第13卷第2期2009年3月
电机与控制
AND
学报
CONTROL
V01.13No.2
ELECTRICMACHINES
Mar.2009
螺旋管气液分离器结构与控制系统设计
薛国民,
沈毅
(哈尔滨工业大学控制科学与工程系,黑龙江哈尔滨150081)
摘要:结合重力和螺旋管离心力分离的特点,提出一种螺旋管复合气液分离器结构。基于重力
作用下气液分离的边界条件,给出了分离器直径、高度的设计方法;基于螺旋管离心力作用下气液分离的边界条件,给出了分离器螺旋管截面直径、螺旋管圈数的设计方法。总结人工控制经验,设计了分离器液位Fuzzy-PID控制器。实验表明,气液分离效果良好,分离流量是同尺寸重力分离器的2.5倍。
关键词:螺旋管;气液分离器;控制;设计
中图分类号:TP273
文献标识码:A
文章编号:1007—449X(2009)02—0287—03
Designofstructureandcontrolsystemforspiraltubegasliquidseparator
XUEGuo—min,
(Control
SHENYi
150081,China)
ScienceandEngineeringDepartment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin
Abstract:Combinedcharacteristicsofgravityandspiraltubecentrifugal,akindofspiraltubecompound
gas
liquidseparatorwasdeveloped.Based
on
theboundaryconditionsofgasliquidseparationundergrav・
on
ityeffect,designmethodsofthediameterandheightoftheseparatorweregiven.BasedconditionsunderspiraltubecentrifugalclenumberwerelevelWas
theboundary
effect,designmethodsofthespiraltubesectiondiameterandcir-
controllerforseparator
given.Summingupmanualworkexperiments,theFuzzy-PID
designed.Separating
experimentsshowtheseparatingcapabilityoftheseparatorisgood,and
themaximumoilandgasseparatedfluxis2.5times鹊thatofthesamesizegravityseparator.Keywords:spiraltube;gasliquidseparator;control;design
1
引言
器结构参数以及运行控制器的设计还没有实用的成熟方法。由于螺旋管内多相流体流动的复杂性,根据气液流量、分离时间和效果要求,研究螺旋管复合气液分离器的结构和控制器设计方法具有重要的实际意义。本文基于重力分离和螺旋管分离的边界条件,研究重力和离心力复合的螺旋管气液分离器的设计原则和设计方法,研制实验分离器,设计运行控制器,并进行实液分离实验。
螺旋管分离器是一种新型的气液(液液、液固)分离方法,它利用流体在螺旋管中流动产生的离心力实现不同密度介质分离。螺旋管分离器较早应用于井口除砂,实验表明与重力和其它旋流器比较,具有结构紧凑、压力损失小、效率高的优点[1.2】。螺旋管分离器的优点已经引起广泛重视,研究领域涉及螺旋管内油水两相分离旧J、气泡运动变形过程分析H1、流体流流型、压降怕1等;但研究成果多数集中在管压降、热传导、摩擦阻力特性等方面,对于分离
收稿日期:2008一07一04
2分离器总体结构方案和设计原则
多圈螺旋管结构可以延长离心力作用时间,达到
作者简介:薛国民(1971一)。男。博士研究生,高级工程师,主要研究方向为智能检测与控制;
洗薇(1963一),男,博士。教授。主要研究方向为控制科学与工程。
288
电机与控制学报第13卷
较好的分离效果。为了发挥小流量重力分离的优点,本文提出一种重力与螺旋管离心力组合的气液分离器结构,如图l所示,采用立式圆柱三段结构,由集气腔、螺旋管腔、集液腔组成,螺旋管腔内置多圈螺旋管。
图1分离器总体结构
Fig.1
Whole
structureofseparator
