CN111502974A - 一种柱塞泵状态监测与故障诊断系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柱塞泵状态监测与故障诊断系统，包括监测故障诊断设备，所述监测故障诊断设备对柱塞泵的液力端总成实施监测与故障诊断，所述监测故障诊断设备还对动力端总成和/或减速箱总成实施监测与故障诊断。有益效果：该套诊断系统不仅对液力端总成监测诊断，还对动力端总成和/或减速箱总成实施监测与故障诊断，即对柱塞泵整体都能够及时准确预判设备故障，更符合当下压裂现场的高压力、大排量、连续性作业要求，按需维修，而不是定时检验维修，省人工，省时间，省材料，经济合理；及早发现问题，预防突发事故的发生，降低损伤破坏程度的同时降低维护费用；提升了柱塞泵的利用率；延长了柱塞泵的使用寿命。

Description

一种柱塞泵状态监测与故障诊断系统
技术领域
本发明涉及柱塞泵技术领域，具体涉及一种柱塞泵状态监测与故障诊断系统。
背景技术
油田压裂用柱塞泵是油气田开采中高压泵送压裂介质的设备，常用的油田压裂柱塞泵为柱塞式容积往复泵，主要由动力端总成、液力端总成和减速箱总成组成，动力端总成由动力端壳体、曲轴、连杆、十字头机构、十字头箱体和保持架等组成；液力端总成包括阀箱、柱塞、吸入阀、排出阀等。通过柴油发动机、电动机、涡轮发动机等动力源提供动力驱动减速箱总成及动力端总成，动力端总成带动柱塞在液力端总成的阀箱密封腔内做直线往复运动，在液力端总成阀箱内吸入阀和排出阀交替作用下实现压裂介质的高压泵送。通过柱塞泵将压裂介质高压泵送至地层，将地层压开，形成裂缝，从而达到油气田增产增注的目的。故在整个油气田开采中，压裂作业设备的柱塞泵是最常出现故障的部件。
目前压裂用柱塞泵在油气田井场往往使用计划维修、突发事故维修的维修保养方式，计划维修也称为定期预防性维修，现场人员根据生产计划和经验，规定在设备运行一定时间后，进行拆机检查、维修、更换零部件，这种维修制度下，无论设备有无故障都要进行拆检，浪费人工、物料，具有盲目性，既不经济又不合理；突发事故维修，即出现故障后进行维修，这个维修对设备损伤破坏程度大、且维修费用高。而且在实际施工过程中，由于地下油气层复杂性及高压泵送的压力脉动等因素影响，各个现场具体使用的柱塞泵，其各部件从使用到报废过程中寿命差异较大，且很难预测。目前常用维修方式均无法准确把握柱塞泵的运行状态，更无法预判其故障的发生率，不仅降低了柱塞泵的利用率、缩短了柱塞泵的使用寿命，也为企业的正常生产埋下了安全隐患。在柱塞泵运行过程中，动力端总成、减速箱总成为柱塞高压泵送介质提供动力，而液力端总成与高压介质直接接触，故液力端总成是柱塞泵中最容易出现故障的部分，这也就是为什么现有监测与故障诊断，都只针对液力端的原因。
随着油气田超高压、超深井、水平井的不断开发，其作业工况也越来越恶劣，要求高压力、大排量作业，特别是在非常规油气作业——页岩气作业，其作业压力有时高达120MPa，工况恶劣，而且要求连续性、大排量、高压力作业。相对之前油气田常规压裂间歇性作业，柱塞泵可以利用作业间隙进行检修，而页岩气压裂作业连续性、大排量、高压力作业工况，使得检修时间必须大幅浓缩，且柱塞泵的零部件容易磨损，在如页岩气开采的目前恶劣工况下，不仅使柱塞泵液力端故障频率增大，而且动力端故障及减速箱故障也频发，使得压裂设备骤停时常出现。压裂用柱塞泵价格昂贵，液力端总成、动力端总成及减速箱总成一旦损坏，不仅维修费用高，而且严重影响现场施工。以目前现有的仅是针对液力端进行监测的柱塞泵状态监测已无法满足当下连续性、大排量、高压力作业工况的要求，且现有的液力端监测技术，预测针对性不强，需要专业人员进行监测和分析，无法及时发现柱塞泵故障，应用受限，无法从根本上解决柱塞泵维修问题。
为此亟待一种能满足当下连续性、大排量、高压力作业工况的需求，针对柱塞泵全面监测和诊断的系统。
发明内容
