CN104564635B - 一种泵压保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵压保护装置及方法，方法包括以下步骤：S1：操作员设定泵压限制值和缸套型号，确定对应的限定扭矩值，确定理论曲线；S2：PLC对扭矩进行限定与自适应校正，确定实时曲线；S3：对排出的压力值进行实时判断：包括故障停机子步骤：S31：判断压力值是否达到故障值；S32：判断压力值是否达到停机值。本发明解决了机械安全阀的可靠性低、准确性差、速度慢、恢复时间长、维护成本高的技术问题，而且通过有效的泵压保护大大降低了事故发生率及高压力对设备的损坏，大大降低经济成本，提高压裂效率，缩短压裂周期，而且能满足经济高效开发油气藏的需要。

Description

一种泵压保护装置及方法

技术领域

本发明涉及一种泵压保护装置及方法。

背景技术

作为油气钻采的重要设备，泵的安全运行问题一直受到高度重视。其泵压过高可能会对人员安全、高压管汇、泵本体、井下安全都带来了极大的危害，轻则造成设备损坏，泵停转，增加油气田开发成本，重则带来人身安全事故或井下事故。所以泵压保护是生产过程中非常重要的一个问题。

现有的泵压保护措施：采用在泵出口辅助管路安装机械式安全阀，通过小活塞上升,顶起切削板使销钉折断放空从而达到保护目的。这种保护方式可靠性低、准确性差、速度慢、恢复时间长、维护成本高，这样给保护及维护带来了很大不变。

因此研制一种新型的安全阀将变得愈加重要和迫切。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大大降低经济成本、提高压裂效率、缩短压裂周期、而且能满足经济高效开发油气藏的需要的泵压保护装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种泵压保护装置，它包括HMI、PLC、变频器、泵和报警装置，所述的PLC初始数据设置输入端接收来自HMI的初始数据，PLC的控制信号输出端与变频器连接，变频器的扭矩控制输出端与泵连接，变频器的实际电机扭矩输出端与PLC连接，泵的实际泵压输出端与PLC连接，PLC的实时数据输出端与HMI连接，PLC的报警输出端与报警装置连接。

所述的初始数据设置输入端输入的数据包括泵压限制值和缸套型号。

所述的缸套型号包括传动比m、泵排量V_排、泵冲V_泵、泵缸套尺寸V_缸套、排量效率η。

所述的HMI和PLC之间通过工业以太网连接。

所述的变频器为中压变频器。

一种泵压保护方法，它包括以下步骤：

S1：操作员设定泵压限制值P_限和缸套型号，确定对应的扭矩值T_限，确定理论曲线；

当限定泵压值确定之后，根据上面的公式可以计算出一个理论扭矩限定值：

T_限＝k×η×(V_缸套)²×P_限；

根据上述公式可知，K为常数，扭矩值T∝*压力P，根据实验测试的数据可知，排量效率η可确定在95％，所以扭矩值T∝压力P，通过压力P设定，可以得到一条理论扭矩曲线。并把这条理论扭矩曲线预设进变频器中，作为扭矩计算的理论依据。

