JP6979977B2 - Compressor surge protection under wet gas conditions - Google Patents
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Description
本開示は、圧縮機制御方法およびシステムに関する。本明細書で開示される実施形態は、具体的には、重質炭化水素、水等の液相を含むことができるガスを処理する湿潤ガス圧縮機、特に遠心湿潤ガス圧縮機に関する。 The present disclosure relates to compressor control methods and systems. The embodiments disclosed herein specifically relate to wet gas compressors, particularly centrifugal wet gas compressors, that process gases that can contain liquid phases such as heavy hydrocarbons, water and the like.
遠心圧縮機は、いわゆる湿潤ガス、すなわち特定の割合の液相を含むことができるガスを処理するように設計されている。海底坑井などの井戸から抽出されたガスが液体炭化水素相または水を含むことができる石油およびガス産業では、しばしば湿潤ガス処理が必要とされる。 Centrifugal compressors are designed to process so-called wet gases, that is, gases that can contain a particular proportion of the liquid phase. Wet gas treatment is often required in the petroleum and gas industry where gas extracted from wells such as submarine wells can contain liquid hydrocarbon phases or water.
ガス中の液相の存在および割合は圧縮機の運転に影響を及ぼし、特に圧縮機の安全運転の範囲を決定するサージ限界に影響を及ぼし得る。しかしながら、通常、圧縮機の吸入側でのガス流中の液体体積分率は分かっていない。液体体積分率を測定することができる流量計は煩雑で高価であり、極端な環境条件下では特定の用途には適さない可能性がある。 The presence and proportion of the liquid phase in the gas can affect the operation of the compressor, especially the surge limits that determine the safe operating range of the compressor. However, usually, the liquid volume fraction in the gas flow on the suction side of the compressor is not known. Flowmeters capable of measuring liquid volume fractions are cumbersome and expensive and may not be suitable for a particular application under extreme environmental conditions.
したがって、特にサージ防止に関する限り、湿潤ガス圧縮機の動作を確実かつ効率的に制御するための必要性が存在する。 Therefore, there is a need to reliably and efficiently control the operation of the wet gas compressor, especially as far as surge protection is concerned.
第1の態様によれば、湿潤ガス条件下での圧縮機のサージ防止保護のための方法が本明細書に開示される。圧縮機は、吸入側と吐出側とを含む。サージ防止システムは、圧縮機の吐出側と吸入側との間に配置される。本明細書に開示された実施形態によれば、この方法は、
圧縮比対補正動力線図におけるサージ限界線を計算するステップと、
前記圧縮比対補正動力線図における圧縮機動作点を決定するステップと、
前記動作点と前記サージ限界線との間の距離を検出するステップと、
距離が最小安全距離よりも小さい場合、圧縮機のサージ防止システムに作用するステップと
を含む。
According to the first aspect, a method for surge protection protection of a compressor under wet gas conditions is disclosed herein. The compressor includes a suction side and a discharge side. The surge protection system is located between the discharge side and the suction side of the compressor. According to the embodiments disclosed herein, this method is:
Steps to calculate the surge limit line in the compression ratio vs. correction power diagram,
The step of determining the compressor operating point in the compression ratio vs. correction power diagram, and
The step of detecting the distance between the operating point and the surge limit line,
If the distance is less than the minimum safe distance, it includes steps that act on the compressor's surge protection system.
さらなる態様によれば、吸入側および吐出側を有する圧縮機と、サージ防止制御装置と、サージ防止制御装置に機能的に結合された制御ユニットと、を備えた湿潤ガス圧縮機システムが本明細書に開示される。制御ユニットは、上記のような方法を実行するように構成され、配置される。 According to a further aspect, a wet gas compressor system comprising a compressor having a suction side and a discharge side, a surge prevention control device, and a control unit functionally coupled to the surge prevention control device is described herein. Will be disclosed in. The control unit is configured and arranged to perform the method as described above.
圧縮比対補正動力線図は、圧縮機性能が、圧縮機上の圧縮比と圧縮機の補正動力との間の関係の関数として表される図である。 The compression ratio vs. correction power diagram is a diagram in which the compressor performance is expressed as a function of the relationship between the compression ratio on the compressor and the correction power of the compressor.
