CN114198291A - 水力压裂泵控制系统 - Google Patents
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Abstract
本文描述了一种用于水力压裂泵的监测和控制系统，以减少或消除由泵负载动态引起的流体排放压力的有害振荡。监测和控制系统从泵的操作接收各种传感器数据，包括泵曲柄位置，并基于泵传感器数据、泵负载数据和/或泵速度数据执行泵控制方程或模型。结合柱塞数量、泵动力学、马达滞后和马达动力学等，泵控制方程或模型专用于泵的设计和动态操作。使用泵控制方程或模型，监测和控制系统确定控制用于泵马达的命令以减少或消除泵的振荡排放压力。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于在压裂现场监测和控制水力压裂泵的技术和系统，更具体地，用于检测和消除或减少泵速度、扭矩、流体排放压力和/或流量中的有害振荡。
背景技术
在水力压裂过程中，高压流体被泵入井眼，以在地下岩层中产生裂缝，通过这些裂缝提取石油或气体。在高压下将压裂液注入岩石中会产生并保持开放的裂缝，这刺激石油和气体流动通过岩石，并允许提取更大量的石油和气体。用于注入高压压裂液的水力压裂泵，除了其他组件外，还包括马达、曲轴、泵和操作员通过其控制流体注入的速度、流量或压力的操作员系统。在一些水力压裂操作中，使用由动力端和流体端组成的多路泵。多路泵的动力端容纳曲轴和多个连接活塞或十字头的连杆。流体端容纳多个柱塞，这些柱塞接收低压压裂液并以高压排出压裂液。
用于水力压裂操作的传感器和诊断系统可用于监测泵的输入/输出和流量，以及用于检测泄漏和其他系统故障。然而，诊断系统本质上通常是反应性的，并且在它们能够在水力压裂泵内检测到的问题/故障的范围方面受到限制。例如，由泵的正常操作引起的压力振荡会因惯性和马达-泵动力学而加剧，从而导致扭矩、排放压力和系统输出的流速/流量出现较大波动。这些波动会增加泵组件的磨损并缩短其寿命。这种波动还会影响泵马达的扭矩和热容量，其影响整个系统的性能。
例如，美国专利第7,668,694号(“‘694号专利”)描述了一种控制系统，用于在石油生产中使用的离心泵操作期间确定和控制井筒液位、输出流量和所需的泵操作速度。‘694专利中描述的系统包括用于推导扭矩和泵速度的值的矢量反馈模型，以及推导流体流量率和压头压力的值的泵模型。控制器用于控制泵以保持泵的期望输出流量率。然而，‘694专利中描述的系统没有讨论或解决涉及控制水力压裂中使用的往复式正位移泵中的潜在问题，特别是检测和减少流体排放压力、扭矩脉动、以及最终的泵/流速/流量中的振荡。此外，任何涉及泵速度反馈控制本身的解决方案都没有足够的带宽来克服振荡，尤其是在最低速度之外，并且实际上可能会加剧这种振荡。消除流量中的振荡有助于提供平稳的流量控制，并通过减少脉动来提高泵、马达和马达驱动系统组件的使用寿命。
本发明的示例实施例旨在克服上述的缺陷。
发明内容
为了克服上述水力压裂过程的问题和缺陷，本文描述的技术和系统涉及监测和控制水力压裂泵以检测和减少流体排放压力、扭矩脉动和流体速度/流量的振荡。监测和控制系统在水力压裂泵操作期间接收包括曲柄位置数据的各种传感器数据，并基于数据执行一个或多个模型或算法以确定泵控制命令来消除或减少在泵处的扭矩/压力振荡。
在本发明的示例中，与水力压裂泵相关联的马达控制系统包括泵曲柄位置传感器、一个或多个中央处理单元(CPU)和存储当由一个或多个CPU执行时使CPU执行各种操作的可执行指令的存储器。在该示例中，该操作包括向与水力压裂泵相关联的马达发送第一控制命令，以及从泵曲柄位置传感器接收曲柄位置数据，曲柄位置数据指示在马达的操作期间水力压裂泵的曲轴在第一时间的取向。该操作还包括确定当马达根据第一控制命令操作时与水力压裂泵相关联的负载数据，确定与水力压裂泵相关联的振荡负载模式，以及至少部分地基于曲柄位置数据、负载数据和与水力压裂泵相关联的振荡负载模式确定用于马达的与水力压裂泵相关联的第二控制命令。附加地，在该示例中，该操作包括向与水力压裂泵相关联的马达发送第二控制命令。
在本发明的另一个示例中，一种方法包括接收与水力压裂泵相关联的曲柄位置数据，曲柄位置数据指示在与水力压裂泵相关联的马达的操作期间水力压裂泵的曲轴在第一时间的取向。该示例中的方法包括确定在马达操作期间与水力压裂泵相关联的负载数据，并且至少部分地基于曲柄位置数据和负载数据确定用于与水力压裂泵相关联的马达的控制命令。附加地，在该示例中，该方法还包括至少部分地基于所确定的控制命令来控制与水力压裂泵相关联的马达。
在本发明的又一示例中，一个或多个非暂时性计算机可读介质存储可由处理器执行的指令，其中该指令在被执行时使处理器执行包括如下的操作：接收与水力压裂泵相关联的曲柄位置数据、曲柄位置数据指示在与水力压裂泵相关联的马达的操作期间水力压裂泵的曲轴在第一时间的取向，以及确定在马达的操作期间与水力压裂泵相关联的负载数据。在该示例中，该操作还包括确定与水力压裂泵相关联的振荡负载模式，以及至少部分地基于曲柄位置数据、负载数据和与水力压裂泵相关联的振荡负载模式确定用于与水力压裂泵相关联的马达的控制命令。附加地，在该示例中，该操作包括至少部分地基于所确定的控制命令来控制与水力压裂泵相关联的马达。
附图说明
图1解说根据本发明的一个或多个示例的包括马达控制系统的示例系统，该马达控制系统被配置来监测和控制水力压裂泵。
图2是解说根据本发明的一个或多个示例的示例计算环境的框图，该示例计算环境包括用于生成用于水力压裂泵的泵控制模型的建模系统。
图3是解说根据本发明的一个或多个示例的生成用于水力压裂泵的泵控制模型的示例过程的流程图。
图4是解说根据本发明的一个或多个示例的使用泵控制模型控制水力压裂泵的示例过程的流程图。
图5是示出根据本发明的一个或多个示例的与水力压裂泵的曲柄位置相关联的扭矩脉动的示例图表。
图6是示出根据本发明的一个或多个示例的与水力压裂泵的曲柄位置相关联的排放流量的示例图表。
具体实施方式
图1解说包括马达控制系统102的示例系统100，该马达控制系统102被配置为执行与水力压裂泵106相关联的泵控制模型104。如下所述，本发明的技术和系统涉及监测和控制马达和/或水力压裂泵106的其他组件以消除或减少由泵的负载动态引起的扭矩、泵速度和/或流体排放压力的有害振荡。在该示例中，马达控制系统102从水力压裂泵106接收各种传感器数据、曲柄位置数据，并基于传感器数据和诸如泵速度和泵负载数据的其他泵操作数据来执行泵控制模型104。该示例中的泵控制模型104专用于水力压裂泵106的物理构造和动态操作特性，例如柱塞数量、泵速度、冲程长度、传动比、马达滞后和泵-马达动力学等。使用泵控制模型104，马达控制系统102(在一些情况下也称为马达控制系统)确定用于水力压裂泵106的控制命令，例如泵速度或扭矩命令，以消除或减少水力压裂泵106的振荡排放压力。
