СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР, И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ В ТАКОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2014 года по МПК B04B13/00 B01D21/34 

Настоящее изобретение относится к системе, содержащей герметичный центробежный сепаратор, в которой сепаратор содержит ротор, включающий сепарационную камеру, впускной канал для смеси сепарируемых компонентов, первый выпускной канал для приема по меньшей мере одного сепарированного легкого компонента, второй выпускной канал для приема по меньшей мере одного сепарированного тяжелого компонента, при этом система дополнительно содержит средство рециркуляции для возврата из второго выпускного канала в сепарационную камеру части сепарированного тяжелого компонента.

Настоящее изобретение относится также к способу регулирования в такой системе, содержащему шаги, на которых подают смесь компонентов в сепарационную камеру через впускной канал, сепарируют смесь компонентов в сепарационной камере на легкие и тяжелые компоненты, направляют по меньшей мере один легкий компонент в первый выпускной канал, направляют по меньшей мере один тяжелый компонент во второй выпускной канал, возвращают часть сепарированного тяжелого компонента из второго канала во впускной канал.

Такие системы используют там, где содержание тяжелого компонента в смеси сильно меняется или является постоянно низким, тогда как часто требуется получить сепарированный шлам постоянной концентрации, например, чтобы предотвратить забивание выпускных труб для тяжелой фазы.

Целью настоящего изобретения стало создание системы упомянутого вида и способа управления такой системой, чтобы получить отделенную тяжелую фазу с постоянной концентрацией в тех случаях, когда содержание тяжелого компонента подачи сильно меняется или остается постоянно низким. Согласно настоящему изобретению предлагается система, содержащая центробежный сепаратор, описанный выше, в котором первое средство мониторинга отслеживает плотность, расход или их комбинацию, тяжелого компонента, текущего во второй выпускной канал, и первое средство регулирования регулирует обратный поток в ответ на управляющий сигнал от первого средства мониторинга.

В предпочтительном варианте настоящего изобретения система содержит второе средство мониторинга, отслеживающее расход тяжелого компонента, текущего во втором выпускном канале, и второе средство регулирования, регулирующее давление, регулируя первый клапан противодавления в первом выпускном канале в ответ на управляющий сигнал второго средства мониторинга.

В еще одном предпочтительном варианте настоящего изобретения третье средство мониторинга отслеживает давление во втором выпускном канале, а третье регулирующее средство регулирует давление, регулируя второй клапан противодавления в ответ на управляющий сигнал от третьего средства мониторинга.

Предпочтительно, регулирующие средства в системе осуществляют регулирование в ответ на сигнал, основанный на разнице между управляющим сигналом от средства мониторинга и уставкой отслеживаемого параметра.

В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения система содержит четвертое средство мониторинга, отслеживающее расход в средстве рециркуляции, и четвертое регулирующее средство, отслеживающее расход при рециркуляции в ответ на управляющий сигнал от четвертого средства мониторинга, где четвертое регулирующее средство получает уставку с выхода первого регулирующего средства.

Согласно варианту настоящего изобретения регулирующие средства являются ПИД-регуляторами. В другом варианте настоящего изобретения первое регулирующее средство является МРС-регулятора (регулятор с прогнозирующими моделями, Model Predictive Control), а второе, третье и четвертое регулирующие средства являются ПИД-регуляторами, и в котором первое регулирующее средство передает уставки по меньшей мере на одно из второго, третьего и четвертого регулирующего средства.

В еще одном варианте настоящего изобретения второй выпускной канал соединен с выпускными трубами для тяжелого компонента внутри сепарационной камеры, где впускные отверстия этих труб расположены рядом с внутренней стенкой барабана сепаратора.

Согласно второму аспекту изобретения предлагается способ, описанный выше, который далее содержит следующие этапы, на которых:

отслеживают параметры плотности, расхода или их комбинацию, тяжелого компонента, текущего во втором выпускном канале;

создают управляющий сигнал в ответ на этот параметр (параметры); и

регулируют возвратный поток в ответ на этот управляющий сигнал.

