КЕПСТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСПРАВНОСТИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
CEPSTRAL ANALYSIS OF HEALTH OF OIL-FIELD PUMPING EQUIPMENT

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка заявляет приоритет и преимущество по предварительной заявки на патент США № 62/028147, озаглавленной ʺAngular Displacement Prognostics and Health Determination of Rotating Devicesʺ поданной 23 июля 2014 года, полный объем которой включен в данное описание посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Поршневые насосы используются для широкомасштабных технологических операций высокого давления на буровых площадках нефтяных месторождений. К данным операциям могут относиться: бурение, цементирование, кислотная обработка, водоструйная резка, а также гидроразрыв подземных пластов. В некоторых вариантах применения несколько насосов могут быть параллельно соединены с отдельным манифольдом, напорным трубопроводом или скважиной. Некоторые насосы содержат элементы для вытеснения флюида, которые приводятся в движение коленчатым валом и выталкивают флюид по направлению к флюидной камере и из нее, попеременно создавая разрежение и избыточное давление, выталкивая флюид из флюидной камеры. Например, при гидравлическом разрыве подземных пластов может использоваться флюид под давлением свыше 68,95 МПа (10000 фунтов на квадратный дюйм (PSI)).
[0003] Успешное выполнение операций закачки может зависеть от многих факторов, к которым относятся: физические габариты, масса, интенсивность отказов, а также безопасность. Из-за высокого давления, а также абразивных свойств некоторых флюидов компоненты уплотнений или другие элементы насоса могут изнашиваться или разрушаться. Чаще всего данные дефекты обнаруживаются слишком поздно, что приводит к отказам насоса во время операций закачки и/или серьезному повреждению насосов и другого оборудования. Сбои в процессе закачки могут снижать производительность операций закачки, что приводит к снижению добычи углеводородов. В некоторых случаях операции закачки могут повторяться, что приводит к значительным финансовым затратам и потерям производственного времени.
[0004] Ввиду приведенных выше последствий техническое обслуживание насосов и своевременное выявление дефектов являются приоритетными задачами для нефтяной и газовой промышленности. При этом некоторые системы мониторинга исправности насосов не имеют возможности точно определять или прогнозировать отказы и часто генерируют ложные срабатывания, вызывая такие проблемы, как излишнее техническое обслуживание насосов и прерывания операций закачки. С целью подготовки к отказам насосов, а также другим неисправностям насосные системы могут содержать дополнительные насосные агрегаты, находящиеся в режиме готовности, что является дорогостоящим мероприятием для предотвращения прерываний операций закачки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Данная сущность изобретения приводится с целью ознакомления с выбором концепций, которые дополнительно описываются в приведенном ниже подробном описании. Данная сущность изобретения не предназначена для определения неотъемлемых признаков заявленного предмета, а также не предназначена для использования с целью ограничения объема заявленного изобретения.
[0006] Данное изобретение относится к устройству, содержащему систему мониторинга для оценки исправности насосного агрегата. Насосный агрегат содержит несколько компонентов, включая первичный привод и насос, приводимый в действие посредством первичного привода. Система мониторинга содержит средства связи для получения данных углового положения и параметрических данных. Данные углового положения содержат значения угловых положений, связанные с работой насосного агрегата. Параметрические данные содержат значения параметра, связанного с насосным агрегатом и изменяющегося в зависимости от угловых положений. Устройство также содержит блок обработки данных, выполненный с возможностью определения кепстра параметрических данных в зависимости от данных углового положения. Блок обработки данных также выполнен с возможностью вычисления соотношения первой амплитуды кепстра при значении кьюфренси (сачтоты) близком к нулю ко второй амплитуде кепстра при ненулевом значении кьюфренси. Вычисленное соотношение является показателем исправности одного из компонентов насосного агрегата.
[0007] Данное изобретение также относится к способу, включающему приведение в действие насосного агрегата, содержащего несколько компонентов, включая первичный привод и насос, приводимый в действие первичным приводом. Затем блок обработки данных приводится в действие для вычисления, в зависимости от углового положения, обусловленного работой насосного агрегата, кепстра параметра, связанного с насосным агрегатом и изменяющегося в зависимости от углового положения. Блок обработки данных также используется для вычисления соотношения первой амплитуды кепстра при значении кьюфренси близком к нулю и второй амплитуды кепстра при ненулевом значении кьюфренси. Способ также включает оценку на основании вычисленного соотношения исправности одного из компонентов насосного агрегата, связанного с ненулевым значением кьюфренси.
[0008] Данное изобретение также относится к способу, включающему приведение в действие первого насосного агрегата и приведение в действие первого блока обработки данных для формирования профиля исправности первого компонента первого насосного агрегата. Профиль исправности формируется в течение значительной части срока эксплуатации первого компонента посредством: вычисления, в зависимости от первых данных углового положения, обусловленных работой первого насосного агрегата, первого кепстра первых параметрических данных, которые содержат первые значения параметра, связанного с первым насосным агрегатом; вычисление первого соотношения, связывающего первую амплитуду первого кепстра при значении кьюфренси близком к нулю и вторую амплитуду первого кепстра при ненулевом значении кьюфренси, связанном с первым компонентом; и сопоставление первого соотношения с текущим уровнем исправности первого компонента. Способ также включает приведение в действие второго насосного агрегата, который практически функционально и конструктивно аналогичен первому насосному агрегату. Второй насосный агрегат содержит второй компонент, который практически функционально и конструктивно аналогичен первому компоненту. Способ также включает приведение в действие второго блока обработки данных для: вычисления второго кепстра вторых параметрических данных, содержащих вторые значения параметра, в соответствии со вторыми данными углового положения, связанными с эксплуатацией второго насосного агрегата; и вычисления второго соотношения, связывающего первую амплитуду второго кепстра при значении кьюфренси близком к нулю и вторую амплитуду второго кепстра при ненулевом значении кьюфренси. Затем на основании профиля исправности и второго соотношения оценивается исправность второго компонента.
[0009] Эти и другие аспекты данного изобретения изложены ниже в последующем описании и/или могут быть изучены специалистами в данной области техники при чтении материалов данной заявки и/или применении на практике принципов, описанных в данной заявке. По меньшей мере некоторые аспекты данного изобретения могут быть реализованы с помощью средств, перечисленных в прилагаемой формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0010] Данное изобретение будет очевидно из последующего подробного описания при прочтении вместе с сопроводительными чертежами. Следует подчеркнуть, что в соответствии с установившейся практикой в данной отрасли промышленности, некоторые объекты проиллюстрированы без соблюдения масштаба. Фактически, для ясности обсуждения размеры некоторых объектов могут быть произвольно увеличены или уменьшены.
[0011] На Фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение по меньшей мере части устройства в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения.
[0012] На Фиг. 2 проиллюстрирован перспективный вид части типовой реализации устройства, проиллюстрированного на Фиг. 1, в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения.
[0013] На Фиг. 3 проиллюстрирован фронтальный разрез типовой реализации устройства, проиллюстрированного на Фиг. 2, в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения.
[0014] На Фиг. 4 проиллюстрирован частичный разрез типовой реализации устройства, проиллюстрированного на Фиг. 2, в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения.
[0015] На Фиг. 5 проиллюстрировано схематическое изображение по меньшей мере части устройства в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения.
[0016] На Фиг. 6-15 проиллюстрированы графики, связанные с одним или более аспектами данного изобретения.
[0017] На Фиг. 16 проиллюстрирована блок-схема по меньшей мере части типового варианта реализации способа в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения.
[0018] На Фиг. 17 проиллюстрирована блок-схема по меньшей мере части типового варианта реализации другого способа в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0019] Следует понимать, что в последующем описании представлено множество различных вариантов реализации изобретения или примеров для реализации различных особенностей различных вариантов реализации изобретения. С целью облегчения понимания данного изобретения ниже приводятся конкретные примеры компонентов и механизмов. Несомненно, они являются всего лишь примерами и не предназначены для ограничения объема изобретения. Кроме того, в данном описании в различных примерах номера позиций и/или буквенные обозначения могут повторяться. Данное повторение используется для простоты и ясности, но оно само по себе не обуславливает взаимосвязи между различными вариантами реализации изобретения и/или обсуждаемыми конфигурациями. Кроме того, расположение первого объекта над или на втором объекте в последующем описании может включать варианты реализации изобретения, в которых первый и второй объекты располагаются в непосредственном контакте, а также может включать варианты реализации изобретения, в которых дополнительные объекты могут располагаться путем вставки первого и второго объектов таким образом, чтобы первый и второй объекты не находились в непосредственном контакте.
[0020] На Фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение по меньшей мере части типовой насосной системы 100 в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения. На чертеже проиллюстрирована поверхность буровой площадки 102, прилегающая к стволу скважины 104, а также частичный разрез подземного пласта 106, в котором ниже поверхности буровой площадки 102 пробурен ствол скважины 104. Насосная система 100 может содержать первый смеситель 108, гидравлически соединенный с одним или более резервуарами 110, а также первый контейнер 112. Первый контейнер 112 может содержать первый материал, а резервуары 110 могут содержать флюид. Первый материал может являться или содержать, среди прочего, гидратируемый материал или гелеобразующий агент, такой как гуаровая смола, полимеры, синтетические полимеры, галактоманнан, полисахариды, целлюлоза и/или глина, причем флюид может являться или содержать, среди прочего, флюид на водной основе, который может содержать воду или водный раствор, содержащий воду. Первый смеситель 108 может быть выполнен с возможностью получения первого материала и флюида через два или более флюидных трубопровода 114, 116, и смешивания или соединения иным способом первого материала и флюида до образования основы бурового раствора. Основа бурового раствора может являться или содержать вещество, известное в данной области техники как гель. Первый смеситель 108 затем может нагнетать основу бурового раствора через один или более флюидных трубопроводов 118.
[0021] Как первый смеситель 108, так и первый контейнер 112 могут располагаться на соответствующих грузовых автомобилях, автомобильных прицепах и/или других транспортных средствах 120, 122, соответственно, например, выполненных с возможностью их транспортировки к поверхности буровой площадки 102. При этом первый смеситель 108 и/или первый контейнер 112 могут быть установлены на салазках или в ином случае быть стационарными и/или могут быть временно или постоянно установленными на поверхности буровой площадки 102.
[0022] Насосная система 100 может дополнительно содержать второй смеситель 124, гидравлически соединенный с первым смесителем 108 и вторым контейнером 126. Второй контейнер 126 может содержать второй материал, который может в значительной степени отличаться от первого материала. Например, второй материал может являться или содержать расклинивающий материал, например, песок, пескоподобные частицы, диоксид кремния, кварц, и/или, среди прочего, расклинивающие агенты. Второй смеситель 124 может быть выполнен с возможностью получения основы бурового раствора из первого смесителя 108 через один или более флюидных трубопроводов 118 и второго материала из второго контейнера 126 через один или более флюидных трубопровода 128, а также смешивания или соединения иным способом основы бурового раствора и второго материала для образования смеси. Смесь может являться или содержать вещество, известное в данной области техники как флюид для гидроразрыва. Второй смеситель 124 затем может нагнетать смесь через один или более флюидных трубопроводов 130.
[0023] Как второй смеситель 124, так и второй контейнер 126 могут располагаться на соответствующих грузовых автомобилях, автомобильных прицепах и/или других транспортных средствах 132, 134, соответственно, например, выполненных с возможностью их транспортировки к поверхности буровой площадки 102. При этом второй смеситель 124 и/или второй контейнер 126 могут быть установлены на салазках или в ином случае быть стационарными и/или могут быть временно или постоянно установленными на поверхности буровой площадки 102.
