CN114810685A - 带有过滤系统的液压能量传递系统 - Google Patents

Abstract

一种系统，包括液压能量传递系统，该液压能量传递系统构造成在第一流体与第二流体之间交换压力，其中，第一流体的压力高于第二流体的压力。该系统还包括润滑系统，该润滑系统联接至液压能量传递系统并且构造成将润滑流体泵送或引导至液压能量传递系统中。

Description

带有过滤系统的液压能量传递系统

本申请是申请日为2018年5月21日、申请号为201880049461.4(国际申请号为PCT/US2018/033595)、发明创造名称为“带有过滤系统的液压能量传递系统”的专利申请的分案申请。

背景技术

这部分意在为读者介绍可能与以下所描述和/或限定的本发明的各方面相关的技术的各方面。相信此讨论有助于为读者提供背景信息以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应理解，这些陈述应以此而非作为对现有技术的认可来阅读。

本文中公开的主题涉及流体处理设备，尤其涉及用于涉及多种流体的应用的流体处理设备。这些流体中的一些可能包含固体(例如，颗粒、粉末、碎屑、微粒)和/或污染物(例如，增黏剂、化学添加剂或轴承润滑所不期望的任何流体)，这些固体和/或污染物可能会干扰流体处理设备的运行。流体处理设备可用于各种应用中。例如，流体处理设备可用于液压压裂、钻井应用(循环钻井流体和/或泥浆)或类似过程中。特别地，油气工业中的完井作业通常涉及液压压裂(fracturing，英文也普遍称作“fracking”或“fracing”)，以增加岩层中的油气释放。液压压裂涉及将包含水、化学物质和支撑剂(例如，砂、陶瓷)的组合物的流体以高压泵送入井中。流体的高压增加了通过岩层的裂纹尺寸和扩展，以释放油气，同时支撑剂阻止一旦流体降压裂纹就闭合。

压裂操作使用各种旋转设备、例如液压能量传递系统来处理各种流体，这些流体可能包括固体(例如，颗粒、粉末、碎屑、微粒)和/或污染物(例如，增黏剂、化学添加剂或轴承润滑所不期望的任何流体)。在特定情形中，固体可阻止旋转设备的旋转部件旋转。因此，可能要将旋转设备停止使用，以允许移除固体和/或允许旋转部件旋转。在一些情况下，润滑系统可促进液压能量传递系统内旋转部件的旋转。但是，润滑系统中使用的流体可能包括附加固体或污染物，比如颗粒、粉末、碎屑等，并且这些固体或污染物可能会对旋转部件的性能具有负面影响(例如，降低的性能/效率、部件磨损等)。

发明内容

在一个实施例中，系统包括构造成在第一流体与第二流体之间交换压力的液压能量传递系统，其中，第一流体的压力高于第二流体的压力。该系统还包括润滑系统，该润滑系统联接至液压能量传递系统并且构造成将润滑流体泵送或引导至液压能量传递系统中。

在另一实施例中，系统包括构造成在第一流体与第二流体之间交换压力的液压能传递系统，其中，第一流体的压力高于第二流体的压力。该系统包括润滑系统，该润滑系统联接至液压能量传递系统并且构造成将润滑流体泵送或引导至液压能量传递系统中。该系统包括过滤系统，该过滤系统联接至液压能量传递系统并且构造成在润滑流体进入液压能量传递系统之前过滤润滑流体。该系统包括沿着系统的流体流动路径设置的一个或多个阀和一个或多个泵。该系统还包括控制器，该控制器被编程为控制系统的一个或多个阀和/或一个或多个泵，以基于系统的工况选择性地将润滑流体引导到液压能量传递系统中。

在另一实施例中，系统包括构造成在第一流体与第二流体之间交换压力的液压能传递系统，其中，第一流体的压力高于第二流体的压力。该系统包括润滑系统，该润滑系统联接至液压能量传递系统并且润滑系统包括专用泵以将润滑流体引导到液压能量传递系统中。该系统包括过滤系统，该过滤系统联接至液压能量传递系统并且构造成在润滑流体进入液压能量传递系统之前过滤润滑流体，其中，润滑流体包括第一流体的一部分或来自液压能量传递系统外部的流体供应源的流体。该系统还包括控制器，该控制器被编程为控制沿系统的流体流动路径设置的一个或多个阀和/或一个或多个泵，以基于系统的工况选择性地将润滑流体引导到液压能量传递系统中。

附图说明

当参考附图阅读以下的详细描述时，会更好地理解本发明的各种特征、方面和优点，各附图中相同字符代表相同的部分，其中：

图1是带有液压能量传递系统的压裂系统的实施例的示意图；

图2是示出为旋转等压压力交换器(IPX)系统的图1所示液压能量传递系统的实施例的立体分解图；

图3是图2所示IPX系统的实施例的原理图，其示出了过滤系统；

图4是图2所示IPX系统的实施例的原理图，其示出了带有多个过滤器的集成过滤系统的实施例；

图5是图4所示集成过滤系统的实施例的原理图，其示出了沉淀过滤系统；

图6是图3所示过滤系统的实施例的原理图，其示出了离心分离过滤系统；

图7是图2所示IPX系统的实施例的原理图，其示出了设置在转子内的过滤系统；

图8是图2所示IPX系统的实施例的框图，其联接至具有专用润滑流体供应源的润滑系统；

图9是图2所示IPX系统的实施例的框图，其联接至具有专用泵以引导润滑流体的润滑部；

图10是操作地联接到润滑系统的控制器的实施例的框图；

图11是润滑流体的局部回路图，其示出了润滑流体的路径；以及

图12是联接至润滑系统的图2所示IPX系统的实施例的原理图。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。所描述的这些实施例仅为本发明的示例。此外，在提供这些示例性实施例的精确描述的努力中，可能不在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应理解，就像任何工程或设计项目那样，在任何这样的实际实施方式的开发中，必须制定大量的具体实施决策，以达到开发者的具体目标，比如符合在不同实施中可能有变化的、相关系统和相关商业的限制。此外，应理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但对于能从本发明中受益的本领域技术人员却是设计、制作和加工的常规任务。

