Digital Twin for Compressor Systems Inlet Guide Vanes Impact on Performance

Abstract

Oppgaven undersøker bruken av Digital Twin (DT)-teknologi for å forbedre effektiviteten til sentrifugalkompressorer, som er viktige komponenter i energiproduksjon og prossessindustrier. Ved å bruke Kompressorlabben ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU), gir oppgaven valideringsdata for en fremtidig DT-modell og innsikt i kompressoroperasjoner.

Hovedmålet med oppgaven var å etablere et nøyaktig kompressorkart under termisk stabile forhold for en presis DT-modell, og å simulere ulike degraderingsscenarioer ved å variere vinklene på Inlet Guide Vanes (IGV). Å nøyaktig kunne forutsi Time to Surge (TTS) og Time in Surge (TIS) var av sentral interesse, da dette er viktige indikatorer på potensiell skade forårsaket av surge.

Et detaljert kompressorkart ble utviklet ved hjelp av statiske tester under termisk stabile forhold, dette ble gjort for å kunne danne en forbindelse mellom det fysiske systemet og dets digitale motpart. Deretter ble det gjennomført transiente tester for å studere TTS, Head Rise to Surge (HRTS) og TIS under forskjellige driftsscenarioer. Flere metoder ble implementert for å nøyaktig bestemme når surge er i ferd med å intreffe.

De transiente testene viste et forhold mellom HRTS og TTS. Det ble observert at høyere HRTS resulterer i en lengre TTS, noe som gir en bredere sikkerhetsmargin før surge begynner. I tillegg kan en høyere HRTS motvirke at driftspunktet har beveget seg mot lavere flow, og dermed utvide kompressorens operasjonelle område. Frekvensanalysen av de transiente testdataene viste et tidlig varselsignal om begynnelsen av surge, da en betydelig økning i størrelsen på oscilleringer ble observert når systemet nærmet seg surge.

This research investigates the application of Digital Twin (DT) technology to enhance the efficiency of centrifugal compressors, critical components in power generation and processing industries. Utilizing the Compressor Test Lab at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU), the study provides valuable validation data for a future DT model and insights into compressor operations and behaviors.

The research primarily aimed to establish an accurate compressor map under thermally stable conditions for a precise DT model and to simulate different compressor deterioration scenarios by varying the Inlet Guide Vanes (IGV) angles. Precise prediction of Time to Surge (TTS) and Time in Surge (TIS) was of central interest as critical indicators of potential surge-induced damage.

A detailed compressor map was developed using static tests under thermally stable conditions, effectively bridging the physical system and its digital counterpart. Following this, transient tests were conducted to study TTS, Head Rise to Surge (HRTS), and TIS under different operational scenarios. Several methods were implemented to determine the onset of surge accurately.

Significantly, the transient tests revealed a relationship between HRTS and TTS. It was observed that higher HRTS results in a longer TTS, providing a broader safety margin before surge onset. Additionally, a higher HRTS can counterbalance the operating point moving toward lower flow, thereby expanding the operational envelope of the compressor. Frequency analysis of the transient test data presented an early warning sign of surge onset, as a significant increase in system magnitude was observed when approaching the surge point.