ITBA20110037A1 - Metodo per la protezione dei compressori centrifughi dal fenomeno del pompaggio - Google Patents

Description

Forma oggetto del presente trovato un metodo innovativo per la protezione dei compressori centrifughi dal fenomeno del pompaggio.

Il pompaggio à ̈ un fenomeno che si verifica quando il compressore lavora in una parte della propria curva caratteristica nella zona delle basse portate caratterizzata da funzionamento instabile e causa una rapida oscillazione della portata elaborata dalla macchina, accompagnata da una caratteristica rumorosità ed elevate vibrazioni su specifiche frequenze. Il pompaggio à ̈ una condizione di funzionamento anomala del compressore, che può assumere carattere distruttivo e comportare, in assenza di adeguati sistemi di protezione e qualora la macchina permanga per tempo prolungato in tale condizione il danneggiamento o la rottura del compressore stesso.

E’ pertanto utile essere in grado di diagnosticare tempestivamente l’approssimarsi di una condizione di pompaggio, per prendere gli accorgimenti opportuni a scongiurare il verificarsi od il permanere di tale condizione senza incorrere in penalizzanti riduzioni del range operativo.

Un accorgimento noto allo stato della tecnica per allontanarsi dalla condizione di pompaggio o di incipiente pompaggio à ̈ di aprire, parzialmente o totalmente, una apposita valvola di regolazione posta su una linea che ricicla i gas dalla mandata raffreddati all’aspirazione del compressore. In questa maniera diminuisce la resistenza complessiva del circuito in cui lavora il compressore, e ci si sposta pertanto verso destra sulla curva caratteristica del compressore corrispondente al numero di giri di funzionamento. A titolo esemplificativo à ̈ riportato in figura 1 un esempio di curve caratteristiche di un compressore, disegnate su un piano avente per assi la portata volumetrica aspirata e la pressione di mandata. Sempre in figura 1 à ̈ indicata la zona di funzionamento in condizioni di pompaggio. In figura 2 à ̈ invece riportato uno schema impiantistico noto allo stato della tecnica in cui à ̈ presente una linea di ricircolo all’aspirazione su cui à ̈ installata una valvola di regolazione (valvola antipompaggio).

Il problema tecnico non ancora pienamente risolto allo stato attuale, ed alla soluzione del quale à ̈ indirizzata la presente domanda di brevetto per invenzione industriale, à ̈ invece la diagnosi efficace ed attendibile delle condizioni di pompaggio.

Sono difatti noti allo stato della tecnica vari metodi per il rilevamento dell’incipiente pompaggio, basati sulla misura delle condizioni operative del compressore e sul confronto delle stesse con dei limiti di funzionamento in sicurezza forniti a chi opera l’impianto dal costruttore del compressore in funzione del rapporto di compressione fornito dalla macchina e validi per uno specifico miscuglio gassoso dalla composizione molare nota (gas a specifica).

Il documento US 4 825 380 à ̈ un esempio di un metodo per la diagnosi delle condizioni dell’incipiente pompaggio che fa uso di insegnamenti sostanzialmente conformi a quanto già descritto e noto allo stato dell’arte. Il documento EP 1323927 descrive invece un metodo per la protezione dal pompaggio che basa la diagnosi della condizione di pompaggio sull’analisi in frequenza del segnale di un sensore di pressione o di portata, ed à ̈ pertanto in grado di diagnosticare un pompaggio già in atto, non un avvicinamento alle condizioni di pompaggio.

Una delle difficoltà tecniche nel realizzare una efficace protezione dei compressori dal fenomeno del pompaggio à ̈ causata dal fatto che nella realtà i limiti di pompaggio sono dipendenti dal miscuglio di gas e dalle relative condizioni termodinamiche (pressione e temperatura) in ingresso al compressore. Le curve caratteristiche riportate a titolo di esempio in figura 1 sono difatti valide solo per determinate condizioni in ingresso del gas, e variano in maniera complessa al variare della pressione, temperatura e composizione del gas in ingresso stesso.

