本发明涉及压裂设备领域，特别是一种多电机驱动压裂系统及控制方法。
背景技术：
1、压裂技术是指采油或者采气过程中，利用压裂液的作用，使油气层形成裂缝的一种方法，其具体操作是利用高压力、大排量的泵送设备将压裂液以大于储层吸收能力的压力注入储层，使井筒内压力逐渐升高，从而在井底憋气高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石的抗张强度时，便在井底附近地层产生裂缝，继续注入压裂液，裂缝向前延伸并添加支撑剂，关井后压裂液存在于裂缝中，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝，提高井底附近油气的渗透率，使油气井达到增产的目的。
2、我国页岩油气规模化、深层、低成本的发展方向，电动压裂装置是实施效益开发的有效手段之一，现有技术中的电动压裂装置由压裂泵橇和变频控制房组成，压裂泵橇由单电机、传动机构、压裂泵、冷却系统、润滑系统等组成。变频控制房由高压柜、变压器、变频器、低压柜等组成。
3、但是，随着非常规油气勘探开发领域向深部地层、高温地层、低渗地层的方向发展，尤其是面对分割性强、分布范围广，埋藏深、井底温度高，页岩厚度大、差异大，压力系数高、地层能量足的“广、深、厚、高”的页岩油开采，所需压裂设备的功率越来越大，排量越来越大、压力越来越高，由此而来的压裂设备的重量和体积也越来越大，根据现状，大功率电动压裂泵橇的研发面临着：第一，受道路运输的限制，单个大功率异步电机重量达到13.5t，压裂装备的重量和体积不能再增加；第二，五缸压裂泵的排量和压力已经无法满足现有非常规油气勘探开发的需求；第三，功率密度低，大功率压裂设备的研发出现瓶颈；第四，受压裂泵橇重量限制，集成度不高。实现“碳达峰、碳中和”的整体目标，低碳、环保、节能是压裂设备的设计宗旨，设计开发出一种噪音低、排放低、节能的新型大功率电动压裂装置，满足页岩油气开发需要具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是提供一种多电机驱动压裂系统，能够提高电机的运行效率，降低压裂设备的整体重量，缩小压裂设备的整体体积，在优选的方案中，能够延长电机的使用寿命，实现自动化的电机的在线切入和脱离，便于实现不停机维护。
2、本发明所要解决的另一技术问题是提供一种多电机驱动压裂系统的控制方法，能够输出更高的功率，并且能够提高电机总成的输出效率，能够实现智能化的集成压裂作业，在优化的方案中，能够方便的控制电机的在线切入和脱离。
3、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多电机驱动压裂系统，动力端总成通过中间体与液力端总成连接，在动力端总成设有一个以上的电机，每个电机分别通过减速装置与曲轴连接，曲轴通过多个连杆和十字块分别与多个柱塞连接，柱塞位于液力端总成壳体内，在液力端总成还设有排液单向阀和进液单向阀，排液单向阀的排液腔与高压管汇连接，进液单向阀的进液腔与低压管汇连接。
4、优选的方案中，所述的多个电机分别位于动力端总成的两端，电机的输出轴与行星齿轮减速器连接，行星齿轮减速器的输出轴与传动齿轮连接，传动齿轮与集合齿轮连接，集合齿轮与曲轴连接。
5、优选的方案中，所述的电机数量为4~16个，分别位于动力端总成的两端；
6、电机采用永磁同步多电机，转速为3100~8000转/分钟，额定功率为610~990瓦，行星齿轮减速器的减速比为1:12~35，传动齿轮与集合齿轮的减速比为1：2.5~5。
7、优选的方案中，在电机的悬臂端设有支撑装置，支撑装置的抱箍与电机连接，抱箍通过高度调节装置与支撑座连接。
8、优选的方案中，减速装置的壳体通过可伸缩的斜撑杆与支撑座连接。
9、优选的方案中，动力端总成、液力端总成、减速装置、电机、高压管汇、低压管汇和控制装置均设置在橇座上；
10、控制装置中设有逆变器、整流器和变压器。
11、优选的方案中，在控制装置上设有冷却装置，冷却装置为水冷装置，冷却装置通过管路与电机、逆变器和整流器连接。
12、优选的方案中，在液力端总成还设有液力端润滑装置，在动力端总成设有动力端润滑装置；
13、还设有冷却器，冷却器为风冷装置，用于给液力端润滑装置和动力端润滑装置的润滑油进行冷却。
