GASSKOMPRESSORER - Gas Compressors - NTNU
GASSKOMPRESSORER - Gas Compressors - NTNU
GASSKOMPRESSORER - Gas Compressors - NTNU
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>GASSKOMPRESSORER</strong><br />
NATURGASSFAGET <strong>NTNU</strong> 2004<br />
Kompressorer i gassproduksjon og transport med<br />
hovedvekt på sentrifugalkompressorer<br />
Øivind Eidsmoen<br />
Dresser-Rand AS, Kongsberg
<strong>Gas</strong>skompressorer<br />
1 - Kompressorer i naturgassproduksjon<br />
og transport<br />
2 - Typer og prinsipper<br />
3 - Kompressorer - oppbygging<br />
4 - Begrep og begrensninger<br />
5 - Valg av kompressorer<br />
6 - Drift - hva påvirker kompressoren<br />
7 - Eksempler
HVA GJØR EN KOMPRESSOR ?<br />
reduserer volumet på en gass<br />
øker trykket på en gass<br />
kontrollerer trykket i en prosess<br />
"flytter" gass fra lavt til høyt trykk
….. OG HVORFOR ?<br />
- Eksempel transport av gass i rørledning:<br />
<br />
<br />
<br />
- mindre volum ⇒ lavere hastighet<br />
- lavere hastighet ⇒ mindre friksjon<br />
- mindre friksjon ⇒ mindre energi<br />
- Eksempel prosesser:<br />
- høyt trykk ⇒ gass blir væske<br />
- høyt trykk ⇒ kjemiske reaksjoner
GASS FRA RESERVOAR TIL LAND
TYPISK OLJE PLATTFORM
BRUK I NATATURGASSPROSESSER<br />
<br />
<br />
På plattform<br />
- Re-kompresjon - oljeproduksjon<br />
- Eksport kompresjon ( fra plattform )<br />
<br />
<br />
- <strong>Gas</strong>sinjeksjon<br />
Landanlegg<br />
- Eksport ( boosting )<br />
- Prosessering ( ta ut vann/kondensat )<br />
<br />
<br />
<br />
- Kjølekretser<br />
- Flytendegjøring<br />
Transport<br />
- Boosting ( langs pipeline )
KOMPRESSORER I OLJE<br />
OG GASS PRODUKSJON<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Kompressorene står for en stor del av kraftbehovet i olje- og<br />
gassproduksjonen.<br />
Eksempel: Troll vil i år 2007 ha installert kompressorer med et<br />
kraftbehov på over 300000 kW.<br />
Typisk rekompressor - 2000 kW ( fra 500 kW til 10000 kW)<br />
Typisk eksport kompressor - 25000 kW (ofte 2 eller 3 maskiner)<br />
Typisk injeksjonskompressor - 25000 kW ( ofte 2 maskiner )<br />
<br />
Typisk ”Booster” på land - 25000til 40000 kW - flere maskiner<br />
på samme stasjon
DRIVER<br />
<br />
<br />
Kompressorer kan drives med både fast og variabelt turtall.<br />
Fast turtall gir liten fleksibilitet og benyttes ved lave effekter eller i<br />
prosesser med lite variasjon f.eks. i prosessindustrien.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Fast turtall elektromotorer - typisk opp til 5000 kW<br />
Variable turtall elektromotor (ASDS) - typisk fra 1000 til 60000 kW<br />
<strong>Gas</strong>sturbiner - variabelt turtall - typisk fra 1000 til 45000 kW<br />
Dampturbiner - variabelt turtall - typisk fra 1000 til 50000 kW<br />
<br />
På plattformer brukes tradisjonelt gassturbiner fordi gass er tilgjengelig<br />
og de har høy ytelse i forhold til vekt.
