KR20120099294A

KR20120099294A - 원심 분리기를 포함하는 시스템 및 이런 시스템의 제어 방법

Info

Publication number: KR20120099294A
Application number: KR1020127019896A
Authority: KR
Inventors: 칼 헤그마르크; 스페르커 다니엘쏜; 페터 토르비드; 롤란트 이작쏜; 한스 모베르크; 요한 아그렐; 안더르스 스펜쏜
Original assignee: 알파 라발 코포레이트 에이비
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-09-07
Also published as: EP2528690B1; BR112012017879A2; CN102712002A; SE1000085A1; JP5735006B2; KR101467647B1; US20130029828A1; RU2012136776A; EP3181232A1; AU2011209989A1; CA2786668A1; SE535959C2; AU2011209989B2; CA2786668C; EP2528690A1; US9186687B2; RU2524967C2; EP2528690A4; JP2013517939A; CN102712002B

Abstract

본 발명은, 분리기가 분리 챔버(20)를 포함하는 회전자를 포함하는 밀폐형 원심 분리기(1), 분리 대상 성분 혼합물의 유입 채널(2), 적어도 하나의 분리된 경질 성분을 수용하기 위한 제1 배출 채널(4), 및 적어도 하나의 분리된 중질 성분을 수용하기 위한 제2 배출 채널(5)을 포함하는 시스템에 관한 것이다. 본 시스템은 상기 제2 배출 채널(5)에서 상기 분리 챔버(20)로 분리된 중질 성분의 일부를 재순환시키기 위한 재순환 수단(8)과, 상기 제2 배출 채널(5) 내에서 유동하는 중질 성분의 밀도, 유량 또는 이들의 조합을 모니터링하는 제1 모니터링 수단(12)과, 상기 제1 모니터링 수단(12)으로부터의 제어 신호에 반응하여 재순환 유량을 제어하는 제1 제어 수단(11, 15, 18)을 추가로 포함한다. 본 발명은 함량이 변하는 원료를 분리기에 공급하는 경우에도 분리된 중질 성분의 특성을 제어하는 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

원심 분리기를 포함하는 시스템 및 이런 시스템의 제어 방법{SYSTEM COMPRISING CENTRIFUGAL SEPARATOR AND METHOD FOR CONTROLLING SUCH A SYSTEM}

본 발명은 분리 챔버를 포함하는 회전자를 포함하는 밀폐형 원심 분리기, 분리 대상인 성분 혼합물의 유입 채널과, 적어도 하나의 분리된 경질(light) 성분을 수용하기 위한 제1 배출 채널과, 적어도 하나의 분리된 중질(heavy) 성분을 수용하기 위한 제2 배출 채널을 포함하되, 분리된 중질 성분의 일부를 상기 제2 배출 채널로부터 상기 분리 챔버로 재순환시키기 위한 재순환 수단을 추가로 포함하는 시스템에 관한 것이다.

제2 양태에 따르면, 본 발명은, 유입 채널로부터 분리 챔버 내로 성분 혼합물을 공급하는 단계와, 상기 분리 챔버 내의 성분 혼합물을 경질 및 중질 성분으로 분리하는 단계와, 적어도 하나의 경질 성분을 제1 배출구 내로 유도하는 단계와, 적어도 하나의 중질 성분을 제2 배출구 내로 유도하는 단계와, 분리된 중질 성분의 일부를 상기 제2 배출구로부터 상기 유입 채널 내로 재순환시키는 단계를 포함하는 위와 같은 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.

이런 시스템은 혼합물의 중질 성분의 함량이 심하게 변하거나 아니면 일정하게 낮은 경우에 사용되는 데 반하여, 예컨대 중질상(heavy phase) 배출관의 막힘을 방지하기 위해서는 일정한 농도의 분리된 슬러지를 수득하는 것이 보통 바람직하다.

본 발명의 목적은 밀폐형 원심 분리기를 포함하는 개선된 시스템과, 중질상 유량 제어가 가능한 이런 시스템을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 본 명세서의 서두에 설명된 바와 같은 원심 분리기를 포함하되, 제1 모니터링 수단이 상기 제2 배출 채널 내에서 유동하는 중질 성분의 밀도, 유량 또는 이들의 조합을 모니터링하고, 제1 제어 수단은 상기 제1 모니터링 수단으로부터의 제어 신호에 반응하여 재순환 흐름을 제어하는 시스템이 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 본 시스템은 상기 제2 배출 채널 내에서 유동하는 중질 성분의 유량을 모니터링하는 제2 모니터링 수단과, 상기 제2 모니터링 수단으로부터의 제어 신호에 반응하여 상기 제1 배출 채널의 제1 배압 밸브를 제어함으로써 압력을 제어하는 제2 제어 수단을 포함한다.