S2：PLC对扭矩进行限定与校正，确定实时曲线；

S3：对排出的压力值进行实时判断：包括故障停机子步骤：

S31：判断压力值是否达到故障值：

(1)若未达到故障值，则返回步骤S3继续进行压力值实时判断；

(2)若达到故障值，则降低泵冲，进入步骤S32；

S32：判断压力值是否达到停机值：

(1)若未达到停机值，则返回步骤S3继续进行压力之实时判断；

(2)若达到停机值，则紧急停机。

所述的缸套型号包括传动比m、泵排量V_排、泵冲V_泵、泵缸套尺寸V_缸套、排量效率η。

所述的步骤S2包括以下子步骤：

S21：采集泵的实时的泵压值P₂和实时的扭矩值T2_实，通过实时的泵压值P₂和上一段的扭矩曲线斜率k推导出当前泵压对应的推导扭矩值T2；

S22：将实时扭矩值T2_实与推导扭矩值T2进行比较，判断实时扭矩值T2_实的大小是否在推导扭矩值T2的一定范围内：

(1)若实时扭矩值T2_实在推导扭矩值T2的一定范围内，则以实时采集的扭矩值T2_实和上一段的扭矩曲线斜率k进行下一段的扭矩预设；

(2)若实时扭矩值T2_实在推导扭矩值T2的一定范围外，则以理论计算的推导扭矩值T2和重新计算的扭矩曲线斜率k_新进行下一段的扭矩预设；

S23：判断实时泵压值P₂是否大于泵压限制值P_限：

(1)若实时泵压值P₂大于泵压限制值P_限，则将T_限送入变频器，并结束；

(2)若实时泵压值P₂小于泵压限制值P_限，则返回步骤S21，进行下一点的实时采集。

所述的步骤S3还包括一个报警子步骤：

S33：判断压力值是否达到报警值：

(1)若未达到报警值，则返回步骤S3继续进行压力值实时判断；

(2)若达到报警值，则进行报警操作。

步骤S2中所述的推导扭矩值T2的一定范围为T2×90％～T2×110％。

所述的限定扭矩值T_限和推导扭矩值T2由下列4个公式得到：

V_电＝V_泵*m；

功率＝η×V_排×P_泵；

可推导出T2＝k×η×(V_缸套)²×P_泵，T_限＝k×η×(V_缸套)²×P_限；

式中，m为传动比，V_排为泵排量，V_泵为泵冲，V_缸套泵缸套尺寸，V_电为电机转速，η为排量效率，P_泵为泵压，

所述的排量效率η为95％。

本发明的有益效果是：(1)本发明通过设定工况计算出所需要在变频器上限制的电机扭矩值，PLC、变频器与泵组成一个反馈系统调节限制电机扭矩给定，当泵压产生的力和电机扭矩产生的力达到平衡时，电机再也不能提供高于工作泵压的扭矩，准确地控制泵压不超限，从而对整个排压的工作过程进行实时的安全保护；(2)本发明融合于泵控系统中，结合变频技术，PLC控制技术，网络技术等，实现全数字式泵压保护；这种保护方式可靠性高、限制范围宽、速度快、维护成本低、能做到预防性前端控制，在泵压即将超限或已经超限进行预警，并且能够限制泵压在安全保护范围内，让操作人员能够做到很好的应对措施；(3)本发明达到了自动控制曲线斜率的效果，并对理论扭矩值设定进行实时的校正，精确限制泵压，这样就能够控制实际的泵压值不超限，达到了在不同的工况下，对泵压进行精确自适应控制的效果；(4)本发明不但解决了机械安全阀的可靠性低、准确性差、速度慢、恢复时间长、维护成本高的技术问题，而且通过有效的泵压保护大大降低了事故发生率及高压力对设备的损坏，大大降低经济成本，提高压裂效率，缩短压裂周期，而且能满足经济高效开发油气藏的需要。

附图说明

图1为本发明装置结构方框图；

图2为本发明方法流程图；

图3为步骤S2子步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：如图1所示，如图1所示，一种泵压保护装置，它包括HMI、PLC、变频器、泵和报警装置，所述的PLC初始数据设置输入端接收来自HMI的初始数据，PLC的控制信号输出端与变频器连接，变频器的扭矩控制输出端与泵连接，变频器的实际电机扭矩输出端与PLC连接，泵的实际泵压输出端与PLC连接，PLC的实时数据输出端与HMI连接，PLC的报警输出端与报警装置连接。

所述的初始数据设置输入端输入的数据包括泵压限制值和缸套型号。

所述的缸套型号包括传动比m、泵排量V_排、泵冲V_泵、泵缸套尺寸V_缸套、排量效率η。

所述的HMI和PLC之间通过工业以太网连接。

所述的变频器为中压变频器。

PLC接收来自通过HMI设置的泵压限制值和缸套型号。

PLC采集某一时刻的实时泵压值和实时扭矩值，通过实时泵压值推导出当前泵压对应的推导扭矩值。将实时扭矩值与推导扭矩值进行比较，判断实时扭矩值的大小是否在推导扭矩值的一定范围内：

(1)若实时扭矩值在推导扭矩值的一定范围内，则以实时采集的扭矩值进行下一段的扭矩预设；

(2)若实时扭矩值在推导扭矩值的一定范围外，则以理论计算的推导扭矩值进行下一段的扭矩预设。

本实用新型还具有压力值实时判断功能：

判断压力值是否达到故障值：

(1)若未达到故障值，继续进行压力值实时判断；

(2)若达到故障值，则降低泵冲，判断压力值是否达到停机值；

判断压力值是否达到停机值：

(1)若未达到停机值，则继续进行压力值实时判断；

(2)若达到停机值，则紧急停机。

判断压力值是否达到报警值：

(1)若未达到报警值，则进行压力值实时判断；

(2)若达到报警值，则进行报警操作。

所述的PLC可采用专利号为CN 202600428 U中的PLC可编程程序控制器。

如图1所示，一种泵压保护方法，它包括以下步骤：

S1：操作员设定泵压限制值P_限和缸套型号，确定对应的扭矩值T_限，确定理论曲线；

当限定泵压值确定之后，根据上面的公式可以计算出一个理论扭矩限定值：

T_限＝k×η×(V_缸套)²×P_限；

根据上述公式可知，K为常数，扭矩值T∝*压力P，根据实验测试的数据可知，排量效率η可确定在95％，所以扭矩值T∝压力P，通过压力P设定，可以得到一条理论扭矩曲线。并把这条理论扭矩曲线预设进变频器中，作为扭矩计算的理论依据。