I metodi noti allo stato della tecnica sono limitati, in quanto non risolvono il problema tecnico di definire in maniera affidabile l’intervallo di condizioni operative del compressore in sicurezza rispetto al fenomeno del pompaggio al variare delle condizioni in ingresso del gas (composizione molare, pressione e temperatura). Nei sistemi noti allo stato della tecnica infatti eventuali variazioni relative alla composizione molare del gas aspirato non vengono rilevate dagli algoritmi e la protezione resta sempre legata alle condizioni di funzionamento di progetto, anche quando queste non sono quelle di effettivo funzionamento.

Scopo del trovato oggetto della presente à ̈ pertanto quello di fornire un dispositivo ed un metodo per la protezione dei compressori centrifughi dal pompaggio che tenga conto delle variazioni del regime di sicuro funzionamento del compressore con il variare della composizione molare del gas aspirato anche quando differente dalla composizione prevista dalla specifica di progetto e delle relative condizioni termodinamiche operative (pressione e temperature) senza alcuna approssimazione o ipotesi semplificativa ma con l’applicazione rigorosa delle moderne teorie termodinamiche per i gas reali.

Secondo un altro scopo il trovato oggetto della presente invenzione intende fornire un dispositivo di protezione dei compressori centrifughi dal pompaggio che permetta di proteggere il compressore anche in caso di guasto meccanico della valvola di ricircolo o di guasto della strumentazione e dei sistemi atti a rilevare i parametri meccanici e/o termodinamici di funzionamento del compressore.

Questi ed altri vantaggi appariranno evidenti dalla descrizione seguente che farà riferimento alle figure da 1 a 9,

In figura 1 Ã ̈ possibile osservare un punto di funzionamento normale del compressore centrifugo rappresentato nel piano pressione di mandata-portata aspirata in assenza di pompaggio;

In figura 2 à ̈ mostrato uno schema impiantistico noto allo stato dell’arte per la protezione dei compressori dal fenomeno del pompaggio.

In figura 3 Ã ̈ mostrato uno schema impiantistico/concettuale (concept layout) rappresentativo di un modo di realizzazione preferenziale del dispositivo secondo la presente invenzione.

In figura 4 Ã ̈ mostrato un esempio di modello termodinamico adimensionalizzato di un compressore centrifugo.

In figura 5, 6 e 7 sono mostrati diagrammi di flusso che rappresentano la logica di protezione antipompaggio e di diagnostica secondo la presente invenzione.

In figura 8, 9 e 10 sono mostrati diagrammi di flusso che rappresentano le logiche di modellazione termodinamica e meccanica del compressore e la determinazione delle performances attese.

In figura 2 à ̈ mostrato il compressore (1), la valvola di sicurezza antipompaggio (2), il by-pass di ricircolo (3), l’aspirazione (4), la mandata (5) ed un PLC di controllo (6).

