TW201207236A - Phase shift controller for a reciprocating pump system - Google Patents

Description

201207236 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大致上係關於泵，且特定言之係關於處置礦物漿 體之多個往復式正位移泵。 【先前技術】 往復式正位移泵係用於在與（例如）單階離心泵相比之相 對向壓下泵送液體。此等正位移泵之進一步特徵包含高效 率及一精確流量輸出，但其等之一流量產能與離心泵相比 相對較低。當一典型應用之流量需求不可能由一單一泵滿 足時，可並行配置多個正位移泵使得其等之吸取及/或排 放連接件連接成一單一吸取及/或排放管線。此意味該等 個別泵之總流量可滿足該應用之總流量需求。該等個別泵 及互連吸取及排放管線之組合形成一泵系統。 在往復式泵中，一位移元件（諸如一活塞或柱塞）在氣缸 襯墊内部進行一往復式運動使所泵送之液體發生正位移。 在忒往復式泵之一特定實施例中，該位移元件之往復式運 動係藉由將該泵驅動器之旋轉運動轉換成該位移元件之一 往復式運動之一機構所產生。此機構之特定實施例可包含 曲軸、偏心軸、凸輪軸或凸輪盤機構。 在以下描述中，僅描述曲軸類型之實施例，其進一步被 稱為曲轴驅動之一正位移泵。在圖丨中，展示一個三氣缸 或一重單動式曲軸驅動正位移泵之一示意截面圖。該位移 元件可直接使該所泵送之液體位移或使一中間液體位移， 而該中間液體使一撓性位移元件位移，該撓性位移元件則 155255.doc -4- 201207236 使該所泵送之液體（諸如一研磨漿）位移。本發明適用於一 正位移泵之一實施例，但因為特別關注之改良係如下所述 之正漿體栗，因此該實施例使用如圖1特定所示之一中間 液體及撓性位移。 曲軸驅動正位移泵之一典型特徵係其位移元件之非怪定 在複速率。曲軸驅動正位移栗因此在各曲轴回轉時固有地 產生一非恆定流量或流量脈動。在圖2中，展示在一個三 重單動式正位移泵之一曲軸回轉或泵週期期間產生之一典 型流量脈動。取決於所連接之系統之液壓回應，此等流量 脈動在所泵送之液體中產生壓力脈動，繼而可導致管道及 該液體流過之支撐結構的振動，且該等壓力脈動可在該管 道系統中產生一不平衡負載。 當一個以上曲軸驅動正位移泵連接至一單一吸取及/或 排放入口或出口時，藉由該等個別泵產生之該等流量脈動 之間的一相互作用可能產生。此相互作用可再次取決於該 連接之系統之液壓回應而抵消或增加該泵系統中之流量及 壓力脈動之總位準。此外，該泵系統中存在之液壓諧振可 藉由每一個別泵產生之該等流量脈動而激發。決定一給定 泵系統中之總流量及壓力脈動之一重要參數係該等個別泵 之曲轴之間的相位移。控制此相位移可因此有助於控制使 用曲軸驅動正位移果之一給定系系，统中之力量及壓力脈 動。 亦被稱為栗同步之此相位移控制在下文予以描述並展示 於圖3中該相位移控制需要裝備有可用以藉由個別驅動 155255.doc 201207236 器之速度調整來調整並維持該等果之間的相位移之變速驅 動Is(VSD)之泵。再者，個別果及/或其等之驅動器係裝備 有指示個別泵之泵週期（進—步被稱為個別泵之相位）之位 置之一相位感測器。此相位資訊接著被相位移計算器使用 以計算該等個別泵之間的相位移，此等相位移接著被該相 位移控制器使用以調整該等個別泉之速度，使得相位移朝 期望相位移調整或維持在期望相位移。 在習知先前技術中，泵系統中之一泵被指定為主泵。此 主泵遵循該泵系統速度參考設定點而無針對相位移控制之 任何調整。