CN107530716B - 离心分离器及关于其的方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了监控和控制离心分离器中的E线位置的方法。本文还公开了一种离心分离器。E线位置尤其基于轻液相和重液相的监测的密度、轻液相和/或重液相出口通路(14)处的监测压力来连续地计算。第一阀和/或第二阀(30)控制成基于监控的E线位置来控制E线位置。

Description

离心分离器及关于其的方法
技术领域
本发明大体上涉及离心分离器中的E线位置的监控和控制。更具体而言，本发明涉及监控离心分离器中的E线位置的方法、控制离心分离器中的E线位置的方法，以及关于其的计算机程序和计算机程序产品。本发明还涉及一种在其中控制E线位置的离心分离器。
背景技术
在离心分离器的旋转转子内，形成了重液相与轻液相之间的界面。该界面也可称为E线。界面的位置对于离心分离器的分离性能很重要。如果界面定位在径向外侧太远，则轻液相将通过用于重液相的出口逸出，且反之亦然。此外，在界面的最佳位置处，可利用离心分离器的全部能力。如果界面定位在该最佳位置的径向内侧，例如，用以避免该界面将定位成沿径向向外太远，则未利用离心分离器的全部能力。
US 6143183公开了用于监测、诊断、操作和控制连续进料离心机的各种参数和过程的计算机控制系统。计算机控制系统基于来自一个或多个监测传感器的输入促动多个控制装置中的至少一个，以便提供实时连续操作控制。监测传感器可感测过程参数和位于离心机的转子内和离心机外侧或外部的其它参数。参数包括机器操作参数，以及涉及离心机的输入和输出流的参数。监测传感器可直接地测量转子中的界面的位置。
US 6616589公开了结合用于将轻相液体、重相液体和/或固体从其混合物分离的喷嘴离心机使用的控制设备，其中分离的重相和固体通过布置在喷嘴离心机的转子的外周处的喷嘴连续除去。分离的轻相液体通过转子中的中心出口排出。通过与转子分离室的径向外部连通的转子中的空间，液体可在压力下供应至转子或从转子排出，以用于保持分离轻相与重相之间的分离室中形成的界面层。供应装置和排出装置适于分别供应至转子和从转子排出仅所述目的所需那样多的液体。排出装置与供应装置分离，使得排出的液体不必经历供应装置生成的压力或供应装置中保持的压力。界面层通过使用恒压阀供应和排出液体来控制。
US 2009/298666公开了一种带有分离筒的分离器，其具有垂直旋转轴线，且该分离器还具有以下：用于驱动分离筒的旋转心轴，用于待处理的产品的流入管，至少两个液体出口，各自用于轻相(LP)和重相(HP)。用于轻相的液体出口设有配水盘。分离板堆叠布置在分离筒中。用于重相的液体出口在筒外侧后接可设置的节流装置，其具有环形盘，且设计成用于移置液体半径R(HP)，重相通过用于重液相的流出截面中的变化在筒中延伸到该液体半径R，即，通过节流。提到了重相出口和配水盘处的压降对重相和轻相流出半径的影响。未详细描述的在线专业系统声称能够保持稳定分离过程，即使可能发生产品供应速率和产品成分的波动，或可能发生重HP和/或较轻液相LP的密度波动。通过测量某些流量和/或密度，可总结出设置重相出口的节流装置和/或配水盘的节流的所谓的结论。
如US 6143183中公开的在离心分离器的快速旋转转子中布置传感器是有问题的。离心力和流动的流体会影响传感器。此外，信号从快速旋转的传感器传输很难。因此，在分离器的转子中利用传感器测量E线的位置很难。使用如US 2009/298666中公开的轻相和重相出口处的节流的专业系统的途径可为可能的备选方案。然而，US 2009/298666仅提到此专业系统而未提供关于其实施的信息。
发明内容
本发明的一个目的在于至少部分地克服现有技术的一个或多个上文提到的局限。具体而言，其目的在于监控离心分离器中的E线位置的位置。
根据本发明的一个方面，该目的通过监控构造成从液体进料混合物分离重液相和轻液相的离心分离器中的E线位置的方法来达成。离心分离器包括转子、布置在转子内的圆锥形分离盘的堆叠、用于进到转子中的液体进料混合物的入口、用于自转子的轻液相的第一出口通路、用于自转子的重液相的第二出口通路。第一出口通路的入口侧布置在第一半径处，且第二出口通路的入口侧布置在第二半径处。该方法包括以下步骤：使转子在角速度下旋转、将液体进料混合物给送到转子中、监测轻液相的密度、监测重液相的密度、监测第一出口通路的出口侧处和/或第二出口通路的出口侧处的压力、监测关于E线位置与第一出口通路的出口侧之间的第一压降的第一参数、监测关于E线位置与第二出口通路的出口侧之间的第二压降的第二参数，以及基于以下连续地计算关于E线位置的参数：第一半径、第二半径、角速度、轻液相的监测密度、重液相的监测密度、第一出口通路的出口侧处和/或第二出口通路的出口侧处的监测压力，关于E线位置与第一出口通路的出口侧之间的第一压降的监测的第一参数，以及关于E线位置与第二出口通路的出口侧之间的第二压降的监测的第二参数。
由于关于E线位置的参数基于轻液相和重液相的监测密度、第一出口通路的出口侧处和/或第二出口通路的出口侧处的监测压力、监测的第一参数和监测的第二参数来连续地计算，故提供了可靠监控的E线位置的基础。结果，实现了上述目的。
发明人已经认识到，这些特定参数的监测使得有可能连续地计算关于E线位置的参数。
离心分离器的转子围绕旋转轴线旋转。第一半径和第二半径从旋转轴线到第一出口通路和第二出口通路的相应入口侧测量。轻液相通过第一出口通路流出离心分离器。重液相通过第二出口通路流出离心分离器。离心分离器可构造成将密度大于轻液相的组分从液体混合物分离。组分可包括固体物质和/或淤渣。轻液相和重液相的密度可直接地监测和/或间接地监测。在连续地计算关于E线位置的参数的上下文中，用语"连续地计算"引起关于E线位置的参数随着时间或多或少规则地在离散情况下计算。此离散情况的频率可取决于给送到离心分离器中的液体进料混合物的成分的暂时变化。关于E线位置的参数可为转子中的E线的实际半径。然而，关于E线位置的其它参数可备选地计算，例如，诸如用于重液相的出口处和/或用于轻液相的出口处的压力。
