MX2012011512A - Controlador de desplazamiento de face para un sistema de bombas alternativas. - Google Patents

Abstract

La presente invención describe un sistema de bombas, el cual emplea múltiples bombas alternativas de desplazamiento positivo, cuyo desplazamiento de fase está controlado por un controlador de desplazamiento de fase. El controlador de desplazamiento de fase utiliza una bomba maestra virtual, dentro del controlador de desplazamiento de fase, que se usa como una referencia de fase contra la cual se calculan los desplazamientos de fase de las bombas individuales. El controlador de desplazamiento de fase regula el punto de ajuste de velocidad de referencia para los mandos de velocidad variable de las bombas individuales, de manera tal de obtener y mantener un desplazamiento de fase deseado. La operación de múltiples bombas alternativas empleando el control del desplazamiento de fase puede reducir significativamente la pulsación de los niveles de presión en el sistema de bombas. El uso de una bomba maestra virtual elimina la programación de bombas maestras y esclavas y aumenta la confiabilidad del sistema y la disponibilidad, dado que la operación de la fase control no depende de la confiabilidad de una bomba maestra real, como es el caso en el controlador de desplazamiento de fases de la técnica anterior.

Description

CONTROLADOR DE DESPLAZAMIENTO DE FASE PARA UN SISTEMA DE BOMBAS ALTERNATIVAS Esta descripción se refiere a bombas en general y, más particularmente, a múltiples bombas alternativas de desplazamiento positivo para el manejo de pulpas minerales.

Las bombas alternativas de desplazamiento positivo se emplean para bombear liquido contra una presión relativamente elevada, por ejemplo, en comparación con las bombas centrifugas monofásicas. Otras características de estas bombas de desplazamiento positivo incluyen su alta eficiencia y precisión en el caudal de flujo, aunque cuando se las compara con las bombas centrífugas, presentan una capacidad de flujo relativamente baja. Cuando no pueden satisfacerse los requisitos de flujo de una aplicación típica con una sola bomba, pueden disponerse más bombas de desplazamiento positivo en paralelo, para que su succión y/o conexiones de descarga estén conectadas a una sola línea de succión y/o descarga. Esto significa que el flujo sumado de las bombas individuales puede satisfacer los requisitos de flujo totales de la aplicación. La combinación de las bombas individuales y las líneas de succión y descarga interconectadas conforma un sistema de bombas.

En las bombas alternativas, un elemento de desplazamiento —como por ejemplo, un pistón o émbolo-realiza un movimiento alternativo o de vaivén dentro de la camisa interior del cilindro, permitiendo el desplazamiento positivo del fluido a bombear. En una forma de realización en particular de la bomba alternativa, el movimiento de vaivén del elemento de desplazamiento se genera por un mecanismo que convierte el movimiento rotativo del mando de la bomba en un movimiento de vaivén del elemento de desplazamiento. Las formas de realización particulares de este mecanismo pueden incluir un cigüeñal, un eje excéntrico, un árbol de levas o mecanismos de disco de leva.

En la siguiente descripción, sólo se detallará la forma de realización del tipo cigüeñal, que en adelante se denominará bomba de desplazamiento positivo accionada por un cigüeñal. En la figura 1, se presenta un corte transversal esquemático de una bomba de desplazamiento positivo, accionada por un cigüeñal, de 3 cilindros o triplex de acción individual. El elemento de desplazamiento puede desplazar directamente el fluido bombeado o desplazar un fluido intermedio, que desplaza un elemento de desplazamiento flexible, el cual desplaza al fluido bombeado, como por ejemplo, una pulpa abrasiva. La descripción se aplica a una forma de realización de una bomba de desplazamiento positivo, pero como la mejora es de particular interés para las bombas positivas para lodos que se describen a continuación, también se menciona la forma de realización que emplea un desplazamiento de fluido intermedio y flexible, como se muestra específicamente en la figura 1.

Una característica típica de la bomba de desplazamiento positivo accionada por un cigüeñal es la velocidad recíproca no constante del elemento de desplazamiento. Por lo tanto, las bombas de desplazamiento positivo accionadas por un cigüeñal generan inherentemente un flujo o una pulsación de flujo no constante con cada revolución del cigüeñal. En la figura 2, se muestra una típica pulsación de flujo generada durante una revolución del cigüeñal o ciclo de la bomba, de una bomba de desplazamiento positivo en triplex de acción individual. Según la respuesta hidráulica del sistema conectado, estas pulsaciones de flujo pueden derivar en pulsaciones de presión en el fluido bombeado, lo que a su vez puede dar como resultado la vibración de la tubería y su estructura de sostén, a través de la cual fluye el fluido, y las pulsaciones de presión pueden crear una carga desbalanceada en el sistema de tuberías.