[0024] Смесь может подаваться из второго смесителя 124 в общий манифольд 136 через один или более флюидных трубопроводов 130. Общий манифольд 136 может содержать множество вентилей и отводов, а также линию ввода продукта 138 и линию вывода продукта 140, например, выполненный с возможностью прямоточной подачи смеси выбранным или заданным способом. Общий манифольд 136, который может быть известен в данной области техники как блок манифольдов трейлерного типа, выполнен с возможностью распределения смеси к насосному парку, который может содержать множество насосных агрегатов 200, каждый из которых может состоять из насоса 202, первичного привода 204 и, возможно, теплообменника 206. Каждый насосный агрегат 200 может получать смесь из линии ввода продукта 138 общего манифольда 136 через один или более флюидных трубопроводов 142 и нагнетать смесь под давлением в линию вывода продукта 140 общего манифольда 136 через один или более флюидных трубопровода 144. Затем смесь может нагнетаться из общего манифольда 136 в ствол скважины 104 через один или более флюидных трубопроводов 146, возможно, через различные вентили, трубы и/или другие гидравлические схемы, гидравлически соединенные между общим манифольдом 136 и стволом скважины 104. Каждый насос 202 из множества насосных агрегатов 200 может быть гидравлически соединен с другими насосами 202 посредством множества флюидных трубопроводов 144 и линии вывода продукта 140 общего манифольда 136. Каждый насос 202 из множества насосных агрегатов 200 может быть гидравлически соединен с другими насосами 202 посредством множества флюидных трубопроводов 142 и линии ввода продукта 138 общего манифольда 136.
[0025] Каждый из насосных агрегатов 200 может быть смонтирован на соответствующих грузовых автомобилях, автомобильных прицепах и/или других транспортных средствах 148, например, выполненных с возможностью их транспортировки к поверхности буровой площадки 102. При этом насосные агрегаты 200 могут быть установлены на салазках или в ином случае быть стационарными и/или могут быть временно или постоянно установленными на поверхности буровой площадки 102.
[0026] Насосные агрегаты 200, проиллюстрированные на Фиг. 1, могут содержать насосы 202, которые практически конструктивно и/или функционально одинаковы или подобны, при этом другие варианты реализации в пределах объема данного изобретения могут включать различные типы и/или размеры насосов 202. Несмотря на то, что насосный парк насосной системы 100 проиллюстрирован как содержащий шесть насосных агрегатов 200, каждый из которых расположен на соответствующем транспортном средстве 148, в пределах объема данного изобретения также могут использоваться насосные парки, содержащие другое количество насосных агрегатов 200.
[0027] Насосная система 100 может также содержать центр управления 150, например, выполненный с возможностью управления одной или более частями насосной системы 100. Управляющие сигналы могут передаваться между центром управления 150 и другим оборудованием буровой площадки посредством соответствующих кабелей (не показаны). Тем не менее, в пределах объема данного изобретения также могут использоваться другие средства связи, например, средства беспроводной связи.
[0028] Центр управления 150 может быть выполнен с возможностью управления распределением электропитания между источником электрической энергии (не показан) и первым смесителем 108, вторым смесителем 124, насосными агрегатами 200, и/или другими насосами, транспортерами материалов (например, конвейерами) и/или другим оборудованием буровой площадки (не показано). Центр управления 150 может использоваться для мониторинга и управления одним или более компонентами, подсистемами, системами и/или другими компонентами насосной системы 100 в процессе операций закачки. Например, центр управления 150 может быть выполнен с возможностью мониторинга и/или управления объемом выпуска смесей, производимых на буровой площадке, например, путем увеличения или уменьшения скорости потока флюида из резервуаров 110, первого материала из первого контейнера 112, основы бурового раствора из первого смесителя 108, второго материала из второго контейнера 126 и/или смеси из второго смесителя 124. Центр управления 150 также может быть выполнен с возможностью мониторинга и/или контроля эксплуатационных параметров каждого насосного агрегата 200, например, рабочей частоты или скорости, фазы и углового (т. е., поворотного) положения, вибрации, давления, скорости потока и температуры. Центр управления 150 также может быть выполнен с возможностью мониторинга исправности и/или функциональности насосных агрегатов 200.
[0029] Центр управления 150 может располагаться на соответствующем грузовом автомобиле, автомобильном прицепе и/или другом транспортном средстве 152, например, выполненном с возможностью его транспортировки к поверхности буровой площадки 102. При этом центр управления 150 может быть установлен на салазках или в ином случае быть стационарными и/или может быть временно или постоянно установленным на поверхности буровой площадки 102.
[0030] На Фиг. 1 проиллюстрирована насосная система 100, выполненная с возможностью производства и/или смешивания флюидов и/или смесей (далее вместе именуемые ʺфлюидʺ), которые могут находиться под давлением и по отдельности или вместе вводиться в ствол скважины 104 в процессе гидравлического разрыва подземного пласта 106. Тем не менее, нужно понимать, что насосная система 100 может быть выполнена с возможностью смешивания и/или производства других флюидов, которые могут находиться под давлением и по отдельности или вместе вводиться в ствол скважины 104 во время других нефтепромысловых операциях, таких как бурение, цементирование, кислотная обработка, нагнетание химических реагентов и/или, среди прочего, операции водоструйной резки.
[0031] На Фиг. 2 проиллюстрирован перспективный вид части типовой реализации примера насосных агрегатов 200, проиллюстрированных на Фиг. 1 в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения. На Фиг. 3 проиллюстрирован фронтальный разрез части насосного агрегата 200, проиллюстрированного на Фиг. 2. Следующее описание обобщенно относится к Фиг. 1-3.
[0032] Насосный агрегат 200 содержит поршневой насос 202 с фиксированным смещением, который функционально связан с первичным приводом 204. Насос 202 содержит силовую секцию 208 и флюидную секцию 210. Флюидная секция 210 содержит корпус насоса 216, содержащий множество флюидных камер 218. Один конец каждой флюидной камеры 218 может быть закрыт накладкой 220, которая например, может быть установлена в корпусе насоса 216 посредством резьбового соединения. Противоположный конец каждой флюидной камеры 218 содержит элемент для возвратно-поступательного вытеснения флюида 222, подвижно расположенный в ней и выполненный с возможностью вытеснения флюида внутри соответствующей флюидной камеры 218. Несмотря на то, что элемент для вытеснения флюида 222 проиллюстрирован в виде плунжера, элемент для вытеснения флюида 222 может также быть выполнен в виде поршня, мембраны или элемента для возвратно-поступательного вытеснения флюида другого типа.
[0033] Каждая флюидная камера 218 гидравлически соединена с соответствующей одной из множества полостей для впуска флюида 224, каждая из которых выполнена с возможностью переноса флюида из впускного флюидного трубопровода 226 в соответствующую флюидную камеру 218. Впускной флюидный трубопровод 226 может являться или содержать по меньшей мере часть одного или более флюидных трубопроводов 142 и/или в противном случае может быть гидравлически соединен с линией ввода продукта 138 общего манифольда 136.
[0034] Впускной клапан 228, связанный с каждой полостью впуска флюида 224, выполнен с возможностью управления потоком флюида, перемещаемого из впускного флюидного трубопровода 226 во флюидную камеру 218. Каждый впускной клапан 228 может переходить в закрытое положение посредством пружины 230, которая может удерживаться на месте посредством стопора впускного клапана 232. Каждый впускной клапан 228 может переходить в открытое положение посредством выбранного или заданного перепада давления между соответствующей полостью для впуска флюида 224 и впускным флюидным трубопроводом 226.
[0035] Каждая флюидная камера 218 также гидравлически соединена с полостью для выпуска флюида 234, которая проходит через корпус насоса 216 перпендикулярно элементам для вытеснения флюида 222. Полость для выпуска флюида 234 выполнена с возможностью переноса флюида, находящегося под давлением, из каждой флюидной камеры 218 в один или более выпускных флюидных трубопроводов 235. Каждый выпускной флюидный трубопровод 235 может являться или содержать по меньшей мере часть одного или более флюидных трубопроводов 144 и/или может быть гидравлически связан с линией вывода продукта 140 общего манифольда 136, например, может содействовать закачке флюида в ствол скважины 104 во время нефтепромысловых технологических операций.
[0036] Флюидная часть 210 также содержит выпускные клапаны 236, каждый из которых выполнен с возможностью управления потоком флюида из соответствующей флюидной камеры 218 в полость для выпуска флюида 234. Каждый выпускной клапан 236 может переходить в закрытое положение посредством пружины 238, которая может удерживаться на месте посредством стопора впускного клапана 240. Каждый выпускной клапан 236 может переходить в открытое положение посредством выбранного или заданного перепада давления между соответствующей флюидной камерой 218 и полостью для выпуска флюида 234. Полость для выпуска флюида 234 может быть закрыта одной или более накладок 242, которая например, может быть установлена в корпусе насоса 216 посредством резьбового соединения, причем один или оба конца полости для выпуска флюида 234 могут быть гидравлически соединены с одним или более выпускными флюидными трубопроводами 235.
[0037] Во время технологических операций закачки элементы силовой секции 208 вращаются таким образом, что создается возвратно-поступательное линейное движение для перемещения элементов для вытеснения флюида 222 в продольном направлении в пределах соответствующих флюидных камер 218, таким образом, попеременно извлекая и вытесняя флюид в пределах флюидных камер 218. Применительно к каждому элементу для вытеснения флюида 222, в то время как элемент для вытеснения флюида 222 перемещается из флюидной камеры 218 в направлении, показанном стрелкой 221, давление флюида внутри соответствующей флюидной камеры 218 падает, тем самым создавая перепад давления на соответствующем впускном флюидном клапане 228. Перепад давления вызывает сжатие пружины 230, таким образом переводя впускной флюидный клапан 228 в открытое положение, чтобы позволить флюиду из впускного флюидного трубопровода 226 поступать в соответствующую полость для впуска флюида 224. Затем флюид поступает во флюидную камеру 218, в то время как элемент для вытеснения флюида 222 продолжает двигаться в продольном направлении из флюидной камеры 218 до тех пор, пока перепад давления между флюидом внутри флюидной камеры 218 и флюидом внутри впускного флюидного трубопровода 226 остается достаточно низким для того, чтобы позволить пружине 230 перевести впускной флюидный клапан 228 в закрытое положение.
[0038] В то время как элемент для вытеснения флюида 222 начинает двигаться во флюидную камеру 218 в продольном обратном направлении, показанном стрелкой 223, давление флюида внутри флюидной камеры 218 начинает расти. Давление флюида внутри флюидной камеры 218 продолжает увеличиваться по мере того, как элемент для вытеснения флюида 222 продолжает двигаться во флюидной камере 218, до тех пор, пока давление флюида внутри флюидной камеры 218 не станет достаточно высоким, чтобы преодолеть давление флюида внутри полости для выпуска флюида 234 и сжать пружину 238, тем самым переводя выпускной флюидный клапан 236 в открытое положение и позволяя флюиду, находящемуся под давлением, перемещаться в полость для выпуска флюида 234 и выпускной флюидный трубопровод 235. После этого флюид может нагнетаться в общий манифольд 136 и в ствол скважины 104 или к другому пункту назначения.
[0039] Скорость потока флюида, создаваемого насосным агрегатом 200 может зависеть от физических размеров элементов для вытеснения флюида 222 и флюидных камер 218, а также рабочей скорости насоса, которая может определяться скоростью или частотой, с которой элементы для вытеснения флюида 222 периодически двигаются или перемещаются внутри флюидной камеры 218. Скорость или частота, с которой перемещаются элементы для вытеснения флюида 222, может быть связана с частотой вращения силовой секции 208. Соответственно, скорость потока флюида может регулироваться путем изменения частоты вращения силовой секции 208.
