Kompressorer i gassproduksjon og transport med hovedvekt på sentrifugalkompressorer

Transkript

1 GASSKOMPRESSORER NATURGASSFAGET, NTNU Kompressorer i gassproduksjon og transport med hovedvekt på sentrifugalkompressorer Øivind Eidsmoen (presentert av Gudmundsson 2008) Dresser-Rand AS, Kongsberg

2 Gasskompressorer 1 - Kompressorer i naturgassproduksjon og transport 2 - Typer og prinsipper 3 - Kompressorer - oppbygging 4 - Begrep og begrensninger 5 - Valg av kompressorer 6 - Drift - hva påvirker kompressoren 7 - Eksempler

3 HVA GJØR EN KOMPRESSOR? reduserer volumet på en gass øker trykket på en gass kontrollerer trykket i en prosess "flytter" gass fra lavt til høyt trykk

4 .. OG HVORFOR? - Eksempel transport av gass i rørledning: - mindre volum lavere hastighet - lavere hastighet mindre friksjon - mindre friksjon mindre energi - Eksempel prosesser: - høyt trykk gass blir væske - høyt trykk kjemiske reaksjoner

5 GASS FRA RESERVOAR TIL LAND

6 TYPISK OLJE PLATTFORM

7 BRUK I NATATURGASSPROSESSER På plattform - Re-kompresjon - oljeproduksjon - Eksport kompresjon ( fra plattform ) - Gassinjeksjon Landanlegg - Eksport ( boosting ) - Prosessering ( ta ut vann/kondensat ) - Kjølekretser - Flytendegjøring Transport - Boosting ( langs pipeline )

8 KOMPRESSORER I OLJE OG GASS PRODUKSJON Kompressorene står for en stor del av kraftbehovet i olje- og gassproduksjonen. Eksempel: Troll vil i år 2007 ha installert kompressorer med et kraftbehov på over kw. Typisk rekompressor kw ( fra 500 kw til kw) Typisk eksport kompressor kw (ofte 2 eller 3 maskiner) Typisk injeksjonskompressor kw ( ofte 2 maskiner ) Typisk Booster på land til kw - flere maskiner på samme stasjon

9 DRIVER Kompressorer kan drives med både fast og variabelt turtall. Fast turtall gir liten fleksibilitet og benyttes ved lave effekter eller i prosesser med lite variasjon f.eks. i prosessindustrien. Fast turtall elektromotorer - typisk opp til 5000 kw Variable turtall elektromotor (ASDS) - typisk fra 1000 til kw Gassturbiner - variabelt turtall - typisk fra 1000 til kw Dampturbiner - variabelt turtall - typisk fra 1000 til kw På plattformer brukes tradisjonelt gassturbiner fordi gass er tilgjengelig og de har høy ytelse i forhold til vekt.

10 KOMPRESSOR PÅP KOLLSNES

11 2 TYPER OG PRINSIPPER Kompressor Typer Sentrifugal - prinsipp

12 Compressor Types Axial - large flow, low pressure Centrifugal - large to medium flow, high presssure Helical Screw - low flow, low pressure Reciprocating - medium to low flow, high pressure Offshore North Sea - large flow, high pressure

13 Axial Compressor

14 Centrifugal Compressor

15 Reciprocating Compressor

16 Helical Screw Compressor

17 Basic Principles Centrifugal Action A Centrifugal Stage Energy Conversion

18 Centrifugal Action

19 Centrifugal Action Velocity Relationship Exit Path A B

20 Centrifugal Action Cover Blades Disk High Velocity, Higher Pressure Gas Outlet Low Velocity, Low Pressure Gas Inlet

21 Impelleren

22 VIKTIG! En sentrifugalkompressor er en strømningsmaskin Den må ha et mottrykk for å gi noen trykkøkning. Hvis ikke er den ei vifte! TRYKK UT = MOTTRYKK

23 DIFFUSOR Fra impelleren strømmer gassen inn i en diffusor Diffusor Diffusoren omsetter kinetisk energi til trykkenergi NB - forutsetter et mottrykk

