JP2020500270A - 湿潤ガス条件下での圧縮機のサージ防止保護 - Google Patents

Abstract

湿潤ガス条件下での圧縮機（７）のサージ防止保護のための方法が記載されている。圧縮機は、吸入側（７Ｓ）および吐出側（７Ｄ）を含む。サージ防止システムは、圧縮機の吐出側と吸入側との間に配置される。この方法は、圧縮比対補正動力線図におけるサージ限界線を計算するステップと、前記圧縮比対補正動力線図における圧縮機動作点を決定するステップと、前記動作点と前記サージ限界線との間の距離を検出するステップと、距離が最小安全距離よりも小さい場合、圧縮機のサージ防止システムに作用するステップと、を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、圧縮機制御方法およびシステムに関する。本明細書で開示される実施形態は、具体的には、重質炭化水素、水等の液相を含むことができるガスを処理する湿潤ガス圧縮機、特に遠心湿潤ガス圧縮機に関する。

遠心圧縮機は、いわゆる湿潤ガス、すなわち特定の割合の液相を含むことができるガスを処理するように設計されている。海底坑井などの井戸から抽出されたガスが液体炭化水素相または水を含むことができる石油およびガス産業では、しばしば湿潤ガス処理が必要とされる。

ガス中の液相の存在および割合は圧縮機の運転に影響を及ぼし、特に圧縮機の安全運転の範囲を決定するサージ限界に影響を及ぼし得る。しかしながら、通常、圧縮機の吸入側でのガス流中の液体体積分率は分かっていない。液体体積分率を測定することができる流量計は煩雑で高価であり、極端な環境条件下では特定の用途には適さない可能性がある。

したがって、特にサージ防止に関する限り、湿潤ガス圧縮機の動作を確実かつ効率的に制御するための必要性が存在する。

米国特許出願公開第２０１６／０１７７９５８号明細書

第１の態様によれば、湿潤ガス条件下での圧縮機のサージ防止保護のための方法が本明細書に開示される。圧縮機は、吸入側と吐出側とを含む。サージ防止システムは、圧縮機の吐出側と吸入側との間に配置される。本明細書に開示された実施形態によれば、この方法は、
圧縮比対補正動力線図におけるサージ限界線を計算するステップと、
前記圧縮比対補正動力線図における圧縮機動作点を決定するステップと、
前記動作点と前記サージ限界線との間の距離を検出するステップと、
距離が最小安全距離よりも小さい場合、圧縮機のサージ防止システムに作用するステップと
を含む。

さらなる態様によれば、吸入側および吐出側を有する圧縮機と、サージ防止制御装置と、サージ防止制御装置に機能的に結合された制御ユニットと、を備えた湿潤ガス圧縮機システムが本明細書に開示される。制御ユニットは、上記のような方法を実行するように構成され、配置される。

圧縮比対補正動力線図は、圧縮機性能が、圧縮機上の圧縮比と圧縮機の補正動力との間の関係の関数として表される図である。

特徴および実施形態が、本明細書で以下に開示されており、添付の特許請求の範囲においてさらに説明されている。添付の特許請求の範囲は、本明細書の必須の部分を形成する。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をより深く理解できることを目的とし、さらに当該技術分野に対する本発明の寄与をより評価できるようにするために、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。もちろん本発明には他にも特徴があり、他の特徴は以下に説明され、添付の特許請求の範囲に記載される。この点で、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態が、それらの応用において、以下の説明に記載され、あるいは図面に示される構成の詳細および構成要素の配置に制限されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態も可能であり、様々な方法で実施および実行することができる。また、本明細書で用いられる表現および用語は説明を目的とするものであり、限定とみなすべきではないことを理解されたい。

このように、当業者であれば、本開示が基づく構想が、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造体、方法、および／またはシステムを設計する基礎として容易に利用することができることを理解するであろう。したがって、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、特許請求の範囲はこのような等価な構成を含むとみなすことが重要である。

本発明の開示された実施形態、および本発明の多くの付随する利点のより全面的な理解は、添付の図面と結び付けて検討される際、以下の詳細な説明を参照することにより、これらがよりよく理解される場合に容易に得られる。

圧縮機システムを示す図である。 湿潤ガス圧縮機の動作図である。 本明細書に開示の方法のフローチャートである。

例示的な実施形態についての以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。別々の図面における同じ参照番号は、同じかまたは同様の要素を表す。さらに、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

