CN111989459B - 用于优化引擎效率的负载管理算法 - Google Patents

Abstract

用于操作被配置为向一个或多个电机提供功率的一系列发电机的系统和方法。发电机通常根据操作容量以不同的效率水平操作。计算部件可以分析发电机的当前效率，并确定在现有发电机之间是否存在替代功率分配，这将导致系统更高效地操作。

Description

用于优化引擎效率的负载管理算法

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求于2018年2月23日提交的美国申请序列号15/903,417的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开内容涉及一种包括发电机组的系统以及一种用于优化引擎效率的负载管理算法。

背景技术

石油和天然气钻井操作需要大量动力，并需要对该动力进行控制。典型的钻机使用发电机，该发电机消耗燃料来产生机械和电力，然后将其用于操作钻机。钻井本身会消耗钻机所需的大部分功率，但是还有很多其他因素要考虑进去。以有效的方式管理产生和消耗的功率一直是钻井操作的持续挑战。

发明内容

本文描述了本公开的各种特征。实施例针对一种包括发电机组的系统，该发电机组包括被配置为在发电机之间进行负载分担的多个单独的发电机。各个发电机具有运行容量(capacity)和操作效率。操作效率是操作容量的函数，效率-容量比是操作容量与操作效率的比。该系统还包括一个或多个电机，该电机被配置为通过向发电机组施加负载来消耗由发电机产生的电力，以及计算部件，该计算部件被配置为存储与发电机的效率-容量比有关的数据。计算部件被配置为计算发电机组的整体效率，确定其中一个或多个发电机的操作容量被改变的替代功率配置的可用性，以及计算与替代功率配置相关联的整体效率的预期变化。如果总体效率的预期变化足够大，则将计算部件配置为启动替代功率配置。

进一步的实施例涉及一种用于操作钻机的功率单元的方法，包括计算用于向钻机提供电力的发电机组的效率，该发电机组包括一个或多个单独的发电机，以及如果发电机组的效率小于预定的期望效率阈值，从而识别发电机组的替代功率分配。该方法还包括计算发电机组的替代功率分配的效率，并且如果发电机组的替代功率分配的效率大于预定的期望效率阈值，则开始改变发电机组的替代功率分配。

本公开的另外的实施例还涉及一种用于操作发电机的方法，包括测量多个发电机处的功率输出、燃料消耗和操作容量。发电机被配置为一起操作以为电机提供功率。该方法还包括至少部分地基于每个发电机的功率输出、燃料消耗和操作容量来计算每个发电机的操作效率，以及将该操作效率与计算部件进行通信。该方法还包括响应于该指令而从计算部件接收指令以改变负载、使一个或多个发电机打开或使它们断电。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的钻井系统的发动机自动化架构的示意图；

图2是描绘根据本公开的系统和方法的发电机使用的图表；

图3是描绘根据本公开的系统和方法的发电机使用的另一图表；

图4是根据本公开的实施例的用于有效地操作发电机系统的方法的流程图；

图5是示出根据本公开的实施例的用于有效地操作发电机系统的方法的另一流程图；

图6是用于各个实施例中的计算机的说明性计算机架构。

具体实施方式

以下是根据本公开的各种实施例的详细描述。图1是根据本公开的实施例的钻井系统10的发动机自动化架构的示意图。系统10可以是钻机或以本文所述的部件为特征的另一种类似的操作，并且不限于石油和天然气应用。系统10包括显示为G1、G2、G3和G4的发电机，尽管在给定系统中可以有任何数量的发电机12。发电机12消耗燃料并产生电能，并且可以被统称为发电机组12。发电机连接到AC总线14，AC总线14有助于聚集由发电机产生的功率并将功率传送到其他地方。系统10可以包括整流器16，其被配置为将电力从AC转换为DC。整流器16还连接到DC总线18，DC总线18在整个系统10上承载DC功率，以在钻机中的各种装置处输送。