特徴および実施形態が、本明細書で以下に開示されており、添付の特許請求の範囲においてさらに説明されている。添付の特許請求の範囲は、本明細書の必須の部分を形成する。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をより深く理解できることを目的とし、さらに当該技術分野に対する本発明の寄与をより評価できるようにするために、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。もちろん本発明には他にも特徴があり、他の特徴は以下に説明され、添付の特許請求の範囲に記載される。この点で、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態が、それらの応用において、以下の説明に記載され、あるいは図面に示される構成の詳細および構成要素の配置に制限されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態も可能であり、様々な方法で実施および実行することができる。また、本明細書で用いられる表現および用語は説明を目的とするものであり、限定とみなすべきではないことを理解されたい。 Features and embodiments are disclosed herein below and are further described in the appended claims. The appended claims form an essential part of the specification. The above brief description is intended to provide a deeper understanding of the following detailed description, and to further assess the contribution of the invention to the art, the features of various embodiments of the invention. It is described. Of course, the present invention has other features, the other features being described below and described in the appended claims. In this regard, prior to elaborating on some embodiments of the invention, various embodiments of the invention are described in the following description or in the drawings in their applications with the details of the configurations and the configurations shown in the drawings. It should be understood that there are no restrictions on the placement of components. Other embodiments are possible and the invention can be practiced and practiced in a variety of ways. It should also be understood that the expressions and terms used herein are for illustration purposes only and should not be considered limiting.
このように、当業者であれば、本開示が基づく構想が、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造体、方法、および/またはシステムを設計する基礎として容易に利用することができることを理解するであろう。したがって、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、特許請求の範囲はこのような等価な構成を含むとみなすことが重要である。 Thus, one of ordinary skill in the art can readily use the concepts under this disclosure as the basis for designing other structures, methods, and / or systems for carrying out some of the objects of the invention. You will understand that you can. Therefore, it is important to consider that the scope of claims includes such an equivalent configuration as long as it does not deviate from the gist and scope of the present invention.
本発明の開示された実施形態、および本発明の多くの付随する利点のより全面的な理解は、添付の図面と結び付けて検討される際、以下の詳細な説明を参照することにより、これらがよりよく理解される場合に容易に得られる。 A more complete understanding of the disclosed embodiments of the invention and many of the accompanying advantages of the invention, when considered in connection with the accompanying drawings, may be by reference to the following detailed description. Easily obtained when better understood.
例示的な実施形態についての以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。別々の図面における同じ参照番号は、同じかまたは同様の要素を表す。さらに、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。 In the following detailed description of the exemplary embodiment, reference is made to the accompanying drawings. The same reference numbers in different drawings represent the same or similar elements. Moreover, the drawings are not always drawn to scale. Moreover, the following detailed description does not limit the present invention. Alternatively, the scope of the invention is defined by the appended claims.
本明細書全体を通して「一実施形態」「実施形態」または「いくつかの実施形態」への言及は、ある実施形態と結び付けて説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な場所で「一実施形態では」「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という表現が現れても、必ずしも同じ実施形態(単数および複数)を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、1つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされてもよい。 References to "one embodiment," "embodiment," or "several embodiments" throughout the specification are subjects in which specific features, structures, or properties are disclosed in connection with certain embodiments. Means to be included in at least one embodiment of. Accordingly, the expressions "in one embodiment," "in an embodiment," or "in some embodiments" that appear in various places throughout the specification do not necessarily refer to the same embodiment (singular and plural). is not it. In addition, specific features, structures or properties may be combined in any suitable manner in one or more embodiments.