根据实施例，监测轻液相的密度的步骤可包括监测轻液相或液体进料混合物的温度，且监测重液相的密度的步骤可包括监测重液相或液体进料混合物的温度。连续地计算关于E线位置的参数的步骤可包括：基于轻液相或液体进料混合物的监测温度计算轻液相的密度，以及基于重液相或液体进料混合物的监测温度计算重液相的密度。以此方式，轻液相和重液相的密度可间接地监测，且可容易基于轻液相和重液相或液体进料混合物的监测温度确定。在后一情况中，假定轻液相和重液相的温度与液体进料混合物的相同。
根据本发明的另外的方面，提供了一种计算机程序，其构造成执行根据本文公开的任何一个方面和/或实施例的监控离心分离器中的E线位置的方法。
根据本发明的另外的方面，提供了一种包括计算机可读代码的计算机程序产品，该代码构造成引起与离心分离器相关联的控制系统执行根据本文公开的任何一个方面和/或实施例的监控离心分离器中的E线位置的方法。例如，此计算机程序产品可为CD-ROM盘、USB存储装置、硬盘驱动器、ROM芯片或EPROM芯片。
根据本发明的另外的方面，提供了一种控制构造成从液体进料混合物分离重液相和轻液相的离心分离器中的E线位置的方法，离心分离器包括可围绕旋转轴线旋转的转子、布置在转子内的圆锥形分离盘的堆叠、用于进到转子中的液体进料混合物的入口、用于自转子的轻液相的第一出口通路、用于自转子的重液相的第二出口通路，其中第一出口通路的入口侧布置在第一半径处，且第二出口通路的入口侧布置在第二半径处，其中离心分离器还包括用于控制第一出口通路的出口侧处的压力的可控制的第一阀，和/或用于控制第二出口通路的出口侧处的压力的可控制的第二阀。控制E线位置的方法包括根据本文公开的任何一个方面和/或实施例的监控离心分离器中的E线位置的方法，且还包括以下步骤：
如果实际E线位置在E线位置设置点的径向外侧延伸，则使用第二阀升高第二出口通路的出口侧处的压力，且/或使用第一阀降低第一出口通路的出口侧处的压力。由于E线位置如上文所论述的那样可靠地监控，且第二阀用来升高第二出口通路的出口侧处的压力，且/或第一阀用来降低第一出口通路处的压力，则E线位置在这样需要时朝E线设置点径向向内地调整。此外，由于E线位置如上文所论述的那样可靠地监控，且相应地连续地计算关于E线位置的参数，故E线位置以不需要实际E线位置的直接测量的方式控制。换言之，E线位置基于关于E线位置的计算参数控制。本发明的一个优点在于，有可能补偿进入离心分离器的入口的不规则液体进料混合物温度。
根据实施例，控制E线位置的方法可包括以下步骤：
如果实际E线位置在E线位置设置点的径向内侧延伸，则使用第二阀降低第二出口通路的出口侧处的压力，且/或使用第一阀升高第一出口通路的出口侧处的压力。以此方式，E线位置可在这样需要时朝E线设置点径向向外地调整。
根据实施例，第二出口通路的出口侧处的压力或第一出口通路的出口侧处的压力可通过用于控制离心分离器中的E线位置的PI控制算法的操纵变量来控制。以此方式，可使用由监控E线位置的方法计算的E线位置通过使PI控制算法控制第二出口通路的出口侧处或第一出口通路的出口侧处的压力来利用PI控制算法控制E线位置。
根据实施例，转子可包括用于在转子的旋转期间从转子连续地喷出固体物质和/或淤渣的至少一个沿外周布置的喷嘴开口。该方法还可包括以下步骤：
如果穿过至少一个喷嘴开口的重液相流超过液体进料混合物的重液相含量，则将重液相加入转子中。
以此方式，如果液体进料混合物包含太少的水，则E线位置可在设有用于从转子喷出固体物质和/或淤渣的外周喷嘴开口的离心分离器中朝E线位置设置点调整。重液相可加入转子中，例如，经由第二出口通路，经由通向转子的外周位置的单独的管道，或通过将重液相加入液体进料混合物。
根据本发明的另外的方面，提供了一种计算机程序，其构造成执行根据本文公开的一个方面和/或实施例的控制离心分离器中的E线位置的方法。
根据另外的方面，提供了一种包括计算机可读代码的计算机程序产品，该代码构造成引起与离心分离器相关联的控制系统执行根据本文公开的任何一个方面和/或实施例的控制离心分离器中的E线位置的方法。例如，此计算机程序产品可为CD-ROM盘、USB存储装置、硬盘驱动器、ROM芯片或EPROM芯片。
根据另外的方面，提供了一种从液体进料混合物分离重液相和轻液相的离心分离器。离心分离器包括可围绕旋转轴线旋转的转子、布置在转子内的圆锥形分离盘的堆叠、用于进到转子中的液体进料混合物的入口、用于自转子的轻液相的第一出口通路，以及用于自转子的重液相的第二出口通路。第一出口通路的入口侧布置在第一半径处，且第二出口通路的入口侧布置在第二半径处。离心分离器还包括用于控制第一出口通路的出口侧处的压力的可控制的第一阀和/或用于控制第二出口通路的出口侧处的压力的可控制的第二阀，以及构造成执行根据任何一个方面和/或本文公开的实施例的控制离心分离器中的E线位置的方法的控制系统。
根据实施例，离心分离器可进一步构造成从液体混合物分离固体物质和/或淤渣。转子可包括用于分离的固体和/或淤渣的间断排出的排出端口。以此方式，收集在分离器碗的内周处的固体物质和/或淤渣可从分离器碗通过排出端口喷出。排出端口可由离心分离器的控制系统间断地开启。为了实现排出端口的间断开启，转子可包括上碗部分和下碗部分。当上碗部分和下碗部分分离时，固体物质和/或淤渣可流出排出端口。上碗部分和下碗部分的间断分离可由控制系统控制。
根据实施例，离心分离器可进一步构造成从液体混合物分离固体物质和/或淤渣。转子包括至少一个在外周布置的喷嘴开口，以用于在转子的旋转期间从转子连续地喷出固体物质和/或淤渣。以此方式，固体物质和/或淤渣可从液体混合物分离，且可通过该至少一个喷嘴开口连续地排出。
固体物质和/或淤渣形成密度高于重液相的组分，以从液体混合物分离。
本发明的其它目的、特征、方面和优点将从以下详细描述和附图出现。
附图说明
现在将通过举例参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1a和1b示出了穿过根据实施例的离心分离器的部分的局部截面，
