用于多泵操作的控制系统 本发明的领域涉及可应用于生产系统中的多泵操作的自动控制系统。
在大规模地生产合成物以获取基本化学产品或特定化学产品的过程中，要向容器中加入许多材料，以进行所期望的反应。一个进料流中的变化会影响其它进料流的流速。为了能进行维修并减少工厂停工检修时间，通常有多余地泵，因此，一个泵作为备件，而另一个泵工作，例如向反应容器提供几种物料流中的一种。当只有单个泵运转时，一个自动控制系统能够变成系统的动态特性，从而使它可以清楚地并在所希望的时间内响应来自于控制器的输入变化。通常，在大规模的生产操作中，双泵布置包括一对相同的离心泵，其输出和排放压力根据泵的速度以一种预定的方式进行变化，如同泵制造商所提供的泵特性曲线所示的那样。
这种运行泵可以由电动机或其它驱动器来驱动，例如蒸汽轮机。
在许多情况下，制造厂的生产能力是在最初建成具有给定生产能力的制造厂多年之后才提高的。作为实现这种生产能力提高或消除薄弱环节的一部分，组成部分需要有更高的流速，例如那些将会进入反应容器的组分。当这些情况出现时，一种可选择的方案是简单地购买更大的泵，以适应更高的生产能力，并且继续以旧的方式运行：一个泵运转而另一个泵作为备件而闲置。但是，重新配置管线、基础、电力设施以及相关的停工期使得进行这种调整成大容量泵的方式在经济上不具有吸引力。而在许多化学生产工厂中，已决定同时运转主泵和备用泵。用管道将这些泵并联连接，其目的是它们可以共同负担所要求的新的以及更高的生产率。当按工厂常用的作法用涡轮驱动这些泵并使其同时运行的时候，在对与每一个涡轮驱动器相关的调节阀运动的不同响应中会出现控制问题。因此，为了调整两个同时运转的泵，其中每一个泵具有其各自的控制器，以使进汽阀相对于涡轮驱动器而定位，由于对涡轮机之一的蒸汽流量进行流量修正会改变其相关泵的输出，并且会改变连接在同一管道上的其它涡轮机的蒸汽流量要求，以便进行补偿，因此会出现泵之间相互干扰的情况。该蒸汽阀具有其各自的结构特征，这些特征会影响它们的运行速度，例如传动组件中的或该阀机构自身的摩擦。这种调节阀之间的不停校正最终会导致涡轮运行不稳定或在一个或两个涡轮中所测量到的振动较高，这会导致自动停机。另外，当这两个泵都在以自动模式进行操作时，它们可能对测量变量的大变化不会进行很好的响应，这种大的变化会引起例如两个泵的总的泵输出突然下降。在现有的系统中，一个控制流向各泵的蒸汽流量的主控制器会试图迅速减少两个泵的输出。根据该扰动的大小，输出的急剧下降会导致这两个泵上的最小流量再循环阀打开，从而导致向前的流体流速的较大损失，并最终导致该泵和该生产设备的完全停机。当然这种情况是不希望出现的。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于并联连接的多泵的控制系统，它可以防止这些泵在测量变量从一个所要求的给定值处发生正常偏移期间相互干扰。另一方面，本发明的另一个目的是使该控制系统能够响应测量变量的急剧变化，而不会给这两个泵造成损失并因此导致生产设备停机。
本发明的目的可以通过使主控制器根据测量变量的改变而给各泵提供不同的输出信号来实现。其结果是，在一个泵中根据测量变量的改变而产生的特性改变与其它泵不同。该方案使得泵能一起自动运行，而不会相互干扰，进而使得泵能响应测量变量的大幅度变化。已知现有的泵控制系统不能解决这个问题。泵的或可应用于泵的这种现有控制系统的典型在美国专利5,566,709；5,522,707；5,360,320；5,259,731；3,872,887；3,775,025；4,686,086和4,428,529中披露。
