CN113944607A - 用于使用电动机驱动泵的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于驱动水力压裂泵的系统，其包括电动机和电源，所述电动机具有配置为以恒定速度旋转的驱动轴，所述电源电连接到所述电动机。该系统还包括电动机控制器，其经由继电器可操作地连接到所述电动机，其中所述电动机控制器通过所述继电器可操作地连接到所述电动机以启动所述电动机，并且一旦所述驱动轴达到所述恒定速度，所述电动机控制器通过所述继电器可操作地与所述电动机断开。该系统进一步包括泵，其经由变速器联接到所述驱动轴上，其中所述变速器被配置为用于将旋转能量从所述驱动轴经由所述变速器的输出轴传递到所述泵，所述变速器的输出轴被配置为用于在所述驱动轴以所述恒定速度旋转的同时以变化的速度驱动所述泵。

Description

用于使用电动机驱动泵的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种泵系统。更具体地，本发明涉及一种包括经由变速器驱动水力压裂泵的电动机的水力压裂系统。
背景技术
水力压裂是一种井增产技术，其通常涉及以在井筒的目标区域周围的岩层中形成裂缝所需的特定速率和压力将水力压裂流体泵送到井筒中。该井增产技术通常增强岩层的天然压裂以增加岩层的渗透性，从而改善油、天然气和/或其它流体的回收。例如，还执行这样的技术以增强水井中的水的回收。
为了压裂这样的岩层，将水力压裂流体在高压下注入井筒中。典型地，使用一系列泵来实现水力压裂流体的这种高压注入。该系列泵可以由柴油发动机提供动力，通常具有专用于单个泵的单个柴油发动机。然而，通过柴油发动机(或动态气体混合发动机)驱动一系列泵可能包括缺点。例如，这些缺点包括与向柴油发动机提供动力相关的燃料成本、来自发动机的排放物、由发动机产生的噪声、对发动机的负载系数限制、需要向歧管提供足够的泵压的压裂拖车的数量等。同样地，一些水力压裂系统提供电动机(全电动或混合)驱动系统来为一系列水力压裂泵提供动力。然而，电力系统通常需要昂贵且庞大的变压器。电力系统还需要电力电子器件来控制和/或转换从诸如燃气涡轮发电机组的电源接收的电力。
在美国专利第10,227,854号(以下称为'854参考文献)中描述了具有电动机的示例性水力压裂系统。特别地，'854参考文献描述了自包含在拖车上的泵送系统。例如，'854参考文献描述了具有由两个感应电动机供电的两个泵的拖车单元。'854参考文献描述了这两个感应电动机是由位于该拖车上的柴油发电机供电的。在该'854参考文献中描述的拖车单元进一步包括两个变频驱动器(VFD)，这些变频驱动器被配置为通过改变这些感应电动机的频率和电压输入来控制这些感应电动机的速度和扭矩。例如，在'854参考文献中描述的系统利用相应的VFD来控制系统中包括的每个感应电动机。然而，由于这种配置，在'854参考文献中描述的系统可能比其他系统更昂贵，因为该系统需要用于每个电动机的专用VFD。
本发明的示例性实施例旨在克服上述缺陷等。
发明内容
一种用于驱动水力压裂泵的示例性系统包括电动机和电源，所述电动机具有配置为以恒定速度旋转的驱动轴，所述电源电连接到所述电动机。该系统还包括电动机控制器，其经由继电器可操作地连接到所述电动机，其中所述电动机控制器通过所述继电器可操作地连接到所述电动机以启动所述电动机，并且一旦所述驱动轴达到所述恒定速度，所述电动机控制器通过所述继电器可操作地与所述电动机断开。该系统进一步包括泵，其经由变速器联接到所述驱动轴上，其中所述变速器被配置为用于将旋转能量从所述驱动轴经由所述变速器的输出轴传递到所述泵，所述变速器的输出轴被配置为用于在所述驱动轴以所述恒定速度旋转的同时以变化的速度驱动所述泵。
在另一个示例中，电驱动系统包括电源和电动机，电动机电连接到电源并且被配置为以与电源相同的电压操作，电动机具有被配置为以恒定速度旋转的驱动轴。所述电驱动系统还包括泵，其经由变速器联接到所述电动机的所述驱动轴，其中所述变速器的传动比或速比被选择成调节所述泵的流速或泵压力中的至少一个。
在另一个示例中，一种驱动泵的方法包括经由控制器接收指令以启动电动机，并且经由变频驱动器和电源启动电动机，其中所述变频驱动器控制供应所述电动机的电力的频率和电压，直到所述电动机的频率与由所述电源供应的电力的频率同步。该方法还包括从一个或多个传感器并且通过该控制器接收指示该电动机的发动机速度的发动机速度数据，经由该控制器确定该发动机速度已经达到该预定速度，以及至少部分地基于确定发动机速度已经达到预定速度而经由控制器和继电器旁路变频驱动器，其中旁路变频驱动器包括将电动机直接电连接到电源。
附图说明
图1是根据本发明的示例的水力压裂系统的示意图。
图2是根据本发明的示例的流体泵系统的第一配置的示意图。
图3是根据本发明的示例的流体泵系统的第二配置的示意图。
图4是根据本发明的示例的流体泵系统的第三配置的示意图。
图5-6共同示出了根据本发明的示例驱动电动机以为流体泵系统提供动力的示例性方法的流程图。
具体实施方式
