WO2010015460A1 - Method for operating a multi-pulse piston pump, multi-pulse piston pump, and the production thereof - Google Patents

Method for operating a multi-pulse piston pump, multi-pulse piston pump, and the production thereof Download PDF

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WO2010015460A1
WO2010015460A1 PCT/EP2009/058046 EP2009058046W WO2010015460A1 WO 2010015460 A1 WO2010015460 A1 WO 2010015460A1 EP 2009058046 W EP2009058046 W EP 2009058046W WO 2010015460 A1 WO2010015460 A1 WO 2010015460A1
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WO
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linear motors
piston
piston pump
mass flow
linear
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/058046
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German (de)
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Inventor
Dieter Bosse
Original Assignee
Bentec Gmbh Drilling & Oilfield Systems
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B11/00Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation
    • F04B11/005Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation using two or more pumping pistons
    • F04B11/0058Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation using two or more pumping pistons with piston speed control
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F04B17/04Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids
    • F04B17/042Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the solenoid motor being separated from the fluid flow
    • F04B17/044Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the solenoid motor being separated from the fluid flow using solenoids directly actuating the piston

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a multi-pulse piston pump, in particular a flushing pump for use in flushing deep wells, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a multi-pulse piston pump according to the preamble of claim 7 and a method for producing such a multi-pulse piston pump.
  • Piston pumps are well known and, like compressors, are fluid power machines. However, while compressors (compressors) are used to compress gases, in particular liquid media are promoted with such pumps.
  • WO 2008/074428 describes a compressor in which a linear motor drives a compression piston.
  • Piston pumps are used, among other things, as flushing pumps. They then serve to introduce a liquid medium acting as a rinsing fluid into a drill string and / or a borehole. Rinsing serves to remove loose or dissolved material, such as overburden or cuttings, to cool and / or lubricate a boring tool used in the boring, or else to drive such a boring tool.
  • pressure equalization can be achieved for the rock surrounding the borehole or other base material, in particular gases and liquids contained therein.
  • the piston pump in particular at low borehole depths, a higher mass flow is achieved at lower borehole depths. gerem pressure and at lower wells a lower mass flow at higher pressure generated. Mass flows generated by such piston pumps can be in the range of over 3,000 L / min, at a pressure of more than 500 bar.
  • the piston pumps known in the prior art generate pressure and a mass flow by means of movement of a piston in an associated cylinder; Retraction of the piston in the associated cylinder results in an increase of a working space volume, which allows an inflow of the liquid medium. In an opposite movement of the piston, the working space volume is reduced and thus expelled the medium.
  • a rotary movement of a drive shaft for example by means of a connecting rod and crosshead, in known piston pumps is converted into a translatory, oscillating piston movement.
  • For the rotational movement of the drive shaft about its longitudinal axis e.g. used with the drive shaft coupled electric motor.
  • the coupling is usually done by means of a transmission.
  • Lubrication subject to wear additional costs incurred in the manufacture of the parts and / or the pump, during their maintenance, repair or the like.
  • manufacturing, maintenance, repair, etc. are time consuming and labor intensive.
  • condition in contact with each other moving parts friction losses, which adversely affect the overall efficiency.
  • piston pumps with more than three piston-cylinder arrangements for example so-called quadruplex or quintuplex pumps, does not achieve a completely satisfactory refinement.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a particularly suitable method for operating a piston pump as well as a piston pump which can be operated or operated according to the method and which has the above-mentioned features. Disadvantages avoided or at least reduced.
  • the pulsation control should increase the validity of MWD measurements or reduce the effort in the post-processing of MWD measurements to filter out effects caused by pulsation.
  • this object is achieved by the features of claim 1. It is for operating a particular as a rinsing pump for use in flushing deep wells certain multi-pulse piston pump with at least two guided in each case a cylinder piston and a Acting on the piston drive to promote a liquid medium, provided that at least two linear motors act as a drive and each linear motor acts on at least one piston and that the linear motors are coordinated for pulsation control by means of a control unit.
  • the linear motors are gearless coupled with one or two pistons.
  • a piston pump of the type described above has at least two linear motors acting as a drive, each of which acts on at least one piston, and a control unit for coordinating the linear actuators for pulsation control.
  • the advantage of the invention on the one hand in the possible with the use of linear motors as a drive omission of a common drive axle, a necessary for the drive transmission, a reduction of moving parts and concomitantly a reduction of friction losses and an increase in efficiency. This allows a total of a partial reduction, a lighter and more compact design and thus a total cost reduction in terms of purchase, maintenance, operation, transport, etc.
  • Piston is implemented, it requires no conversion of a rotational movement, z.
  • a rotational movement, z. B. in the translational piston movement, z. B. by means of a transmission, by means of connecting rods, crossheads and the like.
  • This reduces an energy loss otherwise associated with such a conversion and simplifies the construction of the pump.
  • Due to the reduced number of moving parts also reduces wear, labor costs in production, maintenance and repair and consumption of lubricants and / or the like.
  • the modified drive concept opens up a possibility for reducing the pulsation already by increasing the number of cylinders used and the pistons driven for this purpose, while the space requirement remains roughly constant.
  • Each linear motor can be combined with at least one, in particular two moving pistons and the associated cylinders or to form a module and the number of modules in a piston pump is limited only by the available space. Even if, in the most unfavorable case, comparison with previous piston pumps intended for use as a flushing pump, it is assumed that a piston pump with three modules arranged next to one another in each case occupies essentially the same footprint as a three-pulse piston pump. Pump of conventional design, a piston pump with linear motors readily in another level, so quasi in the vertical direction can be supplemented by additional modules. The footprint requirement does not increase thereby. The pulsation of a mass flow generated by the piston pump decreases proportionally with the number of modules.
  • the piston pump having a control unit for coordinating the linear motors for pulsation control, in a simplest embodiment at least one synchronization of the linear motors can be ensured, so that under otherwise ideal conditions, ie without external interferences, the pulsation of a mass flow output by the piston pump is minimized. This contributes to the protection of the material and thus reduces costs and labor. In addition, suitability of the piston pump for use with pulsation sensitive methods such as MWD is improved.
  • the multi-pulse piston pump is designed in particular as 2n-pulsed, for example six-, twelve- or 24-pulse, where "n” denotes a number of modules, each with a linear motor and "2n” results from the fact that each module has two pistons and Cylinder comprises, so that there are two mass flow pulses by staggered suction and ejection of the medium for a movement cycle of the linear motor.
  • a phase relationship related to a relative position of the movable part of the linear motors that is to say of the so-called rotor, is influenced.
  • the relative position of the movable part of the linear motors is referred to here and below as the relative position of the linear motors whose installation position is of course not changed by a control.
  • a piston pump of the type underlying the approach according to the invention has four two-pulse modules, a minimum displacement of the movements of the individual linear motors of 45 ° is required for a minimum pulsation. This results in a remaining pulsation of the order of less than 3% (explained below). If one of the modules fails, the result is a total mass flow output by the piston pump, now operated with only three two-pulse modules, with a pulsation of more than 26%. This can result in material stresses that require immediate shutdown of the piston pump. When used as a scavenge pump in deep drilling operation, the shutdown of the purge pump usually requires the setting of the drilling operation.
  • the pulsation can be reduced to less than 5% even with only three modules.
  • the required phase position is 60 ° for a minimum pulsation.
  • the mass flow previously contributed by the failed module can even be compensated by increasing the speed of the oscillating motion of the linear motors in the remaining modules. Overall, therefore, both the piston pump remain in operation as well as the deep drilling continued.
  • the defective module which is coupled with its outlet line via locking elements, such as valves or the like, to a rinsing liquid line, can be serviced separately and optionally repaired after actuation of the locking elements. As soon as the module starts up again, it is possible to return to the original phase position and, if necessary, to reduce the speed of the linear motors which continue to be operated during maintenance.
  • Control unit for the coordination of the linear motors fed to the plurality of linear motors parked number of position signals, which encode each information in operation with respect to the position of the respective linear motor.
  • position signals can be recorded on the respective linear motor by position sensors or the like, or by determining a position of the part of the linear motor acting as a rotor relative to its engine bed functioning as a stator.
  • Another possibility is to use a drive signal for positioning the linear motor. Then a sensorless position determination is possible.
  • the control unit is informed by each module of a signal indicating its operational readiness. On the basis of the number of such signals, the control unit can determine the at least initially required phase position.
  • an operating signal can also be derived directly from the position signal, for example in such a way that only meaningful or only continuously changing position information is evaluated as operational readiness.
  • a mass flow generated by a module by means of the possibly undisturbed movement of the linear motor encompassed therefrom can vary and thus lead to undesired pulsations.
  • a movement of the at least one associated piston associated with a movement of a linear motor causes a measurable pressure or mass flow in a line downstream of the cylinder in the conveying direction of the medium and a phase position of the mass flows is influenced by means of the coordination of the linear motors .
  • the advantage of this embodiment of the invention can also be explained on the basis of the scenario already used. This time it is assumed that all the modules, as far as the operation of the linear motors, etc. are concerned, are running properly, yet no or very little mass flow is produced by one of the modules. In that regard, the scenario again corresponds to a situation with a failed module. That the mass flow expected by such a module can be compensated by adjusting the phase position has already been explained.
  • the control unit coordinates the linear motors in order to influence the phase position of the mass flows and thus overall for pulsation control.
  • an additional control of a total mass flow to be delivered by the piston pump is less than or less than the coordination of the linear motors. is gert.
  • a desired value which encodes the desired total mass flow is preset in a manner known per se, which is compared by the control with a moment value of the total mass flow, which is obtainable, for example, by summing all the measured values of the mass flows produced by each individual module. For any corrections, it is advisable to influence the speed of movement of the linear motors, a pump pre-pressure, etc.
  • a residual pulsation that is to say a pulsation of mass flow and / or pressure remaining after the coordination, is preferably 10% or less, in particular substantially 0.8% to 3%. This is particularly gentle on the material and thus results in a cost reduction. In addition, this is a particular suitability for the MWD process given, as reduce interference severely.
  • the linear motor can have a power in a range of 100 kW to 5,000 kW, in particular more than 200 kW. Particularly preferably, the linear motor has a power between 440 kW to 3,000 kW. With two or more linear motors, these preferably all have the same power. However, according to the approach according to the invention, a coordination of linear motors of which at least one has a different performance possible. For example, for the or each motor with the differing power, pulsation control may require operation at an increased or decreased speed.
  • a remaining pulsation can be reduced by adding a module with a linear motor running at three times the speed of the three modules a suitable shift to phase position of the li near motors, so that the (low) pulses of the faster-running module result exactly when the mass flow generated by the three modules assumes a local minimum.
  • the or each linear motor is assigned to its cooling, a heat exchanger.
  • the heat exchanger is provided for heat transfer between the linear motor and the pumped by the piston pump medium, in particular the rinsing liquid. This ensures a simple and convenient cooling of the linear motor.
  • the heat exchanger may be located on, under, beside or around the linear motor and in contact therewith to ensure efficient heat transfer.
  • the at least two linear motors are each coupled to at least one piston and a control and / or regulating device for coordinating the at least two linear motors with at least one sensor and the linear motors data technology is connected.
  • FIG. 1 shows a multi-pulse piston pump, the multi-pulse due to at least two modules, each with a linear motor,
  • FIG 5 shows irregularities generated by several modules
  • FIG. 6 shows mass flow characteristics and the resulting total mass flow profile, as determined after coordination of the linear engines to compensate for the underlying in Figure 5 irregularities and
  • FIG. 7 shows a functional unit as a means for coordinating the linear motors and insofar as means for carrying out the method according to the invention and its embodiments.
  • FIG. 1 schematically shows in simplified form a piston pump, generally designated 10, which is e.g. for flushing boreholes 12 may be provided and is then referred to as a flushing pump.
  • the piston pump 10 is constructed from modular single units and each module 14, 16, 18 includes a linear motor 20 which is provided for moving at least one guided in a cylinder 22 piston 24.
  • An internal volume of the cylinder 22 is in a manner known per se for a liquid medium, e.g. the rinsing liquid, accessible and with appropriate movement of the piston 24, the medium is ejected as a mass flow 26 through an outlet line 28.
  • the linear motor 20 performs for this purpose on a motor bed 30 an oscillating movement.
  • a drive signal 32 is shown schematically in simplified form.
  • the piston pump 10 comprises exactly one module 14.
  • a piston pump 10 according to the invention comprises at least two modules 14, 16, eg two, three, four or more modules 14-18.
  • Each module 14-18 comprises a linear motor 20 and at least one guided in a cylinder piston 24.
  • each module 14-18 two cylinders 22, each having a piston 24 and two outlet lines 28 are assigned.
  • the oscillating Movement of the linear motor 20 that one of the piston 24 is moved into the respective cylinder, while results in the opposite piston 24, a reverse direction of movement.
  • pumps 38 for generating a pre-pressure are shown.
  • the pressurized medium with the form of the piston pump 10, namely the individual cylinders 22, respectively.
  • the illustrated number of pumps 38 corresponds to the illustrated number of modules 14-18. It can also be provided for more than one module 14-18 only one pump 38.
  • an optional heat exchanger 40 is shown, which may be included for cooling in each case a linear motor 20 of each one module 14-18. In operation, the heat exchanger 40 is flowed through by either a cooling liquid or a part of the pumped by the piston pump 10 medium.
  • the linear motor 20 "pumps" during a forward movement (first half of the period of the drive signal 32), namely via a The two cylinders 22, as well as during a backward movement (second half of the period of the drive signal 32), namely via the cylinder 22 opposite the initially active cylinder 22, result in two pressure or mass flow maxima during a full cycle of movement.
