CN101796382A - 用于检测与活塞机相关的流体泄漏的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测与至少一个活塞机(1)相关的流体泄漏的方法，该方法包括：将压力传感器(18，24)附连到所述至少一个活塞机(1)的至少一个加压侧上；测量所述至少一个活塞机(1)的所述加压侧上的压力；将发射器(28)附连到所述至少一个活塞机(1)，所述发射器(28)提供用于计算所述至少一个活塞机(1)的转速的信号；计算所述至少一个活塞机(1)的转速；计算来自所有的活塞机(1)的公称流量的总和；计算流量补偿系数；计算标准化压力(42)，该标准化压力等于排放压力乘以所述流量补偿系数；以及监控所述标准化压力(42)以检测泄漏。

Description

用于检测与活塞机相关的流体泄漏的方法

技术领域

本发明涉及与活塞机(piston machine)相关的流体泄漏的检测，更具体地涉及用于检测与至少一个活塞机(1)相关的流体泄漏的方法，该方法包括如下步骤：

-将压力传感器附连到所述至少一个活塞机的至少一个加压侧；

-测量所述至少一个活塞机的所述加压侧上的压力；

-将传感器附连到所述至少一个活塞机，所述传感器提供用于计算所述至少一个活塞机的转速的信号；

-计算所述至少一个活塞机的转速；

-计算来自所有的活塞机的公称流量的总和；

-计算流量补偿系数；

-计算标准化压力，该标准化压力等于排放压力乘以所述流量补偿系数；以及

-监控该标准化压力以检测泄漏。

背景技术

与活塞机相关的泄漏的检测和定位对于最小化与阀和活塞故障相关的成本和停机时间而言至关重要。在一个或多个阀或活塞中发生泄漏将导致容积效率的下降。如果泵是以恒定的速度运转，则这种容积效率的下降还会导致实际流量和平均排放压力下降。然而，压降还可能是由于总流量减小、外部泄漏或者流阻下降而引起。这种阻力受流体的温度、粘度及密度的影响。

根据现有技术的用于检测与活塞机相关的泄漏的方法常常受到与引发泄漏的因素不同的因素的影响，并且由于例如下游机械设备中的压力和阻力的变化而容易发出虚假警报。

发明内容

本发明的目的是补救或改善上述现有技术中存在的至少一项缺点。

根据本发明，这一目的是借助下述的说明书和随附的权利要求中所揭示的特征来实现的。

根据本发明的用于检测与至少一个活塞机相关的流体泄漏的方法包括如下步骤：

-将压力传感器附连到所述至少一个活塞机的至少一个加压侧；

-测量所述至少一个活塞机的所述加压侧上的压力；

-将传感器附连到所述至少一个活塞机，所述传感器提供用于计算所述至少一个活塞机的转速的信号；

-计算所述至少一个活塞机的转速；

-计算来自所有的活塞机的公称流量的总和；

-计算流量补偿系数；

-计算标准化压力，该标准化压力等于排放压力乘以所述流量补偿系数；以及

-监控该标准化压力以检测泄漏。

尽管未经处理的排放压力的变化也可以作为泄漏指示，但是计算和监控标准化压力是更为有利的。优选地，标准化压力基于流量、流体温度及密度的变化而被补偿。特别地，由于流动回路中的大部分压力损失几乎与流量的平方成比例地增大，因此，泵流量对该压力影响很大。

标准化压力可被表示为补偿系数与测得的压力的乘积

p_n＝C_qC_TC_dP            (E1a)

或者，如果省略基于流体温度和密度的变化的补偿，则

p_n＝C_qP                (E1b)

可选择的一个流量补偿函数为

$C_q={\left(\frac{q_0}{q}\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(E2\right)$

q为从所有运转的泵的转速计算出的公称流量的总和，q₀为选取的基准流量，β为一指数。公称流量的显式表达式为

$q=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{n_i{V}_i{\mathrm{\Ω}}_i}{2\mathrm{\π}}---\left(E3\right)$

这里，n_i表示第i泵的活塞的数目，V_i为每个活塞的冲程容积，Ω_i为泵的转速。基准流量的选取值是任意的，例如为其中一个泵的最大流量。

因此，流量补偿系数等于计算出的上述至少一个活塞机的公称流量的总和除以选取的基准流量的商的压力指数次幂，该压力指数在1.2～2.5之间。

该压力指数β可被设定为一常数，更优选地，设定为1.5～2之间的值，或者可通过测量两个不同的流量q₁和q₂下的平均排放压力p₁和p₂并应用下面的公式来经验性地确定

$\mathrm{\β}=\frac{\log (p_2/p_1)}{\log (q_2/q_1)}---\left(E4\right)$

假设压降与温度之间成线性关系对温度补偿而言是适合的选择的话，则当测量流体的温度时，温度补偿系数等于1减去实际流体温度与基准温度之差与温度敏感参数的乘积所得的差值的倒数。温度敏感参数为两个压力的差值除以两个温度的差值与其中一个压力的乘积所得的商，这两个压力及相关的两个温度是以经验方式确定的。因此，温度补偿被表示为