在所有附图中，尽可能使用相同的附图标记来表示相同或相似的零件。图1描绘了示例性水力压裂系统100。例如，图1描绘了示例性水力压裂地点连同在水力压裂过程期间使用的设备的平面图。虽然图1描绘了在水力压裂过程中使用的示例性设备，但是应当理解，可以实施另外的设备来进行水力压裂过程。此外，在一些水力压裂系统中可以省略图1所示的某些设备。
如前所述，水力压裂是一种井增产技术，其需要将待注入井102和相应井筒中的压裂流体的高压注入，以便水力压裂井筒周围的岩层。虽然在此提供的描述描述了在用于油气生产的井筒增产的背景下的水力压裂，但是应当理解，在此考虑了水力压裂的其他用途。例如，在此描述的水力压裂系统100可以用于刺激地下水井、通过注入来处理废物、测量地面中的应力、预处理和/或诱导用于采矿的坍塌、改进地热系统中的发电等。
压裂流体的高压注入通常通过通常安装(或容纳)在一系列拖车106上的一系列泵系统104来实现。图1示出了具有泵系统104的第一拖车106(1)(在下文中参考图2-4进一步描述)。泵系统104以虚线示出，因为泵系统104的配置可以如下面关于图2-4示出和描述的那样变化。应当理解，每个拖车106可以包括与第一拖车106(1)相同或不同配置的类似泵系统。第一拖车106(1)描绘了具有电动机112的示例性泵系统104，电动机112分别经由第一变速器110(1)和第二变速器110(2)(统称为“变速器110”)连接到第一泵108(1)和第二泵108(2)(统称为“泵108”)。在一些示例中，除了其他部件之外，泵系统104包括至少一个泵、至少一个变速器和至少一个电动机。该水力压裂系统100可以包括任何数目的拖车106，这些拖车上具有泵以便以预定速率和压力泵送水力压裂流体。每个拖车106的确切配置可随拖车而变化和/或可随地点而变化。
在一些示例中，电动机112包括恒速(或双速)电动机112。例如，电动机112可以被配置为一旦电动机112已经被启动并且与电源同步就以恒定速度操作(在下文中进一步描述)。因此，无论电动机112是否由电动机控制器连接和/或控制，电动机112都可以以恒定速度操作。在一些示例中，变速器110被配置为接收以第一速度旋转的电动机112的驱动轴并且可以将旋转能量传递到以第二速度旋转的变速器110的输出轴。在一些示例中并且基于变速器110的传动比(或速比)，第二速度可以不同于第一速度。然而，在一些示例中，变速器110的传动比(或速比)可以被配置为以基本上类似(或相同)的旋转速度将旋转能量从电动机112的驱动轴传递到变速器110的输出轴。在一些示例中，变速器110可以被配置为各种类型的变速器中的一种。例如，变速器110可以包括无级变速器(CVT)，具有变速机构的液压并联路径变速器、齿轮变速器、液压机械变速器或任何其他类型的变速器。在一些示例中，变速器110可以包括控制变速器110的输出速度的变速机构。
在一些示例中，泵108可以经由各种流动管线116(例如管道或其他类型的导管)与歧管114流体连通。歧管114在将压裂流体注入井102中之前组合从泵108接收的压裂流体。歧管114还可将压裂流体分配到歧管114从混合器118接收的泵108。然而，在一些示例中，水力压裂系统100可以经由另外的流体供应管线或流体供应歧管向泵108提供压裂流体。泵108可以被配置为任何类型的流体泵。例如，泵108可以被配置为将流体泵送到井102的井筒中的各种类型的井维护泵。此外，泵108可配置为各种类型的高容量水力压裂泵，例如三缸或五缸泵。另外，和/或可选地，泵108可以配置为其它类型的往复式正排量泵或齿轮泵。所需的泵108及其相应的设计可以根据将被水力压裂的岩层的压裂梯度、在水力压裂系统100中使用的泵108的数量、完成水力压裂所需的流速、完成水力压裂所需的压力等而变化。
在一些示例中，控制器(在此进一步描述)可以确定在水力压裂过程期间在泵108处所需的流速和/或压力，并且可以通过调节变速器110的传动比或其他参数来改变泵108的输出速度，以便在泵108处提供必要的流速和压力。在电动机112包括双速电动机的示例中，控制器可以在第一速度与第二速度之间切换电动机112，同时还调节变速器110的传动比。因此，控制器可以通过在第一速度与第二速度之间切换电动机112来提供对变速器110的速度和功率输出的更精细的控制。此外，通过这样的过程，控制器可以提供对泵108处的流速和压力的更精细调节。
在一些示例中，各种流体经由流动管线116在水力压裂系统的各种部件之间传递。混合器118将从支撑剂存储单元120接收的支撑剂与从水合单元122接收的流体混合。在一些示例中，支撑剂储存单元120可以包括自卸车、具有拖车的卡车、筒仓或一系列筒仓，或其他类型的集装箱。水合单元122可以接收来自一个或多个水箱124的水。在一些示例中，水力压裂系统100可以接收来自水坑、水车、水管和/或任何其他合适的水源的水。水合单元122向水中添加流体添加剂，例如聚合物或其他化学添加剂。这样的添加剂可以在将流体与支撑剂在混合器118中混合之前增加压裂流体的粘度。水合单元122还将添加剂混合到压裂流体中，使得压裂流体包括用于注入到井筒周围的目标地层中的适当pH。流体添加剂可以储存在水合单元122中。另外，和/或可选地，水合单元122可以与一个或多个流体添加剂储存单元(未示出)流体连通，所述流体添加剂储存单元储存经由水合单元122添加到压裂流体中的流体添加剂。水合单元122可以包括一系列箱、泵、门等。
