KR102371876B1 - 습윤 가스 조건 하에서의 압축기 서지 방지 보호 - Google Patents

Abstract

습윤 가스 조건 하에서 압축기(7)의 서지 방지 보호 방법이 설명된다. 압축기는 흡입측(7S) 및 토출측(7D)을 포함한다. 서지 방지 시스템은 압축기의 토출측과 흡입측 사이에 배치된다. 상기 방법은 아래의 단계를 포함한다: 압축비 대 교정 파워 다이어그램에서 서지 한계 라인을 계산하는 단계; 상기 압축비 대 교정 파워 다이어그램에서 압축기 작동점을 결정하는 단계; 작동점과 서지 한계 라인 사이의 거리를 검출하는 단계; 및 상기 거리가 최소 안전 거리 미만인 경우, 압축기의 서지 방지 시스템에 작용하는 단계.

Description

습윤 가스 조건 하에서의 압축기 서지 방지 보호

본 개시는 압축기 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다. 여기에 개시되는 실시예는 구체적으로 습윤 가스 압축기, 특히 액상을 포함할 수 있는 가스, 예컨대 중탄화수소, 물 등을 처리하는 원심 습윤 가스 압축기에 관한 것이다.

원심 압축기는 소위 습식 가스, 소정 퍼센티지의 액상을 함유할 수 있는 가스를 처리하도록 구성되었다. 습식 가스 처리는 통상 해저 웰(subsea well)과 같은 웰로부터 추출되는 가스가 액체 탄화수소상 또는 물을 함유할 수 있는 오일 및 가스 산업에서 요구된다.

가스 내의 액상의 존재 및 퍼센티지 양은 압축기의 작동에 영향을 줄 수 있고, 특히 압축기의 안전한 작동 범위를 결정하는 서지 한계에 영향을 줄 수 있다. 그러나, 대개 압축기의 흡입측에서의 가스 흐름 내의 액체 체적 분율은 알려져 있지 않다. 액체 체적 분율을 결정할 수 있는 유량계는 복잡하고 고가이며, 극한의 환경 조건에서의 소정 어플리케이션에는 적절치 않을 수 있다.

이에 따라, 특히 서지 방지에 관련하여 가능한 한 신뢰성 있게 그리고 효율적으로 습윤 가스 압축기의 작동을 제어해야 할 필요가 있다.

제1 양태에 따르면, 여기에서는 습윤 가스 조건 하에서 압축기의 서지 방지 보호(anti-surge protection) 방법이 개시된다. 압축기는 흡입측 및 토출측을 포함한다. 서지 방지 시스템은 압축기의 토출측과 흡입측 사이에 배치된다. 여기에 개시된 실시예에 따르면, 상기 방법은 아래의 단계를 포함한다:

압축비 대 교정 파워 다이어그램에서 서지 한계 라인을 계산하는 단계;

상기 압축비 대 교정 파워 다이어그램에서 압축기 작동점을 결정하는 단계;

작동점과 서지 한계 라인 사이의 거리를 검출하는 단계; 및

상기 거리가 최소 안전 거리 미만인 경우, 압축기의 서지 방지 시스템에 작용하는 단계.

다른 양태에 따르면, 여기에서는 흡입측 및 토출측을 갖는 압축기; 서지 방지 제어 장치; 및 서지 방지 제어 장치에 기능적으로 커플링되는 제어 유닛을 포함하는 습윤 가스 압축기 시스템이 개시된다. 제어 유닛은 앞서 설명한 바와 같은 방법을 수행하도록 구성 및 배치된다.

압축비 대 교정 파워 다이어그램은, 압축기 전반에 걸친 압축비와 압축기의 교정 파워 간의 관계의 함수로서 압축기 성능을 나타낸 다이어그램이다.