在该示例中，水力压裂泵106是具有动力端108和流体端110的多路泵。在水力压裂泵106的操作期间，脉动扭矩负载和惯性的组合效应导致加剧的扭矩/压力负载振荡，以及通过泵的流体端110的相应流体速度/流量波动。在该示例中，马达控制系统102在内处理循环内检测并使用曲柄位置与水力压裂泵106的扭矩脉动之间的脉动动态以减少或消除扭矩脉动动态。具体地，马达控制系统102确定并向泵马达施加振荡力以减少或消除由脉动动态引起的振荡负载。如上所述，水力压裂泵106的最终减少扭矩/压力负载振荡通过提供更平滑和更可预测的流体速度和从泵进入井筒的流量来提高泵的性能。减少水力压裂泵106的扭矩/压力负载振荡还减少了对马达和水力压裂泵106的其他组件的磨损，包括限制马达的扭矩和热利用，这增加了马达和水力压裂泵106作为一个整体的可靠性和寿命。
泵106的动力端108容纳曲轴118和连接到活塞或十字头的多个连杆，而流体端110容纳相应数量的柱塞。在水力压裂泵106的操作期间，每个单独的柱塞在柱塞的下行冲程期间将低压压裂液从公共进气歧管吸入柱塞泵，然后在上行过程中将高压压裂液排出到公共排放口120。在各种实施方式中，水力压裂泵106包括不同的物理特性和/或泵规格，包括各种不同的最大功率输入(例如，2000-4000BHP)、不同数量的柱塞(例如，2-10个柱塞)、不同的冲程长度(例如，2-10英寸)，不同的最大泵速度值(例如，200-400RPM)，以及各种不同的泵重量、传动比等。
在该示例中，马达控制系统102连接到包括驱动水力压裂泵106的马达124的驱动系统122。在一些情况下，驱动系统122是电驱动系统。在这种情况下，驱动系统122的马达124是由包括逆变器和逆变器控制的变频驱动器驱动的电动马达。当使用电驱动系统122时，马达控制系统102通过确定和发送控制命令来控制马达124的马达速度和/或平均扭矩。例如，为了控制输出到水力压裂泵106的扭矩水平，马达控制系统102指示驱动系统122向逆变器控制器施加特定电压和/或电流，其向逆变器发送脉宽调制(PWM)信号以提供稳定的输出电压来驱动马达124。虽然该示例涉及包括马达124的电驱动系统122，但在其他示例中，驱动系统122和马达124涉及发动机和变速器。在一些示例中，驱动系统122经由驱动轴或耦合器耦合到水力压裂泵106，并且在驱动/马达侧和/或泵侧具有齿轮，或者没有齿轮。
如上所述，水力压裂泵106的动力端108包括旋转曲柄(也称为曲轴118)，其直接或间接地(例如，经由活塞、十字头等)驱动柱塞，以在柱塞的向下冲程/向上冲程期间，导致压裂液被吸入柱塞和从柱塞排出。随着曲柄旋转，不同的柱塞在旋转周期的不同时间吸入和排出流体。例如，在曲柄每旋转360度期间，每个柱塞都会排出一次高压压裂液。因此，水力压裂泵106的扭矩脉动频率是基于柱塞数量乘以当前泵速度来计算的。举例来说，对于以80RPM操作的5柱塞水力压裂泵106，水力压裂泵106每分钟输出400个扭矩脉动，每个扭矩脉动对应于高压流体从流体端110的单独排放。虽然在该示例中这些高压流体排放被称为扭矩/压力振荡(或扭矩/压力脉动)，但是应当理解，每个高压排放也对应于从流体端110排出的流体速度和流量的暂时增加。因此，每个扭矩/压力振荡与流量或速度振荡一致，并且这些术语在本文中可互换使用。
如图1所示，示例系统100还包括操作员系统126。在一些示例中，操作员系统126包括一个或多个计算设备128，具有允许操作人员控制水力压裂泵106的各种功能的用户输入控制，例如速度、平均扭矩、流量、压力和/或流体注射的混合。例如，在该示例中，速度控制130显示在用户界面上，允许操作员设置水力压裂泵106要进行操作时的速度(RPM)。在一些示例中，操作员系统126经由单独的计算设备128或系统，和/或使用在智能电话、个人计算机或操作人员的计算设备上执行的客户端软件应用程序来实现。在这样的示例中，操作员系统126可以经由一个或多个通信网络向水力压裂泵106发送控制命令和接收操作数据(例如，速度、平均扭矩/压力、流量率、发动机温度等。在其他示例中，操作员系统126、马达控制系统102和/或驱动系统122直接集成到水力压裂泵106中。在这种情况下，用户控制面板安装在包含水力压裂泵106的压裂泵拖车上，以给操作员系统126提供接口。
类似地，在该示例中，马达控制系统102被描绘为独立于驱动系统122、水力压裂泵106和操作员系统126操作的单独计算系统。在这样的实施方式中，马达控制系统102在具有专用处理器、存储器和网络组件的独立计算系统上操作，在这些计算系统上它从操作员系统126接收用户输入数据(例如，操作员输入的所需泵速度、压力和/或流量)，以及从水力压裂泵106和驱动系统122接收操作和传感器数据(例如，当前速度、扭矩和压力设置、曲柄位置数据、观察到的传感器数据等)。在各种其他实施方式中，马达控制系统102集成在操作员系统126内，和/或在水力压裂泵106本身内。因此，在一些示例中，水力压裂泵106包括计算设备和系统(例如，处理单元、存储器、通信系统等)，其结合了如本文描述的操作员系统126和/或马达控制系统102的技术和功能。
在本文描述的各种设计和配置中，马达控制系统102可以相对于操作员系统126和/或相对于水力压裂泵106部分或完全透明地操作。例如，在一些示例中，马达控制系统102从操作员系统126接收泵速度命令、平均扭矩/压力命令(和/或其他泵操作命令)，使用泵控制模型104确定马达控制命令来以减少或消除扭矩振荡的方式实现所需的泵速度和平均扭矩，并且然后将马达控制命令发送到驱动系统122用于控制马达124。
在水力压裂泵106的操作期间，马达控制系统102接收由安装在水力压裂泵106上或以其他方式与水力压裂泵106相关联的一个或多个传感器(例如，112-116)收集的各种数据。例如，传感器112是曲轴位置传感器，其监测动力端108内的曲轴118的角位置，并将曲轴位置数据和相应的时间数据发送到马达控制系统102。在一些情况下，曲轴位置数据识别曲轴118在其旋转期间的当前方向，表示为从0到360度的角度和/或以更小或更大的角度位置增量(例如，十分之一度或百分之一等，或两度增量、五度增量等)。
如下讨论，在一些示例中，马达控制系统102基于使用于控制马达124的马达控制命令来确定泵速度和/或从马达124输出到水力压裂泵106的平均扭矩。例如，在一些情况下，马达控制系统102基于施加到电动马达124内的逆变器的电压和电流信号来计算水力压裂泵106的估计平均扭矩。马达的速度可以通过电压的电频率来估计，或者马达控制系统102也可以在马达124正在驱动泵的动力端108时接收泵速度数据作为来自马达124的反馈。附加地或替代地，在泵的操作期间，各种马达传感器还使用于确认或校准水力压裂泵106的扭矩/压力输出。这些传感器检测来自水力压裂泵106的动力端108和/或流体端110的数据。例如，在该示例中，传感器114是压力传感器，其水力压裂泵106的操作期间，监测从流体端110排出的流体的排放压力。在一些情况下，来自压力传感器114的数据使用于检测排放压力的振荡，其也对应于马达124的扭矩输出的振荡和/或来自流体端的流体的速度/流量的振荡。如上所述，压力传感器114在一些情况下是可选的，并且不需要使用，在这种情况下，马达控制系统102使用一个或多个代理来估计泵负载，例如基于向马达124发送的控制命令以及水力压裂泵106的规格(例如，传动比、柱塞数量、冲程长度等)计算的负载/扭矩估计，马达控制系统102根据其计算经估计的泵负载。