  • the graph 34 can accordingly be regarded as characteristic for the operation of a respective module 14-18 and will be referred to below as an output signal or profile of the mass flow 26 (in short: mass flow profile 34). It is easy to imagine that such pressure and mass flow differences are perceived as PuI- sation.
  • the control of the at least two linear motors 20 takes place by means of a control unit 42.
  • each linear motor 20 is driven separately and is supplied with a control signal 32 from the control unit 42.
  • the control unit 42 ensures a phase shift of the respective drive signals 32 in accordance with the multiplicity of the modules 14-18, that is to say in accordance with the multiplicity of linear motors 20 encompassed by the piston pump 10. This should ensure a uniform distribution of the mass produced by the individual cylinders 22. currents 26 can be achieved.
  • the control unit 42 is shown as a single element in the figure, it can be a distributed control unit, namely a central control unit and in each case a local control unit associated with each linear motor 20.
  • the central control unit outputs the respective drive signal 32 to each local control unit.
  • Each local control unit assumes a position control, so that regardless of load and other external influences, a match of the respective position of the linear motor 20 with the respective instantaneous value of the drive signal 32 is ensured.
  • the control unit 42 (or the central control unit) with the specification of the phase differences with regard to the movement cycles of the linear motors 20 encompassed by the piston pump already have a coordination for pulsation control.
  • a plurality of activation signals 32 (here four activation signals 32 for correspondingly four modules 14-18 and the linear motors 20 included therein) are provided for each of the module 14-18 controlled mass flow paths 34 and finally a graph of a curve of the resulting total mass flow 36, hereinafter referred to as total mass flow curve 44, shown.
  • the total mass flow curve 44 results as the sum of the individual mass flow curves 34, which is easily explained by the fact that the mass flows 26 emitted by each individual module 14-18 enter a common line downstream of the individual outlet lines 28 and from there, e.g. the borehole 12 are fed to the flushing. It can readily be seen by comparison of the lower illustration in FIG. 4 and the illustration in FIG. 2 that a reduction of the pulsation can be achieved by using a plurality of modules 14-18 in addition to an increase in the total mass flow 36 by suitable coordination of the linear motors 20. This will be clarified below by numerical values.
  • the coordination described so far is essentially a control of the individual linear motors 20, even if possibly local control units perform a position control with respect to an exact match of the actual position of the respective linear motor 20 with the predetermined by the drive signal 32 target position.
  • the advantage of a piston pump 10 with respect to their sequence of motion coordinated linear motors 20 is basically the size and the achievable weight reduction, by eliminating eg gear and like.
  • the control basically simulates the previous drive of a plurality of pistons via a common drive axle and achieves a significant reduction of the pulsation with a corresponding plurality of modules 14-18.
  • the method of operation of the piston pump 10 can still be improved to the extent that external influences are not taken into account.
  • the sensor can be a pressure or a flow sensor.
  • a sensor system is not shown, shown are only input signals 46 for the control unit 42, the latter of such sensors, such as a flow sensor or a example, the motor bed 30 associated position sensor when the position of the linear motor 20 is not an instantaneous value of the drive signal 32 is assumed , be forwarded.
  • Variations in the delivered pressure or in the ejected mass flow 26 can be compensated according to the approach according to the invention if the recorded measured values are supplied to a control implemented, for example, in the control unit 42.
  • An approximately on the output side of a module 14-18 briefly decreasing pressure, eg due to unexpected variations in a flushing form, can be at least partially compensated by adjusting the phase angle of the linear motors 20 in other modules 14-18. This will be explained below with reference to FIGS. 5 and 6.
  • a coordination of the motion sequences with regard to, for example, an adjustment of the phase position is not possible in the case of previous piston pumps in which a plurality of pistons are driven by means of a common drive axis.
  • FIG. 1 A coordination of the motion sequences with regard to, for example, an adjustment of the phase position is not possible in the case of previous piston pumps in which a plurality of pistons are driven by means of a common drive axis.
  • the upper illustration based on a control by activation signals 32 shows a mass flow profile 34 reduced for a module 14-18 (easy to recognize at the amplitude reduced by half).
  • the reduced mass flow path 34 is based on a pump or the like provided for generating the flushing admission pressure.
  • the resulting total mass flow curve 44 is shown for a doubled time base in the lower graph of FIG. In a comparison with the total mass flow curve 44, as it results in "undisturbed" mass flow curves 34 (FIG. 4, lower diagram), one immediately recognizes the significantly increased ripple which results in an undesirable pulsation.
  • ripple and pulsation are thus used synonymously.
  • the pulsation can be reduced by, for example, adjusting the phase position of the individual mass flow profiles 34, thus coordinating the individual linear motors 20 with regard to a reduction of the pulsation.
  • a correction of the phase position of the mass flow pattern 34 leading and trailing the mass flow 26 is +/- 6.5 ° in order to again achieve a ripple of 3.16% (compared to 2.8%). at equal mass flows 26). Note: If here and in the following numerical values, partially with decimal places are indicated, this refers only to theoretically achievable values without consideration of losses, dead times and the like.
  • control unit 42 is shown in FIG 7 with further details. As already shown (FIG. 1) and explained, the control unit 42 generates control signals 32 for controlling the individual linear motors 20 included in the piston pump (FIG. 1). The control unit can determine the number of linear motors 20 and the configuration of the individual modules 14-13. 16 (single or two-pulse) to be fixed. Based on such default values, the control unit 42 can already determine the required offset of the movement sequences of the individual linear motors 20 and generate a corresponding plurality of drive signals 32 with a suitable phase position.
  • control unit 42 has a processing unit in the manner of a microprocessor 48 or the like, which generates or determines the drive signals 32 and their phase position according to an algorithm implemented in preferably in software or firmware.
  • the algorithm forms part of a control program 52 stored in a memory 50 of the control unit 42 and is thus included in a first functional unit 54 of the control program 52.
  • the first functional unit 54 determines based on predetermined data for the configuration of the modules 14-18, for example, whether it is one- or two-pulse modules 14-18, and based on the number of modules 14-16 the most favorable for Pulsationskontrolle phase position of An Tavernsig- signals 32.
  • the number of modules 14-16 that is, the number of linear motors 20, can also be based on predetermined values.
  • control unit 42 determines the number of linear motors 20 on the basis of the input signals 46 (for example, if an input signal 46 is present or if the input signal 46 coding a position of the linear motor 20 changes), the need for a corresponding specification and in the case of In the event of a failure of a module 14-18, the phase angle of the drive signals 32 for the remaining modules 14-18 can be corrected immediately. If the linear motors 20 comprised by the modules 14-18 have different powers or the cylinders 22 have different volumes, this results in an expected mass flow 26 correlated with the power and the cylinder volume. Such influencing factors predetermined by configuration data or recognizable on the basis of input signals 46 can be the first Function unit 54 also in the generation of the drive signals 32 and in the determination of their phase Läge draw.
  • the fourth Module 14-18 which allows the linear motor 20 of this module 14-18 with corresponding phase offset to run three times as fast as the linear motor 20 of the other modules 14-18.
  • the mass flow pulses generated by this module 14-18 are then exactly at local minima of the mass flow curve as it results for the first three modules 14-18. Overall, this achieves a reduction of the pulsation.
  • the first functional unit 54 takes into account such and other constellations for the coordination of the linear motors 20 with regard to the lowest possible pulsation.
  • a second functional unit 56 of the control program 52 assumes a coordination of the piston pump Modules 14-18, that is to say the linear motors 20 included in it.
  • the decrease, which is used as an example for explanation, of one of Dule 14-18 generated mass flow 26 can be seen on the basis of the control unit 42 as state of the piston pump 10 supplied input signals 46.
  • the coordination of the modules 14-18 thus takes place on the basis of output variables of the modules 14-18, so that this justifies the designation of the second functional unit 56.
  • Control algorithm as it may be encompassed by the second functional unit 56 can be described in a highly simplified manner as follows: The phase position of a minimum is determined in a total mass flow profile (see lower illustration in FIG. for the total mass flow rate whose pulsation is determined; the control signals 32, which are closest to the minimum in terms of their phase position, are shifted in their phase position in predefined or specifiable steps toward the minimum; a branch is made to the step for determining the pulsation; if the pulsation decreases as a result of the shifting of the phase position, the displacement in the previous direction or with a reduced step size in the opposite direction is continued until a minimum pulsation has been reached.
  • the coordination just described is based on an approach that can be called heuristic search. With a complete description of the system formed by the respective piston pump 10 and
  • the second functional unit 56 is also provided for carrying out more complex adaptations than described here and then comprises specific algorithms for this purpose.
  • control unit comprises a third functional unit 58 with which one of the control systems or control systems implemented by the first and / or second functional unit 54, 56 is realized with respect to the pressure or total mass flow 36 to be delivered by the piston pump 10.
  • a third functional unit 58 with which one of the control systems or control systems implemented by the first and / or second functional unit 54, 56 is realized with respect to the pressure or total mass flow 36 to be delivered by the piston pump 10.
  • Such a scheme is processed a predetermined or predefinable pressure or mass flow setpoint and, for example, as the mass flow actual value, a sum of the input signals 46 which code the individual mass flows 26.
  • a P, PI, PID control or the like can be considered as the control structure.
  • the functional units 54, 56, 58 are cyclically called in the control program 52 at predetermined times, so that a quasi-parallel processing takes place and is promptly, ie in real time or virtually in real time, governed by any changes in the operation of the piston pump 10.
  • the or individual functional units 54, 56, 58, as well as the control program 52 comprising them, are examples of means for implementing the method according to the invention and its embodiments. Other means are not shown in the drawings
  • the invention can be represented as follows: A method is described for operating a multi-pulse piston pump 10, in particular a flushing pump for use in flushing deep wells 12, with at least two pistons 24 guided in each case in a cylinder 22 and a drive acting on the pistons 24 Promotion of a liquid medium, as well as an operable or operating according to the method piston pump 10 indicated in which or at least two linear motors 20 as Actuate drive and each linear motor 20 acts on at least one piston 24 and the linear motors 20 are coordinated for pulsation control by means of a control unit 42.

Abstract

The invention relates to a method for operating a multi-pulse piston pump (10), particularly a flushing pump for use in well drill holes (12), comprising at least two pistons (24), each being guided in a cylinder (22), and one drive acting upon the piston (24) for conveying a fluid medium, and a piston pump (10) that can be operated according to the method, or that operates according to the same, wherein at least two linear motors (20) act as the drive, and each linear motor (20) acts upon at least one piston (24), and the linear motors (20) are coordinated by means of a controller (42) for controlling the pulsations.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Betrieb einer mehrpulsigen Kolbenpumpe, mehrpulsige Kolbenpumpe sowie Herstellung einer solchenMethod for operating a multi-pulse piston pump, multi-pulse piston pump and production of such
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mehrpulsigen Kolbenpumpe, insbesondere einer Spülpumpe zum Einsatz beim Spülen von Tiefbohrlöchern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine mehrpulsige Kolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen mehrpulsigen Kolbenpumpe.The invention relates to a method for operating a multi-pulse piston pump, in particular a flushing pump for use in flushing deep wells, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a multi-pulse piston pump according to the preamble of claim 7 and a method for producing such a multi-pulse piston pump.
Kolbenpumpen sind allgemein bekannt und sind, ebenso wie Verdichter, Fluidarbeitsmaschinen. Während jedoch Verdichter (Kompressoren) zur Verdichtung von Gasen dienen, werden insbesondere flüssige Medien mit solchen Pumpen gefördert. Die WO 2008/074428 beschreibt einen Verdichter bei welchem ein Linearmotor einen Verdichtungskolben antreibt.Piston pumps are well known and, like compressors, are fluid power machines. However, while compressors (compressors) are used to compress gases, in particular liquid media are promoted with such pumps. WO 2008/074428 describes a compressor in which a linear motor drives a compression piston.
Kolbenpumpen werden unter anderem als Spülpumpen eingesetzt. Sie dienen dann zum Einbringen eines als Spülflüssigkeit fungierenden flüssigen Mediums in einen Bohrstrang und/oder ein Bohrloch. Das Spülen dient dem Entfernen von losem oder gelöstem Material, wie Abraum oder Bohrklein, dem Kühlen und/oder Schmieren eines bei der Bohrung einge- setzten Bohrwerkzeuges oder auch dem Antrieb eines solchen Bohrwerkzeugs. Zudem kann durch ein Einpressen der Spülflüssigkeit in das Bohrloch ein Druckausgleich zum das Bohrloch umgebenden Gestein o- der anderem Grundmaterial, insbesondere darin enthaltenen Gasen und Flüssigkeiten, erreicht werden. Mittels der Kolbenpumpe wird dabei insbe- sondere bei geringen Bohrlochtiefen ein höherer Massenstrom bei gerin- gerem Druck und bei tieferen Bohrlochtiefen ein geringerer Massenstrom bei höherem Druck erzeugt. Von solchen Kolbenpumpen erzeugte Massenströme können im Bereich von über 3.000 L/min liegen, bei einem Druck von mehr als 500 bar.Piston pumps are used, among other things, as flushing pumps. They then serve to introduce a liquid medium acting as a rinsing fluid into a drill string and / or a borehole. Rinsing serves to remove loose or dissolved material, such as overburden or cuttings, to cool and / or lubricate a boring tool used in the boring, or else to drive such a boring tool. In addition, by pressing the flushing liquid into the borehole, pressure equalization can be achieved for the rock surrounding the borehole or other base material, in particular gases and liquids contained therein. By means of the piston pump, in particular at low borehole depths, a higher mass flow is achieved at lower borehole depths. gerem pressure and at lower wells a lower mass flow at higher pressure generated. Mass flows generated by such piston pumps can be in the range of over 3,000 L / min, at a pressure of more than 500 bar.