其他栗則被指定為必須跟隨該主果之從屬泉。 該相位移控制器計算該主果與每一從屬泵之間的相位差， 並為每一個別從屬泵產生基於該主泵與該個別從屬泵之間 的該相位移之一速度設定點，以獲得並維持該主泵與從屬 泵之間的一恆定及期望相位移。 此方法具有若干缺點： 1. 系統操作員必須在啟動該泵系統前決定將哪一個泵用 作主泵，其後再決定各從屬泵相對於該所選擇之主泵之相 位移。此可導致複雜的主/從及相位移排程程序，其亦可 取決於該特定系統而有所差異。 2. 當該主泵失誤或必須關閉時該相位移即失去控制。取 決於該相位移控制之特定實施例，可能必須關閉整個泵系 統，這係因為該主及從的初始化可能需要自開始再次初始 化。對該完整的泵系統之該相位移控制之可靠性因此係取 決於被指定為該主泵之一單一泵之可靠性。 155255.doc •6· 201207236 3.當該主栗之操作不穩定時，舉例而言，由於吸取及/或 排放閥之-故障’該主泵之速度擺動可發生。從而使該主 泵之不穩定操作具有在該泵系 穩 作 定操作之結果’且因此產生整m统之—不穩定操 〇 此等缺點特別在使詩栗送高度研磨紫之採礦及礦物質 處理工業中之曲軸驅動正位移泵方面特別受到關注。該等 採礦及礦物質處理業中之應用需要縣系統之持續操作 且避免意外的停頓。進-步言之，習知配置之該等缺點在 高流速應时變得更受到關注，對於該採礦及礦物質處理 工業而言該等高流速應用亦係典型的。 先前技術中習知並使用之實施例通常係限於每一泵系統 具有三個或四個泵，且對於該泵系統而言該等主/從排程 程序相對較容易。進-步言之’具有相位移控制之先前技 術泵系統之總流速有限，因此該系統仍可可靠地操作，這 係因為該等壓力脈動產生之不平衡負載相對較低且在一些 應用申仍可接受。 然而，在採礦及礦物質處理工業中之大量漿體應用中， 可在一單一泵系統中使用數量大甚多之泵。習知實施例通 常在一單元泵系統中使用多達10個泵，使得該主/從排程 極複雜。使用於該採礦及礦物質處理工業中之尺寸增加之 系系統可導致所連接之管道中之該泵系統中之壓力脈動產 生之不平衡負載，其規模甚大使相位移控制成為達到可靠 泵系統操作之先決條件。 155255.doc 201207236 進-步言之’應注意由於導致果組件之磨損率較高之系 送衆體之研磨特徵，正位移毁體泉之兩次維護之間的時間 與非漿體應用相比可能相對較短。每次需對主果進行維護 時，必須指定-新的主泵’因此可能需要關閉一泵系統， 此將嚴重影響整個泵系統之可用性，在該粟系統中持續操 作係較佳的。 【發明内容】 本發明係關於-㈣於解決該先前技術曲健動正位移 栗之相位移控制系統之上述缺點之方法。在先前技術系統 中，一真實的果在-主/從控制方案t係用作控制該主果 與該從屬泉之間的相位移之一主菜。其缺陷包含複雜的主/ 從排程程序、取決於-單一主果之可靠性之㈣系統之減 小的可靠性以及-不穩定主系操作之情況中之整個栗系統 之減小的效能。 ;本發明係關於-種使用多個往復式正位錢之系系統， »亥夕個往復式正位移泵之相位移係由一相位移控制器控 制。該相位移控制器在該相位移控制器内部使用一虛擬主 泵，該虛擬主泵係在計算個別泵之相位移時用作一相位參 考。該相位移控制器調整該等個別泵之變速驅動器的速度 參考设定點，以獲得並維持一期望相位移。多個往復式泵 使用相位移控制之操作可顯著減小該泵系統之壓力脈動位 準。使用一虛擬主泵消除主從排程並增加系統可靠性及可 用性，这疋因為相位控制之操作並非如先前技術相位移控 制器之情況中一般取決於一真實主泵之可靠性。 