本发明的目的克服现有技术的不足，该套诊断系统不仅对液力端总成监测诊断，还对动力端总成和/或减速箱总成实施监测与故障诊断，即对柱塞泵全面、整体都能够及时准确预判设备故障，使其各部件运行在最佳状态，更符合当下压裂现场的高压力、大排量、连续性作业要求，根据所监测柱塞泵的情况适时进行按需维修，而不是定时检验维修，省人工，省时间，省材料，经济合理；及早发现问题，哪儿出故障，换哪儿，预防突发事故的发生，降低损伤破坏程度的同时降低维护费用；提升了柱塞泵的利用率；延长了柱塞泵的使用寿命。
本发明的目的是通过以下技术措施达到的：一种柱塞泵状态监测与故障诊断系统，包括监测故障诊断设备，所述监测故障诊断设备对柱塞泵的液力端总成实施监测与故障诊断，所述监测故障诊断设备还对动力端总成和/或减速箱总成实施监测与故障诊断。
进一步地，所述监测故障诊断设备包括传感器，数据采集模块和数据分析诊断模块，所述传感器用于监测，所述数据采集模块与传感器连接，所述数据采集模块用于将传感器监测到的信号传递给数据分析诊断模块，传感器为多个，所述传感器包括温度传感器，振动传感器，压力传感器和位置传感器。
进一步地，所述监测故障诊断设备对动力端总成的曲轴轴承实施监测与故障诊断。
进一步地，用于对所述曲轴轴承实施监测的所述传感器设在曲轴轴承的外表面，对曲轴轴承实施监测的传感器为温度传感器和振动传感器。
进一步地，所述监测故障诊断设备对动力端总成的十字头机构实施监测与故障诊断。
进一步地，用于对所述十字头机构实施监测的传感器设在十字头箱体的外表面，对十字头机构实施监测的传感器为温度传感器和振动传感器。
进一步地，所述监测故障诊断设备对动力端总成的曲轴实施监测与故障诊断。
进一步地，用于对所述曲轴实施监测的传感器设在曲轴非输入端的侧面上，对曲轴实施监测的传感器为位置传感器。
进一步地，对所述液力端总成的监测与故障诊断包括：对阀箱，进液管汇和排出管汇的监测与故障诊断。
进一步地，对所述阀箱的监测与故障诊断还包括：对上凡尔和下凡尔的监测与故障诊断。
进一步地，用于对所述上凡尔和所述下凡尔实施监测的传感器设在阀箱的外表面上，在阀箱外表面实施监测的传感器为振动传感器。
进一步地，设在所述阀箱外表面上的所述振动传感器根据具体的柱塞泵缸数设相应的振动传感器个数。
进一步地，用于对所述进液管汇实施监测的传感器设在进液管汇上，对进液管汇实时监测的传感器为压力传感器。
进一步地，用于对所述排出管汇实施监测的传感器设在排出管汇上，对排出管汇实时监测的传感器为压力传感器。
进一步地，用于对所述减速箱总成实施监测的传感器设在减速箱总成的外表面上，对减速箱总成实施监测的传感器为温度传感器和振动传感器。
进一步地，所述数据分析诊断模块包括数据储存模块、数据分析处理模块和数据故障显示模块；数据储存模块具备监测所述系统参数的设置、存储策略设定、测试数据实时存储；数据分析处理模块对实时测试数据进行分析处理，并根据分析输出柱塞泵各部件状态信息；数据故障显示模块用于柱塞泵监测实时数据信息查看，柱塞泵各部件状态信息显示，柱塞泵故障报警信息显示提醒。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该套诊断系统不仅对液力端总成监测诊断，还对动力端总成和/或减速箱总成实施监测与故障诊断，即对柱塞泵整体都能够及时准确预判设备故障，使其各部件运行在最佳状态，更符合当下压裂现场的高压力、大排量、连续性作业要求，根据所监测柱塞泵的情况适时进行按需维修，而不是定时检验维修，省人工，省时间，省材料，经济合理；及早发现问题，哪儿出故障，换哪儿，预防突发事故的发生，降低损伤破坏程度的同时降低维护费用；提升了柱塞泵的利用率；延长了柱塞泵的使用寿命。该套诊断系统预测针对性强，尤其是对液力端的监测诊断，无需专业人员进行监测和分析，对柱塞泵整体，通过监测---采集---数据比对---分析---通过数据故障显示模块，实时查看各部件的数据，一有故障，立即报警。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是柱塞泵状态监测与故障诊断系统的结构示意图。
图2是柱塞泵在俯视方向的外部结构示意图。
图3是柱塞泵的内部结构示意图。
图4是柱塞泵状态监测与故障诊断系统的方法流程图。