图2示出了带有填充有重液相的一个腿部和填充有轻液相的另一个腿部的U形管，
图3a和3b示出了穿过根据实施例的离心分离器的部分的截面，
图4示出了监控离心分离器中的E线位置的方法，以及
图5示出了控制离心分离器中的E线位置的方法。
具体实施方式
现在将更完整地描述本发明的方面。相似的数字表示各处相似的元件。为了简明和/或清楚起见，公知的功能或结构不一定详细描述。
图1a示出了穿过根据实施例的离心分离器2的部分的局部截面。离心分离器2包括可围绕旋转轴线6旋转的转子4，以及布置在转子4内的圆锥形分离盘8的堆叠。转子4布置在未示出的分离器壳体中。分离盘8的堆叠布置在顶盘7与底盘9之间，其也可称为分配器。分离空间5在转子4中形成在顶盘7与底盘9之间。离心分离器2还包括进到转子4中的居中布置的入口10、自转子4的第一出口通路12，以及自转子4的第二出口通路14。
离心分离器2构造成从液体进料混合物分离轻液相和重液相。液体进料混合物在转子4的旋转期间经由入口10进入转子4。液体进料混合物在底盘9下方流至通过底盘9形成且由分离盘8中的孔或槽口形成的一个或多个所谓的分配通道15。通过分配通道15，液体进料混合物在分离盘8的堆叠和分离空间5中分配。在分离盘8的堆叠中，液体进料混合物分成轻液相和重液相。轻液相与重液相之间的界面(所谓的E线21)形成在转子4中。轻液相从转子4经由第一出口通路12流动或泵送。类似地，重液相从转子4经由第二出口通路14流动或泵送。其中，第一出口通路12和第二出口通路14及其特定布置确定了离心分离器2中的E线21的半径RE。E线21的半径RE也可称为E线位置。
在此上下文中，可提到的是，在重液相与轻液相之间的中间区域中存在浓度梯度。E线(平衡线)是作为两个液相之间的相异界面的中间区域的简称。
控制E线位置的一种方式在于通过使用如图1a中所示的实施例中的堰16,18。轻相侧上的堰称为水平环16，而重相侧上的堰称为重力盘18。第一出口通路12在水平环16处开始。因此，第一出口通路12的入口侧布置在第一半径RL处。类似地，第二出口通路14在重力盘18处开始，且第二出口通路14的入口侧布置在第二半径RG处。在这些实施例中，第一出口通路12和第二出口通路14各自还包括配水盘形式的出口部件17,19。
根据一些实施例，离心分离器2还可构造成从液体进料混合物分离固体物质和/或淤渣。转子4可包括具有上碗部分20和下碗部分22的分离器碗，其可构造成在转子4的旋转期间与彼此间断地分离。因此，在分离器碗的内周处收集在转子4的淤渣空间24中的淤渣可从分离器碗和转子4喷出。上碗部分20和下碗部分22的分离可由离心分离器2的控制系统25控制。在上碗部分20和下碗部分22的径向外侧，转子4包括未示出的排出端口，通过其，来自淤渣空间24的淤渣和/或分离的固体物质在转子4的旋转期间间断地排出。排出端口由离心分离器2的控制系统25间断地开启，该控制系统25构造成间断地分离上碗部分20和下碗部分22。
根据图1b中所示的备选实施例，转子4可包括至少一个布置在外周的喷嘴开口27，以用于在转子4的旋转期间从转子4的淤渣空间24连续地喷出固体物质和/或淤渣。
根据一个实施例，液体进料混合物包含油、水和固体物质。因此，在此实施例中，轻液相是油，且重液相是水。固体物质可为相比重液体具有较高密度的任何非液体物质，即，在这些实施例中，比水重。收集在转子4的淤渣空间24中的来自淤渣的水和固体物质在转子4内的最大径向位置处。淤渣从淤渣空间24经由如上文所论述的排出端口或喷嘴开口喷出。
E线位置对于离心分离器2中的轻液相或重液相的分离的效率很重要。对于液体进料混合物主要包括带有一些水和一些固体物质的油的离心分离器2，最佳E线位置是在分配通道15外的半径处。如果E线位置在较小半径处，则大部分流穿过分离盘8的堆叠的下部，且分离效率相比于具有最佳E线位置处的E线21远低于由离心分离器2可获得的。将E线位置保持在太大的半径处的缺点在于，更轻的液相(即，在这种情况下是油)可经由第二出口通路14逸出，即，在这种情况下是用于水的出口。此外，如果E线位置位于顶盘7外，则E线21"失去"，且没有什么防止轻液相和重液相两者到达第二出口通路14。
现在将更详细论述用于确定E线位置(即，离心分离器中的E线的半径RE)的物理理论。图2示出了带有填充有重液相的一个腿部和填充有轻液相的另一个腿部的U形管。在E线21处，来自轻液相的压力PE和来自重液相的压力是平衡的。这给出了静态平衡方程(1)：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中Pambient=环境空气压力；ρHP, ρLP =重液相密度和轻液相密度；hHP, hLP =重液相柱和轻液相柱的高度；以及g=重力加速度。
如关于图1a和1b所述，离心分离器2的转子4中的E线21处的压力PE的对应静态平衡方程(2)如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中RE=径向位置，假设E线；RG=重力盘18的半径；RL=水平环16的半径；PgasHP=重力盘18处的重液相表面处的气体压力；PgasLP=水平环16处的轻液相表面处的气体压力；ω=转子4的角速度。
在具有水平环16和重力盘18的分离器2中，惯例是选择具有适合半径RG的重力盘18来在水平盘16的给定半径RL下达到E线21(E线位置)的期望半径RE。如果离心分离器设计成带有用于平衡气压的通风孔，则两个气压PgasHP和PgasLP相同。因此，静态平衡方程(2)在方程(3)中提供重力盘18的半径RG：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
已知液相密度ρLP, ρHP，可计算正确的重力盘半径RG。
还可考虑重液相和轻液相的动态方面来计算最佳重力盘半径RG。因此，轻液相和重液相中的与流相关的压降也影响重力盘半径RG的选择。(在以下示例中，也将考虑这些压降。)