分离器结构设计内容包括分离器直径,集气腔高度,集液腔高度直径,螺旋管截面直径、圈数,分离器入口、气出口、液出口直径计算等。
分离器结构设计原则:根据气液流体范围度,按照流茸下限设计重力分离部分,按照载荷流量上限设计螺旋管离心分离部分,然后进行综合。
3分离器结构参数设计计算方法
已知条件:液相流量范围为Q..~Q垃(m3/s),气流流量范围为Q一一Q露(ITl3/s),液体密度为Pl(kg/m3),液体粘度为肛。(Pa・s),气体密度为P。(kg/m3),气体粘度为以(Pa・s)。
具体结构参数设计计算方法如下。
(1)分离器直径D、
分离器直径主要依据重力分离理论按照下限流
量进行计算怕J。
集液腔内气泡分离的边界条件是气泡上浮速度大于液面平均下降速度,故可得到分离器集液腔直径计算公式为
。≥:6%/2/x,Q,,护。
(1)
集气腔液滴分离的边界条件是液滴沉降速度大于集气腔允许气体流速,故可得到集气腔直径计算
公式为
她√燕踟,
㈣
式中:而,d。是待分离液滴、气泡的粒径;JB是载荷波
动系数,取值1.5~2;R。是雷诺数。取式(1)和式(2)计算结果中较大的值作为分
离器直径。
(2)集液腔高度h
对于立式分离器,在所要求的停留时间内,进入
分离器的液餐应等于集液段的体积,故集液腔的高度h可由下式计算
2
4QlIt。
i尹。
(3)
(3)分离器总高度日
按照分离器总高度日与直径D比为4—6的原则确定。
(4)气、液出口直径
分离器气、液m口直径根据流速确定,气相流速
10~40
m/s,液相流速取1~8
m/s。
(5)人口直径d(螺旋管横截面直径)
入口流速秽在3~10nv's范围选取,离心加速度口在8~20g范围选取,入口直径通过人口流速和离心加速度来综合,应避免入口节流造成较大压力损失。
(6)螺旋管罔数
为了尽量缩小高度,多圈螺旋管采用紧密排列方式。螺旋管内气液分离的边界条件是:液滴和气泡运动到气液界面的时间应小于气液混合物在螺旋管中的运动时间。据此计算螺旋管圈数
凡>—},
1.3t,D.
(4)
71"0)/J2
其中面为气泡或液滴的在螺旋管截面径向运动速度。
4分离器控制系统设计
按照日油气流量范嗣:油为10~100m3和气为
50—500
in3设计制作试验分离器,分离器结构参数
为日=1
500mm,h=80mm,D=300mm,d=25mill,
n=9。平均油气流量的离心加速度为10g。为了保障分离器的运行,需要对分离器的液位、压力、流量等参数进行检测和控制,为此设计检测控制系统如图2所示。
压变
液位计3笔浅流量{订3.14广9凋节阀
0.24西
集气室离器本
温变
PII)控制器
油气水进¨螺旋分离室
萋
出口
一—..●
集液室
・89
7399
一液流量计
图2检测控制系统
Fig.2
螺旋管气液分离器结构与控制系统设计
Measureandcontrolsystem
分离器的液位稳定是保证气液有效分离的必要条件。实验分离器运行特点证明,调节气出口阀门即可有效控制液位。总结人工手动调节气路阀门的经验可以采用模糊控制方法,为了保证系统稳态无差,在液位到达给定值一定范围内时,采用PID控制方法。
通过平均气液流量开环阶跃响应实验辨识,按照Ziegler—Nichols工程整定法确定PID控制器参数为K=1、Ti=1、死=0.02。流量波动是分离器最大的干扰,闭环抗干扰实验结果如图3、图4所示。实验结果说明,加入了Fuzzy—PID控制器的闭环系统的响应速度,抗十扰能力强。
rig.4
{翻蜓
时间/min
图4流量减小50%闭环响应
Colseloop
responseof50%fluxdecreation
5气液分离实验结果与分析
实验目的是验证螺旋管复合气液分离器的气液
分离能力,包括气液分离的气相、液相流量范围和分
离效果。
、
昌
实验装置由柴油、氮气、水三路混合配设备组成,每一路都配有流量计量仪表和调节阀。实验时通过配比装置配制一定流量和含率的油、气、水三相流体,经混流器充分混合后进人分离器,计算机实时采集分离器液位、压力、温度、气出口流量、液出口流量,适时调节分离器液位。实验数据和计算结果见
图3流量增加50%闭环响应
趟链
表1。
表1气液分离实验数据
Fig.3
Colseloopresponseof
50%fluxaddition
Table1
Dataofgasliquidseparating
experiment
由表l实验数据可见,液路相对偏差在±1.5%力分离器提高了2.5倍。
参考文献:
[1]
高晖,郭烈锦,张两民.螺旋管分离器中液固砖相流颗粒相分布研究[J].工程热物理学撤,2002,23(增刊):205—208.