피쳐들과 실시예들은 아래에 개시되며, 첨부된 청구범위 - 본 설명의 일체된 부분을 형성함 - 에서 더욱 기술된다. 위의 간단한 설명은, 이어지는 상세한 설명을 보다 양호하게 이해할 수 있도록 하기 위해 그리고 당업계에 대한 기여도를 보다 양호하게 인지할 수 있도록 하기 위해 본 발명의 다양한 실시예의 피쳐를 기술한다. 본 발명의 다른 피쳐들이 이후에 설명되고 첨부된 청구범위에서 기술될 것임은 물론이다. 이에 관하여, 본 발명의 다수의 실시예를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명의 다양한 실시예는 그 어플리케이션에 있어서 아래의 설명에 기술되거나 도면에 예시된 구성의 상세 및 구성요소의 구성으로 제한되지 않는다는 점을 이해해야만 한다. 본 발명은 다른 실시예도 가능하고 다양한 방식으로 실시 및 시행 가능하다. 또한, 여기에서 채용되는 구문 및 용어는 설명을 목적으로 하는 것이지, 제한으로서 간주되어서는 안 된다는 점을 이해해야만 한다.

이와 같이, 당업자라면, 본 개시가 기초로 하는 개념이 본 발명의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법 및/또는 시스템을 구성하기 위한 근간으로서 용이하게 활용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 청구범위는 등가의 구성이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그러한 등가의 구성을 포함하는 것으로 고려된다는 점이 중요하다.

본 발명의 개시된 실시예와 이에 수반하는 여러 장점에 관한 보다 완벽한 이해는, 본 발명의 개시된 실시예와 이에 수반하는 여러 장점이 첨부도면과 함께 고려되는 아래의 상세한 설명을 참고하는 것에 의해 보다 양호하게 이해될 때에 수월해질 것이다.
도 1은 압축기 시스템을 예시하는 도면이고,
도 2는 습윤 가스 압축기 작동 다이어그램을 예시하는 도면이며,
도 3은 여기에 개시된 방법의 흐름도를 예시한다.

예시적인 실시예에 관한 아래의 상세한 설명은 첨부도면을 참고한다. 상이한 도면에서 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별한다. 추가로, 도면은 반드시 실축척으로 도시되지는 않는다. 또한, 아래의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 규정된다.

본 명세서 전반에 걸친 “일실시예”나 “실시예”나 “몇몇 실시예”에 대한 언급은, 실시예와 관련하여 설명되는 특정 피쳐, 구조 또는 특징이 개시된 보호대상에 관한 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 명세서 전반에 걸친 다양한 위치에서의 “일실시예에서”나 “실시예에서”나 “몇몇 실시예에서”라는 구문의 출현이 반드시 동일한 실시예(들)를 언급하는 것은 아니다. 더욱이, 특정 피쳐, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

도 1은 드라이버(3)와 부하(5)를 포함하는 시스템(1)을 개략적으로 예시한다. 부하(5)는 압축기(7), 예컨대 원심 압축기를 포함한다. 샤프트(9)는 드라이버(3)를 부하(5)에 구동식으로 연결한다. 드라이버(3)는 전기 모터, 가스 터빈 엔진, 스팀 터빈 또는 임의의 다른 적절한 드라이버일 수 있다.

압축기(7)는 압축기 흡입측(7S) 및 압축기 토출측(7D)을 포함한다. 압축기(7)에는 서지 방지 시스템이 더 마련된다. 도 1의 개략도에서, 서지 방지 시스템은 토출측(7D)에 그리고 흡입측(7S)에 유동적으로 커플링되는 라인 또는 도관(11)으로 구성된다. 더욱이, 서지 방지 시스템은 서지 방지 라인(11)에 배치된 서지 방지 밸브(13)를 포함한다. 서지 방지 밸브(13)는, 압축기의 작동점이 서지 한계 라인에 접근하는 경우에 압축기에서의 서지 현상을 방지하기 위해, 가스를 압축기(7)의 토출측(7D)으로부터 흡입측(7S)으로 재순환시키도록 제어식으로 개방될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 흡입측(7S)에서 가스 흡입 압력(Ps) 및 가스 흡입 온도(Ts)를 측정하기 위해 압력 변환기(17)와 온도 변환기(19)가 압축기(7)의 흡입측(7S)에 배치된다. 더욱이, 가스 토출 압력(Pd) 및 가스 토출 온도(Td)를 측정하기 위해 추가의 압력 변환기(19)와 추가의 온도 변환기(21)가 압축기(7)의 토출측(7D)에 배치된다.

