用于检测活塞机的流体泄露的方法 【技术领域】
本发明涉及关于活塞机(piston machine)的流体泄露的检测。本发明尤其涉及一种关于至少一台活塞机的流体泄露的检测方法，其中该方法包括：
-将振动传感器附着至活塞机的上行管道或下行管道至少之一；
-测量在至少一个振动传感器处的振动；
-将传感器附着至至少一个活塞机，以提供用于计算至少一个活塞机的转速和轴位置的信号；
-计算至少一个活塞机的转速(rotational speed)和角度轴位置(angularshaft position)；
-计算所测得的振动信号的至少一个复谐波(complex harmonic)傅立叶幅值；
-对该幅值进行低通滤波；
-计算偏离幅值，其为在滤波后的幅值和基准幅值之间的复数差(complexdifference)的量值；以及
-监测该偏离幅值，以检测泄露。
背景技术
本文中的泄露涵盖了范围广泛的多种故障，这些故障具有如下共同点：相对于没有缺陷元件的正常情况而言，这些故障会导致通过机器的流率(flowrate)的循环下降(cyclic drop)。这些故障的实例为：
-活塞密封失效；
-在密封的关闭时段，阀门密封的缺陷导致发生经过密封件的逆流；以及
-阀门回位弹簧损坏，导致阀门关闭的延迟。
为了使阀门和活塞失效的成本和停工时间最小化，对活塞机(下文中将简称为泵)的泄露的检测和定位至关重要。当前实践中并没有提供恰当的方式来对泄露进行检测和定位。
众所周知，一个或多个阀门或活塞中的泄露将会导致总流量(total flow)的下降，而且此下降也将相应地导致排放压力的下降。然而，这种压力下降也可能是由于泵外部的泄露，甚至是由于与泄露无关的流阻的降低。这种降低可源于流体温度和粘性的变化，或源于一个或多个限流器的旁路。因此，压力下降本身不能用来对泄露进行定位。
阀门或活塞中的泄露本身通过可由各种传感器检出的多种效果而凸显出来。因泄露渐增而导致的最显著的变化为：
-排放压力开始下降，其假设压力的损失未被总的泵流率的增长所补偿。
-在相当于泵旋转周期的期间，泵的排放压力开始循环性改变。
-在同一期间，泵的吸入压力也开始循环性改变。
-低频和循环性振动增加，尤其是在可变形软管(高压软管和低压软管这两者)上增加。
所提及的所有泄露指标(indicator)可以作为独立的指标使用，也可以与其它指标组合使用。
众所周知，随着泄露加剧且通过多个活塞或阀门之一的逆流的增加，压力的较低阶谐波(尤其是一次和二次谐波)的量值也会增加，参见美国专利5720597。
以往的经验已经证实，很难将一次谐波压力的分量规范化，从而使其速率和平均压力近乎独立。这是缘于如下的事实：动态压力是涉及泄露流体变化的频率和管道几何构形的复合函数，其中上行管道几何构形针对吸入压力，下行管道几何构形针对排放压力。
文献WO 03/087754描述了一种使用主动速率变量测试与谐波分析的组合来对泄露进行量化和定位的方法。然而，经验表明此方法在现场环境下的工作并不尽如人意。
【发明内容】
本发明的目的是提高从储积岩层(reservoir rock formation)分离(recovery)石油的成本效益。
根据本发明，其目的通过说明书的下文和随附的专利权利要求书中所公开地特征而实现。
根据本发明的一种用于检测至少一个活塞机的流体泄露的方法，该方法包括：
-将振动传感器附着至所述活塞机的上行管道或下行管道至少之一；
-测量在至少一个所述振动传感器处的振动；
-将传感器附着至至少一个活塞机，以提供用于计算至少一个活塞机的转速和轴位置的信号；
-计算至少一个活塞机的转速和角度轴位置；
-计算所测量的振动信号的至少一个复谐波傅立叶幅值；
-对所述幅值进行低通滤波；
-计算偏离幅值，其为在滤波后的幅值和基准幅值之间的复数差的量值；以及
-监测所述偏离幅值，以检测泄露。
监测动态变量(variation)的偏离而不仅仅是检测幅值的偏离，这种做法大有裨益。原因在于：所观察的变量可包括多个具有不同相位的分量。每个分量可被看作是矢量，表征为具有长度和方向，并且总的动态分量为矢量和。而矢量和的长度小于最大分量的长度的情形常有发生。
作为一个实例，活塞机的不完全平衡将导致循环性的一次谐波移动(motion)。当泄露导致的移动与此不平衡移动叠加时，方向或相位的偏离不太可能不超过90°，这导致当泄露加剧时合成幅值的减小。通过监测偏离幅值而不是合成(resultant)幅值，则即使合成幅值减小，也能检测到渐增的泄露。
监测偏离意味着：在偏离能被检测之前必须确定参考值或基准值。下文中将讨论获得基线值的步骤。