其中，1.动力端总成，2.液力端总成，3.减速箱总成，4.排出管汇，5.动力端壳体，6.曲轴轴承，7.曲轴，8.连杆，9.十字头箱体，10.十字头机构，11.柱塞，12.阀箱，13.进液管汇，14.下凡尔，15.上凡尔。
具体实施方式
如图1至4所示，一种柱塞泵状态监测与故障诊断系统，包括监测故障诊断设备，所述监测故障诊断设备对柱塞泵的液力端总成2实施监测与故障诊断，所述监测故障诊断设备还对动力端总成1和/或减速箱总成3实施监测与故障诊断。柱塞泵由动力端总成1、液力端总成2和减速箱总成3组成，动力端总成1由动力端壳体5，十字头箱体9和保持架组成，在动力端壳体5内设有曲轴机构，曲轴机构包括曲轴7和曲轴轴承6，在十字头箱体9内设有连杆8，十字头机构10等，液力端总成2包括阀箱12，柱塞11，吸入阀，排出阀，上凡尔15，下凡尔14等，曲轴7在曲轴轴承6上转动，连杆8的一端与曲轴7连接，连杆8的一端与十字头机构10连接，十字头机构10的另一端通过拉杆与柱塞11连接，外接动力源通过减速箱总成3带动曲轴7作旋转运动，曲轴7的旋转运动最终转化为柱塞11的直线往复运动，从而实现吸入阀，排出阀的启闭，即液力端总成2吸入低压液体，排出高压液体。
所述监测故障诊断设备包括传感器，数据采集模块和数据分析诊断模块，所述传感器用于监测，所述数据采集模块与传感器连接，所述数据采集模块用于将传感器监测到的信号传递给数据分析诊断模块，传感器为多个，所述传感器包括温度传感器，振动传感器，压力传感器和位置传感器。所述数据采集模块分别与温度传感器，振动传感器，压力传感器和位置传感器连接，所述数据采集模块用于采集振动传感器、温度传感器、压力传感器、位置传感器输出的信号，并将信号传递给数据分析诊断模块。
所述监测故障诊断设备对动力端总成1的曲轴轴承6实施监测与故障诊断。
用于对曲轴轴承6实施监测的传感器设在曲轴轴承6的外表面。对曲轴轴承6实施监测的传感器为温度传感器和振动传感器。用于监测曲轴轴承6的实时振动及温度，并输出表示曲轴轴承6的振动信号及温度信号。
所述监测故障诊断设备对动力端总成1的十字头机构10实施监测与故障诊断。
用于对十字头机构10实施监测的传感器设在十字头箱体9的外表面。对十字头机构10实施监测的传感器为温度传感器和振动传感器。用于监测十字头机构10的实时振动及温度，并输出表示十字头机构10的振动信号及温度信号。
所述监测故障诊断设备对动力端总成1的曲轴7实施监测与故障诊断。
用于对曲轴7实施监测的传感器设在曲轴7非输入端的侧面上。对曲轴7实施监测的传感器为位置传感器。柱塞泵是需要外接动力源的，而动力源无论是电动机还是涡轮发动机，转速都是需要经过减速箱总成3减速之后才驱动曲轴7旋转，故关于输入端是指与减速箱总成3连接的一端，即针对于动力输入而言的。非输入端是指在曲轴7上与输入端相对的另一端。曲轴7包括曲拐和曲颈，如三缸柱塞泵就有3个曲拐，4个曲颈，五缸柱塞泵就有5个曲拐，6个曲颈，曲拐与曲颈间隔设置。曲轴7上的位置传感器用于监测曲轴7各个曲拐的实时角度，并输出表示曲轴7曲拐的位置信号。
对所述液力端总成2的监测与故障诊断包括：对阀箱12，进液管汇13和排出管汇4的监测与故障诊断。
对所述阀箱12的监测与故障诊断还包括：对上凡尔15和下凡尔14的监测与故障诊断。对液力端总成的监测全面，阀箱整体，而且对每缸中的上上凡尔15和下凡尔14都有监测诊断，最快速度找出详细的故障点。相对于现有技术无需一缸一缸的排查。
用于对上凡尔15和下凡尔14实施监测的传感器设在阀箱12的外表面上。对阀箱12、上凡尔15和下凡尔14实施监测的传感器为振动传感器。用于监测上凡尔15、下凡尔14及阀箱12振动，并输出表示液力端上凡尔15、下凡尔14及阀箱12的振动信号。
设在所述阀箱12外表面上的所述振动传感器根据具体的柱塞泵缸数设相应的振动传感器个数。如2个所述振动传感器为一组，每组振动传感器的位置分别对应柱塞泵每缸中的上凡尔15和下凡尔14位置，即五缸柱塞泵即设5组，三缸柱塞泵即设3组，这样的设计对每缸中的故障预测针对性强。当然也可在阀箱12上另设振动传感器，以单独检测阀箱12。