并非所有分离过程都可在稳定状态下执行，例如，并非所有液体进料混合物都具有随着时间恒定或随着时间具有相同温度的成分。因此，影响分离过程的一个或多个参数可在某些类型的液体进料混合物的分离期间改变，例如，在具有随着时间变化的水含量的液体进料混合物和/或具有随着时间变化的温度的液体进料混合物中的油和水的分离期间。因此，如果液体进料混合物的一个或多个参数在图1a的离心分离器2中变到一定程度，则需要改变重力盘半径RG，以便保持期望的E线位置。因此，离心分离器2必须停止和拆卸来改变重力盘18。
在其它类型的离心分离器中，E线位置可受控制，而不停止离心分离器来改变重力盘。图3a示出了穿过根据实施例的离心分离器2的一部分的截面。替代设有水平环，离心分离器2包括可控制的第一阀28，借助于其，可控制第一出口通路12的出口侧处的背压。因此，离心分离器2的控制系统25可控制可控制的第一阀28，以控制轻液相出口侧上的背压来保持E线21在分离空间5中的最佳半径RE处。图3b示出了穿过根据实施例的离心分离器2的一部分的截面。替代设有用于控制离心分离器2中的E线位置的重力盘，离心分离器2包括可控制的第二阀30，借助于其，可控制第二出口通路14的出口侧处的背压。因此，离心分离器2的控制系统25可控制可控制的第二阀30和重液相外侧上的背压，以保持E线在分离空间5中的最佳半径RE处。
因此，在图3a和3b的离心分离器2中，第一出口通路12的入口侧布置在第一半径RLP,RL处，且第二出口通路14的入口侧布置在第二半径RHP,RG处。图3a的离心分离器2还包括用于控制第一出口通路12的出口侧处的压力的可控制的第一阀28，且图3b的离心分离器2包括用于控制第二出口通路14的出口侧处的压力的可控制的第二阀30。控制系统25可构造成执行控制根据本文公开的任何一个方面和/或实施例的控制离心分离器2中的E线位置的方法。在备选实施例中，离心分离器可包括可控制的第一阀28和第二阀30两者，而没有水平环16或重力盘18。
控制系统25可包括构造成运行计算机程序的计算机可读代码的微处理器26。计算机程序可构造成执行监控和/或控制离心分离器中的E线位置的方法。因此，微处理器26还可通过控制可控制的第一阀28和/或第二阀30来控制第一出口通路12和/或第二出口通路14的出口侧处的压力。可选地，控制系统25可控制将水加入转子中，见下文。例如，控制系统25还可包括科里奥利型质量流量计31,31',31''、压力传感器33,33',33'和温度传感器35,35',35''中的一个或多个，其与微处理器26通信来监测/测量/感测液体进料混合物和/或轻液相和/或重液相的密度、质量流、体积流、流体压力和温度中的一个或多个。
现在将更详细论述用于确定根据图3b的离心分离器2中的E线位置(即，E线21的半径RE)的物理理论。基于上文所论述的平衡方程(2)，且考虑轻液相和重液相中的与流相关的压降，根据图3b的实施例的离心分离器2中的平衡方程(4)如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中RHP=第二出口通路14的入口侧的半径；△PHP =E线21与第二出口通路14的入口侧之间的与流相关的压降的和；PHP =来自第二阀30的背压；△PPumpHP =由形成第二出口通路14的配水盘产生的压力增加；△PLP =E线与水平环16之间的所有与流相关的压降的和；△PLR =水平环16处的压降。
例如，E线21的半径RE可使用方程(4)计算。备选地，将E线设置在特定半径RE处所需的来自第二阀30的背压PHP可使用方程(4)计算。因此，E线位置不必在离心分离器的转子中物理地测量，而是可改为被计算。当所有压降△PHP, △PLP, △PLR都由具有输入参数(例如，轻液相和重液相的流率、流体粘度、密度、转子速度等)的已知数学函数和△PPumpHP (由形成第二出口通路14的配水盘的泵曲线提供)描述时，需要由第二阀30提供来将E线定位在半径RE处所需的背压PHP由以下给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
如上文所论述，如果一个或多个分离参数变化，则控制E线位置适合由控制系统25利用控制算法(如，PID或PI控制算法)来完成。期望的/最佳的E线位置形成控制算法的E线位置设置点RE_sp。实际E线位置形成控制算法的过程值，RE_pv。控制算法提供操纵变量的值，这在一些实施例中是用于由第二阀30设置背压PHP的控制变量，即，重液相出口上的背压。因此，控制系统25可连续地设置背压PHP。PID控制算法由方程(6)给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中：u(t)是提供成控制过程的输出信号，在这些实施例中是用于控制背压PHP的信号；e(t)=误差，即，设置点与过程值之间的差异，在这些实施例中是RE_sp - RE_pv；KP=比例增益；TI=积分时间；TD=微分时间。
噪音可存在于测量信号中。为了避免干扰输出信号的噪音，可消除微分值。因此，PI控制算法可由TD=0提供。
如上文所论述，方程(4)可用于计算E线位置。根据本发明，计算的E线位置RE_pv(实际E线位置)用作形成对PI控制算法的输入的过程值。对于E线21的平衡方程给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
因此，用于控制由方程(6)和(7)给出的第二阀30的所得的PI控制算法(其中TD=0)是：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其中e(t) = RE_sp - RE_pv(t)，且其中u(t)是由控制系统25提供至可控制的第二阀30来控制重液相出口上的背压的控制信号，以便将E线位置保持在E线设置点，RE_sp。
根据备选实施例，PI算法可利用压力替代E线的径向位置来控制E线位置。在此类实施例中，基于以上方程(5)的以下方程(9)提供了重液相的出口通路14中的设置点压力PHP_sp，需要该设置点压力以便在分离过程的参数随着时间变化时将E线21保持在最佳位置。由于分离过程的参数(例如温度、密度等)随时间变化，故控制E线至设置点所需的压力随时间变化。