如在该示例中所示，马达124被配置为测量马达正在操作时的当前速度(例如，以RPM为单位)(其对应于水力压裂泵106的泵速度)，并且将马达速度/泵速度数据发送返回到马达控制系统102。在一些示例中，马达控制系统102使用数据，例如来自传感器112的曲柄位置数据、基于在驱动系统122施加到马达124的电流和电压的经估计平均负载/扭矩数据、以及经由反馈回路从马达124接收的或从电压信号的估计频率估计的马达速度/泵速度数据，作为模型/方程的输入用于消除或减少扭矩振荡。在其他情况下，马达控制系统102接收并使用由水力压裂泵106的动力端108内的泵速度传感器116收集的泵速度数据。
尽管该示例描述了马达控制系统102从水力压裂泵106接收潜在的三种类型传感器数据(例如，来自传感器112的曲柄位置数据、来自传感器114的排放压力数据和来自传感器116的泵速度数据)，但在其他方面在示例中，马达控制系统102接收来自水力压裂泵106的各种附加或替代传感器数据和/或来自其他来源的数据。例如，传感器114和116在一些实施方式中是可选的。附加地，在一些情况下，马达控制系统102还接收来自一个或多个流铁传感器的数据、马达温度数据、压裂液成分或温度数据，和/或来自相同地点的其他水力压裂泵106的数据等。
马达控制系统102接收传感器数据(例如，曲柄位置数据)和/或与水力压裂泵106的操作相关联的其他数据(例如，泵速度和平均负载/扭矩数据)，并且向泵控制模型104提供该数据作为输入。泵控制模型104基于由马达控制系统102接收的输入数据来执行，并输出用于控制与水力压裂泵106相关联的马达124的数据以减少或消除流量中的有害振荡。在一些示例中，泵控制模型104包括在马达控制系统102内执行的方程和/或其他软件组件，包括用于基于输入曲柄位置(和相关时间)、泵速度数据，和经估计平均负载/扭矩数据输出马达控制命令的方程。泵控制模型104包括使用泵规格、用于计算数据(例如，如下面用示例方程更详细描述的气缸速度、流体排放速度、总排放速度和体积流量、平均压力、总扭矩、平均扭矩以及总扭矩的最终脉动部分)的基于物理的方程。
在各种实施方式中，泵控制模型104包括一种或多种算法，该算法被配置为使用在水力压裂泵106的操作期间一次或多次收集的曲柄位置数据以及水力压裂泵106在该泵操作期间的相关次数的平均泵速和/或平均泵负载。基于该数据，泵控制模型104输出一个或多个推荐命令用于控制水力压裂泵106的操作。在各种示例中，泵控制模型104包括基于在不同的泵速和平均扭矩下由水力压裂泵106产生的扭矩/压力振荡的方程。泵控制模型104的执行包括基于在特定时间收集的泵曲柄位置识别扭矩/压力振荡内的特定相移。在一些情况下，泵控制模型104根据在特定时间在动力端108内检测到的曲轴的取向来确定压力/负载振荡。在这种情况下，由马达控制系统102执行泵控制模型104包括确定(或使用)针对排放压力/负载的振荡波形模式，以及在振荡波形模式内对应于测量曲柄位置时的时间点的相位偏移值(或偏移曲柄角)。
在一些示例中，泵控制模型104使用有限的数据输入，例如由传感器112收集的曲柄位置数据、基于马达控制命令(例如，施加到马达124的电压和电流)的经估计平均泵负载，和/或经由反馈通道从马达124接收的马达速度/泵速度数据。然而，在其他示例中，泵控制模型104接收并使用附加输入数据来为水力压裂泵106提供更丰富和更稳健的预测模型。在各种示例中，到泵控制模型104的附加输入包括由传感器114收集的泵负载数据、由传感器116收集的泵速度数据、水力压裂泵106的各种物理特性(例如，柱塞数量、柱塞直径、冲程长度和传动比)，与内部泵动力学(例如，马达滞后、动力端108和流体端110之间的惯性/刚度动力学)相关联的数据，和/或由马达控制系统102接收的与水力压裂泵106的操作相关联的任何其他传感器数据或输入。
在某些情况下，泵控制模型104的输出包括马达控制命令，例如泵速度和/或扭矩命令，或由马达控制系统102向水力压裂泵106发送来控制马达124的操作的一系列速度/扭矩命令。尽管在该示例中被称为泵控制模型104，但是在各种实施方式中，泵控制模型104确定并输出泵速度调节(例如，RPM)、扭矩控制(例如，N-m)、发送到逆变器控制的电流命令、使用于将低压流体吸入流体端110的流量或进口压力等中的一个或多个。在某些情况下，马达控制命令包括指定什么时候要向马达124发送命令或一系列命令以消除或减少扭矩/压力振荡的时间数据。马达控制系统102执行泵控制模型104(和/或多个模型、方程或算法)来确定和发出泵速度调节、扭矩调节、电流命令、流量或使用于将低压流体吸入流体端110的进口压力等。在各种示例中，泵控制模型104输出这些数据中的任何一个或组合，马达控制系统102使用这些数据来以抵消或减少水力压裂泵106的扭矩/压力振荡的方式控制水力压裂泵106的操作，从而提供具有更平滑的泵速度、扭矩和流体流量的更一致泵操作。
图2描绘包括用于基于来自水力压裂泵106的数据生成和执行泵控制模型104的各种组件的计算环境200。在该示例中，计算环境200包括被配置为生成要由水力压裂泵106的马达控制系统102使用的泵控制模型104的建模系统216。如下讨论，由建模系统216生成的泵控制模型104包括用于确定要向驱动系统122发送以控制马达124的马达控制命令(例如，速度和扭矩命令、命令序列等)的方程。用于水力压裂泵106的泵控制模型104的方程接收包括曲轴118的位置/方向、当前泵速度，和当前平均泵负载/扭矩的输入，并输出马达控制命令和要以其向马达124发送这些命令以减少或消除水力压裂泵106处的速度振荡的时序。如下讨论，建模系统216基于该泵的设计规格，例如柱塞数量、柱塞直径、冲程长度、传动比和/或内部泵动力学，生成用于特定水力压裂泵106的泵控制模型104。使用该数据，泵控制模型104由建模系统216建立和校准以检测/预测将由水力压裂泵106在不同泵速度、平均负载/扭矩和/或其他操作特性下输出的扭矩/压力中的振荡模式。泵控制模型104包括相关联的方程/算法，该方程/算法被提供给水力压裂泵106并由水力压裂泵106执行，以确定用于水力压裂泵106部分或完全抵消振荡的马达控制命令，从而提供更平滑和更一致的泵速度、扭矩和流量。
在图2中，水力压裂泵106与上述图1中的相应水力压裂泵106相似或相同，但描绘了附加的系统和组件，包括硬件、存储器和网络组件，以更详细地描述由水力压裂泵106执行的技术。图2还描绘了建模系统216的各种组件、用于由建模系统216生成的泵控制模型的储存库224、以及计算环境200中的组件通过其进行通信的网络214。
