Subsea Compressor Transients

Abstract

Mange av de lett tilgjengelige feltene på norsk sokkel er utforsket og nærmer seg slutten på sin levetid. Nye ideer med fokus på kosteffektivitet og miljø har ledet utviklingen mot undervannsteknologi, hvor våtgass undervannskompresjon er en viktig brikke. De siste årene har verdifull erfaring blitt tilegnet gjennom forskning og utvikling, men fremdeles er teknologien relativt ny og mer forskning er nødvendig for å forstå alle aspekter ved drift av våtgasskompressorer.

Formålet med dette prosjektet er å dokumentere innvirkningen beleggdannelse har på kompressorstabilitet ved ikke-stasjonær drift som tap av drivkraft. Dokumentasjonen gjøres gjennom en todelt kampanje av eksperimenter. I den første delen etableres relevante ytelseskarakteristikker som inkluderer karakteristikker både med og uten beleggdannelse. I tillegg etableres en metode for å gjenskape karakteristikken til en degradert kompressor ved hjelp av ulike kontrollteknikker. Deretter reproduseres den degraderte ytelseskarakteristikken ved hjelp av denne metoden.

Den andre delen av kampanjen består av ikke-stasjonære tester med hovedvekt på tap av drivkraft. Testene gjøres med og uten beleggdannelse og ved hjelp av metoden for replikasjon av beleggdannelse. Målet er å dokumentere effektene beleggdannelse har på stabilitet ved nedkjøring. Spesielt nyttig er det å dokumentere tiden det tar for kompressoren å nå ustabilitetsområdet og hvor lenge den oppholder seg der.

Resultatene tilsier at våtgasseffektene er mer fremtredende når kompressoren er degradert. Observasjoner tyder også på at grensen hvor våtgasseffektene er tilstede har migrert mot høyere væskeinnhold. Dette forklares med at det dannes en væskefilm i diffusoren som glatter ut ujevnhetene i belegget. Kompressorstabiliteten er også funnet å være bedre, i form av redusert tid i ustabilitetsområdet. Denne effekten tilskrives et høyere minimumsnivå for volumstrøm. For våtgass er også tiden det tar å nå ustabilitetsområdet økt, som forklares med en økt bratthet i ytelseskarakteristikken.

As many of the easier accessible fields have been explored and are reaching the end of their lifetime, the petroleum industry needs new ideas to sustain production. With high focus on cost effectivity and environmental aspects the industry is led towards subsea development. Subsea wet gas compression is an important part of this. The later years valuable knowledge and experience is achieved through research and development. Still, the technology is novel, and more research is needed to understand all aspects of the operation.

The main objective of this project is to document the impact performance characteristics on compressor stability during compressor driver trip. Of specific interest is fouling, which is known to change the performance characteristics.

To investigate this, an experimental campaign divided into two parts is performed. The first part consists of establishing relevant compressor performance characteristics. This is done for the non-fouled and fouled compressor. Further, a method for replicating the performance characteristics of a fouled compressor using control techniques is established.

The second part consist of compressor driver trip tests. Here, the same three scenarios are tested; non-fouled, fouled and with imitated fouling. The results show that the wet gas effects are more prominent in the fouled compressor. This is seen as a larger deviation between the trip trajectories when varying the fluid liquid content. Further, a migration of the onset of wet gas effects is observed. Formation of a liquid film smoothing out the roughness from the fouling is suggested to be the cause.

Regarding compressor stability, the results demonstrate a positive impact of fouling. The wet gas cases show an increase in time to surge, which is attributed to a higher PRTS found in the performance tests. Also, a reduce time in surge is observed, which are consistent for all fluid liquid contents tested. This is attributed to a higher minimum flow rate after driver trip.