NO20101007A1 - En fremgangsmate og et apparat for sammensetningsbasert kompressorkontroll og ytelsesovervaking. - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og apparat for sammensetningsbasert kompressorkontroll og ytelsesovervåking

Den foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte og et apparat for å detektere forestående pumpeforhold i en gasskompressor og antipumpekontroll og kartlegging av en gasskompressor basert på sanntidsmåling av gassammensetning og/eller individuelle gass- og/eller væskestrømningshastigheter i det virksomme fluidet. Kartlegging anerkjennes som å identifisere kompressordriftspunktene inne i kompressordriftsmantelen, og parametrer, så som faktisk volumetrisk strømningshastighet og/eller trykkforhold, anvendes ofte til dette formålet.

Pumping, eller kvelning, er den nedre grensen for stabil drift av en kompressor hvor en ytterligere reduksjon i den volumetriske strømningshastigheten vil forårsake en pumpehendelse. Inntreden av pumping er forbinder med strømningsustabiliteter, strømningsreversering i kompressoren og en fullstendig stopp i kompressorytelsen. Pumping kan forårsakes av endringer i strømningshastigheten, endringer i fluidsammensetninger, endringer i driftsforhold eller på grunn av strømningsforstyrrelser. Det er viktig å kunne unngå at pumping finner sted gjennom korrigerende tiltak ettersom pumping kan forårsake alvorlig skade på kompressorens innvendige deler. En grensebetegnet pumpelinje opprettes basert på trykkforholdet og den volumetriske strømningshastigheten, hvor inntreden av kvelning identifiseres inne i maskinen. En slik pumpelinje dekker alle kombinasjoner av trykkforhold og volumetriske strømningshastigheter som er mulige å oppnå innenfor maskinens hastighetsområde. Pumpelinjen representerer den nedre volumetriske strømningshastighetsgrensen hvor det er mulig å operere kompressoren.

Pumpegrensen er en eksperimentelt fastslått kurve som relaterer trykkforhold kontra faktisk volumetrisk strømningshastighet ved punktet hvor kvelning detekteres for forskjellige kompressoromdreiningshastigheter. En ytterligere reduksjon i volumetrisk strømningshastighet ved dette punktet ved en konstant omdreiningshastighet vil utløse pumping:

der Qg er gassens volumetriske strømningen gjennom kompressoren og pi ogP2er trykkene målt henholdsvis før og etter kompressoren. Strømningshastigheten gitt i (1) kan alternativt representeres av differensialtrykket mot strømningsanordningen som normalt er installert oppstrøms for maskinen.

Hovedformålet med et antipumpesystem er å opprettholde høy systemrobusthet og kostnadseffektiv operasjon av kompressorsystemet. Slik implementering av en nøyaktig kontrollrutine øker maskinens driftsmantel, og mindre resirkulert strømning er påkrevd ved drift av kontrollinjen. Fordelaktige kontrollrutiner sikrer at kompressoren kan brukes nær pumpe- og strupegrensen med kun en liten sikkerhetsmargin. En økning av driftsmantelen er fordelaktig for langsiktig drift med høy variasjon i strømnings- og trykkforhold ettersom denne variasjonen ofte har en tendens til å kreve en omtegning av maskinen hvis mantelen er begrenset.

Vanlige tilnærmingsmåter for å forebygge at en kompressor går inn i pumpeområdet inkluderer hastighetskontroll og økning av volumetrisk strømningshastighet ved kompressorinnløpet ved å resirkulere gass fra utløpet ved å åpne en antipumpeventil. Hurtige antipumperutiner er normalt basert på resirkulering av trykkgass som mates tilbake inn i kompressoren, der resirkulasjonen blir kontrollert i sanntid av en resirkulasjonsventil (US3424370, Centrifugal Compressors - a basic guide, Penwell Corporation 2003).

Alle pumpekontrollsystemer avhenger av målingen av ett eller flere signaler som inneholder informasjon som kan anvendes for å gi et varsel om inntreden av pumping. Ulike midler har blitt brukt for å overvåke en kompressors ulike driftsparametrer og for å anvende disse målingene for å kontrollere kompressorens drift for å unngå pumping. Signalene som anvendes for å kontrollere pumping kan være basert på målinger av temperaturer og trykk oppstrøms og/eller nedstrøms for kompressorenheten, vibrasjonsovervåkning eller ved å måle den faktiske gasstrømningshastigheten på kompressorinnløpet eller -utløpet.