Согласно варианту этого второго аспекта настоящего изобретения способ содержит следующие этапы, на которых: отслеживают параметр расхода тяжелого компонента, текущего во втором выпускном канале; создают второй управляющий сигнал в соответствии с этим параметром расхода; и регулируют давление в первом выпускном канале, регулируя клапан противодавления в этом первом выпускном канале в ответ на второй управляющий сигнал.

В еще одном варианте этого аспекта настоящего изобретения способ содержит следующие этапы, на которых: отслеживают параметр давления во втором выпускном канале; создают третий управляющий сигнал в соответствии с этим параметром давления; и регулируют давление во втором выпускном канале, регулируя второй клапан противодавления во втором выпускном канале в ответ на третий управляющий сигнал.

В другом варианте этого аспекта настоящего изобретения этап регулирования содержит этап, на котором вычисляют разницу между управляющим сигналом и уставкой для отслеживаемого параметра.

В еще одном варианте этого аспекта настоящего изобретения способ содержит этапы, на которых отслеживают параметр расхода в средстве рециркуляции; создают четвертый управляющий сигнал в соответствии с этим параметром расхода в средстве рециркуляции; и регулируют расход при рециркуляции в ответ на четвертый управляющий сигнал, где этап регулирования содержит этап, на котором вычисляют разницу между четвертым управляющим сигналом и уставкой, соответствующей первому управляющему сигналу.

Таким образом, согласно настоящему изобретению предлагаются система и способ регулирования характеристик сепарированного тяжелого компонента, даже при подаче в сепаратор изменяющегося содержимого.

Далее следует более подробное описание предпочтительных вариантов системы и способа по настоящему изобретению со ссылками на приложенные чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схема одного варианта системы по настоящему изобретению.

Фиг.2 - схема второго варианта системы по настоящему изобретению.

Фиг.3 - схема третьего варианта системы по настоящему изобретению.

Фиг.4 - вертикальное сечение верхней части барабана сепаратора по варианту настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов

На фиг.1 показана система центрифугирования, содержащая герметичный центробежный сепаратор 1, в который через впускной канал 2 насосом 3 подают смесь компонентов, подлежащую сепарации. В этом сепараторе 1 жидкая смесь компонентов центрифугируется в роторе с сепарирующей камерой, в которой компоненты разделяются. Имеется первый выпускной канал 4, соединенный с сепарирующей камерой для приема по меньшей мере одного сепарированного легкого компонента и второй выпускной канал 5 для приема по меньшей мере одного сепарированного тяжелого компонента.

В каждом выпускном канале 4, 5 имеется (соответственно первый и второй) клапан 6, 7 противодавления. От второго выпускного канала 5 для тяжелых компонентов во впускной канал 2 ведет средство 8 рециркуляции. Это средство 8 рециркуляции содержит возвратный канал 9, выполненный с возможностью отбирать часть сепарированного тяжелого компонента из точки, расположенной перед вторым клапаном 7 противодавления, и рециркуляционный насос 10, выполненный с возможностью прокачивать эту часть сепарированного тяжелого компонента во впускной канал 2.

Нагнетаемый рециркуляционным насосом 2 поток регулируется так называемым ПИД-регулятором (Пропорционально-Интегрально-Дифференциальное регулирование) 11, который непрерывно или периодически реагирует на сигнал от расходомера 12 Кориолиса, расположенного в выпускном канале 5 для тяжелых компонентов. Этот сигнал является производным от вычисленной разницы между измеренным расходом или измеренной плотностью и уставкой. Например, весьма желательно, чтобы выпускной канал 5 не забивался, поскольку непрерывный поток тяжелого компонента в этом случае прерывается. Уставка может иметь величину, которая гарантирует непрерывный поток.

Кроме того, клапаны 6, 7 противодавления снабжены ПИД-регуляторами 13, 14. ПИД-регулятор 13, регулирующий клапан 6 противодавления в выпускном канале 4, реагирует на сигнал, основанный на разнице между расходом тяжелого компонента в выпускном канале 5 и уставкой этого расхода. ПИД-регулятор 11 затем реагирует на плотность тяжелого компонента в выпускном канале 5.