可以多种方式来计算振动的较低阶谐波。一种方法为：应用时域记录的标准傅立叶变换，并对应于泵的谐波提取分量。更精确的方法为：如果泵速率和/或取样时间间隔改变，则如下文所示，优选基于所测得的角度轴位置θ来使用傅立叶分析。
在下文中，使用了其中作为虚数单位的复数符号(notation)。动态时间因变量f的复数傅立叶变换系数由如下公式给出：
Fk=1π∫02πf·eikθdθ=1π∫02πf.cos(kθ)dθ+iπ∫02πf.sin(kθ)dθ---(E1)]]>
其中k是表示谐波级数(harmonics number)的正整数。在理论上，振动信号的任意次谐波都可被用作泄露指标，但是一次谐波通常是敏感度最高且最便于使用的谐波。除非另作说明，否则假设k＝1，并且为了方便起见还省略谐波指数。根据数值积分的公知技术，必须通过计算机中的求和来实现积分。在泵的每个完整的周转(revolution)中更新幅值。
在上文中限定的复幅值可被看作复平面中的矢量。如果在信号中存在大量噪声或非谐波变量、并且信号可能还包括不是来自于泄露的真实谐波变量的话，则所述幅值就会被摆布得起伏不定(fluctuation)，从而此矢量的长度(等于复幅值的量值)并不适用于早期泄露的检测。
对复幅值进行平滑滤波，将有效地降低来自噪声和非谐波变量的干扰。平滑(低通滤波的另一种措辞)将减弱除了真实谐波分量之外的所有分量。可使用范围广泛的低通滤波器类型。一般而言，滤波器的截止频率越低、衰减率(roll-off rate)越陡，则减弱效率越高。然而，非常低的截止频率的缺陷在于其响应时间较差，意即针对快速增长的泄露的检测会发生延迟。
监测偏离幅值而不是变量幅值，解决了对谐波基变量的干扰不是源自渐增的泄露的问题。此偏离幅值由下述公式限定：
δF＝|Fs-Fb| (E2)
其表示平滑后幅值Fs和基准幅值Fb之间的复数差的量值或长度。当此偏离幅值超过某一警报界限时，将会触发警报。与基准条件偏离不大的正常条件被可视化为图2中的阴影圆形区域。下文中将讨论获得基准幅值Fb和最大偏离幅值δF的方法。
如果本发明使用的是仅来自一个传感器的最低谐波，则本发明存在有偏离幅值对泄露的响应较差的风险(这是由于该传感器被设置得邻近驻波的节点)，或者泄露导致的移动会在传感器的低灵敏度方向上被极化。为了使此风险最小化，可将上述方法归纳为使用多次谐波和/或多个传感器。添加的传感器或者是可以位于相同位置但具有不同方向，或者将它们设置在不同位置。使用前面概述的步骤，从谐波k和位置/方向1的每个组合中计算出局部偏离幅值δFk1。这些局部幅值可以很方便地并入一个总体偏离幅值，其中该总体偏离幅值被定义为局部偏离幅值平方的加权和的平方根：
ΔF=Σk1wk1(δFk1)2---(E3)]]>
其中wk1为所选择的权重系数。如果期望所有的局部偏离幅值均具有幅值的相同阶数，则权重系数可简化为等于被多个组合的数目整除的一个常数。然后，总体偏离幅值是所有局部振动幅值的rms值。
使用多个振动传感器信号的方法可进一步概括为包括在高压侧和/或在低压侧测得的谐波压力变量。可以与振动偏离幅值相同的方式来获得压力的偏离幅值，但是必须通过选择合适的比例因子而将它们重新调节并转换成等同的位移幅值。作为一个例子，如果泄露通常产生1mm的偏离位移幅值和1巴(bar)的一次谐波排放压力变量，则此压力的比例因子可为1mm/bar。
将多次谐波和/或多个测量信号结合到一个总体偏离幅值内的主要优点是：
-将遭遇到很差的泄露响应的条件或频率的风险降到最低；以及
-大大简化了用于基于多个信号而触发泄露警报的逻辑。
如对现有技术的讨论中所述，泵振动的较低谐波与循环性泄露流体以及吸入压力和排放压力的相应变化有着紧密的联系。
根据本发明，通过监测管道或可变形软管的最低振动谐波，通常会在早期阶段检测到泄露。优选地，振动谐波通过参考每个泵的角位置而计算。
在优选实施例中，将振动传感器附着至管道的对移动最敏感的部位，例如在高压可变形软管的中心部分的外部，并监测低频振动。振动传感器通常为加速计(accelerometer)，但是也可以替换使用速度(velocity)或位移传感器。与位移幅值相反，由于加速度幅值趋向于快速增加泵的转速，因此推荐用位移幅值来监测振动幅值。在进行谐波分析之前，通过对原始信号进行两次时间积分，则即使从加速计信号中也能得到位移幅值。然而，此方法具有如下缺点：每个积分步骤必须与所谓的AC滤波器相结合，以避免DC分量的增长失去控制或噪声分量的缓慢改变。为了避免此问题，推荐使用下文简要概述的不同程序。