KOMPRESSOR PÅP<br />
KOLLSNES
2 TYPER OG PRINSIPPER<br />
• Kompressor Typer<br />
• Sentrifugal - prinsipp
Compressor Types<br />
• Axial - large flow, low pressure<br />
• Centrifugal - large to medium flow, high presssure<br />
• Helical Screw - low flow, low pressure<br />
• Reciprocating - medium to low flow, high pressure<br />
•Offshore North Sea - large flow, high pressure
Axial Compressor
Centrifugal Compressor
Reciprocating Compressor
Helical Screw Compressor
Basic Principles<br />
• Centrifugal Action<br />
• A Centrifugal Stage<br />
• Energy Conversion
Centrifugal Action
Centrifugal Action<br />
Velocity Relationship<br />
Exit Path<br />
A<br />
B
Centrifugal Action<br />
Cover Blades Disk<br />
High Velocity,<br />
Higher Pressure<br />
<strong>Gas</strong> Outlet<br />
Low Velocity,<br />
Low Pressure<br />
<strong>Gas</strong> Inlet
Impelleren
VIKTIG !<br />
En sentrifugalkompressor er en strømningsmaskin<br />
Den må ha et mottrykk for å gi noen trykkøkning.<br />
Hvis ikke er den ei vifte !<br />
TRYKK UT = MOTTRYKK
DIFFUSOR<br />
Fra impelleren strømmer gassen inn i en<br />
diffusor<br />
Diffusor<br />
Diffusoren omsetter kinetisk energi til trykkenergi<br />
NB - forutsetter et mottrykk
How A Centrifugal Works<br />
Centrifugal Stage<br />
Return Bend<br />
Return Bend<br />
Diffuser<br />
Reduces Velocity<br />
Increases Static Pressure<br />
Return Channel<br />
Guide Vanes<br />
Impeller<br />
Increases Velocity<br />
Increases Static Pressure
ET KOMPRESSORTRINN …<br />
<br />
<br />
IMPELLER<br />
Overfører energien<br />
-trykk og hastighet<br />
<br />
<br />
DIFFUSOR<br />
Omsetter kinetisk<br />
energi til trykk
<strong>GASSKOMPRESSORER</strong><br />
3 - SENTRIFUGALKOMPRESSOR - OPPBYGGING
EN SENTRIFUGALKOMPRESSOR<br />
Kan ha en eller flere impellere<br />
(kompressorhjul) i serie.<br />
Impellerne settes sammen på en aksel -<br />
rotoren<br />
Rotoren er den eneste bevegelige delen i<br />
en sentrifugalkompressor<br />
All energien overføres til gassen via<br />
impellerne.
Impellers<br />
Manufacturing<br />
• Cast<br />
• Riveted<br />
• Weled<br />
Two Piece<br />
Three Piece<br />
Cover Blades Disk
Rotor Assembly<br />
Impellers<br />
Balance<br />
Piston<br />
Drive<br />
Coupling<br />
Mount<br />
Shaft<br />
Thrust<br />
Rotor<br />
Bearing<br />
Journals<br />
Seal<br />
Area<br />
Impeller<br />
Spacers
Compressor Internals<br />
• Diaphragms<br />
• Inlet/Discharge Walls<br />
• Interstage Seals
STRAIGHT THROUGH FLOW<br />
De-ethaniser<br />
ethaniser-D10R5S<br />
Aksiallager/<br />
Thrust-lager<br />
Lager<br />
<strong>Gas</strong>stetning<br />
Thrust balanse ring<br />
<strong>Gas</strong>stetning<br />
Lager
Radially Split Disassembly
Radially Split Disassembly
Radially Split Disassembly
Radially Split Disassembly
HOVEDKOMPONENTER<br />
Rotor - aksel med impellere - eneste bevegelige del<br />
"Statics" - diffusor og de delene som leder gassen<br />
Casing - trykkbærende hus som omslutter maskinen<br />
Lager - holder rotoren<br />
Tettinger - mellom roterende aksel og "casing" -<br />
hindrer lekkasje av gass ut fra kompressoren
KOMPRESSOR ANLEGG<br />
- KOMPONENTER<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Kompressor<br />