水力压裂系统100可以进一步包括一个或多个电源126。电源126可以电连接到位于拖车106上的电动机112。电源126可以包括燃气涡轮发电机组、往复式燃气发动机发电机组、动态气体混合发动机发电机组、柴油发电机组、电网或任何其他类型的电源中的一个或多个。电源126可以以相对高的电压向电动机112提供电力。例如，电源126可以以大约13.8kV向电动机112提供电力。这样的电压仅表示一个示例，并且在其他示例中，由电源126向电动机112供应的电压可以更高或者更低。此外，在一些示例中，电源126可以在不使用变压器的情况下向电动机112提供电力，因为电动机112可以被配置为以恒定速度和/或以高电压操作。在一些示例中，每个拖车106可以包括专用电源。可替代地，水力压裂系统100可以包括小于拖车106的数量的多个电源126。例如，水力压裂系统100可以包括为多个拖车106和相应的泵系统104提供动力的一个、两个或三个电源126。更进一步，单个电源可以被配置为向一对拖车126供电。
在一些示例中，水力压裂系统100还包括经由布线129和继电器130电连接到电源126和电动机112的一个或多个电动机控制器(例如，启动器)128。电动机控制器128可以包括软启动器、自启动器、变频驱动器(VFD)，或其他类型的电动机控制器。在一些示例中，电动机控制器128包括软启动器，软启动器包括用于控制供应到电动机112的电压的晶闸管。软启动器可以控制电压，直到电动机112达到预定速度(例如，恒定速度)。所述软启动器被配置为逐渐增大和减小电动机速度。另外，和/或可替代地，电动机控制器128包括VFD，该VFD包括整流器和逆变器以控制电动机电压和频率来改变电动机112的电动机速度。
电动机控制器128可以布置在拖车106(或多个拖车)上或者可以远离拖车106定位。在一些示例中，包括在水力压裂系统100中的电动机控制器128的数量可以等于电源126的数量。另外，和/或可选地，包括在水力压裂系统100中的电动机控制器128的数量可以小于电源126的数量。例如，每个拖车106可以包括专用电源126，并且电动机控制器128可以经由继电器130电连接到多个电源126。电动机控制器128可以被配置为通过改变电动机控制器128从电源126向电动机112供应的频率和电压来启动电动机112。在一些示例中，电动机控制器128通过控制供应到电动机112的频率和电压来增加电动机112的电动机速度，直到电动机112达到预定速度。一旦电动机112的频率与电源126的频率同步，则电动机控制器128可以经由继电器130被旁路，并且电动机112可以以恒定速度操作。
在一些示例中，电动机控制器128经由继电器130电连接到多个电动机并且可以被配置为单独地启动电动机。继电器130包括电操作开关，该电操作开关闭合或断开各种电路(或触点)，从而将一个或多个电动机112与电动机控制器128电连接或断开。此外，当继电器130被操作以将电动机112从电动机控制器128断开时，继电器130可以将电动机112直接连接到电源126，由此旁路电动机控制器128。另外，和/或可选地，水力压裂系统100可以包括将电动机112连接到电动机控制器128和/或电源126和从电动机控制器128和/或电源126断开的多个继电器和/或一系列继电器。继电器130可以由控制器132控制，这将在本文中进一步描述。在一些示例中，每个电动机112可以电连接到将电动机112与电动机控制器128连接或断开并且将电动机112与电源126连接或断开的继电器。可替代地，水力压裂系统100可以包括小于电动机112的数量的多个继电器，并且单个继电器可以电连接到多个电动机112。
一旦单个电动机被启动并且达到预定速度，电动机控制器128被旁路并且可以经由继电器130连接到另一个电动机以便启动另一个电动机。例如，电动机112可以包括感测和产生电动机速度数据的一个或多个传感器113。电动机速度数据可以被发送到控制器132并且控制器132可以控制继电器130的触点。电动机112的一个或多个传感器113还可以感测并产生指示电动机112操作的电压和/或频率的电压数据和/或频率数据。另外，和/或可替代地，电动机控制器128可以通信地联接至控制器132并且可以向控制器132提供频率数据和/或电压数据。控制器132可以基于频率数据和/或电压数据确定何时旁路电动机控制器128。在一些示例中，电动机控制器128可以包括线路启动器或其他电子控制装置。如前所述，水力压裂系统100可以包括软启动器、自启动器、直接在线启动器或被配置为控制电动机112的启动的其他类型的电力电子器件。一旦泵系统104的电动机112被启动并且同步，这些启动器也可以被旁路。然而，在一些示例中，每个泵系统104可以包括被配置为向电动机112提供电流的专用电动机控制器(例如启动器或VFD)。