ПИД-регулятор 14, регулирующий клапан 7 противодавления в выпускном канале 5 для тяжелых компонентов реагирует на противодавление в этом выпускном канале 5 для тяжелых компонентов.

Идея заключается в том, чтобы регулировать плотность, тогда как клапан 6 легких компонентов регулирует давление тяжелых компонентов.

Такая стратегия регулирования может быть модифицирована путем добавления так называемого каскадного регулятора для рециркуляционного насоса 10, как показано на фиг.2. При каскадном регулировании имеется два ПИД-регулятора, один из которых регулирует уставку другого. ПИД-регулятор работает как регулятор основного контура, который регулирует первичный физический параметр, например уровень жидкости или скорость. Другой регулятор работает как регулятор вспомогательного контура, который считывает выходной сигнал регулятора основного контура как уставку, и обычно регулирует параметр, изменяющийся с большей скоростью, расход или ускорение.

На фиг.2 ПИД-регулятор 15 расположен во вспомогательном контуре, регулирующем возвратный поток в ответ на сигнал, основанный на возвратном потоке после насоса 10, а в основном контуре ПИД-контроллер 16 получает управляющий сигнал от отслеживаемой плотности в выходном канале тяжелого компонента, и передает уставку на ПИД-регулятор 15.

Идея в каскадных регуляторах заключается в том, что вспомогательный контур работает значительно быстрее, чем основной контур. Таким образом, основной регулятор считает управляющий сигнал (т.е. уставку на вспомогательный контур) как реализуемый немедленно, поскольку они работают в разных масштабах времени. Регулирование остается децентрализованным, но теперь также появляется возможность регулировать возвратный поток, задавая его уставку. ПИД-регулятор 17, регулирующий клапан 7 противодавления тяжелого компонента, реагирует на сигнал, вычисленный по расходу тяжелого компонента, отслеживаемому расходомером Кориолиса.

На фиг.3 показан вариант системы, в которой используется так называемый МРС-регулятор (регулятор с прогнозирующими моделями) для непосредственного манипулирования управляющими сигналами и в соответствии с требуемым ходом операции. Например, при сепарировании смеси с изменяющейся во время работы концентрацией тяжелого компонента часто бывает предпочтительно, чтобы параметры, регулируемые ПИД-регуляторами, регулировались в соответствии с графами, которые оптимизируют процесс, например по КПД, качеству выходного продукта и/или по риску забивания. МРС-регулятор 18 регулирует опорные величины базовых регуляторов, т.е. ПИД-регуляторов, что означает, что обработанные переменные МРС-регулятора являются уставками для ПИД-регуляторов (т.е. расхода, плотности или давления). Это позволяет все регулирование сделать каскадным, где МРС-регулятор является основным контуром для всех ПИД-регуляторов. ПИД-регуляторы сконфигурированы, как показано на фиг.2, за исключением того, что ПИД-регулятор, регулирующий плотность в выпускном канале для тяжелого компонента, отключен. В этом варианте МРС-регулятор регулирует плотность, задавая опорные величины для возвращаемого потока и потока тяжелого компонента, тогда как уставка подаваемого потока удерживается постоянной.

На фиг.4 показана верхняя часть барабана 19 сепаратора, который определяет сепарирующую камеру 20. Тяжелые компоненты сепарированной смеси под действием центробежной силы собираются в наиболее удаленной от оси вращения области, т.е. рядом с внутренней стенкой барабана сепаратора. В известных центробежных сепараторах тяжелые компоненты выгружаются через отверстия на периферии барабана 19 сепаратора с определенными интервалами для предотвращения накопления внутри сепаратора. Однако в центробежном сепараторе по настоящему изобретению тяжелые компоненты непрерывно подаются из сепарирующей камеры 20 наружу по выпускному каналу 5 для тяжелых компонентов на вершине барабана 19 сепаратора. Внутри барабана 19 сепаратора имеются выпускные трубы 21 для тяжелых компонентов, расположенные на внутренней стенке верхней части барабана 19 или рядом с ней. Выпускные трубы 21 повторяют форму внутренней стенки и проходят вверх к выпускному каналу 5 для тяжелых элементов и соединяются с ним и, следовательно, направляют тяжелые компоненты от периферийной части сепарирующей камеры 20 внутрь и вверх в этот выпускной канал 5 для тяжелых компонентов. Подбирая длину труб 21 и положение из впускных отверстий в сепарирующей камере 20, можно регулировать характеристики шлама, поступающего в трубы 21.

