專利名稱：用于檢測活塞機的流體泄露的方法
技術領域：
本發明涉及關于活塞機(pistonmachine)的流體泄露的檢測。本發明尤 其涉及一種關于至少一臺活塞機的流體泄露的檢測方法，其中該方法包括 -將振動傳感器附著至活塞機的上行管道或下行管道至少之一； -測量在至少一個振動傳感器處的振動；
-將傳感器附著至至少一個活塞機，以提供用于計算至少一個活塞機的轉 速和軸位置的信號；
-計算至少一個活塞機的轉速(rotational speed)和角度軸位置(angular shaft position);
-計算所測得的振動信號的至少一個復諧波(complex harmonic)傅立葉幅
值；
-對該幅值進行低通濾波；
-計算偏離幅值，其為在濾波后的幅值和基準幅值之間的復數差(complex difference)的量值；以及
-監測該偏離幅值，以檢測泄露。
背景技術：
本文中的泄露涵蓋了范圍廣泛的多種故障，這些故障具有如下共同點
相對于沒有缺陷元件的正常情況而言，這些故障會導致通過機器的流率(flow rate)的循環下降(cyclic drop)。這些故障的實例為 -活塞密封失效；
-在密封的關閉時段，閥門密封的缺陷導致發生經過密封件的逆流；以及 -閥門回位彈簧損壞，導致閥門關閉的延遲。
為了使閥門和活塞失效的成本和停工時間最小化，對活塞機(下文中將 簡稱為泵)的泄露的檢測和定位至關重要。當前實踐中并沒有提供恰當的方 式來對泄露進行檢測和定位。
眾所周知， 一個或多個閥門或活塞中的泄露將會導致總流量(total flow)
5的下降，而且此下降也將相應地導致排放壓力的下降。然而，這種壓力下降 也可能是由于泵外部的泄露，甚至是由于與泄露無關的流阻的降低。這種降 低可源于流體溫度和粘性的變化，或源于一個或多個限流器的旁路。因此， 壓力下降本身不能用來對泄露進行定位。
閥門或活塞中的泄露本身通過可由各種傳感器檢出的多種效果而凸顯 出來。因泄露漸增而導致的最顯著的變化為
-排放壓力開始下降，其假設壓力的損失未被總的泵流率的增長所補償。
-在相當于泵旋轉周期的期間，泵的排放壓力開始循環性改變。
-在同一期間，泵的吸入壓力也開始循環性改變。
-低頻和循環性振動增加，尤其是在可變形軟管(高壓軟管和低壓軟管這 兩者)上增加。
所提及的所有泄露指標(indicator)可以作為獨立的指標使用，也可以
與其它指標組合使用。
眾所周知，隨著泄露加劇且通過多個活塞或閥門之一的逆流的增加，壓 力的較低階諧波(尤其是一次和二次諧波)的量值也會增加，參見美國專利
5720597。
以往的經驗已經證實，很難將一次諧波壓力的分量規范化，從而使其速 率和平均壓力近乎獨立。這是緣于如下的事實動態壓力是涉及泄露流體變 化的頻率和管道幾何構形的復合函數，其中上行管道幾何構形針對吸入壓 力，下行管道幾何構形針對排放壓力。
文獻WO 03/087754描述了一種使用主動速率變量測試與諧波分析的組 合來對泄露進行量化和定位的方法。然而，經驗表明此方法在現場環境下的 工作并不盡如人意。
發明內容
本發明的目的是提高從儲積巖層(reservoir rock formation)分離 (recovery)石油的成本效益。
根據本發明，其目的通過說明書的下文和隨附的專利權利要求書中所公 開的特征而實現。
根據本發明的一種用于檢測至少一個活塞機的流體泄露的方法，該方法200880010013.X
-將振動傳感器附著至所述活塞機的上行管道或下行管道至少之一； -測量在至少一個所述振動傳感器處的振動；
-將傳感器附著至至少一個活塞機，以提供用于計算至少一個活塞機的轉 速和軸位置的信號；
-計算至少一個活塞機的轉速和角度軸位置；
-計算所測量的振動信號的至少一個復諧波傅立葉幅值；
-對所述幅值進行低通濾波；