[0040] Первичный привод 204 может быть функционально связан с ведущим валом 252, который защищен и удерживается в требуемом положении с помощью корпуса силовой секции 254 так, чтобы первичный привод 204 был в состоянии приводить в действие или иным образом вращать ведущий вал 252. Первичный привод 204 может содержать вращающийся выходной вал 256, функционально соединенный с ведущим валом 252 посредством передачи или зубчатой передачи, например, может содержать цилиндрическую прямозубую шестерню 258, находящуюся в зацеплении с ведущим валом 252, и ведущую шестерню 260, находящуюся в зацеплении с опорным валом 261. Выходной вал 256 и опорный вал 261 могут быть соединены таким образом, чтобы содействовать передаче крутящего момента от первичного привода 204 опорному валу 261, ведущей шестерне 260, цилиндрической прямозубой шестерне 258 и ведущему валу 252. Для предотвращения относительного вращения между корпусом силовой части 254 и первичным приводом 204 корпус силовой секции 254 и первичный привод 204 могут быть соединены посредством жесткого крепления друг с другом или с общим основанием, например, автомобильным прицепом транспортного средства 148. Первичный привод 204 может включать бензиновый, дизельный или другой двигатель, синхронный или асинхронный электрический двигатель (например, синхронный электродвигатель с постоянными магнитами), гидравлический мотор, или другой первичный привод, выполненный с возможностью вращения ведущего вала 252.
[0041] На Фиг. 4 проиллюстрирован частичный разрез части типовой реализации насосного агрегата 200, проиллюстрированного на Фиг. 2 и 3 в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения. Со ссылкой одновременно на Фиг. 3 и 4, ведущий вал 252 может быть выполнен в виде коленчатого вала, содержащего множество опорных шеек 262, коренных шеек 264 и шатунных шеек 266. Опорные и коренные шейки 262, 264 могут проходить вдоль центральной оси вращения 268 ведущего вала 252, в то время как шатунные шейки 266 могут быть смещены от центральной оси вращения 268 на выбранное или заданное расстояние и быть смещенными на 120 градусов друг от друга относительно опорных шеек 262 и коренных шеек 264. Ведущий вал 252 может удерживаться в силовой секции 208 в требуемом положении посредством корпуса силовой секции 254, причем опорные шейки 262 могут проходить в корпусе силовой секции 254 через противоположные отверстия 272. Для облегчения вращения ведущего вала 252 в корпусе силовой секции 254 вокруг опорных шеек 262 и напротив боковых поверхностей отверстий 272 могут располагаться один или более подшипников 270. Подшипники 270 могут быть закрыты с помощью накладки и/или других средств для защиты 274.
[0042] Силовая секция 208 и флюидная секция 210 могут быть соединены или иным образом связаны друг с другом. Например, корпус насоса 216 может быть закреплен на корпусе силовой секции 254 посредством резьбового соединения 282. Насосный агрегат 200 может дополнительно содержать лючок для доступа 298, выполненный с возможностью доступа к элементам насоса 202, расположенным между силовой секцией 208 и флюидной секцией 210, используемый, например, при сборке и/или техническом обслуживании насоса 202.
[0043] Для преобразования вращательного движения ведущего вала 252 в возвратно-поступательное движение и его передачи элементам для вытеснения флюида 222 могут использоваться механизмы привода ползуна 285. Например, каждый механизм привода ползуна 285 может содержать шатун 286, шарнирно соединенный на одном конце с соответствующей шатунной шейкой 266, а с другой стороны соединенный с осью 288 ползуна 290. В процессе операций закачки стенки и/или внутренние части корпуса силовой секции 254 могут направлять каждый ползун 290, например, могут снижать или устранять боковое смещение каждого ползуна 290. Каждый механизм привода ползуна 285 может дополнительно содержать поршневой шток 292, соединяющий ползун 290 с элементом для вытеснения флюида 222. Поршневой шток 292 может соединяться с ползуном 290 посредством резьбового соединения 294, а с элементом для вытеснения флюида 222 посредством гибкого соединения 296.
[0044] Несмотря на то, что на Фиг. 2-4 насосный агрегат 200 проиллюстрирован как содержащий трехпоршневой насос 202, который содержит три флюидные камеры 218 и три элемента для вытеснения флюида 222, другие варранты реализации в пределах объема данного изобретения могут содержать насос 202, выполненный в виде или содержащий пятипоршневой насос, который содержит пять флюидных камер 218 и пять элементов для вытеснения флюида 222, или другое количество флюидных камер 218 и элементов для вытеснения флюида 222. Также отметим, что описанный выше насос 202 и проиллюстрированный на Фиг. 2-4 приводится в качестве примера насоса 202, и что в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения также может осуществляться мониторинг исправности и/или функциональности мембранных насосов, шестеренчатых насосов, внешних кольцевых насосов, внутренних кольцевых насосов, крыльчатых насосов, центробежных насосов и/или насосного оборудования других типов.
[0045] Независимо от типа используемого насоса или первичного привода, регулярный мониторинг и техническое обслуживание насосного агрегата может посодействовать обеспечению бесперебойной работы и повышению производительности технологических операций. Как и другие виды промышленного оборудования, насосные агрегаты подвержены дефектам или неблагоприятным условиям, которые могут привести к снижению времени безотказной работы или производительности. При использовании насосных агрегатов в крупномасштабных нефтяных нефтепромысловых технологических операциях данные дефекты могут привести к существенным потерям, поскольку, например, на нефтепромысловой буровой площадке насосные агрегаты могут использоваться круглосуточно.
[0046] Дефекты компонентов насосного агрегата могут проявляться в различных формах, включая и те, которые приводят к неисправным состояниям насоса 202 и/или других компонентов насосного агрегата 200. Такие дефекты и/или неисправные состояния могут включать: неправильное заполнение флюидных камер 218; повреждение, износ, утечки или разрушение уплотнений впускных и/или выпускных клапанов 228, 236; а также повреждения, износ, утечки или разрушение элементов для вытеснения флюида 222. Эти и другие дефекты могут являться результатом прохождения абразивных флюидов через насосный агрегат 200 во время технологических операций, что, среди прочего, приводит, и может вызвать изменения давления и/или пульсации потока в одной или более частях насосного агрегата 200. Другие типовые дефекты насосного агрегата 200 включают повреждение одного или более вращающихся, совершающих возвратно-поступательное движение или иным образом периодически движущихся компонентов насосного агрегата 200, которое может вносить вибрации или быть причиной изменения вибрации в насосном агрегате 200. Например, сколы, трещины, разрушения, износ и/или эрозионное изнашивание компонента насосного агрегата 200 может изменить существующую вибрационную характеристику или привести к новой вибрационной характеристике. Другие типовые дефекты включают ослабленные крепления первичного привода 204, изношенные подшипники 270 коленчатого вала 252, а также дефекты передачи, такие как пробуксовывание при превышении крутящего момента или сломанный зуб одной из шестерней 258, 260. Таким образом, как указано выше, регулярный мониторинг и техническое обслуживание исправности насосного оборудования может являться частью непрерывных операций закачки, включая мониторинг физического состояния, наличия дефектов, уровня и степени дефектов, оставшегося срока эксплуатации и/или комбинации этих и/или других факторов.
[0047] Дефекты насосного агрегата 200, включая описанные выше и/или другие примеры, во время операций закачки могут формировать, изменять и/или сопровождаться эксплуатационными параметрами, связанными с насосным агрегатом 200. Такие эксплуатационные параметры могут включать вибрации, среди прочего, пульсации потока и колебания давления, и могут быть специфичными для типа дефекта, который уже имеется или прогрессирует в одном или более компонентов насосного агрегата 200. Вследствие этого в ходе операций мониторинга исправности соответствующего компонента (компонентов) может осуществляться мониторинг данных эксплуатационных параметров. Таким образом, насосная система 100 (Фиг. 1) может дополнительно содержать систему мониторинга и управления 300 (далее ʺсистема управленияʺ), выполненную с возможностью мониторинга и/или управления определенными эксплуатационными параметрами насосных агрегатов 200 или компонентов насосного агрегата 200, таких как насос 202, передача и/или первичный привод 204. Система управления 300 также может быть выполнена с возможностью мониторинга и/или управления определенными эксплуатационными параметрами насосной системы 100 или элементов насосной системы 100.
[0048] На Фиг. 5 проиллюстрировано схематическое изображение по меньшей мере части типовой системы управления 300 в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения. Следующее описание обобщенно относится к Фиг. 1-5.
[0049] Система управления 300 выполнена с возможностью мониторинга эксплуатационных параметров, связанных с одним или более насосными агрегатами 200, посредством ряда параметрических датчиков. Параметрические датчики выполнены с возможностью формирования сигналов или информации, связанной с акустическими характеристиками, вибрациями и/или изменениями потока флюида, давления флюида, температуры флюида, уровня флюида, температуры компонентов, массы компонентов, рабочего крутящего момента, электрической нагрузки, механической нагрузки и/или других эксплуатационных параметров (в дальнейшем вместе именуемых ʺпараметрические данныеʺ), связанных с одним или более компонентами насосных агрегатов 200.
[0050] Параметрические датчики могут включать датчики давления 306, каждый из которых связан с соответствующим насосом 202, и выполненные с возможностью преобразования изменений давления флюида на отверстии для выпуска флюида насоса 202 в электрические сигналы и/или другую информацию, связанную с данными изменениями давления флюида или указывающую на них. Каждый датчик давления 306 может проходить через крышку 242 или другой элемент корпуса насоса 216 в полость для выпуска флюида 234, или иным образом быть связанным с отверстием для выпуска флюида так, чтобы воспринимать изменения давления на выходном отверстии насоса. Например, каждый датчик давления 306 может быть выполнен с возможностью воспринимать давление в диапазоне от около 0 МПа (фунтов на квадратный дюйм) до примерно 137,89 МПа (20000 фунтов на квадратный дюйм), включая изменения в пределах данного диапазона давления.
[0051] Параметрические датчики кроме того или вместо того могут включать датчики давления 307, каждый из которых связан с соответствующим насосом 202, и выполненные с возможностью преобразования изменений давления флюида на отверстии для впуска флюида насоса 202 в электрические сигналы и/или другую информацию, связанную с данными изменениями давления флюида или указывающую на них. Каждый датчик давления 307 может проходить во впускной флюидный трубопровод 226 или иным образом быть связанным с впускным отверстием насоса так, чтобы воспринимать изменения давления на впускном отверстии насоса. Например, каждый датчик давления 307 может быть выполнен с возможностью воспринимать давление в диапазоне от около 0 МПа (фунтов на квадратный дюйм) до примерно 6,89 МПа (1000 фунтов на квадратный дюйм), включая изменения в пределах данного диапазона давления.
[0052] Параметрические датчики кроме того или вместо того могут включать датчики вибрации 308, каждый из которых связан с соответствующим насосным агрегатом 200, и выполненные с возможностью преобразования низкочастотных и высокочастотных вибраций или акустических характеристик в электрические сигналы и/или другую информацию, связанную с амплитудой и/или частотой вибраций или акустических характеристик или указывающую на них. Например, каждый датчик вибрации 308 может являться или содержать акселерометр и/или другое устройство, выполненное с возможностью обнаружения вибрации, особенно для дефектов определенного типа, таких как утечка или неполная герметизация внутри флюидной камеры 218 насоса 202, неплотно закрепленный компонент насосного агрегата 200, сломанный компонент насосного агрегата 200 и/или другие типы дефектов, которые могут предшествовать выходу насоса из строя. Каждый датчик вибрации 308 может соединяться с корпусом насоса 216, корпусом силовой секции 254, корпусом первичного привода 204 и/или другим элементом насосного агрегата 200 так, чтобы воспринимать вибрации и акустические характеристики.
[0053] Параметрические датчики кроме того или вместо того могут включать датчики скорости потока 309, каждый из которых связан с соответствующим насосным агрегатом 200, и выполненные с возможностью формирования электрических сигналов и/или другой информации, связанной со скоростью потока флюида насосного агрегата или указывающей на них. Каждый датчик скорости потока 309 может быть установлен на всем протяжении одного или нескольких флюидных трубопроводов 144, проходящих между выпускными флюидными трубопроводами 235 насосов 202 и линией вывода продукта 140 общего манифольда 136, или на всем протяжении одного или более флюидных трубопроводов 142, проходящих между впускными флюидными трубопроводами 226 насосов 202 и линией ввода продукта 138 общего манифольда 136, и/или иным образом расположен совместно с насосным агрегатом 200 посредством способа, позволяющего воспринимать изменения потока флюида, вызванные соответствующим насосом 202.