如上所述，清洁润滑流体对于旋转设备的运行而言可能是重要的，旋转设备比如是液压能量传递系统(例如，旋转压力交换器)内的旋转部件。润滑流体或润滑油中的少量微粒或污染物可能会影响设备性能，从而导致旋转部件停转，导致旋转部件磨损或磨蚀，或者以其他方式对性能产生不利影响。考虑到这一点，本发明的实施例涉及用于为润滑油流和流体轴承和密封件提供清洁/合适的流体的系统和方法。可使用专用的外部泵来提供润滑油流，并且与整个流体流相比，过滤系统可仅过滤或清洁进入旋转设备的总流体流中的一小部分。这样，与过滤整个流体流相比，本发明的实施例可提供诸如节省成本、更容易维护以及节省能量之类的优点。

如下文中详细论述的，本文中公开的实施例总地涉及流体处理设备，该流体处理设备可用于许多应用中以处理各种流体，这些流体可能包括固体(例如，颗粒、粉末、碎屑、微粒)和/或污染物(例如，增黏剂、化学添加剂或轴承润滑所不期望的任何流体)。例如，流体处理设备可用于压裂应用中，比如用于液压压裂系统中。各种液压压裂系统和操作使用各种旋转设备、比如液压能量传递系统来处理各种流体。如上所述，润滑系统可促进液压能量传递系统内旋转部件的旋转。然而，在一些情况中，润滑系统内所使用的流体可包括诸如颗粒、粉末、碎屑等等之类的附加固体。因此，所公开的实施例涉及过滤可用于液压能量传递系统的润滑系统内的润滑流体。

压裂系统(或液压压裂系统)包括液压能量传递系统，液压能量传递系统在第一流体与第二流体之间传递功和/或压力，第一流体和第二流体比如是压力交换流体(例如，基本不含支撑剂的流体)和液压压裂流体(例如，载有支撑剂的压裂流体)。由于液压能量传递系统在阻碍或限制了压裂流体与各种液压压裂设备(例如，高压泵)之间的接触的同时与另一流体交换功和/或压力，故而液压能量传递系统还可被描述为液压保护系统、液压缓冲系统或液压隔离系统。液压能量传递系统可包括液压涡轮增压器或液压压力交换系统，比如旋转等压压力交换器(IPX)。

在特定实施例中，IPX可包括一个或多个腔室(例如，1至100个)，以便于第一流体与第二流体(例如，气体、液体或多相流体)的体积之间的压力传递和压力均衡。例如，这些流体(例如，压裂流体)中的一个可为多相流体，该多相流体可包括气体/液体流、气体/固体微粒流、液体/固体微粒流、气体/液体/固体颗粒流或任何其他多相流。在某些实施例中，第一流体和第二流体的容积的压力可能不完全均衡。因而，在某些实施例中，IPX可能等压地运行，或IPX可能基本等压地运行(例如，其中，各压力在彼此的约百分之+/-1、2、3、4、5、6、7、8、9或10之内均衡)。在某些实施例中，第一流体(例如，压力交换流体)的第一压力可能大于第二流体(例如，压裂流体)的第二压力。例如，第一压力可为约5,000kPa至25,000kPa之间、20,000kPa至50,000kPa之间、40,000kPa至75,000kPa之间、75,000kPa至100,000kPa之间或大于第二压力。因而，IPX可用于将压力从高压下的第一流体(例如，压力交换流体)传递至低压下的第二流体(例如，压裂流体)。在某些实施例中，IPX可在第一流体(例如，压力交换流体，比如不含支撑剂或基本不含支撑剂的第一流体)与可能为高黏性和/或包含支撑剂的第二流体(例如，包含砂、固体颗粒、粉末、碎屑、陶瓷的压裂流体)之间传递压力。在运行中，液压能量传递系统有助于阻碍或限制包含第二支撑剂的流体与各种压裂设备(例如，高压泵)之间在压裂运行期间的接触。通过阻碍或限制各种压裂设备与包含支撑剂的第二流体之间的接触，液压能量传递系统在增加了寿命/性能的同时减少了各种压裂设备(例如，高压泵)的磨蚀和磨损。此外，液压能量传递系统可使得在压裂系统中能够使用较廉价的设备，通过使用并非为磨蚀性流体(例如，压裂流体和/或腐蚀性流体)所设计的设备(例如，高压泵)。

考虑到前述内容，图1是带有液压能量传递系统的压裂设备或压裂系统10的实施例的示意图。应指出的是，本文中论述的液压能量传递系统也可用于任何合适的应用中以处理各种流体，并且本文中以示例的方式论述了压裂应用中液压能量传递系统的使用。在运行中，压裂系统10使得完井作业能够增加岩层中油气的释放。特别地，压裂系统10将包含水、化学物质和支撑剂(例如，砂、陶瓷)的组合物的压裂流体以高压泵送入井中。压裂流体的高压增加了通过岩层的裂纹尺寸和裂纹扩展，从而释放更多油气，同时支撑剂阻止一旦压裂流体减压裂纹就闭合。如所示的，压裂系统10包括联接至液压能量传递系统16(例如，液压涡轮增压器或IPX)的高压泵12和低压泵14。在运行中，液压能量传递系统16在由高压泵12泵送的第一流体18(例如，不含支撑剂的流体)与由低压泵14泵送的第二流体20(例如，包含支撑剂的流体或压裂流体)之间传递压力。以这种方式，液压能量传递系统16阻止或限制了高压泵12的磨损，同时使压裂系统10能够将高压压裂流体22泵送到诸如井之类的下游应用24中，并将低压压裂流体23(例如，不含支撑剂的流体或压裂流体)泵出液压能量传递系统16。