24 How A Centrifugal Works Centrifugal Stage Return Bend Return Bend Diffuser Reduces Velocity Increases Static Pressure Return Channel Guide Vanes Impeller Increases Velocity Increases Static Pressure

25 ET KOMPRESSORTRINN IMPELLER Overfører energien -trykk og hastighet DIFFUSOR Omsetter kinetisk energi til trykk

26 GASSKOMPRESSORER 3 - SENTRIFUGALKOMPRESSOR - OPPBYGGING

27 EN SENTRIFUGALKOMPRESSOR Kan ha en eller flere impellere (kompressorhjul) i serie. Impellerne settes sammen på en aksel - rotoren Rotoren er den eneste bevegelige delen i en sentrifugalkompressor All energien overføres til gassen via impellerne.

28 Impellers Manufacturing Cast Riveted Weled Two Piece Three Piece Cover Blades Disk

29 Rotor Assembly Impellers Balance Piston Drive Coupling Mount Shaft Thrust Rotor Bearing Journals Seal Area Impeller Spacers

30 Compressor Internals Diaphragms Inlet/Discharge Walls Interstage Seals

31 STRAIGHT THROUGH FLOW De-ethaniser ethaniser-d10r5s Aksiallager/ Thrust-lager Lager Gasstetning Thrust balanse ring Gasstetning Lager

32 Radially Split Disassembly

36 HOVEDKOMPONENTER Rotor - aksel med impellere - eneste bevegelige del "Statics" - diffusor og de delene som leder gassen Casing - trykkbærende hus som omslutter maskinen Lager - holder rotoren Tettinger - mellom roterende aksel og "casing" - hindrer lekkasje av gass ut fra kompressoren

37 KOMPRESSOR ANLEGG - KOMPONENTER Kompressor Smøreolje system Tetningsystem - gass eller olje Gear og akselkoblinger Driver - el. motor, gassturbin, dampturbin Fundamentramme Prosessutstyr - anti-surge ventil, scrubber og kjøler Instrumentering og kontrollsystem

38 KOLLSNES - 1 AV 6 EKSPORT- KOMPRESSORER KW

39 REMOVABLE LIFTING LUG A.V.M (anti vibration mount) DRIP PAN CONNECTION 3 point support BASEPLATE (with central box beam)

40 GASSKOMPRESSORER 4 -BEGREP INNEN KOMPRESJON - HEAD - LØFTEHØYDE - SURGE - ROTORDYNAMIKK - VIRKNINGSGRAD

41 HEAD - LØFTEHØYDE Tilsvarer løftehøyde i meter væskesøyle for pumper. For kompressible medier er løftehøyde et ikke fysisk begrep. Løftehøyde = høyden av tenkt søyle av gassen som komprimeres som ved bunne av søylen har trykk som tilsvarer trykkøkningen over kompressoren. Dvs: En gitt trykkøkning vil tilsvare en liten løftehøyde for en tung gass og en stor løftehøyde for en lett gass. Head / løftehøyde har benevnelse meter eller kj/kg

42 HVORFOR BEGREPET HEAD? I praksis kan et kompressorhjul ( impeller ) gi maksimum 3000 meter eller 30 kj/kg head. Vi kan typisk ha maksimum 8 impellere i en kompressor, opp til 10 ved lave trykk og bare 6 ved høye trykk. Ved å dele total head som kreves ( fra prosess-beregning) på 3000 m, finner vi om en kompressor kan klare trykkøkningen eller om vi må ha flere i serie.

43 HEAD - fortsatt Løftehøyden for en gitt kompressor ved et fast turtall er tilnærmet konstant uansett type gass og trykk. I praksis: CO2, en tung gass, kan komprimeres fra atmosfæretrykk til 90 Bar hvor den blir flytende med to sentrifugalkompressorer i serie. Hydrogen, H2, trenger for å komprimeres fra atmosfærisk trykk til typisk transporttrykk på 80 bar, så mange som 10 kompressorer i serie.