Come si può notare in figura 3 il dispositivo per la determinazione delle condizioni di incipiente pompaggio secondo la presente invenzione comprende gli stessi mezzi per la misura di portata (10) pressione (11) e temperatura (12) in ingresso, della pressione (14) e temperatura (15) in uscita e del numero di giri (13) previsti dalla tecnica attuale. In aggiunta Il dispositivo secondo la presente invenzione può prevedere mezzi per la determinazione della composizione del gas in ingresso (9) , quale ad esempio un gascromatografo in linea. In alternativa, a seconda dell’applicazione nella quale viene usato il compressore da proteggere, ed in particolare nei casi in cui la composizione molare sia lentamente variabile, l’aggiornamento della composizione del gas in ingresso può essere fornita in input in base ad analisi fuori linea periodiche. Resta inteso che qualunque tipo di sensore per la misura delle grandezze indicate tra quelli noti allo stato della tecnica à ̈ utilizzabile all’interno del presente dispositivo e per lo svolgimento del metodo descritto. Il sistema prevede inoltre un server di calcolo (16) interconnesso con il PLC (6) dedicato al controllo della valvola antipompaggio (2). Mentre il PLC (6) à ̈ presente nei sistemi tradizionali, il server di calcolo (16) rappresenta un elemento aggiuntivo non presente nei sistemi tradizionali. Esso incorpora un algoritmo termodinamico per il calcolo delle proprietà termodinamiche delle miscele gassose reali, un modello-termo meccanico del compressore ed un algoritmo per la determinazione analitica dei punti di pompaggio (system surge). Tramite questi strumenti à ̈ possibile calcolare in tempo reale i punti di pompaggio del compressore da proteggere, aggiornati rispetto alle condizioni operative attuali i.e. rispetto al gas con composizione molare attuale e relativa pressione e temperatura di aspirazione. Il sistema oggetto della presente richiesta di brevetto fa quindi uso esteso delle moderne teorie termodinamiche e di modellazione dei compressori oggi disponibili, implementando le stesse su un server di calcolo dedicato, elemento aggiuntivo non presente nei sistemi secondo la tecnica attuale. In questi ultimi l’aggiornamento dei limiti operativi in sicurezza rispetto al pompaggio non avviene e la protezione resta legata alle condizioni di progetto con compensazioni approssimative per le variazioni di pressione e temperatura e senza alcuna compensazione per la variazione della composizione molare del gas in ingresso. Nei sistemi attualmente noti allo stato dell’arte inoltre la determinazione dei punti di pompaggio, sempre riferiti solo al gas con composizione molare di progetto, avviene con l’impiego di formulazioni notevolmente semplificate, con conseguente approssimazione della azione di protezione. Come conseguenza delle considerazioni esposte risulta quindi evidente che i sistemi tradizionali possono risultare incapaci di garantire la protezione al compressore nei casi in cui si verifichi una modifica della composizione molare del gas aspirato o una sostanziale variazione delle condizioni di temperatura e pressione in aspirazione. Inoltre, come nei sistemi della tecnica attuale, il dispositivo secondo la presente invenzione comprende una valvola antipompaggio per la regolazione della portata di gas ricircolata alla aspirazione. I dati acquisiti dalla strumentazione descritta nelle figure da 3 a 9, vengono inviati ad un elaboratore elettronico in grado di acquisire tali dati e di controllare l’apertura della valvola antipompaggio qualora vengano individuate le condizioni di incipiente pompaggio secondo logiche descritte in dettaglio di seguito e rappresentate nelle citate figure.

La logica di gestione può essere implementata su un calcolatore elettronico di una qualsiasi delle tipologie note allo stato dell’arte ed adatte allo scopo. La logica comprende una fase di calcolo delle proprietà termodinamiche del gas mix attuale secondo la termodinamica dei gas reali, una fase di modellazione termo-meccanica del compressore, una fase di aggiornamento delle condizioni di pompaggio e quindi dei limiti operativi ammissibili (implementata nel server di calcolo), una fase di diagnostica per la rilevazione di eventuali avarie nella strumentazione ed una fase di controllo della protezione antipompaggio (implementata su PLC). A questa logica di protezione à ̈ aggiunta un’ulteriore protezione indipendente che comanda la valvola antipompaggio sulla base dei dati derivanti dall’analisi in frequenza di un segnale di natura meccanica rilevato sul compressore, come meglio descritto più avanti.

Nella prima fase di modellazione termodinamica della miscela gassosa aspirata, il sistema acquisisce la composizione chimica del gas aspirato attuale e ne determina tutte le proprietà termodinamiche necessarie per la esecuzione dei calcoli nella successiva fase di simulazione termo-meccanica del compressore Come detto la composizione del gas può essere rilevata a mezzo di un opportuno strumento quale un gas-cromatografo, oppure può essere fornita in input dall’operatore di impianto.

Nella seconda fase il sistema acquisisce dalla strumentazione di campo i dati relativi a portata, pressione in ingresso, composizione del gas, numero di giri del compressore. In ingresso al sistema sono inoltre presenti informazioni, generalmente fornite dal fabbricante della macchina, riguardanti lo specifico modello di compressore utilizzato. Tali informazioni sono costituite in genere da un set di curve riportanti pressione di mandata e temperatura di mandata alle varie portate e a vari numeri di giri, con le relative condizioni di ingresso pressione, temperatura, composizione del gas in aspirazione.