14、优选的方案中，减速装置包括一个减速齿轮轴，减速齿轮轴与集合齿轮啮合连接，集合齿轮与曲轴连接，减速齿轮轴的直径小于集合齿轮的直径，在减速齿轮轴的中心设有花键套筒，电机的电机壳体与退切装置的退切壳体连接，电机的电机转子与退切花键轴滑动连接，退切花键轴还与花键套筒以可轴向脱离的方式连接，退切花键轴远离花键套筒的一端与退切电动推杆以可相对转动不可相对轴向移动的方式连接，退切电动推杆与退切壳体固定连接。
15、优选的方案中，退切花键轴上设有环形的凹槽，多个滚珠设置在凹槽内，在轴承套筒的内壁设有用于容纳滚珠的凹槽，轴承套筒与退切花键轴套接，滚珠位于轴承套筒的内壁的凹槽内，轴承套筒还与退切电动推杆套接。
16、优选的方案中，减速装置包括一个传动齿轮，传动齿轮与集合齿轮啮合连接，集合齿轮与曲轴连接，传动齿轮的直径小于集合齿轮的直径，传动齿轮的轴与柔性联轴器连接，柔性联轴器与离合装置连接，离合装置与电机连接。
17、优选的方案中，离合装置的结构为：离合壳体与柔性联轴器连接，离合壳体内壁设有多个定摩擦片，在离合壳体内设有可滑动的离合柱塞，离合柱塞的外壁设有多个与定摩擦片相对应的动摩擦片，离合柱塞远离柔性联轴器的一端设有离合腔，离合腔设有液压接头，离合柱塞另一端与离合壳体之间设有弹簧，离合柱塞与电机的输出轴花键滑动连接。
18、优选的方案中，离合装置的结构为：离合壳体与柔性联轴器连接，离合壳体内壁设有多个定摩擦片，在离合壳体内设有可滑动的离合柱塞，离合柱塞的外壁设有多个与定摩擦片相对应的动摩擦片，离合柱塞远离柔性联轴器的一端设有离合腔，离合腔设有液压接头，离合柱塞另一端与离合壳体之间设有弹簧，电机与行星减速器连接，行星减速器的输出轴与离合柱塞花键滑动连接。
19、优选的方案中，电机与控制装置连接，控制装置中的逆变器与电机电连接，逆变器与整流器电连接，整流器与变压器电连接，变压器通过主开关与电源输入线电连接。
20、优选的方案中，在排液腔设有排液检测管路，排液检测管路与排液压力传感器连通。
21、优选的方案中，排液检测管路通过一段变径管路与排液压力传感器连通，变径管路靠近排液检测管路的一端直径较小。
22、优选的方案中，在进液腔设有进液检测管路，进液检测管路与进液压力传感器连通。
23、优选的方案中，所述的液力端总成设有5个以上的缸体，每个缸体内设有柱塞，相应的在曲轴上设有对应数量的拐，在拐的轴肩位置均设有曲轴转角检测传感器。
24、优选的方案中，在减速装置设有转速传感器，转速传感器用于检测减速装置的输入转速。
25、优选的方案中，在电机内设有电机转角传感器。
26、优选的方案中，在排液腔设有排液压力传感器，在进液腔设有进液压力传感器，在减速装置设有转速传感器，在电机内设有电机转角传感器；
27、转角传感器、排液压力传感器、进液压力传感器和电机转角传感器与主控装置电连接，主控装置与逆变器电连接。
28、优选的方案中，在排液腔设有排液压力传感器，在进液腔设有进液压力传感器，在减速装置设有转速传感器，在电机内设有电机转角传感器；
29、转角传感器、排液压力传感器、进液压力传感器和电机转角传感器中的一个或多个与主控装置电连接，主控装置与逆变器电连接；
30、主控装置还与离合装置的液压控制阀电连接。
31、一种上述的多电机驱动压裂系统的控制方法，包括以下步骤：
32、s1、采集工况所需的压力参数；
33、s2、根据压力参数和压裂系统的减速比和损耗系数计算所需的输入扭矩；
34、s3、根据输入扭矩和电机参数计算投入电机数量，投入的各个电机合计的额定输出扭矩需要大于输入扭矩；
35、s4、随机选出主电机，设定主电机的输出扭矩，从电机跟随输出扭矩；
36、s5、检测输出压力值并开始计时；
37、s6、超出预设时间后将实时输出压力值与设定压力值进行比对；
38、若未达到设定压力值，则增大主、从电机输出扭矩，或者投入新的从电机跟随输出扭矩；
39、若达到预设值则转入流量控制模式；
40、通过以上步骤实现多电机驱动压裂系统的智能化控制。
41、优选的方案中，步骤s6中流量控制模式包括以下步骤：
42、s601、根据工况采集输出流量和压力参数；
43、s602、随机选出主电机；
44、s603、根据输出流量参数和减速比计算主电机转速；
45、s604、投入从电机以输出扭矩跟随主电机转速进行控制；
46、s605、采集主电机转速，并比较主电机转速所处的区间范围；
47、当位于预设的上区间范围，脱开一个从电机，并返回采集主电机转速；
48、当位于预设的中区间范围，则维持现状；
