BR112016022609B1 - Método para comutação de operação normal de um compressor submarino para um modo operacional antissobretensão e sistema de compressão submarino - Google Patents

Abstract

MÉTODO PELO QUAL UM COMPRESSOR SUBMARINO, CUJO ROTOR É SUPORTADO POR MANCAIS MAGNÉTICOS ATIVOS E SISTEMA DE COMPRESSÃO SUBMARINO. Trata-se de um sistema e método de compressão submarino, sendo que o sistema de compressão é disposto para ser comutado da operação normal para um modo operacional antissobretensão. O sistema de compressão compreende um rotor de compressor (3) suportado para rotação sem contato por mancais magnéticos ativos (20, 21, 22), um controlador (24) de mancal magnético ativo (AMB) para manter a posição do rotor de compressor (3) em relação às partes não giratórias do compressor, uma válvula antissobretensão (25) normalmente fechada em uma linha de reciclagem (26) que ajusta uma saída de compressor (10) em conexão de fluxo com uma entrada de compressor (9) em um estado aberto da válvula antissobretensão, em que o controlador de mancal magnético ativo (24) é conectado de modo operativo à válvula antissobretensão (25). O método compreende determinar, com o uso de dados de controle de AMB, um valor que representa uma força que atua no rotor de compressor a partir da carga de processo, que compara o valor representativo de força a um valor limítrofe indicativo de uma condição de sobretensão, e em resposta ao valor representativo de força que excede o valor limítrofe comutar a válvula antissobretensão para o estado aberto.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se à prevenção de sobretensão em um compressor que é disposto para ser operado e usado no transporte de gás de um depósito de fluido de hidrocarboneto submarino. Em particular, a invenção se refere a um método pelo qual um compressor submarino, cujo rotor é suportado por mancais magnéticos ativos para rotação sem contato, é disposto para ser comutado de operação normal no modo operacional antissobretensão, tal como em um caso de fluxo insuficiente em um fluido processado pelo compressor. De acordo com o mesmo, a invenção também se refere a um sistema de compressão submarino disposto para implantação do método.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Na produção de hidrocarboneto submarino, compressores podem ser usados para auxiliar no transporte de gás de um depósito de fluido de hidrocarboneto submarino por meio de um oleoduto offshore a uma plataforma de superfície, por exemplo. Adequado para compressão de gás no ambiente submarino, o compressor radial ou centrífugo compreende um rotor equipado com rodas ou propulsores, operados em rotação por um motor elétrico. O compressor tem capacidade de destacar um aumento de pressão em um fluido de gás que é alimentado continuamente através do compressor.

[003] A operação de um compressor de gás pode ser descrita em termos de três parâmetros operacionais: velocidade, cabeça e fluxo. Em uma dada velocidade, o compressor entrega uma cabeça máxima e um fluxo correspondente, que define um estado de operação estável. A operação estável pode ser mantida desde que uma redução de seja compensada por um aumento de fluxo. Se o fluxo for reduzido quando o compressor tiver alcançado sua capacidade máxima de cabeça, o rotor de compressor gira em marcha lenta no gás que não é mais impelido para frente pelo rotor. A pressão de sistema que é formada na saída de compressor pode forçar o gás a passar o rotor para trás, revertendo o fluxo através do compressor. Em um ponto em que o compressor não pode mais adicionar ao fluido a energia exigida para superar a contrapressão, o compressor irá sofrer sobretensão.

[004] Em outras palavras, um desempenho de compressor pode ser definido como uma relação entre pressões na entrada e saída de compressor, ou razão de pressão (pressão de descarga dividida pela pressão de sucção) sobre o compressor, e fluxo em uma dada velocidade de rotor. Para cada compressor, seu desempenho pode ser quantificado e ilustrado em um diagrama em que o eixo geométrico horizontal representa o fluxo ou quantidade de gás não comprimido que passa a entrada de compressor. O eixo geométrico vertical representa a razão de pressão de compressão que ocorre dentro do compressor. Para cada velocidade de rotor, há uma relação entre razão de pressão e fluxo no qual a operação é estável. Em um ponto em que o fluxo não é mais compatível com a razão de pressão e a relação é rompida, o compressor deixa a região de operação estável, seguindo para uma região distinguida como a zona de sobretensão. Uma linha que conecta os pontos de sobretensão para a faixa inteira de velocidades operacionais de rotor representa o limite de sobretensão em um mapa de compressor que ilustra e quantifica o desempenho do compressor em questão.

[005] Em um estado de sobretensão, o compressor será submetido a sobreaquecimento, vibração forte, rápidas mudanças de impulso axial e movimentos de eixo, causando eventualmente danos às partes giratórias, vedações de rotor, mancais de rotor etc. Consequentemente, há uma exigência de evitar que o compressor sofra sobretensão, não a mínima no ambiente submarino em que manutenção e reparo é mais complicado.

[006] Evitar que um compressor opere na zona de sobretensão envolve geralmente reciclagem do fluxo processado da saída de compressor à entrada de compressor para suplementar um fluxo insuficiente por meio da entrada de compressor. Uma válvula normalmente fechada na linha de reciclagem é disposta para ser transitada no estado aberto no caso de fluxo insuficiente, comutando o compressor da operação normal para o que pode ser chamado de um modo operacional antissobretensão.