如上面在图1中所讨论的，水力压裂泵106包括马达和具有多个接收压裂液并且然后在高压下排出压裂液的柱塞的流体端。如图所示，水力压裂泵106还包括马达控制系统202和各种传感器206。马达控制系统202经由一个或多个计算设备实现，并且包括一个或多个与处理器204和与处理器204通信耦合的存储器208。在一些示例中，计算设备对应于用于水力压裂泵106的机载马达控制系统202，其与上述马达控制系统102相似或相同。在图示的示例中，马达控制系统202的存储器208存储基于软件的组件以控制水力压裂泵106的机载操作，包括操作组件210和泵控制模型104。在一些示例中，操作组件210和/或者泵控制模型104执行上述马达控制系统102和/或操作员系统126的一些或全部功能。在其他示例中，马达控制系统202被远离水力压裂泵106地实现，在这种情况下，泵控制模型104也被远离水力压裂泵106地执行。在这些示例中，由传感器206收集的传感器数据通过网络214发送到远程马达控制系统202，远程马达控制系统202执行泵控制模型104并向水力压裂泵106的马达发送马达控制命令。
建模系统216包括处理器218和与处理器218通信耦合的存储器220。在所示示例中，建模系统216的存储器220和处理器218存储和执行下面更详细讨论的建模组件222。在各种实施方式中，建模系统216被实现在一个或多个服务器或其他计算设备上，每个服务器或其他计算设备包括一个或多个处理器218和存储能够执行建模组件222和/或实现本文描述的建模系统216的各种附加功能的计算机可执行指令的存储器220。建模系统216还包括网络接口和组件(未示出)，并且被配置为与水力压裂泵106、泵控制模型储存库224和/或各种其他外部系统或数据源中的一个或多个通信。
在一些示例中，建模系统216使用建模软件(例如，建模组件222)来生成和配置与特定类型/模型的水力压裂泵106相关联的泵控制模型104，并且最终的泵控制模型104适用于具有相同物理特性(例如，柱塞数量、柱塞直径、冲程长度、传动比等)和/或相同内部泵动力学(例如，马达滞后、马达与泵之间的惯性/刚度动力学等)的相同类型/模型的水力压裂泵106。在由建模系统216生成之后，不同的泵控制模型104被存储在泵控制模型库224中，并且基于水力压裂泵106的类型/模型被提供给马达控制系统202并由马达控制系统202执行。
在一些实施方式中，建模组件222完全基于水力压裂泵106的设计规格和/或物理特性生成泵控制模型104。在其他实施方式中，建模组件222还使用来自特定水力压裂泵106(例如，操作中的单个独立泵，而不是来自相同类型/产品模型的其他泵)的数据以生成和/或校准或配置特别适用于该特定水力压裂泵106的泵控制模型104。
在这种情况下，建模组件222使用泵特定数据，例如来自传感器的泵速度、压力和流量读数、泵特定马达滞后数据等，来生成泵控制模型104或校准/配置泵控制模型104，以在特定水力压裂泵106内使用。
尽管水力压裂泵106和建模系统216的系统和组件被图示和描述为单独的组件，但是各种系统的功能可以与所讨论的不同地被定性。在各种实现方式中，使用更多或更少的系统和组件来执行本文描述的技术。附加地，虽然在图2中描绘作为单独的系统，但是在其他示例中，建模系统216(例如，建模组件222)的各种组件和功能被并入到水力压裂泵106中。
该示例中的建模系统216生成基于软件的模型以预测水力压裂泵106的振荡负载模式行为，尤其是在不同的泵速度和/或不同的平均负载/扭矩值下操作的水力压裂泵106的负载振荡的幅度和相移。建模系统216包括建模组件222，其基于由建模组件222接收的输入数据生成、测试和/或校准/配置模型的方程来以尽可能最准确的方式确定振荡负载模式。在一些示例中，建模组件222包括机器设计工具(例如，基于CAD的)，其被配置为基于水力压裂泵106的物理规格(例如，设计、拓扑，和组成)在水力压裂泵106的操作范围内的各种速度-扭矩组合下执行仿真。建模组件222还仿真各种操作条件，包括操作时间、速度和扭矩，以及各种环境条件(例如，温度、压力、湿度等)的组合以确定在各种条件下在水力压裂泵106的操作期间的经估计/预测扭矩振荡。建模组件222包括具有电磁、热和机械组件的分析过程，以确定水力压裂泵106的各种多物理场效应和操作特性。
作为示例，建模组件222(例如，CAD软件)接收曲柄每次360度旋转期间的角度作为用于水力压裂泵10的输入，每个柱塞在该角度下吸入低压流体并排出高压流体。这些角度、连同泵速度和平均扭矩输入、以及水力压裂泵106的附加结构和几何特性一起被使用来确定/预测水力压裂泵106的操作时将发生的扭矩脉动。在这种情况下，最终的泵控制模型104适用于具有相同物理特性的其他相同类型的水力压裂泵，并且建模组件222为不同类型的水力压裂泵生成不同的泵控制模型104。在其他示例中，水力压裂泵106生成专用于一个特定水力压裂泵106的泵控制模型104，该模型考虑了泵之间的微小差异，包括缺陷、磨损、水力压裂泵106的安装和/或操作环境，在这种情况下，即使对于相同类型的不同马达，建模组件222也生成不同的模型。
在模型生成期间，建模系统216基于来自一个或多个水力压裂泵106的传感器数据可选地校准和/或配置泵控制模型104。与基于水力压裂泵106的物理规格的初始模型生成过程相反，在这些示例中的模型的校准使用来自在生产环境中操作的水力压裂泵的实际/观察数据。实际/观察数据包括传感器数据读数、温度读数、马达控制命令、马达运行数据、马达反馈数据的任意组合。建模组件222从水力压裂泵和/或存储该数据的数据存储器中检索实际/观察数据，以在发送到水力压裂泵106之前评估和校准泵控制模型104。在一些示例中，泵控制模型104最初使用计算流体动力学模型(CFD)进行校准，并在测试数据可用时和/或如果测试数据可用被使用测试数据进一步精炼。在一些情况下，电磁和CFD模型在用于多种不同类型的水力压裂泵106的开发期间被精炼(或关联)。在这种情况下，为水力压裂泵106的新设计生成的泵控制模型104包括内置设计假设，其随着时间的推移更加准确，并且包括准确的扭矩振荡数据。
如上所述，该示例中的建模组件222是基于CAD的软件工具，其被配置为生成用于预测在水力压裂泵106的各种操作条件下的扭矩振荡的模型。在该示例中，本文描述的泵控制模型104是基于物理学的。在一些情况下，泵控制模型104通过为操作中的水力压裂泵106确定要通过适当的滤波来考虑的平均扭矩/压力估计来校准。这种滤波器根据泵的速度是固定的或可变的，并且滤波器的频率低于振荡频率。由于振荡频率随着速度而增加，因此可以相应地增加滤波器频率。为了收集平均扭矩/压力估计值，建模系统216使用专用于特定水力压裂泵106的感应泵传感器数据和相关联的马达控制命令，并因此考虑任何特定的泵差异或缺陷、磨损、水力压裂泵106的安装和/或操作环境。在其他示例中，建模系统216使用不需要专用于将接收泵控制模型104的特定泵控制模型104、但专用于(例如，具有相同的设计规格的)一种类型的水力压裂泵106的数据来校准泵控制模型104。