本领域普通技术人员都了解，时间积分变量的傅立叶变换等于变量自身除以虚数因子iω的傅立叶变换，其中ω表示角频率。当所述频率仅限于泵谐波时，我们可以设置ω＝kΩ，其中k为谐波级数，Ω为泵的角旋转速率。由于位移为速度的时间积分，因而通过将相应的速度幅值除以ikΩ，可以从中获得没有k的谐波的位移幅值。类似地，通过用同一因子(或着由于i2＝-1，仅用-(kΩ)2)两次相除加速度幅值，从而可从加速度幅值获得位移幅值。
上文讨论的每个泄露指标(indicator)将具有可随变化的条件(例如泵速率和排放压力)而明显改变的基准线。如果这些指标应该用于触发泄露警报，则它们的常态带宽或警报界限不能被固定。
在优选实施例中，通过如下步骤来自动设置基准值和警报界限：
●当遇到流体条件中的实质性改变时，例如至少一个泵的转速改变，则开启检验(quarantine)计时器。检验时段必须足够长(通常为数十秒)，以允许动态幅值中的瞬态改变逐渐减弱(fade away)。
●在此检验时段，冻结低通滤波后的幅值、忽视暂态改变并使警报逻辑被禁能。
●在检验时段的最后，开启基准估计定时器。此基准估计时段的持续时间通常比检验时段长2-10倍。
●在基准估计时段的最后，将复变量幅值的基准值设置为等于在基准估计时段测得的平均值，并确定偏离幅值的警报界限。此界限可以是相对值，其设置为基准量值的分值，此界限也可以是绝对值。在进一步的实施例中，警报界限还可以由更高级的函数(其将测得变量和极端值也纳入考虑)来确定。
在此基准估计时段之后，且当活塞机的运行呈稳定状态时，警报界限保持为常数，这意味着如果偏离幅值或总体偏离幅值超过警报界限，则发出警报。
即使仅有一个泵的速率发生实质性改变，也要优选对所有泵进行偏离幅值的基准值和警报值的自动更新。因为总体流量和排放压力可影响到所有正在运行的泵的基准幅值，这一点至关重要。
本发明不仅教导了用于检测泄露的相对简单的方法，还使其能够指出是哪一个泵发生了泄露。
【附图说明】
下文中描述了使用在附图中所示方法的实例，其中：
图1示意性的示出具有上行和下行管道连接的泵；以及
图2示出用于谐波幅值(所述谐波幅值作为复平面中的矢量)中的平滑后的值和基准值，以及用于偏离幅值的警报界限，该警报界限作为其中心在基准幅值矢量末端处的圆周的边界。
【具体实施方式】
在附图中，附图标记1表示所谓的三缸泵(triplex pump)，这种称谓之下的泵设置有三个独立动作的活塞2，这些活塞延伸通过各自的汽缸(cylinder)4。附图中仅示出了第一活塞2和相应的汽缸4。汽缸4通过各自的入口阀10与入口歧管(manifold)6和上行管道8相通，并且通过各自的出口阀16与出口歧管12和下行管道14相通。
第一柔性连接18包括在上行线路8中，并且第二柔性连接20包括在下行线路14中。
入口压力传感器22连接至入口歧管6，经由电缆26与计算机24通信；出口压力传感器28连接至出口歧管12，经由电缆30与计算机24通信。将旋转角度发送器32设置为对泵1的泵轴34的旋转角度进行测量，且通过电缆36连接到计算机24以便通信。
呈加速计形式的第一振动传感器38连接至第一柔性连接18，并且同样呈加速计形式的第二振动传感器40连接至第二柔性连接20。振动传感器38和40通过各自的电缆42、44耦合至计算机24。如说明书的概述部分所述，第一振动传感器38和第二振动传感器40可包括多于一个的传感器。
传感器22、28、38、40，发送器32以及计算机24本身都属于公知的类型，且对计算机进行编程以进行所讨论的计算。
如果在阀门10或16中出现泄露，或在活塞2未示出的密封件中出现泄漏，则在泵浦(pumping)阶段通过出口阀16的排放将减少与经过活塞2的泄漏流量相等的量。
经过活塞2的泄漏导致流经泵1的流体中的不匀称(asymmetry)。这种不匀称导致包括第二柔性连接20的下行管道14中的振动的增加。第二振动传感器40对所增加的振动进行感测。
如说明书的概述部分所述，通过基本持续地对来自传感器38、40的振动进行基于角位置的傅立叶分析，将对泵1的变量的偏离幅值δF中即将出现的增长进行检测。
如说明书的概述部分所示，警报界限46被自动设置。参见图2，当偏离幅值δF达到警报界限48时，计算机24将发出警报，并且在多于一个的泵1具有下行管道14的情况下，还识别出是哪一个泵1正在泄露。
当这些泵的运行速率不同时，对发生泄露的泵的识别是最有把握的，这是由于此时较低谐波具有不同的和独有的频率。然而，当两个或更多泵同步运行时，也能对发生泄漏的泵进行识别，这是缘于这样一种事实：在发生泄漏的泵附近的振动改变水平将是最高的。
如果设置有频率警报，或如果仅设置有常规的压力警报，则由计算机24设置的警报可引发进一步的探查，以定位所述泵1的任何一个中的泄露。