[007] Um sistema de controle antissobretensão é disposto para manter a válvula de reciclagem, também chamada de válvula antissobretensão (ASV), em posição fechada desde que o compressor opere de forma satisfatória fora da zona de sobretensão. Se o compressor se aproximar do limite de sobretensão, o sistema de controle antissobretensão transita a válvula para a posição aberta aumentando desse modo o fluxo na entrada de compressor.

[008] O sistema de controle antissobretensão pode ser disposto para gerar um comando operacional de válvula com base em diversos parâmetros que são monitoradas por sensores e medidores apropriados. Os parâmetros monitorados são tipicamente as pressões de entrada e saída e temperaturas, a pressão diferencial sobre o compressor, e a velocidade de rotor.

[009] No estado da técnica, o documento de patente no U.S. 4464720 revela um controle antissobretensão com base na captação das pressões de entrada e saída e cálculo de uma pressão diferencial real que é comparada a um ponto de ajuste desejado.

[010] O documento de patente no U.S. 4971516 revela um controle antissobretensão com base na captação do fluxo e a velocidade de rotor e cálculo da razão de fluxo/velocidade real que é comparada com a razão correspondente em sobretensão.

[011] O documento de patente no U.S. 7094019 revela um sistema de controle antissobretensão que calcula a razão de pressão real e a razão de pressão em sobretensão com base no monitoramento de velocidade, pressões de entrada e saída de modo a operar a válvula de reciclagem quando a razão de pressão real é distanciada de forma segura da razão de pressão na sobretensão.

[012] O compressor de gás, em geral, é muito sensível em distúrbios do fluxo e a demanda é alta no sistema de controle antissobretensão para reagir rapidamente às mudanças no processo. Os sistemas de controle antissobretensão, em que o comando operacional de válvula é gerado no lado superior de um sistema de controle principal e com base na entrada de sensores e transmissores que monitoram os parâmetros de processo de fluxo, pressão e temperatura em um sistema de compressão localizado no leito marítimo, correm o risco de ser muito lentos para proteger o compressor contra a sobretensão. O atraso de reação aumenta com o comprimento crescente de trajetórias de sinal entre o sistema de compressão submarino e a instalação no lado superior que hospeda o sistema de controle principal e sua lógica central.

[013] Uma solução do estado da técnica que almeja trajetórias curtas de sinal e resposta rápida no controle e operação da válvula de reciclagem é revelada no documento de patente no EP 2042743A1. Este documento descreve um sistema terrestre de compressão de gás em que a tensão de entrada à unidade de acionamento de motor de compressor é monitorada, e uma unidade de controle adaptada para determinar a possibilidade de um risco de sobretensão com base na tensão de entrada medida, e se for o caso, para gerar um comando de abertura de válvula.

[014] Outra tentativa de reduzir os tempos de resposta em um sistema de controle antissobretensão, conhecidos do ambiente submarino, envolve a disposição de um sistema de controle de ciclo fechado dedicado que gerencia o controle antissobretensão através de um módulo de controle de sistema de compressão localizado no local.

[015] A presente invenção fornece outra solução para resposta de válvula antissobretensão rápida a ser aplicado em conjunto com compressores de gás em que o rotor de compressor é suportado para rotação sem contato por mancais magnéticos ativos (AMB). Mancais magnéticos ativos podem ser dispostos para suporte sem contato do rotor de compressor tanto na direção radial quanto na direção axial do rotor.

[016] No mancal magnético ativo, brevemente, um rotor condutor magnético é assentado em um estator que é magnetizado pela corrente alimentada através de enrolamentos elétricos apropriados. O campo magnético gerado pelos enrolamentos de estator induz a força magnética necessária para suportar o rotor. As correntes de enrolamento de estator são ativamente moduladas com base em um sinal de posição de rotor de retorno. O sinal de posição de rotor de retorno é fornecido por um sensor (isto é, corrente indutora ou parasita) que reage às mudanças na posição do rotor em relação aos sensores e outras partes não giratórias do compressor. A mudança detectada de posição é usada em um controlador de AMB que controla o suprimento de corrente aos enrolamentos elétricos no estator de modo correspondente, forçando desse modo o rotor a retornar para uma posição centralizada no mancal. O controlador de AMB é geralmente localizado em curta distância do mancal para curtas trajetórias de sinal e resposta rápida.

[017] Desde que o compressor mantenha a operação estável de forma satisfatória fora da zona de sobretensão, o controlador de AMB não registrará muita mudança na posição do rotor que então gira substancialmente livre de vibração e sob carga substancialmente constante do fluxo processado. Caso o compressor se aproxime ou passe do limite de sobretensão, o controlador de AMB reagirá à vibração e às mudanças na posição do rotor resultante das cargas de mudança aplicadas ao rotor a partir do fluxo processado.