在生成(和/或校准)泵控制模型104之后，建模系统216将提供向水力压裂泵106提供泵控制模型104，在那里它被存储在机载存储器208中并由操作组件210执行来确定在水力压裂泵106运行期间实时执行的马达控制命令，以消除或减少扭矩/压力振荡。如下文更详细地描述的，在水力压裂泵106内执行的操作组件210执行泵控制模型104的方程，以当水力压裂泵106正在生产环境中运行时，基于从传感器206接收的数据(例如，在第时间的曲柄位置数据)以及附加操作数据(例如，泵速度、平均扭矩输出)来确定马达控制命令。该示例中的传感器206包括一个或多个曲柄位置传感器、泵速度传感器、(例如，测量流体排放压力的)泵负载传感器、流量速度/体积传感器，和一个或多个环境传感器。在其他示例中使用各种附加的或替代的传感器206，包括来自流铁的传感器、马达温度传感器、压裂液成分或温度传感器，以及能够检测水力压裂泵106的操作和状态的任何其他传感器。在一些实例中，传感器206包括这些或其他类型的传感器中的每一个的多个实例。例如，水力压裂泵106可以具有设置在水力压裂泵106内的流体进口歧管、柱塞、排放管和数值内和周围的各个位置处的多个不同压力传感器。如该示例所示，各个传感器206向马达控制系统202提供数据，马达控制系统202使用传感器数据作为到泵控制模型104的输入。
计算环境200内的各种组件和系统还包括实现各种计算设备和系统(例如，水力压裂泵106和建模系统216)和/或其他本地或远程设备或服务器之间的通信的通信系统。例如，水力压裂泵106的通信系统212促进经由一个或多个网络214与建模系统216的通信。在各种示例中，通信网络214启用基于Wi-Fi的通信，例如经由由IEEE 802.11标准定义的频率、短距离无线频率(例如
)、使相应的计算设备能够与其他计算设备联接的其他无线电传输或任何合适的有线或无线通信协议。
水力压裂泵106的处理器204和建模系统216的处理器218包括能够执行指令以处理数据并执行如本文所述的操作的任何合适处理器。作为示例而非限制，处理器204和218包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)，或处理电子数据以将电子数据转换为可以存储在寄存器和/或存储器中的其他电子数据的任何其他设备或设备的一部分。在一些示例中，集成电路(例如，ASIC等)、门阵列(例如，FPGA等)和其他硬件设备在它们被配置为实现编码指令时被认为是处理器。
存储器208和存储器220是非暂时性计算机可读介质的示例。存储器208和存储器220各自存储操作系统和/或一个或多个软件应用程序、指令、程序和/或数据以实现本文描述的方法和技术，并执行归属于这些系统的各种功能。存储器208和存储器220使用任何合适的存储器技术例如静态随机存取存储器(SRAM)、同步动态RAM(SDRAM)、非易失性/闪存型存储器或能够存储信息的任何其他类型的存储器来实现。本文描述的架构、系统和单独的元件包括许多其他逻辑、程序和物理组件，附图中所示的其中那些仅仅是与本文的讨论相关联的示例。
应该注意，尽管图2被示为分布式系统，在替代示例中，建模系统216的任何或所有组件被在水力压裂泵106内实现，和/或反之亦然。此外，虽然各种系统和组件被示为离散系统，但是这些示例是说明性的并且更多或更少的离散系统可以执行本文所述的各种功能。
图3是描绘生成用于监测和控制水力压裂泵106的泵控制模型104的示例过程300的流程图。如下讨论，过程300包括基于水力压裂泵106的物理特性和设计规格生成(和/或校准)泵控制模型104，以检测和减少由水力压裂泵106的脉动扭矩负载和惯性引起的扭矩/压力振荡。在该示例中，过程300的技术和操作由在计算环境200内运行的建模系统216来执行。然而，在各种其他示例中，过程300由马达控制系统102、操作系统122和/或泵马达控制系统202单独地或与以上在图1和图2中描述的任何附加组件组合地来执行。
在操作302处，建模系统216接收一个或多个水力压裂泵106的泵规格。在一些情况下，建模系统216包括具有基于CAD的软件工具的建模组件222，该软件工具被配置为预测水力压裂泵106在各种操作条件下的扭矩振荡。在这种情况下，建模系统216接收特定水力压裂泵106的技术规格和尺寸，并且建模组件222分析在该水力压裂泵106中的每个物理组件的物理规格(例如，组件尺寸、形状、材料成分等)。这些物理规格包括但不限于传动比、柱塞数量、冲程长度和柱塞直径、以及在曲柄每次360度旋转期间的角度，每个柱塞在该角度下吸入低压流体和排出高压流体。
在操作304中，建模系统216建立泵控制模型104，其包括用于控制与水力压裂泵106相关联的马达124以消除或减少在水力压裂泵106的操作期间发生的扭矩振荡的方程。在一些示例中，泵控制模型104的方程基于并结合了当以不同泵速和/或不同平均扭矩输出操作时与水力压裂泵106相关联的扭矩/压力振荡的预测模式。在一些示例中，建模组件222使用有限元分析(FEA)软件工具和/或基于CAD的仿真工具来构建和执行用于预测扭矩/压力振荡的模型和适当的马达控制命令以在不同操作条件下消除或减少这些振荡。在各种情况下，使用计算流体动力学软件和/或集总参数建模工具，和/或建模组件222还包括分析水力压裂泵106的电磁、热和机械组件的过程，以确定马达在各种不同操作条件和环境下的多物理效果和输出。如上所述，在一些示例中，建模组件222在操作304中建立专用于特定的水力压裂泵106和/或具有相同的泵类型/产品型号和/或具有相同的物理特性、泵动态等的多个不同水力压裂泵106的模型。
在一个示例中，建模组件222基于在操作302中接收的泵规格执行一系列基于几何的方程，以确定水力压裂泵106的总扭矩输出的脉动扭矩部分。在该示例中，使用由水力压裂泵106输出的平均压力(Pavg)，建模组件222在泵控制模型104中提供以下代数方程用于计算每个气缸的瞬时扭矩：
方程1
在该示例中，方程1中的τai代表由水力压裂泵106输出的每个气缸的瞬时扭矩。Pavg代表马达控制系统202在泵运行期间基于提供给马达124的电流和电压来确定的、由水力压裂泵106输出的平均压力。R代表曲柄半径，θ代表曲柄角度(例如，以弧度为单位)，L代表杆长度，d代表柱塞直径(例如，以米为单位)，以及φi表示特定气缸的偏移角(例如，360*(i-1)/N，其中i表示气缸的数量并且N表示水力压裂泵106中气缸的总数)。
在这个示例中，方程1能够在曲柄循环期间输出气缸的正和负τai。但是，在操作中，气缸i的实际扭矩输出(τi))不会为负。因此，该示例中的建模组件222使用下面的方程2来消除由方程1输出的任何负扭矩排放速度：
τi＝τai，ifτai＞0；0，ifτa；≤0
方程2
继续该示例，马达控制系统202使用以下方程3计算在操作期间来自水力压裂泵106的总瞬时扭矩输出：
方程3
继续这个示例，τ代表从水力压裂泵106输出的总扭矩。附加项可以添加到上面的方程中，例如涉及加速泵曲柄的惯性扭矩，或代替平均值的动态压力，或初始行程期间估计的动态缸内压力升高。如上讨论，总扭矩输出ε的第一部分代表来自水力压裂泵106的平均扭矩输出，并且总扭矩输出的第二部分代表扭矩脉动。在该示例中，马达控制系统202使用下面的方程4计算来自水力压裂泵106的所有气缸的平均扭矩输出(τavg)，其中C是表示曲柄杆运动学的常数：