系统10还可以包括示出为VFD1、VFD2、VFD3和VFD4的多个变频驱动器(VFD)20。应该理解，在给定系统中可以有任何数量的VFD。VFD 20从DC总线18接收电力，并将电力输送到一系列电机22，如M1、M2、M3和M4所示。再一次，可能存在比图1所示的更多或更少的电机，并且本公开的方面不限于本文所示和所述的部件的数量。电机22消耗从VFD 20接收的电力，该电力首先在发电机处产生。电机22可以是在钻井操作中使用的顶部驱动器或泥浆泵，或者它们可以是钻机的任何其他耗电部件，从HVAC到照明设备再到钻机底板上的电动工具。发电机12几乎可以提供对钻机的任何需求。

系统10还包括计算部件26，其在一些实施例中可操作地联接到发电机组12、VFD20和电机22。在其他实施例中，计算部件26联接到发电机、VFD20或电机22或它们的任意组合。发电机可以包括仪表和传感器，其向计算部件26提供读数，例如功率水平读数、容量读数、温度读数以及在发电机组12处创建的任何其他方便的读数。VFD20和电机22还可以包括仪表、传感器和诊断设备，其被配置为向计算部件26提供与这些设备的操作有关的数据。在一些实施例中，计算部件26被配置为在需要用于计算的信息时查询系统10的各个部件。在一些实施例中，发电机12、VFD 20和电机22被配置为周期性地将读数传输到计算部件26。发电机、VFD 20和电机22中的任何一个或多个可以经由通信线路23联接到计算部件。通信线路23可以是有线或无线的，并且可以是以太网、蓝牙、WIFI或任何其他合适的通信线路。

系统10还包括终端24，其使操作员能够查看关于系统10的信息并进行关于系统10的一个或多个部件的状态的查询。例如，诸如钻井操作员的操作员可以经由终端24上的接口访问终端24并请求电机M1和发电机G1的状态。此信息可以使操作员根据预定的井计划或经过操作员的判断来对系统10进行必要的调整。

许多发电机，例如系统10的发电机，具有描述较高和较低效率的区域的效率曲线。例如，许多此类发电机在容量的80％以上以最高效率运行。不同的发电机将具有不同的效率曲线，该效率曲线可将数据存储在计算部件26的存储器中。在一些实施例中，每个发电机具有不同的效率曲线。在一些实施例中，除了预先存在的效率曲线之外，发电机的传感器和仪表可以用于实时计算效率，在这种情况下，该信息可以用于执行根据本公开的实施例的系统架构。VFD 20还可以具有优选的操作范围，该优选的操作范围可能与更高的效率或另一个合适的参数有关。当系统10操作时，取决于系统10正在执行的任务，电机22以不同的负载运行。在一些实施例中，最高的负载是由泥浆泵或顶部驱动器引起的，但是本公开的系统和方法无论负载如何都能够提高效率。

计算部件26被配置为监视电机22上的负载以及发电机的容量和VFD 20的操作，并基于这些设备的有效操作进行调整。为了说明而非限制的目的，假设在一个实施例中，电机22需要1,000瓦，并且每个发电机能够产生1200瓦。如果两个发电机在运行，并且负载在两个发电机之间分配，则每个发电机将承担一半的负载：500瓦。因此，发电机以大约42％的容量运行(500/1200＝0.416)。计算部件26接收该信息，并且被配置为识别出发电机的效率曲线表明可以通过仅运行一个发电机并关闭另一台发电机来获得更高的效率。计算部件26可以被配置为向操作员警告这种情况，此时操作员可以执行改变。在其他实施例中，计算部件26可以被配置为自动执行该改变。在此示例中，第一发电机将被关闭，第二发电机将保持运行-这次容量为83％(1000/1200＝0.833)。计算部件26可以被配置为在任何系统中进行该计算，而与可用发电机的数量无关，甚至当发电机具有不同的容量时。

驱动参数可以是整个系统的效率，也可以是时间或其他合适的参数。例如，在一些实施例中，启动或停止一个或多个发电机可能更有效，但是一些工作需要在给定时间内完成，即使是以发电机效率为代价。另一个考虑因素是启动和停止发电机的能源和时间成本。可以向计算部件26提供与电机22所需的负载和预期的未来负载有关的信息。例如，如果电机22正在运行预期将持续数小时的石油和天然气钻井操作，则计算部件26可以计算出通过进行改变将实现的效率增益值得考虑系统10将在那些条件下运行的时间长度，而如果工作接近完成，则进行更改可能会获得很少或没有收益。