[018] O projeto, implantação e teste de um controlador de sobretensão ativa em um compressor centrífugo foram anteriormente apresentados por Se Young Yoon et al. em Control of Surge in Centrifugal Compressors por AMB, publicado por Springer Verlag, Londres, 2013. Nesse documento, Se Young Yoon et al. sugere empregar o mancal magnético de mancal para modular a folga de ponta de propulsor de modo a compensar os distúrbios de fluxo que ocorrem durante um estado de sobretensão inicial.

[019] Devido ao fato de que uma transição da operação estável para a sobretensão pode ocorrer dentro de alguns segundos, é crucial que a válvula antissobretensão pode ser aberta rapidamente, e o mais cedo possível de uma primeira indicação de que o compressor se aproxima do limite de sobretensão. Nesse aspecto, mesmo um atraso na ordem de milissegundos pode resultar em uma falha para detectar e evitar uma condição de sobretensão iminente a tempo.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[020] É um objetivo da presente invenção fornecer um controle antissobretensão de resposta rápida e transição da operação normal para o modo operacional antissobretensão em um compressor submarino que tem um rotor de compressor que é suportado por mancais magnéticos ativos.

[021] É outro objetivo da presente invenção fornecer redundância no controle antissobretensão do compressor submarino que tem um rotor de compressor que é suportado por mancais magnéticos ativos.

[022] O primeiro objetivo mencionado é atendido em um método que compreende: - dispor uma válvula antissobretensão (ASV) normalmente fechada em uma linha de reciclagem que ajusta uma saída de compressor em conexão de fluxo com uma entrada de compressor em um estado aberto da válvula antissobretensão, - dispor um controlador de mancal magnético ativo (AMB) para manter a posição do rotor de compressor em relação às partes não giratórias do compressor, - determinar um valor que representa uma força (doravante denominada como valor representativo de força) que atua no rotor de compressor da carga de processo com o uso de dados de controle de mancal magnético, - comparar o valor representativo de força a um valor limítrofe indicativo de uma condição de sobretensão, e em resposta ao valor representativo de força que excede o valor limítrofe que comuta a válvula antissobretensão para o estado aberto.

[023] Tanto o primeiro quanto o segundo objetivos são cumpridos em um método que compreende adicionalmente: - dispor um controlador antissobretensão (ASC) para controlar o estado da válvula antissobretensão em resposta a pelo menos um dentre um fluxo, pressão e temperatura detectados no fluxo processado, em que, em resposta ao valor representativo de força que excede o valor limítrofe: - anular o controle de válvula fornecido pelo controlador antissobretensão e comutar a válvula antissobretensão para o estado aberto.

[024] Os dados de controle de AMB usados na determinação do valor representativo de força compreendem pelo menos um dentre i) dados de posição de rotor, ii) quantidade de corrente alimentada através de bobinas de mancais magnéticos, iii) amplitude de fluxo magnético gerado nos mancais magnéticos.

[025] Os dados de posição de rotor podem ser adquiridos a partir dos sensores de posição, tais como sensores de corrente indutora ou parasita dispostos ao redor do rotor. A quantidade de corrente suprida às bobinas de mancais magnéticos pode ser adquirida a partir do controlador de mancal magnético ativo. A amplitude no fluxo magnético pode ser adquirida por meio de sensores dedicados, tais como um sensor de efeito de Hall, por exemplo, ou pode ser estimada pelo controlador de AMB com base nas características de mancal magnético e uma combinação de: i) o sinal de corrente, ii) o sinal de posição, iii) a tensão de amplificador de potência. Um possível método para a estimativa de fluxo magnético é descrito por Gerhard Schweitzer Eric H. Maslen na seção 4.5.3 do livro Magnetic Bearings publicado por Springer Verlag, Berlim, 2009.

[026] Em uma realização, o método prevê que o valor representativo de força pode ser avaliado ao detectar o conteúdo harmônico de baixa frequência (LF) em pelo menos um dentre: i) um sinal de posição de rotor, ii) um sinal de corrente, iii) um sinal de fluxo magnético, iv) uma estimativa de fluxo magnético. Outra realização envolve a provisão de um atuador de comutação de válvula antissobretensão (VSA) disposto para controlar o estado da válvula antissobretensão com base em comando de entrada tanto do i) o controlador antissobretensão baseado em fluxo e/ou pressão e/ou temperatura como do ii) o controlador de mancal magnético ativo. O atuador de comutação de válvula é então configurado para executar o controle de válvula de acordo com a seguinte condição:se comando de controlador de AMB = VERDADEIRO, então, comando de válvula = válvula aberta, caso contrário, comando de válvula = comando de ASC.

[027] O atuador de comutação de válvula é adicionalmente configurado para avaliar o comando de controlador de AMB de acordo com a seguinte condição: se o valor representativo de força exceder o valor limítrofe, então, comando de controlador de AMB é VERDADEIRO, caso contrário, comando de controlador de AMB é FALSO.

[028] O valor limítrofe pode ser predeterminado enquanto executa o compressor em calibração. Por exemplo, os valores limítrofes podem ser determinados enquanto mapeia o desempenho do compressor durante a preparação. Mais precisamente, um conjunto de valores limítrofes relacionados a diferentes velocidades de rotor de compressor pode ser compilado em um mapa de compressor.

