NO329732B1

NO329732B1 - Fremgangsmate for a oppdage en fluidlekkasje ved en stempelmaskin

Info

Publication number: NO329732B1
Application number: NO20074261A
Authority: NO
Inventors: Age Kyllingstad
Original assignee: Nat Oilwell Varco Norway As
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2010-12-13
Also published as: CN101796382A; EP2188609A1; CA2697016C; CA2697016A1; WO2009025558A1; US8412472B2; US20110046902A1; BRPI0815582A2; NO20074261L

Abstract

Fremgangsmåte for å oppdage en fluidlekkasje ved i det minste én stempelmaskin (1), hvor fremgangsmåten innbefatter: - å feste en trykkføler (18, 24) til i det minste en trykkside av den minst ene stempelmaskin (1); - å måle trykket på trykksiden av den minst ene stempelmaskin (1); - å feste en transmitter (28) til den minst ene stempelmaskin (1), hvor nevnte transmitter (28) gir et signal for å kalkulere den minst ene stempelmaskins (1) rotasjonshastighet; - å kalkulere den minst ene stempelmaskins (1) hastighet; - å kalkulere summen av nominelle strømningsrater fra alle stempelmaskiner (1); - å kalkulere en strømningsratekompensasjonsfaktor; - å kalkulere et normalisert trykk (42) som skal være likt utgangstrykket multiplisert med nevnte kompensasjonsfaktor for strømningsraten; og - å overvåke det normaliserte trykk (42) for å detektere en lekkasje.

Description

FREMGANGSMÅTE FOR Å OPPDAGE EN FLUIDLEKKASJE I EN STEMPELMASKIN

Denne oppfinnelse vedrører å oppdage en fluidlekkasje ved en stempelmaskin. Nærmere bestemt innbefatter fremgangsmåten for å oppdage en fluidlekkasje ved i det minste én stempelmaskin: - å feste en trykkføler til i det minste en trykkside på den minst ene stempelmaskin; - å måle trykket på trykksiden av den minst ene stempelmaskin; - å feste en føler til den minst ene stempelmaskin, hvor nevnte føler gir et signal for kalkulering av den minst ene stempelmaskins rotasjonshastighet.

Oppdagelse og lokalisering av lekkasjer i stempelmaskiner er viktig for å minimere kostnader og nedetid vedrørende ventil-og stempelhavarier. En lekkasje i én eller flere ventiler eller stempler vil forårsake et fall i den volumetriske virk-ningsgrad. Hvis en pumpe løper med konstant hastighet, forår-saker denne virkningsgradsreduksjon også at den virkelige strømningsrate og det midlere utløpstrykk faller. Et trykkfall kan imidlertid også være resultat av en reduksjon i den totale strømningsrate, utvendige lekkasjer eller reduksjoner i strømningsmotstanden. Denne motstand påvirkes av fluidtemperatur, viskositet og tetthet.

Fremgangsmåter i henhold til kjent teknikk for å oppdage lekkasjer ved en stempelmaskin påvirkes ofte av faktorer som er forskjellige fra de som vedrører en lekkasjes opptreden og har en tendens til å gi falske alarmer for eksempel på grunn av endringer i trykk og motstand i nedstrøms maskineri.

WO 2006/112721 omhandler en fremgangsmåte for å bestemme lekkasje i en stempelmaskin omfattende minst to stempler hvor stempelmaskinens rotasjonshastighet og dermed også volumstrøm gjennom stempelmaskinen varieres periodisk som en del av en tidsbegrenset, aktiv test samtidig som differensialtrykk og vinkelposisjon måles. Det utføres en vinkelposisjonbasert Fourieranalyse av måleverdier fra differensialtrykk og rotasjonshastighet som gjøres under nevnte test anvendes for eks-perimentell bestemmelse av amplitudeforholdet og fasediffe-ransen mellom volumstrømvariasjoner og trykkvariasjoner.

De nevnte amplitudeforhold og fasedifferanse sammen med vinkelposisjonbasert Fourieranalyse av måleverdier av differensialtrykk og rotasjonshastighet gjort etter den aktive test brukes for bestemmelse av lekkasjestrømmens amplitude og fase.