方程4
在此示例中，如果Pavg不可用，则根据来自电流和电压信号的马达扭矩估计来估计平均扭矩，上述关系用于计算Pavg，并且然后在方程1中用于计算扭矩。如果扭矩估计值和压力都可用，则可以通过综合这两者(例如，使用卡尔曼滤波器)来进行平均压力和扭矩的改进计算。继续该示例，马达控制系统202基于来自方程3的总扭矩输出(τ)和来自方程4的平均扭矩输出
使用下面来自泵控制模型104的方程5来计算脉动扭矩部分：
τpulsating＝τ-τavg
方程5
附加地或替代地，脉动扭矩是使用涉及开发脉动的谐波模型以及从仿真模型确定的多个谐波系数和对应相位的技术构建的。在这样的示例中，前馈控制中使用的脉动扭矩被表示为谐波的总和，其中每个谐波通过谐波系数乘以曲柄角的正弦并加上谐波的相角来计算。
在从测量中估计平均压力或扭矩时，在某些情况下使用滤波来避免与脉动相关联的振荡项。虽然可以从这些测量中使用滤波器，但可以根据曲柄的速度使滤波器可变，其中滤波器频率低于基本脉动频率，即柱塞数乘以曲柄速度。
返回操作304，在该示例中，建模组件222还在水力压裂泵106的仿真操作期间多次确定和建模曲柄位置数据。曲柄位置数据基于在操作302接收的水力压裂泵106的物理规格来确定，并且表示在与测量相关联的特定时间的角度(0到360度)。在该示例中，在与泵控制模型104的生成期间由建模组件222确定的其他操作数据和输出数据(例如，泵负载/压力和/或扭矩数据)相关联的时间确定多个曲柄位置数据测量值。
当在操作304中仿真水力压裂泵106的各种输出数据和操作数据(例如泵速度数据、扭矩输出数据和相应的曲柄位置数据)时，建模组件222分析组合数据来确定在该时间段期间水力压裂泵106的多个观察行为。例如，使用输出数据和操作数据，建模组件222确定水力压裂泵106的第一操作状态(例如，初始速度命令、平均扭矩/扭矩命令、流量命令等)和与第一操作状态相关联的扭矩或压力振荡。建模组件222还使用水力压裂泵106的仿真来确定发出的新控制命令(例如，更新的速度、更新的扭矩、流量调节等)，包括要应用新控制命令时的特定时间和/或曲轴角度，以及新控制命令对水力压裂泵106的扭矩/压力振荡的影响。例如，由建模组件222执行的泵仿真确定水力压裂泵106的扭矩/压力的振荡波形响应于在特定曲柄角执行的特定泵控制命令(例如，速度调节)而在幅度上增加。
如上所述，在操作304中的模型构建过程期间，由建模组件222接收和分析的输入数据包括一组输入，例如水力压裂泵106的物理特性和马达/泵动力学、在泵控制命令之前扭矩/压力脉动的仿真振荡负载模式，以及仿真泵控制命令的特性(例如，命令的类型、幅度和相关联的曲柄角)。在这些示例中，模型输入由建模组件222根据模型输出进行分析，模型输出包括仿真泵控制命令对仿真水力压裂泵106的振荡扭矩模式的影响。当模型输入和泵控制命令特性的组合导致消除或减少来自水力压裂泵106的扭矩/压力振荡时，建模组件222调节泵控制模型104的方程以更倾向于执行类似情形中的类似泵控制命令。相反，当模型输入和泵控制命令特性的组合对来自水力压裂泵106的仿真扭矩/压力振荡没有影响或放大时，建模组件222将泵控制模型104内的方程调节为不倾向于执行类似情形中的类似泵控制命令。在这些示例中，由建模组件222做出(例如，以在一情形期间倾向于或不倾向于执行一命令)的调节的幅度是基于来自仿真水力压裂泵106的有效扭矩/压力振荡的幅度的(例如，减少或增加振荡)。
在操作306处，建模系统216可选地接收并使用与一个或多个水力压裂泵106相关联的实际观察数据来校准在操作304中生成的泵控制模型。在该示例中，建模组件222检索实际操作数据记录和/或与来自一个或多个水力压裂泵106的先前操作相关联的对应传感器数据。校准数据包括由为其建立模型的那种类型的一个或多个水力压裂泵106的传感器(例如，传感器112-116)观察/捕获的历史数据。校准数据包括当水力压裂泵106在真实生产环境中运行时针对特定情形捕获的传感器数据、运行数据等。与在操作304中基于水力压裂泵106的物理规格执行软件仿真来创建泵控制模型104相反，在操作306中基于实际泵数据的校准考虑了在生产环境中操作的水力压裂泵106的微小差异，包括微小的工厂缺陷磨损、安装差异和/或环境差异等。
在操作308处，建模系统216向水力压裂泵106的机载马达控制系统202提供泵控制模型104。例如，建模系统216经由网络214向马达控制系统202发送泵控制模型104。马达控制系统202将泵控制模型104存储在存储器208内，用于在水力压裂泵106运行时由操作组件210机载执行泵控制模型104方程。在一些示例中，建模系统216建立、校准不同的水力压裂泵106并且向不同的水力压裂泵106发送。在这样的示例中，泵控制模型104之间的差异是基于水力压裂泵106的不同物理规格和/或由在操作306处使用的校准过程确定的不同校准数据或操作环境数据的。
图4是描绘使用泵控制模型104控制水力压裂泵106的示例过程400的流程图。如下讨论，过程400描述了使用泵控制模型104来控制水力压裂泵106的操作以消除或减少基于泵的操作(例如，泵速度和平均估计扭矩)的扭矩/压力振荡。在该示例中，过程400的技术和操作由水力压裂泵106的马达控制系统202执行，其执行使用与如上所述的泵控制模型104相似或相同的泵控制模型104的操作组件210。然而，在各种其他示例中，过程400由参考图1至图2描述的附加组件的任何组合来执行。
在操作402处，可以与如上所述的马达控制系统102相似或相同的操作组件210在压裂环境中操作水力压裂泵106。如上讨论，在水力压裂泵106的操作期间，水力压裂泵106内的柱塞从进口歧管中吸入低压压裂液，并将高压压裂液排出到公共排放口120。水力压裂泵106的特定操作取决于泵规格和物理特性，例如水力压裂泵106的功率输入、柱塞数量、冲程长度、传动比、泵速度规格、马达滞后和马达-泵动力学等。尽管该示例描述了最初控制水力压裂泵106的操作的操作组件210，但是在一些示例中，操作402由操作员系统126和/或由水力压裂泵106的内部计算设备来执行。在这些示例中，操作组件210不需要控制水力压裂泵106的初始操作，而是监测泵操作和传感器数据，以确定何时需要对泵操作进行调节来消除或减少水力压裂泵106的扭矩/压力振荡。
在操作404处，操作组件210确定在水力压裂泵106的操作期间的泵速度数据和/或泵负载数据。在一些示例中，操作组件210基于由操作组件210向马达124提供的马达控制命令确定在特定时间的泵速度和泵负载数据。如上所述，马达控制系统102内的操作组件210或其他组件通过确定和应用特定电压和/或电流到逆变器控制器来控制马达速度和/或水力压裂泵106的平均扭矩。在操作404中，操作组件210检索先前的泵速度和扭矩命令以确定在特定时间的泵速度数据和/或泵负载数据。在一些情况下，在操作404处确定的泵速度和/或泵负载数据是基于马达控制命令、而不是来自传感器的任何实际观察的估计。