水力压裂系统100还包括数据监测厢式车134或其他类型的控制系统。在一些示例中，控制系统可以完全地或部分地远离水力压裂地点。另外，和/或可选地，水力压裂过程和/或其部分可以是自动的。例如，数据监测厢式车134可以包括一个或多个控制器132。该一个或多个控制器132被配置为用于自动地和/或利用用户输入来控制该水力压裂系统100的这些操作的至少一部分。在一些示例中，水力压裂系统100可以包括控制水力压裂系统100的各种部件的各种控制器132。例如，水力压裂系统100可以包括控制泵系统104和/或其部件的操作的控制器132。一个示例可以包括控制器132，控制器132控制变速器110的传动比、输出速度或其他参数，以便提供泵108以特定流速和/或压力泵送水力压裂流体所需的速度和扭矩。虽然这里的描述可以描述单个控制器132，但是应当理解，可以使用多个控制器132来执行这里描述的动作。数据监测厢式车134可以包括通信地连接到水力压裂系统100的各种泵108、电动机112、变速器110、电源126、电动机控制器128和其他部件的各种监测设备。数据监测厢式车134还可以向用户提供使得用户能够控制在此描述的水力压裂系统100的过程的控制。这种控制可以经由具有用户接口或其他控制方法的控制器132来提供。该水力压裂系统100可以包括多个传感器，这些传感器被包括在以上描述的每个部件中，这些传感器将数据供应到数据监测厢式车134和控制器132以便允许控制器132和/或用户控制水力压裂的过程。
控制器132可以是例如硬件电子控制模块(ECM)或其他电子控制单元(ECU)。控制器132例如包括被配置为执行控制器132的所描述功能的微控制器、存储器(例如，RAM)、存储装置(EEPROM或闪存)。控制器132自动地和/或利用用户输入来控制包括泵系统104的水力压裂系统100的操作的至少一部分。代替ECM/ECU或者除了ECM/ECU之外，控制器132可以包括通用计算机微处理器，该通用计算机微处理器被配置为执行存储在存储器中的计算机程序指令(例如，应用)以执行控制器132所公开的功能。如上所述，控制器132包括存储器、辅助存储装置、处理器和/或用于运行应用的任何其它计算部件。各种其他电路可以与控制器132相关联，例如电源电路、信号调节电路或螺线管驱动器电路。在一些示例中，控制器132和/或控制器132的部件的一部分可以位于数据监测厢式车134中和/或远离水力压裂系统100，并且可以通信地联接到水力压裂系统100。如前所述，控制器132可以从水力压裂系统100的部件接收各种类型的数据。此外，控制器132可以向水力压裂系统100的各个部件提供指令。例如，控制器132可以从电动机112的速度传感器113接收电动机速度数据。另外，和/或可选地，控制器132可以从VFD 128(或其他电动机控制器)接收频率数据和/或电压数据，从电源接收频率数据和/或电压数据，和/或从电动机112接收频率数据和/或电压数据。
图2描绘了泵系统104的第一配置200的示意图。泵系统104包括电动机112，如上所述。在一些示例中，电动机112被配置为恒定速度电动机。因此，在一些示例中，当施加在电动机112上的负载改变时，电源126可以改变供应给电动机112的功率量，以便维持电动机112的恒定速度。例如，电源126可以包括一个或多个发电机(例如柴油发电机组、涡轮发电机或其他类型的发电机)。如前所述，电动机112可以包括一个或多个传感器113。该一个或多个传感器113可以将负载数据、发动机速度数据或其他类型的数据传送到该一个或多个发电机。基于从电动机112的一个或多个传感器113接收的数据，一个或多个发电机可以被配置为增加或减少一个或多个发电机产生并提供到电动机112的功率量。另外，和/或可选地，如果电源126包括电网，则电动机112可以从电网汲取一定量的功率以维持电动机112的恒定速度。
电动机112可以被配置为以相对高的电压操作。例如，电动机112可以被配置为在大约13.8kV下操作。然而，如上所述，由电源126供应到电动机112的电压可以变化。在一些示例中，电动机112包括被配置为以大约1800转/分钟(RPM)操作的60Hz电动机。然而，电动机112的类型和/或速度可以根据电动机112的应用、配置和/或要求而变化。如前所述，电动机112被配置为以恒定速度操作，而不管电动机112是否连接到电动机控制器和/或由电动机控制器控制。此外，电动机112可以包括被配置为以第一恒定速度或第二恒定速度操作的双速电动机。控制器132(或专用电动机控制器)可以通过经由开关或其他装置改变电动机内部的布线连接来改变用于驱动电动机112的极的数量来调节双速电动机的恒定速度。例如，电动机112可以包括双速电动机，例如被配置为以1800RPM或900RPM操作的60Hz电动机。电动机112可以包括电动机速度传感器201，电动机速度传感器201被配置为确定电动机112的驱动轴202旋转的速度，并且生成表示驱动轴202的速度的电动机速度数据。在一些示例中，电动机速度传感器201可以向控制器132提供电动机速度数据。