本明細書全体を通して「一実施形態」「実施形態」または「いくつかの実施形態」への言及は、ある実施形態と結び付けて説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な場所で「一実施形態では」「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という表現が現れても、必ずしも同じ実施形態（単数および複数）を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされてもよい。

図１は、ドライバ３および負荷５を備えたシステム１を概略的に示している。負荷５は、例えば遠心圧縮機である圧縮機７を含む。シャフト９は、ドライバ３を負荷５に駆動的に接続する。ドライバ３は、電気モータ、ガスタービンエンジン、蒸気タービン、または他の適切なドライバとすることができる。

圧縮機７は、圧縮機吸入側７Ｓおよび圧縮機吐出側７Ｄを備える。圧縮機７には、サージ防止システムがさらに設けられている。図１の概略図において、サージ防止システムは、吐出側７Ｄおよび吸入側７Ｓに流体的に結合されたラインまたはダクト１１を備える。さらに、サージ防止システムは、サージ防止ライン１１上に配置されたサージ防止バルブ１３を備える。圧縮機の動作点がサージ限界線に近づくと、圧縮機内のサージ現象を防止するために、圧縮機７の吐出側７Ｄから吸入側７Ｓへガスを再循環させるようにサージ防止バルブ１３を制御可能に開くことができる。

いくつかの実施形態では、圧力トランスデューサ１５および温度トランスデューサ１７が、吸入側７Ｓでのガスのガス吸入圧力Ｐｓおよびガス吸入温度Ｔｓを測定するために、圧縮機７の吸入側７Ｓに配置される。さらに、別の圧力トランスデューサ１９および別の温度トランスデューサ２１が、ガス吐出圧力Ｐｄおよびガス吐出温度Ｔｄを測定するために、圧縮機７の吐出側７Ｄに配置される。

システム１は、圧縮機７の吐出側７Ｄおよび吸入側７Ｓにおけるガス温度および圧力の測定値を収集するために、圧力トランスデューサおよび温度トランスデューサ１５，１７，１９，２１に機能的に結合され得る制御ユニット２３をさらに備える。制御ユニット２３は、サージ防止バルブ１３を選択的に開閉するように構成され配置されたアクチュエータ１３Ａにさらに機能的に結合され得る。参照番号２５は、一般に、制御ユニット２３のための記憶メモリリソースを示し、記憶メモリリソースは、以下に詳細に説明するように、圧縮機７のサージ防止制御に有用なデータを格納することができる。

制御ユニット２３は、圧縮機７によって処理されたガスに関するデータなどのさらなる入力情報を受け取るように構成および配置され得る。ブロック２７は、例えば、圧縮機７によって処理されるガスの平均モル質量Ｍｗに関する情報を提供するデータ入力を概略的に表している。

参照番号２９は、例えば圧縮機７の回転速度Ｎ、圧縮機７を回転させるのに必要な駆動力Ｗのような追加の情報、およびシステム１を制御するのに有用または必要であり得る任意の追加の情報を制御ユニット２３に提供する１つまたは複数の別のプロセスパラメータトランスデューサを概略的に示している。

圧縮機７のサージ防止制御を、図２の線図を用いて行うことができる。圧縮機７の圧縮比すなわち圧力比ＰＲは、図２の線図の縦軸にプロットされている。吸収された動力、すなわち圧縮機７を回転させるのに必要な動力に依存する無次元パラメータが、図２の線図の横軸にプロットされている。無次元パラメータは、実際の駆動力Ｗ、ガスの吸入圧力Ｐｓおよび吸入温度Ｔｓの関数であり、処理されるガスのパラメータおよび圧縮機の特性にさらに依存し得る。

いくつかの実施形態によれば、図２の線図の横軸には、次の式で定義される無次元補正動力Ｗｃｏｒｒがプロットされている：

ここで：
Ｗは、圧縮機７によって吸収された実測動力であり、
Ｐｓ，Ｔｓは、圧縮機７の吸入側のガス圧力および温度であり、
Ｍｗは、圧縮機７によって処理されたガスの平均モル質量であり、
Ｚｓは、圧縮機吸入側でのガスの圧縮率であり、
Ｒは、ガス定数であり、
ｋｖｓは、圧縮機吸入側におけるガスの等エントロピー体積指数であり、
Ｄは、インペラの直径である。