Smøreolje system<br />
Tetningsystem - gass eller olje<br />
Gear og akselkoblinger<br />
Driver - el. motor, gassturbin, dampturbin<br />
Fundamentramme<br />
Prosessutstyr - anti-surge ventil, scrubber og<br />
kjøler<br />
Instrumentering og kontrollsystem
KOLLSNES - 1 AV 6 EKSPORT-<br />
KOMPRESSORER - 40000 KW
REMOVABLE<br />
LIFTING LUG<br />
A.V.M<br />
(anti vibration mount)<br />
DRIP PAN<br />
CONNECTION<br />
• 3 point support BASEPLATE<br />
(with<br />
central box beam)
<strong>GASSKOMPRESSORER</strong><br />
4 -BEGREP INNEN KOMPRESJON<br />
- HEAD - LØFTEHØYDE<br />
- SURGE<br />
- ROTORDYNAMIKK<br />
- VIRKNINGSGRAD
HEAD - LØFTEHØYDE<br />
<br />
<br />
<br />
Tilsvarer løftehøyde i meter væskesøyle for pumper.<br />
For kompressible medier er løftehøyde et ikke fysisk begrep.<br />
Løftehøyde = høyden av tenkt søyle av gassen som<br />
komprimeres som ved bunne av søylen har trykk som tilsvarer<br />
trykkøkningen over kompressoren.<br />
<br />
<br />
<br />
Dvs:<br />
En gitt trykkøkning vil tilsvare en liten løftehøyde for en tung<br />
gass og en stor løftehøyde for en lett gass.<br />
Head / løftehøyde har benevnelse meter eller kJ/kg
HVORFOR BEGREPET HEAD ?<br />
I praksis kan et kompressorhjul ( impeller ) gi maksimum 3000<br />
meter eller 30 kJ/kg head.<br />
<br />
Vi kan typisk ha maksimum 8 impellere i en kompressor, opp til<br />
10 ved lave trykk og bare 6 ved høye trykk.<br />
<br />
Ved å dele total head som kreves ( fra prosess-beregning) på<br />
3000 m, finner vi om en kompressor kan klare trykkøkningen<br />
eller om vi må ha flere i serie.
HEAD - fortsatt<br />
<br />
<br />
Løftehøyden for en gitt kompressor ved et fast turtall er<br />
tilnærmet konstant uansett type gass og trykk.<br />
I praksis:<br />
CO2, en tung gass, kan komprimeres fra atmosfæretrykk til 90<br />
Bar hvor den blir flytende med to sentrifugalkompressorer i<br />
serie.<br />
<br />
Hydrogen, H2, trenger for å komprimeres fra atmosfærisk trykk<br />
til typisk transporttrykk på 80 bar, så mange som 10<br />
kompressorer i serie.
Kompresjonsforhold mot antall trinn<br />
Ukjølt<br />
Sentrifugal Kompresjon<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
Kompressor forhold<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
Propane MW: 44,01<br />
Ethane MW: 30,07<br />
Air MW: 28,96<br />
Methane MW: 16,04<br />
Syn gas MW: 8,70<br />
1<br />
1<br />
Hydrogen MW: 2,016<br />
2 3 4 5 6 7<br />
Antall kompressortrinn
SURGE<br />
<strong>Gas</strong>strømningen i kompressoren jobber mot et<br />
mottrykk<br />
Hvis mottrykket blir for stort eller strømningen<br />
gjennom maskin for liten - kollapser strømningen<br />
gjennom maskinen.<br />
Vi får en rask reversering av strømningen - en<br />
SURGE<br />
SURGE gir et kraftig trykk-sjokk gjennom systemet
Typical Centrifugal Compressor Performance Curve<br />
% DESIGN HEAD DISCARGE PRESSURE, or RATIO<br />
120<br />
110<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
S U R G E<br />
85%<br />
90%<br />
60<br />
60 70 80 90 100 110 120 130<br />
% DESIGN CAPACITY<br />
DESIGN POINT<br />
95%<br />
100%<br />
105%
ROTORDYNAMIKK<br />