用于对进液管汇13实施监测的传感器设在进液管汇13上。对进液管汇13实时监测的传感器为压力传感器。用于对排出管汇4实施监测的传感器设在排出管汇4上。对排出管汇4实时监测的传感器为压力传感器。
柱塞泵分三缸柱塞泵，五缸柱塞泵等，有几缸即有几个进液和几个出液，每缸的吸入阀处分别连一个进液管汇13，每缸的排出阀处分别连一个排出管汇4。三缸柱塞泵有3个进液管汇13，3个排出管汇4。每个进液管汇13上安装一个压力传感器，用于监测每缸进液管汇13压力，并输出表示进液管汇13压力信号；每个排出管汇4上也安装一个压力传感器，用于监测每缸排出管汇4压力，并输出表示排出管汇4压力信号。
用于对减速箱总成3实施监测的传感器设在减速箱总成3的外表面上，对减速箱总成3实施监测的传感器为温度传感器和振动传感器。用于监测减速箱总成3的实时振动及温度，并输出表示减速箱总成3的振动信号及温度信号。
所述数据分析诊断模块包括数据储存模块、数据分析处理模块和数据故障显示模块；数据储存模块具备监测所述系统参数的设置、存储策略设定、测试数据实时存储；数据分析处理模块对实时测试数据进行分析处理，并根据分析输出柱塞泵各部件状态信息；数据故障显示模块用于柱塞泵监测实时数据信息查看，柱塞泵各部件状态信息显示，柱塞泵故障报警信息显示提醒。
数据分析处理模块通过对曲轴轴承6振动传感信号有效值、温度值及柱塞泵运行参数分析，判断曲轴轴承6运行状态，若没有超过监测标准数值时，则判断为无故障，若超过监测标准值时，通过数据分析判断具体对应故障类型，并输出报警信息在数据及故障显示模块进行提示报警。
数据分析处理模块通过对十字头机构10振动传感信号有效值、温度值及柱塞泵运行参数分析，判断柱塞泵十字头机构10运行状态，若没有超过监测标准数值时，则判断为无故障，若超过监测标准值时，通过数据分析判断具体对应故障类型，并输出报警信息在数据及故障显示模块进行提示报警。
数据分析处理模块通过分析曲轴7位置传感器测点得到曲拐的实时角度，判断柱塞泵上凡尔15、下凡尔14运行状态，结合液力端各缸振动传感信号有效值、吸入管汇、排出管汇4压力数据及柱塞泵运行参数分析，判断柱塞泵液力端各缸上凡尔15、下凡尔14及阀箱12的运动状态，若没有超过监测标准数值时，则判断为无故障，若超过监测标准值时，通过数据分析判断具体对应故障类型，并输出报警信息在数据及故障显示模块进行提示报警。
对柱塞泵整体，通过监测---采集---数据比对---分析---通过数据故障显示模块，实时查看各部件的数据，一有故障，立即报警，无需专业人员进行监测和分析，及时发现柱塞泵故障，从根本上解决柱塞泵维修问题。
该柱塞泵状态监测与故障诊断系统的诊断方法：
1)数据采集模块实时接收安装在柱塞泵各零部件处传感器信号；
2)数采模块将收集的传感器信号传递到数据分析诊断模块；
3)数据存储模块存储测试数据，数据分析处理模块分析各传感器数据确定柱塞泵各部位运行状态；
4)判断柱塞泵各零部件参数是否超标，若是，转入步骤5；若否，转入步骤1继续实时监测；
5)故障信号特征提取；
6)数据分析处理模块判断故障部位、零部件损坏程度，在数据故障显示模块显现报警信息；
7)操作人员根据报警信息选择是否继续作业，若是，转入步骤1；若否，停机检修。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (16)

1.一种柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：包括监测故障诊断设备，所述监测故障诊断设备对柱塞泵的液力端总成实施监测与故障诊断，所述监测故障诊断设备还对动力端总成和/或减速箱总成实施监测与故障诊断。
2.根据权利要求1所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述监测故障诊断设备包括传感器，数据采集模块和数据分析诊断模块，所述传感器用于监测，所述数据采集模块与传感器连接，所述数据采集模块用于将传感器监测到的信号传递给数据分析诊断模块，传感器为多个，所述传感器包括温度传感器，振动传感器，压力传感器和位置传感器。