44 Kompresjonsforhold mot antall trinn Ukjølt Sentrifugal Kompresjon Kompressor forhold Propane MW: 44,01 Ethane MW: 30,07 Air MW: 28,96 Methane MW: 16,04 Syn gas MW: 8, Hydrogen MW: 2, Antall kompressortrinn

45 SURGE Gasstrømningen i kompressoren jobber mot et mottrykk Hvis mottrykket blir for stort eller strømningen gjennom maskin for liten - kollapser strømningen gjennom maskinen. Vi får en rask reversering av strømningen - en SURGE SURGE gir et kraftig trykk-sjokk gjennom systemet

46 Typical Centrifugal Compressor Performance Curve % DESIGN HEAD DISCARGE PRESSURE, or RATIO S U R G E 85% 90% % DESIGN CAPACITY DESIGN POINT 95% 100% 105%

47 ROTORDYNAMIKK Alle roterende maskiner har kritiske turtall Lange slanke aksler gir lavt kritisk turtall Dette begrenser antall impellere og maksimum turtall for en kompressor Gasstrømningen setter opp krefter på rotoren - høye trykk gir store krefter og fare for vibrasjoner

48 TIP SPEED OG CHOKE Maksimum hastighet (turtall) for impellerne begrenses av: - Mekanisk styrke - sentrifugalkreftene setter opp store spenninger i impelleren - Gassens lydhastighet - nær denne hastigheten endres strømningsbildet - det er ikke mulig å ha gasshastighet over lydhastighet

49 VIRKNINGSGRAD Sentrifugalkompressorer kan oppnå over 86% virkningsgrad Liten volumstrøm = lav virkningsgrad Fordi - stor intern lekasje - ugunstig strøming NB : Høyt trykk = liten volumstrøm

50 VIRKNINGSGRAD - fortsatt Både kompressorens og prosessens virkningsgrad må vurderes for minimalt effektforbruk Lav temperatur = bedre prosessvirkningsgrad Mellomkjøling = bedre prosessvirkningsgrad Men - mellomkjøling gir trykkfall og kostnader i form av kjølere og scrubbere

51 OPPSUMMERING Head - et praktisk uttrykk for trykkøkning Lett gass = liten trykkøkning Surge - begrenser operasjonsområdet Rotordynamikk - begrenser rotor lengde og turtall Lydhastighet - begrenser turtall og strømningshastighet

52 Gasskompressorer 5 - Valg av kompressorer

53 SENTRIFUGAL KOMPRESSOR For olje og gass prosesser bygget etter API 617 (American Petroleum Indstitute) Disse kompressorene er alltid et "engineered produkt" Dvs. hver maskin er unik, men satt sammen av kjente komponenter

54 Kompressorseleksjon De viktigste parameterne for å velge kompressor er: Volumstrøm - actual flow inn på maskinen Head - eller trykkøkning over maskinen Trykk - utløpstrykket NB - den letteste gassen som skal komprimeres gir størst head

55 Kompressorseleksjon Kompressorer bygges i en rekke ramme-størrelser Til hver rammestørrelse finnes en familie av impellere som dekker et kapasitetsområde og som kan bygges med en bestemte diametere. Normalt vil best virkningsgrad oppnås ved å velge den minste kompressoren som kan klare kapasiteten

56 Sizes of Centrifugals Large Volume Lower MWP Lower RPMs Smaller Volume Higher MWP Higher RPMs

57 IMPELLER - KAPASITET

58 KOMPRESSOR SELEKSJON Fremgangsmåte for seleksjon Volumstrømmen (actual) vil bestemmer rammestørrelse Minste type som klarer kapasiteten vil normalt gi best virkningsgrad Head bestemmer hvor mange impellere som kan benyttes En impeller maks m (30 kj/kg) Typisk maks. 8 impellere i en kompressor. Maks. utløpstemperature 170 til 200 deg.c.

59 KOMPRESSORVALG - fortsatt I praksis foretas seleksjon ved hjelp av dataprogram. Når kompressoren er valgt kan modellen / programmet benyttes for simulering av andre driftsbetingelser.