[0054] Как отображено в типовом варианте реализации, проиллюстрированном на Фиг. 1, при нефтепромысловых операциях может использоваться несколько насосов 202 и соответствующее оборудование, которое может эксплуатироваться одновременно, причем данные насосы 202 могут быть гидравлически связаны друг с другом посредством общего манифольда 136. Следовательно, обнаружение данного дефекта в одном из насосных агрегатов 200 может не указывать на конкретный насосный агрегат 200, имеющий дефект. Для распознавания источника сигнала или информации, связанной с неисправным насосным агрегатом 200, по сравнению с другими насосными агрегатами 200, может контролироваться или отслеживаться фаза, положение вращения и/или угловое положение (далее вместе именуемые как ʺугловое положениеʺ), связанные с работой конкретных насосных агрегатов 200, для того, чтобы охарактеризовать сигнал или информацию, связанную с насосным агрегатом 200. Такое угловое положение может включать угловое положение первичного привода 204, угловое положение одной или более шестерен передачи, угловое положение приводного вала 250 и/или фазы, связанной с движением элементов для вытеснения флюида 222. Соответственно, система управления 300 также может контролировать угловое положение насосных агрегатов 200 посредством датчиков положения, выполненных с возможностью формирования сигналов или информации, связанной с угловым положением (далее вместе именуемые ʺданные углового положенияʺ) насосных агрегатов 200.
[0055] Датчики положения могут включать один или более датчиков углового положения 302, каждый из которых связан с соответствующим насосным агрегатом 200, и выполнен с возможностью формирования электрических сигналов и/или другой информации, связанной с угловым положением или указывающей угловое положение, связанное с работой насосного агрегата 200, а также скорость вращения и/или частоту, связанные с работой насосного агрегата 200. Например, каждый датчик углового положения 302 может быть выполнен с возможностью преобразования углового положения ведущего вала 252 или другого вращающегося компонента насосного агрегата 200 в электрические сигналы и/или другую информацию, связанную с угловым положением или указывающую угловое положение и/или скорость, связанные с работой насосного агрегата 200. Каждый датчик углового положения 302 может соединяться с внешней частью ведущего вала 252 или располагаться рядом с ней, например, опорными шейками 262 или другими вращающимися элементами силовой секции 208, и может удерживаться посредством корпуса силовой секции 254, накладки 274 или другого элемента силовой секции 208. Каждый датчик углового положения 302 может являться или содержать кодирующее устройство, роторный потенциометр, сельсин, синус-косинусный преобразователь и/или, среди прочего, вращающийся регулируемый дифференциальный трансформатор (ВРДТ).
[0056] Датчики положения кроме того или вместо того могут содержать один или более датчиков приближения 304, каждый из которых связан с соответствующим насосным агрегатом 200, и могут быть выполнены с возможностью преобразования положения или присутствия (в определенном положении) элементов для вытеснения флюида 222 или других вращающихся или иным образом движущихся компонентов насосного агрегата 200 в электрические сигналы и/или другую информацию, связанную с положением и/или скоростью перемещения компонента или указывающую на них. Каждый датчик приближения 304 может располагаться рядом с элементом для вытеснения флюида 222 или иным образом располагаться совместно с элементом для вытеснения флюида 222 так, чтобы воспринимать положение или присутствие элемента для вытеснения флюида 222 в процессе операций закачки. Например, по меньшей мере один из датчиков приближения 304 может проходить через накладку 220 или другой элемент корпуса насоса 216 в соответствующей флюидной камере 218, так чтобы позволить обнаруживать присутствие элемента для вытеснения флюида 222 в выбранном или заданном положении. Угловое положение, связанное с работой насосного агрегата 200 может быть определено путем измерения одного положения, например, верхней мертвой точки или нижней мертвой точки элемента для вытеснения флюида 222 и оценки углового положения с использованием информации, имеющей отношение к синхронизации впускных и/или выпускных флюидных клапанов 228, 236. Один или более датчиков приближения 304 кроме того или вместо того могут располагаться рядом с механизмами привода ползуна 285 или коленчатыми валами 252 так, чтобы позволить обнаруживать присутствие и/или движение механизма привода ползуна 285 или коленчатого вала 252 и, следовательно, угловое положение и/или скорость движения, связанные с эксплуатацией соответствующего насосного агрегата 200 при операциях закачки. Каждый датчик приближения 304 может являться или содержать линейное кодирующее устройство, емкостной датчик, индуктивный датчик, магнитный датчик, датчик на эффекте Холла и/или, среди прочего, геркон.
[0057] Система управления 300 также может содержать устройство мониторинга и контроля 310 (далее по тексту ʺконтроллерʺ), связанное с параметрическими датчиками и датчиками положения 302, 304, 306, 307, 308, 309 и/или выполненное с возможностью иным образом принимать электрические выходные сигналы и/или другую информацию, формируемую параметрическими датчиками и датчиками положения 302, 304, 306, 307, 308, 309. Например, электрические выходные сигналы, формируемые параметрическими датчиками и датчиками положения 302, 304, 306, 307, 308, 309, могут находиться в диапазоне от около четырех миллиампер (мА) до около двадцати мА и/или от около нуля вольт постоянного тока до около десяти вольт постоянного тока.
[0058] Контроллер 310 может быть дополнительно выполнен с возможностью выполнения типовых машиночитаемых команд для реализации по меньшей мере части одного или более способов и/или процессов, описанных в данной заявке, и/или для реализации части одной или более типовых систем, описанных в данной заявке. Контроллер 310 может быть или содержать, например, один или более процессоров, специализированные вычислительные устройства, серверы, персональные компьютеры, карманные персональные компьютеры (КПК), смартфоны, устройства для подключения к интернет и/или устройства других типов. Контроллер 310 может быть выполнен как часть центра управления 150.
[0059] Контроллер 310 может содержать процессор 312, например, программируемый процессор общего назначения. Процессор 312 может содержать локальную память 314, и может выполнять кодированные команды 332, находящиеся в локальной памяти 314 и/или другом устройстве памяти. Процессор 312 может выполнять, среди прочего, машиночитаемые команды или программы для реализации способов и/или процессов, описанных в данной заявке. Программы, хранящиеся в локальной памяти 314, могут содержать программные команды или код программы для компьютера, который при его выполнении соответствующим процессором вызывает выполнение по меньшей мере части одного или более способов и/или процессов, описанных в данной заявке, системой управления 300, первичным приводам 204, датчиками 302, 304, 306, 307, 308, 309 и/или другими компонентами. Процессор 312 может являться, содержать, или быть реализованным посредством одного или более процессоров различных типов, подходящих для среды локальных приложений, а также может содержать, в качестве неограничивающего примера, один или более компьютеров общего назначения, специализированные компьютеры, микропроцессоры, цифровые сигнальные процессоры (ЦСП), программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), специализированные интегральные схемы (СИС) и процессоры на основе многоядерной процессорной архитектуры. Конечно, также возможно использование процессоров других семейств.
[0060] Процессор 312 может быть связан с основной памятью, например, может содержать энергозависимую память 318 и энергонезависимую память 320, возможно, посредством шины 322 и/или других средств связи. Энергонезависимая память 318 может являться, содержать или быть реализованной с помощью оперативной памяти (ОЗУ), статической оперативной памяти (СОЗУ), синхронной динамической памяти с произвольным доступом (SDRAM), динамической оперативной памяти (DRAM), памяти с произвольным доступом, разработанной компанией РАМБУС (RDRAM), и/или устройств оперативной памяти других типов. Энергонезависимая память 320 может являться, содержать, или быть реализованной с помощью постоянного запоминающего устройства, флэш-памяти и/или устройств памяти других типов. Один или более контроллеров памяти (не показаны) может управлять доступом к энергозависимой памяти 318 и/или энергонезависимой памяти 320. Контроллер 310 может быть выполнен с возможностью хранения или записи в главной памяти сигналов или другой информации, формируемой посредством датчиков 302, 304, 306, 307, 308, 309.
[0061] Контроллер 310 может также содержать интерфейсную схему 324. Интерфейсная схема 324 может являться, содержать или быть реализованной посредством стандартных интерфейсов различных типов, таких как интерфейс Ethernet, универсальная последовательная шина (USB), интерфейс третьего поколения систем ввода-вывода (3GIO), беспроводной интерфейс и/или, среди прочего, интерфейс сотовой сети передачи данных. Интерфейсная схема 324 может также содержать плату графического драйвера. Интерфейсная схема 324 может также содержать устройство связи, например модем или сетевую интерфейсную плату для содействия обмену данными с внешними вычислительными устройствами по сети (например, Ethernet-соединения, цифровой абонентской линии (DSL), телефонной линии, коаксиального кабеля, системы мобильной телефонной связи, спутника и т. д.). Множество датчиков 302, 304, 306, 307, 308, 309 может быть соединено с контроллером 310 посредством интерфейсной схемы 324, которая может содействовать, например, передаче данных между датчиками 302, 304, 306, 307, 308, 309 и контроллером 310.
[0062] К интерфейсной схеме 324 также может быть подключено одно или более устройств ввода 326. Устройства ввода 326 выполнены с возможностью обеспечения ввода оператором в процессор 312 данных и команд, например, параметров выбранного или заданного углового положения, скорости, скорости потока и/или давления, описанных в данной заявке. Устройства ввода 326 могут являться, содержать или быть реализованными посредством клавиатуры, мыши, сенсорного экрана, сенсорной панели, шарового манипулятора, джойстика и/или, среди прочего, системы распознавания голоса. К интерфейсной схеме 324 также может быть подключено одно или более устройств вывода 328. Устройства вывода 328 могут являться, содержать, или быть реализованными посредством устройств отображения (например, жидкокристаллического дисплея (ЖКД) или, среди прочего, электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)), принтеров, и/или, среди прочего, громкоговорителей.
[0063] Контроллер 310 может также содержать одно или более запоминающих устройств 330 для хранения машиночитаемых команд и данных. Примеры таких запоминающих устройств 330 включают дисководы гибких дисков, жесткие диски, дисководы компакт-дисков (CD), а также, среди прочего, дисководы цифровых универсальных дисков (DVD). Кодированные команды 332 могут храниться в запоминающем устройстве 330, энергозависимой памяти 318, энергонезависимой памяти 320, локальной памяти 314, и/или на съемном носителе данных 334, например, CD или DVD. Таким образом, модули и/или другие компоненты контроллера 310 могут быть реализованы на основании оборудования (реализованного в одном или более кристаллах, включая интегральные схемы, например, специализированные интегральные схемы), или могут быть реализованы в виде программного обеспечения или микропрограмм для выполнения процессором. В случае микропрограммного или программного обеспечения, вариант реализации изобретения может быть представлен в виде компьютерного программного продукта, содержащего машиночитаемый носитель или структуры хранения данных, реализующей находящийся на ней компьютерный программный код (т.е., программное или микропрограммное обеспечение) для выполнения посредством процессора 312.
[0064] При работе насосной системы 100 насосные агрегаты 200 могут вибрировать из-за возвратно-поступательного, вращательного или иного периодического движения отдельных компонентов насосных агрегатов 200. Нагнетание насосами 202 флюида, находящегося под давлением, может носить колебательный характер, например, вызванный колебательным движением элементов для вытеснения флюида 222. Таким образом, давление и/или изменение скорости потока нагнетаемого флюида на впускном и/или выпускном отверстии каждого насоса 202 может иметь циклический или периодический характер. Как описано выше, данные вибрации, колебания и/или изменения давления/скорости потока могут изменяться или быть вызваны возникновением и/или степенью определенных дефектов насосного агрегата 200. Таким образом, дефекты могут быть обнаружены путем исследования параметрических данных в области угловых значений, в частотной области и/или области значений кьюфренси.
[0065] Соответственно, кодированные команды 332 могут содержать программные команды или компьютерный программный код, который при выполнении процессором 312 вызывает выполнение контроллером 310 способов и процессов, описанных в данной заявке, включая прием, обработку и/или запись параметрических данных в зависимости от данных углового положения или иным образом сопоставлять параметрические данные с данными положения. На Фиг. 6 проиллюстрировано графическое представление зависимости между параметрическими данными и данными углового положения. На Фиг. 7 проиллюстрирован график, на котором представлен пример параметрических данных, нанесенных на кривую в зависимости от соответствующих данных углового положения (т. е. параметрические данные в области угловых значений).