図1は、ドライバ3および負荷5を備えたシステム1を概略的に示している。負荷5は、例えば遠心圧縮機である圧縮機7を含む。シャフト9は、ドライバ3を負荷5に駆動的に接続する。ドライバ3は、電気モータ、ガスタービンエンジン、蒸気タービン、または他の適切なドライバとすることができる。
FIG. 1 schematically shows a
圧縮機7は、圧縮機吸入側7Sおよび圧縮機吐出側7Dを備える。圧縮機7には、サージ防止システムがさらに設けられている。図1の概略図において、サージ防止システムは、吐出側7Dおよび吸入側7Sに流体的に結合されたラインまたはダクト11を備える。さらに、サージ防止システムは、サージ防止ライン11上に配置されたサージ防止バルブ13を備える。圧縮機の動作点がサージ限界線に近づくと、圧縮機内のサージ現象を防止するために、圧縮機7の吐出側7Dから吸入側7Sへガスを再循環させるようにサージ防止バルブ13を制御可能に開くことができる。
The
いくつかの実施形態では、圧力トランスデューサ15および温度トランスデューサ17が、吸入側7Sでのガスのガス吸入圧力Psおよびガス吸入温度Tsを測定するために、圧縮機7の吸入側7Sに配置される。さらに、別の圧力トランスデューサ19および別の温度トランスデューサ21が、ガス吐出圧力Pdおよびガス吐出温度Tdを測定するために、圧縮機7の吐出側7Dに配置される。
In some embodiments, the
システム1は、圧縮機7の吐出側7Dおよび吸入側7Sにおけるガス温度および圧力の測定値を収集するために、圧力トランスデューサおよび温度トランスデューサ15,17,19,21に機能的に結合され得る制御ユニット23をさらに備える。制御ユニット23は、サージ防止バルブ13を選択的に開閉するように構成され配置されたアクチュエータ13Aにさらに機能的に結合され得る。参照番号25は、一般に、制御ユニット23のための記憶メモリリソースを示し、記憶メモリリソースは、以下に詳細に説明するように、圧縮機7のサージ防止制御に有用なデータを格納することができる。
制御ユニット23は、圧縮機7によって処理されたガスに関するデータなどのさらなる入力情報を受け取るように構成および配置され得る。ブロック27は、例えば、圧縮機7によって処理されるガスの平均モル質量Mwに関する情報を提供するデータ入力を概略的に表している。
The
参照番号29は、例えば圧縮機7の回転速度N、圧縮機7を回転させるのに必要な駆動力Wのような追加の情報、およびシステム1を制御するのに有用または必要であり得る任意の追加の情報を制御ユニット23に提供する1つまたは複数の別のプロセスパラメータトランスデューサを概略的に示している。
圧縮機7のサージ防止制御を、図2の線図を用いて行うことができる。圧縮機7の圧縮比すなわち圧力比PRは、図2の線図の縦軸にプロットされている。吸収された動力、すなわち圧縮機7を回転させるのに必要な動力に依存する無次元パラメータが、図2の線図の横軸にプロットされている。無次元パラメータは、実際の駆動力W、ガスの吸入圧力Psおよび吸入温度Tsの関数であり、処理されるガスのパラメータおよび圧縮機の特性にさらに依存し得る。
Surge prevention control of the
いくつかの実施形態によれば、図2の線図の横軸には、次の式で定義される無次元補正動力Wcorrがプロットされている: According to some embodiments, the dimensionless correction power Wcorr defined by the following equation is plotted on the horizontal axis of the diagram of FIG.
Wは、圧縮機7によって吸収された実測動力であり、
Ps,Tsは、圧縮機7の吸入側のガス圧力および温度であり、
Mwは、圧縮機7によって処理されたガスの平均モル質量であり、
Zsは、圧縮機吸入側でのガスの圧縮率であり、
Rは、ガス定数であり、
kvsは、圧縮機吸入側におけるガスの等エントロピー体積指数であり、
Dは、インペラの直径である。
W is the measured power absorbed by the
Ps and Ts are the gas pressure and temperature on the suction side of the
Mw is the average molar mass of the gas processed by the
Zs is the compression rate of the gas on the suction side of the compressor.
R is a gas constant,
kvs is the isentropic volume index of the gas on the suction side of the compressor.
D is the diameter of the impeller.
