NO337902B1

NO337902B1 - Control of pumping in an underwater compressor

Info

Publication number: NO337902B1
Application number: NO20140516A
Authority: NO
Inventors: Jørgen Corneliussen; Duccio Foiravanti; Massimiliano Ortiz Neri; Leonardo Baldassarre
Original assignee: Vetco Gray Scandinavia As
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2016-07-04
Also published as: EP3132142A1; BR112016022609B1; BR112016022609A2; AU2015248926A1; PL3132142T3; WO2015158734A1; NO20140516A1; AU2015248926B2; EP3132142B1

Description

Styring av pumping i en undersjøisk kompressor Control of pumping in a subsea compressor

Oppfinnelsens tekniske område Technical field of the invention

Foreliggende oppfinnelse vedrører forhindring av pumping (surge) i en kompressor som er innrettet for drift og bruk ved transport av gass fra en undersjøisk hydrokarbonfluid-forekomst. Spesielt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte der en undersjøisk kompressor hvis rotor bæres av aktive magnetiske lagre for kontaktfri rotasjon, er innrettet til å veksle fra normal drift til pumpedriftsmodus slik som i tilfelle av utilstrekkelig strømning av et fluid som kompressoren prosseserer. I samsvar med dette vedrører oppfinnelsen også et undersjøisk kompresjonssystem som er innrettet for å utføre fremgangsmåten. The present invention relates to the prevention of pumping (surge) in a compressor which is designed for operation and use when transporting gas from an undersea hydrocarbon fluid deposit. In particular, the invention relates to a method in which a submarine compressor whose rotor is supported by active magnetic bearings for contact-free rotation is arranged to switch from normal operation to pump operation mode such as in the case of insufficient flow of a fluid which the compressor processes. In accordance with this, the invention also relates to an underwater compression system which is designed to carry out the method.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere kjent teknikk Background to the invention and prior art

I undersjøisk hydrokarbonproduksjon kan kompressorer bli brukt til hjelp ved transport av gass fra en undersjøisk hydrokarbonfluid-forekomst via en offshore rørledning til f.eks. en plattform på overflaten. Den radielle eller sentrifugale kompressoren er tilpasset for kompresjon av gass i undersjøisk miljø og omfatter en rotor utstyrt med hjul eller impellere som holdes i rotasjon av en elektromotor. Kompressoren er i stand til å oppnå en trykkøkning i et gassholdig fluid som blir ført kontinuerlig gjennom kompressoren. In subsea hydrocarbon production, compressors can be used to help transport gas from a subsea hydrocarbon fluid deposit via an offshore pipeline to e.g. a platform on the surface. The radial or centrifugal compressor is adapted for compression of gas in an underwater environment and comprises a rotor equipped with wheels or impellers which are kept in rotation by an electric motor. The compressor is able to achieve a pressure increase in a gaseous fluid which is continuously passed through the compressor.

Driften av en gasskompressor kan beskrives med tre driftsparametere: hastighet, løftehøyde og strømning. Med en gitt hastighet vil kompressoren levere en maksimal løftehøyde og en tilsvarende strømning, som definerer en tilstand med stabil drift. Stabil drift kan opprettholdes så lenge en reduksjon i løftehøyde blir kompensert av en økning i strømning. Dersom strømningen blir redusert når kompressoren har nådd sin maksimale løftehøyde, vil kompressorrotoren rotere i gassen som ikke lenger blir drevet fremover av rotoren. Systemtrykket som er bygget opp ved utløpet fra kompressoren kan drive gassen bakover gjennom rotoren og reversere strømningen gjennom kompressoren. På et punkt der kompressoren ikke lenger kan tilføre fluidet den nødvendige energien for å overvinne mottrykket, vil kompressoren gå i pumpemodus. The operation of a gas compressor can be described with three operating parameters: speed, head and flow. At a given speed, the compressor will deliver a maximum head and a corresponding flow, which defines a state of stable operation. Stable operation can be maintained as long as a reduction in head is compensated by an increase in flow. If the flow is reduced when the compressor has reached its maximum lifting height, the compressor rotor will rotate in the gas which is no longer propelled forward by the rotor. The system pressure built up at the discharge from the compressor can drive the gas backwards through the rotor and reverse the flow through the compressor. At a point where the compressor can no longer supply the fluid with the necessary energy to overcome the back pressure, the compressor will go into pump mode.

Med andre ord kan ytelsen hos en kompressor defineres som et forhold mellom trykket ved kompressorinnløpet og trykket ved utløpet, eller trykkforholdet (utløpstrykket dividert med sugetrykket) over kompressoren, og strømningen ved en gitt rotorhastighet. For hver kompressor kan ytelsen kvantifiseres og vises på et diagram der horisontalaksen representerer strømningen eller mengden av ukomprimert gass som passerer kompressorinnløpet. Vertikalaksen representerer kompresjons-trykkforholdet som oppstår inne i kompressoren. For hver rotorhastighet er det en sammenheng mellom trykkforhold og strømning der driften er stabil. I et punkt der strømningen ikke lenger er tilpasset til trykkforholdet og sammenhengen er brutt, vil kompressoren forlate området med stabil drift og gå inn i et område som erkarakterisertsom pumpesonen (surge zone). En linje som forbinder pumpepunktene for hele området av driftsmessige rotorhastigheter vil representere pumpe-grensen på et kompressorkart som illustrerer og kvantifiserer ytelsen hos den kompressoren det gjelder. In other words, the performance of a compressor can be defined as a ratio between the pressure at the compressor inlet and the pressure at the outlet, or the pressure ratio (the outlet pressure divided by the suction pressure) above the compressor, and the flow at a given rotor speed. For each compressor, performance can be quantified and displayed on a graph where the horizontal axis represents the flow or quantity of uncompressed gas passing the compressor inlet. The vertical axis represents the compression-pressure ratio that occurs inside the compressor. For each rotor speed, there is a relationship between pressure ratio and flow where operation is stable. At a point where the flow is no longer adapted to the pressure ratio and the connection is broken, the compressor will leave the area of stable operation and enter an area characterized as the pump zone (surge zone). A line connecting the pump points for the entire range of operational rotor speeds will represent the pump limit on a compressor map that illustrates and quantifies the performance of the compressor in question.

En kompressor i pumpemodus vil være utsatt for overoppheting, kraftige vibrasjoner, hurtige endringer i aksiell skyvekraft og akselbevegelser som til sist fører til skade på roterende deler, rotortettninger, rotorlagre osv. Det er følgelig et krav at kompressoren må forhindres fra å gå i pumpemodus, ikke minst i undersjøisk miljø der vedlikehold og reparasjon er mer komplisert. A compressor in pump mode will be subject to overheating, strong vibrations, rapid changes in axial thrust and shaft movements which ultimately lead to damage to rotating parts, rotor seals, rotor bearings, etc. It is therefore a requirement that the compressor must be prevented from going into pump mode, not least in the underwater environment where maintenance and repair are more complicated.

Å hindre at en kompressor kjører i pumping-området vil som regel innebære resirkulering av prosessert fluid fra kompressorutløpet til kompressorinnløpet for å øke en utilstrekkelig strømning via kompressorinnløpet. En ventil som normalt er stengt i resirkuleringsledningen er innrettet til å veksle til åpen tilstand i tilfelle av utilstrekkelig Preventing a compressor from running in the pumping area will usually involve recycling processed fluid from the compressor outlet to the compressor inlet to increase an insufficient flow via the compressor inlet. A normally closed valve in the recirculation line is arranged to switch to the open condition in the event of insufficient

strømning, og derved veksle kompressoren fra normal drift til det som kan kalles en pumpedriftsmodus. flow, thereby switching the compressor from normal operation to what can be called a pump operation mode.

Et pumpestyresystem er innrettet til å opprettholde resirkuleringsventilen, også kalt pumpeventil (Anti Surge Valve - ASV), i lukket posisjon så lenge kompressoren kjører trygt utenfor pumping-sonen. Dersom kompressoren nærmer seg pumping-grensen, vil pumpestyresystemet stille om ventilen til åpen tilstand og derved øke strømningen i kompressorinnløpet. A pump control system is designed to maintain the recirculation valve, also called pump valve (Anti Surge Valve - ASV), in the closed position as long as the compressor runs safely outside the pumping zone. If the compressor approaches the pumping limit, the pump control system will switch the valve to the open state and thereby increase the flow in the compressor inlet.