[0066] В насосных системах, содержащих два или более насосов, которые гидравлически соединены между собой посредством манифольда и/или других флюидных трубопроводов и работающих на одинаковых или аналогичных частотах, таких как насосная система 100, проиллюстрированная на Фиг. 1, отличить исправные насосы от неисправных с помощью традиционных способов является сложной задачей. При этом, основываясь на данных положения, контроллер 310 может распознавать параметрические данные, связанные с одним насосным агрегатом 200, от параметрических данных, связанных с другими насосными агрегатами 200, для того чтобы идентифицировать или иным образом определить насосный агрегат 200, в котором возникла неисправность. Контроллер 310 может также распознавать параметрические данные, в которых присутствуют или иным образом содержатся внешние шумы и/или другие данные, не связанные с насосным агрегатом 200 или его компонентами, имеющими дефекты, например, вызванные вибрациями, изменениями давления и/или изменениями скорости потока, создаваемыми на резонансных частотах корпуса 216, 254, флюидных трубопроводов 142, 144, 226, 235, и/или других компонентов насосных агрегатов 200, которые физически и/или гидравлически связаны с неисправным компонентом (например, сломанным зубом шестерни 258, протекающим выпускным флюидным клапаном 236, и т. д.) и соответствующим одним из параметрических датчиков 306, 307, 308, 309.
[0067] С момента гидравлического соединения полостей для выпуска флюида 234 насосов 202 посредством флюидных трубопроводов 142, 144, 226, 235 и линий ввода и вывода продукта 138, 140 общего манифольда 136 изменения давления и/или скорости потока, создаваемые или иным образом связанные с неисправным насосом 202, могут быть обнаружены посредством каждого датчика давления 306, 307 и датчика скорости потока 309, связанного с каждым из множества насосов 202. При этом другие насосные агрегаты 200, физически и/или гидравлически соединенные с контролируемым насосным агрегатом 200, также могут создавать посторонний шум. Для выявления того, какой насосный агрегат 200 содержит дефект, для определения разницы между исправным и неисправным насосом 202 могут использоваться данные углового положения. Например, параметрические данные, связанные с изменениями давления, скорости потока и/или вибрации, появляющиеся синхронно с контролируемым угловым положением первичного привода 204 и/или насоса 202 могут содержать помехи и посторонний шум, которые не связаны с контролируемым насосным агрегатом 200 и могут отфильтровываться посредством контроллера 310. Также для минимизации передачи изменений давления между двумя или более насосов 200 вдоль линий гидравлической связи, гидравлически соединяющих насосные агрегаты 200, например флюидные трубопроводы 142, 144 может быть установлен дроссельный вентиль или другой задатчик давления (не показан).
[0068] Для анализа параметрических данных в частотной области контроллер 310 может являться или содержать анализатор спектра, выполненный с возможностью обработки и преобразования параметрических данных в зависимости от данных углового положения из области угловых значений в частотную область, например, для определения или формирования порядкового спектра параметрических данных. Порядковый спектр определяет амплитуду спектра параметрических данных в зависимости от порядков гармонических частот (также известных как ʺгармоникиʺ), которые имеют место при целых множителях рабочей скорости или частоты (т. е., собственных частотах) насоса 202, первичного привода 204, шестерней 258, 260, элементов для вытеснения флюида 222, а также других элементов насосного агрегата 200, совершающих возвратно-поступательные, вращательные или иные периодические движения. Порядковый спектр может быть вычислен путем преобразования параметрических данных в области угловых значений в частотную область с использованием одного или более известных в данной области техники математических преобразований. Такие преобразования могут включать преобразование Фурье, непрерывное преобразование Фурье, дискретное быстрое преобразование Фурье, преобразование Гильберта, преобразование Лапласа, метод максимума энтропии и тому подобное. Контроллер 310 может быть выполнен с возможностью использования одного или более преобразований для выполнения описанного выше преобразования области угловых значений в частотную область. На Фиг. 8 проиллюстрирован график, отображающий порядковый спектр типовых параметрических данных, преобразованных из области угловых значений в частотную область.
[0069] Для анализа параметрических данных в частотной области контроллер 310 может быть выполнен с возможностью обработки и преобразования порядкового спектра из частотной области в область значений кьюфренси, например, для вычисления или формирования порядка кепстра параметрических данных в зависимости от данных углового положения. Порядковый кепстр отделяет гармонические частоты параметрических данных и идентифицирует периодичность гармонических частот. Таким образом, кепстр может называться как ʺспектр спектраʺ. Кепстр может отображать рахмоники (т. е., всплески, связанные с гармониками спектра), имеющие определенные амплитуды и возникающие при определенных значениях кьюфренси, указывающих на угол между повторяющимися событиями параметрических данных. Повторяющиеся события параметрических данных могут включать вибрации, изменения давления и/или изменения скорости потока, вызванные частями или компонентами насосного агрегата 200, которые во время операций закачки совершают возвратно-поступательное, вращательное или иное периодическое движение. Кепстр может быть вычислен путем выполнения обратного преобразования Фурье логарифма спектра частот параметрических данных в зависимости от данных углового положения, как указано ниже в Уравнении (1).
C
F
F
f
-1
(α)={log({ (α)})} (1)
где:
C
(α) является кепстром параметрических данных в зависимости от данных углового положения;
F
-1
является обратным преобразованием Фурье;
F
является преобразованием Фурье; а
f
(α) является параметрическими данными в зависимости от данных углового положения.
На Фиг. 9 проиллюстрирован график, отображающий порядковый кепстр типовых параметрических данных, преобразованных из области угловых значений в частотную область.
[0070] На Фиг. 10 проиллюстрирован график, отображающий типовые параметрические данные, связанные с насосом 202 насосной системы 100, проиллюстрированной на Фиг. 1. Типовые параметрические данные связаны с изменениями давления внутри насоса 202, измеренными посредством датчика давления 306, расположенного в полости для выпуска флюида 234. Параметрические данные нанесены на кривую в зависимости от углового положения (т.е., в области угловых значений), контролируемого посредством датчика углового положения 302. Контролируемый насос 202 находится в исправном состоянии и в данный момент работает с частотой вращения около 427 оборотов в минуту (об/мин) при давлении примерно 20,68 МПа (3000 фунтов на квадратный дюйм).
[0071] На Фиг. 11 проиллюстрирован график, отображающий дополнительные типовые параметрические данные, сформированные во время операций закачки, связанных с насосом 202 насосной системы 100, проиллюстрированной на Фиг. 1. Типовые параметрические данные связаны с изменениями давления внутри неисправного насоса 202, измеренными посредством датчика давления 306, расположенного в полости для выпуска флюида 234. Насос 202 работает с частотой вращения 427 оборотов в минуту (об/мин) при давлении примерно 20,68 МПа (3000 фунтов на квадратный дюйм), нанесенном на кривую в зависимости от углового положения, которое контролируется датчиком углового положения 302. В отличие от Фиг. 10, насос 202 на Фиг. 11 содержит неисправный выпускной клапан 236, который препятствует росту давления в полости для выпуска флюида 234, на основании графика при угловом положении 160 градусов. Таким образом, для определения дефекта насос 202 может быть обследован с целью определить, какие события происходят в насосе 202 при угловом положении около 160 градусов (например, какой элемент для вытеснения флюида находится в положении выпуска). Соответственно, на дефекты насоса может указывать информация, относящаяся к изменениям давления и проанализированная в области угловых значений. Контроллер 310 может быть запрограммирован для практически автоматического определения наличия, амплитуды и/или углового положения, указывающего на дефект, или иных непредусмотренных колебаний или изменений давления и, следовательно, формирования информации, связанной с наличием и/или степенью состояний неисправности насоса.
[0072] На Фиг. 12 проиллюстрирован график, отображающий типовые параметрические данные, связанные с изменениями давления, преобразованными в область значений кьюфренси посредством контроллера 310, как описано выше. На графике проиллюстрирован кепстр из трех наборов параметрических данных, каждый из которых связан с трехпоршневым насосом 202 с различными уровнями исправности. Каждый из трех профилей кепстра или кривые 402, 404, 406 были построены на основании данных изменения давления, контролируемого в полости для выпуска флюида 234 посредством датчика давления 306 в зависимости от углового положения насосного агрегата 200, контролируемого датчиком углового положения 302. Первая кривая кепстра 402 относится к насосу 202, который находится в исправном или рабочем состоянии. Первая кривая кепстра 402 характеризуется амплитудой около 8,04 при значении кьюфренси около нуля градусов и рахмоникой, имеющей амплитуду около 0,18 при значении кьюфренси около 120 градусов, которое соответствует углу между каждым изменением давления, вызванным тремя элементами для вытеснения флюида 222 насоса 202. Вторая кривая кепстра 404 относится к насосу 202, который находится в частично неисправном состоянии. Вторая кривая кепстра 404 характеризуется амплитудой около 9,72 при значении кьюфренси около нуля градусов и рахмоникой, имеющей амплитуду около 0,13 при значении кьюфренси около 120 градусов. Третья кривая кепстра 406 относится к насосу 202, который находится в неисправном состоянии. Третья кривая кепстра 406 характеризуется амплитудой около 7,82 при значении кьюфренси около нуля градусов и рахмоникой, имеющей амплитуду около 0,001 при значении кьюфренси около 120 градусов.
[0073] При рассмотрении амплитуды кривых кепстра 402, 404, 406 при значениях кепстра около нуля градусов и около 120 градусов изменились одновременно с ухудшением исправности выпускного клапана 236 насоса 202. Соответственно, соотношение между амплитудами кривых кепстра при значении кьюфренси около нуля градусов и амплитудами кривых кепстра при выбранном ненулевом значении кьюфренси может позволить системе управления 300 контролировать исправность насосного агрегата 200 или отдельных компонентов насосного агрегата 200. Следовательно, кодированные команды 332 при их выполнении могут дополнительно вызвать вычисление контроллером 310 соотношения амплитуд кепстра при значении кьюфренси около нуля градусов и амплитуды кепстра при выбранном ненулевом значении кьюфренси таким образом, чтобы определить или оценить оставшийся срок эксплуатации насосного агрегата 200 или компонента насосного агрегата 200. Выбранное ненулевое значение кьюфренси может выбираться на основании значения кьюфренси рахмоники, связанной с контролируемым компонентом или компонентом насосного агрегата 200. Поэтому для кривой кепстра 402, связанной с исправным насосным агрегатом 200, соотношение амплитуд кепстра составляет около 45. Для кривой кепстра 404, связанной с частично исправным насосным агрегатом 200, соотношение амплитуд кепстра составляет около 77. Для кривой кепстра 406, связанной с неисправным насосным агрегатом 200, соотношение амплитуд кепстра составляет около 7821.
[0074] Контроллер 310 также может нормализовать вычисленное соотношение на основе исходного соотношения амплитуд кепстра, вычисленного во время ввода в эксплуатацию насосного агрегата 200 в начале срока эксплуатации насосного агрегата 200, в случае, когда насос 202 исправен. Таким образом, продолжая вышеприведенный пример, нормализованное соотношение амплитуд кепстра, связанное с кривой кепстра 402, для исправного насосного агрегата 200 составляет около 1, нормализованное соотношение амплитуд кепстра, связанное с кривой кепстра 404, для частично неисправного насосного агрегата 200 составляет около 1,7, и нормализованное соотношение амплитуд кепстра, связанное с кривой кепстра 406, для неисправного насосного агрегата 200 составляет около 173,8. В случае, когда нормализованное соотношение амплитуд кепстра составляет около двух или более, то соответствующий компонент насосного агрегата 200 может быть по меньшей мере частично неисправен. Таким образом, нормализованное соотношение амплитуд кепстра может свидетельствовать об исправности компонента насосного агрегата 200, и может позволить пользователю калибровать операции мониторинга исправности отдельных насосных агрегатов 200.