由方程(6)和(9)给出的用于控制第二阀30的所得的PI算法(其中TD=0)是：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
其中e(t) = PHP_sp(t) - PHP_pv(t)，且其中u(t)是由控制系统25提供至可控制的第二阀30来控制重液相出口上的背压的控制信号，以便将E线位置保持在期望位置。PHP_pv是由重液相出口上的压力传感器33'感测到的实际压力。
以上推论可改变而还应用于根据图3a的实施例的离心分离器2，其包括轻液相出口侧上的可控制的第一阀28，以及重力盘18，但没有水平环。这将带来方程(11)：
其中PLP=来自第一阀28的背压；△PG =重力盘18处的压降。
使用方程(8)中的该RE_pv，u(t)将提供控制信号，借助于其，控制系统25控制可控制的第一阀28来控制轻液相出口上的背压，以便将E线位置保持在E线设置点，RE_sp。
如图3b中的实施例那样，也在图3a的实施例中，PI算法可备选地使用压力来控制第一阀28，以便将E线保持在期望的位置。因此，关于轻液相出口侧上的压力设置点的方程(对应于方程(9))可在根据方程(10)的PI控制算法中利用。
此外，也在包括可控制的第一阀28和第二阀30而没有水平环16或重力盘18的离心分离器的备选实施例中，可应用以上推论，带来了方程(12)。
Figure DEST_PATH_IMAGE024
使用根据方程(8)中的方程(12)计算的RE_pv，u(t)将提供控制信号，借助于其，控制系统25控制可控制的第一阀28来控制轻液相出口上的背压，或控制可控制的第二阀30来控制重液相出口上的背压，以便将E线位置保持在E线设置点，RE_sp。控制策略可设计成确定轻液相出口上的背压何时经由第一阀28控制，以及重液相出口上的背压何时经由可控制的第二阀30控制。根据一个示例，如果过程值与设置点之间的差异超过阈值，则控制策略可涉及经由可控制的第二阀30控制仅重液相出口上的背压，且如果过程值与设置点之间的差异未超过阈值，则经由可控制的第一阀28控制仅轻液相出口上的压力。
如图3b和3a的上文论述的实施例中那样，也在带有第一阀28和第二阀30两者的实施例中，PI算法可备选地利用压力以便控制第一阀28和第二阀30。因此，对应于方程(9)的考虑了轻液相和重液相两者的相关参数的关于压力设置点的方程可在根据方程(10)的PI控制算法中利用。
取决于相关分离过程，存在各种不同的可能的变量。例如，液体进料混合物的温度可变化。因此，轻液相和/或重液相的密度可变化。密度ρHP, ρLP可计算为液体进料混合物温度的函数，或轻液相和重液相的独立温度的函数。备选地，密度ρHP, ρLP可使用科里奥利型质量流量计或其它适合的仪器来测量。轻液相和/或重液相的量可在液体进料混合物中变化。液体进料混合物的流率可变化。RHP和RLP是相关离心分离器的已知设计参数。测量背压PHP,PLP。轻液相侧和重液相侧的气体压力PgasLP, PgasHP可测量，或可设置为恒定值。不同压力△PLP, △PLR, △PHP, △PG, △PPumpLP和△PPumpHP是技术人员已知的函数关系，且可从已知变量(例如转子速度、流率、密度、粘度和设计参数)计算。设计参数涉及相关类型的离心分离器，且是技术人员已知的。△PLP随ρLP、ω、轻液相流率、轻液相粘度和相关离心分离器的设计大小而变。分离盘的堆叠从E线位置且向内至轻液相出口的压降包括在该压降△PLP中。△PHP随ρHP、ω、重液相流率、重液相粘度和设计大小而变。分离盘的堆叠从E线位置且向外的压降包括在该压降△PHP中。△PPumpHP随ρHP、ω、重液相流率和设计大小而变。△PPumpLP随ρLP、ω、轻液相流率和设计大小而变。△PPumpHP和△PPumpLP例如可由用于配水盘的相关泵曲线提供。
本发明基于使用压力平衡方程、可测量的数据和测得的或之前已知的流体性质来计算E线位置以计算径向E线位置或压力设置点的构想。如上文所论述，该计算的径向E线位置或压力设置点用于控制算法中，用以通过调整重液相出口侧或轻液相出口侧或者重液相出口侧和轻液相出口侧两者上的背压来调整实际E线位置至期望的E线位置。这提供了过程参数的变化的快速且准确的补偿，从而允许E线位置一直保持在最佳/期望位置。
在上文参照图3b所论述的实施例中，重液相出口侧上的背压经由可控制的第二阀30控制，以保持期望/最佳的E线位置。在上文参照图3a所论述的实施例中，轻液相出口侧上的背压经由可控制的第一阀28控制来保持期望/最佳的E线位置。在上文所论述的另外的实施例中，控制系统25构造成控制第一阀28和第二阀30两者。此外，存在带有气密性地机械密封的入口和出口(通常分别称为气密性入口和出口)的离心分离器。类似的平衡方程可针对此离心分离器设置，因此提供了计算此离心分离器中的E线位置或压力的模拟工具。因此，计算的E线位置或压力然后用于控制算法中以用于与前文论述的实施例相同的方式控制E线位置。
图4示出了一种监控离心分离器中的E线位置的方法100。离心分离器构造成从液体进料混合物分离重液相和轻液相，且可为根据关于图3a和3b所述的任何实施例的离心分离器。平衡方程(7),(11),(12)中的一个可用于在E线位置的监控期间连续地计算E线位置的实际半径RE_pv。备选地，可在监控E线位置期间利用上文论述的方程(9)和用于连续地计算轻液体出口侧和/或重液体出口侧处的压力的对应方程。因此，离心分离器2包括转子4、布置在转子4内的圆锥形分离盘8的堆叠、用于进到转子中的液体进料混合物的入口10、用于自转子的轻液相的第一出口通路12、用于自转子的重液相的第二出口通路14。第一出口通路12的入口侧布置在第一半径RLP,RL处，且第二出口通路14的入口侧布置在第二半径RHP,RG处。
监控E线位置的方法100包括以下步骤：
-使转子4在角速度ω下旋转102；