Alle roterende maskiner har kritiske turtall<br />
Lange slanke aksler gir lavt kritisk turtall<br />
Dette begrenser antall impellere og maksimum turtall<br />
for en kompressor<br />
<strong>Gas</strong>strømningen setter opp krefter på rotoren - høye<br />
trykk gir store krefter og fare for vibrasjoner
TIP SPEED OG CHOKE<br />
Maksimum hastighet (turtall) for impellerne begrenses av:<br />
- Mekanisk styrke - sentrifugalkreftene setter opp store spenninger i<br />
impelleren<br />
- <strong>Gas</strong>sens lydhastighet - nær denne hastigheten endres<br />
strømningsbildet - det er ikke mulig å ha gasshastighet over<br />
lydhastighet
VIRKNINGSGRAD<br />
Sentrifugalkompressorer kan oppnå over 86%<br />
virkningsgrad<br />
Liten volumstrøm = lav virkningsgrad<br />
Fordi<br />
<br />
<br />
- stor intern lekasje<br />
- ugunstig strøming<br />
NB : Høyt trykk = liten volumstrøm
VIRKNINGSGRAD - fortsatt<br />
Både kompressorens og prosessens virkningsgrad<br />
må vurderes for minimalt effektforbruk<br />
Lav temperatur = bedre prosessvirkningsgrad<br />
Mellomkjøling = bedre prosessvirkningsgrad<br />
Men - mellomkjøling gir trykkfall og kostnader i form<br />
av kjølere og scrubbere
OPPSUMMERING<br />
Head - et praktisk uttrykk for trykkøkning<br />
Lett gass = liten trykkøkning<br />
Surge - begrenser operasjonsområdet<br />
Rotordynamikk - begrenser rotor lengde og turtall<br />
Lydhastighet - begrenser turtall og<br />
strømningshastighet
<strong>Gas</strong>skompressorer<br />
5 - Valg av kompressorer
SENTRIFUGAL KOMPRESSOR<br />
For olje og gass prosesser bygget etter API<br />
617 (American Petroleum Indstitute)<br />
Disse kompressorene er alltid et<br />
"engineered produkt"<br />
Dvs. hver maskin er unik, men satt sammen<br />
av kjente komponenter
Kompressorseleksjon<br />
De viktigste parameterne for å velge kompressor er:<br />
Volumstrøm - “actual flow” inn på maskinen<br />
Head - eller trykkøkning over maskinen<br />
Trykk - utløpstrykket<br />
NB - den letteste gassen som skal komprimeres gir<br />
størst head
Kompressorseleksjon<br />
<br />
<br />
<br />
Kompressorer bygges i en rekke ramme-størrelser<br />
Til hver rammestørrelse finnes en “familie” av impellere som dekker<br />
et kapasitetsområde og som kan bygges med en bestemte<br />
diametere.<br />
Normalt vil best virkningsgrad oppnås ved å velge den minste<br />
kompressoren som kan klare kapasiteten
Sizes of Centrifugals<br />
Large Volume<br />
Lower MWP<br />
Lower RPMs<br />
Smaller Volume<br />
Higher MWP<br />
Higher RPMs
IMPELLER - KAPASITET
KOMPRESSOR SELEKSJON<br />
Fremgangsmåte for seleksjon<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Volumstrømmen (actual) vil bestemmer rammestørrelse<br />
Minste type som klarer kapasiteten vil normalt gi best<br />
virkningsgrad<br />
Head bestemmer hvor mange impellere som kan benyttes<br />
En impeller maks. 3000 m (30 kJ/kg)<br />
Typisk maks. 8 impellere i en kompressor.<br />
Maks. utløpstemperature 170 til 200 deg.C.
KOMPRESSORVALG - fortsatt<br />
I praksis foretas seleksjon ved hjelp av dataprogram.<br />
Når kompressoren er valgt kan modellen /<br />
programmet benyttes for simulering av andre<br />
driftsbetingelser.