本发明公开了一种控制系统，尤其适用于生产设备中的多泵操作。通过一个主控制器来检测一测量变量，如压力。而该主控制器将信号发送到各个泵的驱动器上或以其它方式调节两个泵的输出。将该主控制器设计成根据测量变量的改变而同时向两个泵发送不同信号。结果是，一个泵的响应时间比另一个要快。因此，测量变量与所需给定值的一个小偏差首先由反应更快的泵来响应。大幅度的扰动导致测量变量与所需给定值有一个显著的偏差，这使一个泵迅速反应并大幅度地改变其容量，以使测量变量回到所需给定值，同时另一个泵更慢地响应并因此始终保持一个适当的液体流动速度，以防止生产设备停止工作。在检测到快速响应泵的损失时，该主控制器自动地加快所述响应慢的泵的响应时间，这样其容量就能够相当迅速地改变，从而足以在目标状况中保持该测量变量。通过利用这些泵的不同响应时间，就能够消除例如在通过蒸汽涡轮机操作时有可能出现的泵之间相互干扰的问题。另外，这些具有该控制系统的泵能够对大的过程扰动进行快速响应而不会引起两个泵都关闭的状况，而这种状况会引起生产设备停止工作。
附图简要说明
图1为本发明的一种应用的示意图，显示出优选的实施例，其中测量变量是压力，并且这些并联运行的泵的容量是由单独的速度控制回路来调节的，这些速度控制回路把在一条供汽管道上的蒸汽流调节到每一个涡轮驱动器上。
图2为输送到第二控制器上的第一控制器输出信号的示意图。
图3表示两个泵的性能，指出了在这两个泵中每一个泵的过程扰动期间时间和输出流量的曲线图。
图4所示为根据影响测量变量的生产设备另一部分中的流速改变所测量的控制变量每单位时间的改变。
图1所示为该优选实施例的控制系统C。如图1所示，泵10和12分别由涡轮16和14驱动。蒸汽供应管道18为涡轮14和16提供蒸汽。每一个涡轮14和16都分别具有一个速度控制回路20和22。速度控制回路20具有一个涡轮速度传感器，如标号24示意性地所示。控制器26给蒸汽控制阀30提供一个输出信号28。同样，大致地如标号32所示的速度传感器给控制器34提供一个信号，而该控制器把信号36传送到蒸汽控制阀38上。泵10和12具有相应的吸入管道40和42，它们一起被连接在管道44上，并最终进入作为该生产系统一部分的容器46中。泵10和12分别有排放接头48和50，其上分别连接有排放管道52和54。管道52和54一起通向管道56，该管道是从泵10和12返回至生产过程(process)的主排放管道。管道56上安装有一个与流量控制器60相连接的流量传感器58，而该流量控制器60操纵着流量控制阀62。信号65来自生产过程，从而使管道56中的流量能为了生产过程的需要而与其它流量相协调。当这些其它流量被改变或被间断而其结果导致了流量控制器60的给定值变化时，会出现扰动，该扰动改变了在压力指示控制器64处所检测到的压力。因此，例如，如果管道56要求更少的流量，则该流量控制器60通过关闭阀62而对其进行响应，这会升高管道56中的压力。由压力指示控制器64检测到该压力的升高。该控制系统C能采用各种测量变量进行操作而不会脱离本发明的精神。