3.根据权利要求2所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述监测故障诊断设备对动力端总成的曲轴轴承实施监测与故障诊断。
4.根据权利要求3所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：用于对所述曲轴轴承实施监测的所述传感器设在曲轴轴承的外表面，对曲轴轴承实施监测的传感器为温度传感器和振动传感器。
5.根据权利要求2所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述监测故障诊断设备对动力端总成的十字头机构实施监测与故障诊断。
6.根据权利要求5所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：用于对所述十字头机构实施监测的传感器设在十字头箱体的外表面，对十字头机构实施监测的传感器为温度传感器和振动传感器。
7.根据权利要求2所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述监测故障诊断设备对动力端总成的曲轴实施监测与故障诊断。
8.根据权利要求7所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：用于对所述曲轴实施监测的传感器设在曲轴非输入端的侧面上，对曲轴实施监测的传感器为位置传感器。
9.根据权利要求2所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：对所述液力端总成的监测与故障诊断包括：对阀箱，进液管汇和排出管汇的监测与故障诊断。
10.根据权利要求9所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：对所述阀箱的监测与故障诊断还包括：对上凡尔和下凡尔的监测与故障诊断。
11.根据权利要求10所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：用于对所述上凡尔和所述下凡尔实施监测的传感器设在阀箱的外表面上，在阀箱外表面实施监测的传感器为振动传感器。
12.根据权利要求11所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：设在阀箱外表面上的所述振动传感器根据具体的柱塞泵缸数设相应的振动传感器个数。
13.根据权利要求9所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：用于对所述进液管汇实施监测的传感器设在进液管汇上，对进液管汇实时监测的传感器为压力传感器。
14.根据权利要求9所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：用于对所述排出管汇实施监测的传感器设在排出管汇上，对排出管汇实时监测的传感器为压力传感器。
15.根据权利要求2所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：用于对所述减速箱总成实施监测的传感器设在减速箱总成的外表面上，对减速箱总成实施监测的传感器为温度传感器和振动传感器。
16.根据权利要求2所述的柱塞泵状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述数据分析诊断模块包括数据储存模块、数据分析处理模块和数据故障显示模块；数据储存模块具备监测所述系统参数的设置、存储策略设定、测试数据实时存储；数据分析处理模块对实时测试数据进行分析处理，并根据分析输出柱塞泵各部件状态信息；数据故障显示模块用于柱塞泵监测实时数据信息查看，柱塞泵各部件状态信息显示，柱塞泵故障报警信息显示提醒。
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