Die im Stand der Technik bekannten Kolbenpumpen erzeugen Druck und einen Massenstrom mittels Bewegung eines Kolbens in einem zugehörigen Zylinder; ein Zurückziehen des Kolbens im zugehörigen Zylinder resultiert in einer Vergrößerung eines Arbeitsraumvolumens, was ein Einströmen des flüssigen Mediums ermöglicht. Bei einer entgegengesetzten Bewegung des Kolbens wird das Arbeitsraumvolumen verkleinert und somit das Medium ausgestoßen. Zum Antrieb des Kolbens wird bei bekannten Kolbenpumpen eine Rotationsbewegung einer Antriebswelle, beispielsweise mittels Pleuel und Kreuzkopf, in eine translatorische, oszil- lierende Kolben beweg ung umgesetzt. Zur rotatorischen Bewegung der Antriebswelle um ihre Längsachse wird z.B. ein mit der Antriebswelle gekoppelter Elektromotor verwendet. Die Kopplung erfolgt dabei normalerweise mittels eines Getriebes.The piston pumps known in the prior art generate pressure and a mass flow by means of movement of a piston in an associated cylinder; Retraction of the piston in the associated cylinder results in an increase of a working space volume, which allows an inflow of the liquid medium. In an opposite movement of the piston, the working space volume is reduced and thus expelled the medium. In order to drive the piston, a rotary movement of a drive shaft, for example by means of a connecting rod and crosshead, in known piston pumps is converted into a translatory, oscillating piston movement. For the rotational movement of the drive shaft about its longitudinal axis, e.g. used with the drive shaft coupled electric motor. The coupling is usually done by means of a transmission.
Solche Getriebe, wie auch die zur Umsetzung der rotatorischen Bewegung in die translatorische, oszillierende Kolben beweg ung nötigen Bauteile, z.B. Pleuel, Kreuzkopf usw., sind raumfordernd und/oder schwer und resultieren in einer großen Bauform der Pumpe und/oder tragen nicht unerheblich zu einem Gewicht der Pumpe bei. Aufgrund der Vielzahl verbau- ter beweglicher Teile, welche naturgemäß auch bei ausreichenderSuch transmissions, as well as the implementation of the rotational movement in the translational, oscillating piston moving ung necessary components, e.g. Conrods, crosshead, etc., are space demanding and / or difficult and result in a large design of the pump and / or contribute significantly to a weight of the pump. Due to the large number of moveable parts installed, which, of course, even with sufficient
Schmierung einem Verschleiß unterliegen, entstehen zusätzliche Kosten bei der Herstellung der Teile und/oder der Pumpe, bei deren Wartung, Reparatur oder dergleichen. Zudem sind sowohl Herstellung, Wartung, Reparatur usw. zeitaufwendig und arbeitsintensiv. Des Weiteren bedingen in Kontakt miteinander stehende, bewegte Teile Reibungsverluste, welche sich nachteilig auf den Gesamtwirkungsgrad auswirken.Lubrication subject to wear, additional costs incurred in the manufacture of the parts and / or the pump, during their maintenance, repair or the like. In addition, manufacturing, maintenance, repair, etc. are time consuming and labor intensive. Furthermore, condition in contact with each other, moving parts friction losses, which adversely affect the overall efficiency.
Bekannte Kolbenpumpen bewegen zudem das flüssige Medium üblicher- weise mit ungleichmäßigem Druck und einem ungleichmäßigen Massenstrom. Der dadurch hervorgerufene Effekt wird als Pulsation bezeichnet. So können beispielsweise bei einer Umkehr einer Bewegungsrichtung des Kolbens im Zylinder diese Pulsationen erheblich sein. Teilweise können solche Pulsationen bei heutigen Spülpumpen mittels drei Kolben-Zylinder- anordnungen, welche um jeweils 1/3 Phase versetzt arbeiten, verringert werden, und häufig werden zur weiteren Reduktion zusätzliche externe Druckausgleicher, sogenannte Pulsationsdämpfer, eingesetzt. Auch bei einer solchen Kombination ist eine Restpulsation jedoch nicht unerheblich und resultiert in einer Erhöhung von Betriebsgeräuschen, belastet das Ma- terial, wie z.B. Kolben, Zylinder, Rohrleitungen, und dergleichen.Known piston pumps also move the liquid medium usually with uneven pressure and an uneven mass flow. The resulting effect is called pulsation. For example, if the direction of movement of the piston in the cylinder is reversed, these pulsations can be significant. In some cases, such pulsations can be reduced in today rinsing pumps by means of three piston-cylinder arrangements, which work offset by 1/3 phase, and often additional external pressure equalizers, so-called pulsation damper, are used for further reduction. However, even with such a combination residual pulsation is not negligible and results in an increase of operating noise, loading the material, such as e.g. Pistons, cylinders, pipelines, and the like.
Insbesondere für spezielle Applikationen, wie beispielsweise das sogenannte „measuring while drill ing" (MWD), bei welchem das zu bohrende Material zur Analyse mit kontrollierten Testpulsen beaufschlagt wird, sind starke Pulsationen durch die Kolbenpumpe unerwünscht, da diese die MWD-Messungen stören und damit gewonnene Messergebnisse verfälschen oder sogar unbrauchbar machen können. Für akkurate und zuverlässige Ergebnisse müssen somit die Pulsationen der Pumpe mittels aufwendiger Rechenoperationen aus den Messwerten herausgefiltert oder von diesen abgezogen werden, was unter anderem in einem erhöhten Kosten- und Arbeitsaufwand resultiert.In particular, for special applications, such as the so-called "measuring while drilling" (MWD), in which the material to be drilled is subjected to controlled test pulses for analysis, strong pulsations by the piston pump are undesirable because they disturb the MWD measurements and thus For accurate and reliable results, the pulsations of the pump must therefore be filtered out of the measured values or subtracted from them by means of complex arithmetic operations, which results, among other things, in increased costs and work.
Auch eine Verwendung von Kolbenpumpen mit mehr als drei Kolben- Zylinderanordnungen, beispielsweise sogenannten Quadruplex- oder Quintuplex-Pumpen, erreichen keine vollständig zufriedenstellende Re- duktion der Pulsation und erfordern somit ebenso eine aufwendige Optimierung des MWD Verfahrens.The use of piston pumps with more than three piston-cylinder arrangements, for example so-called quadruplex or quintuplex pumps, does not achieve a completely satisfactory refinement. The pulsation and thus also require a costly optimization of the MWD process.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeigne- tes Verfahren zum Betrieb einer Kolbenpumpe sowie eine nach dem Verfahren betreibbare oder arbeitende Kolbenpumpe anzugeben, welches bzw. welche die o. g. Nachteile vermeidet oder zumindest reduziert. Bevorzugt soll dabei die Pulsationskontrolle die Aussagekraft von MWD- Messungen erhöhen oder den Aufwand bei der Nachbearbeitung von MWD-Messungen zum Herausfiltern von durch Pulsation bedingten Effekten verringern.The invention is therefore based on the object of specifying a particularly suitable method for operating a piston pump as well as a piston pump which can be operated or operated according to the method and which has the above-mentioned features. Disadvantages avoided or at least reduced. Preferably, the pulsation control should increase the validity of MWD measurements or reduce the effort in the post-processing of MWD measurements to filter out effects caused by pulsation.
Bezüglich des Verfahrens zum Betrieb einer mehrpulsigen Kolbenpumpe wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des An- Spruchs 1. Dabei ist zum Betrieb einer insbesondere als Spülpumpe zum Einsatz beim Spülen von Tiefbohrlöchern bestimmten mehrpulsigen Kolbenpumpe mit zumindest zwei in jeweils einem Zylinder geführten Kolben und einem auf die Kolben wirkenden Antrieb zur Förderung eines flüssigen Mediums, vorgesehen, dass zumindest zwei Linearmotore als Antrieb fungieren und jeder Linearmotor auf zumindest einen Kolben wirkt und dass die Linearmotore zur Pulsationskontrolle mittels einer Steuereinheit koordiniert werden. Bevorzugt sind die Linearmotore dabei getriebelos mit jeweils einem oder zwei Kolben gekoppelt .With regard to the method for operating a multi-pulse piston pump, this object is achieved by the features of claim 1. It is for operating a particular as a rinsing pump for use in flushing deep wells certain multi-pulse piston pump with at least two guided in each case a cylinder piston and a Acting on the piston drive to promote a liquid medium, provided that at least two linear motors act as a drive and each linear motor acts on at least one piston and that the linear motors are coordinated for pulsation control by means of a control unit. Preferably, the linear motors are gearless coupled with one or two pistons.
Bezüglich der korrespondierenden Vorrichtung wird die Aufgabe mit einer mehrpulsigen Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Dazu weist eine Kolbenpumpe der oben beschriebenen Art zumindest zwei, als Antrieb fungierende Linearmotore, von denen jeder auf zumindest einen Kolben wirkt, und eine Steuereinheit zur Koordination der Line- armotore zur Pulsationskontrolle auf. Der Vorteil der Erfindung besteht zum Einen in dem mit der Verwendung von Linearmotoren als Antrieb möglichen Wegfall einer gemeinsamen Antriebsachse, eines für deren Antrieb notwendigen Getriebes, einer Reduk- tion beweglicher Teile und damit einhergehend eine Reduktion von Reibungsverlusten und eine Erhöhung des Wirkungsgrades. Dies ermöglicht insgesamt eine Teilereduktion, eine leichtere und kompaktere Ausführung und damit insgesamt eine Kosten red uktion im Hinblick auf Anschaffung, Wartung, Betrieb, Transport, usw. Indem die translatorische Bewegung der Linearmotoren direkt in die translatorische Bewegung des oder derWith regard to the corresponding device, the object is achieved with a multi-pulse piston pump with the features of claim 7. For this purpose, a piston pump of the type described above has at least two linear motors acting as a drive, each of which acts on at least one piston, and a control unit for coordinating the linear actuators for pulsation control. The advantage of the invention on the one hand in the possible with the use of linear motors as a drive omission of a common drive axle, a necessary for the drive transmission, a reduction of moving parts and concomitantly a reduction of friction losses and an increase in efficiency. This allows a total of a partial reduction, a lighter and more compact design and thus a total cost reduction in terms of purchase, maintenance, operation, transport, etc. By the translational motion of the linear motors directly into the translational movement of or
Kolben umgesetzt wird, bedarf es keiner Umwandlung einer rotatorischen Bewegung, z. B. einer Motorachse oder einer Pumpenwelle, in die translatorische Kolbenbewegung, z. B. mittels eines Getriebes, mittels Pleueln, Kreuzköpfen und dergleichen. Hierdurch wird ein sonst mit einer solchen Umwandlung verbundener Energieverlust verringert und der Aufbau der Pumpe vereinfacht. Aufgrund der verringerten Anzahl beweglicher Teile reduziert sich zudem ein Verschleiß, ein Arbeitsaufwand bei Herstellung, Wartung und Reparatur sowie ein Verbrauch von Schmiermitteln und/oder dergleichen. Zum Anderen eröffnet das veränderte Antriebskonzept bei in etwa gleichbleibendem Raumbedarf eine Möglichkeit zur Verringerung der Pulsation bereits durch Erhöhung der verwendeten Zylinder und der dazu angetriebenen Kolben. Jeder Linearmotor kann mit mindestens einem, insbesondere zwei bewegten Kolben und dem oder den zugehörigen Zylindern zu einem Modul zusammengefasst sein und die Anzahl der Module in einer Kolbenpumpe ist nur durch den zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt. Selbst wenn im ungünstigsten Fall bei einem Vergleich mit bisherigen, zum Einsatz als Spülpumpe vorgesehenen Kolbenpumpen davon ausgegangen wird, dass eine Kolbenpumpe mit drei jeweils Line- armotore umfassenden, nebeneinander angeordneten Modulen im We- sentlichen eine gleiche Stellfläche belegt wie eine dreipulsige Kolben- pumpe herkömmlicher Bauart, kann eine Kolbenpumpe mit Linearmotoren ohne Weiteres in einer weiteren Ebene, also quasi in vertikaler Richtung um zusätzliche Module ergänzt werden. Der Stellflächenbedarf erhöht sich dadurch nicht. Die Pulsation eines von der Kolbenpumpe erzeugten Mas- senstroms sinkt proportional mit der Anzahl der Module.Piston is implemented, it requires no conversion of a rotational movement, z. As a motor shaft or a pump shaft, in the translational piston movement, z. B. by means of a transmission, by means of connecting rods, crossheads and the like. This reduces an energy loss otherwise associated with such a conversion and simplifies the construction of the pump. Due to the reduced number of moving parts also reduces wear, labor costs in production, maintenance and repair and consumption of lubricants and / or the like. On the other hand, the modified drive concept opens up a possibility for reducing the pulsation already by increasing the number of cylinders used and the pistons driven for this purpose, while the space requirement remains roughly constant. Each linear motor can be combined with at least one, in particular two moving pistons and the associated cylinders or to form a module and the number of modules in a piston pump is limited only by the available space. Even if, in the most unfavorable case, comparison with previous piston pumps intended for use as a flushing pump, it is assumed that a piston pump with three modules arranged next to one another in each case occupies essentially the same footprint as a three-pulse piston pump. Pump of conventional design, a piston pump with linear motors readily in another level, so quasi in the vertical direction can be supplemented by additional modules. The footprint requirement does not increase thereby. The pulsation of a mass flow generated by the piston pump decreases proportionally with the number of modules.
