1.本发明涉及流体输送过程中流量脉动控制领域，特别是一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法。
背景技术：
2.在油田开发过程中，钻井液起着携带岩屑，保护井壁，平衡地层压力等多种作用，在自动化钻井中，需要自动在线测量钻井液性能，以保证钻井的高效和安全。在自主研制的一种泥浆性能测量装置中，采用了隔膜泵来泵送泥浆。隔膜泵具有输出压力高、坚固耐用、隔膜室结构简单、耐腐蚀、吸入性能好和效率高等优点。但是在隔膜泵运行过程中，由于活塞的往复变速运动以及泵的吸入与排出的间断性，使管道中的泥浆流量呈周期性变化，其振幅在平均值上下波动，流量波动同时会引起压力的波动，这种现象称为流体的流量和压力脉动。当双泵并联向同一管路输送泥浆时，只要是其曲轴转速不同，就会出现瞬时流量峰值叠加的情况，这会加大对管路系统的损坏。所以，在双泵并联输送系统中，两台泵之间必须采取措施，使两台泵同速运转，同时两台泵的曲轴相角分散。
技术实现要素：
3.本发明的目的旨在提供一种双隔膜泵并联输送系统的输出流量脉动消减方法，以消减两台隔膜泵向同一管路输送流体时因瞬时流量叠加而产生的流量脉动。
4.为了解决上述技术问题，本发明具体通过以下技术方案实现：
5.一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法，包括以下步骤：
6.1)根据单台隔膜泵输出瞬时流量与曲轴转角的对应关系，在双隔膜泵并联输送系统中确定叠加输出流量脉动最小时两台泵的曲轴转角差值；
7.2)分别检测两台隔膜泵的实时曲轴转角，计算相角差值；
8.3)根据相角差值划分为不同范围区段，指出不同范围区段内两台泵电机的转速改变趋势；
9.4)根据转速改变趋势通过改进粒子群算法计算求出控制参数，输出满足电机转速改变趋势的补偿系数作用于电机的变频器，分别实现电机的增速、降速。经过持续的相角检测、参数修正、电机加速/减速，最终可以实现双泵并联系统在最优相角差下的同速运转。
10.进一步的，步骤1)中叠加输出流量脉动最小时所对应的两台泵的曲轴转角差值为90
°
。
11.进一步的，步骤2)中所述计算相角差值的具体过程为：在每台隔膜泵曲轴转动平面的同一位置设置0位标记线，在隔膜泵曲轴上安装角度传感器，当曲轴转过0位标记线时，角度传感器输出的角度值清零，在曲轴转动一圈的过程中，角度传感器测得的值为曲轴按转动方向从0位标记线转动至当前位置所转过的角度。
12.相角差值为：δ＝α1?
α2；其中，δ为两台泵曲轴转角差值，α1、α2为两台泵曲轴转角。
13.进一步的，步骤3)中不同范围区段与两台泵电机的转速改变趋势关系为：
[0014][0015]
进一步的，在调速过程中，确定新的补偿系数后，需要改变控制器的参数来输出目标补偿系数。改进粒子群算法不断将粒子的适应值与粒子自身经历过的最优位置对应的适应值相比较，不断将更优的适应值设置为新的个体极值，直至求出最优适应值。将最优适应值赋给控制器，即求出满足补偿系数输出要求的控制器参数。
[0016]
所述的改进粒子群算法为在标准粒子群算法中引入遗传算法的交叉和变异。
[0017]
进一步的，在双泵按最优相角差运行后，仍需对曲轴相角进行实时检测，当发生扰动引起相角差值偏离最优相角差时，迅速将最新相角差反馈至控制器，控制器按前述调速步骤进行相角调整，使双泵并联系统迅速调整为按最优相角差运行。
[0018]