본 발명의 추가적인 바람직한 실시예에서, 본 시스템은 상기 제2 배출 채널의 압력을 모니터링하는 제3 모니터링 수단과, 상기 제3 모니터링 수단으로부터의 제어 신호에 반응하여 상기 제2 배출 채널의 제2 배압 밸브를 제어함으로써 압력을 제어하는 제3 제어 수단을 포함한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 본 시스템의 상기 제어 수단은 상기 모니터링 수단으로부터의 제어 신호와 모니터링된 파라미터의 바람직한 설정값 간의 차에 기초한 신호에 반응하여 제어한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 본 시스템은 상기 재순환 수단의 유량을 모니터링하는 제4 모니터링 수단과, 상기 제4 모니터링 수단으로부터의 제어 신호에 반응하여 재순환 유량을 제어하는 제4 제어 수단을 포함하되, 상기 제4 제어 수단은 상기 제1 제어 수단의 출력으로부터 그 설정값을 얻는다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어 수단은 PID 제어기이다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 제1 제어 수단은 MPC 제어기이고, 상기 제2, 제3 및 제4 제어 수단은 PID 제어기이며, 상기 제1 제어 수단은 상기 제2, 제3 및 제4 제어 수단 중 적어도 하나에 설정값을 공급한다.

본 발명의 추가적인 실시예에서, 상기 제2 배출 채널은 분리 챔버 내부의 중질 성분 배출관에 연결되며, 상기 배출관은 분리기 용기의 내벽에 가까운 유입 개구를 가진다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 본 명세서의 서두에 설명된 바와 같은 방법으로서, 상기 제2 배출 채널 내에서 유동하는 중질 성분의 밀도, 유량 또는 이들의 조합의 파라미터를 모니터링하는 단계와, 상기 파라미터(들)와 관련된 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 제어 신호에 반응하여 재순환 유량을 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제2 양태의 실시예에 따르면, 본 방법은 상기 제2 배출 채널에서 유동하는 중질 성분의 유량 파라미터를 모니터링하는 단계와, 상기 유량 파라미터와 연관된 제2 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 제2 제어 신호에 반응하여 상기 제1 배출 채널의 제1 배압 밸브를 제어함으로써 상기 제1 배출 채널의 압력을 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명의 이 양태의 추가적인 실시예에서, 본 방법은 상기 제2 배출 채널의 압력 파라미터를 모니터링하는 단계, 상기 압력 파라미터와 연관된 제3 제어 신호를 생성하는 단계, 및 상기 제3 제어 신호에 반응하여 상기 제2 배출 채널의 제2 배압 밸브를 제어함으로써 상기 제2 배출 채널의 압력을 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명의 이 양태의 다른 실시예에서, 본 방법의 상기 제어하는 단계는 상기 제어 신호와 모니터링된 파라미터의 바람직한 설정값 간의 차를 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명의 양태의 추가적인 실시예에서, 본 방법은 상기 재순환 수단의 유량 파라미터를 모니터링하는 단계와, 상기 재순환 수단의 상기 유량 파라미터와 연관된 제4 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 제4 제어 신호에 반응하여 상기 재순환 유량을 제어하는 단계를 포함하되, 상기 제어하는 단계는 제1 제어 신호에 대응하는 설정값과 상기 제4 제어 신호 간의 차를 계산하는 단계를 포함한다.

따라서 본 발명은 다양한 함량의 원료를 분리기에 공급하는 경우에도 분리된 중질 성분의 특성을 제어하는 시스템과 방법을 제공한다.

이하, 도 1 내지 도 4의 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예의 보다 상세한 설명에서 본 발명에 따른 시스템과 방법이 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 제2 실시예의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 제3 실시예의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분리기 용기 상부의 측단면도이다.