Pumping-styresystemet kan være innrettet til å generere en kommando for ventiloperasjon basert på flere parametere som blir overvåket av passende sensorer og målere. De overvåkede parameterne er typisk trykk og temperatur ved innløp og utløp, trykkdifferansen over kompressoren og rotorhastigheten. The pumping control system may be adapted to generate a command for valve operation based on several parameters that are monitored by appropriate sensors and gauges. The monitored parameters are typically pressure and temperature at the inlet and outlet, the pressure difference across the compressor and the rotor speed.

I tidligere kjent teknikk beskriver US patent no. 4464720 en pumping-styring basert på avkjenning av trykket ved innløp og utløp og beregning av en virkelig trykkdifferanse som blir sammenlignet med et ønsket settpunkt. In prior art, US patent no. 4464720 a pumping control based on detection of the pressure at inlet and outlet and calculation of a real pressure difference which is compared with a desired set point.

US patent no. 4971516 beskriver en pumping-styring basert på avkjenning av strømning og rotorhastighet og beregning av virkelig strømning/hastighets-forhold som så blir sammenlignet med tilsvarende forhold under pumping. US patent no. 4971516 describes a pumping control based on detection of flow and rotor speed and calculation of real flow/speed ratio which is then compared with corresponding conditions during pumping.

US patent no. 7094019 beskriver et pumping-styresystem som beregner virkelig trykkforhold og trykkforhold under pumping basert på overvåking av hastighet, innløps- og utløpstrykk for å stille inn resirkuleringsventilen når det virkelige trykkforholdet er på sikker avstand fra trykkforholdet under pumping. US patent no. 7094019 describes a pumping control system that calculates actual pressure ratio and pumping pressure ratio based on monitoring of speed, inlet and outlet pressure to adjust the recirculation valve when the actual pressure ratio is at a safe distance from the pumping pressure ratio.

Gasskompressoren er generelt sett svært følsom for forstyrellser i strømning, og det stilles høye krav til pumping-styresystemet som må reagere raskt på endringer i prosessen. Pumping-styresystemer, der kommando for ventiloperasjon blir generert fra et hovedstyresystem på overflaten og er basert på signaler fra sensorer og sendere som overvåker prosessparametere for strømning, trykk og temperatur i et kompresjonssystem plassert på havbunnen, løper en risiko for å virke for langsomt til å sikre kompressoren mot pumping. Forsinkelsen i reaksjon øker med økende lengde på signalveiene mellom det undersjøiske kompresjonssystemet og installsjonen på overflaten med hovedstyresystemet og det sentrale programmet. The gas compressor is generally very sensitive to disturbances in flow, and high demands are placed on the pumping control system, which must react quickly to changes in the process. Pumping control systems, where commands for valve operation are generated from a master control system on the surface and are based on signals from sensors and transmitters that monitor process parameters of flow, pressure and temperature in a compression system located on the seabed, run the risk of acting too slowly to secure the compressor against pumping. The delay in response increases with increasing length of the signal paths between the subsea compression system and the installation on the surface with the main control system and the central program.

Én tidligere løsning som tar sikte på korte signalveier og rask respons i styring og drift av resirkuleringsventilen er beskrevet i EP 2042743 Al. Dette dokumentet beskriver et landbasert gasskompresjonssystem der innspenningen til kompressormotorens drivenhet blir overvåket, og en styreenhet tilpasset til å bestemme hvorvidt det foreligger en risiko for pumping basert på den målte innspenningen og, dersom det er tilfellet, å generere en ventilåpningskommando. One previous solution which aims at short signal paths and fast response in control and operation of the recirculation valve is described in EP 2042743 Al. This document describes a land-based gas compression system in which the input voltage to the compressor motor drive unit is monitored, and a control unit adapted to determine whether there is a risk of pumping based on the measured input voltage and, if so, to generate a valve opening command.

Et annet forsøk på å redusere responstidene i et pumping-styresystem, kjent fra undersjøisk miljø, involverer innretning av et dedikert styresystem med lukket sløyfe som håndterer pumping-styringen ved hjelp av en lokalt plassert styremodul for kompresjonssystemet. Another attempt to reduce the response times in a pumping control system, known from the subsea environment, involves the installation of a dedicated closed-loop control system that handles the pumping control by means of a locally located control module for the compression system.

Foreliggende oppfinnelse gir en annen løsning for rask respons fra pumping-ventilen som virker i forbindelse med gass-kompressorer, der kompressorrotoren er understøttet for kontaktfri rotasjon ved hjelp av aktive magnetiske lagre (Active Magnetic Bearing — AMB). Aktive magnetiske lagre kan være innrettet for kontaktfri understøtting av kompressorrotoren både radielt og aksielt i forhold til rotoren. The present invention provides another solution for quick response from the pumping valve which works in connection with gas compressors, where the compressor rotor is supported for contact-free rotation by means of active magnetic bearings (Active Magnetic Bearing - AMB). Active magnetic bearings can be arranged for contact-free support of the compressor rotor both radially and axially in relation to the rotor.

I det aktive magnetiske lageret er, i korthet, en magnetisk ledende rotor opplagret i en stator som blir magnetisert av strømmen som mates gjennom passende elektriske viklinger. Det magnetiske feltet som blir generert av statorviklingene induserer den magnetiske kraften som kreves for å understøtte rotoren. Strømmen i statorviklingene blir aktivt modulert på grunnlag av et tilbakekoblet rotorposisjonssignal. Det tilbakekoblede rotorposisjonssignalet blir levert av en sensor (enten induktiv eller virvelstrømbasert) som reagerer på endringer i posisjonen av rotoren relativt til sensorene og andre ikke-roterende deler av kompressoren. Den detekterte endringen i posisjon brukes i en AMB-styreenhet som regulerer strømtilførselen til de elektriske viklingene i statoren tilsvarende, slik at rotoren tvinges til å gå tilbake til en sentrert posisjon i lageret. AMB-styreenheten er vanligvis plassert i kort avstand fra lageret for å oppnå kort signalvei og rask respons. In the active magnetic bearing, in brief, a magnetically conducting rotor is stored in a stator which is magnetized by the current fed through suitable electrical windings. The magnetic field generated by the stator windings induces the magnetic force required to support the rotor. The current in the stator windings is actively modulated on the basis of a feedback rotor position signal. The feedback rotor position signal is provided by a sensor (either inductive or eddy current based) which responds to changes in the position of the rotor relative to the sensors and other non-rotating parts of the compressor. The detected change in position is used in an AMB control unit which regulates the power supply to the electrical windings in the stator accordingly, so that the rotor is forced to return to a centered position in the bearing. The AMB control unit is usually located at a short distance from the bearing to achieve a short signal path and fast response.

Så lenge kompressoren opprettholder stabil drift godt unna pumpeområdet, vil AMB-styreenheten ikke registrere noen særlig endring i rotorens posisjon, og rotoren roterer stort sett fri for vibrasjoner og under stort sett konstant belastning fra det prosesserte fluidet. Skulle kompressoren komme i nærheten av eller passere grensen for pumping, vil AMB-styreenheten reagere på vibrasjon og endring i rotorens posisjon som følge av forandring i belastning påført fra det prosesserte fluidet. As long as the compressor maintains stable operation well away from the pump area, the AMB control unit will not register any particular change in the rotor's position, and the rotor rotates largely free of vibration and under largely constant load from the processed fluid. Should the compressor approach or exceed the pumping limit, the AMB control unit will respond to vibration and change in rotor position as a result of change in load applied from the processed fluid.

Konstruksjon, implementering og testing av en aktiv pumping-styreenhet i en sentrifugalkompressor var tidligere presentert av Se Young Yoon et al. i «Control of Surge in Centrifugal Compressors by AMB», publisert av Springer Verlag, London 2013. I dette dokumentet foreslår Se Young Yoon et al. å nytte det magnetiske aksiallageret til å modulere klaringen hos impelleren for å kompensere for forstyrrelser i strømningen som opptrer under en innledende tilstand av pumping. Construction, implementation and testing of an active pumping control unit in a centrifugal compressor was previously presented by Se Young Yoon et al. in "Control of Surge in Centrifugal Compressors by AMB", published by Springer Verlag, London 2013. In this document, Se Young Yoon et al. to use the magnetic axial bearing to modulate the clearance of the impeller to compensate for disturbances in the flow occurring during an initial condition of pumping.