155255.doc 201207236 該虛擬主$基於如-真實主线作之—單—泵系統參考 速度設定點在該相位移控制器内產生一相位參考信號。該 录系統中之所有真實栗系統在該相位移控制器中用作從屬 果。每一個別泵之相位與該控制器内之虛擬主果之相位比 較，接著將其用作該相位移控制之一輸入。在圖4中展示 該虛擬主泵相位移控制器之一控制流程圖。 使用-虛擬主泵可對該等習知先前技術曲軸驅動正位移 相位移控制系統提供-些操作性改良。該等從屬栗總是參 考相同虛擬主系，因此不需要排程。該虛擬主果被考慮為 永遠可帛、係因為該虛擬主泉並不需要維護2比一真實 機械栗可靠得多。進一步言之，該主泵之速度永遠係穩定 的，這係因為該主栗之速度並不受—單―主系之效能影 響，适在-正位移系用於系送採礦及礦物質 漿時係特別有用的❶ 〃 ，本發明並不限於三重單動式正位移泉，但適用於所有單 耽缸或多氣缸單動及雙動正位移泵。 【實施方式】 雖然任意其他形式可能落於中請專利範圍令陳述之設備 =範缚内’但是現在將藉由舉例並參考隨附圖式描述特定 貫施例。 本發明包含若干用於相位移控制器之個別部分之實施 例。為完整起見在此給定一些實施例之一列表： 變速驅動器 施例 本發明並不限於所使用之變速驅動器之一特定實 155255.doc 201207236 然而特別提及下列實施例： 1·交流（AC)電力驅動器 2. 直流（DC)電力驅動器 3. 柴油機驅動器 4. 液壓驅動器 泵週期相位感測器 本發明並不限於所使用之相位感測器之一特定實施例， 然而特別提及下列實施例： 1. 該感測器實施例可產生關於該泵週期之絕對相位資 訊。 2. 該感測器實施例可產生關於與該泵週期相位之一零點 參考組合之該泵週期之相對相位資訊。 3. 該感測器實施例可基於該泵中將泵驅動器之旋轉運動 轉換為諸位移元件（諸如一曲軸）之一往復式運動之主旋轉 組件之角位置產生關於該泵週期之相位資訊。 4_該感測器實施例可基於該泵中之一或多個位移元件之 線性位置產生關於該泵週期之相位資訊。 5. 該感測器實施例可基於可直接耦合或經由具有習知減 速比之減速裝置耦合至該泵中之主旋轉組件之變速驅動器 之角位置產生關於該泵週期之相位資訊。 6. 該感測器實施例可基於產生於該泵週期之一預定位置 處之一單脈衝產生關於該泵週期之相位資訊。 7. 該感測器實施例可基於產生於該泵週期之一預定位置 處之一多脈衝產生關於該泵週期之相位資訊。 155255.doc •10- 201207236 8. 該感測器實施例可基於產生於該泵週期之一預定位置 處之一多脈衝產生關於該泵週期之相位資訊使得每一泵週 期之脈衝數目等於該泵中之位移元件之數目。 9. 該感測器實施例可由上述感測器實施例之任意組合組 成0 相位移控制器 本發明揭示並不限於相位移控制器之一特定實施例，然 而特別提及下列實施例： 1 · 類比電子控制電路 2 ·基於固態電子學之數位電子控制電路 3. 使用微處理器技術之可程式化控制器 4. 可程式化邏輯控制器 5. 嵌入式微控制器 在前述對較佳實施例之描述中，為簡明起見訴諸於特定 術語。然而，本發明揭示並不意欲受限於如此選擇之特定 術語，且應瞭解每一特定術語包含以一類似方式操作以完 成類似技術目的之所有技術相等物❶一些術語係用作便 於提供參考點之措辭且不應被解釋為限制術語。 此說明書中對任何先前出版物（或自其衍生之資訊）或習 知之任何原因之參考並非且不應被視為該先前出版物（或 自其彳’丁生之貧訊）或習知原因在努力下形成此說明書有關 之共同常識之部分之認知或許可或建議之任意形式。 最後，應瞭解各種變更、修改及/或添加在不脫離本發 明之精神或範圍之情況下可併入諸部分之各種構造及配置 155255.doc -11· 201207236 中。 