Cuando se conecta más de una bomba de desplazamiento positivo accionada por un cigüeñal a una sola entrada o salida de succión y/o descarga, puede producirse una interacción entre las pulsaciones de flujo generadas por las bombas individuales. Esta interacción puede cancelar o incrementar el nivel total del pulsaciones de presión y flujo en el sistema de bombas, una vez más, según la respuesta hidráulica del sistema conectado. También, las resonancias hidráulicas presentes en el sistema de bombas pueden excitarse por las pulsaciones de flujo generadas por cada bomba individual. Un parámetro importante que determina la pulsación total de presión y flujo en un sistema de bombas dado es el desplazamiento de fase entre los cigüeñales de las bombas individuales. Por lo tanto, el hecho de controlar este desplazamiento de fase puede contribuir a controlar la pulsación de flujo y de presión en un sistema de bombas dado, usando bombas de desplazamiento positivo accionadas por un cigüeñal.

Este control del desplazamiento de fase, también denominado sincronización de bombas, se describe más adelante y se muestra en la figura 3. El control del desplazamiento de fase requiere bombas equipadas con mandos de velocidad variable (VSD, variable speed drives) , que se pueden usar para ajustar y mantener el desplazamiento de fase entre las bombas, mediante ajustes de velocidad de los mandos individuales. Por otra parte, la bomba individual y/o sus mandos están equipados con un sensor de fase, el cual indica la posición del ciclo de la bomba de la bomba individual, que en adelante se denominará fase de la bomba individual. Esta información sobre la fase es utilizada luego por la calculadora de desplazamiento de fase, para calcular los desplazamientos de fase entre las bombas individuales, que luego son utilizados por el controlador de desplazamiento de fase para ajustar la velocidad de las bombas individuales, de manera tal que el desplazamiento de fase se ajuste al desplazamiento de fase o se mantenga en este desplazamiento.

En la técnica anterior conocida, una bomba incluida en el sistema de bombas se designa como la bomba maestra. Esta bomba maestra sigue el punto de ajuste de velocidad de referencia del sistema de bombas, sin ningún ajuste para el control del desplazamiento de fase. Las otras bombas se designan como esclavas, las cuales deben seguir a la bomba maestra. El controlador de desplazamiento de fase calcula la diferencia de fase entre la bomba maestra y cada bomba esclava y genera un punto de ajuste de velocidad para cada bomba esclava individual, el cual se basa en el desplazamiento de fase entre la bomba maestra y la bomba esclava individual, de manera tal que se obtenga y mantenga el desplazamiento de fase constante y deseado entre la bomba maestra y la bomba esclava.

Este abordaje presenta varias desventajas: 1. El operador del sistema tiene que decidir qué bomba va a operar como la bomba maestra antes de arrancar el sistema de bombas, después de lo cual se determina el desplazamiento de fase de las bombas esclavas con respecto a la bomba maestra seleccionada. Esto puede dar como resultado complejos procedimientos de programación de bombas maestra/esclavas y desplazamiento de fase, lo cual también puede depender del sistema en particular. 2. El control del desplazamiento de fase se pierde cuando la bomba maestra se desconecta o tiene que pararse. Dependiendo de la forma de realización especifica del control del desplazamiento de fase, quizá sea necesario tener que parar el sistema de bombas completo, debido tanto la maestra como las esclavas podrían tener que iniciarse desde el arranque. La conflabilidad del control del desplazamiento de fase para el sistema de bombas completo depende entonces de la conflabilidad de una sola bomba que se designe como bomba maestra. 3. Cuando la operación de la bomba maestra es inestable —por ejemplo, por un mal funcionamiento de las válvulas de succión y/o descarga— puede producirse la oscilación de la bomba maestra. La operación inestable resultante de la bomba maestra conlleva a la creación de una operación inestable en todas las otras bombas incluidas en el sistema de bombas y, por ende, a una operación inestable del sistema de bombas completo .

Estas desventajas constituyen una particular preocupación con las bombas de desplazamiento positivo accionadas por un cigüeñal usadas en la industria minera y de procesamiento de los minerales, en la cual se bombean pulpas altamente abrasivas. Las aplicaciones en la industria minera y de procesamiento de los minerales requieren la operación continua del sistema de bombas sin paradas inesperadas. Además, las desventajas de las disposiciones conocidas de tornan una preocupación todavía mayor en las aplicaciones con alta velocidad de flujo, que también son típicas para la industria minera y de procesamiento de los minerales .

