CN113586414A - 一种压裂泵排量控制方法、装置和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压裂泵排量控制方法、装置和存储介质。该方法包括：获取压裂泵的设定排量；将所述设定排量与预设的步长进行比较，基于预设规则根据比较结果生成排量过程值；将所述排量过程值转换为电机转速给定值；基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制。本发明的技术方案可以保证压裂泵输出排量的稳定性。

Description

一种压裂泵排量控制方法、装置和存储介质

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体而言，涉及一种压裂泵排量控制方法、装置和存储介质。

背景技术

压裂撬装设备主要应用于石油和页岩气的开采过程中，其核心部件包括电机和压裂泵等，通过电机驱动压裂泵泵送一定排量的介质对岩层进行压裂。压裂泵的输出排量主要受电机影响，随着使用要求的提升，对压裂泵输出排量的期望值也越来越高，导致现有部分压裂撬装设备的电机功率已达到4000kW以上。而高功率电机可能使压裂泵的输出排量变得不太稳定，影响正常压裂施工且容易引发安全事故。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种压裂泵排量控制方法、装置和存储介质。

第一方面，本发明提供了一种压裂泵排量控制方法，其包括：

获取压裂泵的设定排量；

将所述设定排量与预设的步长进行比较，基于预设规则根据比较结果生成排量过程值；

将所述排量过程值转换为电机转速给定值；

基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制。

由此，设定排量可通过操作人员手动输入，对于大功率或者说大排量的压裂撬装设备，如果希望压裂泵达到较大输出排量，则由于需要首选将设定排量与预设的步长进行比较，在满足一定条件时，可采用例如阶梯式的方式根据排量值生成电机转速给定值，再对驱动压裂泵的电机进行PID控制，这样可以使电机转速和压裂泵输出排量平稳变化，而不是使压裂泵直接达到较大输出排量，避免压裂泵输出排量在用户的设定排量值附近产生剧烈的震荡，保证压裂泵输出排量的平稳性，以达到最好的施工工艺。

进一步，所述基于预设规则根据比较结果生成排量过程值包括：

当所述设定排量小于或等于所述步长时，将所述设定排量作为所述排量过程值；

当所述设定排量大于所述步长时，依次生成多个所述排量过程值，其中，各所述排量过程值依次增大。

由此，若设定排量小于或等于步长，电机无需直接达到较大转速，则直接将设定排量转换为电机转速给定值，并对电机转速进行PID控制，可保证电机和压裂泵运行的平稳性；若设定排量大于步长，电机需要达到较大转速，则以阶梯式方式依次生成多个渐增的排量过程值，并将其转换为电机转速给定值，以对电机转速进行PID控制，从而使电机转速平稳变化，不至于产生大幅震荡，进而保证压裂泵输出排量的平稳性。

进一步，所述依次生成多个所述排量过程值包括：

每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值，其中，相邻两个所述排量过程值的差值为所述步长。

由此，若设定排量大于步长，则以逐渐增加一个步长的方式对排量过程值进行调整，并将各排量过程值依次转换为电机转速给定值，以对电机转速进行PID控制，保证电机转速变化与压裂泵输出排量的平稳性。

进一步，所述每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值包括：

生成的第一个所述排量过程值等于所述步长；

在生成第一个所述排量过程值后，每间隔所述预设时间，各生成一个依次增加所述步长的所述排量过程值，直至所述排量过程值大于或等于所述设定排量。

由此，若设定排量大于步长，使第一个排量过程值为步长值，并使后续排量过程值间隔一定时间逐渐增加一个步长值，在排量过程值变化的过程中，将各排量过程值依次转换为电机转速给定值，以对电机转速进行PID控制，避免PID震荡，保证电机转速变化与压裂泵输出排量的平稳性。