시스템(1)은, 압축기(7)의 토출측(7D) 및 흡입측(7S)에서 가스 온도 및 압력의 측정값을 수집하기 위해 압력 및 온도 변환기(15, 17, 19, 21)에 기능적으로 커플링될 수 있는 제어 유닛(23)을 더 포함한다. 제어 유닛(23)은 서지 방지 밸브(13)을 선택적으로 개폐하도록 구성 및 배치되는 액추에이터(13A)에도 기능적으로 커플링될 수 있다. 참조부호 25는 일반적으로, 아래에서 더 상세히 설명하다시피 압축기(7)의 서지 방지 제어에 유용한 데이터를 저장할 수 있는, 제어 유닛(23)을 위한 저장 메모리 리소스를 나타낸다.

제어 유닛(23)은 압축기(7)에 의해 처리되는 가스에 대한 데이터와 같은 추가의 입력 정보를 수신하도록 구성 및 배치될 수 있다. 블럭 27은 데이터 입력, 예컨대 압축기(7)에 의해 처리되고 있는 가스의 평균 몰 질량(Mw)에 대한 정보를 제공하는 것을 개략적으로 나타낸다.

참조부호 29는 하나 또는 다수의 추가의 프로세스 파라메터 변환기를 개략적으로 나타내며, 이 변환기는 제어 유닛(23)에, 예컨대 압축기(7)의 회전 속도(N), 압축기(7)를 회전 구동하는 데 요구되는 구동력(W) 및 시스템(1)을 제어하는 데 유용하거나 필요할 수 있는 임의의 추가의 정보와 같은 다른 정보를 제공한다.

압축기(7)의 서지 방지 제어는 도 2의 다이어그램을 이용하여 수행될 수 있다. 압축기(7)의 압축비 또는 압력비(PR)가 도 2의 다이어그램의 수직축에 표시되어 있다. 흡수된 파워, 즉 압축기(7)를 회전 구동하는 데 요구되는 파워에 따른 무차원 파라메터가 도 2의 다이어그램의 수평축에 표시되어 있다. 무차원 파라메터는 실제 구동력(W), 가스의 흡입 압력(Ps) 및 흡입 온도(Ts)의 함수이고, 처리되는 가스의 파라메터 및 압축기의 특징에 더욱 좌우될 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 도 2의 다이어그램의 수평축 상에는, 아래의 공식에 의해 규정되는 무차원 교정 파워(Wcorr)가 표시되어 있다.

[수학식 1]

상기 수학식에서

W는 압축기(7)에 의해 흡수되는 실제 측정 파워이고;

Ps, Ts는 압축기(7)의 흡입측에서의 가스 압력 및 온도이며;

Mw는 압축기(7)에 의해 처리되는 가스의 평균 몰 질량이고;

Zs는 압축기 흡입측에서의 가스의 압축성이며;

R은 가스 상수이고;

Kvs는 압축기의 흡입측에서 가스의 등엔트로피 체적 지수(isentropic volume exponent)이며;

D는 임펠러 직경이다.

도 2의 다이어그램에는, 주어진 작동 파라메터 세트에 대해서, 가스의 실제 액체 질량 분율(Liquid Mass Fraction; LMF) 또는 가스의 액체 체적 분율(Liquid Volume Fraction; LVF), 즉 습윤 가스 내의 액상의 질량 또는 체적 퍼센티지에 대한 지식을 요구하는 일 없이, 압축기(7)의 서지 방지 제어를 가능하게 하는 흡입 한계 라인(SLL)이 표시될 수 있다는 것을 발견하였다.