[029] De modo similar, o valor limítrofe de conteúdo harmônico de LF pode ser predeterminado em um processo de calibração. Por exemplo, o conteúdo de oscilação harmônica de LF e a amplitude no sinal de posição, no sinal de corrente ou no sinal de fluxo magnético podem ser registrados para uma faixa de velocidades de rotor com o rotor levitado pelos mancais magnéticos.

[030] O primeiro objetivo mencionado da presente invenção é, de modo similar, atendido em um sistema de compressão submarino que compreende um compressor que tem um rotor de compressor suportado para rotação sem contato por mancais magnéticos ativos, e que compreende adicionalmente: - uma válvula antissobretensão normalmente fechada em uma linha de reciclagem que ajusta uma saída de compressor em conexão de fluxo com uma entrada de compressor em um estado aberto da válvula antissobretensão, - um controlador de mancal magnético ativo (AMB) disposto para regular a quantidade de corrente suprida para eletroímãs no mancal em resposta às forças que atuam no rotor de compressor da carga de processo, em que - o controlador de AMB é conectado de modo operativo à válvula antissobretensão.

[031] As realizações do sistema de compressão compreendem:- um controlador antissobretensão disposto para controlar o estado da válvula antissobretensão em resposta a pelo menos um de um fluxo, pressão e temperatura detectados no fluxo processado, em que o controlador de mancal magnético ativo é conectado de modo operativo à válvula antissobretensão em paralelo com o controlador antissobretensão.

[032] As realizações do sistema de compressão compreendem adicionalmente um atuador de comutação de válvula antissobretensão (VSA) que é interposto entre a válvula antissobretensão por um lado e o mancal magnético ativo e os controladores antissobretensão, respectivamente, por outro lado.

[033] O atuador de comutação de válvula, por sua vez, compreende uma unidade de avaliação configurada para gerar um comando de comutação de válvula com base na entrada tanto do controlador de mancal magnético ativo como do controlador antissobretensão.

[034] A atuação da válvula antissobretensão pode ser alcançada através de uma função de abertura rápida ativada pelo controlador de mancal magnético ativo. Em outra realização, a atuação da válvula antissobretensão pode ser alcançada através de uma função de abertura rápida ativada pelo controlador de mancal magnético ativo que anula o controlador antissobretensão.

[035] Vantagens adicionais, assim como recursos vantajosos do método e sistema da presente invenção aparecerão a partir da descrição a seguir e das reivindicações dependentes.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[036] A invenção será adicionalmente explicada abaixo em referência feita aos desenhos esquemáticos anexos. Nos desenhos, A Figura 1 é uma vista geral de sistema de um sistema de compressão submarino que incorpora o controle antissobretensão de acordo com o estado da técnica, A Figura 2 é uma vista geral correspondente de um sistema de compressão submarino que incorpora o controle antissobretensão de acordo com uma primeira realização, A Figura 3 é uma vista geral correspondente de um sistema de compressão submarino que incorpora o controle antissobretensão de acordo com uma segunda realização, A Figura 4 é um diagrama que ilustra cadeias paralelas de comandos de entrada ao controle antissobretensão, A Figura 5 é um fluxograma que mostra as etapas através de um processo para avaliação de comandos de entrada ao controle antissobretensão, A Figura 6 é um diagrama que ilustra trajetórias de sinal para parâmetros de processo usados na formação de um comando de entrada ao controle antissobretensão, e A Figura 7 é um fluxograma que mostra as etapas através de um processo para testar a validade de um comando de entrada ao controle antissobretensão.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[037] A Figura 1 ilustra um sistema de compressão 1 situado no leito marítimo. O sistema de compressão submarino 1 compreende um compressor 2 que tem um rotor 3 acionado em rotação por um meio de acionamento, tal como um motor 4, por meio de um eixo de rotor 5. O motor e conjunto de compressor 2 a 5 são operáveis para elevar a pressão no gás recuperado de um depósito de fluido de hidrocarboneto submarino para transporte a um lado superior, estação terrestre ou flutuante, nos desenhos ilustrados como uma plataforma de superfície 6 a título de exemplo, por meio de seções de oleoduto 7 e 8. O compressor 2 é conectado ao oleoduto através de uma entrada de compressor 9 por meio do qual o fluido é sugado e através de uma saída de compressor 10 por meio do qual o fluido é descarregado em maior pressão e temperatura elevada. Na Figura 1, a direção de fluxo é ilustrada através das setas FENTRADA e FSAÍDA.

[038] O controle de potência e processo é suprido da estação no lado superior e distribuído por meio de um umbilical de potência/controle 11 que conecta uma unidade de terminação umbilical no lado superior (TUTU) 12 a um conjunto de terminação umbilical submarino (UTA) 13. Basicamente, o controle de potência e processo é governado pelo sistema de controle principal (MCS) 14 que é disposto no lado superior, e que se comunica com um módulo de controle de sistema de compressão (CSCM) 15 disposto no fundo do mar. O CSCM 15 compreende lógica de controle e capacidade de comunicação aos controles no lado superior por meio da umbilical de potência/controle 11. Através do CSCM 15, vários parâmetros de processo podem ser monitorados e controlados, tanto diretamente no CSCM 15 como indiretamente do MCS localizado no lado superior 14.

