CN113153722A - 一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常自动检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常自动检测系统，通过压裂泵变频器采集并输出压裂泵扭矩实际值，通过压裂泵传感器采集压裂泵泵压和压裂泵液缸参数，计算出理论扭矩值，判断压裂泵扭矩实际值和理论值的偏差是否超过扭矩波动范围进而触发扭矩异常检测算法单元工作，若超过，则判断偏差是否满足算法检测的条件，进而控制报警器的响应和上位机的输出异常信息。本发明旨在解决设备在运行异常时通过蜂鸣器和上位机能及时提醒操作人员进行处理，有效的解决了操作人员耗费精力关注压裂泵扭矩异常波动的问题，同时减少了设备损失的情况。

Description

一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常自动检测系统
技术领域
本发明涉及到页岩气压裂施工作业装备领域，特别涉及到一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统。
背景技术
在非常规油气田开发中，压裂作业的规模越来越大，每个平台上配置的压裂泵数量在十套至二十套不等，操作人员需要耗费大量精力去关注各个设备参数是否出现异常，其中扭矩异常对于压裂泵运行至关重要，出现扭矩异常波动需要操作人员在十几秒内采取降排量或者停泵的措施，否则将有可能间接导致液缸损坏，进而造成较大的设备损失，甚至耗费几个小时时间去更换新液缸，增加现场人员的工作量。目前，国内外对于压裂泵扭矩的监测通常采用观察扭矩实时曲线的方式，此方式要求操作人员在施工过程中一直紧盯曲线变化，耗费操作人员大量精力。因设备稳定性的提升，扭矩异常波动的情况偶尔出现，并且目前国内外压裂作业时间长，单段施工作业的时间有时达到六七小时，在这样的工作条件下，通常操作人员不会持续关注设备参数运行情况，只是偶尔查看设备参数是否异常或者在设备出现刺漏才会关注到参数的异常，最终可能因采取措施不及时而导致液缸出现损坏。因此如何降低操作人员耗费过多的精力去关注压裂泵扭矩异常波动的情况，以及如何在设备运行异常时及时处理减少损失是一个亟待解决的问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于提供一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统，根据压裂泵理论扭矩值与实际扭矩值的偏差与扭矩波动范围进行比较，进而触发扭矩异常检测算法单元工作，若偏差满足算法检测的条件，则输出异常信息并报警。根据算法检测的结果判断压裂泵液力端扭矩实际值波动异常情况，并判断出扭矩波动异常且需要立即停泵的工况。本发明旨在解决现有技术中人员工作强度和设备异常处理效率的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统，其特征在于，所述压裂泵扭矩异常检测系统包括：PLC控制器、泵压采集设备、压裂泵变频器和扭矩异常检测算法单元；其中：
所述泵压采集设备连接所述PLC控制器，采集压裂泵泵压和压裂泵液缸参数传输至所述PLC控制器，并计算出压裂泵理论扭矩值；
所述压裂泵变频器连接所述PLC控制器，读取压裂泵的实际扭矩值并传输至PLC控制器；
所述PLC控制器分别连接泵压采集设备、压裂泵变频器和扭矩异常检测算法单元，接收泵压采集设备传输的压裂泵泵压和压裂泵液缸参数、压裂泵变频器传输的实际扭矩值，根据压裂泵泵压理论扭矩值计算公式得到压裂泵理论扭矩值，所述PLC控制器计算出理论扭矩值和实际扭矩值的偏差进而触发扭矩异常检测算法单元工作；
所述扭矩异常检测算法单元连接PLC控制器，用于判断理论扭矩值和实际扭矩值的偏差是否大于扭矩波动范围，若大于，则判断偏差是否满足算法检测的条件，若满足则输出异常信息并报警。
优选的，所述泵压采集设备连接所述PLC控制器，通过泵压传感器采集压裂泵泵压和压裂泵液缸参数并传输到PLC控制器计算得到理论扭矩值。
优选的，所述压裂泵变频器连接所述PLC控制器，采集压裂泵扭矩实际值，并传输到PLC控制器，通过PLC控制器对压裂泵变频器进行读写，得到压裂泵实际扭矩值，并对压裂泵给定转速进行控制。
优选的，所述PLC控制器分别连接泵压采集设备、压裂泵变频控制器、扭矩异常检测算法单元，用于接收泵压采集设备采集的压裂泵泵压和压裂泵液缸参数、压裂泵变频器传输的压裂泵扭矩实际值，并根据压裂泵扭矩计算公式计算得到压裂泵扭矩理论值，通过所述PLC控制器计算压裂泵扭矩实际值和压裂泵扭矩理论值的偏差并将该偏差传输至扭矩异常检测算法单元，经所述扭矩异常检测算法单元判断理论扭矩值和实际扭矩值的偏差是否大于扭矩波动范围进而触发扭矩异常检测算法单元工作，若偏差满足算法检测的条件，则将异常结果输出至蜂鸣器并把异常信息返回给PLC控制器，通过所述PLC控制器控制所述上位机显示异常信息以获取设备异常情况，并利用蜂鸣器报警。