WO 03/087754 beskriver en fremgangsmåte for å oppdage en lekkasje i en stempelmaskin omfattende minst to stempler ved at stempelmaskinens i det minste utløpsvolumstrøm overvåkes og analyseres for eksempel ved hjelp av Forieranalyse for å kun-ne oppdage en strømningskomponent hvor strømningskomponenten har en frekvens som skiller seg fra stempelmaskinens grunnfrekvens, idet stempelmaskinens grunnfrekvens utgjøres av stempelmaskinens rotasjonsfrekvens multiplisert med stempelmaskinens antall stempler.

EP 0189021 omhandler overvåking av lekkasjer i hydraulikkpum-per bl.a. for å bestemme gjenværende pumpelevetid.

US 54 71400 beskriver en fremgangsmåte for overvåkning av ven-til og stempelringlekkasje i en gasspumpe. Trykket i sylinde- ren måles som en funksjon av volum og sammenlignes med en kjent modell.

DE 10355250 beskriver lekkasjedeteksjon i en enkeltsylinder-pumpe ved hjelp av trykkmåling og analyse.

Oppfinnelsens formål er å avhjelpe eller redusere i det minste én av kjent teknikks ulemper.

Formålet oppnås i henhold til oppfinnelsen ved de trekk som fremlegges i den etterfølgende beskrivelse og de påfølgende patentkrav.

En fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen for å oppdage en fluidlekkasje ved i det minste én stempelmaskin innbefatter: - å feste en trykkføler til i det minste en trykkside på den minst ene stempelmaskin; - å måle trykket på trykksiden av den minst ene stempelmaskin; - å feste en føler til den minst ene stempelmaskin, hvor nevnte føler gir et signal for kalkulering av den minst ene stempelmaskins rotasj onshastighet; - å kalkulere den minst ene stempelmaskins hastighet; - å kalkulere summen av nominell strømningsrate fra den minst ene stempelmaskin; - å kalkulere en kompensasjonsfaktor for strømningsrate; - å kalkulere et normalisert trykk som skal være lik ut-løpstrykket multiplisert med nevnte kompensasjonsfaktor for strømningsrate; og - å overvåke det normaliserte trykk for å påvise en lekkasje.

Selv om endring i det ubehandlede utløpstrykk er en mulig lekkasjedetektering, er det en fordel å kalkulere og overvåke et normalisert trykk. Det normaliserte trykk kompenseres fortrinnsvis for endringer i strømningsrate, fluidtemperatur og -tetthet. Særlig påvirker pumperaten trykket mye da de fleste trykkfall i en strømningssløyfe øker nesten med kvad-ratet av strømningsraten.

Det normaliserte trykk kan skrives som et produkt av kompen-sasjonsf aktorer og det målte trykk

Eller hvis kompensasjonen for endringer i fluidtemperatur og tetthet utelates Et mulig valg for en strømningsratekompensasjonsfunksjon er hvor q er summen av nominelle strømningsrater som kalkuleres fra hastigheten av alle igangværende pumper, g0er en valgt referansestrømningsrate og ( 3 er en eksponent. Et eksplisitt uttrykk for den nominelle strømningshastighet er

hvor ni angir antall stempler i pumpe nr i, Vi er slagvolumet for hvert stempel og Qier pumpens rotasjonshastighet. Verdien som velges for referansestrømningsraten er vilkårlig, for eksempel maksimum strømningsrate fra én pumpe.

Strømningsratekompensasjonsfaktoren blir således lik kvotienten for den kalkulerte sum av de nominelle strømningsrater for den minst ene stempelmaskin dividert med en valgt refe-ransestrømningsrate, hvor kvotienten opphøyes i en trykkeksponent som er mellom 1,2 og 2,5.

Trykkeksponenten /3 kan enten være satt som en konstant, men mer fortrinnsvis til en verdi mellom 1,2 og 2, eller den kan bestemmes eksperimentelt ved å måle de gjennomsnittlige ut-løpstrykk pxog p2for to forskjellige strømningsrater qiog q2og anvende formelen