[039] A potência elétrica ao motor de compressor e outros consumidores de potência submarinos é suprida por meio de um módulo de distribuição de potência (PDM) 16. A referência numérica 17 se refere a uma unidade de acionamento de velocidade variável (VSD) pela qual a potência de motor e velocidade de rotor podem ser reguladas. A funcionalidade incluída nas unidades de PDM 16 e VSD 17 e seus controles podem ser em parte ou inteiramente localizados no CSCM 15 ou localizados no lado superior tal como no MCS 14, por exemplo.

[040] Transformadores, conversores, disjuntores e outros dispositivos elétricos e eletrônicos que são geralmente constatados em um sistema de compressão submarino, são omitidos dos desenhos das Figuras 1 a 3 por razões de simplificação. Pela mesma razão, o equipamento localizado a montante, tal como válvulas de produção, ventoinhas, separadores, bloqueadores de areia, etc., foram omitidos visto que sua descrição não é necessária de modo a explicar ou entender a presente invenção.

[041] Em uma descrição da disposição geral de um sistema de compressão, pode-se observar que a profundidade na qual o sistema de compressão pode ser localizado está tipicamente na faixa de várias centenas de metros até a ordem de quilômetros, enquanto a distância da estação de compressão a uma estação de recebimento terrestre 6 pode contabilizar a cem quilômetros ou mais.

[042] O rotor de compressor 3 é suportado por mancais magnéticos ativos nos quais o mesmo é levitado para rotação sem contato. A posição de rotor é monitorada por sensores de posição 18 que detectam continuamente a posição do rotor em relação aos eletroímãs 19. Na disposição de sistema de compressão retratada na Figura 1, o rotor 3 é assentado em mancais radiais 20 e 21 que suporta o rotor e neutraliza o peso do rotor (em orientação horizontal) e as cargas radiais e forças que atuam no rotor da carga de processo. O rotor 3 é adicionalmente levitado em mancal(is) de impulso 22 que mantém(êm) o rotor em levitação enquanto compensa e que neutraliza o peso do rotor (em orientação vertical) e a carga axial que atua no rotor do meio processado. Os eletroímãs 19 do mancal de impulso 22 são dispostos em lados opostos de um disco radial 23 que é fixado no eixo de rotor 5.

[043] A estrutura principal de mancais magnéticos ativos é uma tecnologia conhecida por si só, e não precisa ser adicionalmente discutida aqui. No entanto, deve-se observar que as realizações do sistema de compressão submarino podem exigir outros números de mancais, eletroímãs e sensores, assim como diferentes tipos de sensores e eletroímãs. Em outras realizações, obviamente, o rotor de compressor pode ser suportado para ter uma orientação horizontal.

[044] Mancais auxiliares tipicamente serão dispostos para proteger os mancais magnéticos do contato com o rotor durante os procedimentos de início e parada ou no caso de deslocamentos excessivos do rotor. Os mancais auxiliares são omitidos dos desenhos das Figuras 1 a 3 por razões de simplicidade.

[045] Com base na posição de rotor detectada pelos sensores de posição 18, um controlador de mancal magnético ativo (AMB) 24 regula e supre a quantidade de corrente aos eletroímãs 19 que é exigido para manter o rotor em rotação sem contato, que compensa e neutraliza uma mudança ou desvio na posição do rotor em relação às posições ideais nos mancais eletromagnéticos 20 a 22.

[046] De modo a evitar que o compressor vá para uma condição de sobretensão, a comunicação de fluxo da saída 10 à entrada 9 pode ser estabelecida fora do compressor 3 por meio de uma válvula 25 que controla o fluxo em uma linha de reciclagem 26 que conecta os lados de saída e entrada do compressor. A válvula 25 é normalmente fechada e transitada para um estado aberto no caso de o compressor estiver prestes a sofrer sobretensão. No estado aberto, a válvula permite a recirculação de fluido que é retornado ao compressor por meio da entrada de compressor 9, acionado pela maior pressão de fluido no lado de descarga. A seguir, a válvula 25 será nomeada como válvula antissobretensão 25 ou ASV.

[047] Nas soluções do estado da técnica, o estado da válvula antissobretensão 25 pode ser controlado por um controlador antissobretensão (ASC) 27. O controlador antissobretensão 27 compreende lógica de controle configurada para processar informações em parâmetros de processo dedicados de modo a gerar um comando de ASC que determina o estado da válvula antissobretensão 25.

[048] Na disposição de sistema retratada na Figura 1, um comando de ASC é baseado em entradas recebidas dos transmissores de pressão 28 e 29 que monitoram a pressão de fluido respectivamente tanto em sucção quanto em descarga do compressor e com base na entrada recebida de um transmissor de fluxo 30 usado para medir ou calcular o fluxo na entrada de compressor. Alternativa ou adicionalmente, a temperatura no fluido descarregado pode ser monitorada e transmitida ao controlador antissobretensão 27.