Indem die Kolbenpumpe eine Steuereinheit zur Koordination der Linear- motore zur Pulsationskontrolle aufweist, ist in einer einfachsten Ausführung zumindest ein Gleichlauf der Linearmotore gewährleistbar, so dass bei ansonsten idealen Bedingungen, also ohne externe Störeinflüsse, die Pulsation eines von der Kolbenpumpe abgegebenen Massenstroms minimiert ist. Dies trägt zur Materialschonung bei und senkt insoweit Kosten und Arbeitsaufwand. Zudem wird eine Eignung der Kolbenpumpe zur Verwendung mit pulsationssensiblen Verfahren wie dem MWD verbessert.By virtue of the piston pump having a control unit for coordinating the linear motors for pulsation control, in a simplest embodiment at least one synchronization of the linear motors can be ensured, so that under otherwise ideal conditions, ie without external interferences, the pulsation of a mass flow output by the piston pump is minimized. This contributes to the protection of the material and thus reduces costs and labor. In addition, suitability of the piston pump for use with pulsation sensitive methods such as MWD is improved.
Die mehrpulsige Kolbenpumpe ist insbesondere als 2n-pulsig ausgebildet, beispielsweise sechs-, zwölf- oder 24-pulsig, wobei „n" eine Anzahl Module mit jeweils einem Linearmotor bezeichnet und sich „2n" aus der Tatsache ergibt, dass jedes Module zwei Kolben und Zylinder umfasst, so dass sich durch versetztes Ansaugen und Ausstoßen des Mediums für einen Bewegungszyklus des Linearmotors zwei Massenstrompulse ergeben.The multi-pulse piston pump is designed in particular as 2n-pulsed, for example six-, twelve- or 24-pulse, where "n" denotes a number of modules, each with a linear motor and "2n" results from the fact that each module has two pistons and Cylinder comprises, so that there are two mass flow pulses by staggered suction and ejection of the medium for a movement cycle of the linear motor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Aus- bildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten An- spruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. The relationships used here point to the further development of the subject matter of the main claim by the features of the respective subclaim; they should not be construed as a waiver of obtaining independent, objective protection for the feature combinations of the dependent claims. Furthermore, with regard to an interpretation of the claims, a closer specification of a feature in a subordinate to assume that such a restriction in the respective preceding claims is not present.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass zur Pulsationskontrolle mittels der Koordi- nation der Linearmotore eine auf eine relative Position des beweglichen Teils der Linearmotoren, also des so genannten Läufers, zueinander bezogene Phasenlage beeinflusst wird. Die relative Position des beweglichen Teils der Linearmotoren, wird hier und im Folgenden kurz als relative Position der Linearmotoren bezeichnet, deren Einbaulage sich durch eine Ansteuerung selbstverständlich nicht ändert. Der Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung lässt sich vergleichsweise einfach anhand einer trivialen, gleichwohl für die Praxis im Einzelfall hochrelevanten Situation erläutern. Wenn eine Kolbenpumpe der dem Ansatz gemäß der Erfindung zugrunde liegenden Art vier zweipulsige Module aufweist, ist für eine mi- nimale Pulsation ein Phasenversatz der Bewegungsabläufe der einzelnen Linearmotoren von 45° erforderlich. Es ergibt sich dann eine verbleibende Pulsation in der Größenordnung von unter 3% (wird weiter unten erläutert). Wenn eines der Module ausfällt, ergibt sich unmittelbar ein von der jetzt mit nur noch drei zweipulsigen Modulen betriebenen Kolbenpumpe ausgegebener Gesamtmassenstrom mit einer Pulsation von über 26%. Dies kann Materialbeanspruchungen nach sich ziehen, die eine sofortige Abschaltung der Kolbenpumpe erfordern. Beim Einsatz als Spülpumpe beim Tiefbohrbetrieb erfordert die Abschaltung der Spülpumpe normalerweise das Einstellen des Bohrbetriebs. Durch Anpassung der Phasenlage kann allerdings auch mit nur drei Modulen die Pulsation auf unter 5% zurückgeführt werden. Die dazu erforderliche Phasenlage beträgt für eine minimale Pulsation 60°. Der von dem ausgefallenen Modul bisher beigetragene Massenstrom kann sogar durch Erhöhung der Geschwindigkeit der oszillierenden Bewegung der Linearmotore in den verbleibenden Mo- dulen kompensiert werden. Insgesamt kann also sowohl die Kolbenpumpe in Betrieb bleiben als auch der Tiefbohrbetrieb fortgesetzt werden. Das defekte Modul, das mit seiner Austrittsleitung über Riegelelemente, wie Ventile oder dergleichen, an eine Spülflüssigkeitsleitung gekoppelt ist, kann nach Betätigung der Riegelelemente separat gewartet und ggf. repa- riert werden. Sobald das Modul wieder in Betrieb geht, kann wieder auf die ursprüngliche Phasenlage zurückgegangen und ggf. die Geschwindigkeit der während der Wartung weiter betriebenen Linearmotore reduziert werden.It is preferably provided that, for pulsation control by means of the coordination of the linear motors, a phase relationship related to a relative position of the movable part of the linear motors, that is to say of the so-called rotor, is influenced. The relative position of the movable part of the linear motors is referred to here and below as the relative position of the linear motors whose installation position is of course not changed by a control. The advantage of this embodiment of the invention can be explained comparatively simply on the basis of a trivial situation which, however, is highly relevant in practice for a particular case. If a piston pump of the type underlying the approach according to the invention has four two-pulse modules, a minimum displacement of the movements of the individual linear motors of 45 ° is required for a minimum pulsation. This results in a remaining pulsation of the order of less than 3% (explained below). If one of the modules fails, the result is a total mass flow output by the piston pump, now operated with only three two-pulse modules, with a pulsation of more than 26%. This can result in material stresses that require immediate shutdown of the piston pump. When used as a scavenge pump in deep drilling operation, the shutdown of the purge pump usually requires the setting of the drilling operation. By adjusting the phase position, however, the pulsation can be reduced to less than 5% even with only three modules. The required phase position is 60 ° for a minimum pulsation. The mass flow previously contributed by the failed module can even be compensated by increasing the speed of the oscillating motion of the linear motors in the remaining modules. Overall, therefore, both the piston pump remain in operation as well as the deep drilling continued. The defective module, which is coupled with its outlet line via locking elements, such as valves or the like, to a rinsing liquid line, can be serviced separately and optionally repaired after actuation of the locking elements. As soon as the module starts up again, it is possible to return to the original phase position and, if necessary, to reduce the speed of the linear motors which continue to be operated during maintenance.
Für eine derartige Möglichkeit des Betriebs der Kolbenpumpe wird derFor such a possibility of operation of the piston pump is the
Steuereinheit zur Koordination der Linearmotoren eine auf die Vielzahl der Linearmotore abgestellte Anzahl von Positionssignalen zugeführt, die im Betrieb jeweils eine Information hinsichtlich der Position des jeweiligen Linearmotors kodieren. Solche Positionssignale können an dem jeweiligen Linearmotor durch Positionssensoren oder dergleichen aufgenommen werden oder indem eine Lage des als Läufers fungierenden Teils des Linearmotors relativ zu dessen als Stator fungierendem Motorbett ermittelt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht, indem ein Ansteuersignal zur Positionierung des Linearmotors herangezogen wird. Dann ist eine geberlose Lageermittlung möglich. Für die Ermittlung einer vorgesehenen Phasenlage wird der Steuereinheit von jedem Modul ein dessen Betriebsbereitschaft anzeigendes Signal übermittelt. Anhand der Anzahl solcher Signale kann die Steuereinheit die zumindest anfangs erforderliche Phasenlage bestimmen. Bei z.B. vier jeweils zweipulsigen Modulen ergibt sich ein durch Multiplikation von vier und zwei ein Parameter, der in Bezug auf einen vollständigen Bewegungszyklus von 360° zu einem Phasenlage von 45° (36078) zwischen jeweils zwei Modulen führt. Ein solches Betriebssignal kann auch direkt aus dem Positionssignal abgeleitet werden, z.B. derart, dass nur sinnvolle oder nur sich stetig ändernde Positionsinforma- tion als Betriebsbereitschaft ausgewertet werden. Abgesehen davon, dass es bei einer Bewegung eines Linearmotors zu Problemen kommen kann, kann auch ein von einem Modul mittels der möglicherweise ungestörten Bewegung des davon umfassten Linearmo- tors erzeugte Massenstrom variieren und insofern zu ungewünschten Pulsationen führen. In dieser Hinsicht ist vorgesehen, dass eine mit einer Bewegung eines Linearmotors einhergehende Bewegung des mindestens einen zugeordneten Kolbens einen messbaren Druck oder Massenstrom in einer dem Zylinder in Förderrichtung des Mediums nachgeordneten Lei- tung hervorruft und mittels der Koordination der Linearmotore eine Phasenlage der Massenströme beeinflusst wird. Auch der Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung lässt sich anhand des bereits verwendeten Szenarios erläutern. Diesmal wird angenommen, dass sämtliche Module, was den Betrieb der Linearmotore usw. angeht, ordnungsgemäß laufen, dennoch von einem der Modul kein oder ein äußerst geringer Massenstrom erzeugt wird. Insoweit entspricht das Szenario wieder einer Situation mit einem ausgefallenen Modul. Dass der von einem solchen Modul erwartete Massenstrom durch Anpassung der Phasenlage kompensiert werden kann, ist bereits erläutert worden. Gleiches gilt, wenn der tatsäch- liehe Massenstrom nur einem Teil des erwarteten Massenstroms entspricht. Eine solche Situation kann nur erkannt werden, wenn der von jedem Modul gelieferte Massenstrom oder ein damit korrelierter Druck er- fasst und der Steuereinheit zur Verarbeitung zugeführt wird. Anhand der Messwerte nimmt die Steuereinheit dann eine Koordination der Linearmo- tore zur Beeinflussung der Phasenlage der Massenströme und damit insgesamt zur Pulsationskontrolle vor.Control unit for the coordination of the linear motors fed to the plurality of linear motors parked number of position signals, which encode each information in operation with respect to the position of the respective linear motor. Such position signals can be recorded on the respective linear motor by position sensors or the like, or by determining a position of the part of the linear motor acting as a rotor relative to its engine bed functioning as a stator. Another possibility is to use a drive signal for positioning the linear motor. Then a sensorless position determination is possible. For the determination of an intended phase position, the control unit is informed by each module of a signal indicating its operational readiness. On the basis of the number of such signals, the control unit can determine the at least initially required phase position. For example, with four each two-pulse modules, a multiplication of four and two results in a parameter which, with respect to a complete cycle of motion of 360 °, results in a phase angle of 45 ° (36078) between every two modules. Such an operating signal can also be derived directly from the position signal, for example in such a way that only meaningful or only continuously changing position information is evaluated as operational readiness. Apart from the fact that problems can arise during a movement of a linear motor, a mass flow generated by a module by means of the possibly undisturbed movement of the linear motor encompassed therefrom can vary and thus lead to undesired pulsations. In this regard, it is provided that a movement of the at least one associated piston associated with a movement of a linear motor causes a measurable pressure or mass flow in a line downstream of the cylinder in the conveying direction of the medium and a phase position of the mass flows is influenced by means of the coordination of the linear motors , The advantage of this embodiment of the invention can also be explained on the basis of the scenario already used. This time it is assumed that all the modules, as far as the operation of the linear motors, etc. are concerned, are running properly, yet no or very little mass flow is produced by one of the modules. In that regard, the scenario again corresponds to a situation with a failed module. That the mass flow expected by such a module can be compensated by adjusting the phase position has already been explained. The same applies if the actual lower mass flow corresponds to only part of the expected mass flow. Such a situation can only be detected if the mass flow delivered by each module or a pressure correlated therewith is detected and fed to the control unit for processing. On the basis of the measured values, the control unit then coordinates the linear motors in order to influence the phase position of the mass flows and thus overall for pulsation control.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine zusätzliche Regelung eines von der Kolbenpumpe abzugebenden Ge- samtmassenstroms der Koordination der Linearmotore unter- oder überla- gert ist. Dazu wird in an sich bekannter Art und Weise ein den gewünschten Gesamtmassenstrom kodierender Sollwert vorgegeben, der durch die Regelung mit einem Momentwert des Gesamtmassenstroms verglichen wird, der z.B. durch Summierung aller bei jedem einzelnen Modul aufge- nommen Messwerte der von diesen erzeugten Massenströme erhältlich ist. Für evtl. Korrekturen bietet sich eine Beeinflussung der Bewegungsgeschwindigkeit der Linearmotoren, ein Pumpen-Vordruck, usw. an.According to a preferred embodiment, it is provided that an additional control of a total mass flow to be delivered by the piston pump is less than or less than the coordination of the linear motors. is gert. For this purpose, a desired value which encodes the desired total mass flow is preset in a manner known per se, which is compared by the control with a moment value of the total mass flow, which is obtainable, for example, by summing all the measured values of the mass flows produced by each individual module. For any corrections, it is advisable to influence the speed of movement of the linear motors, a pump pre-pressure, etc.
Bevorzugt beträgt eine Restpulsation, also eine nach der Koordination verbleibende Pulsation von Massenstrom und/oder Druck, 10% oder weniger, insbesondere im Wesentlichen 0,8% bis 3%. Dies ist besonders materialschonend und resultiert somit in einer Kostenreduktion. Zudem ist hierdurch eine besondere Eignung für das MWD Verfahren gegeben, da sich Störungen stark reduzieren.A residual pulsation, that is to say a pulsation of mass flow and / or pressure remaining after the coordination, is preferably 10% or less, in particular substantially 0.8% to 3%. This is particularly gentle on the material and thus results in a cost reduction. In addition, this is a particular suitability for the MWD process given, as reduce interference severely.