Заявка на настоящее изобретение раскрывает систему по настоящему изобретению, в которой герметичный центробежный сепаратор оснащен известными выпускными отверстиями для факультативной прерывистой выгрузки шлама.

Специалистам понятно, что настоящее изобретение не ограничивается описанными примерами и в него могут быть внесены различные изменения, находящиеся в пределах объема, определяемого приложенной формулой изобретения.

Группа изобретений относится к системе, содержащей герметичный центробежный сепаратор, и способу регулирования в такой системе. Система регулирования характеристиками сепарированного тяжелого компонента в герметичном сепараторе содержит герметичный центробежный сепаратор, причем сепаратор содержит ротор, содержащий сепарирующую камеру, впускной канал для смеси разделяемых компонентов, первый выпускной канал для приема, по меньшей мере, одного сепарированного легкого компонента, второй выпускной канал для приема, по меньшей мере, одного сепарированного тяжелого компонента. При этом система дополнительно содержит средство рециркуляции для возврата части сепарированного тяжелого компонента из второго выпускного канала в сепарирующую камеру, первое средство мониторинга, отслеживающее плотность, расход или комбинацию этих параметров тяжелого компонента во втором выпускном канале, первое регулирующее средство, регулирующее рециркуляционный расход в ответ на управляющий сигнал от первого средства мониторинга. Согласно способу регулирования характеристиками сепарированного тяжелого компонента в системе сначала подают смесь компонентов из впускного канала в сепарирующую камеру, после этого сепарируют смесь компонентов в сепарирующей камере на легкие и тяжелые компоненты, затем подают, по меньшей мере, один легкий компонент в первый выпускной канал и подают, по меньшей мере, один тяжелый компонент во второй выпускной канал. После этого возвращают часть сепарированного тяжелого компонента из второго выпускного канала во впускной канал, отслеживают параметры плотности, расхода или комбинацию этих параметров тяжелого компонента, текущего во втором выпускном канале, создают первый управляющий сигнал в соответствии с этим параметром и регулируют расход рециркуляции в ответ на этот управляющий сигнал. Техническим результатом является обеспечение постоянной концентрации сепарированного шлама и предотвращение забивания выпускных труб для тяжелой фазы в системах, в которых содержание тяжелого компонента сильно меняется или остается постоянно низким. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система регулирования характеристиками сепарированного тяжелого компонента в герметичном сепараторе, содержащая
герметичный центробежный сепаратор (1),
причем сепаратор содержит:
ротор, содержащий сепарирующую камеру (20),
впускной канал (2) для смеси разделяемых компонентов,
первый выпускной канал (4) для приема, по меньшей мере, одного сепарированного легкого компонента,
второй выпускной канал (5) для приема, по меньшей мере, одного сепарированного тяжелого компонента,
при этом система дополнительно содержит средство (8) рециркуляции для возврата части сепарированного тяжелого компонента из второго выпускного канала (5) в сепарирующую камеру (20),
первое средство (12) мониторинга, отслеживающее плотность, расход или комбинацию этих параметров тяжелого компонента во втором выпускном канале (5),
первое регулирующее средство (11, 15, 128), регулирующее рециркуляционный расход в ответ на управляющий сигнал от первого средства (12) мониторинга.