在一种实施例中，液压能量传递系统16可包括液压涡轮增压器26，第一流体18(例如，高压不含支撑剂的流体)进入液压涡轮增压器26的第一侧，第二流体20(例如，低压压裂流体)可在第二侧进入液压涡轮增压器26。在运行中，第一流体18的流驱动联接至轴的第一涡轮。随着第一涡轮旋转，轴将动力传递到第二涡轮，该第二涡轮增加第二流体20的压力，从而在压裂操作期间驱动第二流体20离开液压涡轮增压器26并向下流至下游应用24(例如，井)。在一种实施例中，液压能量传递系统16可包括等压压力交换器(IPX)28，第一流体18(例如，高压不含支撑剂的流体)进入液压能量传递系统的第一侧，在该处，第一流体接触在第二侧进入IPX28的第二流体20(例如，低压压裂流体)。各流体之间的接触使得第一流体18能够增加第二流体20的压力，从而驱动第二流体离开IPX 28并向下流至下游应用24(例如，井)用于压裂操作。类似地，第一流体18离开IPX 28，但在与第二流体20交换压力后以低压离开。

如本文中使用的，IPX 28可被总体限定为这样一种装置，该装置在高压入口流与低压入口流之间以大于约50％、60％、70％或80％的效率传递流体压力而无需采用离心技术。在本文中，高压是指大于低压的压力。IPX 28的低压入口流可被加压并以高压(例如，以大于低压入口流压力的压力)离开IPX 28，且高压入口流可被减压并以低压(例如，以小于高压入口流压力的压力)离开IPX 28。此外，IPX 28可在各流体之间存在或不存在流体分离件的情况下，通过高压流体直接施加力来加压低压流体而运行。可用于IPX 28的流体分离件的示例包括但不限于活塞、囊体、隔膜等。在特定实施例中，IPX 28可包括一个或多个旋转装置(例如，旋转IPX)，比如由加利福尼亚州圣莱安德罗的能量回收股份有限公司制造的那些。如以下相对于图2详细描述的，旋转IPX由于在装置内部经由转子相对于端盖的相对运动实现有效的阀动作而可不具有任何单独的阀。旋转IPX可能设计成借助内部活塞运行，以隔离各流体并传递压力，而相对地几乎不混合各入口流体流。在特定实施例中，IPX 28可包括一个或多个往复运动旋转IPX，每个往复运动旋转IPX可包括在气缸中来回运动的活塞，以便在各流体流之间传递压力。一个或多个IPX 28可用于所公开的实施例中，比如但不限于，旋转IPX、往复运动IPX或其任何组合。此外，IPX 28可设置在与流体处理系统(例如，压裂设备或压裂系统10)的其他部件分离的滑车(skid)上，这在IPX 28被附加至现有流体处理系统的情况下是所期望的。

图2是IPX 28(例如，旋转IPX)的实施例的分解图。在所示的实施例中，IPX 28可包括大致圆柱形本体部40，该本体部40包括壳体42和转子44。IPX 28还可包括两个端结构46和48，端结构46和48分别包括歧管50和52。歧管50包括入口端口54和出口端口56，歧管52包括入口端口60和出口端口58。例如，入口端口54可接收高压第一流体，出口端口56可用于引导低压第一流体远离IPX 28。类似地，入口端口60可接收低压第二流体，出口端口58可用于引导高压第二流体远离IPX 28。端结构46和48分别包括大致平坦的端板62和64，端板62和64分别设置在歧管50和52内且适于与转子44流体密封地接触。转子44可为圆柱形的且设置在壳体42内，并布置成围绕转子44的纵轴线66旋转。转子44可具有基本纵向地延伸通过转子44的多个通路68，通路68在各端具有围绕纵轴线66对称布置的开口70和72。转子44的开口70和72布置成用于与端板62和64以及入口孔74和78和出口孔76和80液压连通，使得在旋转期间，开口70和72交替地将高压流体和低压流体液压地暴露至相应的歧管50和52。歧管50和52的入口端口54、60和出口端口56、58在一个端元件46或48中形成至少一对高压流体端口，并在相对的端元件46或48中形成至少一对低压流体端口。端板62和64、入口孔74和78以及出口孔76和80设计有呈圆弧或圆形部段形式的垂向流动截面。

关于IPX 28，工厂操作者具有对第一流体18与第二流体20之间的混合程度的控制，该控制可用于改善流体处理系统(例如，压裂设备或压裂系统10)的可操作性。例如，对进入IPX 28的第一流体18和第二流体20的比例加以改变就可允许工厂操作者控制混合在流体处理系统中的流体量。可能影响混合的IPX 28三个特征是：(1)转子通路68的纵横比、(2)第一流体18与第二流体20之间暴露的短持续时间、以及(3)转子通路68中第一流体与第二流体之间的流体屏障(例如，交界面)的产生。第一，转子通路68是大致长且窄的，这稳定了IPX 28内的流动。此外，第一流体18和第二流体20能以塞状流态(plug flow)运动通过通道68而几乎没有轴向混合。第二，在特定实施例中，在约1200转每分(RPM)的转子速度下，第一流体18与第二流体20之间的接触时间可小于约0.15秒、0.10秒或0.05秒，这又限制了流18和30的混合。第三，转子通路68的一小部分用于第一流体18与第二流体20之间压力的交换。因而，一定容积的流体保持在通路68中作为第一流体18与第二流体20之间的屏障。所有这些机制可限制IPX 28内的混合。

