NO337902B1 - Styring av pumping i en undersjøisk kompressor - Google Patents

Description

Styring av pumping i en undersjøisk kompressor

Oppfinnelsens tekniske område

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.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere kjent teknikk

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.

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.

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.

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.

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

strømning, og derved veksle kompressoren fra normal drift til det som kan kalles en pumpedriftsmodus.

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.

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.

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.

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. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

Sammenfatning av oppfinnelsen

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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,

idet AMB-styreenheten er driftsmessig koblet til pumping-ventilen .

Utførelser av kompresjonssystem omfatter:

- 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.

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.

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.

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.

Videre fordeler samt fordelaktige særtrekk av fremgangsmåte og system i foreliggende oppfinnelse vil fremgå av følgende beskrivelse og de avhengige kravene.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene

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.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Når ikke annet er angitt, tilsvarer kompresjonssystem 100 kompresjonssystem 1 når det gjelder strukturelle komponenter og drift.

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.

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.

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.

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.

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.

I en annen utførelse 200, som beskrives med henvisning til figur 3, er pumpeventilen 25 aktivert via en pumpeventilomstillingsaktuator (VSA) 32.

Når ikke annet er angitt, tilsvarer kompresjonssystemet 200 kompresjonssystemene 1 og 100 når det gjelder strukturelle komponenter og drift.

I utførelsen 200 er ventilomstillingsaktuatoren 32 responsiv på signaler sendt fra pumpestyreenheten 27 via kommunikasjonslinjen 33.

I tillegg er ventilomstillingsaktuatoren 32 responsiv også på innsignaler mottatt fra AMB-styreenheten 24, sendt over kommunikasjonslinjen 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.

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.

Figur 6 illustrerer signalveiene for prosessparameterne som danner basis for kommandoen fra AMB-styreenheten.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte i en undersjøisk kompressor, hvis rotor er understøttet av aktive magnetiske lagre (20, 21, 22) for kontaktfri rotasjon, er innrettet til å bli omstilt fra normal drift til en pumpedriftsmodus, idet fremgangsmåten omfatter: - innretning av en pumpeventil (25) som normalt er stengt, i en resirkuleringslinje (26) som setter et kompressorutløp (10) i strømningsforbindelse med et kompressorinnløp (9) med pumpeventilen (25) i åpen tilstand, - innretning av en styreenhet (24) for aktivt magnetisk lager (AMB) til å opprettholde posisjonen til kompressorrotoren (3) i forhold til ikke-roterende deler av kompressoren, - bestemmelse, ved å nytte lagerstyredata, av en verdi som representerer en kraft som virker på kompressorrotoren fra prosesslasten, - sammenligning av verdien som representerer kraften med en terskelverdi som indikerer en pumping-tilstand, og som respons på at verdien som representerer kraften overskrider terskelverdien: - omstilling av pumpeventilen til åpen posisjon.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, idet den videre omfatter: - innretning av en styreenhet (27) for pumping (ASC) til å styre tilstanden til pumpeventilen (25) som svar på minst én av detektert strømning, trykk og temperatur i det prosesserte fluidet, idet som respons på at verdien som representerer kraften overstiger terskelverdien: - overstyring av ventilstyringen fra pumpestyreenheten (27) og omstilling av pumpeventilen til åpen tilstand.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, idet lagerstyredata brukt ved bestemmelse av verdien som representerer kraften omfatter minst én av: i) rotorposisjonsdata, ii) strømstyrke gjennom de magnetiske lagerviklingene (19), iii) amplitude i magnetfluks generert i det magnetiske lageret.

4. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1-3, idet verdien som representerer kraften blir bestemt ut fra lavfrekvent (LF) harmonisk innhold i minst én av: i) et signal for rotorposisjon, ii) et strømsignal, iii) et magnetflukssignal, iv) en magnetfluks-estimering.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, idet den omfatter: å sørge for en ventilomstillingsaktuator (32) som er innrettet til å styre tilstanden til pumpeventilen (25) basert på inputkommando fra en av: i) en pumpestyreenhet (27) basert på strømning og/eller trykk og/eller temperatur, eller ii) en styreenhet (24) for aktivt magnetisk lager, idet ventilomstillingsaktuatoren (32) er konfigurert til å uføre ventilstyring i samsvar med følgende betingelse: hvis AMB-styreenhetkommando = SANN, da er ventilkommando = åpen ventil, ellers er ventilkommando = ASC-kommando.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, idet ventilomstillingsaktuatoren (32) er konfigurert til å evaluere AMB-styreenhetens kommando i samsvar med følgende betingelse: hvis verdien som representerer kraften overskrider terskelverdien, er kommandoen fra AMB-styreenheten = SANN, ellers er kommandoen fra AMB-styreenheten = USANN.

7. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet terskelverdien er forhåndsbestemt mens kompressoren kjøres i kalibreringsmodus.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, idet et sett av terskelverdier relatert til ulike hastigheter for kompressorrotoren blir samlet i et kompressorkart.

9. Undersjøisk kompresjonssystem (100, 200) innrettet til å bli omstilt fra normal drift til en pumpedriftsmodus i en fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1-8, idet kompresjonssystemet omfatter: - en kompressor som har en kompressorrotor (3) understøttet for kontaktfri rotasjon av aktive magnetiske lagre (20, 21, 22) , - en pumpeventil (25) som normalt er stengt i en resirkuleringsrørledning (26) som setter et kompressorutløp (10) i strømningsforbindelse med et kompressorinnløp (9) når pumpeventilen er åpen, - en aktiv magnetisk lagerstyreenhet (AMB) (24) til å opprettholde posisjonen av kompressorrotoren (3) i forhold til ikke-roterende deler av kompressoren, idet styreenheten (24) for aktivt magnetisk lager er driftsmessig koblet til pumpeventilen (25).

10. Undersjøisk kompresjonssystem (200) i henhold til krav 9 idet det i tillegg omfatter: - en pumpestyreenhet (27) innrettet til å regulere tilstanden til pumpeventilen (25) som svar på minst én av detektert strømning, trykk og temperatur i det prosesserte fluidet, idet styreenheten for det aktive magnetiske lageret (24) er driftsmessig koblet til pumpeventilen (25) i parallell med pumpestyreenheten (27).

11. Undersjøisk kompresjonssystem i henhold til krav 10, idet det omfatter en pumpeventilomstillingsaktuator (32) innsatt mellom pumpeventilen (25) på den ene siden og henholdsvis pumpestyring og aktiv magnetisk lagerstyring (27; 24) på den andre siden.

12. Undersjøisk kompresjonssystem i henhold til krav 11, idet ventilomstillingsaktuatoren (32) omfatter en evalueringsenhet konfigurert til å generere en ventilomstillings kommando basert på input fra enten aktiv magnetisk lagerstyreenhet (24) eller pumpestyreenhet (27).

13. Undersjøisk kompresjonssystem i henhold til hvilket som helst av kravene 9-12, idet aktiveringen av pumpeventilen (25) blir oppnådd ved en hurtigåpningsfunksjon aktivert av den aktive magnetiske lagerstyringen (24).

14. Undersjøisk kompresjonssystem i henhold til hvilket som helst av kravene 10-13, idet aktivering av pumpeventilen (25) blir oppnådd ved hjelp av en hurtigåpnings-funksjon aktivert av den aktive magnetiske lagerstyreenheten (24) som overstyrer pumpestyreenheten (27).