Sulla base delle informazioni fornite dal costruttore il sistema procede ad elaborare un modello adimensionalizzato delle prestazioni del compressore, costituito da una serie di curve caratteristiche delle prestazioni del compressore in un piano i cui assi sono il “work coefficient†in funzione del parametro di portata ed il rendimento politropico in funzione del parametro di portata. I diagrammi indicati sono calcolati per differenti numeri di Mach. Un esempio à ̈ mostrato in figura 4. Le logiche per la modellazione del compressore e per la determinazione delle performances son rappresentate nelle figure 8 e 9.

Il modello adimensionalizzato à ̈ in grado quindi di descrivere le prestazioni del compressore a prescindere dalle effettive condizioni del gas in aspirazione (mix, pressione e temperatura). Avendo a disposizione le informazioni rilevate dalla strumentazione inerenti pressione e temperatura in aspirazione, portata e composizione del gas, à ̈ quindi possibile ricostruire dal modello termodinamico adimensionale del compressore le curve di performances del compressore relative alle effettive condizioni del gas in aspirazione ( composizione molare, temperatura, pressione). . In particolare à ̈ possibile calcolare i valori attesi per pressione di mandata e temperatura di mandata, oltre che la portata di pompaggio riferita alle effettive condizioni di funzionamento. Nota la nuova mappa delle prestazioni aggiornata rispetto alle condizioni di ingresso attuali, il sistema applica un algoritmo per la determinazione dei punti di pompaggio. L’equazione dei punti di pompaggio preferibilmente utilizzata (system surge equation) à ̈ la seguente:

 p

∂ d



ï£ p Sï£ ̧

∂ V & = 0

pd= pressione di mandata

ps=pressione di aspirazione

V<&>=portata volumetrica aspirata

Terminata la fase di ricalcolo dei punti di pompaggio, à ̈ possibile confrontare la portata misurata attuale con la portata limite di pompaggio attesa, per determinare se ci si trova in condizioni di funzionamento sufficientemente lontane dal pompaggio, o se c’à ̈ bisogno di intervenire sulla valvola antipompaggio , ed inviare quindi un segnale al sistema di controllo della valvola stessa.

Questo à ̈ un punto fondamentale nel metodo di protezione dal pompaggio secondo la presente invenzione, in cui la verifica della presenza di pompaggio o di incipiente pompaggio viene effettuata tenendo esplicitamente conto delle effettive condizioni di funzionamento della macchina ed in particolare sulla base della effettiva composizione molare del gas in aspirazione e delle relative condizioni di pressione e temperatura.

In sintesi nella prima fase del metodo sulla base delle informazioni relative alle condizioni in aspirazione e sulla base delle informazioni relative al compressore, vengono calcolati i valori attesi di pressione e temperatura del gas in mandata, nonché calcolata la portata limite di pompaggio riferita alle effettive condizioni di funzionamento del compressore. Il confronto tra la portata limite calcolata e la portata misurata permette di decidere se inviare un segnale al sistema che controlla l’apertura della valvola antipompaggio.

In una seconda fase del metodo i valori di pressione e temperatura di mandata, indicativi delle prestazioni del compressore, vengono confrontati con i valori attesi per questi parametri. Una eventuale discordanza può essere attribuita alle seguenti cause: (A) Errore di misura della portata aspirata, (B) problema sulla strumentazione, (C) Degrado meccanico del compressore. La logica di diagnostica à ̈ rappresentata nel diagramma di flusso di figura 6. Per i casi considerati il sistema genera una segnalazione diagnostica.

In questa seconda fase del metodo à ̈ effettuato inoltre un controllo di discordanza tra i valori attesi di pressione e temperatura di mandata ed i valori misurati delle stesse grandezze. La discordanza potrebbe essere dovuta non ad un cattivo funzionamento del compressore ma ad una avaria o errata calibrazione di uno o più sensori. Viene quindi effettuato un controllo su tutti i sensori tramite l’applicazione di una apposita logica il cui diagramma di flusso à ̈ rappresentato in figura 7. Tale logica determina se il segnale proveniente dal sensore à ̈ credibile o meno, ed in caso di segnale non credibile emette il relativo allarme e segnalazione diagnostica di guasto. Nella eventualità di guasto dei sensori di pressione in aspirazione e mandata le cui misure vengono utilizzate dell’algoritmo antipompaggio standard, la logica provvede inoltre a comandare l’apertura fissa della valvola antipompaggio e a generare una segnalazione diagnostica.