-将液体进料混合物给送104到转子4中；
-监测106轻液相的密度ρLP，
-监测108重液相的密度ρHP，
-监测110第一出口通路12的出口侧处和/或第二出口通路14的出口侧处的压力PLP,PHP，
-监测112关于E线位置与第一出口通路12的出口侧之间的第一压降△PLP的第一参数，
-监测114关于E线位置与第二出口通路14的出口侧之间的第二压降△PHP的第二参数，以及
-连续地计算116关于E线位置的参数，RE_pv, PHP_sp，或对应基于以下：第一半径RLP,RL、第二半径RHP,RG、角速度ω、轻液相的监测的密度ρLP、重液相的监测的密度ρHP、第一出口通路12的出口侧处和第二出口通路14的出口侧处的监测的压力PLP,PHP、关于E线位置与第一出口通路的出口侧之间的第一压降的监测的第一参数，以及关于E线位置与第二出口通路的出口侧之间的第二压降的监测的第二参数。
仅举例提出，连续地计算116关于E线位置的参数的步骤可引起关于E线位置的参数每分钟至少计算6次，该计算频率可提供用于控制E线位置的足够准确性。然而，较高计算频率可提供E线位置的更准确监控。因此，连续地计算116关于E线位置的参数的步骤可引起关于E线位置的参数每秒计算多达若干次。
在离心分离器2包括水平环16(图3b)的实施例中，上文论述的方程(7)可用于连续地计算116关于E线位置的参数的步骤。在离心分离器包括重力盘18(图3a)的实施例中，方程(11)可用于连续地计算116关于E线位置的参数的步骤。类似地，在缺少水平环和重力盘两者的实施例中，方程(12)可用于连续地计算116关于E线位置的参数的步骤。如前文针对所有实施例所论述，关于将E线保持在期望/最佳位置所需的设置点压力的方程可备选地用于连续地计算116关于E线位置的参数的步骤。
监测106轻液相的密度ρLP的步骤可包括监测118轻液相或液体进料混合物的温度，且监测108重液相的密度ρHP的步骤可包括监测120重液相或液体进料混合物的温度。连续地计算116关于E线位置的参数的步骤可包括：基于轻液相或液体进料混合物的监测温度计算122轻液相的密度，以及基于重液相或液体进料混合物的监测温度计算124重液相的密度。对于合理的小温度变化，密度可使用方程(13)计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
其中ρT0是基准温度下的密度，α是接近T0的温度下的热膨胀系数。可使用随温度而变计算轻液相和/或重液相的密度的备选已知方法，例如，诸如由Kell(Journal ofChemical Engineering Data, Vol. 20, 1975)限定用于计算水的密度。计算122,124轻液相和/或重液相的密度可包括从列出各种相关温度下的轻液相和/或重液相的密度的查找表选择密度值。备选地或此外，计算122,124轻液相和/或重液相的密度可包括在计算的密度值之间内插，或在来自列出各种温度下的轻液相和/或重液相的密度的表格的密度值之间内插。
根据实施例，关于第一压降的第一参数可包括轻液相QLP的流率。连续地计算116关于E线位置的参数的步骤可包括基于轻液相的流率QLP、轻液相的密度ρLP、转速ω和一个或多个离心分离器特定参数计算126第一压降。因此，监测112关于第一压降的第一参数的步骤可包括监测轻液相的流率QLP。密度ρLP由步骤106提供。一个或多个离心特定参数取决于相关离心分离器，且是技术人员已知的。第一压降对应于方程(7)的△PLP。
根据实施例，关于第二压降的第二参数可包括重液相QHP的流率。连续地计算116关于E线位置的参数的步骤可包括基于重液相的流率QHP、重液相的密度ρHP、转速ω和一个或多个离心分离器特定参数计算128第二压降。因此，监测114关于第二压降的第二参数的步骤可包括监测重液相的流率QHP。密度ρHP由步骤108提供。一个或多个离心特定参数取决于相关离心分离器，且是技术人员已知的。第二压降对应于方程(7)的△PHP。
计算机程序可构造成执行如上文所论述的监控离心分离器中的E线位置的方法。
图6示出了一种包括CD-ROM盘300的根据实施例的计算机程序产品。计算机程序产品包括计算机可读代码，该代码构造成引起与离心分离器相关联的控制系统执行监控如上文所论述的离心分离器中的E线位置的方法。例如，此计算机程序产品可为CD-ROM盘、USB存储装置、硬盘驱动器、ROM或EPROM芯片。
图5示出了一种控制构造成从液体进料混合物分离重液相和轻液相的离心分离器中的E线位置的方法200。离心分离器可为根据关于图3a和3b所论述的任何实施例的离心分离器2。平衡方程(7),(11),(12)中的一个可用于在E线位置的监控期间连续地计算E线位置的实际半径RE_pv。备选地，可在监控E线位置期间利用上文论述的方程(9)或用于连续地计算轻液相出口侧和/或重液相出口侧处的压力的对应方程。离心分离器2包括可围绕旋转轴线6旋转的转子4、布置在转子4内的圆锥形分离盘8的堆叠、用于进到转子4中的液体进料混合物的入口10、用于自转子4的轻液相的第一出口通路12、用于自转子4的重液相的第二出口通路14，其中第一出口通路12的入口侧布置在第一半径RLP,RL处，且第二出口通路14的入口侧布置在第二半径RHP,RG处，其中离心分离器2还包括用于控制第一出口通路12的出口侧处的压力PLP的可控制的第一阀28，和/或用于控制第二出口通路14的出口侧处的压力PHP的可控制的第二阀30，控制E线位置的方法200包括根据上文所论述的任何一个方面和/或实施例的监控离心分离器中的E线位置的方法100，且还包括以下步骤：
如果实际E线位置RE_pv在E线位置设置点RE_sp径向外侧延伸，则使用第二阀30升高202第二出口通路14的出口侧处的压力PHP，和/或使用第一阀28降低204第一出口通路12的出口侧处的压力PLP。因此，E线位置基于根据如上文所论述的监控E线位置的方法100计算的监控的E线位置来控制。
控制E线位置的方法200还可包括以下步骤：