此外，由于IPX 28构造为暴露至第一流体18和第二流体20，故而IPX28的特定部件可由与第一流体18和第二流体20的成分兼容的材料制成。此外，IPX 28的特定部件可构造为与流体处理系统(例如，压裂设备或压裂系统10)的其他部件物理兼容。例如，端口54、56、58和60可包括带凸缘的连接件，以兼容存在于流体处理系统的管系中的其他带凸缘的连接件。在其他实施例中，端口54、56、58和60可包括螺纹连接件或其他类型的连接件。

图3是联接至过滤系统90的图2所示IPX 28(例如，旋转IPX)的实施例的原理图。在所示的实施例中，IPX 28相对于轴向轴线92、径向轴线94和周向轴线96定向。在运行中，IPX28使用转子100(例如，图2所示转子44)将压力从由高压泵12泵送的第一流体18传递到由低压泵14泵送的第二流体20。第一流体18和/或第二流体20可能是高黏度或载有微粒的流体。随着时间的流逝，这些流体18和20可能减缓或阻挡转子100的旋转，甚至可能阻挡IPX 28的起动，并且会留下来自在先运行的流体。由此，IPX 28包括润滑系统98，该润滑系统98可在IPX 28的运行之前、期间和/或之后泵送(例如，经由泵，比如是高压泵12，或如将在图8－10中论述的专用泵)或引导润滑流体通过IPX 28，以便在运行期间润滑IPX 28的旋转部件。

在特定实施例中，润滑系统98流体联接至过滤系统90，该过滤系统90在将润滑流体供应至IPX 28之前滤出悬浮在润滑流体内的微粒。在特定实施例中，过滤系统90接收来自高压泵12的一小部分高压流体18，比如是少量的高压不含支撑剂的流体(例如，水)。由此，过滤系统90可过滤作为润滑流体流入IPX 28中的一小部分高压流体(例如，第一流体18)。

如可理解的那样，由箭头91所指示的清洁润滑流体可经由与总的高压流体(例如，第一流体18)流分离的润滑流动通道被引导到IPX 28中。分离的润滑通道可在IPX壳体102(例如，壳体42)的外部，或者可与IPX壳体102集成，如图4－7所示实施例所示出的那样。分离的通道允许过滤系统90独立于或同时于IPX 28的稳态运行而运行。例如，润滑系统98可在IPX 28的稳态运行之前和/或期间向IPX 28提供清洁润滑流体。

在特定实施例中，IPX 28包括联接到处理器106和存储器108的控制器104，存储器108存储可由处理器106执行以控制过滤系统90和/或润滑系统98的指令。例如，控制器104可控制过滤系统90和/或润滑系统98的一个或多个阀(例如，打开和关闭阀的电子致动器)、过滤器、流速等。此外，控制器104可与在整个液压能量传递系统16中设置的一个或多个传感器通信，这些传感器比如是转速传感器、压力传感器、流量传感器、声学传感器等。传感器可向控制器104提供与各种系统的运行有关的输入，其包括IPX 28内任何降低的效率。例如，传感器可感测润滑流体中微粒量的增加，这可阻止润滑流体适当地润滑IPX 28。响应于来自传感器的输入，控制器104可监测和控制IPX 28，以确定对过滤系统90进行的任何必要的操作更改。例如，控制器104可增加润滑流体至过滤系统90的流量，增加运行过滤器的数量，增加或降低过滤系统90内润滑流体流的速度，增加从润滑流体中移除的微粒量等等。

在特定实施例中，可通过沿轴向轴线92设置的一个或多个孔110来供应润滑通道和清洁润滑流体(例如，经由过滤系统移除了微粒的润滑流体)。一个或多个孔110可穿过IPX主体，例如穿过IPX壳体102和/或转子套筒112。例如，孔110可沿着IPX 28的轴向轴线92和/或围绕IPX 28的周向轴线96周向定位。例如，IPX壳体102可具有轴向位于第一端盖116与转子100之间的第一孔114和轴向位于第二端盖120与转子100之间的第二孔118，使得第一孔114和第二孔118提供了通过IPX壳体102的通道。作为另外示例，IPX壳体102可包括沿转子100轴向定位的第三孔122，以使其提供通过IPX壳体102和转子套筒112的通道124。一个或多个孔110将清洁润滑流体引导到转子100与转子套筒112之间的间隙中，并提供不含微粒的润滑流体用于润滑IPX 28的旋转部件。在特定实施例中，端盖116和120以及一个或多个垫圈或O形环126可将清洁润滑流体保持在转子100与转子套筒112之间的间隙内。

在特定实施例中，转子100可联接至马达101以驱动转子100旋转。马达101可联接至控制器104，使得马达101的运行由控制器104控制以调节转子100的运行和/或转速。转子100可部分地或全部地由电动机101驱动。马达101可以是电动机、气动驱动器、液压驱动器等。在一些实施例中，润滑系统98的泵(例如，高压泵12或将在图8-10中论述的专用泵)以联接至马达101。由此，泵的运行(例如，泵送速率、速度、压力、容积等)可匹配转子100的运行。例如，可调节正排量泵的运行，以提供与转子100的旋转速度成比例的润滑流体流速。

在特定实施例中，润滑流体(例如，进入过滤系统90和/或润滑系统98之前的润滑流体，或被过滤系统90和/或润滑系统98处理后的润滑流体)可(例如，通过至IPX 28的内部或外部引导路径)被引导至温度控制系统99，以调节(例如，增加或降低)润滑流体的温度。温度控制系统99可以是任何合适的热交换器。如将更详细论述的那样，润滑流体可用于提供IPX28的局部和/或整体的冷却或加热。

图4是图2所示IPX 28的实施例的原理图，其示出了带有多个过滤器132的集成过滤系统130的实施例。在所示的实施例中，过滤系统90与IPX壳体102集成。此外，过滤系统90接收由高压泵12从提供给IPX 28的总高压流体流中泵出的第一流体18的一小部分130。以这种方式，被泵送至IPX 28的第一流体18的一小部分134用作润滑流体，其可在被引导通过一个或多个孔110到达转子100与转子套筒112之间的间隙之前，经由分离的通道136而被过滤。