压力指示控制器64给一信号分配器68提供一个输出信号66。该信号分配器68从压力指示控制器64中取得单信号66，并产生出两个相同的输出信号70和72。信号72直接到达控制器26中并绕过信号调节器75，而信号70通过一个信号调节器74，该调节器将该信号70调整成为一个输出信号76。这是由于泵12被选作领先泵(lead pump)而泵10被选作延迟泵(lag pump)才会出现的。可以采用相反的选择方案，在这种情况中信号72将会到信号调节器75上，而信号70将绕过信号调节器74。信号76到控制器34。图2所示为当由于阀62根据一个输入到流量控制器60的过程输入而关闭并由压力指示控制器64检测到一个压力增加的时候所出现的情况。在图2中，延迟泵指的是泵10，而领先泵指的是泵12。这些泵是根据它们对测量变量的改变进行响应的方式来这样命名的，在该所示的优选实施例中，测量变量是压力。图2示出了信号72和76以及其每单位时间的改变。在延迟和领先泵的两个曲线图的最初阶段中，信号72和76基本上是稳定的。在由78所指示的时间范围处，所检测到的管道56中的压力变量显著地增加，使得泵10和12的输出减少。例如，一种显著的改变是偏离给定值大于10％的偏移量。给予泵12的信号72随管道56中的压力增加而大幅度下降。倾斜段80示意地表示提供给控制器34的信号76的逐渐下降，其最终控制阀38。在图2中的倾斜段80的坡度越平缓，控制回路22的响应时间就越慢，并且泵10的容量随测量变量即管道56中的压力的改变而改变得也越慢。管道56中的压力变化也可能十分剧烈，从而足以使领先泵关闭，或者整个控制系统C会复原，如图2中所示，其中区段82表示信号72的一个进一步的响应，这样，最终，所控制的压力就通过承担负载的两个泵10和12来调节，如两个泵的图2中右端处的水平直线段所示。应该注意的是，延迟泵10的输出会改变，但是是以一个比泵12要更慢的速率变化。由控制器64检测到的压力的测量变量实际上会增加延迟泵10的输出，以补偿领先泵12的迅速的容量下降。图3说明了这种情况。该图显示出领先泵12的输出大幅度下降，结果是其最小流量循环阀90打开并最终通过操作员将其手动关闭。延迟泵10的输出在开始时下降一点，然后实际上增加，以满足使管道56中的压力达到给定值的需要。在领先泵的损失之前，延迟泵10的输出变化比领先泵12慢。这就防止两个泵随管道56中压力增加而同时容量减小，假如两个泵都以自动模式工作并且没有延迟补偿块74作用于延迟泵10的话，这种情况就会出现。延迟泵输出的变化在检测到流量的减少、最小流量再循环阀的打开或领先泵的损失时自动地变得和前面的领先泵一样快。结果，延迟泵能够足够快地进行反应，以补偿由领先泵突然关闭所引起的向前的流体流量的突然减少。
参照泵10和12，排出管道52和54分别具有从那里延伸出的再循环管道84和86。再循环阀88和90分别位于再循环管道84和86上。再循环管道84和86最终回到容器46。当泵10或12的输出十分低的时候，相应的再循环阀88或90就会打开，以避免在低输出下长时间的工作对泵的损害。该优选实施例采用了离心泵作为泵10和12，但是也可以采用其它类型的泵，而不会脱离本发明的实质。
如上所述，在使管道56中的压力保持一个所期望的预定值的时候，由于控制阀30和38的不均匀的运动，从而会出现泵10和12相互干扰的情况。为了对控制器64中与预定值的小偏差进行响应，在没有也被称作延迟补偿块的信号调节器74的情况中，对于控制回路20和22的同步信号会导致不均匀的控制阀运动，如一个阀30比阀38响应得更快。即使速度控制器26和34所接收的信号是相同的，这种情况也会出现。当不均匀的阀运动出现时，它会引起不同的涡轮速度，并引起这些泵的输出不同。同时，改变一个涡轮的蒸汽流量同时会影响到其它涡轮的蒸汽流量，因为蒸汽来自一个共同的管道。结果，需要进一步的校正，以使这些涡轮的速度和测量变量返回到所期望的预定值。