KOMPRESSORTOG<br />
Hvis kravet til trykkøkning overstiger hva som kan<br />
gjøres i en kompressor settes flere maskiner i serie.<br />
Mellom hver kompressor er det scrubber og kjøler.<br />
Flere kompressorer med felles driver er et<br />
kompressortog<br />
Parallelle tog gir økt fleksibilitet ved varierende<br />
produksjon
<strong>GASSKOMPRESSORER</strong><br />
6 - DRIFT<br />
- OPPERASJONSOMRÅDE<br />
- ENDREDE BETINGELSER<br />
- REDUSERT YTELSE
DESIGN<br />
<br />
<br />
Sentrifugalkompressorer er designet for ett bestem eller et sett<br />
definerte betingelser<br />
Dvs.<br />
• Innløpstrykk<br />
• <strong>Gas</strong>skomposisjon<br />
• Innløpstemperatur<br />
• Utløpstrykk<br />
<br />
Den kan bare operere i et begrenset område omkring disse<br />
forholdene
“FEIL” DEFINERTE BETINGELSER<br />
Kompressorer til plattformer blir bestilt før reservoaret<br />
er kjent i detalj<br />
Derfor må kompressorene ”overdimensjoneres” for å<br />
være på den sikre siden<br />
Resultat - eksempel:<br />
• Resirkulering - effekttap<br />
• Lavt turtall - ikke maks. ytelse fra driver
ENDRINGER I DRIFTSBETINGELSER<br />
Lavere tetthet = høyere head ( samme trykk )<br />
Kan skyldes:<br />
<br />
<br />
<br />
- endring gasskomposisjon lavere mol. vekt<br />
- høyere innløpstemperatur<br />
- resirkulering som "tynner ut" gassen<br />
Resultat - kompressoren møter ikke kravet til<br />
utløpstrykk
ENDRINGER fortsatt<br />
Redusert gassproduksjon<br />
<br />
<br />
- gasstrømning er mindre enn surge-linjen<br />
- gass må resirkuleres<br />
Resultat - unødig bruk av effekt<br />
Modifikasjon - "rebundling" - bytte til rotor med<br />
mindre kapasitet
REDUSERT YTELSE<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
"Fouling" - belegg inne maskinen - redusert ytelse<br />
Intern lekkasje - surge eller vibrasjoner "åpner" lekkasjer inne i<br />
maskinen - fører til økt temperatur - mindre kapasitet- lavere<br />
virkningsgrad<br />
Væske gjennom maskinen - erosjon og korrosjon - ødelegger<br />
geometri - øker lekkasjer - ubalanse - redusert ytelse og<br />
vibrasjon<br />
Væske "slugg" - kraftig "slag" i rotoren - mekaniske<br />
ødeleggelser - kraftig vibrasjon
<strong>GASSKOMPRESSORER</strong><br />
7 - EKSEMPLER<br />
- KOMPRESJOEN H2 VS. CO2<br />
- TROLL PRE-KOMPRESJON
KOMPRESJON H2 vs. CO2<br />
<br />
CO2 kompresjon er aktuelt i forbindelse med CO2 frie kraftverk<br />
og injeksjon i reservoarer ( i drift på Sleipner )<br />
CO2 komprimeres til trykk mellom 70 og ca 90 bar for transport /<br />
injeksjon eller flytendegjøring<br />
<br />
<br />
Hydrogen er sett på som fremtidig energi-transportør<br />
H2 produksjon kan skje ved lavt trykk og den må komprimeres<br />
for transport i rørledning - typisk 70 til 80 Bar
KOMPRESJON H2 vs. CO2<br />
H2 og CO2 komprimert fra 1 Bara til 75 Bara -<br />
mellomkjøling til 20 C<br />
H2 CO2<br />
Total Head (m) 570000 29000<br />
Antall trinn: 12 3<br />
T1 20 20<br />
T2 55 160
TROLL PRE-KOMPRESJON<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Troll feltet har produsert gass siden 1996 fra Troll A plattformen<br />
Reservoartrykket faller og fra år 2005 må pre-kompresjon starte<br />
på Troll A for å opprettholde trykket til Kollsnes<br />
Produksjonene er konstant (maks.) 111 MMSCMD<br />
År 2009 kompresjon fra 82 til 128 Bara - 2 kompressorer<br />
År 2035 kompresjon fra 30 til 128 Bara - 6 kompressorer<br />
Installert effekt i 2005 er 80 MW - i 2035 er det 240MW
TROLL - fortsatt<br />
<br />
<br />
Utfordring - de to første kompressoren skal kunne bygges om etter<br />
hvert som reservoartrykket faller.<br />
Effektbehovet ikke lineært med produksjon - 1 maskin på 40 MW kan<br />
teoretisk klare 85 MSCMD<br />
• År 2005 - 55,5 MSCMD per maskin - 2 impellere<br />
• År 2005 - 85 MSCMD i en maskin<br />
• År 2035 - 18,5 MSCMD per maskin - 6 impellere<br />
<br />
Valgt kompressor<br />
• Rotor for 6 impellere, men bare 2 i første fase<br />
• ”Nozzles” er 750 mm diameter for 85 MSCMD
TROLL - fortsatt
Change language