如果实际E线位置RE_pv在E线位置设置点RE_sp径向内侧延伸，则使用第二阀30降低206第二出口通路14的出口侧处的压力PHP，和/或使用第一阀28升高208第一出口通路12的出口侧处的压力PLP。因此，E线位置基于根据如上文所论述的监控E线位置的方法100计算的监控的E线位置来控制。
第二出口通路14的出口侧处的压力PHP和/或第一出口通路12的出口侧处的压力PLP可通过用于控制离心分离器中的E线位置的PI控制算法的操纵变量来控制。因此，第二出口通路的出口侧处的压力或第一出口通路的出口侧处的压力可基于上文所论述的方程(8)或对应方程控制，以便将E线位置可靠地控制在期望的设置点RE_sp。
根据实施例，转子4包括至少一个在外周布置的喷嘴开口27，以用于在转子4的旋转期间从转子4喷出固体物体和/或淤渣，如关于图1b论述的那样。控制E线位置的方法200还可包括以下步骤：如果穿过该至少一个喷嘴开口27的重液相流超过液体进料混合物的重液相含量，则将重液相加入210转子4中。
因此，纯重液相被加入转子4中，以防止E线沿径向向外移动太远，这将引起轻液相经由第二出口通路14流出转子4，且甚至穿过该至少一个喷嘴开口27。
根据一些实施例，液体进料混合物可包括水和油。在此实施例中，如果液体进料混合物包含太少的水，则水在将重液相加入210转子4中的步骤中加入转子4中。例如，如图3b中所示，水可经由第二出口通路14或经由控制系统25控制的泵34和阀36加入。这样加入水也在通过引用并入本文中的US 6616589中进一步论述。如果水以此方式加入转子中，则水(即，重液相)的温度出于监控和/或控制E线位置的目的由混合的水(即，加入的水和液体进料混合物的水的混合物)的温度确定。
重液相出口处的降低的压力可指示液体进料混合物的重液相含量降低，这需要加入210重液相。在阈值重液相压力值下，重液相可加入转子中。如果重液相出口处的压力继续从阈值重液相压力值降低，则重液相可在增加的速率下加入。如果重液相出口处的压力又升高，则重液相的加入可减少且最终停止。备选地，E线位置的阈值水平可指示液体进料混合物的重液相含量降低，这需要加入210重液相。例如，E线位置的阈值水平可设置在分离盘8的堆叠的外半径处。
计算机程序可构造成执行根据本文公开的任何一个方面和/或实施例的控制离心分离器中的E线位置的方法200。
图6示出了一种包括CD-ROM盘300的根据实施例的计算机程序产品。计算机程序产品包括计算机可读代码，其构造成引起与离心分离器相关联的控制系统执行根据本文公开的任何一个方面和/或实施例的控制离心分离器中的E线位置的方法。控制系统可为如关于图3a和3b所论述的控制系统25。
从以上描述得出的是，虽然已经描述和示出了本发明的各种实施例，但本发明不限于此，而是还可体现为以下权利要求中限定的主题的范围内的其它方式。

Claims (15)

1.一种监控构造成从液体进料混合物分离重液相和轻液相的离心分离器(2)中的E线位置的方法(100)，所述离心分离器(2)包括转子(4)、布置在所述转子(4)内的圆锥形分离盘(8)的堆叠、用于进到所述转子(4)中的液体进料混合物的入口(10)、用于自所述转子(4)的轻液相的第一出口通路(12)、用于自所述转子(4)的重液相的第二出口通路(14)，其中所述第一出口通路(12)的入口侧布置在第一半径(RLP, RL)处，且所述第二出口通路(14)的入口侧布置在第二半径(RHP, RG)处，所述方法(100)包括以下步骤：
使所述转子(4)在角速度(ω)下旋转(102)；
将所述液体进料混合物给送(104)到所述转子(4)中；
监测(106)所述轻液相的密度(ρLP)，
监测(108)所述重液相的密度(ρHP)，
监测(110)所述第一出口通路(12)的出口侧处和/或所述第二出口通路(14)的出口侧处的压力(PLP, PHP)，
监测(112)关于所述E线位置与所述第一出口通路(12)的出口侧之间的第一压降(△PLP)的第一参数，
监测(114)关于所述E线位置与所述第二出口通路(14)的出口侧之间的第二压降(△PHP)的第二参数，以及
基于以下连续地计算(116)关于所述E线位置的参数：
所述第一半径(RLP, RL)，
所述第二半径(RHP, RG)，
所述角速度(ω)，
所述轻液相的监测的密度(ρLP)，
所述重液相的监测的密度(ρHP)，
所述第一出口通路(12)的出口侧处和/或所述第二出口通路(14)的出口侧处的所述监测的压力(PLP, PHP)，
关于所述E线位置与所述第一出口通路的出口侧之间的第一压降(△PLP)的所述监测的第一参数，以及
关于所述E线位置与所述第二出口通路的出口侧之间的第二压降(△PHP)的所述监测的第二参数，
其中以下平衡方程中的一个用于在所述E线位置的监控期间连续地计算所述E线位置的实际半径RE_pv：
方程7：
Figure 637280DEST_PATH_IMAGE001
，
方程11：
Figure 554420DEST_PATH_IMAGE002
，
方程12：
Figure 334157DEST_PATH_IMAGE003
，
其中，△PLR =水平环处的压降；PgasHP=重力盘处的重液相表面处的气体压力；PgasLP=水平环处的轻液相表面处的气体压力；△PPumpHP =由形成所述第二出口通路(14)的配水盘产生的压力增加；△PPumpLP由用于配水盘的相关泵曲线提供；△PG =重力盘处的压降。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，监测(106)所述轻液相的密度(ρLP)的所述步骤包括监测(118)所述轻液相或所述液体进料混合物的温度，其中
监测(108)所述重液相的密度(ρHP)的所述步骤包括监测(120)所述重液相或所述液体进料混合物的温度，且其中
连续地计算(116)关于所述E线位置的参数的所述步骤包括：
基于所述轻液相或所述液体进料混合物的监测温度计算(122)所述轻液相的密度(ρLP)，以及
基于所述重液相或所述液体进料混合物的监测温度计算(124)所述重液相的密度(ρHP)。