图2是描绘根据本公开的系统和方法的发电机使用的图表。选择这些图中所示的具体数字是为了便于解释，而不是限制性的。竖直轴表示G1和G2的容量，G1和G2表示系统中的两个发电机。为了便于计算，发电机产生的瓦数与工作容量的百分比相同：满功率为100W，90％为90W，依此类推。在初始状态下，每台发电机以70％容量工作，产生90瓦的功率输出，总效率为70％。根据本公开，计算部件可以考虑每个发电机的效率，并且通过指示这些发电机在更高的操作容量下更有效的数据来通知，可以改变两个发电机的操作。许多发电机在接近容量的90％的更高效率下操作。本公开的系统和方法可以识别将负载从以45％运行的两个发电机转移到以90％运行的单个发电机的时机。许多涉及多个发电机的系统都需要平均分配负载，这意味着施加在两个发电机上的负载不能合理地在两个发电机之间不平均分配。即，G1为30％而G2为50％的配置是不希望的，或者在某些情况下是可能的。本公开的系统和方法可以考虑这种限制或约束。本公开的计算部件可能考虑其他约束或因素，其影响如何在发电机之间分配负载的决策。更改后，G2以90％运行，并且G1关闭，但是产出是120W的相同的总输出功率，但总效率为85％。更改之后，所有90W的功率都来自效率更高的G2(90％)，并且G1被关闭，从而带来了更大的整体效率增益。效率由功率输出加权。这是可以使发电机以更高的整体效率运行进行的计算的一个示例。根据本公开，许多其他内容将变得清楚。

图3是描绘可以通过本公开的系统和方法实现的总效率增加的结果的另一图表。在初始状态下，有三个发电机G1、G2和G3，每个发电机以60％的容量运行，总共产生180W的功率，总效率为65％。计算部件可以认识到，如果发电机以接近容量的90％操作，则发电机效率更高，因此可以向操作员建议进行更改，也可以自己执行更改。更改是使G1和G2以90％的容量运行，并将G3降低为空闲状态或完全关闭G3。结果是产生了相同的180W，但效率却高出90％。

图4是根据本公开的实施例的用于有效地操作发电机系统的方法30的流程图。方法30在32处开始，其可以对应于系统操作的真实开始，或者可以表示任何任意起点。在34处，评估系统的效率并将其与预定阈值效率水平进行比较。如果效率高于阈值，则该方法包括周期性地重复该评估。评估的频率取决于系统的性质以及可以执行评估的难易程度。在一些实施例中，每秒仅由系统中使用的计算部件的自然限制所限制地执行多次评估。系统的效率可以是每个运行中的发电机效率的平均值，也可以是加权平均值，计算为按百分比表示的效率与每个发电机产生的能量的乘积。在其他实施例中，效率不限于发电机的效率，而是整个系统的效率。而且，在一些实施例中，关键参数可以是功率吞吐率或另一个合适的变量。在一些实施例中，可以存在参数的组合。例如，计算了效率，但其他因素(例如功率输出)也起作用。诸如钻机的顶部驱动器之类的电机之一可能需要功率，该钻机的顶部驱动器需要至少一定量的功率，在该功率量以下它不能或不应该运行。因此，尽管可以通过进行一些改变来实现效率的提高，但是如果改变将功率输出减小到该下限以下，则不执行改变。

在36处，查询发电机。下面参考图5描述另一种方法，该方法可以在这里起作用。发电机的效率可以由发电机处的传感器或仪表提供，这些传感器或仪表可以将数字或模拟信号发送到计算部件，该计算部件可以将这些读数解释为效率数字。在38处，以类似方式查询电机。可以计算一个或多个电机所要求的负载，以确定是否需要改变发电机的产出。

除了当前在电机上的负载外，还可以考虑将来的预期负载。有时电机上会出现暂时性负载。在一些实施例中，调节发电机负载可能导致能源成本。启动发电机或关闭发电机，或对总线或整流器或VFD或任何其他部件进行必要的更改都需要一些能量。对于瞬时能量峰值，可以确定不进行改变。但是，对于较长期的更改，与可以实现的效率提高相比，进行更改的成本不那么重要。