Når det antas at et lineært forhold mellom trykkfall og temperatur er et passende valg for temperaturkompensasjonen, og når fluidets temperatur måles, så er temperaturkompensasjons-faktoren lik kvotienten 1 dividert med en differanse på 1 minus et temperaturparameter multiplisert med en differanse mellom en virkelig fluidtemperatur og en referansetemperatur. Temperaturfølsomhetsparameteret er kvotienten til en differanse mellom to trykk dividert med produktet av differansen mellom to temperaturer multiplisert med ett av trykkene, hvor de to trykk og de beslektede to temperaturer bestemmes eksperimentelt. Således skrives temperaturkompensasjonen hvor T0er en valgt referansetemperatur, for eksempel 20°C. y er et temperaturfølsomhetsparameter som kan bestemmes eksperimentelt. Hvis ingen økende lekkasjer er innblandet og trykket måles for to forskjellige fluidtemperaturer, Tjog T2, og alle andre parametere er konstant, så kan temperaturfølsom-hetsfaktoren finnes fra

I tilfeller hvor temperaturen ikke måles kontinuerlig, kan temperaturkompenseringen utelates, det vil si at CT kan settes lik 1.

Så lenge strømningen gjennom hovedstrømningssløyferestriksjo-nene er turbulent, så er trykkfallet nær proporsjonalt med fluidtettheten. Når fluidets tetthet måles, er tetthetskom pensasjonsfaktoren lik en kvotient for en referansetetthet og fluidets virkelige tetthet. Tetthetskompensasjonsfaktoren blir derfor

hvor p er den virkelige tetthet og p0er en valgt referansetetthet, for eksempel tettheten av vann. I tilfeller hvor tettheten sjelden endres eller ikke måles kontinuerlig, kan tetthetskompenseringen utelates, altså at Cd kan settes lik 1.

Hovedfordelen ved å bruke dette normaliserte trykk er at, i motsetning til selve trykket, er det nesten utavhengig av endringer i de nevnte variabler.

Det finnes imidlertid andre varierende faktorer som også påvirker trykket, men som er vanskeligere å modellere. Ett eksempel er det dreiemomentinduserte trykkfall over en nedi-hulls slammotor. Et annet eksempel er slampulstelemetrisyste-mer som kommuniserer ved hjelp av trykkpulser. For å unngå falske alarmer utløst av slike variasjoner, er det nødvendig å jevne ut eller lavpassfiltrere (low pass filter) det normaliserte trykk. Avbruddsfrekvensen (cut-off frequency) for et slikt lavpassfilter må være tilstrekkelig lav for å dempe ikke-kompenserte variasjoner effektivt, men ikke så lav at endringer fra virkelige lekkasjer forsinkes vesentlig.

En alarm kan aktiveres når lavpassfiltrert, normalisert trykk faller under en alarmgrense.

En annen utfordring er lange transienttider som betyr at det tar noen tid før en endring i strømningsforhold resulterer i et stabilt trykk. Når den totale strømningsrate endres, for eksempel som et resultat av en pumpehastighetsjustering, etableres ikke det nye likevektstrykk øyeblikkelig, men ty pisk noen få tidels sekund etter at endringen i strømnings-rate fant sted. Dette beror på fluidkompressibilitet og det betydelige fluidvolum i en strømningssløyfe. Endringer i fluidtemperatur eller -tetthet vil ha enda lengre transienttider, typisk lik sirkulasjonsomgangstiden som er lik det totale sirkulasjonsvolum dividert med strømningsraten.

Én måte å unngå eller minimere transienteffektene på er å holde det normaliserte lavpassfiltertrykket konstant og un-dertrykke alarminnstillingen i en viss tid etter en endring i strømningsforhold.

Det er upraktisk for en operatør å holde kontinuerlig fokus på det normaliserte trykk. Det er derfor nødvendig å la en datamaskin overvåke det normaliserte trykk og gi en alarm hvis det normaliserte trykk reduseres til under en viss alarmgrense. Siden både det normaliserte trykk og dets natur-lige svingninger varierer fra en kondisjon til en annen, bør en alarmgrense ikke være absolutt fast.