[049] Durante a operação estável, a válvula antissobretensão 25 é fechada ou mantida no estado fechado por um comando de ASC correspondente (ou pela ausência de um comando de ASC). Como consequência de um fluxo insuficiente na entrada de compressor 9, o controlador antissobretensão 27 produz um comando de ASC que resulta na abertura da válvula antissobretensão 25, permitindo assim a recirculação de fluido de processo de modo a restaurar e manter a relação entre a razão de fluxo e pressão que é exigida para operação de compressor estável.

[050] O controlador antissobretensão 27 pode formar uma parte integrada do módulo de controle de sistema de compressão 15 conforme ilustrado na Figura 1.

[051] O controlador antissobretensão 27 pode ser alternativamente localizado no lado superior em associação com o sistema de controle principal 14. O controlador antissobretensão 27 também pode ser alternativamente disposto como um módulo separado conforme ilustrado na Figura 3.

[052] No entanto, o controlador antissobretensão 27 e seus transmissores associados para fluxo, pressão ou temperatura podem ser todos omitidos em um método para controle antissobretensão descrita em referência a uma realização de um sistema de compressão submarino 100, ilustrado na Figura 2.

[053] Exceto onde for declarado o contrário, o sistema de compressão 100 corresponde ao sistema de compressão 1 em relação aos componentes estruturais e à operação.

[054] No entanto, na realização 100 a ser descrita abaixo em referência à Figura 2, o controlador de AMB 24 é disposto para controlar o estado da válvula antissobretensão 25. Para esse propósito, o controlador de AMB 24 compreende lógica de controle configurada para processar informações em parâmetros de operação de compressor de modo a gerar um comando de controlador de AMB que é comunicado à válvula antissobretensão 25 por meio da linha de comunicação 31.

[055] Uma mudança no processo que move eventualmente o compressor para a zona de sobretensão induz a uma mudança nas forças que atuam no rotor de compressor da carga de processo. A menos que a velocidade de compressor seja adaptada para a condição mudada, o rotor de compressor será submetido ao deslocamento relativo e vibração na forma de oscilação axial e/ou radial. A magnitude do deslocamento ou vibração reflete a magnitude de mudança da força ou forças que atuam no rotor de compressor da carga de processo.

[056] Uma vibração de rotor pode ser reconhecida como oscilação harmônica de baixa frequência (LF) que é sobreposta no sinal de posição transmitido dos sensores de posição 18. A amplitude da oscilação harmônica de LF reflete a magnitude nas forças que atuam no rotor de compressor. A oscilação harmônica de LF pode ser extraída do sinal de posição por técnicas de processamento de sinal comumente usadas tais como filtração/modulação/demodulação, por exemplo.

[057] Outros parâmetros operacionais além da posição de rotor podem formar uma base subjacente para o comando de controlador de AMB que controla o estado da válvula antissobretensão 25. A quantidade de corrente que é exigida para manter o rotor na posição desejada pode ser um indicador precoce de uma condição de sobretensão iminente. Como alternativa ou como suplemento ao sinal de posição entrada, variações na corrente podem ser monitoradas para detectar baixa forças dinâmicas de frequência geradas à medida que o compressor se aproxima da zona de sobretensão. Outra entrada alternativa ou suplementar para o controlador de AMB pode ser o fluxo magnético gerado pelos eletroímãs. As variações no fluxo magnético podem ser detectadas através de sensores dedicados, tais como um sensor de efeito de Hall, ou podem ser estimadas pelo controlador de AMB.

[058] Desse modo, na realização 100, a válvula antissobretensão 25 reage instantaneamente a uma mudança na operação do compressor que é processada no controlador de AMB 24 e é enviada por meio da linha de comunicação 31 como um comando de AMB que determina o estado da válvula antissobretensão 25.

[059] Em outra realização 200 a ser descrita em referência à Figura 3, a válvula antissobretensão 25 é atuada por meio de um atuador de comutação de válvula antissobretensão (VSA) 32.

[060] Exceto onde for declarado o contrário, o sistema de compressão 200 corresponde aos sistemas de compressão 1 e 100 em relação aos componentes estruturais e à operação.

[061] Na realização 200, o atuador de comutação de válvula 32 é responsivo às entradas transmitidas do controlador antissobretensão 27 por meio da linha de comunicação 33.

[062] Adicionalmente, o atuador de comutação de válvula 32 é responsivo também às entradas recebidas do controlador de AMB 24,transmitido por meio da linha de comunicação 31.

[063] O atuador de comutação de válvula 32 compreende uma unidade de avaliação equipado com capacidade de processamento de dados configurada para avaliar a entrada recebida do controlador antissobretensão 27 e do controlador de AMB 24 respectivamente, para decidir qual entrada, o comando de ASC ou o comando de controlador de AMB que deve ser determinante para o estado da válvula antissobretensão 25. Em particular o atuador de comutação de válvula 32 é disposto para invalidar o comando de ASC sob uma determinada condição na qual o comando de controlador de AMB prevalece sobre o comando de ASC. O processo de avaliação realizado pelo atuador de comutação de válvula 32 é ilustrado no diagrama de blocos das Figuras 4 e 5.