进一步，所述每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值还包括：

当所述排量过程值大于或等于所述设定排量时，将所述设定排量作为所述排量过程值。

由此，排量过程值在逐渐变化的过程中，并不会超出用户的设定范围，也就是不会超过设定排量，既能保证电机转速和压裂泵输出排量的平稳变化，又能满足客户的使用需求。

进一步，所述基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制包括：

将所述电机转速给定值作为PID控制的给定值，将所述电机的实际转速作为PID控制的反馈值。

由此，通过PID控制，进一步保证电机转速和压裂泵输出排量的平稳性，进而保证压裂撬装设备运行的稳定性和安全性。

进一步，所述实际转速通过设置于所述电机的编码器获取。

由此，通过编码器可准确获取电机的实际转速，进而使PID控制过程更为精确、及时，保证电机转速和压裂泵输出排量的平稳性。

第二方面，本发明提供了一种压裂泵排量控制装置，其包括：

获取模块，用于获取压裂泵的设定排量；

排量步长控制模块，用于将所述设定排量与预设的步长进行比较，基于预设规则根据比较结果生成排量过程值；

排量速度变换模块，用于将所述排量过程值转换为电机转速给定值；

PID控制模块，用于基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制。

第三方面，本发明提供了一种压裂泵排量控制装置，其包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的压裂泵排量控制方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如上所述的压裂泵排量控制方法。

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一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的压裂泵排量控制方法的流程示意图。

图2为本发明实施例的生成排量过程值的示意图；

图3为本发明实施例的压裂泵排量控制装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例的压裂泵排量控制方法包括如下步骤：

获取压裂泵的设定排量；

将所述设定排量与预设的步长进行比较，基于预设规则根据比较结果生成排量过程值；

将所述排量过程值转换为电机转速给定值；

基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制。

具体地，该方法可基于压裂撬装设备上的控制装置执行，其中，压裂撬装设备可为大功率设备，控制装置可为PLC，其可配备例如触控屏的输入设备。控制装置可与压裂撬装设备上的电机和压裂泵等电连接，不仅可用于控制电机和压裂泵动作，还可获取电机的转速等参数。

在本实施例中，设定排量可通过操作人员手动输入，对于大功率或者说大排量的压裂撬装设备，如果希望压裂泵达到较大输出排量，则由于需要首选将设定排量与预设的步长进行比较，在满足一定条件时，可采用例如阶梯式的方式根据排量值生成电机转速给定值，再对驱动压裂泵的电机进行PID控制，这样可以使电机转速和压裂泵输出排量平稳变化，而不是使压裂泵直接达到较大输出排量，避免压裂泵输出排量在用户的设定排量值附近产生剧烈的震荡，保证压裂泵输出排量的平稳性，以达到最好的施工工艺。

可选地，所述基于预设规则根据比较结果生成排量过程值包括：

当所述设定排量小于或等于所述步长时，将所述设定排量作为所述排量过程值；

当所述设定排量大于所述步长时，依次生成多个所述排量过程值，其中，各所述排量过程值依次增大。

具体地，步长可以是预置的固定值，也可是操作人员通过输入设备设定的值，这样可以对不同工况、不同设备进行灵活调节，满足更多的应用场景。另外，步长的单位可与排量的单位一致，例如均为L/min。

当设定排量小于或等于步长时，例如设定排量为400而步长为500时，说明此时不需要压裂泵直接达到较大输出排量，相应地，驱动电机也不需要直接达到较高转速，此时可直接设定排量转换为电机转速给定值，这样通过对电机转速的PID调节，便可基本保证电机转速实际值与给定值较为接近，且比较平稳，进而保证压裂泵的输出排量比较平稳。

而当设定排量大于步长时，例如设定排量为1400而步长为500时，如果直接将1400的设定排量转换为电机转速给定值，例如，经转换的电机转速给定值为2000，此时，电机转速需要瞬间达到2000，其转速实际值很有可能在给定值2000上下大幅震荡，例如达到2500。由于转速较高，导致基数较大，这样震荡幅度的绝对值就较大，例如500，并会导致所驱动的压裂泵输出排量也会在设定排量值上下大幅震荡，不利于正常施工，甚至产生安全隐患。此时，采用阶梯式的方式，分时多次生成依次增大的不同的排量过程值，也就是逐渐调高电机给定转速，这样可以有效减小电机实际转速的震荡，使电机转速PID调节更为平稳，进而保证压裂泵输出排量的平稳性。