过滤系统90可利用一种或多种不同类型的过滤技术，并且可包括一种或多种不同类型的过滤装置或设备。例如，在特定实施例中，过滤系统90包括一种或多种不同类型的过滤器，包括筒式过滤器、慢砂过滤器、快砂过滤器、压力过滤器、袋式过滤器、膜式过滤器、颗粒微介质过滤器、可反洗的过滤器，可反洗砂过滤器、液力旋流器等。此外，过滤系统90可包括多个过滤器132，其包括过滤系统90内的每种类型的一个或多个过滤器。在特定实施例中，过滤器132可围绕轴向轴线92、径向轴线94、周向轴线96或以任何其他组合布置。例如，多个过滤器132可围绕过滤系统90的周向轴线96同心地布置。在其他实施例中，多个过滤器132可能以其他图案或排列来布置，并且可能以特定距离间隔开、随机排列等等。

图5是图4所示集成过滤系统130的实施例的原理图，其示出了沉淀过滤系统140。例如，沉淀过滤系统140可包括一个或多个区域142，在不同类型和尺寸的颗粒144被引导离开沉淀过滤系统140之前，这些颗粒144在这些区域142中积聚。在一些实施例中，沉淀过滤系统140可包括沉淀槽、腔体、储器、容器等等141。此外，沉淀过滤系统140的腔体或槽141可邻近和/或围绕IPX 28。在所示的实施例中，过滤系统90集成到IPX壳体102中，如图4所示。特别地，过滤系统90可以是沉淀过滤系统140，其可沿着IPX 28的主体的距离146延伸。在一些实施例中，可基于IPX 28所期望的过滤类型和/或程度来定制沉淀过滤系统140的长度或距离146。在特定实施例中，积聚的颗粒142(例如，被滤出润滑流的颗粒)可被引导回到高压流体流中。

在所示的实施例中，沉淀过滤系统140从提供给IPX 28的总高压流体(例如，第一流体18)流中接收高压流体的一小部分134，比如少量的高压不含支撑剂的流体(例如，水)。少量的高压流体可用作IPX 28内的润滑流体。如上文关于图4所指出的，被泵送至IPX 28的用作润滑流体的第一流体18的一小部分134可在被引导通过一个或多个孔110到达转子100与转子套筒112之间的间隙和/或到达其他轴承或润滑区域之间的间隙之前，经由分离的通道136而被过滤。由此，应指出的是，在所示实施例中，总高压流体(例如，第一流体18)流的一部分可不被过滤，而在其他实施例中，附加部分或整个总高压流体流可用过滤系统90来过滤。在一些实施例中，该部分可以是一小部分，而在其他实施例中，该部分可以是整个总高压流体流的一大部分。总高压流体流的一部分可由所期望的润滑流体的量来确定。

在清洁润滑流体91被引导通过一个或多个孔110到达转子100与转子套筒112之间的间隙之前，可通过沉淀过滤系统140处理润滑流体，以清洁并移除任何颗粒。沉淀槽141可以是单个槽或腔体，或者可包括一个或多个系列的槽，其中，每个槽被构造成过滤出各种尺寸的颗粒144。在特定实施例中，润滑流体可能以缓慢的流速穿过沉淀槽141，以使颗粒144因重力而沉淀下来。例如，在所示的实施例中，较大和较粗颗粒148可首先从润滑流体中沉淀出来，然后是中间颗粒150和/或较细颗粒152。应指出的是，基于沉淀过滤系统140的流速和/或长度146，中间颗粒150和/或较细颗粒152可沉淀下来而离开润滑流体。例如，较细颗粒152可通过沉淀过滤系统140的流速非常慢的区域142进行过滤。在一些实施例中，如箭头154指示的一部分润滑流体(例如，过量润滑流体)可被引导至提供给IPX28的高压流体(例如，第一流体18)流。

图6是图3所示过滤系统90的实施例的原理图，其示出了离心分离过滤系统160。在所示的实施例中，过滤系统90可集成到IPX壳体102中，如图4所示；和/或过滤系统90可在IPX部件外部，如图3所示离心过滤系统160可利用向心力和流体阻力来分离和/或分选颗粒，从而在将清洁润滑流体91提供至转子100与转子套筒112之间的间隙和/或提供至其他轴承或润滑区域之间的间隙之前过滤和/或清洁润滑流体。

在特定实施例中，离心过滤系统160可包括入口162且构造成从提供给IPX 28的总高压流体流中接收高压流体(例如，第一流体18)的一小部分134，比如少量的高压不含支撑剂的流体(例如，水)。在其他实施例中，入口162可被构造成直接从高压泵12接收高压流体的一小部分134。离心过滤系统160可包括多种几何形状，并且可包括旋流区域164，其具有涡旋和/或顶点166。特别地，离心过滤系统160可构造成移除悬浮在润滑流体内的密度大于或小于周围流体的颗粒，并且可基于过旋流区域164的入口和几何形状的流体流的特征来做到这一点。在所示的实施例中，密度较大的颗粒168可在顶点166处被移除并且被引导回(例如，由箭头170所指示的)到提供给IPX 28的高压流体(例如，第一流体18)流。此外，清洁润滑流体可在旋流区域164的溢流区域172处，并且可提供给IPX 28，使得它在转子100与转子套筒112之间和/或其他轴承或润滑区域之间的间隙之间。实际上，离心过滤系统160可能不需要额外的运动零件和/或维护，这是因为从润滑流体中滤出的任何不期望的颗粒都可被引导回到第一流体18(例如，高压流体)。