49、当位于预设的下区间范围，投入新的从电机；
50、通过以上步骤实现流量控制模式。
51、优选的方案中，当采用退切装置时，投入电机包括以下步骤：
52、s101、采集曲轴的转速；
53、s102、计算减速齿轮轴的转速；
54、s103、控制需要投入的电机启动直至转速与减速齿轮轴的转速匹配；
55、s104、退切装置的退切电动推杆动作，使推杆伸出；
56、s105、退切花键轴与减速齿轮轴的花键套筒啮合；
57、通过以上步骤实现新的电机投入。
58、优选的方案中，当采用退切装置时，退出电机包括以下步骤：
59、s201、采集曲轴的转速；
60、s202、计算减速齿轮轴的转速；
61、s203、控制需要退出的电机的转速略低于减速齿轮轴的转速使扭矩卸载；
62、s204、退切装置的退切电动推杆动作，使推杆缩回；
63、s205、退切花键轴与减速齿轮轴的花键套筒退出啮合；
64、通过以上步骤实现电机的退出。
65、优选的方案中，当采用离合装置，需要投入电机时，主控装置控制液压控制阀与压力侧导通，压力油进入到离合腔内，使动摩擦片与定摩擦片接触，电机通过离合装置传动至减速装置的传动齿轮；
66、需要退出电机时，主控装置控制液压控制阀与泄压侧导通，弹簧复位，使动摩擦片与定摩擦片脱离接触，电机退出。
67、本发明提供的一种多电机驱动压裂系统及控制方法，通过设置的多个电机协同工作的方案，能够以更小的整体体积，更轻的重量，提供更大的输出功率和扭矩，同等功率下，永磁同步多电机的总重量远小于异步单个大电机的重量，以7缸10电机方案为例，采用高转速永磁同步多电机动力系统，将电机的总重量从13.5t降低至5.5t，大幅减轻了动力系统的重量。也缩小了压裂系统的整体体积。采用高转速永磁同步多电机动力系统，在单个电机出现故障时，仅损失很少一部分动力，压裂系统可持续运行，提高系统容错能力，使排量损失降至最低。采用高转速永磁同步多电机，配合大减速比的减速机构，能够提高系统的功率密度。润滑系统的冷却布置在压裂泵上方，方便管线连接。多个永磁同步电机、逆变器、整流器采用水冷方式，水冷系统集成在变频控制房橇上，保证部件的正常运行，压裂泵橇到变频控制房冷却的管路2根，该结构可以有效减少管线连接工作量、提高设计的集成度，同时满足设备移运要求。设置的支撑结构和斜撑杆能够为悬臂结构的电机和减速装置提供额外的支撑，并便于调节安装精度。将包括逆变器、整流器和变压器的控制装置也集成在橇座上，是由压裂系统整体体积减小带来的优化空间，该方案能够减少从控制房到橇座的接线数量。从原有的30根线缆，减少到10台电机时的8根线缆。减少接线电缆的数量，降低施工接线工作量，避免整橇尺寸和重量超过道路运输条件限制，便于安装和运输。设置的退切装置，能够以紧凑的结构和更小的体积，实现电机的智能化切入和退出。在可选的方案中，设置的离合装置能够更容易的实现单个电机的切入和退出，由此方案，能够避免永磁同步多电机在被拖动过程中产生阻力。本发明的控制方法，能够根据工况要求、设定输出压力或者流量，采用不同的工作模式，并能够控制实现电机的在线投入和脱离，为后续的无人远程在线维护奠定基础。在紧凑结构的压裂系统中，能够控制退切装置实现无扰动无冲击的电机投入和脱离。本发明的智能化程度高，结构紧凑，便于维护，是压裂系统的未来发展方向。
1.一种多电机驱动压裂系统，其特征是：动力端总成（5）通过中间体（505）与液力端总成（6）连接，在动力端总成（5）设有一个以上的电机（7），每个电机（7）分别通过减速装置（2）与曲轴（503）连接，曲轴（503）通过多个连杆（504）和十字块（506）分别与多个柱塞（25）连接，柱塞（25）位于液力端总成壳体（601）内，在液力端总成（6）还设有排液单向阀（602）和进液单向阀（606），排液单向阀（602）的排液腔（603）与高压管汇（9）连接，进液单向阀（606）的进液腔（607）与低压管汇（10）连接。
2.根据权利要求1所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：所述的多个电机（7）分别位于动力端总成（5）的两端，电机（7）的输出轴与行星齿轮减速器连接，行星齿轮减速器的输出轴与传动齿轮（203）连接，传动齿轮（203）与集合齿轮（507）连接，集合齿轮（507）与曲轴（503）连接。