以内,气路相对偏差在±2.5%以内。实验结果说明
气、液两相分离的比较彻底,只有这样液路和气路的测最偏差才能在较小的范围内。另外,计算可知相同尺寸立式重力分离器的日分离流量是液50m3、气
200
m3。可见,螺旋管复合分离器的分离流量比重(下转第295页)
Conference
on
IndustrialElectronics,Controland
I僦ntation.
con—
[10]BROCKS,DESKURJ,ZAWIRSKIK.Robustspeed
doncontrolof
Oil
and
posi-
Louisiana.USA:匝EEpress,1997,l:102—107.A。GOLEA
PMSM[C]//KARELJ.Internntiona/Symposium
Press,1999,2:667—
[4]KADJOUDJ
M,GOLEA
N.d越.Speedsliding
IndustrialElectronics.Slovenia:IEEE
trolofPMSM
drives[C]//JANOS只Proceedingsof3rd
011
Inurna-672.
tional
Symposium
CompuuaionalInteUigenceand
Press,2007:137—141.
IntelligentIn一[“]逢海萍,刘成菊,江妹妍.永磁同步电机交流伺服系统的滑模模糊控制[J].电机与控制学报,2006.10(6):576—580.
PANG
/跏mnl讧.Morocco:IEEE[5]
罗婷婷,刘金琨.一种使用RBF网络的自适应滑模控制器[J].北京航空航天大学学报,2005,31(10):1106一1109.
LUOTingting,LiuRBF
Haiping,LIU
Chengju。JIANG
magnetic
Shuyan.Sliding
motorAC
mode
servo
fuzzycontrolfor
permanentsynchronous
Jinkun.Adaptivesliding
mode
controlusing
systems[J].剧∞妇Machines
576—580.
and
Contro/。2006,10(6):
network[J].JournalofBeijing
University
ofAeronautic,and
Astronautics,2005,3l(10):1106一1109.[6]ELMAS
a
[12]朱玉川,李志刚,马大为,等.永磁交流位置伺服系统串级复
thespeedcontrol0f
C,USTUNO.Ahybrid
contrdlerfor
合滑模控制[J].系统仿真学报,2007,19(12):2779—2782.
ZHUpound
permanent
magnetsynchronousmotordrive[J].ControlEngi-Yuchuan,UZhigang,MADawei。ef
a/.Cascaded㈣・
magnet
synchronous
neering
Practice,2008,16(3):260—270.
structure
sliding・mode
controlfor
permanent
[7]HUNGJ,GAOWeibin.Vat/able
IEEETransactions
oli
control:A
survey[J].
motor
position∞msystem[J].Jouma/of国蛾m
Simulazion,
Industrial
Electronics,1993。40(1):2—22.
insliding
2007.19(12):2779—2782.
[8]UTKIN
V,HOON
L
Chatteringproblem
mode
Oll
controlVar/ab/e
[13]CHENWeihai,YONG
an
Gao,LU
on
Zhen,et玉.Position
controlof
con-
systems[C]//BARTOLINI
&ructure
G.International
Worl。hop
intelligent
modulebasedneuralnetworkslidingmode
on
5如把Ⅲ.Italy:IEEE
Press,2006:346—350.
trol[C]//KHIANGL.InternationalConference
Industrial
In-
[9]EFE
using
M,KAYNAKO.Sliding
modecontrol
ofnonlinearsystems
而删妇.Singapore:IEEE
Press,2006:990-994.
Gau鹪ianRadialBasisFunctionneural
networks[C]//KEN.
Neural
Networks.
NETHM.International
Jb妇Confereac*On
(编辑:张静)
Washington,USA:IEEEPress,2001,l:479—484.
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(上接第289页)
GAOYun,GUOtion
in
ulation
Liejin,ZHANG
twophase
Ximin.Particle
ofoil—water
twophaec
flowin
helically
tubewithvsrious
pha∞distribu.
coiled
tube
mass
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GUOLiejin.The
theoriesinhal
oil・gas—waterthreephase
[4】王志国.螺旋管气液两相流数值模拟[D].北京:中国石油大学.2007.