所与の動作パラメータのセットに対して、吸入限界線SLLを図2の線図にプロットすることができ、これにより、実際の液体質量分率(LMF)またはガスの液体体積分率(LVF)、すなわち、湿潤ガス中の液相の質量または容積百分率の知識を必要とせずに圧縮機7のサージ防止制御が可能になることが分かった。
For a given set of operating parameters, the suction limit line SLL can be plotted in the diagram of FIG. 2, which allows the actual liquid mass fraction (LMF) or gas liquid volume fraction (LVF). That is, it has been found that surge prevention control of the
所与の圧縮機7について、SLLは圧縮機7の吸入側7Sにおけるガス状態、すなわち吸入温度Tsおよび吸入圧力Psの関数である。さらに、SLLは、圧縮機7の回転速度、ならびに圧縮機7の吸入側7Sにおけるガスの平均モル質量Mwおよびガスの圧縮率Zsの関数である。したがって、SLLを以下のように表すことができる:
SLL=f(Ts,Ps,Zs,Mw,N) (2)
サージ限界線SLLを規定する関数に現れるパラメータのいくつか、具体的には吸入側における平均モル質量Mwおよび圧縮率Zsは、ガスの化学組成に依存する。圧縮機7によって処理されるガスの化学組成は、通常、時間の間に非常にゆっくりと変化し、比較的長い時間、例えば24時間にわたり準定常とみなすことができる。ガスクロマトグラフにガスの一部を流すことにより、ガスの化学組成をインラインで分析することができる。他の実施形態では、例えばガスダクトからガスサンプルを採取することにより、ガス組成をオフラインで分析することができる。どのようにガスを分析するかに関係なく、平均モル質量およびガスの圧縮率を決定することができる。
For a given
SLL = f (Ts, Ps, Zs, Mw, N) (2)
Some of the parameters appearing in the function defining the surge limit line SLL, specifically the average molar mass Mw and the compressibility Zs on the suction side, depend on the chemical composition of the gas. The chemical composition of the gas processed by the
残りのパラメータを、圧縮機7の動作中にシステム1のトランスデューサによって検出することができる。
The remaining parameters can be detected by the transducer of the
サージ限界線SLLは、乾燥ガス状態(液体質量分率,LMF=0%)に対応する第1の終点から、最大液体含量(LMF=LMFmax)に対応する第2の終点まで延びる。 The surge limit line SLL extends from the first end point corresponding to the dry gas state (liquid mass fraction, LMF = 0%) to the second end point corresponding to the maximum liquid content (LMF = LMFmax).
したがって、システム1の動作中、制御ユニット23に機能的に結合されたトランスデューサによって検出される、圧縮機の特徴、処理されるガスのパラメータ、およびシステム1の動作パラメータに基づいて、現在のSLLを決定することができる。制御ユニット23は、吸入圧力(Ps)、吸入温度(Ts)、角速度(N)、平均モル質量(Mw)および圧縮率(Zs)の検出値に基づいて、例えばテーブル形式で格納されたデータに基づいて、および/または補間によって、現在の吸入限界線SLLを計算する。SLLの計算のためのデータは、記憶メモリリソース25に格納することができる。さらに、上記のデータおよび圧縮機7によって現在吸収されている実際の動力Wに基づいて、補正動力Wcorrが式(1)によって計算される。圧縮機7の実際の動作点が決定され、動作点は図2の線図の座標[Wcorr;PR=Pd/Ps]となる。次いで、実際の動作点と計算されたSLLとの間の距離が決定される。前記距離に基づいて、必要であればサージ防止制御ルーチンが開始され、サージ防止バルブの開度を制御する。サージ防止バルブを、現行の技術的方法に従って制御することができる。一般に、距離が安全値よりも小さい場合には、サージ防止バルブ13が開かれる。この距離が安全値以上であれば、サージ防止バルブ13は閉状態に維持される。
Therefore, during the operation of the
これまでに説明した制御方法を図3のフローチャートにまとめる。フローチャートの最後のブロックは、サージ防止バルブ制御を表す。 The control methods described so far are summarized in the flowchart of FIG. The last block in the flow chart represents surge protection valve control.
本明細書で説明される主題の開示された実施形態が図面に示され、いくつかの例示的な実施形態と結び付けて具体的かつ詳細に上で十分に説明されてきたが、多くの修正、変更、および省略が、本明細書に記載された新たな教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に述べられる主題の利点から著しく逸脱することなく可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を含むように、添付の特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ定められるべきである。また、いかなる方法または方法ステップの順序または並びは、代替的な実施形態によって変更、または再度順序付けすることもできる。 The disclosed embodiments of the subject matter described herein are shown in the drawings and have been described in detail and in detail above in connection with some exemplary embodiments, but with many modifications. Modifications and omissions are possible to those skilled in the art without significantly departing from the advantages of the new teachings, principles, and concepts described herein, as well as the subject matter set forth in the appended claims. It will be obvious. Therefore, the appropriate scope of the disclosed innovations should only be defined by the broadest interpretation of the appended claims, including all such modifications, changes, and omissions. Also, the order or sequence of any method or method step may be modified or reordered by alternative embodiments.