$C_T=\frac{1}{1-\mathrm{\γ}(T-T_0)}---\left(E5\right)$

其中T₀为选取的基准温度，例如20℃。γ为能够经验确定的温度敏感参数。如果泄漏不会增大，并且压力是在两个不同的流体温度T₁和T₂下测得的且所有的其他参数是恒定的，则温度敏感参数可从下面的公式得到

$\mathrm{\γ}=\frac{p_1-p_2}{(T_2-T_1)p_1}---\left(E6\right)$

在温度未被连续地测量的情况下，可省略温度补偿，即，C_T可设为1。

只要流过主流动回路限流器的是紊流，则压降与流体密度近似成比例。当测量流体的密度时，密度补偿系数的测定值等于基准密度与流体实际密度的商。因此，密度补偿系数为

$C_d=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\ρ}}---\left(E7\right)$

其中ρ为实际密度，ρ₀为选取的基准密度，例如，水的密度。在密度变化很小或者未被连续地测量的情况下可省略密度补偿，即，C_d可设为1。

使用这种标准化压力的主要优点在于，与压力本身相比，标准化压力几乎与上述变量的变化无关。

然而，对压力同样有影响的其它变化因素更加难以模拟。其中一个例子是由扭矩引起的井下泥浆马达(down hole mud motor)上的压降。另一个例子是通过压力脉冲通信的泥浆脉冲遥测系统。为了避免这些变动触发虚假警报，必须将标准化压力进行平稳化处理或低通滤波处理。这种低通滤波的截止频率必须足够低，以有效地抑制无补偿的变化，但不能低到将来自实际泄漏的变化被严重后延的程度。

当经低通滤波后的标准化压力降低到警报限值以下时，可触发警报。

另一个问题是瞬变时间(transient time)较长，这意味着流动状态的变化形成稳态压力之前需要经历一段时间。例如，当总流量因泵速的调节而变化时，新的平衡压力并不立即建立，而是通常在流量发生变化数十秒之后建立。这是由于流体的可压缩性和流动回路中的流体容积较大的缘故。流体的温度或密度的变化将经历更长的瞬变时间，该时间通常等于循环环程时间(round trip time)，该环程时间等于总的循环体积除以流量。

避免或最小化瞬态效应的一种方法是：在流动状态变化后的一段时间内，保持标准化低通滤波压力恒定，并禁用警报装置。

让操作者保持持续地关注标准化压力是不切实际的。因此，必须让计算机监控标准化压力并在标准化压力下降至低于某一警报限值时发出警报。由于平均标准化压力及其自然波动均从一种状态变化到另一种状态，所以警报限值不应是绝对固定的。

在优选实施例中，警报限值由下列步骤自动地设定：

-忽略在公称流量发生较大变化期间或在其后的隔离阶段内的标准化压力的相应的瞬态变化，在所述隔离阶段内使所述压力的低通滤波后的值保持恒定。依据不同的条件，必要的隔离时间通常可为几秒至几分钟不等。

-监控继隔离时间结束之后的基值估测阶段内的低通滤波后的标准化压力。在通常持续几分钟的基值估测阶段中，确定标准化压力的基值。

-在基值估测阶段结束时，基于在基值估测阶段内测得的标准化压力来确定警报限值；该警报限值是以标准化压力的平均值和变化为基础的。限值可以是相对值，例如：如果标准化压力降低到其基值的95％以下时即触发(设定，set)警报；这些限值也可以是绝对值，例如：如果第一谐波压力(harmonicpressure)幅值从基值偏离1bar，则触发警报；这些限值还可以是关于标准化压力的平均值和检测的极限值的更为复杂的函数。

-在所述基值估测阶段之后，当活塞机在稳定状态下运转时，使警报限值保持恒定，亦即如果标准化压力下降到警报限值以下，则触发泄漏警报。

泄漏警报是泄漏很有可能正在扩大的一种指示。

确定该限值的方式可包括将该限值作为在所述基值估测阶段内测得的低通滤波后的标准化压力的至少平均值、标准偏差或极值的函数。

根据本发明，标准化压力被用于给出在总体的系统中的泄漏正扩大的早期警报。该方法不能够定位泄漏，即，不能指示泄漏正在扩大的位置。

附图说明

下文中描述了利用附图中所示的方法的非限制性实例，其中：

图1示意性地示出了带有上游管连接装置和下游管连接装置的泵；以及

图2示出了表示标准化压力与时间的关系的理想化曲线图。

具体实施方式

在附图中，附图标记1表示所谓的三缸泵(下文称之为泵)，其设有三个独立作用的活塞2，这些活塞延伸穿过其各自的汽缸4。图中仅示出了第一活塞2和对应的汽缸4。汽缸4通过其各自的入口阀10与入口歧管6及上游管8连通，并通过其各自的出口阀16与出口歧管12及下游管14连通。