Der Linearmotor kann eine Leistung in einem Bereich von 100 kW bis 5.000 kW haben, insbesondere mehr als 200 kW. Besonders bevorzugt hat der Linearmotor eine Leistung zwischen 440 kW bis 3.000 kW. Bei zwei oder mehr Linearmotoren haben diese bevorzugt sämtlich dieselbe Leistung. Allerdings ist nach dem Ansatz gemäß der Erfindung auch eine Koordination von Linearmotoren von denen mindestens einer eine abweichende Leistung hat, möglich. Für den oder jeden Motor mit der abweichenden Leistung kann sich zur Pulsationskontrolle z.B. die Notwendigkeit zum Betrieb mit einer erhöhten oder verringerten Geschwindigkeit erge- ben. So kann z.B. bei einer Kolbenpumpe mit drei Modulen bei denen die davon umfassten Linearmotore alle mit der gleichen Geschwindigkeit betrieben werden, eine verbleibende Pulsation dadurch verringert werden, dass ein Modul mit einem Linearmotor hinzugeführt wird, der mit der dreifachen Geschwindigkeit der Grundgeschwindigkeit der drei Module und einer geeigneten Verschiebung zu Phasenlage der davon umfassten Li- nearmotoren, so dass sich die (niedrige) Pulse des schneller laufenden Moduls genau dann ergeben, wenn der durch die drei Module erzeugte Massenfluss ein lokales Minimum annimmt.The linear motor can have a power in a range of 100 kW to 5,000 kW, in particular more than 200 kW. Particularly preferably, the linear motor has a power between 440 kW to 3,000 kW. With two or more linear motors, these preferably all have the same power. However, according to the approach according to the invention, a coordination of linear motors of which at least one has a different performance possible. For example, for the or each motor with the differing power, pulsation control may require operation at an increased or decreased speed. For example, in a piston pump with three modules in which the linear motors included are all operated at the same speed, a remaining pulsation can be reduced by adding a module with a linear motor running at three times the speed of the three modules a suitable shift to phase position of the li near motors, so that the (low) pulses of the faster-running module result exactly when the mass flow generated by the three modules assumes a local minimum.
Bevorzugt ist dem oder jedem Linearmotor zu dessen Kühlung ein Wärmetauscher zugeordnet. Der Wärmetauscher ist zur Wärmeübertragung zwischen dem Linearmotor und dem durch die Kolbenpumpe geförderten Medium, insbesondere der Spülflüssigkeit, vorgesehen. Hierdurch ist eine einfache und bequeme Kühlung des Linearmotors gewährleistet. Bei- spielsweise kann der Wärmetauscher auf, unter, neben oder um den Linearmotor herum angeordnet sein und mit diesem in Kontakt stehen, um eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten.Preferably, the or each linear motor is assigned to its cooling, a heat exchanger. The heat exchanger is provided for heat transfer between the linear motor and the pumped by the piston pump medium, in particular the rinsing liquid. This ensures a simple and convenient cooling of the linear motor. For example, the heat exchanger may be located on, under, beside or around the linear motor and in contact therewith to ensure efficient heat transfer.
Für eine Herstellung der beschriebenen mehrpulsigen Kolbenpumpe ist vorgesehen, dass die zumindest zwei Linearmotore mit jeweils zumindest einem Kolben gekoppelt werden und eine Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung zur Koordination der zumindest zwei Linearmotore mit zumindest einem Sensor und den Linearmotoren datentechnisch verbunden wird.For a production of the described multi-pulse piston pump is provided that the at least two linear motors are each coupled to at least one piston and a control and / or regulating device for coordinating the at least two linear motors with at least one sensor and the linear motors data technology is connected.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Corresponding objects or elements are provided in all figures with the same reference numerals.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind.The or each embodiment is not to be understood as limiting the invention. Rather, numerous modifications and variations are possible in the context of the present disclosure, in particular those variants, elements and combinations described, for example, by combination or modification of individual in conjunction with those described in the general or specific description part and in the features and elements or method steps contained in the claims and / or the drawing for the expert in terms of solving the problem can be removed.
Es zeigenShow it
FIG 1 eine mehrpulsige Kolbenpumpe, deren Mehrpulsigkeit aufgrund mindestens zweier Module mit jeweils einem Linearmotor ergibt,1 shows a multi-pulse piston pump, the multi-pulse due to at least two modules, each with a linear motor,
FIG 2 ein Ansteuersignal wie es zur Ansteuerung der Linearmotoren in Betracht kommt,2 a control signal as it comes to control the linear motors into consideration,
FIG 3 ein Graph eines von einem zweipulsigen Modul erzeugten Massenstromverlaufs,3 shows a graph of a mass flow profile generated by a two-pulse module,
FIG 4 zur Erläuterung einer Koordination mehrerer Module und der davon umfassten Linearmotoren eine Mehrzahl von Ansteuersignalen mit einem zur Kontrolle einer Pulsation eines von der Kolbenpumpe im Betrieb erzeugten Gesamtmassenstromver- laufs regelmäßigen Phasenlage und die sich dann ergebenden Massenstromverläufe und den resultierenden Gesamtmassen- stromverlauf mit insoweit minimaler Pulsation,4 shows a coordination of a plurality of modules and the linear motors included therein a plurality of drive signals with a regular phase position for controlling a pulsation of a piston pump generated in operation Gesamtmassenstromverlaufs and the resulting mass flow curves and the resulting total mass flow curve with minimal extent pulsation,
FIG 5 Unregelmäßigkeiten der von mehreren Modulen erzeugtenFIG 5 shows irregularities generated by several modules
Massenstromverläufe und einen dann resultierenden Gesamt- massenstromverlauf mit erhöhter Pulsation,Mass flow curves and a resulting total mass flow curve with increased pulsation,
FIG 6 Massenstromverläufe und den resultierenden Gesamtmassen- stromverlauf, wie sie sich nach einer Koordination der Linear- motoren zur Kompensation der in FIG 5 zugrunde gelegten Unregelmäßigkeiten ergeben undFIG. 6 shows mass flow characteristics and the resulting total mass flow profile, as determined after coordination of the linear engines to compensate for the underlying in Figure 5 irregularities and
FIG 7 eine Funktionseinheit als Mittel zur Koordination der Linearmo- toren und insoweit als Mittel zur Durchführung der Verfahrens gemäß der Erfindung und seiner Ausgestaltungen.7 shows a functional unit as a means for coordinating the linear motors and insofar as means for carrying out the method according to the invention and its embodiments.
FIG 1 zeigt schematisch vereinfacht eine insgesamt mit 10 bezeichnete Kolbenpumpe, die z.B. zum Spülen von Bohrlöchern 12 vorgesehen sein kann und dann als Spülpumpe bezeichnet wird. Die Kolbenpumpe 10 ist aus modulartigen Einzelaggregaten aufgebaut und jedes Modul 14, 16, 18 umfasst einen Linearmotor 20, der zur Bewegung zumindest eines in einem Zylinder 22 geführten Kolbens 24 vorgesehen ist. Ein Innenvolumen des Zylinders 22 ist in an sich bekannter Art und Weise für ein flüssiges Medium, z.B. die Spülflüssigkeit, zugänglich und bei entsprechender Bewegung des Kolbens 24 wird das Medium als Massenstrom 26 durch eine Austrittsleitung 28 ausgestoßen. Der Linearmotor 20 führt zu diesem Zweck auf einem Motorbett 30 eine oszillierende Bewegung aus. In FIG 2 ist dazu schematisch vereinfacht ein Ansteuersignal 32 gezeigt.FIG. 1 schematically shows in simplified form a piston pump, generally designated 10, which is e.g. for flushing boreholes 12 may be provided and is then referred to as a flushing pump. The piston pump 10 is constructed from modular single units and each module 14, 16, 18 includes a linear motor 20 which is provided for moving at least one guided in a cylinder 22 piston 24. An internal volume of the cylinder 22 is in a manner known per se for a liquid medium, e.g. the rinsing liquid, accessible and with appropriate movement of the piston 24, the medium is ejected as a mass flow 26 through an outlet line 28. The linear motor 20 performs for this purpose on a motor bed 30 an oscillating movement. In FIG. 2, a drive signal 32 is shown schematically in simplified form.
Die Kolbenpumpe 10 umfasst in einer Minimalkonfiguration genau ein Modul 14. Im Hinblick auf eine mit dem Ansatz gemäß der Erfindung angestrebte Pulsationskontrolle und eine dazu erforderliche Koordination einzelner Linearmotore 20 umfasst eine Kolbenpumpe 10 gemäß der Erfin- düng zumindest zwei Module 14, 16, also z.B. zwei, drei, vier oder mehr Module 14-18. Jedes Modul 14-18 umfasst einem Linearmotor 20 und zumindest einen in einem Zylinder 22 geführten Kolben 24. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist wie dargestellt vorgesehen, dass jedem Modul 14-18 zwei Zylinder 22 mit jeweils einem Kolben 24 sowie zwei Austrittsleitungen 28 zugeordnet sind. Im Betrieb bewirkt die oszillierende Bewegung des Linearmotors 20 dass einer der Kolben 24 in den jeweiligen Zylinder hinein bewegt wird, während sich für den gegenüberliegenden Kolben 24 eine umgekehrte Bewegungsrichtung ergibt. Während mittels jenes Zylinders 22 darin enthaltenes Medium unter Druck ausge- stoßen wird, wird in diesen Zylinder 22 zunächst Medium angesaugt um dann im nächsten Bewegungsabschnitt ausgestoßen zu werden. Für einen vollen Bewegungszyklus eines Linearmotors 20 ergibt sich damit ein von diesem in beiden Zylindern 22 erzeugter Druck oder ein über die oder jede Austrittsleitung 28 weiterleitbarer Massenstrom 26, dessen Amplitude in etwa dem in FIG 3 dargestellten Graphen 34 folgt. Nachdem Druck und Massenstrom hier zumindest im Wesentlichen zusammenfallen, einander zumindest bedingen, wird im Folgenden mitunter kurz nur auf den erzeugten Massenstrom 26 Bezug genommen. Bei mehr als einem Modul 14-18 und/oder mehr als einem Zylinder/Kolben 22,24 ergibt sich aus den ein- zelnen Massenströmen 26 ein Gesamtmassenstrom 36.In a minimal configuration, the piston pump 10 comprises exactly one module 14. With regard to a pulsation control aimed at with the approach according to the invention and a coordination of individual linear motors 20 required for this, a piston pump 10 according to the invention comprises at least two modules 14, 16, eg two, three, four or more modules 14-18. Each module 14-18 comprises a linear motor 20 and at least one guided in a cylinder piston 24. In a preferred embodiment, as shown provided that each module 14-18 two cylinders 22, each having a piston 24 and two outlet lines 28 are assigned. In operation, the oscillating Movement of the linear motor 20 that one of the piston 24 is moved into the respective cylinder, while results in the opposite piston 24, a reverse direction of movement. While medium 22 contained therein is ejected under pressure by means of that cylinder 22, medium is first sucked into this cylinder 22 in order then to be ejected in the next movement section. For a full cycle of movement of a linear motor 20, this results in a pressure generated by this in both cylinders 22 or a mass flow 26 which can be forwarded via the or each outlet line 28, the amplitude of which approximately follows the graph 34 shown in FIG. After pressure and mass flow coincide here at least substantially, at least condition each other, reference will briefly be made below to the generated mass flow 26 in the following. With more than one module 14-18 and / or more than one cylinder / piston 22, 24, a total mass flow 36 results from the individual mass flows 26.
In FIG 1 sind Pumpen 38 zum Erzeugen eines Vordrucks (bei Verwendung der Kolbenpumpe 10 als Spülpumpe zum Erzeugen eines Spülvordrucks) gezeigt. Das mit dem Vordruck beaufschlagte Medium wird der Kolbenpumpe 10, nämlich den einzelnen Zylindern 22, zugeführt. Die dargestellte Anzahl der Pumpen 38 entspricht der dargestellten Anzahl der Module 14-18. Es kann auch für mehr als ein Modul 14-18 jeweils nur eine Pumpe 38 vorgesehen sein. Des Weiteren ist ein optionaler Wärmetauscher 40 gezeigt, der zur Kühlung jeweils eines Linearmotors 20 von je- weils einem Modul 14-18 umfasst sein kann. Im Betrieb wird der Wärmetauscher 40 entweder von einer Kühlflüssigkeit oder einem Teil des von der Kolbenpumpe 10 geförderten Mediums durchströmt.In FIG. 1, pumps 38 for generating a pre-pressure (when using the piston pump 10 as a rinsing pump for generating a rinsing pressure) are shown. The pressurized medium with the form of the piston pump 10, namely the individual cylinders 22, respectively. The illustrated number of pumps 38 corresponds to the illustrated number of modules 14-18. It can also be provided for more than one module 14-18 only one pump 38. Furthermore, an optional heat exchanger 40 is shown, which may be included for cooling in each case a linear motor 20 of each one module 14-18. In operation, the heat exchanger 40 is flowed through by either a cooling liquid or a part of the pumped by the piston pump 10 medium.
Da der Linearmotor 20 sowohl während einer Vorwärtsbewegung (erste Hälfte der Periode des Ansteuersignals 32) „pumpt", nämlich über einen der beiden Zylinder 22, wie auch während einer Rückwärtsbewegung (zweite Hälfte der Periode des Ansteuersignals 32), nämlich über den dem zunächst aktiven Zylinder 22 gegenüberliegenden Zylinder 22, ergeben sich während eines vollen Bewegungszyklusses zwei Druck- oder Mas- senstrommaxima. Der Graph 34 kann entsprechend als charakteristisch für den Betrieb jeweils eines Moduls 14-18 angesehen werden und wird im Folgenden zur Unterscheidung als Ausgangssignal oder Verlauf des Massenstroms 26 (kurz: Massenstromverlauf 34) bezeichnet. Es ist leicht vorstellbar, dass derartige Druck- und Massenstromunterschiede als PuI- sation wahrgenommen werden.Since the linear motor 20 "pumps" during a forward movement (first half of the period of the drive signal 32), namely via a The two cylinders 22, as well as during a backward movement (second half of the period of the drive signal 32), namely via the cylinder 22 opposite the initially active cylinder 22, result in two pressure or mass flow maxima during a full cycle of movement. The graph 34 can accordingly be regarded as characteristic for the operation of a respective module 14-18 and will be referred to below as an output signal or profile of the mass flow 26 (in short: mass flow profile 34). It is easy to imagine that such pressure and mass flow differences are perceived as PuI- sation.