【圖式簡單說明】 圖1圖解說明一先前技術三重單動式正位移泵之一示意 截面圖，亦展示使用一中間液體及一額外撓性位移元件之 一實施例； ® 2圖解說明該先前技術之-個三重單動式正位移栗流 量脈動； 片水朴两主泵之一主從控 方案之往復式系相位控制之—先前技術控制流程圖；及 圖4圖解說明具有使用根據本發明之一虛擬主系之一 從控制方案之往復式果相位控制之一控制流程圖。 I55255.doc •12-

Claims (1)

1. 201207236 七、申請專利範園： 1.—種用以控制多個往復式正位移泵之個別速度以獲得並 維持介於該等個別泵之泵週期之間的一期望相位移之相 位移控制裝置，其包含用於產生該等個別泵之泵週期之 相位資訊之若干相位感測器實施例，其特徵在於該等個 別泵之該相位資訊係與該相位移控制裝置内產生之一虛 擬參考相位比較，其中相位差係用以調整該等個別泵之 個別變速驅動器之速度設定點。 2·如請求項1之相位移控制裝置，其特徵在於該泵含有將 該泵驅動器之旋轉運動轉換為該泵中之該等位移元件之 一往復式運動之某種形式的機構，諸如（但不限於）一曲 軸、偏心軸、凸輪軸或凸輪盤。 3·如請求項丨之相位移控制裝置，其特徵在於該變速驅動 器可能係諸如(但不限於)AC或DC電力驅動器、柴油機驅 動器及液壓驅動器之任何實施例。 4.如請求項1之相位移控制裝置，其特徵在於該感測器實 施例產生關於該泵週期之絕對相位資訊。 5·如請求項丨之相位移控制裝置，其特徵在於該感測器實 施例產生關於與該㈣期相位之—零點參考組合之該泉 週期之相對相位資訊》 6.如請求^之相位移控制裝置，其特徵在於該感測器實 施例基於該栗中將系驅動器之旋轉運動轉換為該等位移 元件（諸如-曲轴）之一往復式運動之主旋轉組件之角位 置產生關於該泵週期之相位資訊。 S 155255.doc 201207236 7. 如請求項1之相位移控制裝置，其特徵在於該感測器實 施例基於該泵中之一或多個位移元件之線性位置產生關 於該泵週期之相位資訊。 8. 如請求項1之相位移控制裝置，其特徵在於該感測器實 施例基於可直接耦合或經由減速裝置耦合至該泵中之該 主旋轉組件之變速驅動器之角位置產生關於該泵週期之 相位資訊。 9. 如請求項1之相位移控制裝置，其特徵在於該感測器實 施例基於產生於該泵週期之一預定位置處之一單脈衝產 生關於該泵週期之相位資訊。 10·如請求項1之相位移控制裝置，其特徵在於該感測器實 施例基於產生於該泵週期之一預定位置處之一多脈衝產 生關於該泵週期之相位資訊。 π.如請求項丨之相位移控制裝置，其特徵在於該感測器實 施例基於產生於該泵週期之一預定位置處之一多脈衝產 生關於該㈣期之相位資訊使得每—㈣期之脈衝數目 等於該泵中之位移元件之數目。 12_如請求項1之相位移控制裝置，其特徵在於該感測器實 施例可由請求項4、5、6、7、8、9、1Gau中描述之感 測器實施例之任何組合組成。 以二種使用多個往復式正位隸之㈣統，其併人如前述 請求項中任一項之一相位移控制裝置。 14.種用於控制多個往復式正位移果之個別速度以獲得並 維持該等個別栗之該等㈣期之間的_期望相位移之方 155255.doc -2 * 201207236 法，其包括下列步驟： 產生該等個別泵之該等泉週期之相位資訊； 在一相位移㈣裝置内產生—虛擬參考相位； 將該等果週期之該相位資訊與該虛擬參考相位比較； 決定該相位資訊與該虛擬參考相位之間的相位差；及 基於該相位差調整該等個別果之該等個別變速驅動器 之速度設定點。 I55255.doc