GASSKOMPRESSORER NATURGASSFAGET, NTNU Kompressorer i gassproduksjon og transport med hovedvekt på sentrifugalkompressorer Øivind Eidsmoen (presentert av Gudmundsson 2008) Dresser-Rand AS, Kongsberg
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
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
.. 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
GASS FRA RESERVOAR TIL LAND
TYPISK OLJE PLATTFORM
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 )
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 300000 kw. Typisk rekompressor - 2000 kw ( fra 500 kw til 10000 kw) Typisk eksport kompressor - 25000 kw (ofte 2 eller 3 maskiner) Typisk injeksjonskompressor - 25000 kw ( ofte 2 maskiner ) Typisk Booster på land - 25000til 40000 kw - flere maskiner på samme stasjon
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 60000 kw Gassturbiner - variabelt turtall - typisk fra 1000 til 45000 kw Dampturbiner - variabelt turtall - typisk fra 1000 til 50000 kw På plattformer brukes tradisjonelt gassturbiner fordi gass er tilgjengelig og de har høy ytelse i forhold til vekt.
KOMPRESSOR PÅP KOLLSNES
2 TYPER OG PRINSIPPER Kompressor Typer Sentrifugal - prinsipp
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
Axial Compressor
Centrifugal Compressor
Reciprocating Compressor
Helical Screw Compressor
Basic Principles Centrifugal Action A Centrifugal Stage Energy Conversion
Centrifugal Action
Centrifugal Action Velocity Relationship Exit Path A B
Centrifugal Action Cover Blades Disk High Velocity, Higher Pressure Gas Outlet Low Velocity, Low Pressure Gas Inlet
Impelleren
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
DIFFUSOR Fra impelleren strømmer gassen inn i en diffusor Diffusor Diffusoren omsetter kinetisk energi til trykkenergi NB - forutsetter et mottrykk
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
ET KOMPRESSORTRINN IMPELLER Overfører energien -trykk og hastighet DIFFUSOR Omsetter kinetisk energi til trykk
GASSKOMPRESSORER 3 - SENTRIFUGALKOMPRESSOR - OPPBYGGING
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.
Impellers Manufacturing Cast Riveted Weled Two Piece Three Piece Cover Blades Disk
Rotor Assembly Impellers Balance Piston Drive Coupling Mount Shaft Thrust Rotor Bearing Journals Seal Area Impeller Spacers
Compressor Internals Diaphragms Inlet/Discharge Walls Interstage Seals
STRAIGHT THROUGH FLOW De-ethaniser ethaniser-d10r5s Aksiallager/ Thrust-lager Lager Gasstetning Thrust balanse ring Gasstetning Lager
Radially Split Disassembly
Radially Split Disassembly
Radially Split Disassembly
Radially Split Disassembly
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
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
KOLLSNES - 1 AV 6 EKSPORT- KOMPRESSORER - 40000 KW
REMOVABLE LIFTING LUG A.V.M (anti vibration mount) DRIP PAN CONNECTION 3 point support BASEPLATE (with central box beam)
GASSKOMPRESSORER 4 -BEGREP INNEN KOMPRESJON - HEAD - LØFTEHØYDE - SURGE - ROTORDYNAMIKK - VIRKNINGSGRAD
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
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.
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.
Kompresjonsforhold mot antall trinn Ukjølt Sentrifugal Kompresjon 10 9 8 7 6 Kompressor forhold 5 4 3 2 Propane MW: 44,01 Ethane MW: 30,07 Air MW: 28,96 Methane MW: 16,04 Syn gas MW: 8,70 1 1 Hydrogen MW: 2,016 2 3 4 5 6 7 Antall kompressortrinn
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
Typical Centrifugal Compressor Performance Curve % DESIGN HEAD DISCARGE PRESSURE, or RATIO 120 110 100 90 80 70 S U R G E 85% 90% 60 60 70 80 90 100 110 120 130 % DESIGN CAPACITY DESIGN POINT 95% 100% 105%
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
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
VIRKNINGSGRAD Sentrifugalkompressorer kan oppnå over 86% virkningsgrad Liten volumstrøm = lav virkningsgrad Fordi - stor intern lekasje - ugunstig strøming NB : Høyt trykk = liten volumstrøm
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
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
Gasskompressorer 5 - Valg av kompressorer
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
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
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
Sizes of Centrifugals Large Volume Lower MWP Lower RPMs Smaller Volume Higher MWP Higher RPMs
IMPELLER - KAPASITET
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. 3000 m (30 kj/kg) Typisk maks. 8 impellere i en kompressor. Maks. utløpstemperature 170 til 200 deg.c.
KOMPRESSORVALG - fortsatt I praksis foretas seleksjon ved hjelp av dataprogram. Når kompressoren er valgt kan modellen / programmet benyttes for simulering av andre driftsbetingelser.
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
GASSKOMPRESSORER 6 - DRIFT - OPPERASJONSOMRÅDE - ENDREDE BETINGELSER - REDUSERT YTELSE
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
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
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
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
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
GASSKOMPRESSORER 7 - EKSEMPLER - KOMPRESJOEN H2 VS. CO2 - TROLL PRE-KOMPRESJON
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
KOMPRESJON H2 vs. CO2 H2 og CO2 komprimert fra 1 Bara til 75 Bara - mellomkjøling til 20 C H2 CO2 Total Head (m) 570000 29000 Antall trinn: 12 3 T1 20 20 T2 55 160
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
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 2005-55,5 MSCMD per maskin - 2 impellere År 2005-85 MSCMD i en maskin År 2035-18,5 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
TROLL - fortsatt