优选的，所述扭矩异常检测算法单元两端分别连接PLC控制器和蜂鸣器，根据PLC控制器传输的压裂泵扭矩实际值和压裂泵扭矩理论值的偏差判断是否大于扭矩波动范围进而触发扭矩异常检测算法单元工作，若偏差满足算法检测的条件，则输出异常信息并报警。
本发明有益效果：通过历史扭矩异常波动的曲线总结出检测条件，计算出理论扭矩值并与采集的实时扭矩值的偏差与扭矩波动范围进行比对，进而触发检测算法的工作，若偏差满足异常检测条件就通过所述PLC控制器控制上位机输出异常信息并由蜂鸣器报警，通过所述一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统有效的保证了每一次的扭矩异常波动都被检测并驱动蜂鸣器报警，将信息主动推送给操作人员，不仅减轻了操作人员的工作强度，更加保障了设备在出现异常时能够得到及时处理，减少设备因为异常得不到及时处理带来的经济损失，同时本发明也可将算法的输出结果直接串入压裂泵的停泵逻辑，实现设备异常自动停泵的功能，提高设备的智能化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统结构示意图；
图2为压裂泵扭矩异常自动监测装置工作流程示意图；
图3为压裂泵运行正常扭矩曲线图；
图4为压裂泵工作扭矩突变恢复曲线图；
图5为压裂泵扭矩长周期波动曲线图；
图6为压裂泵扭矩短周期大幅波动曲线图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种实施例，参照图1，图1为本发明提出的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统的结构示意图。
如图1所示，在本实施例中，一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统，所述一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统包括：PLC控制器、泵压采集设备、压裂泵变频器和扭矩异常检测算法单元，其中：
所述泵压采集设备连接PLC控制器，采集压裂泵泵压和压裂泵液缸参数传输至所述PLC控制器，并计算出压裂泵理论扭矩值；
所述压裂泵变频器连接PLC控制器，采集压裂泵的实际扭矩值并传输至PLC控制器；
所述PLC控制器分别连接泵压采集设备、压裂泵变频器和扭矩异常检测算法单元，接收泵压采集设备传输的压裂泵泵压和压裂泵液缸参数以及压裂泵变频器传输的实际扭矩值，根据压裂泵泵压理论扭矩值计算公式得到理论扭矩值，所述PLC控制器计算出理论扭矩值和实际扭矩值的偏差进而触发扭矩异常检测算法单元工作；
所述扭矩异常检测算法单元连接PLC控制器，用于判断理论扭矩值和实际扭矩值的偏差是否大于扭矩波动范围，若大于，则判断偏差是否满足算法检测的条件，若满足条件则输出异常信息并报警。
如图1所示，在本实施例中，所述PLC控制器输入端分别连接压裂泵变频器和泵压采集设备输出端口，通过对所述压裂泵变频器进行读写实现对压裂泵实时扭矩值的采集，通过泵压采集设备接收压裂泵传感器采集的压裂泵泵压和压裂泵液缸参数，通过压裂泵理论扭矩值计算公式计算出理论扭矩值，并将理论扭矩值和实际扭矩值的偏差传输至扭矩异常检测算法单元。
具体的，所述压裂泵理论扭矩值计算公式为：
T=η*9550*5*(π/4)*缸套*缸套*冲程长度*压力*0.000001/(60*4.5161)；其中缸套代表缸套的直径尺寸，单位mm。
如图1所示，在本实施例中，所述PLC控制器输出端分别连接扭矩异常检测算法单元和上位机，所述扭矩异常检测算法单元包括算法检测的条件，所述算法检测条件包括：采样周期、单次检测周期、波动幅值、超限次数；所述PLC控制器通过算法检测的条件对扭矩是否存在异常进行判断，若存在异常，则通过上位机将异常信息显示出来并启动蜂鸣器报警，便于操作人员获知设备异常情况。
具体的，通过统计单次检测周期内的实际值与理论值的最大差值是否超过波动幅值来统计超限次数，在采样周期中如果统计超过了超限次数则判断为扭矩波动异常。
如图2所示，在本实施例中，所述PLC控制器通过所述压裂泵变频器读取压裂泵实时扭矩值，同时所述PLC控制器通过所述泵压采集设备控制所述压裂泵传感器对压裂泵泵压和压裂泵液缸参数进行采集，并计算得到压裂泵理论扭矩值，通过所述PLC控制器计算实际扭矩值和理论扭矩值的偏差，实时比对压裂泵实时扭矩值和理论扭矩值的偏差是否大于扭矩波动范围进而触发扭矩异常检测算法单元，若偏差满足算法检测的条件则输出异常信息至上位机并控制蜂鸣器报警。
如图3所示，在本实施例中，所述PLC控制器通过所述泵压采集设备控制所述压裂泵传感器对压裂泵泵压和压裂泵液缸参数进行采集，并计算得到理论扭矩值，同时所述PLC控制器读取变频器输出的实时扭矩值，实时对比理论扭矩值和实际扭矩值的偏差是否大于扭矩波动范围进而触发扭矩异常检测算法单元工作，若偏差满足算法检测的条件则触发报警，图3为压裂泵运行过程中正常的扭矩曲线，压裂泵在正常的压裂施工中，实际扭矩和理论扭矩值保持一定的差异运行。