在其他情况下，基于由水力压裂泵106的一个或多个传感器206收集的实际传感器数据，在操作404确定或修正泵速度和/或泵负载数据。在一个示例中，基于马达控制命令确定的经估计泵负载数据是基于由传感器114收集的流体排放压力测量值进行偏置的。如上讨论，在其他示例中使用替代的或附加的泵负载数据，例如由与泵相关联的传感器114和116收集的速度和/或扭矩测量读数。当在操作404中接收到泵负载传感器数据时，该传感器数据可选地包括对应于在水力压裂泵106操作期间的不同时间的多个数据读数/测量值。在一些情况下，由泵传感器每秒、每几分之一秒或每N毫秒等收集泵负载数据读数/测量值，使得在操作404中接收的泵负载数据反映一段时间内在水力压裂泵106处的泵负载变化。
在操作406处，操作组件210从水力压裂泵106的一个或多个传感器接收曲柄位置数据。在操作406中接收的曲柄位置数据包括如由曲柄位置传感器112在水力压裂泵106运行时的一个时间或一系列不同时间检测的、泵动力端108内的曲轴118的角度。在一些示例中，在与操作404中确定的泵速度和/或泵负载数据的适用时间相对应的时间收集曲柄位置数据，使得经估计泵速度和/或泵负载测量值可用于代表当时曲柄位置的位置的每个相关角度值。因此，操作组件210可以使用在操作404中确定的经估计泵负载/泵速度数据和在操作406中接收的曲柄位置数据的组合作为到泵控制模型104的输入来确定马达控制命令以消除或减少扭矩/压力振荡。
在操作408处，操作组件210确定泵控制命令是否可用，当该命令被发到水力压裂泵106时，将可能消除或减少在水力压裂泵106处经受的当前扭矩/压力振荡。为了确定泵控制命令是否可用，马达控制系统102基于在操作404和406中接收的输入数据执行泵控制模型104的一个或多个方程。如上讨论，在各种示例中，操作组件210执行特别为水力压裂泵106选择的泵控制模型104，并将在操作404处接收的泵速度数据(例如，经估计或观察的泵速度)和泵负载数据(例如，估计平均扭矩)以及在操作406接收的相关曲柄位置数据作为输入提供给泵控制模型104。来自泵控制模型104的输出包括泵控制命令或命令序列(例如，泵速度和/或扭矩调节)的推荐，包括命令的时序，其由模型104预测来消除或减少水力压裂泵106的当前扭矩/压力振荡。
在该示例中，泵控制模型104的输入至少包括在水力压裂泵106运行时的特定时间的泵负载数据(例如，排放压力)和对应曲柄位置数据。然而，如上讨论，在其他示例中，操作组件210向泵控制模型104提供附加的或替代的输入，例如泵速度、马达-泵动力学、流体数据、环境数据(例如，温度、湿度振动等)和/或本文描述的输入数据的任何其他组合。
在一些示例中，当泵控制模型104的输出指示水力压裂泵106的当前扭矩/压力振荡低于阈值水平和/或没有被预测来以大于阈值量消除或减少当前扭矩/压力振荡的可用泵控制命令时，则操作组件210确定将不发出控制命令来调节水力压裂泵106的操作(408：否)，在这种情况下过程400返回操作404以确定更新的泵操作数据和曲柄位置数据。此外，在一些示例中，泵控制模型104确定被预测来消除或减少水力压裂泵106的当前扭矩/压力振荡的一个或多个泵控制命令，但是这些命令在限制允许操作组件210进行的调节的一组预定操作参数之外。例如，在一些实施方式中，操作组件210被允许自主发出微小的泵控制调节，但不被允许停止水力压裂泵106或以大于阈值量显著地改变泵速度、扭矩、流量或流体成分。在这些示例中，过程400还返回到操作404以接收附加的泵传感器和操作数据，继续处理循环，在该处理循环期间多次执行泵控制模型104以监测和控制水力压裂泵106的扭矩/压力振荡。相反，当泵控制模型104的输出指示存在被预测来以大于阈值量消除或减少当前扭矩/压力振荡的可用泵控制命令时，操作组件210确定要对水力压裂泵106进行控制命令调节(408:是)。
在操作410处，操作组件210发送在操作408中经由执行泵控制模型104确定的命令，以控制水力压裂泵106的操作。在各种示例中，由泵控制模型104的输出确定的泵控制命令包括泵速度调节(增加或减少)、扭矩调节(增加或减少)、流量调节(增加或减少)或用于控制水力压裂泵106的操作的本文所述任何其他命令。在各种示例中确定的泵控制命令还包括调节的幅度，以及要发出泵控制命令以便具有消除或减少水力压裂泵106的扭矩/压力振荡的预测效果时的时间。在一些示例中，马达控制系统102确定用于发出/发送泵控制命令的时间，以便当泵动力端108内的曲轴118处于特定位置/角度时执行泵控制命令。在这些示例中，马达控制系统102在确定用于向水力压裂泵106发送控制命令的时间时考虑马达滞后、马达-泵动态和/或任何网络或数据处理延迟。
在操作408中确定并在操作410中发送的泵控制命令不需要是用于调节泵速度、扭矩、流量等的单个命令。在一些情况下，泵控制模型104的输出确定一系列泵控制命令，操作组件210在预定时间依次发送该一系列泵控制命令到与水力压裂泵106相关联的马达124以产生消除或减少扭矩/压力振荡的期望效果。在示例中，操作组件210在操作408-410中确定并发送泵控制命令，该泵控制命令包括对泵速度、扭矩等的小幅增加和减少的模式，每个都在特定时间/间隔被执行。在这个例子中，小调节序列增加和减少马达扭矩、速度等不在速度、扭矩、压力或流量方面不影响整体泵操作，但是有效地消除或减少水力压裂泵106的扭矩/压力振荡，以提供具有更平滑的速度、扭矩和流体流量的更一致泵操作。
在上述示例中，操作组件210在操作408和410中自动确定并发送泵控制命令，以相对于水力压裂泵106的操作人员部分或完全透明的方式调节水力压裂泵106的操作。然而，在其他示例中，操作410中发送泵控制命令包括通知和/或接收来自操作水力压裂泵106和/或集成到水力压裂泵106中的用户设备或马达控制系统202的操作员系统126内的手动或自动泵控制系统的用户人员的许可。在这种情况下，操作组件210向手动或自动泵控制系统发送请求和/或推荐的泵调节，接收响应，然后响应于从手动或自动系统接收到对推荐泵调节的批准，向水力压裂泵106发送泵控制命令。
现在参考图5，描述了示例图表500，其示出了在水力压裂泵106的操作期间与水力压裂泵106的动力端108内的曲柄的角位置相关联的、具有一系列扭矩脉动的波形。在一些情况下，在图表500中所示的扭矩脉动数据在水力压裂泵106的基于软件的仿真期间由建模组件222确定。在该示例中，在图表500中所示的扭矩脉动是基于包括计算流体动力学软件的水力压裂泵106的结构分析而确定的。图5所示的脉动(或振荡)由仿真泵的气缸内的不同柱塞产生的单个扭矩脉动的组合引起。如上讨论，脉动频率和模式是基于仿真泵的设计规格的，包括气缸和柱塞的数量(例如，3柱塞、5柱塞等)、柱塞直径、曲柄半径、杆长度，以及仿真泵的马达速度和扭矩输出。在其他示例中，图表500对应于在环境中操作的水力压裂泵106的实际观察测量值，而不是来自建模系统216执行的仿真。在该示例中，在图5的示例扭矩脉动图表500内，点502表示在仿真期间应用泵控制命令来调节仿真水力压裂泵的操作。与该示例一致的各种仿真泵控制命令包括增加或减少泵速度、扭矩、流量的调节，或对水力压裂泵106的操作控制的任何其他调节。如该示例所示，在点502处表示的仿真泵控制命令被应用在曲柄角504处，并且对消除和减少水力压裂泵仿真内的扭矩脉动具有可测量的效果。