-計算偏離幅值，其為在濾波后的幅值和基準幅值之間的復數差的量值；
以及
-監測所述偏離幅值，以檢測泄露。
監測動態變量(variation)的偏離而不僅僅是檢測幅值的偏離，這種做 法大有裨益。原因在于所觀察的變量可包括多個具有不同相位的分量。每 個分量可被看作是矢量，表征為具有長度和方向，并且總的動態分量為矢量 和。而矢量和的長度小于最大分量的長度的情形常有發生。
作為一個實例，活塞機的不完全平衡將導致循環性的一次諧波移動 (motion)。當泄露導致的移動與此不平衡移動疊加時，方向或相位的偏離 不太可能不超過90°,這導致當泄露加劇時合成幅值的減小。通過監測偏離 幅值而不是合成(resultant)幅值，則即使合成幅值減小，也能檢測到漸增 的泄露。
監測偏離意味著在偏離能被檢測之前必須確定參考值或基準值。下文 中將討論獲得基線值的步驟。
可以多種方式來計算振動的較低階諧波。 一種方法為應用時域記錄的 標準傅立葉變換，并對應于泵的諧波提取分量。更精確的方法為如果泵速
率和/或取樣時間間隔改變，則如下文所示，優選基于所測得的角度軸位置e
來使用傅立葉分析。
在下文中，使用了其中—V^作為虛數單位的復數符號(notation)。動
態時間因變量f的復數傅立葉變換系數由如下公式給出
&=丄|7.^^6> =丄17.cos(M)t^ +丄f/.sin(A^)J0 (El)其中k是表示諧波級數(harmonics number)的正整數。在理論上，振 動信號的任意次諧波都可被用作泄露指標，但是一次諧波通常是敏感度最高 且最便于使用的諧波。除非另作說明，否則假設1^1，并且為了方便起見還 省略諧波指數。根據數值積分的公知技術，必須通過計算機中的求和來實現 積分。在泵的每個完整的周轉(revolution)中更新幅值。
在上文中限定的復幅值可被看作復平面中的矢量。如果在信號中存在大 量噪聲或非諧波變量、并且信號可能還包括不是來自于泄露的真實諧波變量 的話，則所述幅值就會被擺布得起伏不定(fluctuation)，從而此矢量的長度 (等于復幅值的量值)并不適用于早期泄露的檢測。
對復幅值進行平滑濾波，將有效地降低來自噪聲和非諧波變量的干擾。 平滑(低通濾波的另一種措辭)將減弱除了真實諧波分量之外的所有分量。 可使用范圍廣泛的低通濾波器類型。 一般而言，濾波器的截止頻率越低、衰 減率(roll-off rate)越陡，則減弱效率越高。然而，非常低的截止頻率的缺 陷在于其響應時間較差，意即針對快速增長的泄露的檢測會發生延遲。
監測偏離幅值而不是變量幅值，解決了對諧波基變量的干擾不是源自漸 增的泄露的問題。此偏離幅值由下述公式限定
5F = |d| (E2)
其表示平滑后幅值Fs和基準幅值Fb之間的復數差的量值或長度。當此 偏離幅值超過某一警報界限時，將會觸發警報。與基準條件偏離不大的正常 條件被可視化為圖2中的陰影圓形區域。下文中將討論獲得基準幅值Fb和最 大偏離幅值^F的方法。
如果本發明使用的是僅來自一個傳感器的最低諧波，則本發明存在有偏 離幅值對泄露的響應較差的風險(這是由于該傳感器被設置得鄰近駐波的節 點)，或者泄露導致的移動會在傳感器的低靈敏度方向上被極化。為了使此 風險最小化，可將上述方法歸納為使用多次諧波和/或多個傳感器。添加的傳 感器或者是可以位于相同位置但具有不同方向，或者將它們設置在不同位 置。使用前面概述的步驟，從諧波k和位置/方向l的每個組合中計算出局部 偏離幅值^^。這些局部幅值可以很方便地并入一個總體偏離幅值，其中該 總體偏離幅值被定義為局部偏離幅值平方的加權和的平方根
^ = (E3)