3.根据权利要求2所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：所述的电机（7）数量为4~16个，分别位于动力端总成（5）的两端；
4.根据权利要求1所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：在电机（7）的悬臂端设有支撑装置（31），支撑装置（31）的抱箍（311）与电机（7）连接，抱箍（311）通过高度调节装置（312）与支撑座（313）连接。
5.根据权利要求1或4所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：减速装置（2）的壳体通过可伸缩的斜撑杆与支撑座连接。
6.根据权利要求1~4任一项所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：动力端总成（5）、液力端总成（6）、减速装置（2）、电机（7）、高压管汇（9）、低压管汇（10）和控制装置（8）均设置在橇座（11）上；
7.根据权利要求6所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：在控制装置（8）上设有冷却装置（4），冷却装置（4）为水冷装置，冷却装置（4）通过管路与电机（7）、逆变器（19）和整流器（24）连接。
8.根据权利要求7所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：在液力端总成（6）还设有液力端润滑装置（13），在动力端总成（5）设有动力端润滑装置（30）；
9.根据权利要求1所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：减速装置（2）包括一个减速齿轮轴（201），减速齿轮轴（201）与集合齿轮（507）啮合连接，集合齿轮（507）与曲轴（503）连接，减速齿轮轴（201）的直径小于集合齿轮（507）的直径，在减速齿轮轴（201）的中心设有花键套筒（202），电机（7）的电机壳体（701）与退切装置（15）的退切壳体（153）连接，电机（7）的电机转子（703）与退切花键轴（155）滑动连接，退切花键轴（155）还与花键套筒（202）以可轴向脱离的方式连接，退切花键轴（155）远离花键套筒（202）的一端与退切电动推杆（154）以可相对转动不可相对轴向移动的方式连接，退切电动推杆（154）与退切壳体（153）固定连接。
10.根据权利要求9所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：退切花键轴（155）上设有环形的凹槽，多个滚珠（151）设置在凹槽内，在轴承套筒（152）的内壁设有用于容纳滚珠（151）的凹槽，轴承套筒（152）与退切花键轴（155）套接，滚珠（151）位于轴承套筒（152）的内壁的凹槽内，轴承套筒（152）还与退切电动推杆（154）套接。
11.根据权利要求1所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：减速装置（2）包括一个传动齿轮（203），传动齿轮（203）与集合齿轮（507）啮合连接，集合齿轮（507）与曲轴（503）连接，传动齿轮（203）的直径小于集合齿轮（507）的直径，传动齿轮（203）的轴与柔性联轴器（16）连接，柔性联轴器（16）与离合装置（1）连接，离合装置（1）与电机（7）连接。
12.根据权利要求11所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：离合装置（1）的结构为：离合壳体（101）与柔性联轴器（16）连接，离合壳体（101）内壁设有多个定摩擦片（102），在离合壳体（101）内设有可滑动的离合柱塞（104），离合柱塞（104）的外壁设有多个与定摩擦片（102）相对应的动摩擦片（103），离合柱塞（104）远离柔性联轴器（16）的一端设有离合腔（105），离合腔（105）设有液压接头（106），离合柱塞（104）另一端与离合壳体（101）之间设有弹簧（107），离合柱塞（104）与电机（704）的输出轴花键滑动连接。