60 KOMPRESSORTOG Hvis kravet til trykkøkning overstiger hva som kan gjøres i en kompressor settes flere maskiner i serie. Mellom hver kompressor er det scrubber og kjøler. Flere kompressorer med felles driver er et kompressortog Parallelle tog gir økt fleksibilitet ved varierende produksjon

61 GASSKOMPRESSORER 6 - DRIFT - OPPERASJONSOMRÅDE - ENDREDE BETINGELSER - REDUSERT YTELSE

62 DESIGN Sentrifugalkompressorer er designet for ett bestem eller et sett definerte betingelser Dvs. Innløpstrykk Gasskomposisjon Innløpstemperatur Utløpstrykk Den kan bare operere i et begrenset område omkring disse forholdene

63 FEIL DEFINERTE BETINGELSER Kompressorer til plattformer blir bestilt før reservoaret er kjent i detalj Derfor må kompressorene overdimensjoneres for å være på den sikre siden Resultat - eksempel: Resirkulering - effekttap Lavt turtall - ikke maks. ytelse fra driver

64 ENDRINGER I DRIFTSBETINGELSER Lavere tetthet = høyere head ( samme trykk ) Kan skyldes: - endring gasskomposisjon lavere mol. vekt - høyere innløpstemperatur - resirkulering som "tynner ut" gassen Resultat - kompressoren møter ikke kravet til utløpstrykk

65 ENDRINGER fortsatt Redusert gassproduksjon - gasstrømning er mindre enn surge-linjen - gass må resirkuleres Resultat - unødig bruk av effekt Modifikasjon - "rebundling" - bytte til rotor med mindre kapasitet

66 REDUSERT YTELSE "Fouling" - belegg inne maskinen - redusert ytelse Intern lekkasje - surge eller vibrasjoner "åpner" lekkasjer inne i maskinen - fører til økt temperatur - mindre kapasitet- lavere virkningsgrad Væske gjennom maskinen - erosjon og korrosjon - ødelegger geometri - øker lekkasjer - ubalanse - redusert ytelse og vibrasjon Væske "slugg" - kraftig "slag" i rotoren - mekaniske ødeleggelser - kraftig vibrasjon

67 GASSKOMPRESSORER 7 - EKSEMPLER - KOMPRESJOEN H2 VS. CO2 - TROLL PRE-KOMPRESJON

68 KOMPRESJON H2 vs. CO2 CO2 kompresjon er aktuelt i forbindelse med CO2 frie kraftverk og injeksjon i reservoarer ( i drift på Sleipner ) CO2 komprimeres til trykk mellom 70 og ca 90 bar for transport / injeksjon eller flytendegjøring Hydrogen er sett på som fremtidig energi-transportør H2 produksjon kan skje ved lavt trykk og den må komprimeres for transport i rørledning - typisk 70 til 80 Bar

69 KOMPRESJON H2 vs. CO2 H2 og CO2 komprimert fra 1 Bara til 75 Bara - mellomkjøling til 20 C H2 CO2 Total Head (m) Antall trinn: 12 3 T T

70 TROLL PRE-KOMPRESJON Troll feltet har produsert gass siden 1996 fra Troll A plattformen Reservoartrykket faller og fra år 2005 må pre-kompresjon starte på Troll A for å opprettholde trykket til Kollsnes Produksjonene er konstant (maks.) 111 MMSCMD År 2009 kompresjon fra 82 til 128 Bara - 2 kompressorer År 2035 kompresjon fra 30 til 128 Bara - 6 kompressorer Installert effekt i 2005 er 80 MW - i 2035 er det 240MW

71 TROLL - fortsatt Utfordring - de to første kompressoren skal kunne bygges om etter hvert som reservoartrykket faller. Effektbehovet ikke lineært med produksjon - 1 maskin på 40 MW kan teoretisk klare 85 MSCMD År ,5 MSCMD per maskin - 2 impellere År MSCMD i en maskin År ,5 MSCMD per maskin - 6 impellere Valgt kompressor Rotor for 6 impellere, men bare 2 i første fase Nozzles er 750 mm diameter for 85 MSCMD

72 TROLL - fortsatt