Det finnes tallrike systemer i kjent teknikk for å kontrollere strømningen av gasser i en resirkulasjonslinje koblet mellom utløpet og innløpet til en sentrifugalkompressor for formålet å positivt forebygge at kompressoren går til pumping. U.S. Pat. No. 3,292,846 datert 20. des. 1966 viser et kontrollsystem av denne typen i hvilket strømning i resirkulasjonslinjen gjøres mottakelig for utløpsgassens densitet og kompressorens hastighet for å opprettholde en tilstrekkelig strømning gjennom kompressoren for å forebygge pumping av denne.

Noen fremgangsmåter er basert på målinger av trykk og temperaturer ved innløps- og utløpsdelen av kompressoren, hvor den målte profilen sammenlignes med en kjent oppførsel for kompressoren. Et antipumpesystem basert på målingen av temperatur beskrives f.eks. i CA 2522760, mens et system basert på målingen av hastigheten på endring av karakteristiske variabler som temperatur, differensialtrykk, trykkforbruk beskrives i US 6,213,724. Disse typene målinger er imidlertid for trege i mange reelle situasjoner hvor strømningsegenskapene kan endre seg raskt.

Mange systemer av kjent teknikk måler og beregner kompressorens driftspunkt relativt til en pumpelinje som fastslås basert på konvensjonelle ytelseskurver for ulike forhold, og målt volumetrisk strømningshastighet for gassen anvendes som grunnlaget for kontrollrutinene. Ett eksempel på et slikt system beskrives i US 4,156,578, hvor pumping unngås ved målingen over en kompressors innløps- og utløpsside av slik variabler som kompressorinnløpstrykk, kompressorutløpstrykk og differensialtrykket over en strømningsanordning plassert i en innløpskanal på kompressoren. Pumpeforholdene avhenger også av gassegenskapene, spesielt gassens molekylvekt. US 4,825,380 beskriver en fremgangsmåte hvor gassens molekylvekt i sanntid estimeres online fra faktiske målinger av strømning, trykk, temperatur og hastighet sammen med kompressorytelsesdata.

Selv om den mest vanlige fremgangsmåten for å måle strømningshastighet gjennom en gasskompressor er ved å anvende differensialtrykkanordninger, kan også andre strømningsmåleanordninger anvendes. US 4,971,516 beskriver en fremgangsmåte og et apparat for driftskompressorer basert på målingen av den volumetriske strømningshastigheten til gass gjennom kompressoren via anvendelse av en akustisk strømningsmåler. Akustikkbaserte strømningsmålesystemer vil imidlertid ikke fungere skikkelig hvis gassen inneholder væsker, fordi væskedråpene eller væskefilm vil forårsake spredning av lydbølger som forstyrrer målingene betydelig.

I tillegg til de nevnte fremgangsmåtene som er basert på måling av karakteristikkene til det virksomme fluidet som strømmer gjennom kompressoren, er en annen fremgangsmåte å basere kontrollen på overvåkning av kompressormaskineriets status. US 4,399,548 beskriver antipumperutiner som er basert på måling av maskineriets vibrasjonsnivå. Denne tilnærmingsmåter rammes av begrensningen at forskjellige kompressorer har forskjellige signaturmønster for trykkfluktuasjoner, og fremgangsmåten er følgelig forbundet med store uvissheter.

Felles for alle fremgangsmåten over er at de rammes av redusert nøyaktighet og pålitelighet hvis gassen inneholder væsker eller gassammensetningen endres under drift av kompressoren. For visse bruksområder, for eksempel for kompresjon av en våtgass som inneholder en viss mengde væske, vil kontrollsystemer av kjent teknikk vanligvis har betydelige målefeil som kan resultere i ineffektiv kompressordrift og/eller svikt i å forebygge pumping. Det er fordi disse systemene av kjent teknikk ikke tar med i beregningen nærværet av væske i gassen. Konvensjonelle strømningshastighetsmålesystemer er ikke i stand til å skille mellom gass og væsker, og er følgelig forbundet med en betydelig uvisshet i volumetrisk strømningshastighet. F.eks. for et målesystem som er basert på målingen av differensialtrykk når fluidet akselereres gjennom en strømningskonstriksjon, vil nærvær av væsker med en høy densitet øke differensialtrykket som om gassens volumetriske strømningshastighet var høyere enn virkelig og skape store uvissheter mellom den målte og den faktiske volumetriske strømningshastigheten. I våtgasskompressorbruksområder, hvor det virksomme fluidet består av en gass som inneholder visse mengder væske, er slike økte uvissheter spesielt tydelige på grunn av kombinasjonen av høy væskemengde og stor densitetsforskjell mellom gassen og væskefasen. I tradisjonelle systemer kan dette tolkes som en stor variasjon i den volumetriske gasstrømningshastigheten, som ikke nødvendigvis representerer den fysiske realiteten.