Die Ansteuerung der mindestens zwei Linearmotore 20 erfolgt mittels einer Steuereinheit 42. Im un koordinierten Betrieb wird jeder Linearmotor 20 separat angesteuert und dazu von der Steuereinheit 42 mit einem Ansteu- ersignal 32 beaufschlagt. Die Steuereinheit 42 sorgt dabei entsprechend der Vielzahl der Module 14-18, also entsprechend der Vielzahl der von der Kolbenpumpe 10 insgesamt umfassten Linearmotore 20, für eine Phasenverschiebung der jeweiligen Ansteuersignale 32. Damit soll eine gleichmäßige Verteilung der mit den einzelnen Zylindern 22 erzeugten Massen- ströme 26 erreicht werden. Auch wenn die Steuereinheit 42 in der Figur als Einzelelement dargestellt ist, kann es sich um eine verteilte Steuereinheit handeln, nämlich eine zentrale Steuereinheit und jeweils eine jedem Linearmotor 20 zugeordnete lokale Steuereinheit. Die zentrale Steuereinheit gibt an jede lokale Steuereinheit das jeweilige Ansteuersignal 32 aus. Jede lokale Steuereinheit übernimmt eine Lageregelung, so dass unabhängig von Belastung und sonstigen externen Einflüssen eine Übereinstimmung der jeweiligen Position des Linearmotor 20 mit dem jeweiligen Momentanwert des Ansteuersignals 32 sichergestellt ist. Mit der Ausgabe der zumindest zwei Ansteuersignale 32 an zumindest zwei Linearmotoren 20, ggf. deren lokale Steuereinheit, nimmt die Steuereinheit 42 (oder die zentrale Steuereinheit) mit der Vorgabe der Phasenunterschiede hinsichtlich der Bewegungszyklen der von der Kolbenpumpe umfassten Linearmotoren 20 bereits eine Koordination zur Pulsationskontrolle vor.The control of the at least two linear motors 20 takes place by means of a control unit 42. In uncoordinated operation, each linear motor 20 is driven separately and is supplied with a control signal 32 from the control unit 42. In this case, the control unit 42 ensures a phase shift of the respective drive signals 32 in accordance with the multiplicity of the modules 14-18, that is to say in accordance with the multiplicity of linear motors 20 encompassed by the piston pump 10. This should ensure a uniform distribution of the mass produced by the individual cylinders 22. currents 26 can be achieved. Even if the control unit 42 is shown as a single element in the figure, it can be a distributed control unit, namely a central control unit and in each case a local control unit associated with each linear motor 20. The central control unit outputs the respective drive signal 32 to each local control unit. Each local control unit assumes a position control, so that regardless of load and other external influences, a match of the respective position of the linear motor 20 with the respective instantaneous value of the drive signal 32 is ensured. With the output of the at least two control signals 32 to at least two linear motors 20, possibly their local control unit, the control unit 42 (or the central control unit) with the specification of the phase differences with regard to the movement cycles of the linear motors 20 encompassed by the piston pump already have a coordination for pulsation control.
In den Darstellungen in FIG 4 sind dazu eine Mehrzahl von Ansteuersignalen 32 (hier vier Ansteuersignale 32 für entsprechend vier Module 14-18 und die davon umfassten Linearmotoren 20), die sich für jedes in dieser Weise angesteuerte Modul 14-18 ergebende Massenstromverläufe 34 und schließlich ein Graph eines Verlaufs des resultierenden Gesamt- massenstroms 36, im Folgenden kurz als Gesamtmassenstromverlauf 44 bezeichnet, gezeigt. Der Gesamtmassenstromverlauf 44 ergibt sich als Summe der einzelnen Massenstromverläufe 34, was sich leicht dadurch erklärt, dass die von jedem einzelnen Modul 14-18 abgegebenen Massenströme 26 stromabwärts der einzelnen Austrittsleitungen 28 in eine ge- meinsame Leitung gelangen und von dort z.B. dem Bohrloch 12 zu dessen Spülung zugeleitet werden. Man erkennt ohne weiteres durch Vergleich der unteren Darstellung in FIG 4 und der Darstellung in FIG 2, dass sich bei Verwendung einer Mehrzahl von Modulen 14-18 neben einer Erhöhung des Gesamtmassenstroms 36 durch geeignete Koordination der Linearmotoren 20 eine Reduktion der Pulsation erreichen lässt. Dies wird weiter unten auch noch durch Zahlenwerte verdeutlicht.In the illustrations in FIG. 4, a plurality of activation signals 32 (here four activation signals 32 for correspondingly four modules 14-18 and the linear motors 20 included therein) are provided for each of the module 14-18 controlled mass flow paths 34 and finally a graph of a curve of the resulting total mass flow 36, hereinafter referred to as total mass flow curve 44, shown. The total mass flow curve 44 results as the sum of the individual mass flow curves 34, which is easily explained by the fact that the mass flows 26 emitted by each individual module 14-18 enter a common line downstream of the individual outlet lines 28 and from there, e.g. the borehole 12 are fed to the flushing. It can readily be seen by comparison of the lower illustration in FIG. 4 and the illustration in FIG. 2 that a reduction of the pulsation can be achieved by using a plurality of modules 14-18 in addition to an increase in the total mass flow 36 by suitable coordination of the linear motors 20. This will be clarified below by numerical values.
Die bisher beschriebene Koordination ist im Wesentlichen eine Steuerung der einzelnen Linearmotoren 20, auch wenn evtl. lokale Steuereinheiten eine Lageregelung im Hinblick auf eine möglichst exakte Übereinstimmung der tatsächlichen Position des jeweiligen Linearmotors 20 mit der durch das Ansteuersignal 32 vorgegebenen Sollposition durchführen. Der Vorteil einer Kolbenpumpe 10 mit hinsichtlich ihres Bewegungsablaufs koordinierten Linearmotoren 20 besteht im Grunde in der Baugröße und der erreichbaren Gewichtsreduktion, durch den Wegfall von z.B. Getriebe und dergleichen. Die Steuerung bildet im Grunde den bisherigen Antrieb einer Mehrzahl von Kolben über eine gemeinsame Antriebsachse nach und erreicht bei einer entsprechenden Vielzahl von Modulen 14-18 eine erhebliche Reduktion der Pulsation. Das Betriebsverfahren der Kolbenpumpe 10 ist aber insoweit noch verbesserungsfähig, als externe Einflüsse nicht berücksichtigt werden. Dies lässt sich z.B. erreichen, indem an einer Ausgangsseite jedes Moduls 14-18, also z.B. im Bereich der Austrittsleitung 28 mit einem nicht dargestellten, an sich bekannten Sensor ein Messwert in Bezug auf den von jedem Modul 14-18 abgegebenen Massenstrom 26 aufgenommen wird. Als Sensor kommt ein Druck- oder ein Durchflusssensor in Betracht. Eine Sensorik ist nicht dargestellt, gezeigt sind nur Eingangssignale 46 für die Steuereinheit 42, die dieser von solcher Sensorik, also z.B. einem Durchflusssensor oder auch einem z.B. dem Motorbett 30 zugeordneten Positionssensor, wenn als Position des Linearmotors 20 nicht ein Momentanwert des Ansteuersignals 32 angenommen wird, zugeleitet werden.The coordination described so far is essentially a control of the individual linear motors 20, even if possibly local control units perform a position control with respect to an exact match of the actual position of the respective linear motor 20 with the predetermined by the drive signal 32 target position. The advantage of a piston pump 10 with respect to their sequence of motion coordinated linear motors 20 is basically the size and the achievable weight reduction, by eliminating eg gear and like. The control basically simulates the previous drive of a plurality of pistons via a common drive axle and achieves a significant reduction of the pulsation with a corresponding plurality of modules 14-18. However, the method of operation of the piston pump 10 can still be improved to the extent that external influences are not taken into account. This can be achieved, for example, by recording a measured value with respect to the mass flow 26 emitted by each module 14-18 on an output side of each module 14-18, that is to say in the region of the outlet line 28 with a sensor, not shown. The sensor can be a pressure or a flow sensor. A sensor system is not shown, shown are only input signals 46 for the control unit 42, the latter of such sensors, such as a flow sensor or a example, the motor bed 30 associated position sensor when the position of the linear motor 20 is not an instantaneous value of the drive signal 32 is assumed , be forwarded.
Evtl. Variationen im abgegebenen Druck oder im ausgestoßenen Massenstrom 26 lassen sich nach dem Ansatz gemäß der Erfindung kompensie- ren, wenn die aufgenommen Messwerte einer z.B. in der Steuereinheit 42 implementierten Regelung zugeführt werden. Ein etwa auf der Ausgangsseite eines Moduls 14-18 kurzzeitig abfallender Druck, z.B. aufgrund von unerwarteten Variationen bei einem Spülungsvordruck, kann durch eine Anpassung der Phasenlage der Linearmotoren 20 in anderen Modulen 14- 18 zumindest teilweise kompensiert werden. Dies wird nachfolgend anhand der FIGen 5 und 6 weiter erläutert. Eine Koordination der Bewegungsabläufe im Hinblick z.B. auf eine Anpassung der Phasenlage ist bei bisherigen Kolbenpumpen, bei denen eine Mehrzahl von Kolben mittels einer gemeinsamen Antriebsachse angetrieben werden, systembedingt nicht möglich. In FIG 5 zeigt die obere Darstellung auf Basis einer Ansteuerung durch Ansteuersignale 32, wie in der oberen Darstellung von FIG 4 gezeigt, einen für ein Modul 14-18 reduzierten Massenstromverlauf 34 (leicht an der um die Hälfte reduzierten Amplitude zu erkennen). Der reduzierte Massenstromverlauf 34 geht z.B. auf eine zur Erzeugung des Spülungsvordrucks vorgesehenen Pumpe oder dergleichen zurück. Der sich damit ergebende Gesamtmassenstromverlauf 44 ist für eine verdoppelte Zeitbasis in der unteren Darstellung von FIG 5 gezeigt. Bei einem Vergleich mit dem Gesamtmassenstromverlauf 44, wie er sich bei "ungestörten" Mas- senstromverläufen 34 ergibt (FIG 4, untere Darstellung) erkennt man sofort die deutlich erhöhte Welligkeit die in einer unerwünschten Pulsation resultiert. Die Begriffe Welligkeit und Pulsation werden hier also synonym verwendet.Possibly. Variations in the delivered pressure or in the ejected mass flow 26 can be compensated according to the approach according to the invention if the recorded measured values are supplied to a control implemented, for example, in the control unit 42. An approximately on the output side of a module 14-18 briefly decreasing pressure, eg due to unexpected variations in a flushing form, can be at least partially compensated by adjusting the phase angle of the linear motors 20 in other modules 14-18. This will be explained below with reference to FIGS. 5 and 6. A coordination of the motion sequences with regard to, for example, an adjustment of the phase position is not possible in the case of previous piston pumps in which a plurality of pistons are driven by means of a common drive axis. In FIG. 5, the upper illustration based on a control by activation signals 32, as shown in the upper illustration of FIG. 4, shows a mass flow profile 34 reduced for a module 14-18 (easy to recognize at the amplitude reduced by half). For example, the reduced mass flow path 34 is based on a pump or the like provided for generating the flushing admission pressure. The resulting total mass flow curve 44 is shown for a doubled time base in the lower graph of FIG. In a comparison with the total mass flow curve 44, as it results in "undisturbed" mass flow curves 34 (FIG. 4, lower diagram), one immediately recognizes the significantly increased ripple which results in an undesirable pulsation. The terms ripple and pulsation are thus used synonymously.