[0075] На Фиг. 13 и 14 проиллюстрированы графики, отображающие другой пример параметрических данных, связанных с изменениями давления, преобразованными в область значений кьюфренси посредством контроллера 310. На графике проиллюстрирован порядковый кепстр из трех наборов параметрических данных, измеренных для различных уровней исправности трехпоршневого насоса 202, работающего при давлении около 20,68 МПа (3000 фунтов на квадратный дюйм) и частоте вращения около 275 оборотов в минуту (об/мин). В отличие от Фиг. 12, на графиках на Фиг. 13 и 14 проиллюстрированы кривые кепстра 412, 414, 416 в пределах выбранных интервалов значений кьюфренси. Кривые кепстра 412, 414, 416 были построены на основании данных изменения давления, контролируемого в полости для выпуска флюида 234 посредством датчика давления 306 в зависимости от углового положения, связанного с работой насосного агрегата 200, контролируемого датчиком углового положения 302. Первая кривая кепстра 412 относится к насосному агрегату 200, который находится в исправном рабочем состоянии. Первая кривая кепстра 412 характеризуется амплитудой около восьми при значении кьюфренси около нуля градусов и рахмоникой, имеющей амплитуду около 0,3 при значении кьюфренси около 120 градусов. Вторая кривая кепстра 414 относится к насосному агрегату 200, который находится в частично неисправном состоянии. Вторая кривая кепстра 414 характеризуется амплитудой около семнадцати при значении кьюфренси около нуля градусов, и рахмоникой, имеющей амплитуду около 0,12 при значении кьюфренси около 120 градусов. Третья кривая кепстра 416 относится к насосному агрегату 200, который находится в неисправном состоянии. Третья кривая кепстра 416 характеризуется амплитудой около 25 при значении кьюфренси около нуля градусов, и рахмоникой, имеющей амплитуду около 0,005 при значении кьюфренси около 120 градусов.
[0076] Аналогично кривым кепстра 402, 404, 406, проиллюстрированным на Фиг. 12, кривые кепстра 412, 414, 416, проиллюстрированные на Фиг. 13 и 14 указывают на значительные изменения амплитуд, соответствующие снижению исправности выпускного клапана 236 насоса 202. На основании кривых кепстра 412, 414, 416, соотношения амплитуд кепстра составляют примерно 27, 142, и 5000, соответственно, а нормализованные соотношения амплитуд кепстра были вычислены как примерно 1, 5,3, и 187,5, соответственно.
[0077] Контроллер 310 может также вычислять соотношения амплитуд, используя средние значения амплитуд кепстра в пределах выбранных интервалов значений кьюфренси. Например, контроллер 310 может вычислять среднее значение амплитуды кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от значения кьюфренси около нуля, и в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от выбранного ненулевого значения кьюфренси.
[0078] Следует понимать, что измерения, связанные с Фиг. 12-14 и проиллюстрированные на данных чертежах являются типовыми измерениями, выполняемыми кодирующим устройством, имеющим разрешение 360 импульсов за один оборот (что соответствует разрешению в один градус на выборку), в результате чего частота дискретизации порядкового спектра составляет 360 градусов за один оборот. Кроме того, измерения выполнялись на трехпоршневом насосе, содержащем три флюидные камеры 218, три элемента для вытеснения флюида 222, три впускных клапана 228 и/или три выпускных клапана 236. Однако, в пределах объема данного изобретения, другие варианты реализации могут включать выполнение измерений с помощью кодирующих устройств или других датчиков углового положения 302, имеющих другие частоты дискретизации за один оборот, на пятипоршневых насосах, содержащих пять флюидных камер 218, пять элементов для вытеснения флюида 222, пять впускных клапанов 228 и/или пять выпускных клапанов 236. Еще другие варианты реализации в пределах объема данного изобретения могут включать выполнение измерений на поршневых насосах, содержащих другие количества флюидных камер 218, элементов для вытеснения флюида 222, впускных клапанов 228 и/или выпускных клапанов 236. Как правило, пиковое значение в объеме выборки кепстра соответствует периодичности в спектре частоты дискретизации, деленной на пиковое значение объема выборки кепстра. Поэтому, для вычисления значения кьюфренси, определяющего периодичность клапана (т. е., периодичность пика рахмоники, связанной с впускным и/или выпускным клапаном насоса) для различных датчиков углового положения и насосов, частота дискретизации в градусах за один оборот может быть разделена на количество впускных и/или выпускных клапанов в насосе, как изложено ниже в Уравнении (2).
(2)
При использовании уравнения (2) для типовых измерений, выполняемых с использованием кодирующего устройства, имеющего разрешение 360 импульсов за один оборот, на трехпоршневом насосе, ʺЗначение кьюфренси, определяющее периодичность клапанаʺ было вычислено для 120 градусов, как проиллюстрировано на соответствующих Фиг. 12-14.
[0079] На Фиг. 15 проиллюстрирован график типового варианта реализации средства оценки исправности в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения. На графике по вертикальной оси проиллюстрирован диапазон нормализованных соотношений амплитуд кепстра, причем соотношения увеличиваются от 1 до около 100. На графике также вдоль горизонтальной оси проиллюстрирован диапазон исправности насоса, с ухудшением исправности насоса (слева-направо) от исправного (т. е. осталось около 100 процентов срока эксплуатации), частично неисправного (т. е. осталось около пятидесяти процентов срока эксплуатации) до неисправного (т. е. осталось около нуля процентов срока эксплуатации). Поскольку существует связь между исправностью компонентов насосного агрегата 200 и нормализованными соотношениями амплитуд кепстра, нормализованные соотношения амплитуд кепстра могут свидетельствовать об уровне исправности компонентов насосного агрегата 200. Таким образом, контроллер 310 может вызывать отображение (например, посредством одного или более устройств вывода 328, описанных выше и проиллюстрированных на Фиг. 5) нормализованного соотношения амплитуд кепстра, либо для контроля оператором, либо в ином случае, для определения того, подлежит ли компонент замене и/или ремонту.
[0080] Контроллер 310 может также быть выполнен с возможностью генерировать предупреждения в случае, когда нормализованные соотношения амплитуд кепстра достигнут и/или превысят заданное значение во время операций закачки и/или срока эксплуатации компонентов насосного агрегата 200. Соответственно, предупреждения разных уровней могут быть связаны с разными значениями нормализованных соотношений амплитуд кепстра. Например, в примере реализации, проиллюстрированном на Фиг. 15, ʺПредупреждение низкого уровняʺ может быть связано с нормализованным соотношением амплитуд кепстра равным около двух, ʺПредупреждение среднего уровняʺ может быть связано с нормализованным соотношением амплитуд кепстра равным около трех, а ʺПредупреждение высокого уровняʺ может быть связано с нормализованным соотношением амплитуд кепстра равным около четырех, а ʺПредупреждение очень высокого уровняʺ может быть связано с нормализованным соотношением амплитуд кепстра равным около пяти. Предупреждение каждого уровня также может быть связано с заданным аудио и/или визуальным сигналом, передаваемым оператору посредством одного или более устройств вывода 328.
[0081] Точность решений уровня исправности для различных компонентов насосного агрегата 200 (далее упоминается как ʺпоследующий насосный агрегатʺ) может быть повышена путем первоначального формирования профилей исправности или срока эксплуатации выбранных компонентов другого насосного агрегата (далее упоминается как ʺисследуемый насосный агрегатʺ), который функционально и конструктивно практически аналогичен следующему насосному агрегату 200. Профили исправности могут формироваться в течение значительной части срока эксплуатации выбранных компонентов исследуемого насосного агрегата. После формирования профилей исправности в ходе работы последующего насосного агрегата 200 уровни исправности компонентов следующего насосного агрегата 200 могут оцениваться непрерывно или периодически. Другими словами, исследуемый насосный агрегат может контролироваться практически непрерывно во время его срока эксплуатации для формирования профиля исправности, описывающего исследуемый насосный агрегат от момента ввода в эксплуатацию до момента выхода из строя, причем профиль исправности может впоследствии использоваться для оценки состояния исправности последующих насосных агрегатов, которые функционально и конструктивно являются практически аналогичными.
[0082] Профили исправности могут формироваться с использованием одинаковых или аналогичных процессов, способов и/или устройств, как описано выше. Например, профиль исправности может содержать запись или журнал соотношений амплитуд кепстра и/или нормализованных соотношений амплитуд кепстра, формируемых посредством контроллера или другого устройства обработки данных в течение значительной части срока эксплуатации выбранного одного или более компонентов исследуемого насосного агрегата. Контроллер или другое устройство обработки данных, формирующее профиль исправности, охватывающий значительную часть срока эксплуатации исследуемого насосного агрегата/компонента, может быть структурно и/или функционально подобным или аналогичным описанному выше контроллеру 310 и, возможно, подобной физической копией.
[0083] На Фиг. 15 дополнительно проиллюстрированы типовые кривые профиля исправности насоса 422, 424, сформированные в ходе анализа насосных агрегатов. С целью пояснения кривые профиля исправности насоса 422, 424 основаны на данных, связанных с кривыми амплитуд кепстра 402, 404, 406 и 412, 414, 416, соответственно. Первая кривая профиля исправности 422 была сформирована на основании амплитуд кривых 402, 404, 406, описанных выше и проиллюстрированных на Фиг. 12, содержащая нормализованное соотношение амплитуд кепстра около единицы в случае, когда насос 202 был исправен, нормализованное соотношение амплитуд кепстра около 1,7 в случае, когда насос 202 был частично неисправным, и нормализованное соотношение амплитуд кепстра около 173,8 в случае, когда насос 202 был неисправен. Вторая кривая профиля исправности 424 была сформирована на основании амплитудных кривых 412, 414, 416, описанных выше и проиллюстрированных на Фиг. 13 и 14, содержащих нормализованное соотношение амплитуд кепстра около единицы в случае, когда насос 202 был исправен, нормализованное соотношение амплитуд кепстра около 5,3 в случае, когда насос 202 был частично неисправным, и нормализованное соотношение амплитуд кепстра около 187,5 в случае, когда насос 202 был неисправным.
[0084] После того, как профили исправности были сформированы, они могут использоваться в качестве основы для сравнения с целью определения текущего состояния исправности, например, оставшегося срока эксплуатации выбранных компонентов последующих насосных агрегатов. Например, соотношения, связанные с выбранными компонентами последующего насосного агрегата 200 могут сравниваться с профилем исправности, сформированным для того же или аналогичного компонента исследуемого насосного агрегата, используемого в таких же или аналогичных условиях. Положение на профиле исправности, для которого есть совпадение, может свидетельствовать об оставшемся сроке эксплуатации компонента. Например, в случае, когда контролируемый насос, который является конструктивно и/или функционально одинаковым или аналогичным с насосом, связанным с кривой профиля исправности 422, контролируемый насос может иметь около 25% оставшегося срока эксплуатации в случае, когда его нормализованное отношение амплитуд кепстра равняется пяти.
[0085] Контроллер 310 может вызывать отображение профиля исправности выбранного компонента исследуемого насосного агрегата (например, посредством одного или более устройств вывода 328, описанных выше и проиллюстрированных на Фиг. 5), возможно, наложенного или иным образом связанного с нормализованным соотношением(ями) амплитуд кепстра выбранного компонента последующего насосного агрегата, который затем может использоваться для определения, следует ли заменить и/или отремонтировать выбранный компонент последующего насосного агрегата. Контроллер 310 может также генерировать предупреждения на основании сравнения между профилем исправности выбранного компонента исследуемого насосного агрегата и нормализованного соотношения(ий) амплитуд кепстра выбранного компонента последующего насосного агрегата, такого как в случае когда нормализованное соотношение амплитуд кепстра выбранного компонента последующего насосного агрегата достигает и/или превышает уровни предупреждения (например, вышеописанные, Очень низкий, Низкий, Средний, Высокий и Очень высокий уровни предупреждений) которые были заданы на основании профиля исправности выбранного компонента исследуемого насосного агрегата.