图7是图2所示IPX 28的实施例的原理图，其示出了设置在转子100内的过滤系统90。在所示的实施例中，过滤系统90可集成到IPX 28的转子100中。特别地，过滤系统90可结合到IPX 28的中心区域180中，比如通过转子100内的圆筒形空间。特别地，过滤系统90接收由高压泵12从提供给IPX 28的总高压流体流中泵出的第一流体18的一小部分134。此外，穿过转子100设置的过滤系统90可包括一种或多种过滤技术/方法和/或一种或多种过滤装置，比如以上关于图3－6描述的任何一种。在特定实施例中，过滤系统90可利用转子100的旋转来增强离心分离。一旦润滑流体被过滤，清洁润滑流体91就可经由一个或多个孔110离开IPX 28的转子区域，并且可流到转子100与转子套筒112之间的间隙和/或流到其他轴承或润滑区域之间间隙，如上文所述。

图8是图2所示IPX 28的实施例的框图，其联接至润滑系统98以向IPX 28提供润滑流体。在所示的实施例中，润滑系统98可包括专用流体源190和专用泵192(例如，外部或内部泵)，以将流体从流体源190泵送至IPX 28。泵192可以是正排量泵或离心泵，并且可与一个或多个阀组合使用。特别地，泵192可增加进入IPX 28的流体的压力。由流体源190提供的流体可以是润滑流体和/或冲洗流体(例如，冲洗污染物和/或微粒的轴承和密封区域)。在特定实施例中，润滑系统98可包括过滤器和/或分离器194，以在流体进入IPX 28之前过滤和/或清洗流体。过滤器和/或分离器194可以是上文提出的任何合适的过滤系统(例如，系统90、130、140和160)或其组合。

图9是图2所示IPX 28的实施例的框图，其联接至润滑系统98，以向IPX 28提供润滑流体。在所示的实施例中，润滑系统98包括如上所述的专用泵192，并且代替专用流体源190的是第一流体18的一部分(例如，一小部分134)用作润滑流体。在特定实施例中，润滑系统98可包括过滤器和/或分离器194，以在流体进入IPX 28之前过滤和/或清洁第一流体18的一小部分134中的一部分。过滤器和/或分离器194可以是上文提出的任何合适的过滤系统(例如，系统90、130、140和160)或其组合。泵192可增加第一流体18的一小部分134的压力。泵192可提供压力，以克服由于通过过滤器和/或分离器194而造成的压力损失。泵192可为流入IPX 28的流体或润滑流体提供附加压力。

应指出的是，术语“润滑流体”可起到若干功能或其组合。第一，润滑流体可用于供应流体轴承，比如用作静压轴承、动压轴承或其组合。第二，润滑流体可用于冲洗和/或清洁密封区域，例如由IPX 28中的狭窄间隙形成的密封。第三，润滑流体可用于冲洗和/或清洁来自轴承区域的碎屑或颗粒。第四，润滑流体可用于提供IPX 28的局部和/或整体的冷却或加热。由此，本发明的若干实施例涉及控制进入IPX 28和/或在IPX 28内流动的流体(例如，控制一种或多种流体流路径)和/或IPX 28的运行。例如，润滑流体可流到一个或多个流动路径，比如第一流体18、第二流体20、高压压裂流体22和低压压裂流体23的流动路径。例如，可控制润滑流体以等于或大于第一流体18的压力进入IPX 28。

考虑到前述内容，图10示出了操作地联接至控制器200的润滑系统98的实施例的框图。在所示的实施例中，润滑流体系统98包括流体源202，该流体源202可以是如图8中所论述的专用流体源190或者可以是如图9中所论述的第一流体18的一小部分134。润滑流体系统118还包括泵192(例如，内部或外部的专用泵)，并且可以可选地包括如上文所提出的过滤器和/或分离器194。将理解的是，IPX 28的运行和润滑流体系统98的运行的至少一部分由控制器200控制，以根据润滑流体的路线(例如，流动路径以及润滑流体进入IPX 28的位置)来调节润滑流体和/或其他流体(例如，第一流体18)的流速、流量、压力和/或温度。

控制器200包括存储器204(例如，非暂时性计算机可读介质/存储器电路)，该存储器204存储一组或多组指令(例如，处理器可执行指令)，这些指令实施成控制或调节IPX 28的运行和润滑系统98的运行中的至少一部分。控制器200还包括一个或多个处理器206，这些处理器配置为访问和执行由存储器204编码的一组或多组指令，这些指令与IPX 28的运行和润滑系统98的运行中的至少一部分相关联。存储器204可包括易失性存储器，随机存取存储器(RAM)，和/或非易失性存储器，比如只读存储器(ROM)、光盘驱动器、硬盘驱动器或固态驱动器。一个或多个处理器206可包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个通用处理器或其任意组合。此外，术语“处理器”不仅限于本领域中称为处理器的那些集成电路，而是广泛地指代计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路和其他可编程电路。

此外，控制器200可通信地联接到一个或多个传感器208，以收集与流体流有关的数据，比如润滑流体、第一流体18、第二流体20、主过程流体(例如，经清洁或过滤的第一流体18和/或第二流体20)等的流速、流量、压力、温度。一个或多个传感器208可包括但不限于压力传感器、温度传感器、流量计和流量传感器。一个或多个传感器208可沿流体流动路径设置在任何合适的位置处，以在从控制器200接收指令或控制信号后获得与所关注的流体流有关的数据。在一些实施例中，控制器200和控制器104(在图3中)是相同的控制器。