所与の動作パラメータのセットに対して、吸入限界線ＳＬＬを図２の線図にプロットすることができ、これにより、実際の液体質量分率（ＬＭＦ）またはガスの液体体積分率（ＬＶＦ）、すなわち、湿潤ガス中の液相の質量または容積百分率の知識を必要とせずに圧縮機７のサージ防止制御が可能になることが分かった。

所与の圧縮機７について、ＳＬＬは圧縮機７の吸入側７Ｓにおけるガス状態、すなわち吸入温度Ｔｓおよび吸入圧力Ｐｓの関数である。さらに、ＳＬＬは、圧縮機７の回転速度、ならびに圧縮機７の吸入側７Ｓにおけるガスの平均モル質量Ｍｗおよびガスの圧縮率Ｚｓの関数である。したがって、ＳＬＬを以下のように表すことができる：
ＳＬＬ＝ｆ（Ｔｓ，Ｐｓ，Ｚｓ，Ｍｗ，Ｎ） （２）
サージ限界線ＳＬＬを規定する関数に現れるパラメータのいくつか、具体的には吸入側における平均モル質量Ｍｗおよび圧縮率Ｚｓは、ガスの化学組成に依存する。圧縮機７によって処理されるガスの化学組成は、通常、時間の間に非常にゆっくりと変化し、比較的長い時間、例えば２４時間にわたり準定常とみなすことができる。ガスクロマトグラフにガスの一部を流すことにより、ガスの化学組成をインラインで分析することができる。他の実施形態では、例えばガスダクトからガスサンプルを採取することにより、ガス組成をオフラインで分析することができる。どのようにガスを分析するかに関係なく、平均モル質量およびガスの圧縮率を決定することができる。

残りのパラメータを、圧縮機７の動作中にシステム１のトランスデューサによって検出することができる。

サージ限界線ＳＬＬは、乾燥ガス状態（液体質量分率，ＬＭＦ＝０％）に対応する第１の終点から、最大液体含量（ＬＭＦ＝ＬＭＦｍａｘ）に対応する第２の終点まで延びる。

したがって、システム１の動作中、制御ユニット２３に機能的に結合されたトランスデューサによって検出される、圧縮機の特徴、処理されるガスのパラメータ、およびシステム１の動作パラメータに基づいて、現在のＳＬＬを決定することができる。制御ユニット２３は、吸入圧力（Ｐｓ）、吸入温度（Ｔｓ）、角速度（Ｎ）、平均モル質量（Ｍｗ）および圧縮率（Ｚｓ）の検出値に基づいて、例えばテーブル形式で格納されたデータに基づいて、および／または補間によって、現在の吸入限界線ＳＬＬを計算する。ＳＬＬの計算のためのデータは、記憶メモリリソース２５に格納することができる。さらに、上記のデータおよび圧縮機７によって現在吸収されている実際の動力Ｗに基づいて、補正動力Ｗｃｏｒｒが式（１）によって計算される。圧縮機７の実際の動作点が決定され、動作点は図２の線図の座標［Ｗｃｏｒｒ；ＰＲ＝Ｐｄ／Ｐｓ］となる。次いで、実際の動作点と計算されたＳＬＬとの間の距離が決定される。前記距離に基づいて、必要であればサージ防止制御ルーチンが開始され、サージ防止バルブの開度を制御する。サージ防止バルブを、現行の技術的方法に従って制御することができる。一般に、距離が安全値よりも小さい場合には、サージ防止バルブ１３が開かれる。この距離が安全値以上であれば、サージ防止バルブ１３は閉状態に維持される。

これまでに説明した制御方法を図３のフローチャートにまとめる。フローチャートの最後のブロックは、サージ防止バルブ制御を表す。

本明細書で説明される主題の開示された実施形態が図面に示され、いくつかの例示的な実施形態と結び付けて具体的かつ詳細に上で十分に説明されてきたが、多くの修正、変更、および省略が、本明細書に記載された新たな教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に述べられる主題の利点から著しく逸脱することなく可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を含むように、添付の特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ定められるべきである。また、いかなる方法または方法ステップの順序または並びは、代替的な実施形態によって変更、または再度順序付けすることもできる。