[0086] Несмотря на то, что в примерах, описанных в связи с Фиг. 1-15 проиллюстрирован насос 202, как содержащий трехпоршневой насос 202, который содержит три флюидные камеры 218 и три элемента для вытеснения флюида 222, в других вариантах реализации в пределах объема данного изобретения может использоваться пятипоршневой насос, содержащий пять флюидных камер 218 и пять элементов для вытеснения флюида 222, или другие поршневые насосы, содержащие другое количество флюидных камер 218 и элементов для вытеснения флюида 222. Так, например, в случае, когда насос 202 содержит N элементов для вытеснения флюида, исправность выпускных клапанов 236, флюидных камер 218, элементов для вытеснения флюида 222 и/или других компонентов может контролироваться путем анализа амплитуды рахмоники при значении кьюфренси около 360/N градусов.
[0087] Несмотря на то, что в примерах, описанных в связи с Фиг. 10-15 проиллюстрирован контроллер 310 как обрабатывающий или иным образом использующий параметрические данные в виде данных давления, измеренных на полости для выпуска флюида 234, в других вариантах реализации в пределах объема данного изобретения могут использоваться другие виды параметрических данных, например, изменения давления на впускном флюидном трубопроводе 226, изменения скорости потока флюида через впускной и/или выпускной флюидный трубопровод 226, 235, и/или вибрации, измеренные на корпусе насоса 216 или в других местах, связанных с насосным агрегатом 200. Такой параметр(ы) может использоваться для формирования соотношений амплитуд кепстра, нормализованных соотношений амплитуд кепстра и профилей исправности, как описано выше.
[0088] На Фиг. 16 проиллюстрирована блок-схема по меньшей мере части типового варианта реализации способа (500) в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения. Способ (500) может быть реализован с использованием по меньшей мере части одного или более вариантов реализации устройства, проиллюстрированного на одной или более Фиг. 1-5, и/или иным образом находящегося в пределах объема данного изобретения.
[0089] Способ (500) может включать приведение в действие (505) насосного агрегата, содержащего множество компонентов, причем множество компонентов включает первичный привод и насос, приводимый в действие первичным двигателем. Например, приводимый в действие (505) насосный агрегат может быть одним из насосных агрегатов 200, проиллюстрированных на Фиг. 1-4.
[0090] Способ (500) включает вычисление (510), в зависимости от углового положения, обусловленного приведением в действие (505) насосного агрегата, кепстра параметра, связанного с насосным агрегатом и изменяющегося в зависимости от углового положения, как описано выше. Способ (500) также включает вычисление (512) первой амплитуды вычисленного (510) кепстра при значении кьюфренси равном около нуля, вычисление (513) второй амплитуды вычисленного (510) кепстра при значении кьюфренси не равном нулю, соответствующем или иным образом связанным с одним из множества компонентов насосного агрегата и вычисление (515) соотношения вычисленной (512) первой амплитуды и вычисленной (513) второй амплитуды. Исправность компонента насосного агрегата, связанная с ненулевым значением кьюфренси затем оценивается (520) на основании вычисленного (515) соотношения.
[0091] Как описано выше, вычисленный (510) кепстр может быть порядковым кепстром. При вычислении (510) кепстра может использоваться Уравнение (1), которое приводится выше. Ненулевое значение кьюфренси, используемое для вычисления (513) второй амплитуды может совпадать с рахмоникой, которая связана с компонентом насосного агрегата, связанным с ненулевым значением кьюфренси. Например, насосный агрегат может содержать насос, содержащий N поршней или других элементов для вытеснения флюида, при этом ненулевое значение кьюфренси может быть 360/N градусов. Компонент насосного агрегата, связанный с ненулевым значением кьюфренси, может являться вращающимся компонентом, компонентом, совершающим возвратно-поступательное движение или другим компонентом насосного агрегата, движение которого может носить периодический характер, как например, в вариантах реализации, в которых насосный агрегат содержит составной поршневой насос.
[0092] Вычисление (512) первой амплитуды может включать вычисление среднего значения амплитуды вычисленного (510) кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от нулевого значения. Вычисление (513) второй амплитуды может включать вычисление среднего значения амплитуды вычисленного (510) кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от ненулевого значения.
[0093] Способ (500) может дополнительно включать нормализацию (535) вычисленного (515) соотношения на основе исходного соотношения первой и второй амплитуд, вычисленного во время ввода в эксплуатацию насосного агрегата в начале срока эксплуатации насосного агрегата. В данных вариантах реализации оценка (520) исправности компонента насосного агрегата, связанного с ненулевым значением кьюфренси, может выполняться на основании нормализованного (535) соотношения. Например, оценка (520) исправности компонента насосного агрегата, связанного с ненулевым значением кьюфренси, может включать вычисление того, какой из компонентов насосного агрегата по меньшей мере частично поврежден, в случае когда значение нормализованного (535) соотношения составляет около двух или более.
[0094] Оценка (520) исправности компонента насосного агрегата, связанного с ненулевым значением кьюфренси, может включать оценку оставшегося срока эксплуатации компонента на основе вычисленного (515) соотношения. Оценка (520) исправности компонента насосного агрегата, связанного с ненулевым значением кьюфренси, может кроме того или вместо того включать определение, какой компонент является исправным в случае когда вычисленное (515) соотношение не превышает заданное значение. Оценка (520) исправности компонента насосного агрегата, связанного с ненулевым значением кьюфренси, может кроме того или вместо того включать сравнение вычисленного (515) соотношения с набором заданных значений, каждое из которых связано с различным значением из набора заданных уровней исправности, причем определение уровня исправности компонента насосного агрегата основано на сравнении. Оценка (520) исправности насосного компонента, связанного с ненулевым значением кьюфренси может кроме того или вместо того включать определение, какой компонент насосного агрегата является исправным в случае когда вычисленное (515) соотношение не превышает наименьшее из заданных значений, а в случае когда вычисленное (515) соотношение превышает наименьшее из заданных значений, включать определение, какой компонент насосного агрегата характеризуется заданным уровнем исправности, который соответствует одному из заданных значений, являющихся наиболее близкими к вычисленному (515) соотношению.
[0095] Как описано выше, оценка (520) исправности компонента насосного агрегата, связанного с ненулевым значением кьюфренси, может кроме того или вместо того включать определение, какой насосный агрегат имеет: утечку впускного флюидного клапана, утечку флюидного выпускного клапана, утечку через уплотнения, неправильное заполнение флюидной камеры и/или их комбинацию. Например, оценка (520) исправности компонента насосного агрегата, связанного с ненулевым значением кьюфренси, может включать определение, какой из компонентов насосного агрегата поврежден.
[0096] Как также описано выше, параметром, используемым для вычисления (510) кепстра в зависимости от углового положения, связанного с приведением в действие (505) насосного агрегата может быть давление, вибрация или скорость потока. Например, насосный агрегат может содержать насос, содержащий отверстие для выпуска флюида, при этом параметром может быть давление флюида на отверстии для выпуска флюида.
[0097] По меньшей мере часть способа (500) может выполняться посредством приведения в действие блока обработки данных согласно одному или более аспектам данного изобретения. Например, одно или более вычислений (510) кепстра, вычисление (512) первой амплитуды, вычисление (513) второй амплитуды, вычисление (515) соотношения, оценка (520) исправности компонента насосного агрегата, нормализация (535) вычисленного (515) соотношения, и/или другие аспекты способа (500) могут выполняться посредством приведения в действие по меньшей мере одного экземпляра по меньшей мере части контроллера 310, проиллюстрированного на Фиг. 5, включая варианты реализации, входящие в состав, находящиеся в связи с, или иным образом связанные с центром управления 150, проиллюстрированным на Фиг. 1, среди прочих вариантов реализации, которые находятся в пределах объема данного изобретения. Аналогичным образом, параметрические данные и данные углового положения, используемые для вычисления (510) кепстра могут быть получены посредством приведения в действие одного или более датчика(ов) углового положения 302, датчика(ов) приближения 304, датчика(ов) давления 306, датчика(ов) давления 307, датчика(ов) вибрации 308 и/или датчика(ов) скорости потока 309, проиллюстрированных на Фиг. 5, и/или других описанных выше датчиков.
[0098] На Фиг. 17 проиллюстрирована блок-схема по меньшей мере части типового варианта реализации другого способа (600) в соответствии с одним или более аспектами данного изобретения. Способ (600) может быть реализован с использованием по меньшей мере части одного или более вариантов реализации устройства, проиллюстрированного на одной или более Фиг. 1-5, и/или иным образом находящегося в пределах объема данного изобретения. Один или более аспектов способа (600), проиллюстрированного на Фиг. 17 могут также использоваться в сочетании с одним или более аспектов способа (500), проиллюстрированного на Фиг. 16 в пределах объема данного изобретения. Например, один или более аспектов способа (600), проиллюстрированного на Фиг. 17 может быть практически таким же, практически аналогичным и/или практически взаимозаменяемым с одним или более аспектами способа (500), проиллюстрированного на Фиг. 16.
[0099] Способ (600) включает приведение в действие (605) первого насосного агрегата и формирование (610) профиля исправности компонента первого насосного агрегата. Например, профиль исправности первого компонента насосного агрегата может формироваться (610) в течение значительной части срока эксплуатации первого компонента насосного агрегата посредством: вычисления (615), в зависимости от первых данных углового положения, обусловленных приведением в действие (605) первого насосного агрегата, первого кепстра первых параметрических данных, которые содержат первые значения параметра, связанного с первым насосным агрегатом; вычисление (620) первого соотношения, связывающего первую амплитуду вычисленного (615) первого кепстра при значении кьюфренси близком к нулю и вторую амплитуду вычисленного (615) первого кепстра при ненулевом значении кьюфренси, причем ненулевое значение кьюфренси связано с первым компонентом насосного агрегата; и сопоставление (625) вычисленного (620) первого соотношения с текущей исправностью первого компонента насосного агрегата.
[00100] Способ (600) также включает приведение в действие (630) второго насосного агрегата, который практически функционально и конструктивно аналогичен первому насосному агрегату. Второй насосный агрегат содержит компонент, который практически функционально и конструктивно аналогичен первому компоненту насосного агрегата, для которого был сформирован (610) профиль исправности. Компонент второго насосного агрегата может быть другим экземпляром компонента первого насосного агрегата, для которого был сформирован (610) профиль исправности. Например, первый насосный агрегат может содержать первый составной поршневой насос, содержащий первый компонент, а второй насосный агрегат может содержать второй составной поршневой насос, содержащий второй компонент, причем первый и второй компоненты могут быть различными экземплярами одного и того же компонента.
[00101] Способ (600) также включает вычисление (635), в зависимости от вторых данных углового положения, обусловленных приведением в действие (630) второго насосного агрегата, второго кепстра вторых параметрических данных, которые содержат вторые значения параметра, который использовался для вычисления (615) первого кепстра при формировании (610) профиля исправности первого компонента насосного агрегата. Затем вычисляется (640) второе соотношение, связывающее первую амплитуду вычисленного (635) второго кепстра при значении кьюфренси близком к нулю и вторую амплитуду вычисленного (635) второго кепстра при ненулевом значении кьюфренси. Затем оценивается (645) исправность компонента второго насосного агрегата на основании сформированного (610) профиля исправности и вычисленного (640) второго соотношения.
[00102] Принимая во внимание полноту данного описания изобретения, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что данное изобретение относится к устройству, содержащему: систему мониторинга для оценки исправности насосного агрегата, в которой насосный агрегат содержит множество компонентов, включающих первичный привод и насос, приводимый в действие посредством первичного привода, содержащая: средства связи для приема: данных углового положения, содержащих значения угловых положений, связанных с работой насосного агрегата; и параметрических данных, содержащих значения параметра, связанного с насосным агрегатом, и изменяющегося в соответствии с угловыми положениями; и блок обработки данных, выполненный с возможностью: вычисления кепстра параметрических данных в соответствии с данными углового положения; и вычисления соотношения первой амплитуды кепстра при значении кьюфренси близком к нулю ко второй амплитуде кепстра при ненулевом значении кьюфренси, причем вычисленное соотношение является показателем исправности одного из множества компонентов. Вычисленное соотношение является показателем оставшегося срока эксплуатации одного из множества компонентов.
