| dc.description.abstract | Tilgang på energi har alltid vært en nødvendighet for kunne utvikle oss som samfunn. I dag blir denne utviklingen truet av de negative konsekvensene av forurensing og klimagassutslipp. En viktig del av løsning på denne utfordringen vil være å utvikle nye teknologier som kan gjøre energiproduksjon mer effektiv og bærekraftig. Et eksempel på dette er undervanns-gasskompresjonssystemer. Slike system må overvåkes og fjernstyres, og dette krever at nye og mer avanserte modelleringsverktøy utvikles.
Dette arbeidet presenterer en dynamisk modell av test-anlegget for gasskompresjon ved Norges Teknisk-Naturvitenskaplige Universitet (NTNU). Modellen har blir justert og validert mot både og dynamiske eksperimentelle data. Den er i stand til å presist predikere kompressorytelse i det ordinære operasjonsområdet til kompressoren, som spenner fra 6000 til 11 000 o/min og volumstrømmer fra 0.5 til 2.15 m^3/s. Modellen inneholder omfattende informasjon om test-anlegget, slik som geometriske data for å modellere strømningsvolumet. Schultz polytropiske metode er blitt anvendt for å fastsette kompressorytelsen. De polytropiske ytelseskurvene til modellen er blitt regnet ut ved å bruke en kombinasjon av eksperimentelle data og affinitetslover.
NTNUs test-anlegg for gasskompresjon inneholder en ett-trinns sentrifugalkompressor i full størrelse, som opererer i et åpen-sløyfe system. Anlegget styres av en 450 kW elektrisk motor med justerbar rotasjonshastighet, samt en justerbar utløpsventil. Utstyrsinstrumentering er kalibrert i samsvar med ASME PTC 10. En eksperimentell kampanje er blitt utført på anlegget for å innhente data for justering og verifisering av den dynamiske modellen.
Ved 9000 o/min ble det oppnådd et gjennomsnittlig modellavvik på 0,16 % for det absolutte innløpstrykket. For innløpstemperatur var gjennomsnittlig avvik 0,25 %. Kompressorens differansetrykk og temperatur hadde henholdsvis 0,21 % og 0,17 % avvik. Videre ble kontrollerne og kompressorens treghetsmoment justert. Ved en plutselig endring på 2000 o/min, er modellens akselerasjon og retardasjonshastighet innenfor 10 % av eksperimentelle resultater. Generelt sett er modellytelsen litt mindre avhengig av rotasjonshastigheten enn de eksperimentelle resultatene tilsier, noe som resulterer i opptil 10 % underestimering av endring av trykkforholdet.
Modellytelsen utenfor det ordinære operasjonsområdet er blitt dokumentert. To scenarier er simulert, et der utløpet blokkeres ved å lukke utløpsventilen, og en nødstopp (ESD). Under blokkeringen av utløpet viste eksperimentet at trykkforholdet over kompressoren ble redusert med med 20 %, mens det ifølge modellen økte med 4 %. Følgelig er den nåværende dynamiske modellen ikke i stand til å forutse ustabilitetseffektene som forekommer utenfor operasjonsområdet. | |
| dc.description.abstract | The availability of energy has always been a necessity for the advance of our society. Today, this progress is challenged by the adverse consequences of pollution and climate gases. A key piece of the solution to this challenge is the development of new technologies that enable us to produce our energy more sustainably and efficiently. One such advance is the use of subsea gas compression systems. These systems are remotely operated and this requires new and more advanced tools for monitoring and control.
In this work, a dynamic model of the NTNU Gas Compressor Test Facility has been developed, using the process modelling software Aspen HYSYS Dynamics. It is able to accurately predict compressor performance during design operation, ranging from 6000- 11 000 rpm and corresponding volumetric flow rates of 0.5-2.15 m^3/s. The model is a comprehensive representation of the facility and includes geometrical data such as lengths, diameters and materials to model volume holdup. The Schultz polytropic approach has been adopted to determine compressor performance. By using both steady-state experimental data and affinity laws, the polytropic head and efficiency compressor curves are obtained and input in the model. Two controllers are implemented, which are used to set the compressor speed and volumetric flow rate.
The NTNU Gas Compressor Test Facility features a full-size, open-loop compression system with a single-stage, centrifugal compressor. The facility is controlled by a 450 kW variable speed drive and a discharge throttle valve, and features instrumentation calibrated in accordance with ASME PTC 10. An experimental campaign has been performed at the facility, to obtain data for tuning and verification of the dynamic model.
The model has been tuned against both steady-state and dynamic experimental data. For 9000 rpm, an average model deviation of 0.16 % was obtained for absolute inlet pressure. For inlet temperature, the average deviation was 0.25 %. Considering the compressor differential pressure and temperature, the deviation was 0.21 % and 0.17 %, respectively. Furthermore, the controllers and rotational inertia parameters were tuned. Considering a sudden, 2000 rpm change of rotational speed, acceleration and deceleration rate is within 10 % of the experimental results. In general, the model performance is slightly less dependent on rotational speed, resulting in a up to 10 % underestimation of pressure ratio change.
The off-design performance of the dynamic model is documented. Two scenarios are simulated, an outlet blockage where the discharge valve is closed, and an emergency shutdown. During the outlet blockage, the experimental pressure ratio decreased by 20 %, while the simulated increased by 4 %. Clearly, the current dynamic model does not detect the flow instabilities that occur during off-design operation. | |