Online condition monitoring of heat exchangers in a TEG dehydration process

Abstract

Naturgass produsert på den norske kontinentalsokkelen blir behandlet på offshoreanlegg, hvor blant annet vann fjernes ved glykolbasert dehydrering. Olje- og gassindustrien jobber kontinuerlig med å forbedre sikkerheten og effektiviteten av produksjonen. Equinor ønsker å forbedre sikkerheten på offshore-prosessanlegg ved gjøre operasjonene på plattformer ubemannet. Ubemannende operasjoner av glykolbaserte dehydreringsprosesser ved bruk av online tilstandsovervåkning er et utviklingsområde muliggjort av moderne instrumentasjon og simuleringsverktøy. I denne oppgaven vil fokuset være på tilstandsovervåkning av varmevekslere, som er en essensiell del av dehydreringsprosessen.

Fouling er beleggdannelse ved akkumulering av uønsket stoff på varmeoverflatene i en varmeveksler. Fouling kan reduserer ytelsesevnen til varmevekslerene i form av redusert varmeoverføring og økt trykktap gjennom veksleren. Beleggdannelsen skjer over tid og det er vanskelig å predikere hvordan forløpet utvikler seg, og hvilken effekt det har på varmevekslerens ytelsesnivå. En modell for online tilstandsovervåkning kan gi innsikt i foulingtilstanden til varmeveksleren, og dermed øke effektiviteten ved å predikere når veksleren er skitten og trenger vedlikehold.

Grunnleggende teori om varmeovergang og varmevekslere har blitt studert og presentert for å gi innsikt i temaet. I tillegg har tidligere modeller og forskning om tilstandsovervåkning blitt studert. På bakgrunn av dette har fire varmevekslerene fra en TEG-regenereringsprosess på et Equinor-felt blitt undersøkt ved bruk av tilstandsovervåkningsmodeller. En modell som overvåker termisk ytelse basert på varmeovergangstall, og en modell som overvåker hydraulisk ytelse basert på korrelasjonen mellom trykktap og strømningshastighet har blitt testet og evaluert. Varmevekslerene ved TEG anlegget til Equinor er overvåket over en periode på åtte måneder, fra september 2021 til mai 2022. I tillegg er en rørsatsvarmeveksler designet og simulert i prosessdesign og simuleringsverktøyet HTRI Xchanger Suite, hvor effekten av fouling og modellene for tilstandsovervåkning er testet og evaluert. I dette arbeidet er feltdata fra et bestemt Equinor-anlegg brukt i kombinasjon med simuleringer fra prosess- og simuleringsverktøyet NeqSim, og modellene er kalkulert i Python.

Resultatene i dette arbeidet antyder at modellene gir en indikasjon på foulingtilstanden og ytelsesgraden til varmevekslerene ved et tilstrekkelig instrumenteringsnivå. Det er i likevel knyttet usikkerhet til modellene siden instrumenteringen på anlegget er mangelfull og unøyaktig. Til slutt er en diskusjon av instrumenteringsnivået som kreves for online tilstandsovervåking for begge tilnærmingene inkludert.

Natural gas produced on the Norwegian Continental Shelf is treated at offshore installations, where water is removed by glycol-based dehydration. The oil and gas industry is constantly working to improve the safety and efficiency of production. Equinor wants to improve the safety of offshore processing plants by making operations on platforms unmanned. Unmanned operations of glycol-based dehydration processes using online condition monitoring is a development area made possible by modern instrumentation and simulation tools. This thesis will focus on condition monitoring of heat exchangers, which is an essential part of the glycol regeneration process.

Fouling is the accumulation of unwanted substances on the heat transfer surfaces of a heat exchanger. Fouling can reduce the performance of the heat exchangers due to reduced heat transfer and increased pressure drop through the exchanger. Fouling occurs over time, and it is challenging to predict how it will develop and how it will affect the heat exchanger's performance. An online condition monitoring model can provide insight into the fouling conditions of the heat exchangers and determine when the exchanger is dirty and in need of maintenance.

The fundamental theory of heat transfer and heat exchangers has been studied and presented to provide insight into this topic. In addition, previous models and research on condition monitoring of heat exchangers have been reviewed. Based on this, four heat exchangers from a TEG regeneration process on an Equinor field have been examined using condition monitoring models. A model that monitors thermal performance based on the overall heat transfer coefficient and a model that monitors hydraulic performance based on the correlation between pressure drop and flow rate are tested and evaluated. The heat exchangers at Equinor's TEG process are monitored over a period of eight months, from September 2021 to May 2022. In addition, a shell-and-plate type heat exchanger is designed and simulated in the process design and simulation tool HTRI Xchanger Suite, where the effects of fouling and the models for condition monitoring are tested and evaluated. In this work, field data from a specific Equinor process is used in combination with simulations from the process and simulation tool NeqSim, and the models are calculated in Python.

The results of this work suggest that the models indicate fouling conditions and performance of the heat exchangers at a sufficient instrumentation level. However, there is uncertainty associated with the models since the instrumentation is insufficient and inaccurate. Eventually, a discussion of the instrumentation level required for online condition monitoring concerning both approaches is included.