3.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，关于所述第一压降(△PLP)的所述第一参数包括所述轻液相(QLP)的流率，且其中
连续地计算(116)关于所述E线位置的参数的所述步骤包括：
基于所述轻液相的流率(QLP)、所述轻液相的密度(ρLP)、所述角速度(ω)和一个或多个离心分离器参数来计算(126)所述第一压降(△PLP)。
4.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，关于所述第二压降(△PHP)的所述第二参数包括所述重液相(QHP)的流率，且其中
连续地计算(116)关于所述E线位置的参数的所述步骤包括：
基于所述重液相的流率(QHP)、所述重液相的密度(ρLP)、所述角速度(ω)和一个或多个离心分离器参数来计算(128)所述第二压降(△PHP)。
5.一种运行计算机程序的控制系统，所述计算机程序构造成执行根据前述权利要求中任一项所述的监控离心分离器(2)中的E线位置的方法(100)。
6.一种包括计算机可读代码的计算机可读介质，所述代码构造成引起与离心分离器(2)相关联的控制系统(25)执行根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的监控离心分离器(2)中的E线位置的方法(100)。
7.一种控制构造成从液体进料混合物分离重液相和轻液相的离心分离器(2)中的E线位置的方法(200)，所述离心分离器(2)包括可围绕旋转轴线(6)旋转的转子(4)、布置在所述转子(4)内的圆锥形分离盘(8)的堆叠、用于进到所述转子(4)中的液体进料混合物的入口(10)、用于自所述转子(4)的轻液相的第一出口通路(12)、用于自所述转子(4)的重液相的第二出口通路(14)，其中所述第一出口通路(12)的入口侧布置在第一半径(RLP,RL)处，且所述第二出口通路(14)的入口侧布置在第二半径(RHP,RG)处，其中所述离心分离器(2)还包括用于控制所述第一出口通路(12)的出口侧处的压力(PLP)的可控制的第一阀(28)，和/或用于控制所述第二出口通路(14)的出口侧处的压力(PHP)的可控制的第二阀(30)，控制所述E线位置的所述方法(200)包括根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的监控离心分离器(2)中的E线位置的方法(100)，且还包括以下步骤：
如果实际E线位置(RE_pv)在E线位置设置点(RE_sp)的径向外侧延伸，则使用所述第二阀(30)升高(202)所述第二出口通路(14)的出口侧处的压力(PHP)，和/或使用所述第一阀(28)降低(204)所述第一出口通路(12)的出口侧处的压力(PLP)。
8.根据权利要求7所述的方法(200)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
如果所述实际E线位置(RE_pv)在E线位置设置点(RE_sp)的径向内侧延伸，则使用所述第二阀(30)降低(206)所述第二出口通路(14)的出口侧处的压力(PHP)，和/或使用所述第一阀(28)升高所述第一出口通路(12)的出口侧处的压力(PLP)。
9.根据权利要求7所述的方法(200)，其特征在于，所述第二出口通路(14)的出口侧处的压力(PHP)或所述第一出口通路(12)的出口侧处的压力(PLP)通过用于控制所述离心分离器(2)中的E线位置的PI控制算法的操纵变量来控制。
10.根据权利要求7所述的方法(200)，其特征在于，所述转子(4)包括至少一个在外周布置的喷嘴开口(27)，以用于在所述转子(4)的旋转期间从所述转子(4)连续地喷出固体物质和/或淤渣，所述方法(200)还包括以下步骤：
如果穿过所述至少一个喷嘴开口(27)的重液相流超过所述液体进料混合物的重液相含量，则将重液相加入(210)所述转子(4)中。
11.一种运行计算机程序的控制系统，所述计算机程序构造成执行根据权利要求7至权利要求10中任一项所述的控制离心分离器(2)中的E线位置的方法(200)。
12.一种包括计算机可读代码的计算机可读介质，所述代码构造成引起与离心分离器(2)相关联的控制系统(25)执行根据权利要求7至权利要求10中任一项所述的控制离心分离器(2)中的E线位置的方法(200)。
13.一种构造成从液体进料混合物分离重液相和轻液相的离心分离器(2)，所述离心分离器(2)包括可围绕旋转轴线(6)旋转的转子(4)、布置在所述转子(4)内的圆锥形分离盘(8)的堆叠、用于进到所述转子(4)中的液体进料混合物的入口(10)、用于自所述转子(4)的轻液相的第一出口通路(12)、用于自所述转子(4)的重液相的第二出口通路(14)，其中所述第一出口通路(12)的入口侧布置在第一半径(RLP,RL)处，且所述第二出口通路(14)的入口侧布置在第二半径(RHP,RG)处，其中所述离心分离器(2)还包括用于控制所述第一出口通路(12)的出口侧处的压力(PLP)的可控制的第一阀(28)，和/或用于控制所述第二出口通路(14)的出口侧处的压力(PHP)的可控制的第二阀(30)，以及构造成执行根据权利要求7至权利要求10中任一项所述的控制离心分离器(2)中的E线位置的方法(200)的控制系统(25)。
14.根据权利要求13所述的离心分离器(2)，其特征在于，所述离心分离器(2)进一步构造成从所述液体混合物分离固体物质和/或淤渣，其中所述转子(4)包括用于分离的固体和/或淤渣从所述液体混合物的间断排出的排出端口。
15.根据权利要求13所述的离心分离器(2)，其特征在于，所述离心分离器(2)进一步构造成从所述液体混合物分离固体物质和/或淤渣，其中所述转子(4)包括至少一个在外周布置的喷嘴开口，以用于在所述转子(4)的旋转期间从所述转子(4)连续地喷出所述固体物质和/或淤渣。
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