1 システム
3 ドライバ
5 負荷
7 圧縮機
7D 圧縮機吐出側
7S 圧縮機吸入側
9 シャフト
11 サージ防止ライン、ダクト
13 サージ防止バルブ
13A アクチュエータ
15 圧力トランスデューサ
17 温度トランスデューサ
19 圧力トランスデューサ
21 温度トランスデューサ
22 制御ユニット
25 記憶メモリリソース
Mw 平均モル質量
N 回転速度
PR 圧力比
Pd ガス吐出圧力
Ps ガス吸入圧力
SLL サージ限界線、吸入限界線
Td ガス吐出温度
Ts ガス吸入温度
W 駆動力、動力
Wcorr 無次元補正動力
Zs 圧縮率
R ガス定数
kvs 等エントロピー体積指数
D インペラの直径
1
Claims (7)
前記圧縮機(7)の回転速度(N)を特定するステップと、
前記圧縮機(7)の吸入側(7S)のガスの吸入温度(Ts)および吸入圧力(Ps)を特定するステップと、
前記ガスの平均モル質量(Mw)を特定するステップと、
前記圧縮機(7)の吸入側(7S)の前記ガスの圧縮率(Zs)を特定するステップと、
前記回転速度(N)と、前記吸入温度(Ts)と、前記吸入圧力(Ps)と、前記平均モル質量(Mw)と、前記圧縮率(Zs)と、の関数としてサージ限界線(SSL)を計算するステップと、
前記圧縮機(7)を駆動するのに必要な駆動力(W)と、前記吸入温度(Ts)と、前記吸入圧力(Ps)と、前記平均モル質量(Mw)と、前記圧縮率(Zs)と、の関数として補正動力を計算するステップと、
圧縮比対補正動力線図における前記圧縮機(7)の動作点を特定するステップと、
前記圧縮比対補正動力線図における前記動作点と前記サージ限界線(SSL)との間の距離を検出するステップと、
前記距離が最小安全距離よりも小さい場合、前記圧縮機(7)のサージ防止システムに作用するステップと
を含む、方法。 A method for surge protection protection of a compressor (7) under moist gas conditions, wherein the compressor (7) comprises a suction side (7S), a discharge side (7D), and a surge protection system. The method is
The step of specifying the rotation speed (N) of the compressor (7) and
A step of specifying the suction temperature (Ts) and suction pressure (Ps) of the gas on the suction side (7S) of the compressor (7), and
The step of specifying the average molar mass (Mw) of the gas and
A step of specifying the compressibility (Zs) of the gas on the suction side (7S) of the compressor (7), and
The surge limit line (SSL) is a function of the rotation speed (N), the suction temperature (Ts), the suction pressure (Ps), the average molar mass (Mw), and the compressibility (Zs). And the steps to calculate
The driving force (W) required to drive the compressor (7), the suction temperature (Ts), the suction pressure (Ps), the average molar mass (Mw), and the compression rate (Zs). ) and, calculating a corrected dynamic forces as a function of,
The step of specifying the operating point of the compressor (7) in the compression ratio vs. correction power diagram, and
The step of detecting the distance between the operating point and the surge limit line (SSL) in the compression ratio pair correction power diagram, and
A method comprising the step of acting on the surge protection system of the compressor (7) if the distance is less than the minimum safe distance.
Wは、前記圧縮機(7)を駆動するのに必要な駆動力であり、
Ps,Tsは、前記圧縮機(7)の前記吸入側(7S)の前記ガスの吸入圧力および吸入温度であり、
Mwは、前記圧縮機(7)によって処理された前記ガスの平均モル質量であり、
Zsは、前記圧縮機(7)の前記吸入側(7S)での前記ガスの圧縮率であり、
Rは、ガス定数であり、
kvsは、前記圧縮機(7)の前記吸入側(7S)における前記ガスの等エントロピー体積指数であり、
Dは、インペラの直径である、
請求項4に記載の方法。 The correction power is calculated as follows,
Ps and Ts are the suction pressure and the suction temperature of the gas on the suction side (7S) of the compressor (7).
Mw is the average molar mass of the gas processed by the compressor (7).
Zs is the compressibility of the gas in the suction side (7S) of the compressor (7),
R is a gas constant,
kvs is the isentropic volume index of the gas on the suction side (7S) of the compressor (7).
D is the diameter of the impeller,
The method according to claim 4.
サージ防止システムと、
前記サージ防止システムに機能的に結合された制御ユニット(23)と、
を備えた湿潤ガス圧縮機システム(1)であって、
前記制御ユニット(23)は、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の方法を実行するように構成され配置されている、
湿潤ガス圧縮機システム(1)。 A compressor (7) having a suction side (7S) and a discharge side (7D),
Surge protection system and
A control unit (23) functionally coupled to the surge prevention system,
Wet gas compressor system (1) equipped with
The control unit (23) is configured and arranged to perform the method according to any one of claims 1 to 6.
Wet gas compressor system (1).
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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