An investigation of data-based fault detection methods in petroleum refineries

Abstract

The petroleum refineries are complex systems vital for energy and production sectors. During production, these complex systems might experience various faults, including fluid leaks in unit operations. The detection of leaks is important for a reliable, safe, and efficient operation. Among the possible leak detection mechanisms, data-based leak detection methods are promising in terms of low investment cost, less human intervention, ability to detect small leaks in advance and direct integration capability to distributed control systems. The aim of this study is to investigate data-based leak detection methods in a heat exchanger in a petroleum refinery. To that end, possible leaking problems in petroleum refineries are assessed, multiple leak cases from a real heat exchanger in a petroleum refinery are determined, literature studies are searched for appropriate data-based leak detection methods, applicability of a set of data-based leak detection methods is studied with a literature benchmark data set, and the real cases of heat exchanger leaks are studied with the determined leak detection methods. Data sets for multiple leak cases of a heat exchanger are obtained from a TUPRAS refinery. The benchmark data set is obtained from Tennessee Eastman Process (TEP). Discrete Wavelet Transform (DWT), Auto Encoder (AE), and Exponentially Weighted Moving Average (EWMA) are selected as the data-based leak detection methods. The selected data-based methods are first studied with TEP data set, and good fault detection capability is observed. Then, the real leak cases are studied. All three data-based methods are found successful in detecting the actual leak cases. For some of the cases, leaks are detected with data-based methods in advance of the operation engineers noticing the leak.

Petrol rafinerileri, enerji ve üretim sektörleri için hayati önem taşıyan karmaşık sistemlerdir. Bu karmaşık sistemler üretim sırasında, temel operasyonlardaki sıvı sızıntıları dahil olmak üzere, çeşitli arızalarla karşılaşabilir. Sızıntıların tespiti güvenilir, emniyetli ve verimli bir çalışma için önemlidir. Olası kaçak tespit mekanizmalarından veri tabanlı kaçak tespit yöntemleri, düşük yatırım maliyeti, daha az insan müdahalesi, küçük kaçakları önceden tespit edebilme ve dağıtık kontrol sistemlerine doğrudan entegrasyon kabiliyeti açısından umut vericidir. Bu çalışmanın amacı, bir petrol rafinerisindeki bir ısı eşanjöründe veriye dayalı kaçak tespit yöntemlerini araştırmaktır. Bu amaçla, petrol rafinerilerinde olası sızıntı problemleri değerlendirilmiş, bir petrol rafinerisindeki gerçek bir ısı eşanjöründen çoklu sızıntı durumları belirlenmiş, veriye dayalı uygun sızıntı tespit yöntemleri için literatür araştırması yapılmış, bir dizi veriye dayalı sızıntı tespit yönteminin uygulanabilirliği literatür referans veri seti ile çalışılmış ve belirlenen kaçak tespit yöntemleri ile gerçek ısı eşanjörü kaçak durumları incelenmiştir. Isı eşanjörünün çoklu kaçak durumları için veri setleri bir TÜPRAŞ rafinerisinden alınmıştır. Literatür referans veri seti Tennessee Eastman Process'ten (TEP) elde edilmiştir. Kesikli Dalgacık Dönüşümü (DWT), Otomatik Kodlayıcı (AE) ve Üstel Ağırlıklı Hareketli Ortalama (EWMA) yöntemleri, veri tabanlı kaçak tespit yöntemleri olarak seçilmiştir. Seçilen veriye dayalı yöntemler önce TEP veri seti ile çalışılmış ve iyi bir kaçak tespit kabiliyeti gözlemlenmiştir. Ardından gerçek sızıntı vakaları incelenmiştir. Her üç veriye dayalı yöntem de gerçek sızıntı vakalarını tespit etmede başarılı bulunmuştur. Bazı durumlarda sızıntılar, operasyon mühendisleri sızıntıyı fark etmeden önce veriye dayalı yöntemlerle tespit edilmiştir.