进入IPX 28的润滑流体的压力可如图9中那样取决于第一流体18的压力(例如，第一流体18的一小部分134被引导以用作润滑流体)和/或可如图8和9中那样取决于从泵192流出的流体的压力。此外，进入IPX 28的润滑流体的压力可取决于过滤器和/或分离器194的运行。例如，穿过过滤器和/或分离器194的流体可经历一定的压力损失。这样一来，在一个实施例中，为了控制或调节进入IPX 28的润滑流体的压力，以控制第一流体18的压力和/或被引导用作润滑流体的第一流体18的一小部分134的压力，控制器200操作地联接到沿第一流体18的流动路径、沿第一流体18的一小部分134的流动路径设置的的一个或多个阀、高压泵12或其组合。在一个实施例中，控制器200操作地联接至泵192以控制或调节离开泵192流出的流体流(例如，润滑流体)的压力。在一个实施例中，控制器200可控制或调节泵192，以增加压力，从而克服在过滤器和/或分离器194处的压力损失。

在特定实施例中，如图8－10所示的泵192可联接至马达101。由此，泵192的运行(例如，泵送速率、速度、压力、容积等)可调节成匹配转子100的运行。例如，泵192可以是排量泵，并且可调节成提供与转子100的旋转速度成比例的润滑流体流速。

此外，控制器200可根据润滑流体的路线(例如，润滑流体进入IPX 28的位置)来控制或调节进入IPX 28的润滑流体流(例如，流速、流量)，如将在图11中论述的。图11示出了润滑流体的局部回路图。在所示的实施例中，阻力符号210代表润滑流体路径的阻力(例如，流动阻力)或其他流体阻力，箭头代表流动方向，并且圆圈符号代表所关注位置的压力。特别地，圆圈212代表在IPX 28的入口处的润滑流体的压力，圆圈214代表在IPX 28的高压流体入口处的第一流体18的压力，圆圈216代表IPX 28内的流体的压力，其中，在第一流体18与第二流体20之间可能存在混合，圆圈218代表在IPX 28的低压流体入口处第二流体20的压力。

在示例性局部回路图220中，润滑流体流到IPX 28的内部区域，其中，压力216是压力214与压力218之间的中间值。由此，润滑流体212的压力可高于或低于压力214。在另一示例性局部回路图222中，润滑流体可流到IPX 28的内部区域、第一流体18的高压入口、第二流体20的低压入口中的任何一个或其组合。由此，可能期望的是，润滑流体的压力(例如，压力212)等于或大于压力214。还应指出的是，随着流体的流速增加，下游(例如，各流体汇合处)的压力将随着每份给定时间流体流过更大的体积而趋于增加。在特定实施例中，润滑流体入口处的压力212与第一流体18的高压入口处的压力214之间的阻力可忽略不计，并且在该情形中，润滑流体的压力或流速的增加可大致使第一流体18移位。

因此，控制器200可控制或调节IPX 28的对应部件和润滑流体系统98的部件(例如，一个或多个阀、高压泵12、低压泵14、泵192等)，以至少部分地基于部分在局部回路图220和222中所论述的构思来增加或减少其压力、流速、流量或其组合。例如，在润滑流体被引导进入IPX 28的内部区域的情形中，控制器200可控制泵192和/或对应的阀，以将润滑流体212的压力调节为高于或低于压力214。例如，在润滑流体被引导进入IPX28的内部区域、第一流体18的高压入口和/或第二流体20的低压入口中的任何一个或其组合的情况下，控制器200可控制泵192和/或对应的阀以增加润滑流体的压力，使得润滑流体的压力等于或大于高压入口处的第一流体18的压力。

在一些实施例中，控制算法可存储在存储器204中，并且可由控制器200的处理器206执行。控制算法在执行时可将各个流体(例如，由泵92泵出的流体、第一流体18的一小部分134)的流速调制成与IPX 28的运行压力或IPX 28的运行压力的一些函数成比例，以便向IPX 28供应合适量的润滑流体。在一些实施例中，控制器200可响应于诸如IPX 28的性能或运行条件之类的其他变量来改变润滑流体的流速或压力。例如，如果IPX 28的性能由于受污染的轴承而降低了，则控制器200可控制相应的流体(例如，由泵192泵出的流体、第一流体18的一小部分134)的流速，以增加进入IPX 28的润滑流体的流量和/或流速。在一些实施例中，控制器200可基于IPX的工况、比如温度(例如，测量的温度或预期的温度)来控制相应的流体(例如，由泵92泵出的流体，第一流体18的小部分134)的流速，以向IPX 28提供足够的冷却或加热。在一些实施例中，控制器200可基于IPX 28中的温度(例如，预期的温度或经由一个或多个传感器208测量的温度)来控制相应的流体(例如，由泵92泵出的流体，第一流体18的小部分134)的温度，以向IPX 28提供足够的冷却或加热。

如上文所提出的，控制器200可通过控制泵192(例如，正排量泵、离心泵)和/或通过控制沿着各自的流动路径设置的一个或多个阀来增加流体流速。在一些实施例中，控制器200还可控制泵192和/或相应的阀以引起过量的流量，该过量的流量溢出到主过程流体(例如，经清洁或过滤的第一流体18和/或第二流体20)中。图12是联接至润滑系统98的IPX28的实施例的原理图。在所示的实施例中，由润滑系统98提供的润滑流体如箭头230所指示的那样流入IPX 28。如视图232所示，IPX 28包括一个或多个垫圈、O形环或其他合适的密封件126，其在两个轴向端处设置在第一端盖116与IPX壳体102之间以及第二端盖120与IPX壳体102之间，使得润滑流体与主过程流体(例如，经清洁或过滤的第一流体18和/或第二流体20)分离或隔离。如视图234所示，设置在第一端盖116与IPX壳体102之间的一个或多个垫圈、O形环或其他合适的密封件126中的一者被阀236所代替，使得润滑流体可取决于阀236的操作(例如，阀的打开/关闭位置)而与主过程流体(例如，经清洁或过滤的第一流体18和/或第二流体20)接触或连通。在一些实施例中，阀236是止回阀，以允许润滑流体溢出到主过程流体中，但不允许反向流动。在一些实施例中，阀236是压力卸载阀，用以调整或限制润滑流体的压力。如可理解的，如果经由分离的流动路径将润滑流体提供给IPX 28以使得润滑流体与主过程流体分离或隔离(例如，如视图232所示)，则润滑流体的压力可主要通过泵192的操作来控制。然而，如果润滑流体与主过程流体接触或连通(例如，如视图234所示)，则润滑流体的压力可能会受到泵192的运行、阀236的操作、主过程流体的压力或其组合的影响。