如图4所示，在本实施例中，所述PLC控制器通过所述泵压采集设备控制所述压裂泵传感器对压裂泵泵压以及压裂泵的液缸参数进行采集，并计算出理论扭矩值，同时PLC控制器读取变频器实时输出的扭矩值，实时对比理论扭矩值和实际扭矩值的偏差是否大于扭矩波动范围进而触发扭矩异常检测算法单元工作，若偏差满足算法检测的条件则触发报警。在正常施工中，该压裂泵液力端在工作过程中遇到憋砂的情况，导致扭矩出现突变，然后又恢复正常，出现这种情况后泵况仍然是正常的。
如图5所示，在本实施例中，所述PLC控制器通过所述泵压采集设备控制所述压裂泵传感器对压裂泵泵压以及压裂泵的液缸参数进行采集，并计算出理论扭矩值，同时PLC控制器读取变频器实时输出的扭矩值。实时对比理论扭矩值和实际扭矩值的偏差是否大于扭矩波动范围进而触发扭矩异常检测算法工作，若满足算法检测的条件则触发蜂鸣器报警，如图5所示，该压裂泵在运行中由于液力端部件轻微受损，扭矩会出现长周期波动，但是压裂泵依旧可以继续运行。
如图6所示，在本实施例中，所述PLC控制器通过所述泵压采集设备控制所述压裂泵传感器对压裂泵泵压以及压裂泵的液缸参数进行采集，并计算出理论扭矩值，同时PLC控制器读取变频器实时输出的扭矩值，实时对比理论扭矩值和实际扭矩值的偏差是否大于扭矩波动范围进而触发扭矩异常检测算法单元工作，若偏差满足算法检测的条件则触发报警，如图6所示，该压裂泵在运行中出现短周期大幅度波动，这表明阀体阀座正遭受严重损坏，需要及时停泵，避免液缸收到损坏。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常自动检测系统，其特征在于，所述压裂泵扭矩异常自动检测系统包括：PLC控制器、泵压采集设备、压裂泵变频器和扭矩异常检测算法单元；其中：
所述泵压采集设备连接所述PLC控制器，采集压裂泵泵压和压裂泵液缸参数传输至所述PLC控制器，计算出理论扭矩值；
所述压裂泵变频器连接所述PLC控制器，读取压裂泵的实际扭矩值；
所述PLC控制器分别连接泵压采集设备、压裂泵变频器和扭矩异常检测算法单元，接收泵压采集设备传输的压裂泵泵压和压裂泵液缸参数、压裂泵变频器传输的实际扭矩值，根据压裂泵泵压理论扭矩值计算公式得到压裂泵理论扭矩值，所述PLC控制器计算出理论扭矩值和实际扭矩值的偏差进而触发扭矩异常检测算法单元工作；
所述扭矩异常检测算法单元连接所述PLC控制器，判断理论扭矩值和实际扭矩值的偏差是否大于扭矩波动范围，若大于，则判断偏差是否满足算法检测的条件，则输出异常信息并报警。
2.如权利要求1所述的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常自动检测系统，其特征在于，所述压裂泵扭矩理论值通过获取压裂泵泵压和压裂泵液缸参数计算得到，其公式为：
T=η*9550*5*(π/4)*缸套*缸套*冲程长度*压力*0.000001/(60*4.5161)。
3.如权利要求1所述的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常自动检测系统，其特征在于，所述算法检测的条件包括：采样周期、单次检测周期、波动幅值、超限次数。
4.如权利要求1所述的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常自动检测系统，其特征在于，还包括算法检测的条件，所述算法检测的条件通过人工根据设备实际应用的情况进行灵活配置。
5.如权利要求1-4任意一项所述的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常自动检测系统，所述压裂泵实际扭矩值通过PLC直接读写变频器，根据变频器驱动压裂泵的运行参数直接获取压裂泵的实际扭矩值。
6.如权利要求1-4任意一项所述的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统，其特征在于，还包括泵压传感器，所述泵压采集设备通过泵压传感器采集压裂泵泵压和压裂泵液缸参数，传送到PLC控制器计算出理论扭矩值。
7.如权利要求1-4任意一项所述的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统，其特征在于，还包括报警装置，所述报警装置连接扭矩异常检测算法单元，在扭矩异常检测算法单元输出异常信息时发出报警。
8.如权利要求7所述的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常监测系统，其特征在于，所述报警装置采用蜂鸣器报警。
9.如权利要求1-4任意一项所述的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统，其特征在于，所述扭矩异常检测算法单元内嵌于PLC控制器，通过PLC控制器内置运算单元，进行压裂泵扭矩异常检测。
10.如权利要求1-4任意一项所述的一种应用于页岩气开采的压裂泵扭矩异常检测系统，其特征在于，还包括上位机，所述上位机连接PLC控制器，当所述扭矩异常检测算法单元检测到异常时，将异常信息返回给PLC控制器，通过所述PLC控制器将异常输出至所述上位机。
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