I en foretrukket utførelse fastsettes alarmgrensene automatisk ved hjelp av den følgende prosedyre: - å ignorere de korresponderende transientendringer av det normaliserte trykk under og i en karanteneperiode etter en vesentlig endring av den nominelle strømningsrate samtidig som lavpassfilterverdien av nevnte trykk holdes konstant under den nevnte periode. Den nødvendige karan-tenetid kan, avhengig av forholdene, variere fra typisk noen få sekunder til noen få minutter. - å overvåke det lavpassfiltrerte normaliserte trykk i lø-pet av en etterfølgende basisestimatperiode etter at karantenetiden er slutt. I løpet av basisestimatperioden, som typisk varer i noen få minutter, bestemmes verdien for det normaliserte trykk. - å bestemme alarmgrensen basert på det normaliserte trykk som måles i løpet av basisestimeringsperioden ved slutten av basisestimeringsperioden; hvor alarmgrensen base-res på middelverdien og variasjonene i det normaliserte trykk. Grensene kan enten være relative, for eksempel at en alarm settes hvis det normaliserte trykk faller under 95% av dets basisverdi, de kan være absolutte, for eksempel hvis den første harmoniske trykkamplitude avviker mer enn 1 bar fra basisverdien, eller de kan være en mer komplisert funksjon av både gjennomsnittsverdien og de-tekterte ekstremer av det normaliserte trykk. - å holde alarmgrensene konstant etter nevnte periode når stempelmaskinen løper med stabile betingelser som betyr at en lekkasjealarm aktiveres hvis det normaliserte trykk faller under alarmgrensen.

En lekkas jealarm er en indikasjon på at det er en høy sann-synlighet for at en økende lekkasje er under utvikling.

Fastsettelse av alarmgrensen kan innbefatte at grensen settes som en funksjon av i det minste middelverdien, standardavviket eller ekstremverdier av lavpassfiltrert, normalisert trykk som måles i løpet av nevnte basisestimeringsperiode.

I henhold til oppfinnelsen brukes det normaliserte trykk til å gi et forvarsel om at en lekkasje er under utvikling i sys-temet som helhet. Fremgangsmåten er ikke i stand til å lokalisere lekkasjen, det vil si å indikere hvor lekkasjen utvik-les .

I det følgende beskrives det et ikke begrensende eksempel på bruk av fremgangsmåten som anskueliggjøres i de vedlagte teg-ninger hvori: Fig. 1 viser skjematisk en pumpe med oppstrøms og nedstrøms rørforbindelser; og Fig. 2 viser en idealisert kurve som anskueliggjør det normaliserte rykk mot tid.

På tegningene betegner tallet 1 en såkalt triplexpumpe, ne-denfor kalt pumpe, som er forsynt med tre individuelt virken-de stempler 2 som strekker seg gjennom sine respektive sylin-dere 4. Bare det første stempel 2 og korresponderende sylinder 4 er vist. Sylindrene 4 står i forbindelse med en innløpsmanifold 6 og et oppstrømsrør 8 gjennom sine respektive innløpsventiler 10, og en utløpsmanifold 12 og et ned-strømsrør 14 gjennom sine respektive utløpsventiler 16.

En innløpstrykkføler 18 er forbundet med innløpsmanifolden 6 og står i forbindelse med en datamaskin 20 via en kabel 22, og en utløpstrykkføler 24 er forbundet med utløpsmanifolden 12 og står i forbindelse med datamaskinen 20 via en kabel 26. En rotasjonsvinkeltransmitter 28 er anordnet for å måle rota-sjonsvinkelen til pumpens 1 veivaksel 3 0 og står i forbindelse med datamaskinen 20 via en kabel 32.

En temperaturføler 34 og en tetthetsmåler 36 er forbundet med nedstrømsrøret 14 og står i forbindelse med datamaskinen 20 via kabler, henholdsvis 38 og 40.

Følerne 18, 24, transmitteren 28, føleren 34, måleren 36 og datamaskinen 2 0 er av typer som i og for seg er kjent, og datamaskinen 20 er programmert for å utføre de aktuelle kalku-lasjoner.

I tilfellet av en lekkasje i en ikke vist pakning for stempelet 2, vil utstrømningen gjennom ventilen 16 under pumpefasen reduseres med en mengde som er lik lekkasjestrømmen forbi stempelet 2.

Når strømningsraten reduseres, vil trykket p som måles av ut-løpstrykkføleren 28, synke. Et normalisert trykk 42 som er kalkulert som vist i beskrivelsens generelle del, vil også synke, se fig. 2. Når det normaliserte trykk 42 når en første grense 44, hvor den første grense automatisk innstilles som forklart i beskrivelsens generelle del, setter datamaskinen 20 i gang en alarm.

Det normaliserte trykk 42 kan ha gjennomgått en lavpass-filtrering og/eller blitt kompensert for fluidtemperatur og/eller fluidtetthet.