Fordi en veksling fra stabil drift til pumping kan finne sted i løpet av noen få sekunder, er det avgjørende at pumping-ventilen kan bli åpnet raskt og så tidlig som mulig etter en første indikasjon på at kompressoren nærmer seg pumping-grensen. I denne situasjonen kan en forsinkelse på bare noen millisekunder hindre detektering og avverge en kommende pumpetilstand i tide. Because a changeover from stable operation to pumping can take place within a few seconds, it is crucial that the pumping valve can be opened quickly and as early as possible after a first indication that the compressor is approaching the pumping limit. In this situation, a delay of only a few milliseconds can prevent detection and prevent an oncoming pump condition in time.

En fremgangsmåte for detektering av pumping i en kompressor er tidligere beskrevet i WO 2013/015885 Al. Den beskrevne fremgangsmåten omfatter avføling av vibrasjon i kompressorrotoren som indikerer en tilstand av stalling eller pre-stalling, og dersom vibrasjonen overskrider en terskelverdi, utføres måling av impellerklaring, og dersom impellerklaringen er redusert til eller er lavere enn en minimumsverdi, kan det gjøres en eller flere av en rekke alternative korrigeringer for å motvirke pumping. A method for detecting pumping in a compressor was previously described in WO 2013/015885 Al. The described method includes sensing vibration in the compressor rotor that indicates a state of stalling or pre-stalling, and if the vibration exceeds a threshold value, measurement of impeller clearance is performed, and if the impeller clearance is reduced to or is lower than a minimum value, one or several of a number of alternative corrections to counteract pumping.

US 6,092,029 beskriver en fremgangsmåte og en innretning for diagnostisering og korrigering av roterende stalling og pumping i roterende maskiner. Fremgangsmåten omfatter overvåking av dynamisk akselpresesjon eller aksiell vibrasjon og måling av kompleks dynamisk stivhet i maskinen. Utførelser inkluderer motvirkning av roterende stalling eller pumping ved aktiv regulering av servolagre og økning av strøming gjennom kompressoren. US 6,092,029 describes a method and a device for diagnosing and correcting rotary stalling and pumping in rotary machines. The procedure includes monitoring of dynamic axle precession or axial vibration and measurement of complex dynamic stiffness in the machine. Designs include counteracting rotary stalling or pumping by active regulation of servo bearings and increasing flow through the compressor.

US 2012/1100011 Al beskriver et kompresjonssystem med elektromagnetiske lagre der det blir hentet inn informasjon om posisjoneringen av akselen til et kontrollpanel. I US 2012/1100011 Al er det ikke beskrevet at det er en pumpeventil i ett resirkuleringsrør. US 2012/1100011 Al describes a compression system with electromagnetic bearings where information about the positioning of the shaft is retrieved to a control panel. In US 2012/1100011 Al, it is not described that there is a pump valve in one recycling pipe.

WO 2009/055878 A2 viser et system for å unngå pumping i en kompressor som er drevetav en turbin. Kompressoren i WO 2009/055878 A2 er utstyrt med aktive magnetiske lagre, og at kraften på disse lagrene er målt. I krav 18 er det angitt at pumping kan unngås ved at det kan åpnes en eksosventil inn i kompressoren. Dette vil gjøre systemet vist i WO 2009/055878 A2 helt annerledes enn det som er beskrevet i foreliggende søknad. WO 2009/055878 A2 shows a system to avoid pumping in a compressor which is driven by a turbine. The compressor in WO 2009/055878 A2 is equipped with active magnetic bearings, and that the force on these bearings is measured. In claim 18, it is stated that pumping can be avoided by opening an exhaust valve into the compressor. This will make the system shown in WO 2009/055878 A2 completely different from that described in the present application.

Sammenfatning av oppfinnelsen Summary of the Invention

Det er et mål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en hurtigreagerende pumping-styring og veksle fra normal drift til pumping-driftsmodus i en undersjøisk kompressor som har en kompressorrotor som er understøttet av aktive magnetiske lagre. It is an object of the present invention to provide a fast-reacting pumping control and switching from normal operation to pumping operation mode in a subsea compressor having a compressor rotor which is supported by active magnetic bearings.

Det er et annet mål med foreliggende oppfinnelse å sørge for redundans i pumping-styringen i den undersjøiske kompressoren som har en kompressorrotor som er understøttet av aktive magnetiske lagre. It is another aim of the present invention to provide redundancy in the pumping control in the subsea compressor which has a compressor rotor which is supported by active magnetic bearings.

Det førstnevnte målet oppnås ved en fremgangsmåte som omfatter: - innretning av en pumping-ventil (ASV) som er normalt lukket i en resirkuleringsrørledning som setter et kompressorutløp i strømningsforbindelse med et kompressorinnløp når pumping-ventilen er i åpen posisjon, - innretning av en styreenhet for et aktivt magnetisk lager (AMB) for å opprettholde posisjonen til kompressorrotoren i forhold til ikkeroterende deler i kompressoren, - bestemmelse av en verdi som representerer en kraft (heretter kalt kraftrepresentasjonsverdi) som virker på kompressorrotoren fra prosesslasten ved bruk av styredata for magnetisk lager, - sammenligning av kraftrepresentasjonsverdien med en terskelverdi som indikerer en pumpetilstand, og som respons på at kraftrepresentasjonsverdien overstiger terskelverdien omstilling av pumping-ventilen til åpen tilstand. The first-mentioned objective is achieved by a method which includes: - arrangement of a pumping valve (ASV) which is normally closed in a recirculation pipeline which puts a compressor outlet in flow connection with a compressor inlet when the pumping valve is in the open position, - arrangement of a control unit for an active magnetic bearing (AMB) to maintain the position of the compressor rotor in relation to non-rotating parts in the compressor, - determination of a value representing a force (hereafter called force representation value) acting on the compressor rotor from the process load using control data for magnetic bearing, - comparison of the power representation value with a threshold value that indicates a pumping state, and in response to the power representation value exceeding the threshold value switching the pumping valve to an open state.

Første og andre mål blir begge oppfylt ved en fremgangsmåte som videre omfatter: - innretning av en pumping-styreenhet (Anti Surge Controller - ASC) til å regulere tilstanden til pumping-ventilen som respons på minst én av detektert strømning, trykk og temperatur i prosessert fluid, ved å utføre følgende som respons på at kraftrepresentasjonsverdien overskrider terskelverdien : - overstyring av ventilstyringen fra pumping-styreenheten og omstilling av pumping-ventilen til åpen tilstand. AMB-styredata som brukes ved bestemmelse av kraftrepresentasjonsverdien, omfatter minst én av i) rotorposisjonsdata, ii) strømstyrke som mates gjennom magnetiske lagerviklinger, iii) amplitude av magnetfluks generert i de magnetiske lagrene. The first and second objectives are both fulfilled by a method which further comprises: - arrangement of a pumping control unit (Anti Surge Controller - ASC) to regulate the state of the pumping valve in response to at least one of detected flow, pressure and temperature in processed fluid, by performing the following in response to the force representation value exceeding the threshold value: - overriding the valve control from the pumping control unit and switching the pumping valve to the open state. AMB control data used in determining the force representation value includes at least one of i) rotor position data, ii) current fed through magnetic bearing windings, iii) amplitude of magnetic flux generated in the magnetic bearings.

Rotorposisjonsdata kan innhentes fra posisjonssensorer, slik som induktive eller virvelstrømsensorer innrettet omkring rotoren. Størrelsen av strømmen som blir tilført de magnetiske lagerviklingene kan innhentes fra styreenheten for aktive magnetiske lagre. Amplituden av magnetfluks kan innhentes ved hjelp av dedikerte sensorer, slik som f.eks. en Hall-effekt-sensor, eller kan være estimert av AMB-styreenheten basert på karakteristikk av magnetisk lager og en kombinasjon av følgende: i) strømsignalet, ii) posisjonsignalet, iii) kraft-forsterker-spenningen. En mulig fremgangsmåte for estimering av magnetfluks er beskrevet av Gerhard Schweitzer og Eric H. Maslen i avsnittet 4.5.3 i boken «Magnetic Bearings» utgitt av Springer Verlag, Berlin, 2009. Rotor position data can be obtained from position sensors, such as inductive or eddy current sensors arranged around the rotor. The magnitude of the current supplied to the magnetic bearing windings can be obtained from the control unit for active magnetic bearings. The amplitude of magnetic flux can be acquired using dedicated sensors, such as e.g. a Hall effect sensor, or can be estimated by the AMB controller based on magnetic bearing characteristics and a combination of the following: i) the current signal, ii) the position signal, iii) the power amplifier voltage. A possible method for estimating magnetic flux is described by Gerhard Schweitzer and Eric H. Maslen in section 4.5.3 of the book "Magnetic Bearings" published by Springer Verlag, Berlin, 2009.