Durch eine Koordination des Bewegungsablaufs der Linearmotoren 20 lassen sich solche Effekte zumindest teilweise kompensieren. Für eine Situation entsprechend dem der Darstellung in FIG 5 zugrunde gelegten Szenario reicht eine Anpassung der Phasenlage der Linearmotoren 20 aus, um die Welligkeit wieder deutlich zu reduzieren. FIG 6 zeigt dies mit weiteren Details. Die obere Darstellung zeigt die Massenstromverläufe 34, wie sie sich aufgrund einer durch die Steuereinheit 42 vorgenommenen Phasenkorrektur der Ansteuersignale 32 ergeben (die zur Koordination des Bewegungsablaufs vorgenommene Korrektur der Phasenlage ist da- bei so gering, dass kaum ein Unterschied zu der oberen Darstellung in FIG 5 auffällt). Die untere Darstellung zeigt den resultierenden Gesamtmassenstromverlauf 44, bei dem die Pulsation im Vergleich zu dem "gestörten" Gesamtmassenstromverlauf 44 gemäß der unteren Darstellung in FIG 5 wieder deutlich reduziert ist. Wenn man als Welligkeit oder Pulsation des Gesamtmassenstromvehaufs 44 einen Quotienten aus Maximalwert abzüglich Mittelwert einerseits und Mittelwert andererseits ansetzt, ergibt sich für den in FIG 3 dargestellten Massenstromverlauf 34 eine Welligkeit von 57%. Dieser Massenstromver- lauf 34 würde sich als Gesamtmassenstromverlauf 44 bei einer Kolbenpumpe 10 mit nur einem Modul 14-18 ergeben. Bereits bei zwei Modulen 14-18 sinkt die Welligkeit auf 11 ,3%. Bei vier Modulen 14-18 ist die Welligkeit bereits auf 2,8% reduziert (vgl. untere Darstellung in FIG 4). Kommt es zu Unregelmäßigkeiten beim Betrieb eines der Module 14-18, z.B. wie oben beschrieben, indem der Massenstromverlauf 34 eines der Module um die Hälfte zurückgeht, steigt die Pulsation des resultierenden Ge- samtmassenstromverlaufs 44 deutlich an. Für den in der unteren Darstellung von FIG 5 gezeigten Gesamtmassenstromverlauf 44 ergibt sich eine Welligkeit von 10,6%. Durch Kompensation mittels der Steuereinheit 42 lässt sich die Pulsation reduzieren, indem z.B. die Phasenlage der einzelnen Massenstromverläufe 34 angepasst wird, die einzelnen Linearmotoren 20 also im Hinblick auf eine Reduktion der Pulsation koordiniert werden. Für das angenommene Szenario reicht z.B. eine Korrektur der Phasenlage des dem eingebrochenen Massenstrom 26 vor- und nacheilenden Massenstromverlaufs 34 um +/-6,5° aus, um wieder eine Welligkeit von 3,16% zu erreichen (im Vergleich zu 2,8% bei gleichen Massenströmen 26). Anmerkung: Wenn hier und im Folgenden Zahlenwerte, teileweise mit Nachkommastellen angegeben sind, bezieht sich dies nur auf theoretisch erreichbare Werte ohne Berücksichtigung von Verlusten, Totzeiten und dergleichen.By coordinating the movement sequence of the linear motors 20, such effects can be at least partially compensated. For a situation corresponding to the scenario on which the illustration in FIG. 5 is based, it is sufficient to adapt the phase position of the linear motors 20 in order to significantly reduce the ripple again. 6 shows this with further details. The upper diagram shows the mass flow curves 34 as they result from a phase correction of the control signals 32 made by the control unit 42 (the correction of the phase position undertaken to coordinate the movement sequence is so small that hardly any difference from the upper illustration in FIG 5 is noticeable). The lower diagram shows the resulting total mass flow curve 44, in which the pulsation is again significantly reduced in comparison to the "disturbed" total mass flow profile 44 according to the lower illustration in FIG. If, as the ripple or pulsation of the total mass flow path 44, a quotient of the maximum value minus the mean value on the one hand and the mean value on the other hand is determined, a waviness of 57% results for the mass flow profile 34 shown in FIG. This mass flow curve 34 would result in the total mass flow curve 44 in the case of a piston pump 10 with only one module 14-18. Even with two modules 14-18, the ripple decreases to 11.3%. With four modules 14-18, the ripple is already reduced to 2.8% (see the lower illustration in FIG. If there are irregularities in the operation of one of the modules 14-18, for example as described above, in that the mass flow profile 34 of one of the modules decreases by half, the pulsation of the resulting overall mass flow curve 44 increases significantly. For the total mass flow curve 44 shown in the lower illustration of FIG. 5, a waviness of 10.6% results. By compensation by means of the control unit 42, the pulsation can be reduced by, for example, adjusting the phase position of the individual mass flow profiles 34, thus coordinating the individual linear motors 20 with regard to a reduction of the pulsation. For the assumed scenario, for example, a correction of the phase position of the mass flow pattern 34 leading and trailing the mass flow 26 is +/- 6.5 ° in order to again achieve a ripple of 3.16% (compared to 2.8%). at equal mass flows 26). Note: If here and in the following numerical values, partially with decimal places are indicated, this refers only to theoretically achievable values without consideration of losses, dead times and the like.
Neben der Anpassung der Phasenlage kommt als weitere Beeinflussungsmöglichkeit der einzelnen Massenstromverläufe 34 im Hinblick auf eine Pulsationskontrolle des resultierenden Gesamtmassenstroms 36 auch eine Anpassung der Geschwindigkeit, also der Frequenz der oszillie- renden Bewegung der Linearmotoren 20, in Betracht. Dies ist graphisch nicht weiter dargestellt und wird hier vor allem aus Gründen der Vollständigkeit erwähnt.In addition to the adjustment of the phase position comes as a further influencing possibility of the individual mass flow curves 34 with respect to a Pulsationskontrolle the resulting total mass flow 36 and an adjustment of the speed, ie the frequency of the oscillating ing movement of the linear motors 20, into consideration. This is not shown graphically and is mentioned here mainly for reasons of completeness.
Abschließend ist in FIG 7 die Steuereinheit 42 mit weiteren Details dargestellt. Wie bereits gezeigt (FIG 1 ) und erläutert, erzeugt die Steuereinheit 42 Ansteuersignale 32 zur Ansteuerung der einzelnen von der Kolbenpumpe (FIG 1 ) umfassten Linearmotoren 20. Dabei kann der Steuereinheit die Anzahl der Linearmotoren 20 und die Konfiguration der einzelnen Mo- dule 14-16 (ein- oder zweipulsig) fest vorgegeben sein. Anhand solcher Vorgabewerte kann die Steuereinheit 42 bereits den erforderlichen Versatz der Bewegungsabläufe der einzelnen Linearmotoren 20 bestimmen und eine entsprechende Vielzahl von Ansteuersignalen 32 mit geeigneter Phasenlage generieren. Zu diesem Zweck weist die Steuereinheit 42 eine Verarbeitungseinheit nach Art eines Mikroprozessors 48 oder dergleichen auf, der die Ansteuersignale 32 und deren Phasenlage entsprechend eines in bevorzugt in Soft- oder Firmware implementierten Algorithmus generiert bzw. bestimmt. Der Algorithmus bildet einen Teil eines in einem Speicher 50 der Steuereinheit 42 vorgehaltenen Steuerprogramm 52 und ist insofern von einer ersten Funktionseinheit 54 des Steuerprogramms 52 umfasst. Die erste Funktionseinheit 54 ermittelt z.B. anhand vorgegebener Daten zur Konfiguration der Module 14-18, z.B. ob es sich um ein- oder zweipulsige Module 14-18 handelt, sowie anhand der Anzahl der Module 14-16 die zur Pulsationskontrolle günstigste Phasenlage der Ansteuersig- nale 32. Die Anzahl der Module 14-16, also die Anzahl der Linearmotoren 20, kann sich ebenfalls anhand vorgegebener Werte ergeben. Wenn die Steuereinheit 42 die Anzahl der Linearmotoren 20 anhand der Eingangssignale 46 ermittelt (z.B. ob ein Eingangssignal 46 ansteht oder ob sich das eine Position des Linearmotors 20 kodierende Eingangssignal 46 än- dert), entfällt die Notwendigkeit einer diesbezüglichen Vorgabe und im FaI- Ie eines Ausfalls eines Moduls 14-18 kann die Phasenlage der Ansteuersignale 32 für die verbleibenden Module 14-18 sofort korrigiert werden. Wenn die von den Modulen 14-18 umfassten Linearmotoren 20 unterschiedliche Leistungen oder die Zylinder 22 unterschiedliche Volumina haben, resultiert dies in einem mit der Leistung und dem Zylindervolumen korrelierten erwarteten Massestrom 26. Solche durch Konfigurationsdaten vorgegebene oder aufgrund von Eingangssignalen 46 erkennbare Einflussfaktoren kann die erste Funktionseinheit 54 ebenfalls bei der Generierung der Ansteuersignale 32 und bei der Bestimmung von deren Phasen- läge heranziehen. So kann z.B. bei drei Modulen 14-18 mit gleicher Leistung und gleichem Zylindervolumen und einem Modul 14-18 mit reduzierter Leistung und/oder Zylindervolumen zu Ansteuersignalen 32 mit regelmäßig verteilter Phasenlage für die ersten drei Module 14-18 und einem Ansteuersignale 32 für das vierte Modul 14-18 führen, das den Li- nearmotor 20 dieses Modul 14-18 mit entsprechendem Phasenversatz dreimal so schnell laufen lässt wie den Linearmotor 20 der anderen Module 14-18. Die von diesem Modul 14-18 erzeugten Massenstrompulse liegen dann genau bei lokalen Minima des Massenstromverlaufs wie er sich für die drei ersten Module 14-18 ergibt. Insgesamt wird damit eine Reduk- tion der Pulsation erreicht. Die erste Funktionseinheit 54 berücksichtigt solche und andere Konstellationen zur Koordination der Linearmotoren 20 im Hinblick auf eine möglichst geringe Pulsation.Finally, the control unit 42 is shown in FIG 7 with further details. As already shown (FIG. 1) and explained, the control unit 42 generates control signals 32 for controlling the individual linear motors 20 included in the piston pump (FIG. 1). The control unit can determine the number of linear motors 20 and the configuration of the individual modules 14-13. 16 (single or two-pulse) to be fixed. Based on such default values, the control unit 42 can already determine the required offset of the movement sequences of the individual linear motors 20 and generate a corresponding plurality of drive signals 32 with a suitable phase position. For this purpose, the control unit 42 has a processing unit in the manner of a microprocessor 48 or the like, which generates or determines the drive signals 32 and their phase position according to an algorithm implemented in preferably in software or firmware. The algorithm forms part of a control program 52 stored in a memory 50 of the control unit 42 and is thus included in a first functional unit 54 of the control program 52. The first functional unit 54 determines based on predetermined data for the configuration of the modules 14-18, for example, whether it is one- or two-pulse modules 14-18, and based on the number of modules 14-16 the most favorable for Pulsationskontrolle phase position of Ansteuersig- signals 32. The number of modules 14-16, that is, the number of linear motors 20, can also be based on predetermined values. If the control unit 42 determines the number of linear motors 20 on the basis of the input signals 46 (for example, if an input signal 46 is present or if the input signal 46 coding a position of the linear motor 20 changes), the need for a corresponding specification and in the case of In the event of a failure of a module 14-18, the phase angle of the drive signals 32 for the remaining modules 14-18 can be corrected immediately. If the linear motors 20 comprised by the modules 14-18 have different powers or the cylinders 22 have different volumes, this results in an expected mass flow 26 correlated with the power and the cylinder volume. Such influencing factors predetermined by configuration data or recognizable on the basis of input signals 46 can be the first Function unit 54 also in the generation of the drive signals 32 and in the determination of their phase Läge draw. For example, in three modules 14-18 with the same power and cylinder volume and a module 14-18 with reduced power and / or cylinder volume to control signals 32 with regularly distributed phase position for the first three modules 14-18 and a drive signals 32 for the fourth Module 14-18, which allows the linear motor 20 of this module 14-18 with corresponding phase offset to run three times as fast as the linear motor 20 of the other modules 14-18. The mass flow pulses generated by this module 14-18 are then exactly at local minima of the mass flow curve as it results for the first three modules 14-18. Overall, this achieves a reduction of the pulsation. The first functional unit 54 takes into account such and other constellations for the coordination of the linear motors 20 with regard to the lowest possible pulsation.
Wenn sich im Betrieb der Kolbenpumpe 10 einzelne Betriebsparameter ändern, z.B. wie im Zusammenhang mit FIG 5 und FIG 6 beschrieben bei einem Modul 14-18 der Massenstrom 26 zurückgeht, übernimmt eine zweite Funktionseinheit 56 des Steuerprogramms 52 eine darauf abgestellte Koordination der von der Kolbenpumpe umfassten Module 14-18, also der wiederum davon umfassten Linearmotoren 20. Der zur Erläute- rung exemplarisch zugrunde gelegte Rückgang eines von einem der Mo- dule 14-18 erzeugten Massenstroms 26 ist anhand der der Steuereinheit 42 als Zustandswerte der Kolbenpumpe 10 zugeführten Eingangssignale 46 erkennbar. Die Koordination der Module 14-18 erfolgt also anhand von Ausgangsgrößen der Module 14-18 so dass dies bereits rechtfertigt, die zweite Funktionseinheit 56 als Regelung zu bezeichnen. Ein möglicherIf, during operation of the piston pump 10, individual operating parameters change, for example as described in connection with FIG. 5 and FIG. 6 for a module 14-18, the mass flow 26 returns, a second functional unit 56 of the control program 52 assumes a coordination of the piston pump Modules 14-18, that is to say the linear motors 20 included in it. The decrease, which is used as an example for explanation, of one of Dule 14-18 generated mass flow 26 can be seen on the basis of the control unit 42 as state of the piston pump 10 supplied input signals 46. The coordination of the modules 14-18 thus takes place on the basis of output variables of the modules 14-18, so that this justifies the designation of the second functional unit 56. A possible
Regelungsalgorithmus wie er von der zweiten Funktionseinheit 56 umfasst sein kann, kann stark vereinfacht wie folgt beschrieben werden: In einen Gesamtmassenstromverlauf wird die Phasenlage eines Minimums bestimmt (vgl. untere Darstellung in FIG 5 und dort erkennbare Minima); für den Gesamtmassenstromverlauf wird dessen Pulsation bestimmt; die hinsichtlich ihrer Phasenlage dem Minimum nächstliegenden Ansteuersignale 32 werden in ihrer Phasenlage in vorgegebenen oder vorgebbaren Schritten in Richtung auf das Minimum verschoben; es wird zum Schritt zur Bestimmung der Pulsation verzweigt, wenn die Pulsation durch die Verschie- bung der Phasenlage abnimmt, wird die Verschiebung in der bisherigen Richtung oder mit einer reduzierten Schrittweite in entgegengesetzter Richtung fortgesetzt, bis eine minimale Pulsation erreicht ist. Die soeben beschriebene Koordination basiert auf einem Ansatz, der als heuristisches Suchverfahren bezeichnet werden kann. Mit einer vollständigen Beschrei- bung des durch die jeweilige Kolbenpumpe 10 gebildeten Systems undControl algorithm as it may be encompassed by the second functional unit 56 can be described in a highly simplified manner as follows: The phase position of a minimum is determined in a total mass flow profile (see lower illustration in FIG. for the total mass flow rate whose pulsation is determined; the control signals 32, which are closest to the minimum in terms of their phase position, are shifted in their phase position in predefined or specifiable steps toward the minimum; a branch is made to the step for determining the pulsation; if the pulsation decreases as a result of the shifting of the phase position, the displacement in the previous direction or with a reduced step size in the opposite direction is continued until a minimum pulsation has been reached. The coordination just described is based on an approach that can be called heuristic search. With a complete description of the system formed by the respective piston pump 10 and
Anwendung regelungstheoretischer Ansätze ist auch eine analytische Koordination der Linearmotoren 20 möglich. Die zweite Funktionseinheit 56 ist insoweit auch zur Durchführung komplexerer Anpassungen als hier beschrieben vorgesehen und umfasst dann dafür bestimmte Algorithmen.Application of control theory approaches, an analytical coordination of the linear motors 20 is possible. To this extent, the second functional unit 56 is also provided for carrying out more complex adaptations than described here and then comprises specific algorithms for this purpose.