通过控制阀30和38来进行这种不停的重新设定或寻找平衡会导致涡轮14和16工作不稳定。在将振动传感器安装在涡轮14和16上的情况中，涡轮中的振动能够达到足够的程度，以强迫这些涡轮关闭，并且因此关闭生产设备。这样，由于控制阀30和38随着给定的控制命令而异相运动而导致的泵10和12之间相互干扰的问题是一个不令人满意的特性，该问题可以通过延迟补偿块74来解决。通过采用该延迟补偿块74，泵10的工作就变得足够慢，这样，如由控制器64所检测的一样，管道56中压力与所期望的预定值的小偏差不会对阀38的工作造成实质程度的影响。尽管最后在阀38的阀门位置中可能有一些变化，控制系统C进行响应，以调节在控制器64中所选择的管道56中压力的给定值，该响应是为了使领先泵12对测量变量的变化响应得更快。甚至当该系统在稳定的条件下工作的时候，因为泵10的灵敏度减小了，所以可以通过采用一个延迟补偿块74来消除这些泵相互干扰的可能性。由于对控制回路22中的控制具有一个更慢的响应时间，因此干扰不再是一个问题，这是因为在阀38中阀门位置的小变化不再对整个系统具有任何显著的直接影响。由于控制回路22的响应度已经比控制回路20的响应速度慢，因此，在控制器64的给定值之上或之下的小信号主要通过阀30的动作来调节。甚至在如由控制器64所设定的一个控制压力下稳定工作时，采用延迟补偿块74，可以在正常的工作期间消除泵10和12之间相互干扰的问题。
假如在管道56中所要求的流量突然下降的话，控制器60会将阀62朝着其关闭位置移动。而这将被控制器64检测成管道56中的压力升高。此外，在前面没有延迟补偿块74的系统中，两个泵都相应地与控制回路20和22类似地进行响应，以让阀30和38同时关闭。根据扰动的程度，两个泵10和12都会接近它们的最低流量值，这会引起再循环阀88和90打开。这会阻止即使在以低速率工作的时候也必要的必要流动行程，从而该过程会停止。为了避免两个泵的损失以及让该系统在需要时对大幅度的变化进行响应(即，例如大于10％的阶梯性变化)，要把延迟补偿块74插入在控制系统C中。在该延迟补偿块74安装到位时，在控制器64处被检测成压力大幅度增加的管道56中过多的流量将会导致领先泵12大幅度地降低其输出，同时，由于用于延迟泵的信号76的调节，如图2中所示，延迟泵10的控制回路22的响应度将会显著地变慢。因此，该延迟泵10将在管道56中保持一定的向前的流体流量，从而防止生产设备停机。需要的流量在管道56中会这样减少，以至于领先泵实际上可能让其再循环阀90打开或可能脱机。如果该情况出现的话，那么操作员能用该延迟泵来继续满足管道56中的要求。在这时操作者可以用手将领先泵12关闭。当该领先泵由手动停止或是自动停止的时候，主控制器64将会立即把延迟泵10指定为新的领先泵。这种做法将绕过补偿块74并让泵10来控制管道56中的压力，但是现在是以一个比当它原来作为延迟泵的时候要快的响应进行控制的。
本领域普通技术人员能够认识到，根据已知的控制系统技术，可以把延迟泵和领先泵的选定颠倒过来，而不会脱离本发明的实质。另外，任何一个泵可以通过控制器64而以自动工作的方式进行操作，而另一个泵是空闲的。这会在生产设备的工作速率低的情况下出现或者在需要对泵10或12之一进行维护的情况下出现。