I én utførelse forutser fremgangsmåten at verdien som representerer kraften kan bli evaluert ved å detektere lavfrekvent (LF) harmonisk innhold i minst én av følgende: i) et rotorposisjonssignal, ii) et strømsignal, iii) et magnetflukssignal, iv) en magnetfluks-estimering. En annen utførelse innebærer innsetting av en aktuator for ventilomstilling (Valve Switching Actuator - VSA) som er innrettet til å regulere tilstanden til pumpeventilen basert på input-kommando enten fra i) en pumpestyreenhet basert på strømning og/eller trykk og/eller temperatur, eller fra ii) styreenheten for aktive magnetiske lagre. Ventilomstillingsaktuatoren blir da konfigurert til å utføre ventilstyring i samsvar med følgende betingelse: Hvis AMB styreenhet-kommando = SANN, da_ er vent il kommando = åpen ventil, ellers er ventilkommando = ASC-kommando. Ventilomstillingsaktuatoren er videre konfigurert til å evaluere AMB-styreenhet-kommandoen i samsvar med følgende betingelse: Hvis verdien som representerer kraft overskrider terskelverdien, da er AMB-styreenhetkommando SANN, ellers er AMB-styreenhetkommando USANN. In one embodiment, the method provides that the value representing the force may be evaluated by detecting low frequency (LF) harmonic content in at least one of the following: i) a rotor position signal, ii) a current signal, iii) a magnetic flux signal, iv) a magnetic flux estimation. Another embodiment involves the insertion of an actuator for valve switching (Valve Switching Actuator - VSA) which is designed to regulate the state of the pump valve based on input command either from i) a pump control unit based on flow and/or pressure and/or temperature, or from ii) the control unit for active magnetic bearings. The valve switching actuator is then configured to perform valve control according to the following condition: If AMB controller command = TRUE, then valve command = open valve, otherwise valve command = ASC command. The valve shift actuator is further configured to evaluate the AMB controller command according to the following condition: If the value representing power exceeds the threshold value, then the AMB controller command is TRUE, otherwise the AMB controller command is FALSE.

Terskelverdien kan være forhåndsbestemt mens kompressoren kjøres i kalibrering. For eksempel kan terskelverdier bli bestemt under kartlegging av kompressorens ytelse under igangsettelse. Nærmere bestemt kan et sett terskelverdier som er relatert til ulike hastigheter av kompressorens rotor være satt inn i et kompressorkart. The threshold value can be predetermined while the compressor is running in calibration. For example, threshold values can be determined while mapping the compressor's performance during start-up. More specifically, a set of threshold values related to different speeds of the compressor's rotor can be inserted into a compressor map.

På lignende måte kan terskelverdien for LF-harmonisk innhold være forhåndsbestemt i en kalibreringsprosess. For eksempel kan innholdet av LF harmonisk oscillasjon og amplitude i posisjonssignal, strømsignal eller magnetflukssignal bli registrert for et område av rotorhastigheter med rotoren holdt svevende av de magnetiske lagrene. Similarly, the threshold value for LF harmonic content may be predetermined in a calibration process. For example, the content of LF harmonic oscillation and amplitude in position signal, current signal or magnetic flux signal can be recorded for a range of rotor speeds with the rotor kept floating by the magnetic bearings.

Det førstnevnte målet med foreliggende oppfinnelse blir likedan oppfylt ved et undersjøisk kompresjonssystem som omfatter en kompressor med en kompressorrotor understøttet for kontaktfri rotasjon av aktive magnetiske lagre, og som videre omfatter: - en pumpeventil som normalt er stengt i en tilbakekoblings-resirkuleringsrørledning som setter kompressorutløpet i strømningsforbindelse med kompressorinnløpet når pumping-ventilen står i åpen posisjon, - en styreenhet for aktive magnetiske lagre (AMB) innrettet til å regulere mengden av strøm som tilføres elektromagneter i lageret som respons på krefter som virker på kompressorrotoren fra prosesslasten, The first-mentioned objective of the present invention is likewise fulfilled by a subsea compression system which comprises a compressor with a compressor rotor supported for contact-free rotation by active magnetic bearings, and which further comprises: - a pump valve which is normally closed in a feedback-recirculation pipeline which puts the compressor outlet in flow connection with the compressor inlet when the pumping valve is in the open position, - a control unit for active magnetic bearings (AMB) arranged to regulate the amount of current supplied to electromagnets in the bearing in response to forces acting on the compressor rotor from the process load,

idet AMB-styreenheten er driftsmessig koblet til pumping-ventilen . as the AMB control unit is operationally connected to the pumping valve.

Utførelser av kompresjonssystem omfatter: Versions of the compression system include:

- en pumping-styreenhet innrettet til å regulere tilstanden til pumping-ventilen som respons på minst én av detektert strømning, trykk og temperatur i det prosesserte fluidet, idet styreenheten for aktive magnetiske lagre er driftsmessig koblet til pumping-ventilen i parallell med pumping-styringeenheten. - a pumping control unit arranged to regulate the state of the pumping valve in response to at least one of detected flow, pressure and temperature in the processed fluid, the control unit for active magnetic bearings being operationally connected to the pumping valve in parallel with the pumping control unit .

Utførelser av kompresjonssystemet omfatter videre en pumping-ventilomstillingsaktuator (VSA) som er satt inn mellom på den ene siden pumping-ventilen og på den andre siden henholdsvis aktivt magnetisk lager og pumping-styring. Versions of the compression system further include a pumping valve switching actuator (VSA) which is inserted between the pumping valve on the one hand and the active magnetic bearing and pumping control on the other.

Ventilomstillingsaktuatoren i sin tur omfatter en evalueringsenhet konfigurert til å generere en ventilomstillingskommmando basert på input fra enten styreenheten for aktivt magnetisk lager eller fra pumping-styreenheten. The valve switching actuator in turn comprises an evaluation unit configured to generate a valve switching command based on input from either the active magnetic bearing control unit or from the pumping control unit.

Aktiveringen av pumping-ventilen kan utføres ved en hurtigåpningsfunksjon som blir aktivert av styreenheten for aktive magnetiske lagre. I en annen utførelse kan aktivering av pumping-ventilen utføres ved hjelp av en hurtigåpningsfunksjon aktivert av den aktive magnetiske lagerstyreenheten for aktive magnetiske lagre som overstyrer pumping-styringen. The activation of the pumping valve can be carried out by a quick opening function which is activated by the control unit for active magnetic bearings. In another embodiment, activation of the pumping valve can be performed by means of a quick opening function activated by the active magnetic bearing control unit for active magnetic bearings that overrides the pumping control.

Videre fordeler samt fordelaktige særtrekk av fremgangsmåte og system i foreliggende oppfinnelse vil fremgå av følgende beskrivelse og de avhengige kravene. Further advantages and advantageous features of the method and system in the present invention will be apparent from the following description and the dependent claims.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene Brief description of the drawing figures

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart med henvisning til de vedlagte skjematiske tegningsfigurene. Tegningsfigurene viser: Figur 1 er en systemoversikt over et undersjøisk kompresjonssystem som omfatter pumpingstyring i samsvar med gjeldende teknikk, Figur 2 er en tilsvarende oversikt over et undersjøisk kompresjonssystem som omfatter pumpingstyring i samsvar med en første utførelse, Figur 3 er en tilsvarende oversikt over et undersjøisk kompresjonssystem som omfatter pumpingstyring i samsvar med en andre utførelse, Figur 4 er et diagram som illustrerer parallelle kjeder av inputkommandoer til pumping-styringen, Figur 5 er et strømningskart som viser trinnene gjennom en prosess for evaluering av inputkommandoer til pumping-styringen, Figur 6 er et diagram som viser signalveier for prosessparametere brukt til å lage en inputkommando til pumping-styringen, og Figur 7 er et strømningskart som viser trinnene gjennom en prosess for å teste validiteten av en inputkommando til pumping-styringen. The invention will be explained in more detail with reference to the attached schematic drawings. The drawings show: Figure 1 is a system overview of an underwater compression system that includes pumping control in accordance with current technology, Figure 2 is a corresponding overview of an underwater compression system that includes pumping control in accordance with a first embodiment, Figure 3 is a corresponding overview of an underwater compression system comprising pumping control in accordance with a second embodiment, Figure 4 is a diagram illustrating parallel chains of input commands to the pumping control, Figure 5 is a flow chart showing the steps through a process for evaluating input commands to the pumping control, Figure 6 is a diagram showing signal paths for process parameters used to create an input command to the pumping control, and Figure 7 is a flow chart showing the steps through a process to test the validity of an input command to the pumping control.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser Detailed description of preferred designs