图6解说了另一个示例图表600，其示出了具有水力压裂泵106的一组脉动的波形。在该示例中，图表600描绘了与仿真泵的曲轴的角位置相关联的、来自仿真水力压裂泵106的排放流量。如该示例中所示，点602代表另一个仿真泵控制，例如用于增加或减少泵速度、扭矩、流量等的命令。如图6所示，仿真泵控制命令602在曲柄角604处被发送到仿真泵的马达，导致仿真水力压裂泵106的排放流量脉动减少。如这些示例所示，通过本文描述的前馈扭矩控制技术，在通过分析如图5和图6中所示的仿真确定的特定时间/曲柄角度应用的马达控制命令，在生产环境中操作的实际水力压裂泵106内消除和/或减少了扭矩振荡和减少流量脉动。
工业实用性
本发明总体上涉及以消除或减少泵速度、流体排放压力和流量中的有害脉动的方式监测和控制水力压裂泵的操作。在常规泵中，由泵的操作和马达-泵动力学引起的正常压力振荡，由于惯性而加剧，通常会导致扭矩、排放压力和泵输出的流体速度/流量出现较大波动。这种波动会增加泵内组件的磨损并缩短其寿命，并且还会影响泵马达的扭矩和热容量，从而影响泵的性能。
使用本文描述的系统和技术，并且使用鲁棒预测模型而不是仅在有害扭矩/压力振荡已经发生之后响应的反应技术来监测、消除或减少水力压裂泵的扭矩/压力振荡。因此，本文描述的用于监测和控制扭矩/压力振荡的技术减少了磨损并延长了泵组件的寿命。这些技术还通过减少或消除扭矩、压力和/或流量的振荡以提供更平滑和更一致的流体排放速度和来自泵的压裂液的流量来改进泵的性能。
附加地，虽然本文描述的某些示例具体涉及水力压裂泵操作的改进，但本文描述的技术为其他泵类型和/或在正常泵操作和/或流体动力学导致泵速度、压力、扭矩或流量的不希望振动的其他环境中提供作用。例如，本文描述的各种技术适用于用于废水处理的商业流体泵系统、用于输送燃料或化学品的工业泵、灌溉水泵等。
虽然已经参考以上实施例具体地示出和描述了本发明的各方面，但是本领域技术人员将理解，在不背离所公开的精神和范围情况下，可以通过所公开的机器、系统和方法的修改来设想各种附加实施例。这些实施例应被理解为落入如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 (15)
1.一种与水力压裂泵相关联的马达控制系统，包括：
泵曲柄位置传感器；
一个或多个中央处理器(CPU)；以及
存储可执行指令的存储器，该指令当由所述一个或多个CPU执行时使所述CPU执行包括以下操作的操作：
向与水力压裂泵相关联的马达发送第一控制命令；
从泵曲柄位置传感器接收曲柄位置数据，该曲柄位置数据指示在所述马达的操作期间的第一时间的水力压裂泵的曲轴的取向；
确定当所述马达根据所述第一控制命令操作时与所述水力压裂泵相关联的负载数据；
至少部分地基于所述曲柄位置数据和与所述水力压裂泵相关联的所述负载数据，确定用于与所述水力压裂泵相关联的所述马达的第二控制命令；以及
向与所述水力压裂泵相关联的所述马达发送所述第二控制命令。
2.如权利要求1所述的马达控制系统，所述操作还包括：
确定在所述马达的操作期间所述马达的速度，其中确定所述第二控制命令还基于所述马达的速度。
3.如权利要求1所述的马达控制系统，其中确定所述第二控制命令包括：
接收与所述水力压裂泵相关联的模型；以及
执行与所述模型相关联的方程，其中执行所述方程包括提供所述曲柄位置数据和所述负载数据作为到所述方程的输入。
4.如权利要求3所述的马达控制系统，其中接收与所述水力压裂泵相关联的所述模型包括至少部分地基于如下所述检索与一个或多个水力压裂泵相关联的多个模型：
所述水力压裂泵的活塞数；
与所述水力压裂泵的所述活塞相关联的柱塞直径；以及
与所述水力压裂泵相关联的冲程长度。
5.如权利要求1所述的马达控制系统，其中确定所述负载数据包括：
至少部分地基于提供给所述马达的电压或电流，计算与所述水力压裂泵相关联的所述马达的平均估计扭矩输出。
6.如权利要求1所述的马达控制系统，其中确定所述负载数据包括：
在所述马达的操作期间从与所述水力压裂泵相关联的传感器接收负载测量数据；
应用滤波器到负载测量数据；以及
至少部分地基于所述马达的速度和所述水力压裂泵的柱塞的数量来确定所述滤波器的频率。
7.如权利要求1所述的马达控制系统，其中确定所述负载数据包括：
确定与所述水力压裂泵相关联的所述马达的平均估计扭矩；
确定与所述水力压裂泵相关联的输出压力；以及
至少部分地基于所述平均估计扭矩和所述输出压力来确定所述负载数据。
8.如权利要求1所述的马达控制系统，所述操作还包括：
确定与所述曲轴的加速度相关联的惯性扭矩值，其中确定所述第二控制命令还基于所述惯性扭矩值。
9.如权利要求1所述的马达控制系统，其中确定所述第二控制命令还包括：
至少部分地基于一次谐波系数和所述曲柄位置数据确定一次谐波；
至少部分地基于二次谐波系数和所述曲柄位置数据确定二次谐波；以及
计算所述一次谐波和所述二次谐波的总和，其中所述第二控制命令还基于所述一次谐波和所述二次谐波的总和。
10.一种方法，包括：
接收与水力压裂泵相关联的曲柄位置数据，该曲柄位置数据指示在与所述水力压裂泵相关联的马达的操作期间的第一时间的水力压裂泵的曲轴的取向；
确定在所述马达的操作期间与所述水力压裂泵相关联的负载数据；
至少部分地基于所述曲柄位置数据和所述负载数据，确定用于与所述水力压裂泵相关联的所述马达的控制命令；以及
至少部分地基于所确定的控制命令来控制与所述水力压裂泵相关联的所述马达。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：
确定在所述马达的操作期间所述马达的速度，其中确定所述控制命令还基于所述马达的速度。
12.如权利要求10所述的方法，其中确定所述控制命令包括：
接收与所述水力压裂泵相关联的模型；以及
执行与所述模型相关联的方程，其中执行所述方程包括提供所述曲柄位置数据和所述负载数据作为到所述方程的输入。
13.根据权利要求12所述的方法，其中接收与所述水力压裂泵相关联的所述模型包括至少部分地基于如下所述检索与一个或多个水力压裂泵相关联的多个模型：
所述水力压裂泵的活塞数；
与所述水力压裂泵的活塞相关联的柱塞直径；以及
与所述水力压裂泵相关联的冲程长度。
14.如权利要求10所述的方法，其中确定所述负载数据包括：
在所述马达的操作期间从与所述水力压裂泵相关联的传感器接收所述负载测量数据；
应用滤波器到负载测量数据；以及
至少部分地基于所述马达的速度和所述水力压裂泵的柱塞的数量来确定所述滤波器的频率。
15.如权利要求10所述的方法，其中确定所述负载数据包括：
确定与所述水力压裂泵相关联的所述马达的平均估计扭矩；
确定与所述水力压裂泵相关联的输出压力；以及
至少部分地基于所述平均估计扭矩和所述输出压力来确定所述负载数据。
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