주어진 압축기(7)에 있어서, SLL은 압축기(7)의 흡입측(7S)에서의 가스 상태, 즉 흡입 온도(Ts) 및 흡입 압력(Ps)의 함수이다. 추가로, SLL은 압축기(7)의 회전 속도와, 압축기(7)의 흡입측(7S)에서의 가스의 평균 몰 질량(Mw) 및 압축성(Zs)의 함수이다. 이에 따라, SLL은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

SLL = f(Ts, Ps, Zs, Mw, N) [수학식 2]

서지 한계 라인(SLL)을 규정하는 함수에 나타나는 파라메터들 중 몇몇, 구체적으로 흡입측에서의 평균 몰 질량(Mw) 및 압축성(Zs)은 가스의 화학적 성분에 좌우된다. 압축기(7)에 의해 처리되는 가스의 화학적 성분은 통상적으로 소정 시간 동안 매우 느리게 변하고, 비교적 긴 시간, 예컨대 24시간에 걸쳐 준일정한 상태로 간주될 수 있다. 가스의 화학적 성분은 가스의 일부를 가스 크로마토그래프를 통과하도록 흐르게 하는 것에 의해 인라인(in-line)으로 분석될 수 있다. 다른 실시예에서, 가스 성분은, 예컨대 가스 도관으로부터 가스 샘플을 채취하는 것에 의해 오프라인으로 분석될 수 있다. 가스를 분석하는 방법과 무관하게, 가스의 평균 몰 질량과 압축성이 결정될 수 있다.

나머지 파라메터는 압축기(7)의 작동 중에 시스템(1)의 변환기에 의해 검출될 수 있다.

서지 한계 라인(SLL)은 건조 가스 상태(액체 질량 분율, LMF = 0 %)에 상응하는 제1 엔드포인트에서 최대 액체 함량(LMF= LMFmax)에 상응하는 제2 엔드 포인트까지 연장된다.

이에 따라, 시스템의 작동 중에 현재 SLL은 압축기의 피쳐, 처리되는 가스의 파라메터 및 시스템(1)의 작동 파라메터 - 제어 유닛(23)에 기능적으로 커플링되는 변환기에 의해 검출됨 - 에 기초하여 결정될 수 있다. 흡입 압력(Ps), 흡입 온도(Ts), 각속도(N), 평균 몰 질량(Mw) 및 압축성(Zs)의 검출값에 기초하여, 제어 유닛(33)은, 예컨대 테이블 형태의 저장 데이터에 기초하여 및/또는 보간법에 의해 현재 서지 한계 라인(SLL)을 계산한다. SLL의 계산을 위한 데이터는 저장 메모리 리소스(25)에 저장될 수 있다. 추가로, 앞서 언급한 데이터와 압축기(7)에 의해 현재 흡수된 실제 파워(W)에 기초하여, 교정 파워(Wcorr)가 수학식 1을 이용하여 계산된다. 압축기(7)의 실제 작동점이 결정되며, 이 작동점은 도 2의 다이어그램에서 좌표 [Wcorr; PR=Pd/Ps]를 갖는다. 그 후, 실제 작동점과 계산된 SLL 사이의 거리가 결정된다. 상기 거리에 기초하여, 필요하다면 서지 방지 밸브의 개방을 제어하기 위해 서지 방지 제어 루틴이 시작된다. 서지 방지 밸브는 현재 기술의 방법에 따라 제어될 수 있다. 일반적으로, 상기 거리가 안전값 미만인 경우, 서지 방지 밸브(13)가 개방된다. 상기 거리가 안전값 이상인 경우, 서지 방지 밸브(13)는 폐쇄 상태로 유지된다.

지금까지 설명한 제어 방법은 도 3의 흐름도에 요약되어 있다. 흐름도의 마지막 블럭은 서지 방지 밸브 제어를 나타낸다.