进一步的，本发明中隔膜泵为双腔隔膜泵；本发明方法整个过程中允许误差为
±1°
。
[0019]
本发明的有益效果为：
[0020]
本发明通过确定叠加输出流量脉动最小时双泵的曲轴转角差值，计算实时相角差值，划分不同范围区段并规定转速改变趋势，计算控制参数，从而实现两台隔膜泵在最优相角差下的同步运转控制。本发明方法能够快速调整两台泵的曲轴转角差值为最优相角差，并且对两台泵曲轴的循环检测能够在发生扰动时迅速将双泵系统调整为按最优相角差运行，减少管道系统振动，降低因管道振动引起的仪器测量误差。
附图说明
[0021]
图1为双泵并联输送工况示意图；
[0022]
图2为本发明实施例提供的一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法的流程图；
[0023]
图3为单台隔膜泵输出瞬时流量与曲轴转角的对应关系图；
[0024]
图4为两台并联隔膜泵同转速同相角下输出瞬时流量与曲轴转角的对应关系图；
[0025]
图5为两台并联隔膜泵按最优相角差运行时输出瞬时流量与曲轴转角的对应关系图；
[0026]
图6为曲轴位置及角度测量示意图。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
本发明实施例提供了一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法，该方法可适用于双隔膜泵机组，所述隔膜泵机组包括两台隔膜泵及配套设备，为了降低双隔膜泵同时运行时对输送管道系统造成的压力冲击，利用调速规则和调速控制器，将两台泵的曲轴相角差调速控制为最优相角差，减小了瞬时流量峰值叠加对管道造成的冲击损坏和管道振动，减小了因剧烈振动引起的仪器测量误差。
[0029]
如图1所示，两台隔膜泵从储液池中泵吸流体，进过同长度同管径的支管后汇于主管路，在主管路上装有流量计，隔膜泵参数测量仪器、流量计与调速控制器相连，同时控制器输出信号直接送至电机，实现对电机的调速控制。
[0030]
如图2所示，双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法，具体包括以下步骤：
[0031]
如图3～5所示，横轴为曲轴转角的弧度值，纵轴为隔膜泵的无因次瞬时输出流量。当系统中只有一台泵运行时，其流量脉动为隔膜泵的固有脉动，最大值与最小值差值为1。当两台隔膜泵组成同相位同转速并联输送系统时，两台泵的峰值流量会叠加，此时系统的脉动最大值与最小值差值为2，是单台泵运行时的2倍。当两台泵的曲轴相角相差90
°
时，两台泵的流量峰值与谷值叠加，此时的流量脉动最大值与最小值差值为0.414。即两台泵并联系统按最优相角差运行时，系统流量脉动会显著降低。
[0032]
在双泵并联系统启动后，需要检测两台泵各自的曲轴实时位置，并根据曲轴位置计算出两台泵曲轴转角差值。
[0033]
曲轴位置表现为曲轴所转过的角度，对于双泵系统，将两台泵编号为泵1、泵2，规定δ＝α1?
α2，δ为两台泵的曲轴转角差值，α1为泵1曲轴转角，α2为泵2曲轴转角。
[0034]
如图6所示，在隔膜泵的曲轴转动平面设置0位标记线，在隔膜泵曲轴上安装角度传感器，当曲轴转过0位标记线时，传感器输出参数会清零。即传感器输出的角度值，是曲轴按照转动方向，从0位标记线转动至当前位置所转过的角度。
[0035]
根据δ的计算式，可知δ的范围为
?