需要注意的是，排量至转速，更具体而言，排量过程值至电机转速给定值的转换关系通常为线性的，或者说在一个范围内时是线性的，在此不做限定。

在本实施例中，若设定排量小于或等于步长，电机无需直接达到较大转速，则直接将设定排量转换为电机转速给定值，并对电机转速进行PID控制，可保证电机和压裂泵运行的平稳性；若设定排量大于步长，电机需要达到较大转速，则以阶梯式方式依次生成多个渐增的排量过程值，并将其转换为电机转速给定值，以对电机转速进行PID控制，从而使电机转速平稳变化，不至于产生大幅震荡，进而保证压裂泵输出排量的平稳性。

可选地，所述依次生成多个所述排量过程值包括：

每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值，其中，相邻两个所述排量过程值的差值为所述步长。

具体地，如图2所示，当设定排量大于步长时，可依次生成多个排量过程值，其中，图2中的目标值就是设定排量，相邻两个排量过程值生成的时间间隔为p0，相邻两个排量过程值的差值为步长s。也就是，生成多个排量过程值的过程呈现为阶梯形式。时间间隔p0和步长s均可以是预置的固定值，也可是操作人员通过输入设备设定的值，这样可以对不同工况、不同设备进行灵活调节，满足更多的应用场景。

在本实施例中，若设定排量大于步长，则以逐渐增加一个步长的方式对排量过程值进行调整，并将各排量过程值依次转换为电机转速给定值，以对电机转速进行PID控制，保证电机转速变化与压裂泵输出排量的平稳性。

可选地，所述每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值包括：

生成的第一个所述排量过程值等于所述步长；

在生成第一个所述排量过程值后，每间隔所述预设时间，各生成一个依次增加所述步长的所述排量过程值，直至所述排量过程值大于或等于所述设定排量。

具体地，如图2所示，例如设定排量为2500而步长为500时，则在初始时刻T_start生成第一个排量过程值，也就是500，经过时间间隔p0后，生成第二个排量过程值，也就是1000，直至生成第五个排量过程值，也就是2500，此时可视为该过程的结束时刻T_end。

在本实施例中，若设定排量大于步长，使第一个排量过程值为步长值，并使后续排量过程值间隔一定时间逐渐增加一个步长值，在排量过程值变化的过程中，将各排量过程值依次转换为电机转速给定值，以对电机转速进行PID控制，避免PID震荡，保证电机转速变化与压裂泵输出排量的平稳性。

可选地，所述每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值包括：

在生成第一个所述排量过程值后，将其作为初始排量过程值，后续为中间排量过程值，在相邻前一个中间排量过程值到后一个中间排量过程值的变化过程中，当检测到电机转速对应的排量为所述前一个中间排量过程值时，才开始由前一个中间排量过程值向后一个中间排量过程值的转变，当未检测到电机转速对应的排量为所述前一个中间排量过程值时，则等待N个时间段，直至排量过程值变为所述前一个中间排量过程值后，再开始由前一个中间排量过程值向后一个中间排量过程值的转变。

在本实施例中，各排量过程值的生成过程呈阶梯式，各相邻值之间平稳过渡，不会出现跳变等情况，进而进一步保证电机转速变化与压裂泵输出排量的平稳性。

可选地，所述每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值还包括：

当所述排量过程值大于或等于所述设定排量时，将所述设定排量作为所述排量过程值。

具体地，例如设定排量为2400而步长为500时，则在第一个至第四个排量过程值分别为500、1000、1500和2000，若继续以增加步长500的方式调整排量过程值，则下一次的排量过程值将变为2500，而大于设定排量2400，此时便取2400，也就是将设定排量作为最后一次的排量过程值，使各排量过程值均不超过用户的设定范围，以满足客户的使用需求。