Resultatet, ved anvendelse av konvensjonelle kompressorkontrollsystemer, for tilfeller hvor gassammensetningen er foranderlig eller gassen innholder visse mengder væske, kan være av kompressoren går inn i pumpeområdet av ingen åpenbar årsak fordi pumpelinjen som blir anvendt for å kontrollere kompressoren blir ukorrekt. Det kan også være at for store sikkerhetsmarginer nå innføres, noe som forårsaker et driftsområdet som ikke er optimalt.

Forholdsovervåkning av kompressorer i drift er viktig for å kunne observere degradasjon som følge av endrede prosessavgrensninger, tilsmussing og innvendige skader. Kalkulering av den polytropiske toppen som representerer det kalkulerte arbeidet utført av kompressoren utføres normalt i følge ligning (2): der Ro er den universelle gasskonstanten, MWq er gassens molekylvekt, Z1er gasskompressibilitetsfaktoren, Ti er sugesidetemperaturen, poi er innløpsgassdensiteten, pi er innløpstrykket,P2er utløpstrykket og np er den polytropiske eksponenten.

Alternativt kan den polytropisk toppen også kalkuleres i følge ligning (3): der

Gassdensiteten på kompressorutløpet representeres av pc2i ligning (3) og (4).

Videre fastslås kompressorens polytropiske effektivitet ved

der A?giog Atørepresenterer henholdsvis kompressorinnløpets og -utløpets gassentalpi. Denne endringen i entalpi gjenspeiler den faktiske fluidenergien som gis til fluidet gjennom kompressoren.

I konvensjonell kompressorbruk utføres ingen måling av gassdensiteten, så denne egenskapen kalkuleres ved å anvende en valgt tilstandsligning (equation of state (EOS)) og er sensitiv for endring i den faktiske gassammensetningen som normalt endres over tid.

Kalkulering av kompressorytelse for nåværende teknikks stand er ikke anvendelig når væske er nærværende i gassen, ettersom ligning (2), (3), (4) og (5) er begrenset til kun gass og kan være ukorrekte selv for gass ettersom gassammensetningen endres overtid.

Det er ett mål med denne oppfinnelsen å overvinne de ovennevnte begrensningene ved eksisterende løsninger og å integrere en sammensetnings-og strømningsmåleløsning inn i kompressorkontrollsystemet for å oppnå en mer nøyaktig, mer robust og mer effektiv drift av gasskompressorer.

Det er et annet mål med oppfinnelsen å tilveiebringe nøyaktig måling av væskefraksjonen til en våtgass som strømmer gjennom en gasskompressor.

Det er nok et annet mål med oppfinnelsen å tilveiebringe nøyaktig måling av gassen og den samlede densiteten til det virksomme fluidet som strømmer gjennom en gasskompressor.

Det er et ytterligere mål med oppfinnelsen å tilveiebringe nøyaktig måling av molekylvekten til det virksomme fluidet som strømmer gjennom en gasskompressor.

Det er nok et ytterligere mål med oppfinnelsen å tilveiebringe nøyaktig måling av den samlede volumetriske strømningshastigheten til det virksomme fluidet som strømmer gjennom en gasskompressor.

Det er et annet mål med oppfinnelsen å tilveiebringe nøyaktig sanntidsmåling av den samlede volumetriske strømningshastigheten til det virksomme fluidet som strømmer gjennom en gasskompressor når gassammensetningen endres over tid.

Det er et ekstra mål med oppfinnelsen å tilveiebringe sanntidsverdier for fluidegenskaper som molekylvekt, densitet og kompressibilitet for det virksomme fluidet som strømmer gjennom en gasskompressor når gassammensetningen endres overtid.

Det er et ytterligere ekstra mål med oppfinnelsen å anvende målt samlet volumetrisk strømningshastighet, målt maskintrykkforhold eller kalkulert topp og målte egenskaper for det virksomme fluidet for å fastslå nøyaktig driftspunktet til en gasskompressor når det virksomme fluidets sammensetning inneholder uvissheter.

Det er nok et annet mål med oppfinnelsen å anvende målt samlet volumetrisk strømningshastighet, målt maskintrykkforhold eller kalkulert topp og målte egenskaper for det virksomme fluidet for å fastslå nøyaktig driftspunktet til en gasskompressor når gassen inneholder uvisse mengder væsker.

Det er et ytterligere mål med oppfinnelsen å anvende målt samlet volumetrisk strømningshastighet, målt maskintrykkforhold eller kalkulert topp og målte egenskaper for det virksomme fluidet for å fastslå nøyaktig driftspunktet til en gasskompressor når det virksomme fluidets sammensetning endres over tid.