在从电机和发电机收集数据之后，在40处检查是否存在可能更有效的发电机负载的另一更有效的分配。计算部件可以基于发电机的数量、发电机的容量以及每个发电机的效率曲线进行这些计算。每个发电机可以具有效率曲线，其将效率描述为容量的函数。如果没有替代的发电机分配选项，则在42处检查是否可以改变电机的工作负载。工作负载可能有一些限制，例如保持无法更改的钻井操作的穿透率。在这种情况下，答案为“否”，并且在47处进行检查以识别作业是否已完成。如果作业继续，则控制返回至34。但是，在某些实施例中，除了当前任务之外或代替当前任务，还有其他任务可以执行。例如，假设有两个发电机，每个发电机以80％的容量运行，但是每个发电机的效率在90％容量左右时都更高。在42处的检查可以是识别可以执行的任何附加任务，这些任务可以增加所需的功率输出，从而使得发电机可以各自接近90％的容量标记运行。附加任务可以是为电池充电、操作某些机械、进行维修或任何其他合适的额外负载之类的任务。本公开的计算部件可以识别这些附加任务，并且在44处开始执行它们，这将提高发电机的操作率，使得它们接近于90％的容量并因此更能量有效地运转。

如果在40处进行检查会导致更有效的不同的发电机分配，则在46处将识别并执行新分配。如上所述的，这可能意味着改变一个或多个发电机的负载，或使一个或多个发电机在线或离线。进行此更改后，该方法可以包括检查操作是否完成。如果是这样，则该方法在48处终止；否则，通过将控制返回到34继续该方法，并重复该方法。

图5是示出根据本公开的实施例的用于有效地操作发电机系统的方法50的另一流程图。在52处，该方法开始。在54处对一个或多个发电机进行检查，以确定发电机是否超过容量。如果不是，控制转到56以检查发电机的操作效率。在56处，控制可以转到到图4的元件36，该过程在上面详细描述。从效率检查返回后，控制可以返回到54以再次检查发电机的容量。这可以针对每个发电机单独执行，也可以针对发电机组执行。

如果任何一个或多个发电机超出容量，则方法通过检查是否有其他发电机可用而在58处继续。如果不存在，则在60处，该方法包括进入电力管理例程，在该例程中，以被设计为避免损害发电机和/或周围设备或人员的最低至最高优先级例程来关闭或改变过程。如果在62处还有其他发电机可用，则该方法包括启动该其他发电机并在发电机之间重新分配负载。在启动下一台发电机之后或可能与之同时，可以在56处进行效率检查(并且参照图4进一步描述)，以考虑新启动的发电机来优化发电机负载。因此，可以通过过载的发电机读数来启动优化检查。

图6是用于各个实施例中的计算机70的说明性计算机架构。本文所述的计算部件可以是计算机，例如计算机70。图6所示的计算机架构可以被配置为台式计算机或移动计算机，并且包括中央处理单元72(“CPU”)、系统存储器4，包括随机存取存储器6(“RAM”)和只读存储器(“ROM”)8，以及将存储器联接到CPU 72的系统总线78。

在ROM 8中存储有基本输入/输出系统，该基本输入/输出系统包含诸如在启动期间帮助在计算机内的元件之间传递信息的基本例程。计算机70还包括用于存储操作系统82的大容量存储设备80、应用程序84和其他程序模块，将在下面更详细地描述。

大容量存储设备80通过连接到总线78的大容量存储控制器(未示出)连接到CPU72。大容量存储设备80及其关联的计算机可读介质为计算机70提供了非易失性存储。尽管本文所包含的计算机可读介质的描述是指大容量存储设备，例如硬盘或CD-ROM驱动器，但是计算机可读介质可以是计算机70可以访问的任何可用介质。存储设备80还可以包含一个或多个数据库86。

通过示例而非限制的方式，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据之类的信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储技术，CD-ROM、数字多功能磁盘(“DVD”)或其他光学存储装置、磁盒、磁带，磁盘存储装置或其他磁性存储设备，或可用于存储所需信息并可由计算机70访问的任何其他介质。

根据各种实施例，计算机70可以使用通过诸如因特网之类的网络71到远程计算机的逻辑连接，在联网环境中操作。计算机70可以通过连接到总线78的网络接口单元74连接到网络71。网络连接可以是无线的和/或有线的。网络接口单元74也可以用于连接到其他类型的网络和远程计算机系统。计算机70还可以包括输入/输出控制器24，用于接收和处理来自许多其他设备的输入，包括键盘、鼠标或电子笔(图1中未示出)。类似地，输入/输出控制器24可以将输出提供给显示屏、打印机或其他类型的输出设备(未示出)。