여기에서 설명되는 보호 대상의 개시된 실시예가 도면에 도시되고, 다수의 예시적인 실시예에 관하여 특별히 그리고 상세히 충분히 설명되었지만, 여기에 기술된 신규한 교시, 원리 및 개념과 첨부된 청구범위에 기재된 보호 대상의 장점으로부터 사실상 벗어나지 않으면서, 많은 변형, 변경 및 생략이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 개시된 혁신의 적절한 범위는 모든 그러한 수정, 변경 및 생략을 포함하도록 첨부된 청구범위의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 또한, 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 차례는 변형예에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다.

Claims (10)

1. 습윤 가스 조건 하에서의, 흡입측, 토출측 및 서지 방지 시스템을 포함하는 압축기의 서지 방지 보호(anti-surge protection) 방법으로서,
   압축비 대 교정 파워 다이어그램에서 서지 한계 라인을 계산하는 단계;
   상기 압축비 대 교정 파워 다이어그램에서 압축기 작동점을 결정하는 단계;
   작동점과 서지 한계 라인 사이의 거리를 검출하는 단계; 및
   상기 거리가 최소 안전 거리 미만인 경우, 압축기의 서지 방지 시스템에 작용하는 단계
   를 포함하고,
   서지 한계 라인은 건조 가스 상태에 상응하는 제1 엔드포인트로부터 최대 액체 함량에 상응하는 제2 엔드포인트로 연장되는 것인 압축기의 서지 방지 보호 방법.
2. 제1항에 있어서, 교정 파워는 압축기를 구동하는 데 요구되는 파워에 좌우되는 무차원 파라메터인 것인 압축기의 서지 방지 보호 방법.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   압축기의 회전 속도를 결정하는 단계; 및
   압축기 흡입측에서 가스의 흡입 온도와 흡입 압력을 결정하는 단계
   를 더 포함하고, 서지 한계 라인은 상기 회전 속도, 가스의 흡입 온도 및 흡입 압력에 기초하여 계산되는 것인 압축기의 서지 방지 보호 방법.
5. 제4항에 있어서,
   가스의 평균 몰 질량을 결정하는 단계; 및
   가스의 압축성을 결정하는 단계
   를 더 포함하고, 서지 한계 라인은 가스의 평균 몰 질량과 압축성의 함수로서 계산되는 것인 압축기의 서지 방지 보호 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 교정 파워는 무차원 파라메터인 것인 압축기의 서지 방지 보호 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 교정 파워는 실제 압축기의 구동력, 압축기 흡입측에서의 가스 압력, 압축기 흡입측에서의 가스 온도 및 가스의 화학적 파라메터의 함수인 것인 압축기의 서지 방지 보호 방법.
8. 제5항에 있어서, 교정 파워는 아래와 같이 계산되고,
   

   

   [수학식 1]
   상기 수학식 1에서
   W는 압축기에 의해 흡수되는 실제 측정 파워이고;
   Ps, Ts는 압축기의 흡입측에서의 가스 압력 및 온도이며;
   Mw는 압축기에 의해 처리되는 가스의 평균 몰 질량이고;
   Zs는 압축기 흡입측에서의 가스의 압축성이며;
   R은 가스 상수이고;
   Kvs는 압축기의 흡입측에서 가스의 등엔트로피 체적 지수(isentropic volume exponent)이며;
   D는 임펠러 직경인 것인 압축기의 서지 방지 보호 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 서지 방지 시스템은, 서지 방지 시스템에 작용하는 단계가 수행될 때에 가스를 압축기의 토출측에서 흡입측으로 재순환시키도록 개방되는 서지 방지 밸브를 포함하는 것인 압축기의 서지 방지 보호 방법.
10. 습윤 가스 압축기 시스템으로서,
    흡입측 및 토출측을 갖는 압축기;
    서지 방지 시스템; 및
    서지 방지 시스템에 기능적으로 커플링되는 제어 유닛
    을 포함하고, 제어 유닛은 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 수행하도록 구성되고 배치되는 것인 습윤 가스 압축기 시스템.

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