Det er et annet mål med oppfinnelsen å måle væskefraksjonen som strømmer gjennom kompressoren og derved være i stand til å ha en flytende kontrollinje som anvendes for pumpebeskyttelse som vil avhenge av at væskefraksjonen går inn i maskinen.

Det er et ytterligere mål med oppfinnelsen anvende det målte maskintrykkforholdet eller den kalkulerte toppen og

strømningshastighetsavhengige av sanntidsdriftspunktet til å fastslå en gasskompressors settpunkt når gassammensetningen innholder uvissheter eller uvisse mengder væske.

Det er nok et annet ytterligere mål med oppfinnelsen å forbedre nøyaktigheten og robusheten til pumpeforebyggingsrutiner ved å anvende den nøyaktig målte samlede volumetriske strømningshastigheten for å starte resirkulasjon av det virksomme fluidet hvis driftspunktet er for nært kompressorpumpeområdet.

Det er et annet mål med oppfinnelsen å bruke strømningsmåledatamaskinen til å utføre den aktive antipumpekontrollen og direkte kontrollere ventiler som anvendes for å resirkulere gass fra utløpet til innløpet til kompressoren.

Det er et annet mål med oppfinnelsen å anvende målt samlet volumetrisk strømningshastighet, målte gassegenskaper og målte trykkforhold ved forskjellige strømningshastigheter og trykkforhold for å fastslå nøyaktig en gasskompressors pumpegrense.

Det er nok et annet mål med oppfinnelsen å anvende den fastslåtte pumpegrensen og en gitt sikkerhetsmargin ved forskjellige strømningshastigheter og forskjellige fluidsammensetningen for å fastslå nøyaktig en flerdimensjonal pumpekontrollflate.

Det er et ytterligere mål med oppfinnelsen å anvende målt samlet volumetrisk strømningshastighet, målt gassammensetning, målte gassegenskaper og målte trykkforhold ved forskjellige strømningshastigheter og trykkforhold for å fastslå nøyaktig en gasskompressors strupegrense.

Det er nok et ytterligere mål med oppfinnelsen å anvende målt samlet volumetrisk strømningshastighet og målte gassegenskaper ved forskjellige strømningshastigheter og forskjellige fluidsammensetninger for å fastslå nøyaktig en ekvivalent strømningshastighet for en gasskompressor.

Det er nok et annet mål med oppfinnelse å definere nye

kompressorytelsesligninger som er i stand til å kalkulere parametrer så som polytropisk topp, polytropisk eksponent og effektivitet når væske er nærværende i gasstrømningen.

Det er nok et annet mål med oppfinnelsen å detektere

kompressorytelsesendringer på grunn av væske nærværende i matestrømningen.

Det er et ytterligere mål med oppfinnelsen å fastslå hvordan den samlede volumetriske strømningshastigheten til væske og gass endres gjennom kompressorstrømningsbanen.

Disse og andre mål oppnås ved hjelp av en fremgangsmåte i følge uavhengig krav 1 og et apparat i følge det uavhengige kravet 5. Ytterligere fordelaktige og/eller alternative utførelsesformer og trekk fremsettes i de avhengige kravene.

I det følgende er det en detaljert beskrivelse av den foreliggende oppfinnelse med referanse til tegningen, der: Fig. 1 viser en skjematisk illustrasjon av kompressorsystemet som inkluderer hovedelementene i oppfinnelsen. Fig. 2 viser et skjematisk longitudinalt utsnitt av strømningsmåleanordningens hovedelementer. Fig. 3 viser den målte væskefraksjonen til en våtgass kontra en referanseverdi som en funksjon av tid. Fig. 4 viser en illustrasjon av et typisk kompressorkart med driftspunkt, pumpekurve, pumpeområde, strupeområde og kontrollinje (sikkerhetsmargin).