如上简要所述的，许多程序模块和数据文件可以存储在计算机70的大容量存储设备80和RAM 6中，包括适合于控制联网个人计算机的操作的操作系统82。大容量存储设备80和RAM 6还可以存储一个或多个程序模块。特别地，大容量存储设备80和RAM 6可以存储一个或多个应用程序84。应用程序84可以与计算部件的操作有关，并且可以根据本公开的实施例确定如何选择发电机和如何分配工作负载。

由此，前述公开内容使本领域普通技术人员无需过度实验即可制造和使用所公开的系统。出于解释的目的给出了某些示例，并且不以限制性的方式给出。

Claims (15)

1.一种包括发电机组的系统，包括：

发电机组，包括多个单独的发电机，该多个单独的发电机被配置为在发电机之间进行负载分担，其中，单独的发电机具有操作容量和操作效率，其中操作效率是操作容量的函数，并且效率-容量比是操作容量与操作效率之比；

一个或多个电机，配置为通过向发电机组施加负载来消耗发电机产生的功率；

计算部件，配置为存储与发电机的效率-容量比有关的数据，其中，计算部件被配置为：

确定是否有任何发电机超过其操作容量；

计算发电机组的整体效率；

确定其中改变一个或多个发电机的操作容量的替代功率配置的可用性，其中所述替代功率配置包括在所述发电机之间重新分配负载；

当替代功率配置可用时,计算与替代功率配置相关的整体效率的预期变化；

当替代功率配置可用时，使用整体效率的预期变化来启动替代功率配置；和

进入电力管理例程，其中当确定至少一个发电机超过其操作容量并且替代功率配置不可用时，以从低到高的优先级例程关闭或改变过程，以避免对(i)一个或多个发电机、(ii)周围设备和(iii)周围人员中的至少一个的损害。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述替代功率配置包括一个或多个发电机被打开或关闭。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算部件还被配置为将所述替代功率配置的能量成本考虑在内。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，执行所述替代功率配置的计算部件包括在没有进一步人工输入的情况下启动对一个或多个发电机的改变。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，确定所述替代功率配置的可用性包括确定是否存在未使用的发电机。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算部件还被配置为计算替代功率配置将在其期间操作的时间段。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算部件被配置为从一个或多个发电机接收指示所述发电机超过容量的信号，并且其中，所述计算部件被配置为确定所述替代功率配置的可用性，其中超过容量的发电机将减少负载。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算部件被配置为以与所述发电机的效率成乘数关系的方式来考虑所述发电机的吞吐量。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，计算与替代功率配置相关的整体效率的预期变化包括利用所述发电机的效率-容量比。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，确定替代功率配置的可用性包括识别所述负载是否能够改变。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，确定替代功率配置的可用性包括识别多个替代功率配置，并且选择最佳功率配置作为替代功率配置。

12.一种用于操作发电机的方法，所述方法包括：

测量多个发电机处的功率输出、燃料消耗和操作容量，其中，所述发电机被配置为一起操作以为电机提供功率；

确定是否有任何发电机超过其操作容量；

至少部分地基于每个发电机的功率输出、燃料消耗和操作容量来计算每个发电机的操作效率；

通过计算部件传送操作效率；

接收来自计算部件的指令，以响应于该指令而在一个或多个发电机上重新分配负载；

进入电力管理例程，其中当确定至少一个发电机超过其操作容量并且没有在一个或多个发电机上重新分配负载时，以从低到高的优先级例程关闭或改变过程，以避免对(i)一个或多个发电机、(ii)周围设备和(iii)周围人员中的至少一个的损害。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括计算等于启动单独的发电机所需的能量的启动能量成本，等于关闭单独的发电机所需的能量的停机能量成本，并传送所述启动和关闭能量成本到计算部件。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括响应于所述指令对一个或多个发电机执行改变。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括如果所述操作容量超过预定阈值，则发送信号，并且其中，所述计算部件被配置为响应于所述信号而提供所述指令。