Condition monitoring - Validation of flowmeters

Abstract

Sentrifugalkompressorer er en av de viktigste turbomaskinene som brukes og spiller en sentral rolle i den nåværende energi situasjonen. På grunn av den enorme mengden effekt assosiert med de industrielle applikasjonene vil selv korte stopp resulterer i vesentlig finansielle tap. Dermed stilles høye krav til produsent og operatør i forhold til operasjonell pålitelighet. Et kritisk problem som kan generer stopp er et fenomen kalt surge.

Surge er et ustabilt strømnings fenomen som opptrer ved lave innløps strømninger. Når kompressoren operer i surge vil trykket fluktuere syklisk gjennom kompressoren og i ytterste konsekvens oppstår mekanisk sammenbrudd. På grunn av farene dette medfører er det å kunne forutse surge veldig viktig, noe som krever pålitelige prosessmålinger. Dette er spesielt relevant for målinger av volum strømninger ved kompressorens innløp. Derfor er kunnskap angående strømmsmålinger grunnleggende for å kunne undersøke surge syklus i form av nøyaktighet, pulserende og reverserende strømning.

Hovedmålet med denne oppgaven har vært å bidra i undersøkelsen av surge syklus ved kompressor anlegget hos Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU) relatert til pålitelige strømningsmålinger. En usikkerhetshetsanalyse og trykktest har blitt gjennomført for å undersøke om de eksiterende gjennomstrømningsmålerne gir nøyaktige og pålitelige målinger under surge. Den anvendte usikkerhetsanalysen viser en relativ utvidet usikkerhet på over 5 % med en massestrøm på under 0.5 kg/s på kompressor anleggets blendeplate. Trykktesten viser en langsom responstid og en signalforsinkelse på 160 ms mellom blendeplaten og venturimeteret. Basert på en helhetsvurdering er nye differensial trykktransmittere anskaffet for å øke nøyaktigheten ved lave strømninger, gi raskere respons tid og fjerne signalforsinkelsen.

Hvordan reverserende strømning påvirker venturimeter målingene er avgjørende for undersøkelsen av surge syklus. En eksperimentell undersøkelse er gjennomført med bruk av en pålitelig måleblende som referanse for å se hvordan reverserende strømning påvirker venturimeteret. Testen viser at venturimeteret måler vesentlig feil under reverserende strømning sammenlignet med normal strømningsretning. I tillegg er et forsøk med kompressor surge syklus undersøkt. Et negativ differensial trykk ble oppdaget på venturimeteret som ifølge fluidmekanikkens lover ikke skal inntreffe og dette må undersøkes nærmere.

Centrifugal compressors are one of the most important turbomachines utilized and play a fundamental role in the existing world energy situation. Due to the enormous amount of power associated with their industrial applications, even short downtime results in substantial financial losses. Thus, high demands are placed on manufacturers and operators concerning operational reliability. A critical problem that can create downtime is a phenomenon named surge.

Surge is an unsteady flow phenomenon occurring at low inlet flow rates. As the compressor is operating under surge condition, the pressure fluctuates cyclically through the compressor. In the worst case, mechanical breakdown occurs. Because of these dangers in operation, surge prediction is crucial, which requires reliable process data. This is especially relevant for the compressor inlet volume flow. Hence, knowledge regarding flow measurement is pivotal when investigating the surge cycle in terms of accuracy, transient, and reverse flow.

The main objective of the work has been to contribute to the investigation of surge cycle research in the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) compressor test facility related to reliable flow measurements. An uncertainty analysis and pressure test has been performed to investigate if the existing flowmeters give an accurate and reliable measurement under the surge cycle.

The applied uncertainty analysis shows a relative expanded uncertainty of over 5 % with a mass flow rate under 0.5 kg/s on the compressor test facility orifice plate. The pressure test shows a slow response time and a signal delay of 160 ms between the orifice plate and venturi meter. Based on an overall assessment, new differential pressure transmitters were acquired to improve the accuracy at low flow rates, give a faster response time and remove the signal delay.

Further, how reverse flow affects the venturi meter is vital in the investigation of the surge cycle. An experimental test has been conducted using a reliable orifice plate as a reference to see how reverse flow affects the venturi meter. The experimental result reveals that the venturi meter gives a significant measuring error under reverse flow compared to normal flow. In addition, a compressor surge cycle experiment has been explored. A negative DP value was detected on the venturi meter, which of the principle of fluid mechanics should not occur and calls for further investigations.