Figur 1 illustrerer et kompresjonssystem 1 plassert på havbunnen. Det undersjøiske kompresjonssystemet 1 omfatter en kompressor 2 som har en rotor 3 som holdes i rotasjon av et drivmiddel, slik som en motor 4, via en rotoraksel 5. Sammenstillingen 2-5 av motor og kompressor tjener til å øke trykket i gass utvunnet fra en undersjøisk hydrokarbonfluid-forekomst for transport til en stasjon på overflaten, landbasert eller flytende, på tegningsfigurene illustrert som en overflateplattform 6 som et eksempel, via rørledningsseksjoner 7 og 8. Kompressoren 2 er koblet til rørledningen via et kompressorinnløp 9 der fluidet blir sugd inn, og gjennom et kompressorutløp 10 der fluidet blir sendt ut med høyere trykk og temperatur. På figur 1 er strømningsretningen vist med piler F™ og F0Ut. Figure 1 illustrates a compression system 1 placed on the seabed. The underwater compression system 1 comprises a compressor 2 which has a rotor 3 which is kept in rotation by a propellant, such as a motor 4, via a rotor shaft 5. The assembly 2-5 of motor and compressor serves to increase the pressure in gas extracted from a subsea hydrocarbon fluid deposit for transport to a station on the surface, land-based or floating, in the drawing figures illustrated as a surface platform 6 as an example, via pipeline sections 7 and 8. The compressor 2 is connected to the pipeline via a compressor inlet 9 where the fluid is drawn in, and through a compressor outlet 10 where the fluid is sent out at higher pressure and temperature. In Figure 1, the direction of flow is shown by arrows F™ and F0Ut.

Kraft og prosesstyring blir tilført fra stasjonen på overflaten og distribuert via en kraft/styre-navlestreng 11 som kobler en navlestreng-termineringsenhet (TUTU) 12 på overflaten til en undersjøisk navlestreng-termineringsenhet sammenstilling (UTA) 13. I utgangspunktet blir kraft og prosesstyring styrt av hovedstyresystemet (MCS) 14 som er innrettet på overflaten og som kommuniserer med en styremodul (CSCM) 15 for kompresjonssystemet som er innrettet under-sjøisk. CSCM 15 omfatter styrelogikk og kommunikasjons-kapasitet for styreinnretningene på overflaten via kraft/ styre-navlestreng 11. Ved hjelp av CSCM 15 kan et antall prosessparametere bli overvåket og kontrollert, enten direkte i CSCM 15 eller indirekte fra MCS 14 plassert på overflaten. Power and process control are supplied from the station on the surface and distributed via a power/control umbilical 11 which connects an umbilical termination unit (TUTU) 12 on the surface to a subsea umbilical termination unit assembly (UTA) 13. Initially, power and process control are controlled of the main control system (MCS) 14 which is arranged on the surface and which communicates with a control module (CSCM) 15 for the compression system which is arranged undersea. CSCM 15 includes control logic and communication capacity for the control devices on the surface via power/control umbilical cord 11. Using CSCM 15, a number of process parameters can be monitored and controlled, either directly in CSCM 15 or indirectly from MCS 14 located on the surface.

Elektrisk kraft til kompressormotoren og andre undersjøiske kraftforbrukere blir levert via en kraftdistribusjonsmodul (PDM) 16. Referansenummer 17 viser til en frekvensomformer (Variable Speed Drive - VSD) som kan regulere motorkraft og rotorhastighet. Funksjonaliteten som er inkludert i enhetene PDM 16 og VSD 17 og styringene til disse kan helt eller delvis være plassert i CSCM 15, eller f.eks. plassert på overflaten slik som i MCS 14. Electrical power to the compressor motor and other subsea power consumers is supplied via a power distribution module (PDM) 16. Reference number 17 refers to a frequency converter (Variable Speed Drive - VSD) which can regulate engine power and rotor speed. The functionality included in the units PDM 16 and VSD 17 and the controls for these can be fully or partially located in the CSCM 15, or e.g. placed on the surface as in MCS 14.

Transformatorer, omformere, effektbrytere og andre elektriske og elektroniske innretninger som vanligvis finnes i et under-sjøisk kompresjonssystem, er utelatt fra tegningsfigurene 1-3 for forenklings skyld. Av samme grunn er utstyr plassert oppstrøms, slik som produksjonsventiler, kjølere, separatorer, sandfeller osv., blitt utelatt, fordi beskrivelse av disse er unødvendig for å forklare eller forstå foreliggende oppfinnelse. Transformers, converters, circuit breakers and other electrical and electronic devices that are usually found in a subsea compression system are omitted from Figures 1-3 for the sake of simplicity. For the same reason, equipment located upstream, such as production valves, coolers, separators, sand traps, etc., has been omitted, because description of these is unnecessary to explain or understand the present invention.

I en beskrivelse av den generelle utformingen av et kompresjonssystem kan det noteres at dybden der kompresjonssystemet kan være plassert, typisk er i området fra noen hundre meter til størrelsesorden kilometer, mens avstanden fra kompresjonsstasjon til en landbasert mottaksstasjon 6 kan utgjøre ett hundre kilometer eller mer. In a description of the general design of a compression system, it can be noted that the depth where the compression system can be located is typically in the range from a few hundred meters to the order of a kilometer, while the distance from the compression station to a land-based receiving station 6 can amount to one hundred kilometers or more.

Kompressorrotoren 3 er understøttet av aktive magnetiske lagre der den blir holdt svevende for kontaktfri rotasjon. Rotorens posisjon blir overvåket av posisjonssensorer 18 som kontinuerlig detekterer rotorens posisjon i forhold til elektromagnetene 19. I utformingen av kompresjonssystemet skissert på figur 1 er rotoren 3 opplagret i radiallagre 20 og 21 som understøtter rotoren og motvirker vekten av rotoren (i horisontal retning) og de radielle lastene og kreftene som virker på rotoren fra prosesslasten. Rotoren 3 blir i tillegg holdt svevende i aksiallager(e) 22 som holder rotoren svevende mens de kompenserer for og motvirker vekten av rotoren (i vertikal retning) og den aksielle lasten som virker på rotoren fra det prosesserte mediet. Elektromagnetene 19 på aksiallageret 22 er montert på motstående sider av en radiell skive 23 som er festet på rotorakselen 5. The compressor rotor 3 is supported by active magnetic bearings where it is kept floating for contact-free rotation. The rotor's position is monitored by position sensors 18 which continuously detect the rotor's position in relation to the electromagnets 19. In the design of the compression system outlined in Figure 1, the rotor 3 is stored in radial bearings 20 and 21 which support the rotor and counteract the weight of the rotor (in the horizontal direction) and the the radial loads and the forces acting on the rotor from the process load. The rotor 3 is additionally held floating in axial bearing(s) 22 which keep the rotor floating while compensating for and counteracting the weight of the rotor (in the vertical direction) and the axial load acting on the rotor from the processed medium. The electromagnets 19 on the axial bearing 22 are mounted on opposite sides of a radial disc 23 which is fixed on the rotor shaft 5.

Prinsippene for strukturen av aktive magnetiske lagre er en velkjent teknologi i seg selv, og trenger ikke ytterligere diskusjon her. Merk dog at utførelser av det undersjøiske kompresjonssystemet kan kreve andre antall av lagre, elektromagneter og sensorer, og også ulike typer av sensorer og elektromagneter. I andre utførelser kan selvsagt kompressorrotoren være montert med en annen horisontal orientering. The principles of the structure of active magnetic bearings is a well-known technology in itself and needs no further discussion here. Note, however, that designs of the subsea compression system may require different numbers of bearings, electromagnets and sensors, and also different types of sensors and electromagnets. In other embodiments, the compressor rotor can of course be mounted with a different horizontal orientation.

Hjelpelagre vil typisk være innrettet for å beskytte de magnetiske lagrene fra kontakt med rotoren under start- og stopprosedyrer eller i tilfelle det oppstår for stor forskyvning av rotoren. For enkelhets skyld er hjelpelagre ikke tatt med på tegningsfigurene 1-3. Auxiliary bearings will typically be arranged to protect the magnetic bearings from contact with the rotor during start and stop procedures or in the event of excessive displacement of the rotor. For the sake of simplicity, auxiliary bearings are not included in drawings 1-3.