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郭烈锦,李广军,陈学俊.卧式螺旋管内油一气一水i相流流型的实验研究[J],西安交通大学学报,1997,31(4):17-21.
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sandseperation
GUO
Liejin,L/Guangjun。CHENXuejun.Experimentstudy彻
horizontal
helical
helically面led
tubingsepemting
technology[J].Jour-
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oil-gas-waleI"flowtypeinXi’an
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冯叔初,郭揆常.王学敏.油气集输[M].东营:石油大学出版社。1988:82.
GONGDaotong,WUYingxiang,ZHENGZhichu.Numerical
sire一
(编辑:张静)
螺旋管气液分离器结构与控制系统设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
薛国民, 沈毅, XUE Guo-min, SHEN Yi
哈尔滨工业大学,控制科学与工程系,黑龙江,哈尔滨,150081电机与控制学报
ELECTRIC MACHINES AND CONTROL2009,13(2)
参考文献(6条)
1.郭烈锦 螺旋管油气水多相流动与原油管流除砂理论[期刊论文]-工程热物理学报 2002(01)2.高晖;郭烈锦;张两民 螺旋管分离器中液固两相流颗粒相分布研究 2002(zk)3.冯叔初;郭揆常;王学敏 油气集输 1988
4.郭烈锦;李广军;陈学俊 卧式螺旋管内油-气-水三相流流型的实验研究 1997(04)5.王志国 螺旋管气液两相流数值模拟 2007
6.龚道童;吴应湘;郑之初 变质量流量螺旋管内两相流数值模拟[期刊论文]-水动力学研究与进展a辑 2006(05)
本文读者也读过(10条)
1. 张慢来.冯进.ZHANG Man-lai.FENG Jin 基于CFD的离心式气-液分离器结构设计及仿真优化[期刊论文]-石油矿场机械2008,37(10)
2. 涂利军.胡康 强吸旋流气液分离器运行效果评价[期刊论文]-黑龙江科技信息2010(29)3. 朱斌.ZHU Bin 气液分离器的结构优化[期刊论文]-计算机仿真2010,27(1)
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5. 贾建贞.张宝彦.刘景云.郭建军.田章随.韩霖 欠平衡钻井液气分离器的研制与应用[期刊论文]-石油机械2001,29(7)
6. 王惠明.梁政.WANG Huiming.LIANG Zheng 斜板式气液分离器的设计[期刊论文]-化工机械2009,36(1)7. 周帼彦.凌祥.涂善东 螺旋片导流式分离器分离性能的数值模拟与试验研究[期刊论文]-化工学报2004,55(11)8. 王凯 高含气欠平衡钻井液安全分离器的优化技术研究[学位论文]2010
9. 王尊策.崔航.李森.徐艳.张井龙.WANG Zun-ce.CUI Hang.LI Sen.XU Yan.ZHANG Jing-long 井下螺旋式气液分离器分离性能的数值模拟[期刊论文]-科学技术与工程2010,10(6)
10. 冯进.丁凌云.张慢来.罗海兵 离心式气液分离器主要结构参数分析[期刊论文]-石油机械2007,35(2)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_djykzxb200902023.aspx
第13卷第2期2009年3月
电机与控制
AND
学报
CONTROL
V01.13No.2
ELECTRICMACHINES
Mar.2009
螺旋管气液分离器结构与控制系统设计
薛国民,
沈毅
(哈尔滨工业大学控制科学与工程系,黑龙江哈尔滨150081)
摘要:结合重力和螺旋管离心力分离的特点,提出一种螺旋管复合气液分离器结构。基于重力
作用下气液分离的边界条件,给出了分离器直径、高度的设计方法;基于螺旋管离心力作用下气液分离的边界条件,给出了分离器螺旋管截面直径、螺旋管圈数的设计方法。总结人工控制经验,设计了分离器液位Fuzzy-PID控制器。实验表明,气液分离效果良好,分离流量是同尺寸重力分离器的2.5倍。
关键词:螺旋管;气液分离器;控制;设计
中图分类号:TP273
文献标识码:A
文章编号:1007—449X(2009)02—0287—03
Designofstructureandcontrolsystemforspiraltubegasliquidseparator
XUEGuo—min,
(Control
SHENYi
150081,China)
ScienceandEngineeringDepartment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin
