Digital Compressor System

Abstract

Subsea våtgass kompressorer har blitt brukt for å øke utvinningen fra gassfelt siden 2015. Denne teknologien har et stort potensial for å øke produksjonen ytterligere og redusere kostnadene. Våtgass komprimering er fremdeles i en tidlig fase og krever mere utvikling for å gjøre systemene mer pålitelige, økonomiske og kommersielle. Venturi er blitt brukt for å finne gjennomstrømning siden 1895 og er nå en av de vanligste metodene for gjennomstrømningsmålinger. Mens venturi-effekten er godt dokumentert og forstått for enfasestrømning, så kreves det fremdeles en del mer forskning for å lage en mer nøyaktig modell for flerfasestrømning. Denne masteroppgaven har fokusert på to hovedmål. Først, å dokumentere og analysere oppførsel til en horisontal venturi med en våtgass gjennomstrømning og hvilke innvirkninger venturien har på et sentrifugalkompressorsystem. Mål to er å utforske muligheten til å lage en digital modell mellom venturien og kompressoren. For å dokumentere venturiens oppførselen i våtgass er NTNU våtgasskompressorlaboratoriet blitt benyttet med en gjennomsiktig venturi for å samle inn data. Fra de innsamlede dataene ble det funnet flere bemerkelsesverdige interaksjoner mellom venturien og kompressorsystemet. To distinkte typer strømningsfelt ble dokumentert i den divergerende delen av venturien. Det første strømningsfeltet er en stabil gjennomstrømning med noe tilbakestrømning. Det andre strømningsfeltet er et ustabilt strømningsfelt som akkumulerer væske i den divergerende delen av venturien og med periodiske mellomrom river med seg en del av den oppsamlede væsken. Strømningsfeltene som blir generert av venturien påvirker kompressorsystemet og skaper mere støy i trykket og på dreiemomentet til kompressoren. Med den ustabile strømningen er gass masse fraksjonen (GMF) i konstant endring etter venturien og forårsaker høye hopp i dreiemomentet når store mengder væsker blir revet tilbake i gasstrømningen. Det er også en viss indikasjon på at den ustabile strømningen kan ha noe gunstig effekt på kompressoreffektiviteten ved lav GMF. Til slutt diskuteres noen konsepter for en digital modell som bruker momentmålinger for å bestemme GMF og strømningsregime i en våt-gasstrøm.

Subsea wet gas compression has been used to increase the recovery rate of gas fields for a few years now. It has a large potential to further increase production and cut costs. Although, wet gas compression is still in its infancy and requires further development to make the systems more reliable, economic and commercially viable. Venturis have been utilized to determine flow in a system since 1895 and is now one of the most common methods for flow measurements. While the venturi effect is well documented and understood for one phase flow, there is still a substantial amount of research needed to make an accurate model for multi-phase flow. This master thesis has focused on two main objectives. Firstly, to document and analyze a horizontal venturi behavior during wet gas conditions and its effect on a centrifugal compressor system. Secondly, explore the opportunity to make a digital model of the interactions between the venturi and the compressor. To document the venturi behavior in wet gas the NTNU wet gas compressor laboratory has been used with a transparent venturi to gather data. Based on the data gathered, several notable interactions between the venturi and the compressor system were found and two distinct types of flow fields were documented in the divergent part of the venturi. Firstly, a stable flow field with some back flow and secondly, an unstable flow field with accumulation of liquid in the divergent part of the venturi where the liquid periodical reenters the wet gas flow in large burst. These venturi flow fields impact the compressor system creating larger volatility in the pressure of the flow -and the torque of the compressor. With the unstable flow field the Gas mass fraction (GMF) is constantly changing after the venturi and causes high spikes in torque when large amount of liquids reenter the wet gas flow. There was also documented a considerable higher compressor efficiency during the unstable flow field with low GMF at the venturi entrance. Lastly, some concepts for a digital model utilizing torque measurements to determine the GMF and flow regime of the flow are discussed.