8其中^為所選擇的權重系數。如果期望所有的局部偏離幅值均具有幅值 的相同階數，則權重系數可簡化為等于被多個組合的數目整除的一個常數。然后，總體偏離幅值是所有局部振動幅值的rms值。使用多個振動傳感器信號的方法可進一步概括為包括在高壓側和/或在 低壓側測得的諧波壓力變量。可以與振動偏離幅值相同的方式來獲得壓力的 偏離幅值，但是必須通過選擇合適的比例因子而將它們重新調節并轉換成等 同的位移幅值。作為一個例子，如果泄露通常產生lmm的偏離位移幅值和1 巴(bar)的一次諧波排放壓力變量，則此壓力的比例因子可為lmm/bar。將多次諧波和/或多個測量信號結合到一個總體偏離幅值內的主要優點是-將遭遇到很差的泄露響應的條件或頻率的風險降到最低；以及 -大大簡化了用于基于多個信號而觸發泄露警報的邏輯。 如對現有技術的討論中所述，泵振動的較低諧波與循環性泄露流體以及 吸入壓力和排放壓力的相應變化有著緊密的聯系。根據本發明，通過監測管道或可變形軟管的最低振動諧波，通常會在早 期階段檢測到泄露。優選地，振動諧波通過參考每個泵的角位置而計算。在優選實施例中，將振動傳感器附著至管道的對移動最敏感的部位，例 如在高壓可變形軟管的中心部分的外部，并監測低頻振動。振動傳感器通常 為加速計(accelerometer)，但是也可以替換使用速度(velocity)或位移傳 感器。與位移幅值相反，由于加速度幅值趨向于快速增加泵的轉速，因此推 薦用位移幅值來監測振動幅值。在進行諧波分析之前，通過對原始信號進行 兩次時間積分，則即使從加速計信號中也能得到位移幅值。然而，此方法具 有如下缺點每個積分步驟必須與所謂的AC濾波器相結合，以避免DC分 量的增長失去控制或噪聲分量的緩慢改變。為了避免此問題，推薦使用下文 簡要概述的不同程序。本領域普通技術人員都了解，時間積分變量的傅立葉變換等于變量自身 除以虛數因子/ 的傅立葉變換，其中w表示角頻率。當所述頻率僅限于泵諧 波時，我們可以設置"4Q，其中k為諧波級數，Q為泵的角旋轉速率。由 于位移為速度的時間積分，因而通過將相應的速度幅值除以AQ，可以從中 獲得沒有k的諧波的位移幅值。類似地，通過用同一因子(或著由于/2=-1，僅用-0tQ)2)兩次相除加速度幅值，從而可從加速度幅值獲得位移幅值。上文討論的每個泄露指標(indicator)將具有可隨變化的條件(例如泵速率 和排放壓力)而明顯改變的基準線。如果這些指標應該用于觸發泄露警報， 則它們的常態帶寬或警報界限不能被固定。在優選實施例中，通過如下步驟來自動設置基準值和警報界限參當遇到流體條件中的實質性改變時，例如至少一個泵的轉速改變，則開啟檢驗(quarantine)計時器。檢驗時段必須足夠長(通常為數十秒)，以 允許動態幅值中的瞬態改變逐漸減弱(fadeaway)。參在此檢驗時段，凍結低通濾波后的幅值、忽視暫態改變并使警報邏輯 被禁能。參在檢驗時段的最后，開啟基準估計定時器。此基準估計時段的持續時 間通常比檢驗時段長2-10倍。*在基準估計時段的最后，將復變量幅值的基準值設置為等于在基準估 計時段測得的平均值，并確定偏離幅值的警報界限。此界限可以是相對值， 其設置為基準量值的分值，此界限也可以是絕對值。在進一步的實施例中， 警報界限還可以由更高級的函數(其將測得變量和極端值也納入考慮)來確 定。在此基準估計時段之后，且當活塞機的運行呈穩定狀態時，警報界限保 持為常數，這意味著如果偏離幅值或總體偏離幅值超過警報界限，則發出警 報。即使僅有一個泵的速率發生實質性改變，也要優選對所有泵進行偏離幅 值的基準值和警報值的自動更新。因為總體流量和排放壓力可影響到所有正 在運行的泵的基準幅值，這一點至關重要。本發明不僅教導了用于檢測泄露的相對簡單的方法，還使其能夠指出是 哪一個泵發生了泄露。
下文中描述了使用在附圖中所示方法的實例，其中圖1示意性的示出具有上行和下行管道連接的泵；以及圖2示出用于諧波幅值(所述諧波幅值作為復平面中的矢量)中的平滑后的值和基準值，以及用于偏離幅值的警報界限，該警報界限作為其中心在 基準幅值矢量末端處的圓周的邊界。