Schließlich umfasst die Steuereinheit eine dritte Funktionseinheit 58, mit der eine der durch die erste und/oder zweite Funktionseinheit 54, 56 implementierte Steuerung oder Regelung über- oder unterlagerte Regelung im Hinblick auf den von der Kolbenpumpe 10 abzugebenden Druck oder Gesamtmassenstrom 36 realisiert ist. Eine solche Regelung verarbeitet einen vorgegebenen oder vorgebbaren Druck- oder Massenstromsollwert und z.B. als Massenstromistwert eine Summe der die einzelnen Massenströme 26 kodierenden Eingangssignale 46. Als Regelungsstruktur kommt eine P-, PI, PID-Regelung oder dergleichen in Betracht.Finally, the control unit comprises a third functional unit 58 with which one of the control systems or control systems implemented by the first and / or second functional unit 54, 56 is realized with respect to the pressure or total mass flow 36 to be delivered by the piston pump 10. Such a scheme is processed a predetermined or predefinable pressure or mass flow setpoint and, for example, as the mass flow actual value, a sum of the input signals 46 which code the individual mass flows 26. A P, PI, PID control or the like can be considered as the control structure.
Bei geeigneter Kontrolle der Pulsation kann bei dem MWD sogar auf externe Pulsgeber verzichtet werde, da kontrollierte Testpulse für das MWD mittels des beschriebenen und im Folgenden weiter ausgeführten Verfahrens generierbar sind. Hierdurch wird nicht nur das MWD vorteilhaft ver- einfacht sondern es werden auch Kosten, z. B. für die externen Pulsgeber, reduziert.With suitable control of the pulsation, even external pulse generators can be dispensed with in the MWD, since controlled test pulses for the MWD can be generated by means of the method described and further explained below. As a result, not only is the MWD advantageously simplified, but there are also costs, eg. B. for the external pulser, reduced.
Die Funktionseinheiten 54, 56, 58 werden in dem Steuerungsprogramm 52 zyklisch zu vorgegebenen Zeitpunkte aufgerufen, so dass eine quasi- parallele Abarbeitung erfolgt und zeitnah, also in Echtzeit oder quasi in Echtzeit, auf evtl. Veränderungen des Betriebs der Kolbenpumpe 10 regiert wird. Die oder einzelne Funktionseinheiten 54, 56, 58, sowie das diese umfassende Steuerungsprogramm 52 sind Beispiele für Mittel zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausge- staltungen. Weitere Mittel sind in den Zeichnungen nicht dargestellteThe functional units 54, 56, 58 are cyclically called in the control program 52 at predetermined times, so that a quasi-parallel processing takes place and is promptly, ie in real time or virtually in real time, governed by any changes in the operation of the piston pump 10. The or individual functional units 54, 56, 58, as well as the control program 52 comprising them, are examples of means for implementing the method according to the invention and its embodiments. Other means are not shown in the drawings
Sensoren oder Aktoren, z.B. das jeweilige Ansteuersignal 32 verarbeitende, einem Linearmotor 20 vorgeschaltete Antriebe.Sensors or actuators, e.g. the respective drive signal 32 processing, a linear motor 20 upstream drives.
Somit lässt sich die Erfindung wie folgt darstellen: Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer mehrpulsigen Kolbenpumpe 10, insbesondere Spülpumpe zum Einsatz beim Spülen von Tiefbohrlöchern 12, mit zumindest zwei in jeweils einem Zylinder 22 geführten Kolben 24 und einem auf die Kolben 24 wirkenden Antrieb zur Förderung eines flüssigen Mediums, sowie eine nach dem Verfahren betreibbare oder arbeitende Kolbenpumpe 10 angegeben, bei dem bzw. bei der zumindest zwei Linearmotore 20 als Antrieb fungieren und jeder Linearmotor 20 auf zumindest einen Kolben 24 wirkt und die Linearmotore 20 zur Pulsationskontrolle mittels einer Steuereinheit 42 koordiniert werden. Thus, the invention can be represented as follows: A method is described for operating a multi-pulse piston pump 10, in particular a flushing pump for use in flushing deep wells 12, with at least two pistons 24 guided in each case in a cylinder 22 and a drive acting on the pistons 24 Promotion of a liquid medium, as well as an operable or operating according to the method piston pump 10 indicated in which or at least two linear motors 20 as Actuate drive and each linear motor 20 acts on at least one piston 24 and the linear motors 20 are coordinated for pulsation control by means of a control unit 42.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Kolbenpumpe10 piston pump
12 Bohrloch12 borehole
14 Modul14 module
16 Modul16 module
18 Modul18 module
20 Linearmotor20 linear motor
22 Zylinder22 cylinders
24 Kolben24 pistons
26 Massenstrom26 mass flow
28 Austrittsleitung28 discharge line
30 Motorbett30 engine bed
32 Ansteuersignal32 drive signal
34 Massenstromverlauf34 Mass flow profile
36 Gesamtmassenstrom36 total mass flow
38 Pumpe38 pump
40 Wärmetauscher40 heat exchangers
42 Steuereinheit42 control unit
44 Gesamtmassenstromverlauf44 Total mass flow
46 Eingangssignal46 input signal
48 Mikroprozessor48 microprocessor
50 Speicher50 memory
52 Steuerungsprogramm52 control program
54 erste Funktionseinheit54 first functional unit
56 zweite Funktionseinheit56 second functional unit
58 dritte Funktionseinheit 58 third functional unit

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betrieb einer mehrpulsigen Kolbenpumpe (10), insbesondere Spülpumpe zum Einsatz beim Spülen von Tiefbohrlöchern (12), mit zumindest zwei in jeweils einem Zylinder (22) geführten Kolben (24) und einem auf die Kolben (24) wirkenden Antrieb zur Förderung eines flüssigen Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Linearmotore (20) als Antrieb fungieren und jeder Linearmotor (20) auf zumindest einen Kolben (24) wirkt und dass die Linearmotore (20) zur Pulsationskontrolle mittels einer Steuereinheit (42) koordiniert werden.1. A method for operating a multi-pulse piston pump (10), in particular rinsing pump for use in flushing deep wells (12), with at least two in each case a cylinder (22) guided piston (24) and one on the piston (24) acting drive for Promotion of a liquid medium, characterized in that at least two linear motors (20) act as a drive and each linear motor (20) acts on at least one piston (24) and that the linear motors (20) for pulsation control by means of a control unit (42) are coordinated.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei mittels der Koordination der Linearmotore (20) eine auf eine relative Position der Linearmotoren (20) zueinander bezogene Phasenlage zur Pulsationskontrolle beeinflusst wird.2. The method of claim 1, wherein by means of the coordination of the linear motors (20) to a relative position of the linear motors (20) relative to each other related phase position for Pulsationskontrolle is affected.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Steuereinheit (42) zur Koordination der Linearmotoren (20) eine auf die Vielzahl der Linearmotore (20) abgestellte Anzahl von Eingangssignalen (46) zugeführt wird, die im Betrieb jeweils eine Information hinsichtlich der Position des jeweiligen Linearmotors (20) kodieren.3. The method of claim 2, wherein the control unit (42) for coordinating the linear motors (20) to the plurality of linear motors (20) parked number of input signals (46) is supplied, which in operation in each case an information regarding the position of the respective Code linear motor (20).
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei eine mit einer Bewegung eines Linearmotors (20) einhergehende Bewegung des mindestens einen zugeordneten Kolbens (24) einen messbaren Druck oder Massenstrom (32) in einer dem Zylinder (22) in Förderrichtung des Mediums nachgeordneten Leitung (28) hervorruft und wobei mittels der Koordination der Linearmotore (20) eine Phasenlage der Massenströme (32) beeinflusst wird.4. Method according to claim 1, wherein a movement of the at least one associated piston (24) associated with a movement of a linear motor (20) has a measurable pressure or mass flow (32) in a line (28) downstream of the cylinder (22) in the conveying direction of the medium ) and wherein by means of the coordination of the linear motors (20) a phase position of the mass flows (32) is influenced.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Steuereinheit (42) zur Koordination der Linearmotore (20) eine der Vielzahl der Linearmotore (20) entsprechende Anzahl von Signalen zugeführt wird, die im Betrieb jeweils eine Information hinsichtlich des vom jeweiligen Linearmotor (20) hervorgerufenen Massenstroms (32) kodieren.5. The method of claim 4, wherein the control unit (42) for coordinating the linear motors (20) one of the plurality of linear motors (20) corresponding number of Signals are supplied, which in each case encode information with respect to the respective linear motor (20) caused mass flow (32).
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Restpulsation im Wesentlichen 10% oder weniger, insbesondere im Wesentlichen 0,8% bis 3%, beträgt.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein a residual pulsation is substantially 10% or less, in particular substantially 0.8% to 3%.
7. Mehrpulsige Kolbenpumpe (10), insbesondere Spülpumpe zum Einsatz beim Spülen von Tiefbohrlöchern, mit zumindest zwei in jeweils einem Zylinder (22) geführten Kolben (24) und einem auf die Kolben (24) wirkenden Antrieb zur Förderung eines flüssigen Mediums, gekennzeichnet durch zumindest zwei, als Antrieb fungierende Linearmotore (20), wobei jeder Linearmotor (20) auf zumindest einen Kolben (24) wirkt und eine Steuereinheit (42) zur Koordination der Linearmotore (20) zur Pulsationskontrolle.7. Multi-pulse piston pump (10), in particular rinsing pump for use in flushing deep wells, with at least two in each case a cylinder (22) guided piston (24) and on the piston (24) acting drive for conveying a liquid medium, characterized by at least two linear motors (20) acting as a drive, each linear motor (20) acting on at least one piston (24) and a control unit (42) for coordinating the linear motors (20) for pulsation control.
8. Mehrpulsige Kolbenpumpe nach Anspruch 7, mit Mitteln zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.8. A multi-pulse piston pump according to claim 7, comprising means for carrying out the method according to one of claims 1 to 6.
9. Mehrpulsige Kolbenpumpe nach Anspruch 7 oder 8, bei der jeder Linearmotor (20) und der oder jeder davon angetriebene Kolben (24) ein Modul (14-16) bildet und jedes Modul (14-16) zumindest einen Signalausgang umfasst, von dem aus der Steuereinheit (42) ein Eingangssignal (46) ist, das einen Zustandswert kodiert, nämlich einen auf die Position des jeweiligen Linearmotors (20) oder auf den von dem Linearmotor (20) hervorgerufenen Druck oder Massestrom (26) bezogenen Zustandswert.9. A multi-pulse piston pump according to claim 7 or 8, wherein each linear motor (20) and the or each driven piston (24) forms a module (14-16) and each module (14-16) comprises at least one signal output, of which from the control unit (42) is an input signal (46) which codes a state value, namely a state value related to the position of the respective linear motor (20) or to the pressure or mass flow (26) produced by the linear motor (20).
10. Mehrpulsige Kolbenpumpe nach Anspruch 9, wobei eine Sollphasenlage anhand der Anzahl der im Betrieb übermittelten Zustandswerte ermittelbar ist. 10. Multi-pulse piston pump according to claim 9, wherein a desired phase position can be determined on the basis of the number of state values transmitted during operation.
11. Mehrpulsige Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, mit einem an zumindest einen Zylinder (22) gekoppelten Wärmetauscher (40).11. Multi-pulse piston pump according to one of claims 7 to 10, with a at least one cylinder (22) coupled to the heat exchanger (40).
12. Mehrpulsige Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , mit einer der Koordination der Linearmotore (20) unter- oder überlagerten Regelung eines abzugebenden Drucks und/oder Gesamtmassenstroms (36).12. Multi-pulse piston pump according to one of claims 7 to 11, with a coordination of the linear motors (20) under or superimposed control of a dispensed pressure and / or total mass flow (36).
13. Verfahren zur Herstellung einer mehrpulsigen Kolbenpumpe (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei zumindest zwei Linearmotore (20) mit jeweils zumindest einem Kolben (24) gekoppelt werden und eine Steuereinheit (42) zur Koordination der zumindest zwei Linearmotore (20) mit den Linearmotoren (20) datentechnisch verbunden wird. 13. A method for producing a multi-pulse piston pump (10) according to one of claims 7 to 12, wherein at least two linear motors (20) are each coupled to at least one piston (24) and a control unit (42) for coordinating the at least two linear motors (20 ) is data-technically connected to the linear motors (20).
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