2. Система по п.1, содержащая второе средство (11) мониторинга, отслеживающее расход тяжелого компонента, текущего во втором выпускном канале (5),
второе регулирующее средство (13), регулирующее давление путем регулирования первого клапана (6) противодавления в первом выпускном канале (4) в ответ на управляющий сигнал от второго средства (13) мониторинга.

3. Система по пп.1 или 2, содержащая третье средство мониторинга, отслеживающее давление во втором выпускном канале (5), третье регулирующее средство (14), регулирующее давление путем регулирования второго клапана (7) противодавления во втором выпускном канале (5) в ответ на управляющий сигнал от третьего средства мониторинга.

4. Система по п.1 или 2, в которой регулирующее средство (11, 13, 14, 15, 18) осуществляет регулирование в ответ на сигнал, основанный на разнице между управляющим сигналом от средства (11, 12) мониторинга и уставкой для отслеживаемого параметра.

5. Система по п.1, содержащая четвертое средство мониторинга, отслеживающее расход на средстве рециркуляции, и четвертое регулирующее средство (15), регулирующее рециркуляционный расход в ответ на управляющий сигнал от четвертого средства мониторинга, в котором четвертое регулирующее средство (15) получает свою уставку с выхода первого регулирующего средства (11).

6. Система по одному из пп.1, 2 или 5, в которой регулирующие средства (11, 13, 14, 15, 17) являются ПИД-регуляторами.

7. Система по одному из п.п.1, 2 или 5, в которой первое регулирующее средство является МРС-регулятором (18), при этом второе, третье и четвертое регулирующие средства являются ПИД-регуляторами (13-15), и где первое регулирующее средство (18) передает уставки, по меньшей мере, на одно из второго, третьего и четвертого регулирующих средств (13-15).

8. Система по одному из пп.1, 2 или 5, в которой второй выпускной канал (5) соединен с выпускными трубами (21) тяжелого компонента внутри сепарирующей камеры (20), в которой впускные отверстия этих труб (21) расположены рядом с внутренней стенкой барабана (19) сепаратора.

9. Система по одному из п.п.1, 2 или 5, в которой герметичный центробежный сепаратор содержит выпускные отверстия для факультативной прерывистой выгрузки шлама.

10. Способ регулирования в системе по п.1, согласно которому
подают смесь компонентов из впускного канала в сепарирующую камеру;
сепарируют смесь компонентов в сепарирующей камере на легкие и тяжелые компоненты;
подают, по меньшей мере, один легкий компонент в первый выпускной канал;
подают, по меньшей мере, один тяжелый компонент во второй выпускной канал;
возвращают часть сепарированного тяжелого компонента из второго выпускного канала во впускной канал;
отслеживают параметры плотности, расхода или комбинацию этих параметров тяжелого компонента, текущего во втором выпускном канале;
создают первый управляющий сигнал в соответствии с этим параметром (параметрами); и
регулируют расход рециркуляции в ответ на этот управляющий сигнал.

11. Способ по п.10, согласно которому
отслеживают параметр расхода тяжелого компонента, текущего во втором выпускном канале;
создают второй управляющий сигнал в соответствии с этим параметром расхода; и
регулируют давление в первом выпускном канале, регулируя первый клапан противодавления в первом выпускном канале в ответ на второй управляющий сигнал.

12. Способ по п.10 или 11, согласно которому
отслеживают параметр давления во втором выпускном канале;
создают третий управляющий сигнал в соответствии с параметром давления; и
регулируют давление во втором выпускном канале, регулируя второй клапан противодавления во втором выпускном канале в ответ на этот третий управляющий сигнал.

13. Способ по п.10 или 11, согласно которому при регулировании вычисляют разницу между управляющим сигналом и уставкой отслеживаемого параметра.

14. Способ по п.13, согласно которому
отслеживают параметр расхода в средстве рециркуляции;
создают четвертый управляющий сигнал в соответствии с этим параметром расхода в средстве рециркуляции; и
регулируют расход рециркуляции в ответ на четвертый управляющий сигнал, причем при регулировании вычисляют разницу между четвертым управляющим сигналом и уставкой, которая соответствует первому управляющему сигналу.