도 1에는, 공급 펌프(3)에 의해 분리 대상 성분 혼합물이 유입 채널(2)을 통해 공급되는 밀폐형 원심 분리기(1)를 포함하는 원심 시스템이 개시되어 있다. 상기 분리기(1)에서, 액체 성분 혼합물은 성분이 분리되는 분리 챔버가 구비된 회전자에서 원심 분리된다. 적어도 하나의 분리된 경질 성분을 수용하기 위해 분리 챔버에 연결되는 제1 배출 채널(4)과 적어도 하나의 분리된 중질 성분을 수용하기 위한 제2 배출 채널(5)이 마련된다.

각각의 배출 채널(4, 5)에는, (제1, 제2) 배압 밸브(6, 7)가 각각 배열된다. 상기 중질 성분을 위한 제2 배출 채널(5)에서 상기 유입 채널(2)로 이어지는 재순환 수단(8)이 배열된다. 상기 재순환 수단(8)은 상기 제2 배압 밸브(7) 상류의 분리된 중질 성분의 일부를 일탈시키도록 구성되는 재순환 채널(9)과, 상기 분리된 중질 성분의 일부를 상기 유입 채널(2)로 펌핑하도록 구성되는 재순환 펌프(10)를 포함한다.

재순환 펌프(10)의 펌핑 유동은, 상기 중질 성분을 위한 배출 채널(5)에 배치된 코리올리 유량계(12)로부터의 신호에 지속적 또는 간헐적으로 반응하는 소위 PID(비례-적분-미분) 제어기(11)에 의해 제어된다. 상기 신호는 측정된 유량 또는 밀도와 바람직한 설정값 간의 계산된 차로부터 도출된다. 예컨대, 중질 성분의 연속적인 유동이 중단되지 않으려면 배출 채널(5)에 막힘이 발생하지 않는 것이 매우 바람직하다. 이때 바람직한 설정값은 유동의 연속성을 확인하기 위한 값을 취할 수 있다.

또한 배압 밸브(6, 7)에도 PID 제어기(13, 14)가 마련된다. 경질 성분 배출 채널(4)의 배압 밸브(6)를 제어하는 PID 제어기(13)는 배출 채널(5) 내의 중질 성분 유동과 바람직한 해당 설정값 간의 차에 기초한 신호에 반응한다. 이어서 PID 제어기(11)가 배출 채널(5) 내의 중질 성분 밀도에 반응한다.

중질 성분 배출 채널(5)의 배압 밸브(7)를 제어하는 PID 제어기(14)는 상기 중질 성분 배출 채널(5)의 배압에 반응한다.

본 아이디어는 재순환 유동을 제어하여 밀도를 제어함과 동시에 경질 성분 밸브(6)에 의한 중질 성분의 압력 제어가 이루어지도록 하는 것이다.

도 2에서 알 수 있듯이, 이러한 제어 전략은 재순환 펌프(10) 상측에 소위 종속형(cascaded) 제어기를 추가함으로써 변경될 수 있다. 종속 제어에서는, 하나의 PID가 다른 하나의 PID의 설정값을 제어하는 두 개의 PID 제어기가 배열된다. 하나의 PID 제어기는 유체 수위 또는 유속과 같은 주된 물리적 파라미터를 제어하는 외측 루프 제어기로서의 역할을 한다. 다른 제어기는 외측 루프 제어기의 출력을 설정값으로 판독하여 대개 보다 급속히 변하는 파라미터, 유량 또는 유동 가속도를 제어하는 내측 루프 제어기로서의 역할을 한다.

도 2에서, PID 제어기(15)는 내측 루프에 배열되어, 상기 펌프(10)를 통과한 후의 재순환 유동에 기초한 신호에 반응하여 재순환 유동을 제어하고, 외측 루프에는 중질 성분 배출 채널 내의 모니터링된 밀도로부터 그 제어 신호를 얻는 PID 제어기(16)가 배열되어 PID 제어기(15)에 설정값을 제공한다.

종속형 제어기를 이용하는 아이디어는 내측 루프가 외측 루프보다 훨씬 빠르다는 데에 착안한다. 따라서 외측 제어기는, 이들이 작동하는 시간 척도가 상이함으로 인해, 제어 신호(즉, 내측 루프에 제공되는 설정값)가 즉각적으로 실현되는 것으로 간주한다. 제어는 여전히 분산되어 있지만, 이제는 그 설정값의 설정에 의해 재순환 유동을 제어할 가능성이 있다. 중질 성분 배압 밸브(7)를 제어하는 PID 제어기(17)는 코리올리 유량계에 의해 모니터링되는 중질 성분 유동으로부터 산출되는 신호에 반응한다.