A seguito di questa prima diagnosi sulla validità dei segnali ricevuti dal campo, in caso di segnale credibile, si verifica se i segnali sono congruenti o meno con le elaborazioni termodinamiche in corso secondo il flusso logico descritto in figura 6 (logica diagnostica). In particolare la logica verifica la validità del segnale di portata misurata, che à ̈ il più frequentemente oggetto di errori di misura per via delle problematiche connesse alle tecniche normalmente usate, e quando la differenza tra il valore misurato e quello atteso secondo il modello termodinamico del compressore eccede un valore di soglia, il segnale misurato viene automaticamente escluso e sostituito con quello atteso per l’invio alla logica antipompaggio. Viene inoltre contestualmente generata una segnalazione diagnostica. La logica diagnostica può determinare inoltre o l’incongruenza dei dati misurati (problema sulla strumentazione) o un degrado meccanico del compressore. In ognuno di tali due casi il sistema genera una segnalazione diagnostica ed il compressore continua ad essere protetto dal pompaggio mediante un algoritmo tradizionale.

Ai fini di garantire il compressore da un possibile fallimento dei sistemi descritti, il dispositivo oggetto della presente invenzione comprende un’ulteriore protezione basata sull’analisi in frequenza e filtraggio del segnale di vibrazione radiale ottenuto dalle sonde di prossimità installate nei pressi di uno dei cuscinetti che reggono l’albero del compressore come previsto dagli standard del settore petrolifero. Resta inteso che il metodo ed il dispositivo possono essere applicati a compressori operanti in qualsiasi contesto e non esclusivamente nell’industria petrolifera. Può inoltre essere utilizzato un qualunque tipo di sensore (accelerometro, sensore a correnti parassite etc) in grado di rilevare le vibrazioni in corrispondenza di punti significativi del compressore senza uscire dagli scopi della presente invenzione. Il segnale di vibrazione considerato à ̈ difatti un segnale indice di un fenomeno di tipo meccanico, per l’elaborazione del quale non sono necessarie misure o considerazioni di carattere termodinamico o di modellazione del compressore, e pertanto à ̈ efficace nel garantire la protezione in caso di errore dei sistemi di protezione basati su algoritmi termodinamici e modellazioni del compressore (rif. Figura 5).

Nella presente domanda si considera preferenziale l’uso del sensore di spostamento radiale il cui segnale viene acquisito dal sistema e, tramite apposito hardware, analizzato nel dominio delle frequenze secondo tecniche note allo stato dell’arte. Dallo spettro ottenuto mediante la trasformazione in frequenza vengono considerate solo le componenti sub-sincrone connesse al pompaggio. Le frequenze a cui possono trovarsi queste componenti dipende dal modello di compressore utilizzato e dalle relative condizioni di installazione, e vengono rilevate con apposite prove in campo. L’intensità di queste componenti viene inviata ad un apposito regolatore che opera il controllo della valvola antipompaggio in modalità override rispetto agli altri controllori agenti sulla stessa, come indicato nel diagramma di flusso in figura 5.

