可以顺利完成原油乳状液液滴粒径大小计算和液滴粒径分布统计,且在计算准确率和算法复杂度上优于现有算法;二是相对于油水界面测量的经验值分类统计算法和经典K-means聚类算法,油水界面自适应阈值聚类算法具有计算结果准确、迭代次数少和运行时间短等优势;三是基于光吸收原理的新型油水界面测量装置为油水界面测量技术开拓了思路,仿真系统能够达到测试系统、提高油水界面监测系统开发效率的目的,为油水界面监测系统开发提供仿真数据支持。四是开发的油水界面监测系统易于部署、运行稳定、测量准确、可靠性强、界面操作方便,为提高我国油田企业自动化、信息化、智能化管理水平提供了技术保障。