图3示出了以每分钟多少加仑为单位的控制系统C的泵10和12的输出特性。如图3所示，当管道56中的过程所要求的流量出现大幅度降低的时候，两个泵都以一个稍大于每分钟800加仑的流量进行工作，这就提高了控制器64处的测量压力。线92表示领先泵12的输出随着扰动而大幅度降低到零，而响应得更慢一些的延迟泵10的输出在开始的时候降低很少，然后以一个与泵12容量减小不相上下的速率增加到高达每分钟约1400加仑，如线94所示。然后该过程只采用延迟泵10工作多个小时。在这期间，延迟泵10会自动地被重新设定为领先状态，其绕过补偿块74。以后重新启动泵12，如线96所示。由于泵12是带着附加容量开始的，因此，控制回路22进行响应，并减少泵10的输出，直到这些流量相配，如图3的右端所示。泵12作为延迟泵而启动，同时补偿块75调整其信号，而当前泵10是领先泵。
在图4的顶部，绘制了在同一时间段中在控制器64处所检测到的压力。图4示出了在扰动时刻附近一个显著的压力峰值，这使得控制器64会改变泵10和12的动作。随后的领先泵12的损失会引起跟着该压力峰值的一个小的压力下降。如图3可以看出，延迟泵10的输出实际上在开始时缓慢地下降，然后迅速地增加。扰动的大小大致地可以在图4的底部处看出。图4底部曲线的参照在这种情况下是甲醇的送料速度，而甲醇的速率又通过使用控制器60并由比例控制器来控制管路56中的流速。由此，甲醇送料降低的幅度相当显著，但持续时间较短。图3和图4共同表示了泵10和12对这种扰动程度的系统响应。在图4的管路56的压力时间图中可以看出，出现了一个非常小的压力扰动，这主要是由于来自于邻先泵的向前流体流量的突然损失和采用了延迟补偿块74的缘故。在这个特定的实施例中，甲醇送料速度降低幅度的数量级是350加仑/分钟至约80加仑/分钟，控制系统C进行响应，从而成比例地降低管路56中的流量而不会使该设备停机。
本领域普通技术人员可以清楚地看出，该控制系统C能低成本地消除现有设备的薄弱环节，这些现有设备以前被设计成一个泵运转而另一个泵作为备件而闲置。不用重新配置泵和驱动器以适应更大的生产能力，主泵和备件泵就可以按照自动模式一前一后地运转，而不会彼此干扰，同时也具有对大幅度的过程扰动进行响应的能力。上述的控制系统能够对控制变量即管路56中的压力与所要求的给定值的显著偏差进行响应。因此，例如，在流量控制器60在一个流量比的基础上对该生产设备中的另一个流速进行响应的情况下，该整个控制系统能对总输出在非常突然的基础上的降低进行响应，例如从1650加仑/分钟降低到1300加仑/分钟。控制系统C具有多功能性，能让两个泵10和12并联运行，并经受得住设备的扰动，例如由于导致阀62位置改变或两个泵10或12之一损失的过程变化而产生的扰动。控制系统C还能让来自泵10和12的流量平衡，并且让泵10和12不但能够单独启动，而且还能单独关闭。最后，该控制系统C还能实现从一个泵转换到另一个泵上而不会在该过程中产生扰动。
在控制系统C的工作中，过程操作员指定一个特定的泵作为领先泵而另一个泵作为延迟泵。为了确保每个泵都能作为领先泵或延迟泵，要将一个类似于延迟补偿块74的延迟补偿块75连接到信号72上。根据哪个泵被选作领先泵或延迟泵，输出信号70和72中的一个或另一个将绕过补偿块74和75中的一个，这就导致一个控制器20或22具有一个相对较小的延迟时间，以便更快地响应，同时另一个控制器具有一个更长的延迟时间，以便更慢地响应。领先泵比延迟泵响应更快，这样，延迟泵就不会受到过程扰动的影响，该过程扰动会引起与测量变量给定值有一个小的压力波动。该延迟泵运动缓慢，并且和控制器64联合工作，以在正常工作期间保持两个泵的流量平衡。在这种状态下，延迟泵对在管道56中的这些小的压力波动不敏感。因此，在泵10反应之前的一些情况中，可以通过泵12进行小的修正。该控制系统C是这样设置的，即，当出现大的扰动时，最优先的是保持管道56中的排放压力并始终保持一个适当的向前的流体流量，以避免出现设备停机。在那时暂时不要试图平衡泵10和12的流量，因为这会导致该系统的可控制性的降低。如果泵10或12中的一个停机的话，那么控制系统C会自动地从双泵工作中切换到单泵工作。