도 3에는 소위 MPC(모델 예측 제어) 제어기(18)가 제어 신호를 직접 조작하여 바람직한 작동 경로를 조정하는 시스템이 개시되어 있다. 예컨대, 작동 중에 중질 성분의 농도가 변하는 혼합물을 분리할 경우, PID 제어기에 의해 제어되는 파라미터는 예컨대 효율성, 출력의 품질 및/또는 막힘 위험과 관련하여 프로세스를 최적화하는 그래프에 따라 조절되는 것이 보통 바람직하다. 이어서 MPC 제어기(18)는 기본(underlying) 제어기, 즉, PID 제어기의 참조값을 제어하는데, 이는 MPC 제어기의 조작 변수가 PID 제어기의 설정값(예컨대, 유량, 밀도 또는 압력)임을 의미한다. 이를 통해 전체적인 제어는 MPC 제어기가 모든 PID 제어기에 대하여 외측 루프가 되는 종속형 제어기의 형태를 취하게 된다. PID 제어기는, 중질 성분 배출 채널의 밀도를 제어하는 PID 제어기가 작동 정지된다는 점을 제외하고는 도 2와 마찬가지로 구성된다. 본 실시예에서는, MPC 제어기는 재순환 유동 및 중질 성분 유동의 참조값을 설정함으로써 밀도를 제어함과 동시에, 공급 유동의 설정값은 일정하게 유지된다.

도 4는 분리기 용기가 분리 챔버(20)를 한정하는 분리기 용기(19)의 상부를 개시하고 있다. 분리된 혼합물의 중질 성분은 원심력으로 인해 회전축에서 가장 먼 영역, 즉 분리기 용기의 내벽에 인접한 영역에 모인다. 종래의 원심 분리기에서, 중질 성분은 분리기 내부에 축적되는 것을 방지하기 위해 분리기 용기(19)의 주연부에 마련된 포트를 통해 일정한 간격으로 방출된다. 그러나 본 발명에 따른 원심 분리기에서는, 중질 성분이 분리기 용기(19)의 상단에 배열되는 중질 성분 배출 채널(5)을 통해 분리 챔버(20)로부터 지속적으로 배출된다. 따라서 분리기 용기(19)의 내부에는, 분리기 용기(19)의 상기 상부의 내벽 상에, 내에, 또는 이에 인접하게 배열되는 중질 성분 배출관(21)이 마련된다. 배출관(21)은 내벽을 따라 중질 성분 배출 채널(5)을 향하여 상향 연장되어 해당 채널에 연결됨으로써, 분리기 챔버(20)의 주연부에서 상기 중질 성분 배출 채널(5)까지 방사상 내향 및 상향으로 중질 성분을 유도한다. 중질 성분 배출관(21)의 길이 및 그 유입 오리피스의 분리 챔버(20) 내의 위치를 선택함으로써, 배출관(21)으로 공급되는 슬러지의 특성을 제어하는 것이 가능하다.

본 발명의 출원은 선택적인 슬러지의 간헐 방출을 위해 밀폐형 원심 분리기에 종래의 토출 개구가 설치되는 본 발명에 따른 시스템을 개시한다.

기술분야의 당업자라면 본 발명이 설명된 실시예에 의해 제한되지 않으며 여러 변경 및 대체가 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims

분리 챔버(20)를 포함하는 회전자를 포함하는 밀폐형 원심 분리기(1)와,
분리 대상 성분 혼합물의 유입 채널(2)과,
적어도 하나의 분리된 경질 성분을 수용하기 위한 제1 배출 채널(4)과,
적어도 하나의 분리된 중질 성분을 수용하기 위한 제2 배출 채널(5)을 포함하되,
상기 제2 배출 채널(5)에서 상기 분리 챔버(20)로 분리된 중질 성분의 일부를 재순환시키기 위한 재순환 수단(8)과,
상기 제2 배출 채널(5) 내에서 유동하는 중질 성분의 밀도, 유량 또는 이들의 조합을 모니터링하는 제1 모니터링 수단(12)과,
상기 제1 모니터링 수단(12)으로부터의 제어 신호에 반응하여 재순환 유량을 제어하는 제1 제어 수단(11, 15, 18)을 추가로 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 배출 채널(5) 내에서 유동하는 중질 성분의 유량을 모니터링하는 제2 모니터링 수단(11)과,
상기 제2 모니터링 수단(13)으로부터의 제어 신호에 반응하여 상기 제1 배출 채널(4)의 제1 배압 밸브(6)를 제어함으로써 압력을 제어하는 제2 제어 수단(13)을 포함하는 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 배출 채널(5)의 압력을 모니터링하는 제3 모니터링 수단과, 상기 제3 모니터링 수단으로부터의 제어 신호에 반응하여 상기 제2 배출 채널(5)의 제2 배압 밸브(7)를 제어함으로써 압력을 제어하는 제3 제어 수단(14)을 포함하는 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단(11, 13, 14, 15, 18)은 상기 모니터링 수단(11, 12)으로부터의 제어 신호와 모니터링된 파라미터의 바람직한 설정값 간의 차에 기초한 신호에 반응하여 제어하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 재순환 수단 내의 유량을 모니터링하는 제4 모니터링 수단과,
상기 제4 모니터링 수단으로부터의 제어 신호에 반응하여 재순환 유량을 제어하는 제4 제어 수단(15)을 포함하되,
상기 제4 제어 수단(15)은 상기 제1 제어 수단(11)의 출력으로부터 그 설정값을 획득하는 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단(11, 13, 14, 15, 17)은 PID 제어기인 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제어 수단은 MPC 제어기(18)이고, 상기 제2, 제3 및 제4 제어 수단은 PID 제어기(13 내지 15)이되, 상기 제1 제어 수단(18)은 상기 제2, 제3 및 제4 제어 수단(13 내지 15) 중 적어도 하나에 설정값을 공급하는 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 배출 채널(5)이 분리 챔버(20) 내부의 중질 성분 배출관(21)에 연결되되, 상기 배출관(21)은 분리기 용기(19)의 내벽에 인접한 유입 개구를 가지는 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀폐형 원심 분리기에 슬러지의 선택적인 간헐 방출을 위한 토출 개구가 설치되는 시스템.
제1항에 따른 시스템을 제어하는 방법이며,
유입 채널로부터 분리 챔버 내로 성분 혼합물을 공급하는 단계와,
상기 분리 챔버 내의 성분 혼합물을 경질 및 중질 성분으로 분리하는 단계와,
적어도 하나의 경질 성분을 제1 배출구 내로 유도하는 단계와,
적어도 하나의 중질 성분을 제2 배출구 내로 유도하는 단계와,
상기 제2 배출구로부터 상기 유입 채널 내로 분리된 중질 성분의 일부를 재순환시키는 단계와,
상기 제2 배출 채널 내에서 유동하는 중질 성분의 밀도, 유량 또는 이들의 조합의 파라미터를 모니터링하는 단계와,
상기 파라미터(들)와 관련된 제1 제어 신호를 생성하는 단계와,
상기 제어 신호에 반응하여 재순환 유량을 제어하는 단계를 포함하는 시스템을 제어하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 제2 배출 채널 내에서 유동하는 중질 성분의 유량 파라미터를 모니터링하는 단계와,
상기 유량 파라미터와 관련된 제2 제어 신호를 생성하는 단계와,
상기 제2 제어 신호에 반응하여 상기 제1 배출 채널의 제1 배압 밸브를 제어함으로써 상기 제1 배출 채널의 압력을 제어하는 단계를 포함하는 시스템을 제어하는 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 제2 배출 채널의 압력 파라미터를 모니터링하는 단계와,
상기 압력 파라미터와 관련된 제3 제어 신호를 생성하는 단계와,
상기 제3 제어 신호에 반응하여 상기 제2 배출 채널의 제2 배압 밸브를 제어함으로써 상기 제2 배출 채널의 압력을 제어하는 단계를 포함하는 시스템을 제어하는 방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 상기 제어 신호와 모니터링된 파라미터의 바람직한 설정값 간의 차를 계산하는 단계를 포함하는 시스템을 제어하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 재순환 수단 내의 유량 파라미터를 모니터링하는 단계와,
상기 재순환 수단 내의 상기 유량 파라미터와 관련된 제4 제어 신호를 생성하는 단계와,
상기 제4 제어 신호에 반응하여 상기 재순환 유량을 제어하는 단계를 포함하되, 상기 제어하는 단계는 제1 제어 신호에 상응하는 설정값과 상기 제4 제어 신호 간의 차를 계산하는 단계를 포함하는 시스템을 제어하는 방법.