在本实施例中，排量过程值在逐渐变化的过程中，并不会超出用户的设定范围，也就是不会超过设定排量，既能保证电机转速和压裂泵输出排量的平稳变化，又能满足客户的使用需求。

可选地，所述基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制包括：

将所述电机转速给定值作为PID控制的给定值，将所述电机的实际转速作为PID控制的反馈值。

具体地，将电机转速给定值与电机的实际转速间的偏差分别进行比例、积分与微分处理，获得的信号用于驱动电机转动，可以保证电机的实际转速不断趋近给定值，并维持在一个相对稳定的范围内，进而使被驱动的压裂泵的输出排量也维持在一个相对稳定的范围内。

在本实施例中，通过PID控制，进一步保证电机转速和压裂泵输出排量的平稳性，进而保证压裂撬装设备运行的稳定性和安全性。

可选地，所述实际转速通过设置于所述电机的编码器获取。

具体地，编码器可安装于电机的转轴处。

在本实施例中，通过编码器可准确获取电机的实际转速，进而使PID控制过程更为精确、及时，保证电机转速和压裂泵输出排量的平稳性。

如图3所示，本发明另一实施例的压裂泵排量控制装置包括：

获取模块，用于获取压裂泵的设定排量；

排量步长控制模块，用于将所述设定排量与预设的步长进行比较，基于预设规则根据比较结果生成排量过程值；

排量速度变换模块，用于将所述排量过程值转换为电机转速给定值；

PID控制模块，用于基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制。

在本发明另一实施例中，一种压裂泵排量控制装置包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的压裂泵排量控制方法。

需要注意的是，本实施例中的压裂泵排量控制装置可以为PLC、工控机等计算机设备。

在本发明另一实施例中，一种计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如上所述的压裂泵排量控制方法。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种压裂泵排量控制方法，其特征在于，包括：

获取压裂泵的设定排量；

将所述设定排量与预设的步长进行比较，基于预设规则根据比较结果生成排量过程值；

将所述排量过程值转换为电机转速给定值；

基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制。

2.根据权利要求1所述的压裂泵排量控制方法，其特征在于，所述基于预设规则根据比较结果生成排量过程值包括：

当所述设定排量小于或等于所述步长时，将所述设定排量作为所述排量过程值；

当所述设定排量大于所述步长时，依次生成多个所述排量过程值，其中，各所述排量过程值依次增大。

3.根据权利要求2所述的压裂泵排量控制方法，其特征在于，所述依次生成多个所述排量过程值包括：

每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值，其中，相邻两个所述排量过程值的差值为所述步长。

4.根据权利要求3所述的压裂泵排量控制方法，其特征在于，所述每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值包括：

生成的第一个所述排量过程值等于所述步长；

在生成第一个所述排量过程值后，每间隔所述预设时间，各生成一个依次增加所述步长的所述排量过程值，直至所述排量过程值大于或等于所述设定排量。

5.根据权利要求4所述的压裂泵排量控制方法，其特征在于，所述每间隔预设时间，生成一个所述排量过程值还包括：

当所述排量过程值大于或等于所述设定排量时，将所述设定排量作为所述排量过程值。

6.根据权利要求1所述的压裂泵排量控制方法，其特征在于，所述基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制包括：

将所述电机转速给定值作为PID控制的给定值，将所述电机的实际转速作为PID控制的反馈值。

7.根据权利要求6所述的压裂泵排量控制方法，其特征在于，所述实际转速通过设置于所述电机的编码器获取。

8.一种压裂泵排量控制装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取压裂泵的设定排量；

排量步长控制模块，用于将所述设定排量与预设的步长进行比较，基于预设规则根据比较结果生成排量过程值；

排量速度变换模块，用于将所述排量过程值转换为电机转速给定值；

PID控制模块，用于基于所述电机转速给定值，对用于驱动所述压裂泵的电机进行PID控制。

9.一种压裂泵排量控制装置，其特征在于，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如权利要求1至7任一项所述的压裂泵排量控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如权利要求1至7任一项所述的压裂泵排量控制方法。

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