在控制系统安装到位的情况下，延迟泵没有足够的影响力来影响领先泵工作，并且，即使调节阀有些不协调的运作，但是由这种不协调运作所产生的泵干扰不再是一个问题。在过程中出现较大扰动的情况下，如控制器64所检测到的突然的压力上升，这时，领先泵先是减慢，直到其最小流量阀打开。在这时候，第二个泵或延迟泵将缓慢减速，并且由于与其相连的延迟补偿块而使该泵不会打开其最小流量阀。因为领先泵的容量在最小流量阀打开之前迅速减少，并在最小流量阀打开之后进一步减小，因此，该过程就突然损失了大量的泵系统容量，而这会防止延迟泵向着其最小流量关闭点移动。而延迟泵实际上能增加其容量。随着在此时自动地指定该延迟泵作为新的领先泵，该新的领先泵能以一个与原来领先泵的输出下降不相上下的速率来增加其容量，以便控制管道56的压力。因此，该控制系统C就能防止两个泵在同一时刻打开它们的最小流量阀，而这会导致生产设备停机。
用于延迟泵的延迟补偿块的调节必须与系统工作要求结合起来进行。如果该延迟泵响应太慢的话，那么就几乎成为这种状况，即，该延迟泵是手动操作。另一方面，如果延迟泵的响应时间太快的话，那么将在过程扰动期间会重新出现泵的相互干扰和无法控制的问题。因此，延迟泵所用的延迟补偿块的设置必须通过在实际过程系统中调节来完成。这种系统的调节对于本领域普通技术人员来说是公知的工作。将该控制系统C设计成能在其中一个泵停机的情况下在自动运行时自动地从一个泵切换到另一个泵，而与该泵是否被指定为领先泵或延迟泵无关。在对过程扰动的响应中，如要求泵容量下降的管道56中压力的上升，这时，领先泵会迅速地响应，以减小其容量，同时延迟泵会以更慢的速率减不小容量，或者实际上可能在领先泵大幅度减小其容量的时候增加其容量。如果在领先泵上的速率减小足够大的话，那么它将会引起最小流量阀的打开并使其回到容器46，在这种情况中，相对迟缓的延迟泵将会试图控制管道56中所要求的压力。当这样一种情况出现并且领先泵没有立即关闭的时候，管道56中的排放压力的控制可能变得迟缓并令人不满意。该领先泵可能会交替地打开或关闭其最小流量阀，这样就会干扰设备。当这种情况出现的时候，操作员通常将会使领先泵降低，并且主控制器64将会自动地选择延迟泵作为用于单泵自动工作的主泵。如果操作员不作这种改变的话，那么管道56中的排出压力控制会恶化，以至该设备会停机。参见图3，示出了这一过程，其中，领先泵关闭，如线92所示，并且后来又停止，如线96所示。
本领域普通技术人员会知道，在随着一个泵关闭管道并且延迟泵被选作用于单泵自动工作而出现一个扰动之后，由于只有一个泵工作，因此将不再需要与该泵相关的延迟补偿块。
所公开的控制系统C解决了在处理设备中在双泵工作的情况下出现的泵之间相互干扰的问题。该控制系统C可以应用于并联运行的其它类型的设备，它是根据处理系统中测量变量的改变来单独控制的，并且并不局限于用蒸汽涡轮来驱动的离心泵，如在优选的实施例中所述。其它类型的驱动器或容量控制也在本发明的范围之内。该控制系统C可以控制两个或多个同时运行的泵，只要至少一个泵是领先的并且另一个是延迟的。
本发明上述的说明和描述是示例性的和解释性的，并且可以在尺寸、形状和材料以及所示结构的细节方面作各种改变而不会脱离本发明的保护范围。