Basert på rotorens posisjon, detektert av posisjonssensorene 18, vil en styreenhet 24 for aktivt magnetisk lager (AMB) regulere og tilføre den mengden av strøm til elektromagnetene 19 som kreves for å holde rotoren i kontaktfri rotasjon, ved å kompensere og motvirke en endring eller et avvik i rotorens posisjon i forhold til den ideelle posisjonen i de elektromagnetiske lagrene 20-22. Based on the position of the rotor, detected by the position sensors 18, an active magnetic bearing (AMB) control unit 24 will regulate and supply the amount of current to the electromagnets 19 required to keep the rotor in non-contact rotation, by compensating and counteracting a change or a deviation in the position of the rotor in relation to the ideal position in the electromagnetic bearings 20-22.

For å unngå at kompressoren går inn i en tilstand av pumping, kan det være opprettet strømningskommunikasjon fra utløp 10 til innløp 9 utenom kompressoren 3 via en ventil 25 som regulerer strømmen i en resirkuleringsrørledning 2 6 som forbinder utløpsside og innløpside av kompressoren. Ventilen 25 er normalt stengt og blir omstilt til åpen tilstand dersom kompressoren er i ferd med å gå i pumping. I åpen tilstand tillater ventilen resirkulering av fluid som blir returnert til kompressoren via kompressorinnløpet 9, drevet av det høyere fluidtrykket på utløpssiden. I det følgende vil ventil 25 bli kalt en pumping-ventil 25 eller ASV. In order to avoid the compressor entering a state of pumping, flow communication can be created from outlet 10 to inlet 9 outside the compressor 3 via a valve 25 which regulates the flow in a recirculation pipeline 2 6 which connects the outlet side and inlet side of the compressor. The valve 25 is normally closed and is changed to an open state if the compressor is about to start pumping. In the open state, the valve allows the recirculation of fluid which is returned to the compressor via the compressor inlet 9, driven by the higher fluid pressure on the outlet side. In the following, valve 25 will be called a pumping valve 25 or ASV.

I løsninger i tidligere kjent teknikk kan posisjonen til pumping-ventilen 25 være styrt av en pumping-styreenhet (ASC) 27. Pumping-styreenheten 27 omfatter styrelogikk konfigurert til å prosessere informasjon på dedikerte prosessparametere for å generere en ASC-kommando som bestemmer posisjonen til pumpeventilen 25. In prior art solutions, the position of the pumping valve 25 can be controlled by a pumping control unit (ASC) 27. The pumping control unit 27 comprises control logic configured to process information on dedicated process parameters to generate an ASC command that determines the position of the pump valve 25.

I systemutformingen som er skissert på figur 1 er en ASC-kommando basert på input mottatt fra trykkmålere 2 8 og 2 9 som overvåker fluidtrykket på sugesiden, henholdsvis utløpssiden av kompressoren og basert på input mottatt fra en strømningsmåler 30 brukt til å måle eller beregne strømningen i kompressorinnløpet. Alternativt eller i tillegg kan temperaturen i fluidet fra utløpet bli overvåket og sendt til pumping-styreenheten 27. In the system design outlined in Figure 1, an ASC command is based on input received from pressure gauges 2 8 and 2 9 which monitor the fluid pressure on the suction side, respectively the discharge side of the compressor and based on input received from a flow meter 30 used to measure or calculate the flow in the compressor inlet. Alternatively or additionally, the temperature in the fluid from the outlet can be monitored and sent to the pumping control unit 27.

Under stabil drift er pumping-ventilen 25 stengt eller holdt i stengt tilstand av en tilsvarende ASC-kommando (eller ved fravær av en ASC-kommando). Som en konsekvens av utilstrekkelig strømning ved kompressorinnløpet 9 vil pumpestyreenheten 27 produsere en ASC-kommando som fører til at pumpeventilen 25 åpnes, slik at resirkulering av prosessfluid kan skje for å gjenopprette og bibeholde forholdet mellom strøm og trykkforhold som kreves for stabil kompressordrift. During stable operation, the pumping valve 25 is closed or kept in a closed state by a corresponding ASC command (or in the absence of an ASC command). As a consequence of insufficient flow at the compressor inlet 9, the pump control unit 27 will produce an ASC command which causes the pump valve 25 to be opened, so that recirculation of process fluid can take place to restore and maintain the ratio between flow and pressure ratio required for stable compressor operation.

Pumpestyreenheten 27 kan utgjøre en integrert del av kompresjonssystemets styremodul 15, som illustrert på figur 1. Pumpestyreenheten 27 kan alternativt være plassert på overflaten i samband med hovedstyresystemet 14. Pumpestyreenheten 27 kan også alternativt være innrettet som en separat modul som illustrert på figur 3. The pump control unit 27 can form an integral part of the compression system's control module 15, as illustrated in figure 1. The pump control unit 27 can alternatively be located on the surface in connection with the main control system 14. The pump control unit 27 can also alternatively be arranged as a separate module as illustrated in figure 3.

Imidlertid kan pumpestyreenheten 27 og dens tilhørende målere for strømning, trykk eller temperatur, alle utelates i en fremgangsmåte for pumpestyring som er beskrevet med henvisning til en utførelse av et undersjøisk kompresjonssystem 100, illustrert på figur 2. However, the pump control unit 27 and its associated meters for flow, pressure or temperature can all be omitted in a method of pump control which is described with reference to an embodiment of a subsea compression system 100, illustrated in Figure 2.

Når ikke annet er angitt, tilsvarer kompresjonssystem 100 kompresjonssystem 1 når det gjelder strukturelle komponenter og drift. Unless otherwise noted, compression system 100 is equivalent to compression system 1 in terms of structural components and operation.

I utførelsen 100 som skal beskrives nedenfor med henvisning til figur 2, er imidlertid AMB-styreenheten 24 innrettet til å regulere posisjonen til pumpeventilen 25. For dette formålet omfatter AMB-styreenheten 24 styrelogikk som er konfigurert til å prosessere informasjon om kompressor-driftsparametere for å generere en AMB-styreenhetkommando som blir kommunisert til pumpeventilen 25 via kommunikasjonslinje 31. In the embodiment 100 to be described below with reference to Figure 2, however, the AMB control unit 24 is arranged to regulate the position of the pump valve 25. For this purpose, the AMB control unit 24 comprises control logic configured to process information about compressor operating parameters in order to generate an AMB control unit command which is communicated to the pump valve 25 via communication line 31.

En forandring i prosessen som til sist kan føre kompressoren mot pumpeområdet, vil føre til en endring i kreftene som virker på kompressorrotoren fra prosesslasten. Hvis ikke kompressorens hastighet blir tilpasset den endrede tilstanden, vil kompressorrotoren bli utsatt for relativ forskyvning og vibrasjon i form av aksiell og/eller radiell oscillasjon. Størrelsen av forskyvningen eller vibrasjonen reflekterer størrelsen av endring i kraften eller kreftene som virker på kompressorrotoren fra prosesslasten. A change in the process that can ultimately lead the compressor towards the pumping area will lead to a change in the forces acting on the compressor rotor from the process load. If the speed of the compressor is not adapted to the changed condition, the compressor rotor will be exposed to relative displacement and vibration in the form of axial and/or radial oscillation. The magnitude of the displacement or vibration reflects the magnitude of change in the force or forces acting on the compressor rotor from the process load.

Rotorvibrasjon kan opptre som lavfrekvent (LF) harmonisk oscillasjon som er overlagret på posisjonssignalet sendt fra posisjonssensorene 18. Amplituden av LF harmonisk oscillasjon reflekterer størrelsen av kreftene som virker på kompressorrotoren. Slik LF harmonisk oscillasjon kan trekkes ut fra posisjonssignalet ved hjelp av vanlig signalbehandlingsteknikk slik som f.eks. filtrering/modulering/demodulering. Rotor vibration can appear as low frequency (LF) harmonic oscillation which is superimposed on the position signal sent from the position sensors 18. The amplitude of the LF harmonic oscillation reflects the magnitude of the forces acting on the compressor rotor. Such LF harmonic oscillation can be extracted from the position signal using common signal processing techniques such as e.g. filtering/modulation/demodulation.