具體實施方式
在附圖中，附圖標記1表示所謂的三缸泵(triplexpump)，這種稱謂之 下的泵設置有三個獨立動作的活塞2，這些活塞延伸通過各自的汽缸 (cylinder) 4。附圖中僅示出了第一活塞2和相應的汽缸4。汽缸4通過各 自的入口閥10與入口歧管(manifold) 6和上行管道8相通，并且通過各自 的出口閥16與出口歧管12和下行管道14相通。第一柔性連接18包括在上行線路8中，并且第二柔性連接20包括在下 行線路14中。入口壓力傳感器22連接至入口歧管6，經由電纜26與計算機24通信； 出口壓力傳感器28連接至出口歧管12，經由電纜30與計算機24通信。將 旋轉角度發送器32設置為對泵1的泵軸34的旋轉角度進行測量，且通過電 纜36連接到計算機24以便通信。呈加速計形式的第一振動傳感器38連接至第一柔性連接18，并且同樣 呈加速計形式的第二振動傳感器40連接至第二柔性連接20。振動傳感器38 和40通過各自的電纜42、 44耦合至計算機24。如說明書的概述部分所述， 第一振動傳感器38和第二振動傳感器40可包括多于一個的傳感器。傳感器22、 28、 38、 40，發送器32以及計算機24本身都屬于公知的類 型，且對計算機進行編程以進行所討論的計算。如果在閥門10或16中出現泄露，或在活塞2未示出的密封件中出現泄 漏，則在泵浦(pumping)階段通過出口閥16的排放將減少與經過活塞2的 泄漏流量相等的量。經過活塞2的泄漏導致流經泵1的流體中的不勻稱(asymmetry)。這種 不勻稱導致包括第二柔性連接20的下行管道14中的振動的增加。第二振動 傳感器40對所增加的振動進行感測。如說明書的概述部分所述，通過基本持續地對來自傳感器38、 40的振 動進行基于角位置的傅立葉分析，將對泵1的變量的偏離幅值SF中即將出 現的增長進行檢測。當這些泵的運行速率不同時，對發生泄露的泵的識別是最有把握的，這 是由于此時較低諧波具有不同的和獨有的頻率。然而，當兩個或更多泵同步運行時，也能對發生泄漏的泵進行識別，這是緣于這樣一種事實在發生泄漏的泵附近的振動改變水平將是最高的。如果設置有頻率警報，或如果僅設置有常規的壓力警報，則由計算機24 設置的警報可引發進一步的探查，以定位所述泵l的任何一個中的泄露。
權利要求
1.一種用于檢測至少一個活塞機(1)的流體泄露的方法，其特征在于，該方法包括將振動傳感器(38，40)附著至所述活塞機(1)的上行管道(8)或下行管道(14)至少之一；測量在至少一個所述振動傳感器(38，40)處的振動；將傳感器(32)附著至所述至少一個活塞機(1)，以提供用于計算所述至少一個活塞機(1)的轉速和軸位置的信號；計算所述至少一個活塞機(1)的轉速和角度軸位置；計算所測得的振動信號的至少一個復諧波傅立葉幅值；對所述幅值進行低通濾波；計算偏離幅值，其為在濾波后的幅值和基準幅值之間的復數差的量值；以及監測所述偏離幅值(46)，以檢測泄露。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括 當所述偏離幅值(46)的量值超出警報界限時，激活警報。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括 通過如下步驟自動設置用于所述諧波幅值的基準值-啟始檢驗時段，在該檢驗時段，當遇到流量條件的實質性改變時，忽視所述諧波幅值中的暫態改變并使警報邏輯被禁能；將新的基準值確定為在檢驗時段之后的基準估計時段測得的各諧波幅 值的平均值。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括將用于所述偏離幅值的所述警告界限(48)自動確定為所測得的基準幅值的函數。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括附著包括加速計的傳感器(38， 40)。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括附著包括速度傳感器的傳感器(38， 40)。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括附著包括位移傳感器的傳感器(38， 40)。
8. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于通過將所述諧波加速度幅值除以因子-(K1)2，以此來計算位移的幅值，其中k是表示諧波級數的正整數，Q是泵軸(34)的角轉速。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于通過將諧波速度幅值除以m2i八 1、hl^血4^敏AV鈔rV^比、、/dr/白T^Trtt頁估 甘rh :旦齒來/r吊乂tV A : — fT 1,口 J Z/t^i 7 *^A0>Liy|^ |/|升M J n=l t/X |/問'mi l且，^C I 1 At^乂XK乂人卞l丄Ui 二 \—i i\是表示諧波級數的正整數，并且Q是所述泵軸(34)的角轉速。
10. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括 基于同一個偏離傳感器信號，得到用于至少兩個諧波級數的局部偏離幅值；計算總體偏離幅值，其為所述局部偏離幅值平方的加權和的平方根； 監測所述總體偏離幅值，以檢測所述活塞機中的泄露。
11. 根據權利要求l所述的方法，其特征在于，該方法還包括 將至少一個振動傳感器(38， 40)附著至所述活塞機(1)的所述上行管道(8)或所述下行管道(14)至少之一，其中所述振動傳感器(38， 40) 包括多于一個的傳感器，使得所述傳感器在不同的位置和/或方向上測量振 動；從所選擇的諧波級數和振動傳感器信號的每一個組合得到局部偏離幅值；計算總體偏離幅值，其為所述局部偏離幅值平方的加權和的平方根；以及監測所述總體偏離幅值，以檢測所述活塞機中的泄露。
12. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括 將至少一個壓力傳感器(22， 28)附著至所述活塞機(1)的入口歧管(6)或出口歧管(12)至少之一，其中所述傳感器測量至少一個位置處的 壓力變化；從所選擇的諧波級數和壓力傳感器信號的每一個組合得到局部壓力偏 離幅值；通過乘以適合的轉換因子，將所述壓力偏離幅值轉換為等同的振動偏離 幅值；計算總體偏離幅值，其為所述等同的局部偏離幅值和基于振動傳感器的偏離幅值的加權平方和的平方根；以及監測所述總體偏離幅值，以檢測所述活塞機中的泄露。
全文摘要
一種用于檢測至少一個活塞機(1)的流體泄露的方法，其中該方法包括將振動傳感器(38，40)附著至活塞機(1)的上行管道(8)或下行管道(14)至少之一；測量在至少一個振動傳感器(38，40)處的振動；將傳感器(32)附著至至少一個活塞機(1)，以提供用于計算至少一個活塞機(1)的轉速和軸位置的信號；計算至少一個活塞機(1)的轉速和角度軸位置；計算所測得的振動信號的至少一個復諧波傅立葉幅值；對幅值進行低通濾波；計算偏離幅值，其為在濾波后的幅值和基準幅值之間的復數差的量值；以及監測偏離幅值(46)，以檢測泄露。
文檔編號G01M3/02GK101663572SQ200880010013
公開日2010年3月3日 申請日期2008年4月18日 優先權日2007年4月30日
發明者奧厄·許林斯塔德 申請人:挪威國立奧伊威爾有限公司