如以上关于图1所提及的，电动机112可以电连接至电源126。在一些示例中，单个电源126可以电联接到多个电动机。可替代地，电源126可以专用于单个电动机112。电源126可以包括一个或多个燃气涡轮发电机组、往复式燃气发动机发电机组、动态气体混合发动机发电机组、柴油发电机组、电网或任何其他类型的电源。电源126可以以高压向电动机112提供电力。因此，在一些示例中，电源126可以在不使用变压器的情况下向电动机112提供电力，因为电动机112可以被配置为在与电源126相同(或基本上相同)的电压下操作。在第一配置200中，电动机112可以由电动机控制器128启动。如前所述，电动机控制器128可以包括VFD。另外，和/或可选地，图2所示的泵系统104可以包括另一种类型的电动机控制器，例如线路启动器、软启动器等。在一些示例中，如果电动机控制器128用于启动电动机112并且一旦电动机112的频率与电源126的频率同步，则电动机控制器128可以经由继电器130被旁路。在一些示例中，一旦电动机112同步，电动机112可以以预定速度(例如，1800RPM)操作。这样，泵系统104可以不需要专用电动机控制器。更确切地说，电动机112可以在连接到电源126并且没有连接到电动机控制器128的同时以恒定速度操作。
在一些示例中，电动机112可以包括双轴电动机。双轴电动机是指具有单轴的电动机，单轴的端部在电动机112的两侧突出。例如，如图2所示，电动机112可包括轴202(例如驱动轴)，轴202具有联接到第一变速器110(1)的第一端202(1)和联接到第二变速器110(2)的第二端202(2)。可替代地，电动机112可以包括在相反方向上延伸并且将旋转能量传递到变速器110的两个分开的轴。如前所述，一旦电动机112已经被启动和同步，电动机112可以以恒定速度操作。照此，电动机112的轴202(或多个轴)可以以恒定速度旋转。在图2所示的配置中，电动机112配置为经由轴202向第一变速器110(1)和第二变速器110(2)提供旋转能量。
第一变速器110(1)和第二变速器110(2)(统称为“变速器110”)配置为向第一泵108(1)和第二泵108(2)(统称为“泵108”)提供从轴202的速度和扭矩转换。如前所述，变速器110可以包括各种类型的变速器。例如，变速器110可以包括无级变速器(CVT)、液压并联路径变速器、齿轮变速器、液压机械变速器或任何其他类型的变速器。具有电动机的典型水力压裂系统通常由专用VFD通过固定传动装置驱动。然而，在此描述的泵系统104可以消除对专用VFD或其他电动机控制器的需要，因为电动机112可以以恒定速度操作，而变速器110为泵108提供变化的速度和扭矩输出。变速器110可以包括离合器或离合器系统208，该离合器或离合器系统208允许变速器110与电动机112脱离，由此允许电动机112在无(或减小的)负载下启动。另外，和/或可选地，变速器110可以包括离合器208，离合器208允许变速器110脱离和接合泵108。在一些示例中，离合器208机械地联接到变速器110。
在一些示例中，变速器110可以包括变速器速度传感器204(1)和204(2)(统称为“变速器速度传感器204”)。变速器速度传感器204可以通信地联接到控制器，例如图1中描述的一个或多个控制器132中的一个。另外，和/或可选地，变速器速度传感器204可通信地联接到专用于泵系统104的变速器110的控制的另一控制器。当变速器110在使用中时，变速器速度传感器204可以确定变速器110的实际传动比或其他参数。例如，变速器速度传感器204可以确定输入轴(例如轴202)的旋转速度并且确定输出轴206的旋转速度。控制器132可以从变速器速度传感器204确定变速器110的实际传动比或其他参数。另外，和/或可选地，变速器速度传感器204可以确定变速器110的速比。如前所述，变速器110可以包括输出轴206。例如，第一变速器110(1)可以包括联接到第一泵108(1)的第一输出轴206(1)，并且第二变速器可以包括联接到第二泵108(2)的第二输出轴206(2)。
在一些示例中，每个拖车106可以向水力压裂系统100提供预定量的功率(马力)，以便完成水力压裂过程。可以基于每个拖车106的功率要求来确定每个拖车106的设计。例如，拖车106可能需要向水力压裂系统100提供大约5000HP。遵循这样的示例，在图2所示的配置中，每个泵108可以包括2500HP泵，由此减少泵108的功率要求。因此，由于电动机112可驱动多个泵108，所以图2所示的配置可降低单个泵108的马力要求。
图3描绘了流体泵系统104的第二配置300的示意图。在一些示例中，流体泵系统104的第二配置300可以基本上类似于流体泵系统104的第一配置200。然而，在第二配置300中，可以省略继电器。取而代之，图3所示的泵系统104可以包括电连接到电源126的专用启动器(或其它类型的电动机控制器)302。在该示例中，启动器302配置为启动电动机112。可以使用任何适当类型的启动器302来控制电动机112的启动。例如，启动器302可以包括任何类型的启动器，例如手动启动器、软启动器、自启动器或磁电动机启动器，包括直接在线启动器、转子电阻启动器、自动变压器启动器等。控制器132可以通信地联接到启动器302并且可以使启动器302启动和停止电动机112。例如，控制器132可以向启动器302发送信号，使得启动器的接触器接通或断开启动器的电路，由此使得功率从电源126流向电动机112或停止流向电动机112。如上所述，启动器302可以逐渐增大和减小供应到电动机112的电流，以便逐渐启动和停止电动机112。