Andre driftsparametere utenom rotorens posisjon kan danne et underliggende grunnlag for AMB-styreenhetens kommando som bestemmer tilstanden til pumpeventilen 25. Mengden av strøm som kreves for å opprettholde rotoren i ønsket posisjon kan være en tidlig indikator på en forestående pumpetilstand. Som alternativ eller som supplement til input fra posisjonssignalet kan variasjoner i strømmen overvåkes for å detektere lavfrekvente dynamisk krefter som blir generert når kompressoren nærmer seg pumpeområdet. Input som et annet alternativ eller som tillegg til AMB-styreenheten kan være magnetfluks generert av elektromagnetene. Variasjoner i magnetfluks kan detekteres ved hjelp av dedikerte sensorer, slik som en Hall-effekt-sensor, eller kan bli beregnet av AMB-styreenheten. Operating parameters other than the position of the rotor may form an underlying basis for the AMB controller command that determines the condition of the pump valve 25. The amount of current required to maintain the rotor in the desired position may be an early indicator of an impending pump condition. As an alternative or as a supplement to the input from the position signal, variations in the flow can be monitored to detect low-frequency dynamic forces that are generated when the compressor approaches the pumping area. Input as another option or as an addition to the AMB control unit can be magnetic flux generated by the electromagnets. Variations in magnetic flux can be detected using dedicated sensors, such as a Hall effect sensor, or can be calculated by the AMB control unit.

I utførelsen 100 reagerer pumpeventilen 25 øyeblikkelig på en endring i kompressorens drift som blir prosessert i AMB-styreenheten 24 og sendt via kommunikasjonslinje 31 som en AMB-kommando som bestemmer tilstanden til pumpeventilen 25. In the embodiment 100, the pump valve 25 immediately responds to a change in the operation of the compressor which is processed in the AMB control unit 24 and sent via communication line 31 as an AMB command that determines the state of the pump valve 25.

I en annen utførelse 200, som beskrives med henvisning til figur 3, er pumpeventilen 25 aktivert via en pumpeventilomstillingsaktuator (VSA) 32. In another embodiment 200, which is described with reference to Figure 3, the pump valve 25 is activated via a pump valve switching actuator (VSA) 32.

Når ikke annet er angitt, tilsvarer kompresjonssystemet 200 kompresjonssystemene 1 og 100 når det gjelder strukturelle komponenter og drift. Unless otherwise noted, compression system 200 is equivalent to compression systems 1 and 100 in terms of structural components and operation.

I utførelsen 200 er ventilomstillingsaktuatoren 32 responsiv på signaler sendt fra pumpestyreenheten 27 via kommunikasjonslinjen 33. In the embodiment 200, the valve switching actuator 32 is responsive to signals sent from the pump control unit 27 via the communication line 33.

I tillegg er ventilomstillingsaktuatoren 32 responsiv også på innsignaler mottatt fra AMB-styreenheten 24, sendt over kommunikasjonslinjen 31. In addition, the valve switching actuator 32 is also responsive to input signals received from the AMB control unit 24, sent over the communication line 31.

Ventilomstillingsaktuatoren 32 omfatter en evalueringsenhet som er utstyrt for databehandling og konfigurert til å evaluere input mottatt fra pumpestyreenheten 27, henholdsvis fra AMB-styreenheten 24, for å avgjøre hvilken input, ASC-kommandoen eller AMB-styreenhetens kommando som skal være bestemmende for tilstanden til pumpeventilen 25. Spesielt er ventilomstillingsaktuatoren 32 innrettet til å overstyre ASC-kommandoen ved en viss betingelse som sier at AMB-styreenhetens kommando har presedens foran ASC-kommandoen. Evalueringsprosessen som blir utført av ventilomstillingsaktuatoren 32 er illustrert ved blokkskjemaene på figurene 4 og 5. The valve switching actuator 32 comprises an evaluation unit which is equipped for data processing and configured to evaluate the input received from the pump control unit 27, respectively from the AMB control unit 24, in order to determine which input, the ASC command or the AMB control unit's command shall be decisive for the state of the pump valve 25. In particular, the valve shift actuator 32 is adapted to override the ASC command upon a certain condition stating that the AMB control unit's command takes precedence over the ASC command. The evaluation process carried out by the valve switching actuator 32 is illustrated by the block diagrams in figures 4 and 5.

Figur 4 illustrerer parallell input fra AMB-styreenhetens kommando og ASC-kommandoen til ventilomstillingsaktuatoren 32. Som standard genererer ventilomstillingsaktuatoren 32 en ventilomstillingskommando basert på ASC-kommandoen under stabil drift. AMB-styreenhet-kommandoen blir avlest gjentatte ganger og evaluert i en prosessløyfe gjennom trinnene på figur 5, hvorved ventilomstillingsaktuatoren 32 blir programmert og forhåndsinnstilt til å gi AMB-styreenheten kommando til å overstyre ASC-kommandoen under følgende betingelse: - hvis AMB-styreenhetens kommando blir funnet å være SANN, vil ventilomstillingsaktuatoren 32 veksle pumpeventilen 25 til åpen tilstand (altså uansett informasjonen om ventilstatus som er i ASC-kommandoen), og hvis AMB-styreenhetens kommando finnes å være USANN, vil ventilomstillingsaktuatoren 32 stille ventilen i samsvar med ASC-kommandoen. Figure 4 illustrates parallel input from the AMB controller command and the ASC command to the valve shift actuator 32. By default, the valve shift actuator 32 generates a valve shift command based on the ASC command during steady state operation. The AMB controller command is repeatedly read and evaluated in a process loop through the steps of Figure 5 whereby the valve switching actuator 32 is programmed and preset to command the AMB controller to override the ASC command under the following condition: - if the AMB controller command is found to be TRUE, the valve switching actuator 32 will toggle the pump valve 25 to the open state (ie regardless of the valve status information contained in the ASC command), and if the AMB controller command is found to be FALSE, the valve switching actuator 32 will set the valve in accordance with the ASC the command.

Figur 6 illustrerer signalveiene for prosessparameterne som danner basis for kommandoen fra AMB-styreenheten. Figure 6 illustrates the signal paths for the process parameters that form the basis for the command from the AMB control unit.

Gyldigheten av informasjonen i kommandoen fra AMB-styreenheten blir vurdert i en prosessløyfe gjennom trinnene på figur 7. Én input til gyldighetstesten på figur 7 er aksialkraften på AMB, som er en verdi som representerer aksialkraften som virker på kompressorens rotor. Aksialkraften på AMB kan beregnes ut fra rotorens posisjonsdata, mengden av strøm tilført til elektromagnetene i de magnetiske lagrene, og amplituden av magnetfluks generert i de magnetiske lagrene. Alternativt eller i tillegg kan aksialkraften på AMB estimeres ut fra amplituden av posisjonssignalet, strømsignalet og magnetflukssignalet i frekvensdomenet spesielt ved lav frekvens der virkningen av pumping er merkbar. The validity of the information in the command from the AMB control unit is assessed in a process loop through the steps in Figure 7. One input to the validity test in Figure 7 is the axial force on the AMB, which is a value representing the axial force acting on the compressor rotor. The axial force on the AMB can be calculated from the rotor position data, the amount of current supplied to the electromagnets in the magnetic bearings, and the amplitude of magnetic flux generated in the magnetic bearings. Alternatively or in addition, the axial force on the AMB can be estimated from the amplitude of the position signal, the current signal and the magnetic flux signal in the frequency domain, especially at low frequency where the effect of pumping is noticeable.

AMB-styreenhetens kommando blir akseptert som en SANN indikator av driftsstatus for kompressoren hvis: - verdien som representerer kraften som virker på kompressorrotoren overstiger en terskelverdi. The AMB control unit's command is accepted as a TRUE indicator of the operating status of the compressor if: - the value representing the force acting on the compressor rotor exceeds a threshold value.

Ventilomstillingsaktuatoren 32 endrer altså pumpeventilen til åpen tilstand. Dersom ingen av betingelsene ovenfor er oppfylt, vil kommandoen fra AMB-styreenheten bli betraktet som USANN, og ventilomstillingsaktuatoren 32 vil som svar ignorere AMB-styreenhetens genererte kommando. The valve switching actuator 32 thus changes the pump valve to the open state. If none of the above conditions are met, the command from the AMB controller will be considered FALSE, and the valve switching actuator 32 will in response ignore the AMB controller's generated command.