Las formas de realización conocidas y empleadas en la técnica anterior normalmente se limitan a tres o cuatro bombas por sistema de bombas, para lo cual los procedimientos de programación de maestra/esclava son relativamente sencillos. Además, la velocidad de flujo total de los sistemas de bombas de la técnica anterior con control del desplazamiento de fase se limita de modo tal que el sistema de todas maneras pueda operar en forma confiable, debido a que las cargas desequilibradas generadas por las pulsaciones de presión son relativamente bajas y aún pueden ser aceptables en ciertas aplicaciones.

No obstante, en las aplicaciones que emplean altos volúmenes de pulpas en la industria minera y de procesamiento de los minerales, es posible usar un número considerablemente mayor de bombas en un único sistema de bombas. Los ejemplos conocidos normalmente usan hasta 10 bombas en un único sistema de bombas, lo cual hace que la programación de maestra/esclavas sea muy compleja. El mayor tamaño de los sistemas de bombas usados en la industria minera y de procesamiento de los minerales puede dar como resultado cargas desequilibradas, generadas por las pulsaciones de presión en el sistema de bombas en la tubería conectada, alcanzando una magnitud tal que el control del desplazamiento de fase sea un requisito previo para una operación confiable del sistema de bombas.

Además, cabe destacar que como resultado de las características abrasivas de la pulpa bombeada, que derivan en mayores índices de desgaste de los componentes de la bomba, el período entre un mantenimiento y el siguiente de las bombas de desplazamiento positivo para pulpas puede ser relativamente corto, en comparación con aplicaciones en las que no hay pulpas involucradas. Cada vez que se requiere mantenimiento en la bomba maestra, debe designarse una nueva bomba como maestra, lo cual podría requerir el cierre del sistema de bombas, lo cual a su vez influye en gran medida en la disponibilidad de todo el sistema de bombas en el que se prefiere una operación continua.

La presente descripción se centra en una solución para las desventajas descriptas de los sistemas de control del desplazamiento de fase de las bombas de desplazamiento positivo accionadas por un cigüeñal de la técnica anterior. En los sistemas de la técnica anterior, se usa una bomba real como maestra en un esquema de control de maestra/esclavas, para controlar el desplazamiento de fase entre la bomba maestra y la bomba esclava. Las desventajas incluían complejos procedimientos de programación de las bombas maestra/esclavas, menor conflabilidad del sistema de bombas, dado que depende de la fiabilidad de una sola bomba maestra y menor rendimiento de todo el sistema de bombas, en caso de que la operación de la bomba maestra sea inestable.

La presente descripción se refiere a un sistema de bombas, en el cual se emplean múltiples bombas alternativas de desplazamiento positivo, donde el desplazamiento de fase está controlado por un controlador de desplazamiento de fase. El controlador de desplazamiento de fase emplea una bomba maestra virtual dentro del controlador de desplazamiento de fase, la cual se utiliza como una referencia de la fase contra la cual se calculan los desplazamientos de fase de las bombas individuales. El controlador de desplazamiento de fase regula el punto de ajuste de velocidad de referencia para los mandos de velocidad variable de las bombas individuales, de manera tal que se obtenga y mantenga un desplazamiento de fase deseado. La operación de múltiples bombas alternativas mediante el uso de control del desplazamiento de fase puede reducir de un modo significativo los niveles de pulsación de presión en el sistema de bombas. El uso de una bomba maestra virtual elimina la programación de bombas maestra y esclavas y optimiza la conflabilidad del sistema y la disponibilidad dado que la operación de la fase control no depende de la conflabilidad de una bomba maestra real, tal como es el caso en el controlador de desplazamiento de fases de la técnica anterior .

La bomba maestra virtual crea una señal de fase de referencia dentro del controlador de desplazamiento de fase basado en un único punto de ajuste de velocidad de referencia del sistema de bombas, del mismo modo que sucedería con una bomba maestra real. Todas las bombas reales en el sistema de bombas actúan como esclavas en el controlador de desplazamiento de fase. La fase de cada bomba individual se compara con la fase de la bomba maestra virtual que está dentro del controlador, que luego se usa como entrada para el control del desplazamiento de fase. En la figura 4, se muestra un diagrama de flujo de control para el controlador virtual del desplazamiento de fase de la bomba maestra.