变速器110可以包括离合器208，该离合器允许变速器110与电动机112脱离，由此允许电动机112在无(或减小的)负载下启动。另外，和/或可选地，变速器110可以包括离合器208，离合器208允许变速器110脱离和接合泵108。如前所述，电动机112可以被配置为以恒定速度操作，并且变速器110可以为泵108提供变化的速度和扭矩输出。例如，控制器132可以调节变速器110的传动比，以便调节泵108的压力和流速。因此，图3所示的配置300可消除在水力压裂过程中对电动机控制器来控制电动机112的速度的需要。另外，和/或可选地，由于电动机112可以在与电源126相同的电压下操作，所以图3所示的配置300可以不需要变压器来降低由电源供应到电动机的电压。
图4描绘了流体泵系统104的第三配置400的示意图。在一些示例中，第三配置400可以包括由电动机112供电的单个泵108。在第三配置400中示出的泵系统104包括变速器110，该变速器经由电动机112的驱动轴202联接到电动机112上。变速器110接收以第一速度旋转的电动机112的驱动轴202并且经由变速器110的输出轴206传递驱动轴的旋转能量。输出轴206可以以取决于变速器110的传动比(或速比)的第二速度旋转。在一些示例中，泵系统104可以包括一个或多个离合器208(在此称为“离合器208”)。离合器208可以被配置为用于使变速器110与电动机112和/或泵108接合和脱离。离合器208可以允许电动机112在无负荷下(即，在从变速器110和/或泵108断开的同时)启动，并且可以被配置为一旦电动机112达到预定速度就接合变速器110。另外，离合器208可配置为接合和脱离变速器110以进行各种附加操作。在一些示例中，控制器132可以被配置为接合和脱离离合器208。
图4所示的第三配置400可以描绘使用单个高马力泵的配置。例如，泵108可以包括5000HP泵。然而，图4中所示的泵108不限于5000HP泵，并且泵108可以根据具体的泵设计而具有不同的尺寸。具有单个泵108的第三配置400可以减少水力压裂系统100中所需的泵的数量。在一些示例中，图4所示的泵系统104可以包括电动机控制器128，电动机控制器128可以经由继电器130电连接到电动机112，类似于图2所示的第一配置200。可替代地，图4所示的单个泵配置可以包括与图2所示的第二配置300类似的专用电动机控制器(例如线路启动器等)。如前所述，电动机112可以被配置为以恒定速度操作，并且变速器110可以为泵108提供变化的速度和扭矩输出。例如，控制器132可以调节变速器110的传动比(或速比)，以便调节泵108的压力和流速。因此，图4所示的配置400可消除在水力压裂过程中对电动机控制器来控制电动机112的速度的需要。另外，和/或可选地，由于电动机112可以在与电源126相同的电压下操作，所以图4所示的配置400可以不需要变压器来降低由电源供应到电动机的电压。此外，第三配置400可以包括单个泵，并且因此可以减少水力压裂系统100中所需的泵的总数。应当理解，在图2-4中未示出的各种附加配置在本发明的范围内。图2-4不应被看作是限制性的，而是图2-4给出了恒速电动机112的几种可能的配置，该电动机经由一个或多个变速器110驱动一个或多个泵108。
图5-6共同示出了用于驱动电动机112向泵系统104提供动力的示例性方法500。示例性方法被示为逻辑流程图中的步骤的集合，该逻辑流程图表示可以用硬件、软件或其组合来实现的操作。在软件的上下文中，这些步骤表示存储在存储器中的计算机可执行指令。这样的计算机可执行指令可以包括执行特定功能或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。描述操作的顺序不旨在被解释为限制，并且可以以任何顺序和/或并行地组合任何数量的所描述的步骤以实现该过程。为了讨论的目的，并且除非另有说明，方法500参照水力压裂系统100、泵系统104和控制器132进行描述。具体地，并且除非另外指明，以下将针对控制器132来描述方法500以便于描述。另外，和/或可选地，方法500的至少一部分可以通过经由数据监测厢式车134中的一个或多个用户界面和/或经由包括在水力压裂系统100的各个部件上的用户界面的用户输入来执行。
参考图5，在502，控制器132接收指令以启动电动机112。在一些示例中，用户可以经由开关、用户接口，或向控制器132提供指令以启动电动机112的其他可选控件来提供用户输入。另外，和/或可替代地，控制器132可以从被配置为控制水力压裂过程的至少一部分的计算装置接收指令以启动电动机112。
在504处，响应于接收到启动电动机的指令，控制器132使离合器208脱离电动机112的驱动轴206。另外，和/或可选地，控制器132可以使离合器208脱离泵108。在一些示例中，使离合器208脱离电动机112的驱动轴206和/或脱离泵108可以使得电动机112能够在无负载(或在减小的负载)下启动。在一些示例中，控制器132可以通信地联接至变速器110和/或离合器208的电子控制模块(ECM)或其他控制器，并且可以向ECM提供指令以脱离和/或接合离合器208。
