Transient Compressor System Analysis

Abstract

Det pågåande arbeidet mot ein meir kostnadseffektiv og miljøvennleg olje- og gassindustri har ført til visjonen om undervassfabrikkar og utviklinga av våtgass kompressorsystem. Erfaringa med slike typar system er fortsatt på begynnarstadiet, og mange av effektane væska har på systemytelsen er fortsatt ukjent.

Testing og dokumentasjon av kompressorytelse under våte forhold har pågått i mange år, og ein del kunnskap er innhenta. Til no har forskinga i hovudsak fokusert på ytelsen under stabile driftsforhold, og vidare undersøking av ytelse under ustabile driftsforhold er naudsynt. Dette for å oppnå like stabil og forutsigbar drift av våtgassystem som tørrgassystem. Erfaring frå tørrgassystem syner at kompressoren har ein tendens til å entre det ustabile området av kompressorkarakteristikken i nedkøyringsforløpet, ein skadeleg situasjon for maskineriet.

Dette prosjektet inneheld eksperimentelt arbeid utført ved NTNU sitt våtgass kompressorlaboratorium. Det første målet er å etablere teknikkar for å justere nedkøyringsforløpet til testkompressoren. Ein teknikk bygd på justering av systemresistanse ved å lukke utløps-strupeventilen ved nedkjøring syner gode resultat. Ei sensitivitetsanalyse av parameterane rampetid, haldetid på ventil endeposisjon, og ventil endeposisjon syner korleis desse parametrane påverkar nedkøyringsforløpet, og korleis dei kan nyttast til justering.

Vidare vert systemresponsen ved tap av drivkraft under våte forhold undersøkt. Systemresponsen viser seg å verte påverka i form av raskare reduksjon i impellerhastigheit grunna den økte fluidkrafta. Dette fører til at også volumstraumen vert redusert. Eit raskare fall i trykkforhold over kompressoren er dokumentert. Det økte trykkfallet utmerka seg spesielt like etter at drivkrafta vart broten. Dette er truleg eit resultat av raskare reduksjon i kinetisk energi for impelleren.

Strøymings- og ventildynamikk endrar seg i våte forhold. Ei auking i trykkforskjell over ventilen er observert ved opp-ramping. Dette er knytt til den låge gass-massefraksjonen og akkumulering av væske ved låge gasshastigheitar. Resultata syner også ei forseinking i straumingsauke når ventil vert rampa opp. Aukinga i responstid er knytt til den auka tettleiken til fluidet og responstida til vassdråpane.

Prosjektet bekreftar nødvendigheita av vidare undersøking innan systemytelse ved ustabile, våte driftsforhold. Mange interessante områder som krev meir merksemd har dukka opp i løpet av prosjektperioden, og forslag til vidare arbeid er presentert.

The continuous strive towards a more efficient and environmental friendly oil and gas industry has led to the vision of subsea factories and the development of wet gas compressor systems. Experience with such systems is novel, and several effects of liquid presence on system performance is still to be determined.

Testing and documentation of wet gas compressor performance have been ongoing for years, and some knowledge is retrieved. While previous research have mainly focused on the steady-state performance of the compressor, further investigation of the transient performance is necessary. This is important for obtaining as reliable operation for wet gas systems as for dry gas systems. Experience from dry gas systems indicate that the compressor have a tendency of entering the unstable area of the characteristics during rundown, damaging the machinery.

This project includes an experimental campaign conducted at the NTNU wet gas compression test facility. The first aim is to establish techniques for tuning the compressor rundown trajectory. A technique of modifying system resistance by ramping down the discharge throttle valve during rundown demonstrates good results. A sensitivity analysis of valve ramp time, hold time at valve end position, and valve end position reveals how these parameters affect rundown behaviour and how they can be utilized for tuning.

Furthermore, the system response to driver trip when exposed to wet gas is investigated. The trip response is affected in regards of faster impeller speed decay, owing to the increased fluid power. This again results in faster reduction of volumetric flow. A faster drop in pressure ratio, especially pronounced directly after trip initiation, is documented. This is attributed to the faster dissipation of impeller kinetic energy.

Flow and valve dynamics changes under the presence of liquid. Increased valve pressure differential is observed during valve ramp up, attributed to low GMF and liquid accumulation at low flow rates. The results also reveal a delay in flow gain, owing to the increased fluid density and the droplet relaxation time.

The necessity of further investigation of wet gas compressor transients is confirmed. Many interesting areas requiring further investigation have emerged during this project, and suggestions for further work are presented.