Den foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte og et apparat for å kontrollere en gasskompressors 1 drift og ytelse når gassegenskapene er ukjente eller endres over tid, eller når gassen inneholder væske. Oppfinnelsen anvender dette for å sikre optimal drift av et kompressorsystem 15 av typen som vises i figur 1. Et fluid som inneholder gass og væske føres til systemet 15 gjennom en rørlinje 11 og går valgfritt inn i en kjøler 12. En strømningsmåler 2 måler den faktiske volumetriske strømningshastigheten til gassen og væske oppstrøms for kompressoren 1. Fluidtrykket og -temperaturen måles med en fluidtrykk- og temperaturmåleanordning 4 oppstrøms og en en fluidtrykk- og temperaturmåleanordning 3 nedstrøms for kompressoren 1, mens trykk- og temperaturavlesninger fra fluidtrykk- og temperaturmåleanordningen 4, 3 sendes til strømningsmåleren 2. To forskjellige og valgfrie resirkulasjonslinjer vises: en antipumpelinje 9 som inneholder en antipumpeventil 5 og en varmgassomløpslinje som inneholder en varmgassomløpsventil 6. Både ventil 5 og 6 er koblet til strømningsmåleren 2, som muliggjør kontroll av ventilene direkte fra strømningsmåleren 2. Fluidet som går inn i kompressorsystemet 15 trykksettes av kompressoren 1 og går ut av kompressorsystemet 15 gjennom en tilbakeslagsventil 13 og en rørlinje 14. Strømningsmåleren 2 kontrollerer kompressorens 1 driftspunkt ved å måle den faktiske volumetriske strømningshastigheten som går inn i kompressoren 1 og ved å kalkulere trykkforholdet derivert fra måleanordningene 3 og 4. Som et eksempel, vil resirkulasjon av fluid er påkrevd for å sikre stabil drift og/eller beskyttelse av kompressoren 1, kan strømningsmåleren 2 åpne antipumpeventilen 5 i antipumpelinjen 9 eller, alternativt, åpne varmgassomløpsventilen 6 i varmgassomløpslinjen 10. Strømningsmåleanordningen 2 kan alternativt installeres i nærheten av kompressorutløpet, eller én eller flere strømningsmåleanordningen kan installeres både i nærheten av kompressorinnløpet og -utløpet. Målte egenskaper fra strømningsmåleanordningen(e) anvendes deretter for å kalkulere kompressorytelsesparametrene så som polytropisk topp (ref. ligning 6 nedenfor) og polytropisk effektivitet (ref. ligning 12 nedenfor). Kontrollinjer 7, 8 kommuniserer med fastslåings-/data- og/eller kontrollmidler (fig. 2).

Et formål med den foreliggende oppfinnelsen er å fastslå nøyaktig den faktiske strømningshastigheten gjennom kompressoren 1 selv i tilfeller hvor gassens molekylvekt endres over tid, eller hvis gassen innholde ukjente mengder væske, enten vann eller vannfri væske. Slike målinger er viktige for å kunne fastslå nøyaktig det virksomme fluidets densitet, det virksomme fluidets molekylvekt og den samlede volumetriske strømningshastigheten som inkluderer både gassen og væskefasen.

Strømningsmåleanordningen 2 inneholder anordninger for å fastslå den individuelle fraksjonen til gass, vann og vannfrie væsker, anordninger for å måle temperatur og trykk for kompensasjonsformål samt anordninger for å måle fluidhastighet.

Oppfinnelsen gjelder også en fremgangsmåte for å anvende de målte fraksjonene og strømningshastighetene for å fastslå de individuelle strømningshastighetene til gass, vann og vannfrie væsker, samlet væskedensitet og molekylvekt.

Med referanse til fig. 2 kan strømningsmåleanordningen 22 innbefatte seks hovedelementer som vist: en rørformet del 16, en anordning 17 for å måle det virksomme fluidets hastighet, en anordning 18 for å måle det virksomme fluidets vannfraksjon, en anordning 19 for å måle det virksomme fluidets densitet, en anordning 20 for å måle det virksomme fluidets trykk og temperatur. En dataanordning (beregningsmiddel) 21 og/eller kontrollmiddel mottar data fra måleanordningene 17,18,19, 20 i tillegg til trykk- og temperaturdata målt av anordninger 3 og 4 inne i kompressorsystemet 15 vist i figur 1. Beregningsmidlet og kontroll midlet kan være én anordning eller to separate anordninger. Ved to separate enheter og anordninger, bør det være forbundet og i stand til å kommunisere med hverandre. Pumpebeskyttelsesalgoritmen basert på den målte samlede volumetriske strømningshastigheten og kompressortrykkforholdet implementeres inn i data- og/eller kontrollmidlet 21 som er en integrert del av strømningsmåleren. Basert på mottatte data fastslår data- og/eller kontrollmidlet 21 fluidsammensetningen og sender data til andre kontrollsystemer som er koblet til dette. Strømningsretningen kan være enten oppover eller nedover. Anordningen kan også være lokalisert enten horisontalt eller ha hvilken som helst annen skråstilling. Anordningen kan være lokalisert ved kompressorsuge- eller utløpssiden, eller begge sider av maskinen.