[064] A Figura 4 ilustra a entrada paralela do comando de controlador de AMB e do comando de ASC para o atuador de comutação de válvula 32. Como padrão, o atuador de comutação de válvula 32 gera um comando de comutação de válvula com base no comando de ASC durante a operação estável. O comando de controlador de AMB é repetidamente lido e avaliado em um ciclo de processo através das etapas da Figura 5, pela qual o atuador de comutação de válvula 32 é programado e pré-ajustado para permitir que o comando de controlador de AMB tenha preferência sobre o comando de ASC sob a seguinte condição:

[065] Se o comando de controlador de AMB for constatado como verdadeiro, então o atuador de comutação de válvula 32 transita a válvula antissobretensão 25 para o estado aberto (isto é, independente das informações de estado de válvula contidas no comando de ASC), e se o comando de controlador de AMB for constatado como falso, o atuador de comutação de válvula 32 ajusta a posição de válvula de acordo com o comando de ASC.

[066] A Figura 6 ilustra as trajetórias de sinal para os parâmetros de processo que formam a base para o comando de controlador de AMB.

[067] A validade das informações contidas no comando de controlador de AMB é analisada em um ciclo de processo através das etapas da Figura 7. Uma entrada para o teste de validade da Figura 7 é a força axial de AMB, que é um valor que representa a força axial que atua no rotor de compressor. A força axial de AMB pode ser calculada com base nos dados de posição de rotor, a quantidade de corrente suprida aos eletroímãs nos mancais magnéticos e na amplitude de fluxo magnético gerado nos mancais magnéticos. Alternativa ou adicionalmente, a força axial de AMB pode ser estimada pela amplitude do sinal de posição, do sinal de corrente, e do sinal de fluxo magnético no domínio de frequência especialmente em baixa frequência em que o efeito da sobretensão é notável.

[068] O comando de controlador de AMB é aceito como um indicador VERDADEIRO da situação operacional do compressor se:O valor que representa a força que atua no rotor de compressor exceder um valor limítrofe.

[069] Desse modo o atuador de comutação de válvula 32 comuta a válvula antissobretensão para o estado aberto. Se nenhuma das condições acima for atendida, então o comando de controlador de AMB é considerado como FALSO, em cuja resposta o atuador de comutação de válvula 32 ignora o comando gerado por controlador de AMB.

[070] O valor limítrofe de força axial pode ser calculado ou determinado através da execução do compressor em teste ou em calibração. Em particular, um conjunto de valores limítrofes para várias velocidades de rotor pode ser compilado e memorizado pelo atuador de comutação de válvula 32 na forma de um mapa de compressor enquanto o ponto operacional se aproxima da área de sobretensão.

[071] De modo similar, o valor limítrofe de conteúdo harmônico de LF pode ser predeterminado pela execução do compressor em teste ou calibração. Em particular, um conjunto de valores limítrofes para várias velocidades de rotor pode ser compilado e armazenado pelo atuador de comutação de válvula 32 na forma de um mapa de compressor enquanto o ponto operacional se aproxima da área de sobretensão.

[072] A atuação da válvula antissobretensão 25 pode ser alcançada através de uma função de abertura rápida ativada pelo comando de controlador de mancal magnético ativo. Essa função pode ser implantada por meio de um comutador de potência que controla o suprimento de potência à válvula antissobretensão.

[073] Se o controlador de AMB falha em detectar uma sobretensão iminente em um estágio precoce, a válvula antissobretensão 25 será atuada no comando do controlador antissobretensão 27 com base na entrada dos transmissores de fluxo e/ou pressão e/ou temperatura 28, 29. Por outro lado, o controle de AMB pode ser esperado para reagir exatamente tão rápido quanto o controle antissobretensão ativado por fluxo/pressão/temperatura ou ainda mais rápido. Em todos os casos, a realização 200, conforme mostrado na Figura 3, fornece retorno e redundância no controle antissobretensão de um sistema de compressão submarino.

[074] Em todas as realizações da presente invenção, a válvula antissobretensão 25 pode ser reiniciada para seu estado normalmente fechado, uma vez que o fluxo processado foi restabelecido ou o risco de sobretensão ser removido ou evitado. O reinício da válvula antissobretensão pode seguir um procedimento automático, consistindo, por exemplo, em um corpo de válvula que é desviado em direção a uma posição fechada ou um atuador de válvula desviado em direção a um estado de fechamento, e pode se seguir imediatamente mediante um comando de fechamento gerado em uma unidade de controle submarino, tal como o controlador de AMB, ou do controle de lado de corpo, por exemplo. Não obstante, a necessidade óbvia de fornecer o reinício da válvula antissobretensão após um modo operacional antissobretensão, a invenção é focada na transição da operação estável para a sobretensão que é o final crucial do processo.

[075] A invenção, evidentemente, não está de forma alguma restrita às realizações descritas acima. Pelo contrário, muitas possibilidades para modificações da mesma serão aparentes a um técnico no assunto sem se afastar do escopo da invenção conforme definido nas reivindicações anexadas.