360
°
～360
°
。根据双泵系统最优相角差为90
°
这一目标，将δ值划分为不同范围区段，并指出在不同范围区段内两台泵的电机的转速改变趋势。
[0036]
电机转速改变趋势具体如下所示：
[0037][0038]
根据控制目标，基于改进粒子群算法，设计一个双向补偿控制器。在进行相角调整时，该控制器首先识别两台泵的实时相角差值并明确电机转速改变趋势，经过计算后输出满足电机转速改变趋势的初始补偿系数作用于电机的变频器，通过改变电机频率来分别实现两台电机的增速、降速。通过检测相角差来得出补偿系数的变化趋势并确定新的补偿系数，利用改进粒子群算法来迅速求出最优的控制器参数，进而输出所需的补偿系数。经过持续的相角检测、参数修正、电机加速/减速，最终可以实现双泵并联系统在最优相角差下的同速运转。
[0039]
改进粒子群算法为在标准粒子群算法中引入遗传算法的交叉和变异操作。首先确定粒子群规模、粒子位置上下限、最小适应度值及最大迭代次数。再计算所有粒子的适应值。按适应值的优劣对所有粒子进行排序，舍弃掉适应值差于粒子适应值平均值的粒子，再将剩余粒子随机与个体极值进行交叉来得到新粒子，直到粒子群规模恢复到与最初一样。变异操作是对粒子自身进行变异。为所有粒子的各维位置分配一个[0，1]之间的随机数，当第m维位置对应的随机数小于该粒子对应的变异概率值时，对该维随机数进行变异操作，直至该随机数大于变异概率值。当迭代次数超过最大迭代次数或粒子群最优适应值小于最小适应值，算法结束。
[0040]
在调速过程中，确定新的补偿系数后，需要改变控制器的参数来输出目标补偿系数。改进粒子群算法不断将粒子的适应值与粒子自身经历过的最优位置对应的适应值相比较，不断将更优的适应值设置为新的个体极值，直至求出最优适应值。将最优适应值赋给控制器，即求出满足补偿系数输出要求的控制器参数。
[0041]
在双泵按最优相角差运行后，仍需对曲轴相角进行实时检测，当发生扰动引起相角差值偏离最优相角差时，迅速将最新相角差反馈至控制器，控制器按前述调速步骤进行相角调整，使双泵并联系统迅速调整为按最优相角差运行,避免非最优相角差下的流量叠加造成较大的管路系统振动。
[0042]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。技术特征：
1.一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据单台隔膜泵输出瞬时流量与曲轴转角的对应关系，在双隔膜泵并联输送系统中确定叠加输出流量脉动最小时两台泵的曲轴转角差值；2)分别检测两台隔膜泵的实时曲轴转角，通过δ＝α1?
α2计算相角差值，其中，δ为两台泵曲轴转角差值，α1、α2为两台泵曲轴转角；3)根据相角差值划分为不同范围区段，指出不同范围区段内两台泵电机的转速改变趋势；4)根据转速改变趋势通过改进粒子群算法计算求出控制参数，输出满足电机转速改变趋势的补偿系数作用于电机的变频器，分别实现电机的增速、降速。2.根据权利要求1所述的一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法，其特征在于，步骤1)中叠加输出流量脉动最小时所对应的两台泵的曲轴转角差值为90
°
。3.根据权利要求1所述的一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法，其特征在于，步骤2)具体为：在每台隔膜泵曲轴转动平面的同一位置设置0位标记线，在隔膜泵曲轴上安装角度传感器，当曲轴转过0位标记线时，角度传感器输出的角度值清零，在曲轴转动一圈的过程中，角度传感器测得的值为曲轴按转动方向从0位标记线转动至当前位置所转过的角度。4.根据权利要求1所述的一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法，其特征在于，步骤3)不同范围区段与两台泵电机的转速改变趋势关系为：5.根据权利要求1所述的一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法，其特征在于，所述的改进粒子群算法为在标准粒子群算法中引入遗传算法的交叉和变异。
技术总结
本发明公开了一种双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法，通过确定叠加输出流量脉动最小时双泵的曲轴转角差值，计算实时相角差值，划分不同范围区段并规定转速改变趋势，计算控制参数，从而实现两台隔膜泵在最优相角差下的同步运转控制。本发明方法能够快速调整两台泵的曲轴转角差值为最优相角差，并且对两台泵曲轴的循环检测能够在发生扰动时迅速将双泵系统调整为按最优相角差运行，减少管道系统振动，降低因管道振动引起的仪器测量误差。降低因管道振动引起的仪器测量误差。降低因管道振动引起的仪器测量误差。
技术研发人员：梁海波 杨海 杨兵祥 李忠兵 张禾 于学会
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2021.01.13
技术公布日：2021/5/18
声明：
“双隔膜泵并联输送工况下流量脉动消减方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：西南石油大学
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2024年11月27日 ~ 29日 