For bruk av sammensetningsavhengig kompressorkontroll, er det avgjørende at væskefraksjonsmålingens nøyaktighet er høy og at strømningsmåleren 2 er i stand til å detektere plutselige fluidendringer for å sikre trygg maskindrift og - kontroll. Figur 3 viser eksempler på ytelse oppnådd i et strømningslaboratorium for en faktisk strømningsmåleanordning.

Fig. 3 er selvforklarende og viser den målte væskefraksjonen (mengder) 24 (y-akse) til en våtgass kontra en referanseverdi (en referansevæskemengdelinje) 25 som en funksjon av tid (x-akse).

Den foreliggende oppfinnelsen inkluderer et nytt sett med ligninger som anvendes for å kalkulere kompressorytelsen, der hovedparametrene måles med en strømningsmåleanordning 2 som vist i figur 1. Slike ligninger er også gyldige når væske er nærværende i gassen som strømmer gjennom maskinen, og foreslås for bruk for ytelsesovervåkning av maskinen.

En polytropisk topp-ligning som er gyldig for tørrgass og når væske og gass blandes i kompressorinnløpet, introduseres som: der

Ligning (6) er betegnet som enkeltfluidmodell når densitetene til ulike fluider kombineres i en gjennomsnittsdensitet av blandingen som representerer ett fluid. Suffiks TP som er anvendt gjenspeiler at ligningen også er gyldig for tofasestrømning (blanding av gass og væske).

Gass- og væskeblandingens gjennomsnittsdensitet representeres av

der den tomme fraksjonen for hver fase gjenkjennes som

Hver fase har i ligning (8) og (9) et fyllingsmengdeområde representert av An okkupert i rørtverrprofilområdet Acr. Suffiks F i ligning (10) representerer de forskjellige nærværende fluidene, og i dette tilfellet gass (G), kondensat (C), vannfri (nonA) og vann (W). Lignende representerer suffiks n innløpet 1 og utløpet 2. Hvis ingen feiltrinn eksisterer blant de forskjellige fasene (samme hastighet), kan ligning (10) baseres på de forskjellige fasenes volumetriske strømningshastigheter:

Den samlede volumetriske strømningshastigheten representeres av Qjoti ligning (11). Kompressoreffektivitet kalkuleres deretter i følger: der AjTP2 (n=2) og /ttpi(n=1) defineres som:

Kalkulering av entalpien basert på (13) bruker massefraksjonen til hver fase nærværende i strømningen ved maskinens innløp (n=1) og utløp (n=2):

Massestrømningshastighet er betegnet som m og suffiks Tot gjenspeiler den samlede strømningen i ligning (14). Suffiks F i ligning (10) representerer de forskjellige nærværende fluidene, og i dette tilfellet gass (G), kondensat (C), vannfri (nonA) og vann (W).

Kun for tørrgass er ligning (6) og (7) identiske med henholdsvis ligning (3) og (4) ettersom alle væskefraksjoner er null og ikke vil bidra i ligningene. Anvendelsen av strømningsmåleanordning 2 i figur 1 sikrer at gassdensiteten måles og gassens molekylvekt er kjent, og følgelig fastslås det kalkulerte arbeidet utført av maskinen nøyaktig. Hvis en strømningsmåleanordning 2 brukes både på kompressorinnløps- og -utløpssiden, kan alle relevante parametrer som er påkrevd for å kalkulerer kompressortoppen (ligning (6) og (7)) måles og uvisshetene i de kjente tilstandsligningene (EOS) og mulig endret gassammensetning elimineres.

På lignende måte, hvis prosessgassen innholder vann (W), kondensat (C) og/eller andre vannfrie (nonA) væsker, er den kalkulerte toppen likevel gyldig ved anvendelse av ligning (6) og (7) ettersom alle væskefraksjoner måles med strømningsmåleanordningen 2 i figur 1. Blandingens gjennomsnittsdensitet måles med strømningsmåleanordningen 2, til å måle alle parametrer anvendt i ligning (6) og (7), som reduserer uvisshetene i kalkuleringen.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å unngå pumping ved kontroll av resirkulasjonsventilen og en koblingsventil kalt en varmgassomløpsventil basert på en sanntidsmåling av kompressorytelsen og den faktiske volumetriske strømningshastigheten til gass og væsker gjennom maskinen. Pumpefenomenet i en gasskompressor avhenger av samlet volumetrisk strømningshastighet, trykkforhold, maskinforfatning og på sammensetningen av gassens molekylvekt.

Den polytropiske toppen YPer en funksjon av gassammensetning gjennom molekylvekten, kompressibilitet og kompresjonskoeffisienten, og er også en funksjon av trykkforholdet og innløpstemperaturen.