El uso de una bomba maestra virtual puede brindar ciertas mejoras operativas respecto de los sistemas de control del desplazamiento de fase de desplazamiento positivo, accionados por cigüeñales. Las bombas esclavas siempre se cotejan contra la misma bomba maestra virtual, por lo cual no se requiere ninguna programación. La bomba maestra virtual se considera disponible en todo momento, pues no requiere mantenimiento y tiene una conflabilidad mucho mayor que una bomba mecánica real. Por otro lado, la velocidad de la bomba maestra es estable en todo momento, dado que no incide en ella el desempeño de una sola bomba maestra, que es de especial utilidad cuando se usa una bomba de desplazamiento positivo para bombear pulpas abrasivas en la industria minera y de procesamiento de los minerales.

La descripción no se limita a bombas de desplazamiento positivo en triplex de acción individual, sino que se aplica a todas las bombas de desplazamiento positivo, de acción individual o dual, con un solo cilindros o con múltiples cilindros .

Independientemente de cualquier otra forma que pueda encuadrar dentro del alcance del aparato que se detalla en el sumario, a continuación se describirán las formas de realización especificas, a modo de ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales: La figura 1 ilustra un corte transversal esquemático de una bomba de desplazamiento positivo en triplex de acción individual de la técnica anterior, que también muestra una forma de realización la cual emplea un fluido intermediario y un elemento de desplazamiento flexible adicional.

La figura 2 ilustra la pulsación de flujo de una bomba de desplazamiento positivo en triplex, de acción individual, de la técnica anterior.

La figura 3 ilustra un diagrama de flujo de control del control de fase de una bomba alternativa de la técnica anterior, con un esquema de control de maestra-esclavas que emplea una bomba real como bomba maestra.

La figura 4 ilustra un diagrama de flujo de control del control de fase de una bomba alternativa que emplea una bomba maestra virtual, de acuerdo con la presente descripción.

La presente descripción incluye varias formas de realización para las partes individuales del controlador de desplazamiento de fase. Para completar, se ofrece un listado de algunas formas de realización: Mando de velocidad variable La descripción no se limita a una forma de realización particular del mando de velocidad variable utilizado; sin embargo, se mencionan las siguientes formas de realización en particular: 1. Electropropulsores de corriente alterna. 2. Electropropulsores de corriente continua. 3. Propulsores diesel. 4. Propulsores hidráulicos.

Sensor de fase del ciclo de la bomba La descripción no se limita a una forma de realización en particular del sensor de fase usado; sin embargo, se mencionan las siguientes formas de realización en particular : 1. La forma de realización del sensor puede generar información de fase absoluta sobre el ciclo de la bomba. 2. La forma de realización del sensor puede generar información de fase relativa sobre el ciclo de la bomba, que se combina con una referencia del punto cero de la fase del ciclo de la bomba. 3. La forma de realización del sensor puede generar información de fase sobre el ciclo de la bomba, sobre la base de la posición angular del principal componente rotativo de la bomba, que transfiere el movimiento rotativo de mando de la bomba . a un movimiento de vaivén de los elementos de desplazamiento, tales como un cigüeñal. 4. La forma de realización del sensor puede generar información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en la posición lineal de uno o más elementos de desplazamiento presentes en la bomba. 5. La forma de realización del sensor puede generar información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en la posición angular del mando de velocidad variable, que puede acoplarse directamente o puede acoplarse por medio de un reductor de velocidad, con una relación de reducción conocida, al principal componente rotativo de la bomba. 6. La forma de realización del sensor puede generar información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en un solo pulso generado en una posición predeterminada del ciclo de la bomba. 7. La forma de realización del sensor puede generar información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en múltiples pulsos generados en posiciones predeterminadas del ciclo de la bomba 8. La forma de realización del sensor puede generar información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en múltiples pulsos generados en posiciones predeterminadas del ciclo de la bomba, de manera tal que el número de pulsos por ciclo de la bomba sea igual al número de elementos de desplazamiento incluidos en la bomba 9. La forma de realización del sensor puede estar compuesta por cualquier combinación de las formas de realización del sensor descriptas con anterioridad.

Controlador de desplazamiento de fase La descripción no se limita a una forma de realización en particular del controlador de desplazamiento de fase; no obstante, se mencionan las siguientes formas de realización en particular: 1. Circuito de control electrónico analógico. 2. Circuito de control electrónico digital, basado en electrónica en estado sólido. 3. Controlador programable, utilizando la tecnología de microprocesadores . 4. Controlador de lógica programable. 5. Microcontrolador embutido.