入口压力传感器18连接到入口歧管6，并通过电缆22与计算机20通信，而出口压力传感器24连接到出口歧管12，并通过电缆26与计算机20通信。转角发射器28被设置为用来测量泵1的曲轴30的转角，并且转角发射器28通过电缆32与计算机20通信。

温度传感器34和密度计36连接到下游管14，并分别通过电缆38和40与计算机20通信。

传感器18、24、发射器28、传感器34、密度计36以及计算机20均为本身公知的类型，并且计算机20被编程以用来执行上述多种计算。

倘若在活塞2的未图示的密封中发生泄漏，则在抽吸阶段中经由出口阀16的排放量的减小量将会等于经过活塞2的泄漏流量。

随着流量的减小，由出口压力传感器28测量到的压力p将减小。根据本说明书的一般部分的描述所计算出的标准化压力42也将减小(参见图2)。根据本说明书的原理的描述，当标准化压力42达到第一限值44时，该第一限值被自动地设定，计算机20发出警报。

标准化压力42可经过低通滤波处理以及/或流体温度和/或流体密度的补偿。

由计算机20发出的警报可触发进一步的勘测，以便定位泄漏的位置。

Claims (10)

1.一种用于检测与至少一个活塞机(1)相关的流体泄漏的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

-将压力传感器(18，24)附连到所述至少一个活塞机(1)的至少一个加压侧；

-测量所述至少一个活塞机(1)的所述加压侧上的压力；

-将发射器(28)附连到所述至少一个活塞机(1)，所述发射器(28)提供用于计算所述至少一个活塞机(1)的转速的信号；

-计算所述至少一个活塞机(1)的转速；

-计算来自所有的活塞机(1)的公称流量的总和；

-计算流量补偿系数；

-计算标准化压力(42)，该标准化压力(42)等于排放压力乘以所述流量补偿系数；以及

-监控所述标准化压力(42)以检测泄漏。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

-计算流量补偿系数，该流量补偿系数等于计算出的所述至少一个活塞机的公称流量的总和除以选取的基准流量的商的压力指数次幂，该压力指数在1.2～2.5之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流量补偿系数中的所述压力指数在1.5与2之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

-低通滤波所述标准化压力(42)；以及

-监控所述标准化低通滤波压力(42)以检测泄漏。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

-通过测量两个不同流量下的平均排放压力，经验性地确定所述流量补偿系数中的压力指数，其中所述压力指数为两个压力的商的对数除以两个流量的商的对数所得的商。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

-测量所述流体的温度；

-确定温度补偿系数，该温度补偿系数等于1减去实际流体温度与基准温度之差与温度敏感参数的乘积所得的差值的倒数，其中，所述温度敏感参数为两个压力的差值除以两个温度的差值与其中一个所述压力的乘积所得的商，所述两个压力及相应的所述两个温度是经验确定的；

-将所述标准化压力乘以所述温度补偿系数；

-监控经温度补偿的所述标准化压力(42)以检测泄漏。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

-测量所述流体的密度；

-确定密度补偿系数，所述密度补偿系数等于所述流体的基准密度与实际密度的商；

-将所述标准化压力乘以所述密度补偿系数；以及

-监控经密度补偿的所述标准化压力(42)以检测泄漏。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

-当所述低通滤波标准化压力(42)下降到警报限值(44)以下时，触发警报。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述警报限值(44)由下面的步骤自动地设定：

-忽略在所述公称流量发生较大变化的期间或在其后的隔离阶段内所述标准化压力的相应的瞬态变化，在所述隔离阶段内使所述压力的低通滤波后的值保持恒定。

-监控继所述隔离时间结束之后的基值估测阶段内的所述低通滤波后的标准化压力(42)，并确定所述标准化压力(42)的基值；

-在所述基值估测阶段结束时，基于在所述基值估测阶段内测得的所述标准化压力来确定所述警报限值(44)；

-在所述基值估测阶段之后，当所述活塞机在稳定状态下运转时，使警报限值保持恒定。

10.根据权利要求9述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

-通过将所述限值(44)作为在所述基值估测阶段内测得的低通滤波后的所述标准化压力的至少平均值、标准偏差或极值的函数，来确定所述限值(44)。

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