Pumpegrensen er en eksperimentelt fastslått kurve som relaterer trykkforhold kontra faktisk volumetrisk strømningshastighet ved punktet hvor kvelning detekteres for forskjellige kompressoromdreiningshastigheter. En ytterligere reduksjon i volumetrisk strømningshastighet ved dette punktet ved en konstant omdreiningshastighet vil utløse pumping:

alternativt der Qioter den samlede volumetriske strømningen gjennom kompressoren: og væskestrømningshastigheten (QL) kan deles inn i vannfri væske og vann:

Pumpelinjen, som normalt defineres ved anvendelse av differensialtrykket fra en strømningsmåleanordningen og trykkforholdet over maskinen, kan ikke brukes hvis væske er nærværende i gasstrømningen. Ved å anvende strømningsmåleanordningen 2 i figur 1, kan den faktiske volumetriske strømningshastigheten anvendes som en pumpekontrollparameter sammen med trykkforholdet ettersom den samlede volumetriske strømningshastigheten måles og derved er gyldig for både en tørrgass og en blanding bestående av gass og væske. Hvis strømningsmåleanordningen 2 brukes på både innløps- og utløpssiden av av maskinen, kan den polytropiske toppen anvendes i stedet for trykkforholdet i pumpekontrollen ettersom densiteten til gass og væsker måles direkte og ikke er avhengig av en temperaturmåling som har en treg respons når gradienter forekommer.

Det faktiske driftspunktet for gasskompressoren defineres av den faktiske polytropiske toppen eller trykkforholdet, og den faktiske samlede strømningshastigheten ved et visst tidspunkt.

Nå med referanse til fig. 4 illustreres et driftspunkt 31 i et kompressorkart med en pumpelinje 30 og en kontrollinje 29. Videre viser x-aksen 26 den samlede volumetriske strømningshastigheten, viser y-aksen 27 trykkforholdet over maskinen og viser båndene med stiplede linjer 28 de konstante hastighetslinjene. Hvis trykkforholdet ved det faktiske driftspunktet 31 overstiger pumpekontrollinjen 29 mot venstre, åpnes resirkulasjonsventilen. Pumpekontrollinjen 29 angis som pumpelinjen 30 pluss en sikkerhetsmargin. Aktivering av resirkulasjonsventilen kan gjøres direkte av strømningsmåledatamaskinen eller av et eksternt kontrollsystem som mottar data fra strømningsmåleren 2.

Hvis strømningsmåleanordningen brukes på både innløps- og utløpssiden av maskinen, kan væskefraksjonen måles på innløps- og utløpssiden av kompressoren 1. Tilsmussing av kompressoren innvendig kan finne sted når væske evaporerer i maskinen, og slik tilsmussing kan ha betydelig innvirkning på kompressordriftsmantelen. Følgelig kan pumpelinjen endres når evaporering av væske finner sted. I følge én utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, kan en rutine inkorporeres i antipumpekontrollogikken og gi varsel hvis væskefraksjonen resulterer i kortsiktig degradasjon ved å måle væskemengdene som går inn i og ut av maskinen. Alternativt kan en flytende kontrollinjelogikk implementeres for å kontrollere maskinen mens væske evaporeres gjennom kompressoren.

Hvis strømningsmåleanordningen brukes både av innløps- og utløpssiden av maskinen, kan fluiddensitetsendringen som følge av evaporering av væske gjennom kompressoren brukes for å fastslå fluidsammensetningen.

Hvis store mengder væske (propp) ankommer eller opptrer i maskinen under drift, kan to strømningsmåleanordninger brukes oppstrøms for maskinen. Avstanden mellom disse to strømningsmålerne må velges for å sikre at nok tid er tilgjengelig til å åpning resirkulasjonsventilen 5, ref. figur 1, eller redusere kompressordriftshastigheten før væskeproppen går inn i maskinen. Slik strømningsmåleanordninger kan kobles til hverandre for å sikre en rask respons.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for pumpebeskyttelse av en kompressor (1) med en innløps- og utløpsside, hvori en innløpsgasstrømning eller -strøm for kompressoren innbefatter tidsvarierende mengder vann og/eller vannfri væske, ved å kontinuerlig eller diskontinuerlig måle og/eller fastslå ulike parametrer for fluidene som passerer gjennom kompressoren (1), der fremgangsmåten innbefatter trinnene å: a) måle temperatur ved kompressorens (1) innløps- og/eller utløpsside, b) måle trykk ved kompressorens (1) innløps- og utløpsside for å fastslå et kompressortrykkforhold, c) måle fluidblandingsdensitet ved kompressorens (1) innløps- og/eller utløpsside, d) måle individuelle volumfraksjoner til gass, vann og vannfri væske ved kompressorens innløps- og/eller utløpsside, e) måle fluidhastighet ved kompressorens innløps- og/eller utløpsside, f) fastslå individuelle strømningshastigheter for gass, vann og vannfri væske på bakgrunn av de målte individuelle volumfraksjonene til gass, vann og vannfri væske og fluidhastigheten ved kompressorens innløps-og/eller utløpsside, g) basert på de fastslåtte individuelle strømningshastighetene for gass, vann og vannfri væske fastslå en faktisk fluidblandings samlede volumetriske strømningshastighet for gass og væske ved kompressorens innløps- og/eller utløpsside, og h) på grunnlag av det fastslåtte kompressortrykkforholdet og den faktiske fluidblandings samlede volumetriske strømning og/eller den målte temperaturen og/eller den målte fluidblandingsdensiteten ved kompressorens (1) innløps- og/eller utløpsside i følge trinn a-g, å kontrollere (7, 8) en resirkulasjonsventilposisjon for minst én resirkulasjonsventil (5, 6) anordnet mellom kompressorens (1) innløps-og utløpsside for å sikre at kompressoren ikke går inn i et pumpeområde.