Terskelverdien for aksialkraften kan være beregnet eller bestemt ved å kjøre kompressoren i test- eller i kalibreringsmodus. Spesielt kan en sammenstille et sett av terskelverdier for ulike rotorhastigheter, og lagre disse i ventilomstillingsaktuatoren 32 i form av et kompressorkart mens driftspunktet nærmer seg til pumpingområdet. The axial force threshold can be calculated or determined by running the compressor in test or calibration mode. In particular, one can compile a set of threshold values for different rotor speeds, and store these in the valve switching actuator 32 in the form of a compressor map while the operating point approaches the pumping area.

På lignende måte kan terskelverdien for LF harmonisk innhold bli forhåndsbestemt ved å kjøre kompressoren i test- eller i kalibreringsmodus. Spesielt kan en sammenstille et sett av terskelverdier for ulike rotorhastigheter, og lagre disse i ventilomstillingsaktuatoren 32 i form av et kompressorkart mens driftspunktet nærmer seg pumpeområdet. Similarly, the threshold value for LF harmonic content can be predetermined by running the compressor in test or calibration mode. In particular, one can compile a set of threshold values for different rotor speeds, and store these in the valve switching actuator 32 in the form of a compressor map while the operating point approaches the pump area.

Aktivering av pumpeventilen 25 kan oppnås ved hjelp av en hurtigåpningsfunksjon aktivert av kommando fra styreenheten for aktivt magnetisk lager. Denne funksjonen kan realiseres ved hjelp av en bryter i krafttilførselen til pumpeventilen. Activation of the pump valve 25 can be achieved by means of a quick opening function activated by command from the control unit for active magnetic bearing. This function can be realized using a switch in the power supply to the pump valve.

Dersom AMB-styreenheten ikke kan detektere en kommende pumping på et tidlig stadium, vil pumpeventilen 25 bli aktivert på kommando fra pumpestyreenheten 27, basert på input fra strømning- og/eller trykk- og/eller temperatur-sendere 28, 29. På den andre siden kan AMB-styring være forventet å reagere like raskt som strømning/trykk/temperatur-aktivert pumpestyring - eller til og med raskere. I alle tilfeller gir utførelsen 200, som vist på figur 3, backup og redundans ved pumpestyreenheten av et undersjøisk kompresjonssystem. If the AMB control unit cannot detect an upcoming pumping at an early stage, the pump valve 25 will be activated on command from the pump control unit 27, based on input from flow and/or pressure and/or temperature transmitters 28, 29. On the other since AMB control can be expected to respond as quickly as flow/pressure/temperature activated pump control - or even faster. In all cases, the embodiment 200, as shown in Figure 3, provides backup and redundancy at the pump control unit of a subsea compression system.

I alle utførelser som er beskrevet kan pumpeventilen 25 bli tilbakestilt til normalt stengt tilstand så snart den prosesserte strømningen er blitt gjenopprettet eller faren for pumping er fjernet eller unngått. Tilbakestilling av pumpeventilen kan følge en automatisk prosedyre, basert for eksempel på en ventilmekanisme som er forspend mot en lukket posisjon, eller et ventillegeme som er forspend mot en lukket tilstand, og kan alternativt skje ved en lukkekommando generert i en undersjøisk styreenhet, slik som AMB-styreenheten, eller f.eks. fra en styring på overflaten. Uansett den åpenbare nødvendigheten av å sørge for tilbakestilling av pumpeventilen etter en pumpedriftsmodus, er oppfinnelsen fokusert på overgangen fra stabil drift mot pumping, hvilket er den kritiske enden på prosessen. In all embodiments described, the pump valve 25 can be reset to the normally closed condition as soon as the processed flow has been restored or the danger of pumping has been removed or avoided. Resetting the pump valve can follow an automatic procedure, based for example on a valve mechanism that is biased towards a closed position, or a valve body that is biased towards a closed state, and can alternatively be done by a closing command generated in a subsea control unit, such as AMB -the control unit, or e.g. from a control on the surface. Regardless of the obvious necessity of providing for resetting the pump valve after a pump operation mode, the invention is focused on the transition from stable operation to pumping, which is the critical end of the process.

Foreliggende oppfinnelse er selvsagt ikke på noen måte begrenset til utførelsene som er beskrevet ovenfor, og mange muligheter for modifikasjoner av den vil være åpenbare for en fagperson uten å avvike fra grunnideen ved oppfinnelsen slik den er definert i de vedlagte patentkravene. The present invention is of course not limited in any way to the embodiments described above, and many possibilities for modifications to it will be obvious to a person skilled in the art without deviating from the basic idea of the invention as defined in the attached patent claims.

Claims

1. Method in an underwater compressor, whose rotor is supported by active magnetic bearings (20, 21, 22) for contact-free rotation, is arranged to be changed from normal operation to a pump operation mode, the method comprising: - arrangement of a pump valve ( 25) which is normally closed, in a recirculation line (26) which puts a compressor outlet (10) in flow connection with a compressor inlet (9) with the pump valve (25) in the open state, - arrangement of a control unit (24) for active magnetic bearing ( AMB) to maintain the position of the compressor rotor (3) in relation to non-rotating parts of the compressor, - determination, using stock control data, of a value representing a force acting on the compressor rotor from the process load, - comparison of the value representing the force with a threshold value indicating a pumping state, and in response to the value representing the force exceeding the threshold value: - switching the pump valve to the open position tion.

2. Method according to claim 1, in that it further comprises: - arrangement of a control unit (27) for pumping (ASC) to control the state of the pump valve (25) in response to at least one of detected flow, pressure and temperature in the processed the fluid, as a response to the value representing the force exceeding the threshold value: - override of the valve control from the pump control unit (27) and adjustment of the pump valve to the open state.

3. Method according to claim 1 or 2, the bearing control data used in determining the value representing the force comprises at least one of: i) rotor position data, ii) current strength through the magnetic bearing windings (19), iii) amplitude in magnetic flux generated in the magnetic the warehouse.

4. Method according to any one of claims 1-3, wherein the value representing the power is determined from low frequency (LF) harmonic content in at least one of: i) a signal for rotor position, ii) a current signal, iii) a magnetic flux signal, iv) a magnetic flux estimation.

5. Method according to claim 4, in that it comprises: providing a valve switching actuator (32) which is adapted to control the state of the pump valve (25) based on input command from one of: i) a pump control unit (27) based on flow and/or pressure and/or temperature, or ii) an active magnetic bearing controller (24), wherein the valve switching actuator (32) is configured to disable valve control according to the following condition: if AMB controller command = TRUE, then valve command is = open valve, otherwise valve command = ASC command.

6. Method according to claim 5, wherein the valve switching actuator (32) is configured to evaluate the AMB control unit command in accordance with the following condition: if the value representing the force exceeds the threshold value, the command from the AMB control unit is = TRUE, otherwise the command from AMB controller = FALSE.

7. A method according to any preceding claim, wherein the threshold value is predetermined while the compressor is operated in the calibration mode.

8. Method according to claim 7, in that a set of threshold values related to different speeds for the compressor rotor is collected in a compressor map.

9. Subsea compression system (100, 200) adapted to be switched from normal operation to a pump operation mode in a method according to any one of claims 1-8, the compression system comprising: - a compressor having a compressor rotor (3) supported for non-contact rotation of active magnetic bearings (20, 21, 22), - a pump valve (25) which is normally closed in a recirculation pipeline (26) which puts a compressor outlet (10) in flow connection with a compressor inlet (9) when the pump valve is open, - an active magnetic bearing control unit (AMB) (24) to maintain the position of the compressor rotor (3) relative to non-rotating parts of the compressor, as the control unit (24) for active magnetic bearing is operationally connected to the pump valve (25).

10. Subsea compression system (200) according to claim 9 in that it additionally comprises: - a pump control unit (27) arranged to regulate the condition of the pump valve (25) in response to at least one of detected flow, pressure and temperature in the processed fluid , in that the control unit for the active magnetic bearing (24) is operationally connected to the pump valve (25) in parallel with the pump control unit (27).

11. Subsea compression system according to claim 10, in that it comprises a pump valve switching actuator (32) inserted between the pump valve (25) on the one side and, respectively, pump control and active magnetic bearing control (27; 24) on the other side.

12. Subsea compression system according to claim 11, wherein the valve switching actuator (32) comprises an evaluation unit configured to generate a valve switching command based on input from either active magnetic bearing control unit (24) or pump control unit (27).

13. A subsea compression system according to any one of claims 9-12, wherein the activation of the pump valve (25) is achieved by a quick opening function activated by the active magnetic bearing control (24).

Subsea compression system according to any one of claims 10-13, activation of the pump valve (25) being achieved by means of a quick opening function activated by the active magnetic bearing control unit (24) which overrides the pump control unit (27).