１ システム
３ ドライバ
５ 負荷
７ 圧縮機
７Ｄ 圧縮機吐出側
７Ｓ 圧縮機吸入側
９ シャフト
１１ サージ防止ライン、ダクト
１３ サージ防止バルブ
１３Ａ アクチュエータ
１５ 圧力トランスデューサ
１７ 温度トランスデューサ
１９ 圧力トランスデューサ
２１ 温度トランスデューサ
２２ 制御ユニット
２５ 記憶メモリリソース
Ｍｗ 平均モル質量
Ｎ 回転速度
ＰＲ 圧力比
Ｐｄ ガス吐出圧力
Ｐｓ ガス吸入圧力
ＳＬＬ サージ限界線、吸入限界線
Ｔｄ ガス吐出温度
Ｔｓ ガス吸入温度
Ｗ 駆動力、動力
Ｗｃｏｒｒ 無次元補正動力
Ｚｓ 圧縮率
Ｒ ガス定数
ｋｖｓ 等エントロピー体積指数
Ｄ インペラの直径

Claims (10)

1. 湿潤ガス条件下での圧縮機（７）のサージ防止保護のための方法であって、前記圧縮機（７）は、吸入側（７Ｓ）、吐出側（７Ｄ）、およびサージ防止システムを備え、前記方法は、
   圧縮比対補正動力線図におけるサージ限界線（ＳＳＬ）を計算するステップと、
   前記圧縮比対補正動力線図における圧縮機動作点を決定するステップと、
   前記動作点と前記サージ限界線（ＳＳＬ）との間の距離を検出するステップと、
   距離が最小安全距離よりも小さい場合、前記圧縮機（７）のサージ防止システムに作用するステップと
   を含む、方法。
2. 前記補正動力が、前記圧縮機（７）を駆動するのに必要な動力に依存する無次元パラメータである、請求項１に記載の方法。
3. 前記サージ限界線（ＳＳＬ）が、乾燥ガス状態に対応する第１の終点から、最大液体含量に対応する第２の終点まで延びる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記圧縮機（７）の回転速度（Ｎ）を決定するステップと、
   前記圧縮機吸入側（７Ｓ）での前記ガスの吸入温度（Ｔｓ）および吸入圧力（Ｐｓ）を決定するステップと、
   をさらに含み、
   前記サージ限界線（ＳＳＬ）は、前記ガスの回転速度（Ｎ）、吸入温度（Ｔｓ）、吸入圧力（Ｐｓ）に基づいて計算される、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ガスの平均モル質量を決定するステップと、
   前記ガスの圧縮率を決定するステップと、
   をさらに含み、
   前記サージ限界線（ＳＳＬ）は、前記ガスの平均モル質量および圧縮率の関数として計算される、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記補正動力が、無次元パラメータである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記補正動力が、実際の圧縮機駆動力、前記圧縮機吸入側（７Ｓ）のガス圧力、前記圧縮機吸入側（７Ｓ）のガス温度、および前記ガスの化学パラメータの関数である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記補正動力が、以下のように計算され、
   ここで
   Ｗは、前記圧縮機（７）によって吸収された実測動力であり、
   Ｐｓ，Ｔｓは、前記圧縮機（７）の吸入側（７Ｓ）の前記ガス圧力および温度であり、
   Ｍｗは、前記圧縮機（７）によって処理された前記ガスの平均モル質量であり、
   Ｚｓは、前記圧縮機吸入側（７Ｓ）での前記ガスの圧縮率であり、
   Ｒは、ガス定数であり、
   ｋｖｓは、前記圧縮機吸入側（７Ｓ）における前記ガスの等エントロピー体積指数であり、
   Ｄは、インペラの直径である、
   請求項５に記載の方法。
9. 前記サージ防止システムが、前記サージ防止システムに作用するステップが実行されたときに開かれるサージ防止バルブ（１３）を備えて、ガスを前記圧縮機（７）の前記吐出側（７Ｄ）から前記吸入側（７Ｓ）に再循環させる、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 吸入側（７Ｓ）と吐出側（７Ｄ）とを有する圧縮機（７）と、
    サージ防止システムと、
    前記サージ防止システムに機能的に結合された制御ユニット（２３）と、
    を備えた湿潤ガス圧縮機システム（１）であって、
    前記制御ユニット（２３）は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成され配置されている、
    湿潤ガス圧縮機システム（１）。