[00103] Кепстр может быть порядковым кепстром. Для вычисления кепстра может использоваться вышеприведенное Уравнение (1). Ненулевое значение кьюфренси может совпадать с рахмоникой, связанной с одним из множества компонентов. Насос может содержать N элементов для вытеснения флюида, а ненулевое значение кьюфренси может быть 360/N градусов. Например, каждый из N элементов для вытеснения флюида может быть поршнем.
[00104] Блок обработки данных может быть дополнительно выполнен с возможностью: вычисления первой амплитуды путем вычисления среднего значения амплитуды кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от нулевого значения; и вычисления второй амплитуды путем вычисления среднего значения амплитуды кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от ненулевого значения кьюфренси.
[00105] Блок обработки данных может быть дополнительно выполнен с возможностью: сравнения вычисленного соотношения с заданным значением; и указания исправности одного из множества компонентов на основе результатов сравнения.
[00106] Блок обработки данных может быть дополнительно выполнен с возможностью: сравнения вычисленного соотношения с каждым из множества заданных значений, каждое из которых связано с соответствующим одним из множества заданных уровней исправности; и указания того, какой из множества заданных уровней исправности характеризует исправность одного из множества компонентов на основании результатов сравнения. Например, множество заданных уровней исправности могут включать: начало срока эксплуатации; исправный; частично исправный; и неисправный.
[00107] Блок обработки данных может быть дополнительно выполнен с возможностью: сравнения вычисленного соотношения с каждым из множества заданных значений, каждое из которых связано с соответствующим одним из множества заданных предупреждений об уровне исправности; и вывода каждого из множества заданных предупреждений об уровне исправности на основе результатов сравнения, в то время как насосный агрегат продолжает работать, и вычисленного соотношения соответственно приращениям для каждого из множества заданных значений.
[00108] Блок обработки данных дополнительно выполнен с возможностью нормализации вычисленного соотношения на основе исходного соотношения первой и второй амплитуд, вычисленного во время ввода в эксплуатацию насосного агрегата в начале срока эксплуатации насосного агрегата. В таких вариантах реализации нормализованное соотношение является показателем исправности одного из множества компонентов. Например, в случае, когда значение нормализованное соотношение составляет около двух или более, это может указывать на то, что один из множества компонентов по меньшей мере частично неисправен. В таких вариантах реализации блок обработки данных может быть дополнительно выполнен с возможностью: сравнения нормализованного соотношения с заданным значением; и указания исправности одного из множества компонентов на основе результатов сравнения. Блок обработки данных может быть дополнительно выполнен с возможностью: сравнения нормализованного соотношения с каждым из множества заданных значений, каждое из которых связано с соответствующим одним из множества заданных уровней исправности; и указания того, какой из множества заданных уровней исправности характеризует исправность одного из множества компонентов на основании результатов сравнения. Блок обработки данных может быть дополнительно выполнен с возможностью: сравнения нормализованного соотношения с каждым из множества заданных значений, каждое из которых связано с соответствующим одним из множества заданных предупреждений об уровне исправности; и вывода каждого из множества заданных предупреждений об уровне исправности на основе результатов сравнения, в то время как насосный агрегат продолжает работать, и вычисленного соотношения соответственно приращениям для каждого из множества заданных значений.
[00109] Параметрические данные могут содержать данные давления, сформированные датчиком давления, связанным с насосным агрегатом. Параметрические данные кроме того или вместо могут содержать данные вибрации, сформированные датчиком вибрации, связанным с насосным агрегатом. Параметрические данные кроме того или вместо могут содержать данные скорости потока, сформированные датчиком скорости потока, связанным с насосным агрегатом.
[00110] Датчик положения, связанный с насосным агрегатом может формировать данные углового положения. Датчик положения содержит по меньшей мере одно из: кодирующее устройство, датчик углового положения, датчик положения, датчик приближения, линейный датчик положения и/или их комбинацию.
[00111] Насос содержит отверстие для выпуска флюида, причем параметрические данные содержат данные давления, формируемые датчиком давления, связанным с насосным агрегатом, при этом данные давления связаны с изменениями давления флюида в отверстии для выпуска флюида.
[00112] Указанная исправность может быть связана с по меньшей мере с одним из: утечкой впускного флюидного клапана, утечкой флюидного выпускного клапана, утечкой через уплотнения, неправильным заполнением флюидной камеры и/или их комбинацией. Указанная исправность кроме того или вместо может быть связана с повреждением, которому подвергается один из множества компонентов.
[00113] Один из множества компонентов может быть вращающимся или двигающимся назад и вперед компонентом насосного агрегата.
[00114] Насос может включать составной поршневой насос.
[00115] Данное изобретение также относится к способу, включающему: приведение в действие насосного агрегата, содержащего множество компонентов, включающих первичный привод и насос, приводимый в действие первичным приводом; приведение в действие блока обработки данных для: вычисления, в зависимости от углового положения, обусловленного работой насосного агрегата, кепстра параметра, связанного с насосным агрегатом и изменяющегося в зависимости от углового положения; и вычисления соотношения первой амплитуды кепстра при значении кьюфренси близком к нулю ко второй амплитуде кепстра при ненулевом значении кьюфренси; и оценку исправности одного из множества компонентов, связанных с ненулевым значением кьюфренси, на основании вычисленного соотношения.
[00116] Оценка исправности может включать оценку оставшегося срока эксплуатации одного из множества компонентов на основании заданного соотношения.
[00117] Кепстр может быть порядковым кепстром. Для вычисления кепстра может использоваться вышеприведенное Уравнение (1).
[00118] Ненулевое значение кьюфренси может совпадать с рахмоникой, связанной с одним из множества компонентов.
[00119] Насос может содержать N элементов для вытеснения флюида, а ненулевое значение кьюфренси может быть 360/N градусов. Например, каждый из N элементов для вытеснения флюида может быть поршнем.
[00120] Способ дополнительно может включать приведение в действие блока обработки данных для: вычисления первой амплитуды путем вычисления среднего значения амплитуды кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от нулевого значения; и вычисления второй амплитуды путем вычисления среднего значения амплитуды кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от ненулевого значения кьюфренси.
[00121] Оценка исправности может включать определение того, что один из множества компонентов является исправным в случае, когда вычисленное соотношение не превышает заданное значение.
[00122] Оценка исправности кроме того или вместо того может включать: сравнение вычисленного соотношения с множеством заданных значений, причем каждое из множества заданных значений связанно с различным уровнем исправности; и определение уровня исправности одного или более компонентов на основании сравнения.
[00123] Оценка исправности кроме того или вместо того может включать: определение того, что один из множества компонентов насосного агрегата является исправным в случае, когда вычисленное соотношение не превышает наименьшее из множества заданных значений, каждое из которых соответствует различному уровню из множества заданных уровней исправности; и определение того, что один из множества компонентов характеризуется одним из множества заданных уровней исправности, который соответствует одному из множества заданных значений, близких к вычисленному соотношению в случае, когда вычисленное соотношение превышает наименьшее из множества заданных значений.
[00124] Способ может дополнительно включать приведение в действие блока обработки данных для нормализации вычисленного соотношения на основе исходного соотношения первой и второй амплитуд, вычисленного во время ввода в эксплуатацию насосного агрегата в начале срока эксплуатации насосного агрегата. В таких вариантах реализации оценка исправности может основываться на нормализованном соотношении. Например, в таких вариантах реализации оценка исправности может включать определение того, что один из множества компонентов является по меньшей мере частично неисправным, если значение нормализованного соотношения составляет около двух или более.
[00125] Параметром может быть давление, вибрации, скорость потока. Например, насос может содержать отверстие для выпуска флюида, причем параметром может быть давление флюида на отверстии для выпуска флюида.
[00126] Оценка исправности может включать определение того, какой насосный агрегат имеет по меньшей мере одно из: утечку впускного флюидного клапана, утечку флюидного выпускного клапана, утечку через уплотнения, неправильное заполнение флюидной камеры и/или их комбинацию. Оценка исправности кроме того или вместо может включать определение того, что поврежден один из множества компонентов.
[00127] Один из множества компонентов может быть вращающимся или двигающимся назад и вперед компонентом насосного агрегата.
[00128] Насос может включать составной поршневой насос.
[00129] Данное изобретение также относится к способу, включающему: приведение в действие первого насосного агрегата; использование первого блока обработки данных для формирования профиля исправности первого компонента первого насосного агрегата в течение значительной части срока эксплуатации первого компонента посредством: вычисления, в зависимости от первых данных углового положения, обусловленных работой первого насосного агрегата, первого кепстра первых параметрических данных, которые содержат первые значения параметра, связанного с первым насосным агрегатом; вычисления первого соотношения, связывающего первую амплитуду первого кепстра при значении кьюфренси близком к нулю и вторую амплитуду первого кепстра при ненулевом значении кьюфренси, причем ненулевое значение кьюфренси сопоставляется с первым компонентом; и сопоставления первого соотношения с текущей исправностью первого компонента; приведение в действие второго насосного агрегата, который практически функционально и конструктивно аналогичен первому насосному агрегату, причем второй насосный агрегат содержит второй компонент, который практически функционально и конструктивно аналогичен первому компоненту; приведение в действие второго блока обработки данных для: вычисления, в зависимости от вторых данных углового положения, обусловленных работой второго насосного агрегата, второго кепстра вторых параметрических данных, которые содержат вторые значения параметра; и вычисления второго соотношения, связывающего первую амплитуду второго кепстра при значении кьюфренси близком к нулю и вторую амплитуду второго кепстра при ненулевом значении кьюфренси; и оценки исправности второго компонента на основании профиля исправности и второго соотношения.
[00130] Оценка исправности включает оценку оставшегося срока эксплуатации второго компонента на основании профиля исправности и второго соотношения.
[00131] Насос может содержать N элементов для вытеснения флюида, а ненулевое значение кьюфренси может быть 360/N градусов.
[00132] Первая амплитуда первого кепстра может быть средним значением амплитуды первого кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от нулевого значения, а вторая амплитуда первого кепстра может быть средним значением амплитуды первого кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от ненулевого значения кьюфренси. В таких вариантах реализации первая амплитуда второго кепстра может быть средним значением амплитуды второго кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от нулевого значения, а вторая амплитуда второго кепстра может быть средним значением амплитуды второго кепстра в пределах интервала значений кьюфренси в диапазоне от около одного градуса до около пяти градусов от ненулевого значения кьюфренси.
[00133] Параметром может быть давление, вибрации, скорость потока.
[00134] Оценки исправности может включать определение того, что второй компонент поврежден.
[00135] Первый и второй компоненты могут быть вращающимися или двигающимися назад и вперед компонентами.
[00136] Первый насосный агрегат может содержать первый составной поршневой насос, содержащий первый компонент, а второй насосный агрегат может содержать второй составной поршневой насос, содержащий второй компонент.
[00137] Рассмотренные выше особенности нескольких вариантов реализации изобретения приводятся с целью предоставления специалистам в данной области техники больших возможностей для понимания аспектов данного изобретения. Специалисты в данной области техники по достоинству оценят то, что они могут без труда использовать данное описание в качестве основы для разработки или изменения других процессов и структур для выполнения одних и тех же функций и/или достижения одних и тех же преимуществ вариантов реализации изобретения, представленных в данной заявке. Специалисты в данной области техники также должны понимать, что такие эквивалентные конструкции не отходят от сущности и объема данного изобретения, и что в данной заявке могут быть сделаны различные изменения, замены и исправления без отхода от сущности и объема данного изобретения.
[00138] Реферат изобретения представлен в соответствии с параграфом 1.72(b) раздела 37 Свода федеральных правил (37 C.F.R. 1.72(b)), который требует быстрого понимания характера технической стороны изобретения читателем. Он представляется с пониманием того, что он не будет использоваться для интерпретации или ограничения объема или смысла формулы изобретения.