本文通过附图中的示例示出了具体实施例并对这些具体实施例做了详细描述，而本发明可有各种修改和替代形式。然而，应理解本发明不意在限制于所公开的具体形式。而是，本发明覆盖了落入由以下所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

Claims (22)

1.一种系统，包括：

泵，所述泵构造成提供处于第一压力的第一流体；

压力交换器，所述压力交换器构造成在所述第一流体与第二流体之间交换压力，其中，所述第一流体的所述第一压力高于所述第二流体的第二压力；

轴承，所述轴承设置在所述压力交换器的壳体内；以及

一个或多个过滤器，所述一个或多个过滤器联接到所述压力交换器，其中，所述压力交换器的所述壳体内的通路使得所述第一流体的一部分能够被转向，以被所述一个或多个过滤器过滤，从而产生供所述压力交换器用来润滑所述轴承的润滑流体。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二流体包含水、化学物质、支撑剂、砂、陶瓷、微粒、固体、颗粒、粉末、碎屑、污染物、增粘剂或化学添加剂中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一流体比所述第二流体具有更少的微粒。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压力交换器包括转子，所述转子构造成在所述第一流体与所述第二流体之间交换压力。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，温度控制系统构造成调节所述第一流体的至少一部分的温度，以加热或冷却所述压力交换器的至少一部分。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述温度控制系统包括热交换器。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在被过滤之后，所述第一流体的一部分被引导通过由所述壳体形成的一个或多个孔而到达以下至少一者之间的间隙：

所述压力交换器的转子套筒与所述压力交换器的转子之间；

所述轴承之间；

所述压力交换器的润滑区域之间；或者

所述压力交换器的密封区域。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一个或多个过滤器包括筒式过滤器、砂过滤器、压力过滤器、袋式过滤器、膜式过滤器、颗粒微介质过滤器、可反洗的过滤器、可反洗砂过滤器、液力旋流器、沉淀过滤系统或离心分离过滤系统中的至少一者。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器配置成调节所述第一流体的至少一部分的流速、流量、压力或温度中的一项或多项。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器配置成从一个或多个传感器接收传感器数据，以调节所述第一流体的至少一部分的流速、流量、压力或温度中的一项或多项，其中，所述一个或多个传感器包括压力传感器、温度传感器、流量计或流量传感器中的一者或多者。

11.一种系统，所述系统包括：

液压能量传递系统，所述液压能量传递系统构造成在第一流体与第二流体之间交换压力，其中，所述第一流体的压力高于所述第二流体的压力；以及

润滑系统，所述润滑系统构造成将润滑流体泵送或引导到液压能量传递系统中，其中，所述润滑系统包括用于所述润滑流体的专用源和用以将所述润滑流体从所述专用源引导到所述液压能量传递系统中的专用泵，其中，所述润滑流体与所述第一流体和所述第二流体分离，并且其中，所述润滑系统包括专用过滤系统，所述专用过滤系统构造成在所述润滑流体进入所述液压能量传递系统之前过滤所述润滑流体，并且其中，所述专用过滤系统设置在所述专用源与所述专用泵之间。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述液压能量传递系统包括：

壳体；

第一端盖，所述第一端盖设置在所述壳体中，其中，所述第一端盖用于接收所述第一流体；以及

第一部件，所述第一部件设置在所述第一端盖与所述壳体之间，其中，所述第一部件构造成防止所述第一流体在所述液压能量传递系统的润滑区域中与所述润滑流体混合。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一部件包括密封件、垫圈、O形环、阀、止回阀或压力卸载阀中的一者或多者。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述液压能量传递系统包括：

第二端盖，所述第二端盖设置在所述壳体中，其中，所述第二端盖用于接收所述第二流体；以及

第二部件，所述第二部件设置在所述第二端盖与所述壳体之间，其中，所述第二部件构造成防止所述第二流体在所述液压能量传递系统的所述润滑区域中与所述润滑流体混合。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述第二部件包括密封件、垫圈或O形环中的一者或多者。

16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述液压能量传递系统是旋转等压压力交换器系统。

17.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一流体液压地作用于所述第二流体上，以增加被驱动离开所述液压能量传递系统的所述第二流体的压力，以便用于下游应用。

18.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述润滑流体的至少一部分由所述液压能量传递系统外部的流体源供应。

19.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，包括控制器，所述控制器被编程为控制所述系统的一个或多个阀和/或一个或多个泵，以基于所述系统的工况选择性地引导所述润滑流体。

20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，在所述控制器的存储器中存储控制算法，并且在执行时，所述控制算法能至少部分地基于所述液压能量传递系统的运行压力或性能来调制所述第一流体、所述第二流体、所述润滑流体或其组合的流速。

21.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述旋转等压压力交换器系统包括：壳体、设置在所述壳体内的转子、布置在所述壳体内且与所述转子的相应轴向端部交界的第一端盖和第二端盖、设置在所述壳体与所述第一端盖之间的第一密封件以及设置在所述壳体与所述第二端盖之间的第二密封件，并且其中，所述第一密封件和所述第二密封件保持所述润滑流体与所述第一流体和所述第二流体分离。

22.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，包括温度控制系统，所述温度控制系统被配置为调节所述润滑流体的温度。

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