Abstract:Combinedcharacteristicsofgravityandspiraltubecentrifugal,akindofspiraltubecompound
gas
liquidseparatorwasdeveloped.Based
on
theboundaryconditionsofgasliquidseparationundergrav・
on
ityeffect,designmethodsofthediameterandheightoftheseparatorweregiven.BasedconditionsunderspiraltubecentrifugalclenumberwerelevelWas
theboundary
effect,designmethodsofthespiraltubesectiondiameterandcir-
controllerforseparator
given.Summingupmanualworkexperiments,theFuzzy-PID
designed.Separating
experimentsshowtheseparatingcapabilityoftheseparatorisgood,and
themaximumoilandgasseparatedfluxis2.5times鹊thatofthesamesizegravityseparator.Keywords:spiraltube;gasliquidseparator;control;design
1
引言
器结构参数以及运行控制器的设计还没有实用的成熟方法。由于螺旋管内多相流体流动的复杂性,根据气液流量、分离时间和效果要求,研究螺旋管复合气液分离器的结构和控制器设计方法具有重要的实际意义。本文基于重力分离和螺旋管分离的边界条件,研究重力和离心力复合的螺旋管气液分离器的设计原则和设计方法,研制实验分离器,设计运行控制器,并进行实液分离实验。
螺旋管分离器是一种新型的气液(液液、液固)分离方法,它利用流体在螺旋管中流动产生的离心力实现不同密度介质分离。螺旋管分离器较早应用于井口除砂,实验表明与重力和其它旋流器比较,具有结构紧凑、压力损失小、效率高的优点[1.2】。螺旋管分离器的优点已经引起广泛重视,研究领域涉及螺旋管内油水两相分离旧J、气泡运动变形过程分析H1、流体流流型、压降怕1等;但研究成果多数集中在管压降、热传导、摩擦阻力特性等方面,对于分离
收稿日期:2008一07一04
2分离器总体结构方案和设计原则
多圈螺旋管结构可以延长离心力作用时间,达到
作者简介:薛国民(1971一)。男。博士研究生,高级工程师,主要研究方向为智能检测与控制;
洗薇(1963一),男,博士。教授。主要研究方向为控制科学与工程。
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电机与控制学报第13卷
较好的分离效果。为了发挥小流量重力分离的优点,本文提出一种重力与螺旋管离心力组合的气液分离器结构,如图l所示,采用立式圆柱三段结构,由集气腔、螺旋管腔、集液腔组成,螺旋管腔内置多圈螺旋管。
图1分离器总体结构
Fig.1
Whole
structureofseparator
分离器结构设计内容包括分离器直径,集气腔高度,集液腔高度直径,螺旋管截面直径、圈数,分离器入口、气出口、液出口直径计算等。
分离器结构设计原则:根据气液流体范围度,按照流茸下限设计重力分离部分,按照载荷流量上限设计螺旋管离心分离部分,然后进行综合。
3分离器结构参数设计计算方法
已知条件:液相流量范围为Q..~Q垃(m3/s),气流流量范围为Q一一Q露(ITl3/s),液体密度为Pl(kg/m3),液体粘度为肛。(Pa・s),气体密度为P。(kg/m3),气体粘度为以(Pa・s)。
具体结构参数设计计算方法如下。
(1)分离器直径D、
分离器直径主要依据重力分离理论按照下限流
量进行计算怕J。
集液腔内气泡分离的边界条件是气泡上浮速度大于液面平均下降速度,故可得到分离器集液腔直径计算公式为
。≥:6%/2/x,Q,,护。
(1)
集气腔液滴分离的边界条件是液滴沉降速度大于集气腔允许气体流速,故可得到集气腔直径计算
公式为
她√燕踟,
㈣
式中:而,d。是待分离液滴、气泡的粒径;JB是载荷波
动系数,取值1.5~2;R。是雷诺数。取式(1)和式(2)计算结果中较大的值作为分
离器直径。
(2)集液腔高度h
对于立式分离器,在所要求的停留时间内,进入
分离器的液餐应等于集液段的体积,故集液腔的高度h可由下式计算
2
4QlIt。
i尹。
(3)
(3)分离器总高度日
按照分离器总高度日与直径D比为4—6的原则确定。
(4)气、液出口直径
分离器气、液m口直径根据流速确定,气相流速
10~40
m/s,液相流速取1~8
m/s。
(5)人口直径d(螺旋管横截面直径)
入口流速秽在3~10nv's范围选取,离心加速度口在8~20g范围选取,入口直径通过人口流速和离心加速度来综合,应避免入口节流造成较大压力损失。
(6)螺旋管罔数
为了尽量缩小高度,多圈螺旋管采用紧密排列方式。螺旋管内气液分离的边界条件是:液滴和气泡运动到气液界面的时间应小于气液混合物在螺旋管中的运动时间。据此计算螺旋管圈数
凡>—},
1.3t,D.