Lo stesso segnale viene confrontato con un livello di sicurezza Qualora il segnale persista oltre il limite per un intervallo di pochi secondi (2-3 secondi) viene disposto l’arresto del compressore. Il rilevamento di Componenti di vibrazioni sub sincrone di pompaggio oltre la norma, comporta inoltre la registrazione automatica del punto di funzionamento nel quale si à ̈ verificato il pompaggio e l’aggiornamento della protezione antipompaggio. Come indicato in figura 5, inoltre la logica di antipompaggio prevede che l’algoritmo operante in condizioni normali sia quello basato sulla determinazione via calcolo termodinamico delle portate di pompaggio. Quando il sistema diagnostico rileva o un problema di strumentazione o un degrado meccanico del compressore (rif. figura 6, logica diagnostica), l’algoritmo antipompaggio viene escluso e viene sostituito da quello tradizionale. La protezione basata sul rilevamento delle componenti sub sincrone di pompaggio à ̈ sempre attiva in modalità override rispetto ai due algoritmi già citati. Qualora la logica diagnostica determina un probelma sulla misura della portata, la portata misurata viene esclusa e quella attesa in base ai calcoli termodinamici viene inviata alla logica antipompaggio.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo per la protezione di compressori centrifughi dal fenomeno del pompaggio comprendente le fasi di: a. Acquisizione della pressione e della temperatura in aspirazione, della portata, del numero di giri e della composizione del gas in ingresso al compressore; b. Calcolo delle proprietà termodinamiche della miscela aspirata in funzione delle acquisizioni al punto a; c. Adimensionalizzazione della mappa delle prestazioni del compressore fornite dal costruttore; d. Calcolo della portata limite di pompaggio a partire dalle condizioni di funzionamento effettive e dalla mappa adimensionalizzata delle prestazioni del compressore; e. Confronto tra la portata effettiva e la portata limite di pompaggio calcolata al punto precedente per verificare se si à ̈ in condizioni di pompaggio o di incipiente pompaggio; f. Eventuale apertura, parziale o totale, di una valvola posizionata su un by-pass di ricircolo del gas tra mandata e aspirazione.
2. 2) Metodo secondo la rivendicazione 1 comprendente inoltre, dopo le fasi a., b. e c. le seguenti ulteriori fasi: g. Calcolo dei valori attesi di pressione e temperatura di mandata sulla base delle condizioni di funzionamento effettive e della mappa di funzionamento adimensionalizzata delle prestazioni del compressore determinata al punto c; h. Misura dei valori di pressione e temperatura di mandata; i. Confronto tra i valori attesi calcolati al punto g e quelli misurati al punto h; j. In caso di scostamento significativo tra i valori attesi e quelli effettivi, classificazione dello scostamento in scostamento dipendente da un degrado del compressore o da problemi di lettura della portata o guasto della strumentazione. k. In caso di scostamento dovuto ad errore sulla misura della portata, sostituzione della portata misurata con quella attesa elaborata l. In caso di scostamento dipendente da un degrado del compressore o da problemi di lettura della portata o guasto della strumentazione impiego di un algoritmo di protezione antipompaggio standard e generazione di segnale di richiesta manutenzione.
3. 3) Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti comprendente inoltre, in parallelo con le fasi da a. ad l. le fasi di: m. determinazione delle frequenze indicative della presenza di pompaggio o incipiente pompaggio e della loro intensità minima indicativa delle condizioni di pompaggio o incipiente pompaggio in relazione alla tipologia di compressore utilizzato e relative condizioni di installazione. n. acquisizione di un segnale da un sensore che misura le vibrazioni meccaniche del compressore; o. Analisi in frequenza di detto segnale e determinazione dell’intensità delle componenti presenti alle freuqenze determinate al punto m. p. Confronto dell’intensità di dette compoenti in frequenza con l’intensità minima indicativa delle condizioni di pompaggio o incipiente pompaggio q. Eventuale apertura, parziale o totale, della valvola di sicurezza antipompaggio.
4. 4) Dispositivo per l’applicazione del metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti alla protezione dei compressori centrifughi dal fenomeno del pompaggio comprendente - mezzi per la misura della temperatura, della portata e della pressione del gas in ingresso al compressore; - mezzi per la misura del numero di giri del compressore; - mezzi per la misura della temperatura e della pressione del gas in uscita dal compressore; - mezzi per l’acquisizione ed elaborazione elettronica dei segnali forniti da detti mezzi di misura - mezzi per il controllo di dispositivi di sicurezza e di allarme 5) Dispositivo secondo la rivendicazione 4 comprendente inoltre mezzi per la determinazione della composizione del gas. 6) Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 4 a 5 comprendente inoltre mezzi per la misura delle vibrazioni. 7) Dispositivo secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detti mezzi per la misura delle vibrazioni comprendono un sensore di vibrazione installato in prossimità di uno dei cuscinetti che reggono l’albero del compressore.