在506，控制器132启动电动机112，同时离合器208从电动机112的驱动轴206脱离。在一些示例中，电动机控制器128(例如VFD、启动器302或其他电动机控制器)可以控制电动机112的启动。例如，电动机控制器128可以调节供应到电动机112的电流的频率，直到电动机112的频率与电源126的频率同步并且电动机112达到恒定和预定速度(例如，1800RPM)。在一些示例中，控制器132可以指示电动机控制器128来启动电动机112。
在508，控制器132从电动机112的电动机速度传感器201接收电动机速度数据。在一些示例中，电动机速度数据表示电动机112的轴202的旋转速度，并且可以以每分钟转数(RPM)表示。在510，控制器132至少部分地基于从电动机速度传感器201接收的电动机速度数据来确定电动机112是否已经达到预定电动机速度。在一些示例中，电动机112可以被配置为以预定速度操作。另外，和/或可选地，用户可以经由控制器132指定预定速度。在一些示例中，电动机112可以从电动机控制器128接收数据，该数据指示电动机已经与电源126的供应电流同步(即，电动机112的电流的频率与由电源126供应的供应电流的频率同步)并且因此以预定速度操作。
如果控制器132在510确定电动机速度尚未达到预定电动机速度，则方法500返回到508，其中控制器132继续从电动机速度传感器201接收电动机速度数据。然而，如果在510控制器132确定电动机速度已经达到预定电动机速度，则方法500进行到512，其中控制器132经由继电器130旁路电动机控制器128。例如，控制器132可以经由继电器130接通和/或断开继电器130的一个或多个触点，以便将电动机控制器与电动机112断开。此外，控制器132可经由继电器130(或另一继电器)接通和/或断开继电器的一个或多个触点，以便将电动机112直接连接到电源126。如前所述，电动机112可以被配置为以与电源126相同的电压和/或频率操作。因此，可以减少和/或消除变压器的使用。
流程图600继续说明该方法。在602，控制器132接收目标泵数据。目标泵数据可以包括泵108(或多个泵)将要操作的目标流速和/或目标压力。目标流速表示泵108被要求泵送到井102中的压裂流体(或其他流体)的目标量。目标流速可以以加仑/分钟(GPM)、升/分钟(LPM)、桶/分钟，或任何其他流体体积/时间单位表示。目标压力表示泵108将压裂流体注入井102中的压力。目标压力可以表示为磅/平方英寸(psi)、帕斯卡(Pa)或任何其他压力量度。在一些示例中，目标流速可以限定用于水力压裂(或其他泵送)过程的各个阶段的目标流速(或流速范围)。该目标压力可以限定用于水力压裂过程的各个阶段的目标压力(或目标压力范围)。控制器132可以从另一个控制器、一个或多个计算系统或其他控制系统接收目标流速和/或目标压力。该目标流速和/或压力数据可以由用户和/或一个或多个计算程序来确定。目标流速和/或目标压力可以指定水力压裂系统100中的每个泵108在水力压裂过程的各个阶段期间操作所处的目标流速和/或压力范围。
在604，控制器132基于目标泵数据确定变速器110参数，例如传动比、速比或其他变速器参数。在变速器110包括CVT的示例中，在604处控制器132确定速比。控制器132可确定泵系统104输出在602处指定的目标流速和/或目标压力所需的变速器110的参数。在一些示例中，泵108输出(流速和/或压力)可以直接取决于变速器110的传动比或速比。控制器132可以依赖于一个或多个数据图、查找表、算法等来基于目标泵数据确定变速器110传动比。另外，和/或可选地，控制器132确定实现泵108处的目标流速和/或目标压力所需的变速器110的速度和/或扭矩输出。变速器110的速度和扭矩输出可以取决于传动比或在CVT变速器的情况下的速比。
在606，控制器132确定是否修改变速器110的参数(例如，行星传动比或速比)。例如，控制器132基于变速器110的当前位置确定是否修改变速器110的传动比(或速比)。如果控制器132确定变速器10的参数需要修改，则在608，控制器132使变速器110调节变速器110的参数。例如，控制器132使变速器110改变档位。可替代地，如果变速器110包括CVT，则控制器132可以调节变速器的一个或多个部件的位置以改变CVT的速比。在这样的示例中，变速器110可以在调节变速器110的速比的同时保持与电动机112和泵108接合。另外，和/或可替代地，变速器110可以在变速器的传动比被调节的同时与电动机112和/或泵108脱离，并且可以在传动比调节完成之后重新接合。在一些示例中，电动机112可以被配置为通过调节传动比来维持恒定速度。因此，一旦电动机112已经启动并且同步，就可以减少和/或消除对电力电子器件(例如电动机控制器)的需要。因此，可以使用单个电动机控制器来控制多个电动机的启动，并且可以一旦电动机已被启动和同步就旁路单个电动机控制器。一旦控制器132已经调节变速器110的参数，方法600进行到610。