13.根据权利要求11所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：离合装置（1）的结构为：离合壳体（101）与柔性联轴器（16）连接，离合壳体（101）内壁设有多个定摩擦片（102），在离合壳体（101）内设有可滑动的离合柱塞（104），离合柱塞（104）的外壁设有多个与定摩擦片（102）相对应的动摩擦片（103），离合柱塞（104）远离柔性联轴器（16）的一端设有离合腔（105），离合腔（105）设有液压接头（106），离合柱塞（104）另一端与离合壳体（101）之间设有弹簧（107），电机（7）与行星减速器（27）连接，行星减速器（27）的输出轴与离合柱塞（104）花键滑动连接。
14.根据权利要求1~4、7~13任一项所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：电机（7）与控制装置（8）连接，控制装置（8）中的逆变器（19）与电机（7）电连接，逆变器（19）与整流器（24）电连接，整流器（24）与变压器（23）电连接，变压器（23）通过主开关（22）与电源输入线（20）电连接。
15.根据权利要求14所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：在排液腔（603）设有排液检测管路（605），排液检测管路（605）与排液压力传感器（604）连通。
16.根据权利要求15所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：排液检测管路（605）通过一段变径管路与排液压力传感器（604）连通，变径管路靠近排液检测管路（605）的一端直径较小。
17.根据权利要求14所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：在进液腔（607）设有进液检测管路（609），进液检测管路（609）与进液压力传感器（608）连通。
18.根据权利要求17所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：所述的液力端总成（6）设有5个以上的缸体，每个缸体内设有柱塞（25），相应的在曲轴（503）上设有对应数量的拐，在拐的轴肩位置均设有曲轴转角检测传感器（14）。
19.根据权利要求14所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：在减速装置（2）设有转速传感器（18），转速传感器（18）用于检测减速装置（2）的输入转速。
20.根据权利要求14所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：在电机（704）内设有电机转角传感器（28）。
21.根据权利要求15~17、19~20任一项所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：在排液腔（603）设有排液压力传感器（604），在进液腔（607）设有进液压力传感器（608），在减速装置（2）设有转速传感器（18），在电机（704）内设有电机转角传感器（28）；
22.根据权利要求15~17、19~20任一项所述的一种多电机驱动压裂系统，其特征是：在排液腔（603）设有排液压力传感器（604），在进液腔（607）设有进液压力传感器（608），在减速装置（2）设有转速传感器（18），在电机（704）内设有电机转角传感器（28）；
23.一种权利要求1~22任一项所述的多电机驱动压裂系统的控制方法，其特征是包括以下步骤：
24.根据权利要求23所述的一种多电机驱动压裂系统的控制方法，其特征是步骤s6中流量控制模式包括以下步骤：
25.根据权利要求23或24所述的一种多电机驱动压裂系统的控制方法，其特征是当采用退切装置（15）时，投入电机包括以下步骤：
26.根据权利要求23或24所述的一种多电机驱动压裂系统的控制方法，其特征是当采用退切装置（15）时，退出电机（7）包括以下步骤：
27.根据权利要求23或24所述的一种多电机驱动压裂系统的控制方法，其特征是当采用离合装置（1），需要投入电机（7）时，主控装置（26）控制液压控制阀（29）与压力侧导通，压力油进入到离合腔（105）内，使动摩擦片（103）与定摩擦片（102）接触，电机（7）通过离合装置（1）传动至减速装置（2）的传动齿轮（203）；