(4)
71"0)/J2
其中面为气泡或液滴的在螺旋管截面径向运动速度。
4分离器控制系统设计
按照日油气流量范嗣:油为10~100m3和气为
50—500
in3设计制作试验分离器,分离器结构参数
为日=1
500mm,h=80mm,D=300mm,d=25mill,
n=9。平均油气流量的离心加速度为10g。为了保障分离器的运行,需要对分离器的液位、压力、流量等参数进行检测和控制,为此设计检测控制系统如图2所示。
压变
液位计3笔浅流量{订3.14广9凋节阀
0.24西
集气室离器本
温变
PII)控制器
油气水进¨螺旋分离室
萋
出口
一—..●
集液室
・89
7399
一液流量计
图2检测控制系统
Fig.2
螺旋管气液分离器结构与控制系统设计
Measureandcontrolsystem
分离器的液位稳定是保证气液有效分离的必要条件。实验分离器运行特点证明,调节气出口阀门即可有效控制液位。总结人工手动调节气路阀门的经验可以采用模糊控制方法,为了保证系统稳态无差,在液位到达给定值一定范围内时,采用PID控制方法。
通过平均气液流量开环阶跃响应实验辨识,按照Ziegler—Nichols工程整定法确定PID控制器参数为K=1、Ti=1、死=0.02。流量波动是分离器最大的干扰,闭环抗干扰实验结果如图3、图4所示。实验结果说明,加入了Fuzzy—PID控制器的闭环系统的响应速度,抗十扰能力强。
rig.4
{翻蜓
时间/min
图4流量减小50%闭环响应
Colseloop
responseof50%fluxdecreation
5气液分离实验结果与分析
实验目的是验证螺旋管复合气液分离器的气液
分离能力,包括气液分离的气相、液相流量范围和分
离效果。
、
昌
实验装置由柴油、氮气、水三路混合配设备组成,每一路都配有流量计量仪表和调节阀。实验时通过配比装置配制一定流量和含率的油、气、水三相流体,经混流器充分混合后进人分离器,计算机实时采集分离器液位、压力、温度、气出口流量、液出口流量,适时调节分离器液位。实验数据和计算结果见
图3流量增加50%闭环响应
趟链
表1。
表1气液分离实验数据
Fig.3
Colseloopresponseof
50%fluxaddition
Table1
Dataofgasliquidseparating
experiment
由表l实验数据可见,液路相对偏差在±1.5%力分离器提高了2.5倍。
参考文献:
[1]
高晖,郭烈锦,张两民.螺旋管分离器中液固砖相流颗粒相分布研究[J].工程热物理学撤,2002,23(增刊):205—208.
以内,气路相对偏差在±2.5%以内。实验结果说明
气、液两相分离的比较彻底,只有这样液路和气路的测最偏差才能在较小的范围内。另外,计算可知相同尺寸立式重力分离器的日分离流量是液50m3、气
200
m3。可见,螺旋管复合分离器的分离流量比重(下转第295页)
Conference
on
IndustrialElectronics,Controland
I僦ntation.
con—
[10]BROCKS,DESKURJ,ZAWIRSKIK.Robustspeed
doncontrolof
Oil
and
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Louisiana.USA:匝EEpress,1997,l:102—107.A。GOLEA
PMSM[C]//KARELJ.Internntiona/Symposium
Press,1999,2:667—
[4]KADJOUDJ
M,GOLEA
N.d越.Speedsliding
IndustrialElectronics.Slovenia:IEEE
trolofPMSM
drives[C]//JANOS只Proceedingsof3rd
011
Inurna-672.
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