2. Fremgangsmåte i følge krav 1, hvori kompressorytelsen fastslås på bakgrunn av den samlede målte fluidblandingsdensiteten og fastslåtte parametrer så som gassammensetning, gass og væskeegenskaper.

3. Fremgangsmåte i følge krav 2, hvori kompressorytelsen fastslås ved hjelp av en polytropisk topp-ligning:

der

og der kompressoreffektivitet deretter kalkuleres i følge:

der hjp2(n=2) og /?tpi(n=1) defineres som:

4. Fremgangsmåte i følge ett av de foregående krav, hvori gass resirkuleres fra utløpssiden til innløpssiden av kompressoren (1) når væskefraksjonen overstiger en maksimalt fastslått verdi og/eller pulserer.

5. Apparat for pumpebeskyttelse av en kompressor (1), hvor kompressorinnløpsgasstrømningen eller -strømmen inneholder tidsvarierende mengder vann og/eller vannfri væske, ved å kontinuerlig eller diskontinuerlig måle og/eller fastslå ulike parametrer for fluidene som passerer gjennom kompressoren (1), der apparatet innbefatter: a) middel (20) for å måle temperaturen ved kompressorens (1) innløps-og/eller utløpsside, b) middel (20) for å måle trykket ved kompressorens (1) innløps- og utløpsside for å fastslå kompressortrykkforholdet, c) middel (19) for å måle fluidblandingsdensiteten ved kompressorens (1) innløps- og/eller utløpsside, d) middel (18) for å måle individuelle volumfraksjoner til gass, vann og vannfri væske ved kompressorens innløps- og/eller utløpsside, e) middel (17) for å måle fluidhastighet ved kompressorens innløps- og/eller utløpsside, f) beregningsmiddel (21) for å fastslå individuelle strømningshastigheter for gass, vann og vannfri væske på bakgrunn av de målte individuelle volumfraksjonene til gass, vann og vannfri væske og fluidhastighet ved kompressorens innløps- og/eller utløpsside, og for å fastslå en faktisk fluidblandings samlede volumetriske strømningshastighet for gass og væske ved kompressorens innløps- og/eller utløpsside på bakgrunn av de fastslåtte individuelle strømningshastighetene for gass, vann og vannfri væske, og g) kontrollmiddel for å kontrollere (7, 8) en resirkulasjonsventilposisjon for minst én resirkulasjonsventil (5, 6) anordnet mellom kompressorens (1) innløps- og utløpsside for å sikre at kompressoren ikke går inn i et pumpeområde på bakgrunn av dataene fra beregningsmidlet (21).

6. Apparat i følge krav 5, hvori kompressoren (1) innbefatter to eller flere resirkulasjonsventiler (5, 6).

7. Apparat i følge krav 5 eller 6, hvori fastslåings- og/eller kontrollmidlet (21) er lokalisert nær eller i nærheten av målemidlene (3, 4,17,18,19, 20).

8. Apparat i følge krav 5 eller 6, hvori fastslåings- og/eller kontrollmidlet (21) er lokalisert fjernt fra målemidlene (3, 4,17,18,19, 20).

9. Apparat i følge hvilket som helst av krav 5-8, hvori beregnings- eller fastslåingsmidlet og kontrollmidlet er integrert i én enhet eller anordning.

10. Apparat i følge hvilket som helst av krav 5-8, hvori beregnings- eller fastslåingsmidlet og kontrollmidlet er to separate enheter eller anordninger som kommuniserer med hverandre.