然而，如果控制器132在606确定不修改变速器110的参数，则方法600继续至610，其中控制器132使离合器208接合在泵系统104中。如前所述，泵系统104可以包括在电动机112与变速器110之间和/或在变速器110与泵108之间的离合器208。照此，使离合器208在泵系统104中接合可以使离合器208将驱动轴202经由离合器208连接到变速器110。另外，和/或可替代地，使离合器208在泵系统104中接合可以使离合器208将变速器的输出轴206连接至泵108。一旦离合器208已经接合在泵系统104中，方法600可以返回到602，其中控制器132接收目标泵数据。在变速器110包括CVT的一些示例中，离合器208可保持接合，同时基于由控制器132接收的目标泵数据调节CVT的速比。
工业实用性
本发明描述了水力压裂系统100(或其他流体泵系统)中的泵系统104，其消除了对用于控制电动机112的专用电力电子器件的需要，并且消除了对变压器的需要，以降低从电源126到电动机112的供应电流的电压。该泵系统104包括电动机112，该电动机被配置为以恒定速度操作并且以与电源126相同的电压和/或频率操作。该电动机112机械地联接到一个或多个变速器110上，该变速器以经调节的速度和扭矩传递该电动机112的旋转能量。该一个或多个变速器110将电动机112的旋转能量传递到一个或多个泵108。
作为在此描述的配置的结果，电动机112被配置为以恒定速度操作，由此消除对于每个电动机112的专用电动机控制器128(例如VFD或其他电动机控制器)的必要性。如上所述，代替在水力压裂过程中改变电动机112的速度，泵系统104在水力压裂过程中调节变速器110的位置。减少在水力压裂系统100中使用的电动机控制器的量可以显著降低水力压裂系统100的成本。此外，由于电动机112被配置为在相对高的电压下操作，因此可以不必使用变压器，从而降低了水力压裂系统100的复杂性和/或成本。
虽然已经参照上述实施例具体示出和描述了本发明的各方面，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离所公开的精神和范围的情况下，可以通过对所公开的机器、系统和方法的修改来预期各种附加实施例。这些实施例应当被理解为落入基于权利要求及其任何等同物所确定的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于驱动泵的系统，所述系统包括：
电动机，其具有配置为以恒定速度旋转的驱动轴；
与电动机电连接的电源；
电动机控制器，其经由继电器可操作地连接到所述电动机，其中所述电动机控制器通过所述继电器可操作地连接到所述电动机以启动所述电动机，并且一旦所述驱动轴达到所述恒定速度，所述电动机控制器通过所述继电器可操作地与所述电动机断开；以及
泵，其经由变速器联接到所述驱动轴上，其中所述变速器被配置为用于将旋转能量从所述驱动轴经由所述变速器的输出轴传递到所述泵，所述变速器的输出轴被配置为用于在所述驱动轴以所述恒定速度旋转的同时以变化的速度驱动所述泵。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述泵包括联接到所述驱动轴的第一端的第一泵，并且所述系统包括联接到所述驱动轴的第二端的第二泵。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电动机在与所述电源相同的电压下操作。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述电动机控制器经由所述继电器电连接到多个电动机，并且一旦所述多个电动机中的各个电动机被启动和同步，所述电动机控制器就被旁路。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述泵包括水力压裂泵，所述水力压裂泵被配置为用于将压裂流体泵送到井筒中。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述变速器包括无级变速器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中调节所述变速器的传动比或速比导致所述泵的经调节的泵流速或泵压力中的至少一个。
8.一种电驱动系统，包括：
电源；
电动机，其电连接到所述电源并且被配置为以与所述电源相同的电压或频率操作，所述电动机具有被配置为以恒定速度旋转的驱动轴；以及
泵，其经由变速器联接到所述电动机的所述驱动轴，其中所述变速器的传动比或速比被选择成调节所述泵的流速或泵压力中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的电驱动系统，其中所述泵包括水力压裂泵，所述水力压裂泵被配置为用于将压裂流体泵送到井筒中。
10.根据权利要求1所述的电驱动系统，其中所述电驱动系统进一步包括电动机控制器，其经由继电器可操作地连接到所述电动机，其中所述电动机控制器通过所述继电器可操作地连接到所述电动机以启动所述电动机，并且一旦所述驱动轴达到所述恒定速度，所述电动机控制器通过所述继电器可操作地与所述电动机断开。
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