Claims (14)

1. MÉTODO PELO QUAL UM COMPRESSOR SUBMARINO, CUJO ROTOR (3) É SUPORTADO POR MANCAIS MAGNÉTICOS ATIVOS (20, 21, 22) para rotação sem contato, é disposto para ser comutado da operação normal para um modo operacional antissobretensão, em que o método compreende: dispor uma válvula antissobretensão (25) normalmente fechada em uma linha de reciclagem (26) que ajusta uma saída de compressor (10) em conexão de fluxo com uma entrada de compressor (9) em um estado aberto da válvula antissobretensão (25), dispor um controlador (24) de mancal magnético ativo (AMB) para manter a posição do rotor de compressor (3) em relação às partes não giratórias do compressor, sendo o método caracterizado por compreender adicionalmente: determinar, com o uso de dados de controle de mancal, um valor que representa uma força que atua no rotor de compressor a partir da carga de processo, comparar o valor representativo de força a um valor limítrofe indicativo de uma condição de sobretensão, e em resposta ao valor representativo de força que excede o valor limítrofe: comutar a válvula antissobretensão para um estado aberto.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente: dispor um controlador antissobretensão (ASC) (27) para controlar o estado da válvula antissobretensão (25) em resposta a pelo menos um dentre um fluxo, pressão e temperatura detectados no fluxo processado, em que, em resposta ao valor representativo de força que excede o valor limítrofe: anular o controle de válvula fornecido pelo controlador antissobretensão (27) e comutar a válvula antissobretensão para o estado aberto.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelos dados de controle de mancal usados na determinação do valor representativo de força compreenderem pelo menos um dentre: i) dados de posição de rotor, ii) quantidade de corrente alimentada através de bobinas de mancais magnéticos (19), iii) amplitude em fluxo magnético gerado no mancal magnético.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo valor representativo de força ser determinado pelo conteúdo harmônico de baixa frequência (LF) em pelo menos um dentre: i) um sinal de posição de rotor, ii) um sinal de corrente, iii) um sinal de fluxo magnético, iv) uma estimativa de fluxo magnético.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por compreender: fornecer um atuador de comutação de válvula (32) disposto para controlar o estado da válvula antissobretensão (25) com base no comando de entrada de qualquer um dentre: i) um controlador antissobretensão baseado em fluxo, pressão e/ou temperatura (27), ou ii) um controlador de mancal magnético ativo (24), em que o atuador de comutação de válvula (32) é configurado para executar o controle de válvula de acordo com a seguinte condição: se comando de controlador de AMB = VERDADEIRO, então, comando de válvula = válvula aberta, caso contrário, comando de válvula = comando de ASC.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo atuador de comutação de válvula (32) ser configurado para avaliar o comando de controlador de AMB de acordo com a seguinte condição: se o valor representativo de força exceder o valor limítrofe, então, comando de controlador de AMB = VERDADEIRO, caso contrário, comando de controlador de AMB = FALSO.

7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo valor limítrofe ser predeterminado enquanto executa o compressor em calibração.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por um conjunto de valores limítrofes relacionados a diferentes velocidades de rotor de compressor ser compilado em um mapa de compressor.

9. SISTEMA DE COMPRESSÃO SUBMARINO (100, 200) disposto para ser comutado da operação normal para um modo operacional antisobretensão, em um método conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, sendo que o sistema de compressão é caracterizado por compreender: um compressor, que tem um rotor de compressor (3) suportado para rotação sem contato por mancais magnéticos ativos (20, 21, 22), uma válvula antissobretensão (25) normalmente fechada em uma linha de reciclagem (26) que ajusta uma saída de compressor (10) em conexão de fluxo com uma entrada de compressor (9) em um estado aberto da válvula antissobretensão, um controlador (24) de mancal magnético ativo (AMB) para manter a posição do rotor de compressor (3) em relação às partes não giratórias do compressor, em que o controlador de mancal magnético ativo (24) é conectado de modo operativo à válvula antissobretensão (25).

10. SISTEMA DE COMPRESSÃO SUBMARINO (200), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender adicionalmente: um controlador antissobretensão (27) disposto para controlar o estado da válvula antissobretensão (25) em resposta a pelo menos um dentre um fluxo, pressão e temperatura detectados no fluxo processado, em que o controlador de mancal magnético ativo (24) é conectado de modo operativo à válvula antissobretensão (25) em paralelo com o controlador antissobretensão (27).

11. SISTEMA DE COMPRESSÃO SUBMARINO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender um atuador de comutação de válvula antissobretensão (32) interposto entre a válvula antissobretensão (25) por um lado e os controladores de antissobretensão e de mancal magnético ativo (27; 24), respectivamente, por outro lado.

12. SISTEMA DE COMPRESSÃO SUBMARINO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo atuador de comutação de válvula (32) compreender uma unidade de avaliação configurada para gerar um comando de comutação de válvula com base na entrada tanto do controlador de mancal magnético ativo (24) como do controlador antissobretensão (27).

13. SISTEMA DE COMPRESSÃO SUBMARINO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pela atuação da válvula antissobretensão (25) ser alcançada através de uma função de abertura rápida ativada pelo controlador de mancal magnético ativo (24).

14. SISTEMA DE COMPRESSÃO SUBMARINO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado pela atuação da válvula antissobretensão (25) ser alcançada através de uma função de abertura rápida ativada pelo controlador de mancal magnético ativo (24) que anula o controlador antissobretensão (27).

Images