S2：PLC对扭矩进行限定与校正，确定实时曲线；

S3：对排出的压力值进行实时判断：包括故障停机子步骤：

S31：判断压力值是否达到故障值：

(1)若未达到故障值，则返回步骤S3继续进行压力值实时判断；

(2)若达到故障值，则降低泵冲，进入步骤S32；

S32：判断压力值是否达到停机值：

(1)若未达到停机值，则返回步骤S3继续进行压力之实时判断；

(2)若达到停机值，则紧急停机。

所述的缸套型号包括传动比m、泵排量V_排、泵冲V_泵、泵缸套尺寸V_缸套、排量效率η。

所述的步骤S2包括以下子步骤：

S21：采集泵的实时的泵压值P₂和实时的扭矩值T2_实，通过实时的泵压值P₂和上一段的扭矩曲线斜率k推导出当前泵压对应的推导扭矩值T2；

S22：将实时扭矩值T2_实与推导扭矩值T2进行比较，判断实时扭矩值T2_实的大小是否在推导扭矩值T2的一定范围内：

(1)若实时扭矩值T2_实在推导扭矩值T2的一定范围内，则以实时采集的扭矩值T2_实和上一段的扭矩曲线斜率k进行下一段的扭矩预设；

(2)若实时扭矩值T2_实在推导扭矩值T2的一定范围外，则以理论计算的推导扭矩值T2和重新计算的扭矩曲线斜率k_新进行下一段的扭矩预设；

S23：判断实时泵压值P₂是否大于泵压限制值P_限：

(1)若实时泵压值P₂大于泵压限制值P_限，则将T_限送入变频器，并结束；

(2)若实时泵压值P₂小于泵压限制值P_限，则返回步骤S21，进行下一点的实时采集。

所述的步骤S3还包括一个报警子步骤：

S33：判断压力值是否达到报警值：

(1)若未达到报警值，则返回步骤S3继续进行压力值实时判断；

(2)若达到报警值，则进行报警操作。

步骤S2中所述的推导扭矩值T2的一定范围为T2×90％～T2×110％。

所述的限定扭矩值T_限和推导扭矩值T2由下列4个公式得到：

V_电＝V_泵*m；

功率＝η×V_排×P_泵；

可推导出T2＝k×η×(V_缸套)²×P_泵，T_限＝k×η×(V_缸套)²×P_限；

式中，m为传动比，V_排为泵排量，V_泵为泵冲，V_缸套泵缸套尺寸，V_电为电机转速，η为排量效率，P_泵为泵压，

所述的排量效率η为95％。

Claims (5)

1.一种泵压保护方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1：操作员设定泵压限制值P_限和缸套型号，确定对应的限定扭矩值T_限，确定理论曲线；

S2：PLC对扭矩进行限定与校正，确定实时曲线；

S3：对排出的压力值进行实时判断：包括故障停机子步骤：

S31：判断压力值是否达到故障值：

(1)若未达到故障值，则返回步骤S3继续进行压力值实时判断；

(2)若达到故障值，则降低泵冲，进入步骤S32；

S32：判断压力值是否达到停机值：

(1)若未达到停机值，则返回步骤S3继续进行压力之实时判断；

(2)若达到停机值，则紧急停机；

所述的缸套型号包括传动比m、泵排量V_排、泵冲V_泵、泵缸套尺寸V_缸套、排量效率η；

所述的步骤S2包括以下子步骤：

S21：采集泵的实时的泵压值P₂和实时的扭矩值T2_实，通过实时的泵压值P₂和上一段的扭矩曲线斜率k推导出当前泵压对应的推导扭矩值T2；

S22：将实时扭矩值T2_实与推导扭矩值T2进行比较，判断实时扭矩值T2_实的大小是否在推导扭矩值T2的一定范围内：

(1)若实时扭矩值T2_实在推导扭矩值T2的一定范围内，则以实时采集的扭矩值T2_实和上一段的扭矩曲线斜率k进行下一段的扭矩预设；

(2)若实时扭矩值T2_实在推导扭矩值T2的一定范围外，则以理论计算的推导扭矩值T2和重新计算的扭矩曲线斜率k_新进行下一段的扭矩预设；

S23：判断实时泵压值P₂是否大于泵压限制值P_限：

(1)若实时泵压值P₂大于泵压限制值P_限，则将T_限送入变频器，并结束；

(2)若实时泵压值P₂小于泵压限制值P_限，则返回步骤S21，进行下一点的实时采集。

2.根据权利要求1所述的一种泵压保护方法，其特征在于：所述的步骤S3还包括一个报警子步骤：

S33：判断压力值是否达到报警值：

(1)若未达到报警值，则返回步骤S3继续进行压力值实时判断；

(2)若达到报警值，则进行报警操作。

3.根据权利要求1所述的一种泵压保护方法，其特征在于：步骤S2中所述的推导扭矩值T2的一定范围为T2×90％～T2×110％。

4.根据权利要求1所述的一种泵压保护方法，其特征在于：所述的推导扭矩值T2和限定扭矩值T_限由下列4个公式得到：

V_电＝V_泵*m；

功率＝η×V_排×P_泵；

可推导出T2＝k×η×(V_缸套)²×P_泵，T_限＝k×η×(V_缸套)²×P_限；

式中，m为传动比，V_排为泵排量，V_泵为泵冲，V_缸套泵缸套尺寸，V_电为电机转速，η为排量效率，P_泵为泵压，

5.根据权利要求1所述的一种泵压保护方法，其特征在于：所述的排量效率η为95％。