En la descripción que antecede de las formas de realización preferidas, se ha utilizado información específica para preservar la claridad de los conceptos. No obstante, la descripción no está limitada a los términos específicos seleccionados de esta manera, y debe entenderse que cada término específico incluye todos los equivalentes técnicos que operan de una manera similar para lograr un propósito técnico similar. Ciertos términos se usan como palabras convenientes para proveer puntos de referencia y no han de interpretarse como terminología limitativa.

La referencia en esta memoria descriptiva a cualquier publicación anterior (o información derivada de la misma) o a cualquier cuestión que sea conocida no es un reconocimiento o admisión, ni una forma de sugerencia de que dicha publicación anterior (o información derivada de la misma) o tema conocido forma parte del conocimiento general común en el campo de interés al cual la presente memoria descriptiva se refiere y no debe tomarse como tal cosa.

Finalmente, debe entenderse que es posible incorporar varias alteraciones, modificaciones y/o aditivos a las diversas construcciones y disposiciones de las partes, sin apartarse del espíritu o del ámbito de la invención.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase que se emplea para controlar la velocidad individual de múltiples bombas alternativas de desplazamiento positivo, de manera tal de obtener y mantener un desplazamiento de fase deseado, entre el ciclo de bomba de las bombas individuales, lo cual incluye formas de realización del sensor de fase para generar información de fase sobre los ciclos de bombas de las bombas individuales, caracterizado porque la información de fase de los ciclos de la bomba individual se compara con una fase de referencia virtual, que se genera dentro del dispositivo de control del desplazamiento de fase, siendo ésta una diferencia de fase que se usa para regular los puntos de ajuste de velocidad para los mandos de velocidad variable individuales de las bombas individuales.

2. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la bomba contiene cierta forma de mecanismo para convertir el movimiento rotativo del mando de la bomba en un movimiento de vaivén de los elementos de desplazamiento incluidos en la bomba, como por ejemplo, aunque en forma no taxativa, un cigüeñal, un eje excéntrico, un árbol de levas o un disco de leva .

3. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el mando de velocidad variable puede ser del tipo mencionado en cualquiera de las formas de realización, como por ejemplo, aunque en forma no taxativa, electropropulsores de corriente alterna o continua, propulsores diesel y propulsores hidráulicos .

4. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de realización del sensor genera información de fase absoluta sobre el ciclo de la bomba.

5. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de realización del sensor genera información de fase relativa sobre el ciclo de la bomba, que se combina con la referencia del punto cero de la fase del ciclo de la bomba.

6. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de realización del sensor genera información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en la posición angular del principal componente rotativo incluido en la bomba, que convierte el movimiento rotativo de mando de la bomba en un movimiento de vaivén de los elementos de desplazamiento, tales como un cigüeñal.

7. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de realización del sensor genera información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en la posición lineal de uno o más elementos de desplazamiento incluidos en la bomba.

8. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de realización del sensor genera información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en la posición angular del mando de velocidad variable, que puede acoplarse directamente o por medio de un reductor de velocidad, al principal componente rotativo de la bomba.

9. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de realización del sensor genera información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en un solo pulso generado en una posición predeterminada del ciclo de la bomba.

10. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de realización del sensor genera información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en múltiples pulsos generados en posiciones predeterminadas del ciclo de la bomba.

11. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de realización del sensor genera información de fase sobre el ciclo de la bomba, basándose en múltiples pulsos generados en posiciones predeterminadas del ciclo de la bomba, de manera tal que el número de pulsos por ciclo de la bomba sea igual al número de elementos de desplazamiento incluidos en la bomba.

12. Un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de realización del sensor está compuesta por cualquier combinación de formas de realización del sensor, conforme se describe en las reivindicaciones 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11.

13. Un sistema de bombas que emplea múltiples bombas alternativas de desplazamiento positivo, que incorporan un dispositivo de control del desplazamiento de fase de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

14. Un método para controlar la velocidad individual de múltiples bombas alternativas de desplazamiento positivo, de manera tal de obtener y mantener un desplazamiento de fase deseado, entre el ciclo de bomba de las bombas individuales, el cual comprende los siguientes pasos: generar información de fase sobre los ciclos de la bomba, de las bombas individuales; generar una fase de referencia virtual dentro de un dispositivo de control del desplazamiento de fase; comparar dicha información de fase de los ciclos de la bombas con dicha fase de referencia virtual; determinar la diferencia de fase entre la información de fase y la fase de referencia virtual y regular los puntos de ajuste de velocidad para los mandos de velocidad variable individual de las bombas individuales, basándose en dicha diferencia de fase.