Alarmen som datamaskinen 20 setter i gang, kan utløse en videre undersøkelse for å lokalisere lekkasjen.

Claims

1. Fremgangsmåte for å oppdage en fluidlekkasje ved i det minste én stempelmaskin (1) hvor fremgangsmåten omfatter : - å feste en trykkføler (18, 24) til i det minste en trykkside på den minst ene stempelmaskin (1) ; - å måle trykket på trykksiden av den minst ene stempelmaskin (1) ; - å feste en føler (28) til den minst ene stempelmaskin (1), hvor nevnte føler (28) gir et signal for kalkulering av den minst ene stempelmaskins (1) rotasjonshastighet; - å kalkulere den minst ene stempelmaskins (1) hastighet,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter; - å kalkulere summen av nominell strømningsrate fra den minst ene stempelmaskin (1); - å kalkulere en kompensasjonsfaktor for strømningsrate; - å kalkulere et normalisert trykk (42) som skal være lik utløpstrykket multiplisert med nevnte kompensasjonsfaktor for strømningsrate; og - å overvåke det normaliserte trykk (42) for å påvise en lekkasje.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter: - å kalkulere en strømningsratekompensasjonsfaktor som er lik kvotienten for den kalkulerte sum av den nominelle strømningsrate for den minst ene stempelmaskin dividert med en valgt referansestrømningsrate, hvor kvotienten opphøyes i en trykkeksponent som er mellom 1,2 og 2,5.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat trykkeksponenten i strømningsratekom-pensasjonsfaktoren er mellom 1,5 og 2.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter: - å lavpassfiltrere det normaliserte trykk (42); og - å overvåke de normaliserte, lavpassfiltrerte trykk (42) for å detektere en lekkasje.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter: - å bestemme trykkeksponenten i strømningsratekompensa-sjonsfaktoren eksperimentelt ved å måle midlere utgangs-trykk ved to forskjellige strømningsrater, hvor trykkeksponenten er kvotienten av logaritmen av kvotienten av de to trykk dividert med logaritmen til kvotienten av de to strømningsrater.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter: - å måle fluidets temperatur; - å bestemme en temperaturkompensasjonsfaktor som er lik kvotienten 1 dividert med en differanse på 1 minus et temperaturparameter multiplisert med en differanse mellom en virkelig fluidtemperatur og en referansetemperatur og hvor temperaturfølsomhetsparameteret er kvotienten til en differanse mellom to trykk dividert med produktet av differansen mellom to temperaturer multiplisert med ett av trykkene, hvor de to trykk og de beslektede to temperaturer bestemmes eksperimentelt; - å multiplisere det normaliserte trykk med temperatur-kompensasj onsfaktoren; - å overvåke det temperaturkompenserte, normaliserte trykk (42) for å detektere en lekkasje.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter: - å måle fluidets tetthet,- - å bestemme en tetthetskompensasjonsfaktor som er lik en referansetetthetskvotient og fluidets virkelige tetthet ; - å multiplisere det normaliserte trykk med tetthetskom-pensasjonsf aktoren; og - å overvåke det tetthetskompenserte, normaliserte trykk (42) for å detektere en lekkasje.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter: - å aktivere en alarm når det lavpassfiltrerte, normaliserte trykk (42) faller under en alarmgrense (44).

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8,karakterisert vedat alarmgrensen (44) fastsettes automatisk ved hjelp av følgende prosedyre: - å ignorere de korresponderende transientendringer av det normaliserte trykk under og i en karanteneperiode etter en vesentlig endring av den nominelle strømnings-rate, samtidig som lavpassfilterverdien av nevnte trykk holdes konstant under den nevnte periode; - å overvåke det lavpassfiltrerte, normaliserte trykk (42) i løpet av en etterfølgende basisestimatperiode etter at karantenetiden er slutt og å bestemme basisverdien for det normaliserte trykk (42); - å bestemme alarmgrensen (44) basert på det normaliserte trykk som måles i løpet av basisestimeringsperioden ved slutten av basisestimeringsperioden; - å holde alarmgrensene konstant etter nevnte periode når stempelmaskinen løper med stabile betingelser.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 9,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter: - å bestemme grensen (44) som en funksjon av i det minste middelverdien, standardavviket eller ekstremverdier av lavpassfiltrert, normalisert trykk som måles i løpet av nevnte basisestimeringsperiode.