ITBA20090013A1 - Sistema di protezione antipompaggio per compressori centrifughi - Google Patents

Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo

Sistema di protezione antipompaggio per compressori centrifughi

STATO ANTERIORE DELLA TECNICA

I compressori centrifughi sono soggetti nel loro funzionamento al fenomeno del pompaggio. Il pompaggio consiste in una rapida oscillazione della portata elaborata dalla macchina, accompagnata da una caratteristica rumorosità ed elevate vibrazioni. Il pompaggio è una condizione di funzionamento anomala del compressore , che può assumere carattere distruttivo e comportare, in assenza di adeguati sistemi di protezione e qualora la macchina permanga per tempo prolungato in tale condizione, il danneggiamento o la rottura de! compressore stesso.

II pompaggio sì verifica quando il punto operativo del compressore si sposta fino a raggiungerre la curva limite di pompaggio (SSL, Surge Limit Line). La tecnica attuale prevede l’intervento del sistema dì protezione quando il punto operativo raggiunge una curva di sicurezza (SCL Surge Limit Line).

La tecnica attuale protegge i compressori dal fenomeno del pompaggio con appositi sistemi detti di “ANTI POMPAGGIO" (ANTISURGE SYSTEMS). In tali sistemi la protezione è attuata tramite una valvola di riciclo; comandata da una strumentazione dedicata. ! sistemi attuali sì basano su un algoritmo semplificato che associa solo ad alcuni parametri operativi l’azione di protezione. In pari cola re essi operano confrontando la portata aspirata con un valore minimo limite dipendente dal rapporto dì compressione fornito dalla macchina.

Ricordiamo che nei sistemi attuali eventuali variazioni relative al gas non vengono rilevate dagli algoritmi e la protezione resta sempre legata alte condizioni di progetto del gas, anche quando queste non sono più attuali ed operative invalidando l'azione di protezione e rendendo possibile il danneggiamento o rottura del compressore.

OBIETTIVO CHE L'INNOVAZIONE INTENDE RAGGIUNGERE

La protezione dei sistemi di antipompaggio attuali può divenire inefficace per i seguenti motivi:

- variazione delle caratteristiche del gas aspirato(composizione del miscuglio e peso molecolare medio)

- bloccaggio (guasto meccanico) della valvola di riciclo

- guasto della strumentazione

In tali situazioni i sistemi attuali perdono di efficacia, il compressore resta privo di protezione e diventa possibile il danneggiamento o la rottura dello stesso,

IPC ha realizzato un innovativo sistema di antipompaggio che consente di superare il limiti dei sistemi contemplati dalla tecnica attuale (descritti al punto precedente) e ottenere la protezione dei compressore dal pompaggio in ogni condizione operativa anche al variare delle caratteristiche del gas aspirato o in presenza di eventuali disfunzioni strumentali o dei dispositivi meccanici del loop di controllo.

ANALISI DEL RISULTATO RAGGIUNTO

A) introduzione

Nelle seguenti pagine si riporta la descrizione dell'inovativo sistema per la protezione dal pompaggio dei compressori centrifughi ideato da IRC srl.

Il sistema oggetto della descrizione incorpora le funzionalità principali dei sistemi proposti dalla tecnica attuale ed estende le funzionalità a nuovi livelli assicurando una efficace azione di protezione dal pompaggio in ogni possìbile condizione operativa nonché introducendo innovative funzionalità diagnostiche utili per la gestione delle attività manutentìve del macchinario.

B) Descrizione detta architettura det sistema IPC di protezione dei compressori centrifughi dal fenomeno det pompaggio SPS1

La IPC srl ha ideato e realizzato un innovativo sistema di protezione dei compressori centrifughi dal pompaggio che supera i limiti dei sistemi tradizionali descritti e protegge la macchina in ogni condizione operativa. In aggiunta il sistema è capace di generare informazioni diagnostiche relative allo stato del macchinario , utilizzabili per finalità di manutenzione predittiva e preventiva. Dì seguito si elencano gli elementi principali costituenti il sistema (rif tavola 1 ); 8.1- Modulo TCM Thermodynamic Compressor Model

Utilizzando un modello termodinamico del compressore è possibile rilevare le eventuali variazioni del gas aspirato (Peso molecolare) o delle condizioni termodinamiche in ingresso (pressione e temperatura) ed adeguare conseguentemente la protezione di antipompaggio.

Ricordiamo che nei sistemi attuali eventuali variazioni relative al gas non vengono rilevate dagli algoritmi e la protezione resta sempre legata alle condizioni di progetto anche quando queste non sono più attuali ed operative. Il modulo TCM incorpora un modello termodinamico del compressore che IRC è in grado di elaborare in base alla documentazione standard di progetto dello stesso,

B.2 - Modulo MDS: Machinery Diagnostic System.

Dal confronto tra le prestazioni attese, elaborate dal modulo TCM, e quelle realmente misurate dalla strumentazione di macchinai si ricavano delle indicazioni diagnostiche relative a:

-eventuale deterioramento meccanico del compressore

-eventuale avaria della strumentazione

tali informazioni come già detto possono essere impiegate per finalità di manutenzione predittiva

B.3 - Modulo SDS SDSC:

SDS: Surge Detection System. Il sistema SDS è costituito da un sensore che, indipendentemente dalle condizioni operative termodinamiche, e dallo stato della strumentazione della macchina, rileva in maniera difetta la vicinanza a pompaggio basandosi sulla misura di parametri prettamente meccanici. Il sistema SDS è quindi completamente slegato ed indipendente dal sistema di protezione ad algoritmo termodinamico e dal modulo di gestione diagnostica. SDS opera in modalità override ai sistemi TCM e MDS, Si realizza in tal modo un duplice grado di protezione che rende impossibile il verificarsi del pompaggio del compressore. Infatti il sistema SDS anche nei caso di bloccaggio della valvola, o di un proprio guasto risponde con un blocco del compressore. In particolare il sistema SDS analizza le vibrazioni radiali dell’albero del compressore e seleziona le sole frequenze associate all’insorgere dei pompaggio del particolare compressore. Tali frequenze verranno rilevate in fase di primo avvio ed impostate ne! sistema di protezione.

SDSC: Surge Detection System Controller.

SDSC è il modulo controllore che presiede alle azioni di protezione e dialoga con gli altri moduli del sistema. La prima risposta del modulo SDSC quando SDS rileva pompaggio nella modalità sopradescrìtta, è quella di aprire la valvola di antipompaggio portando il compressore in condizioni di sicurezza. Se nonostante l’azione precedente, le frequenze indicative del pompaggio dovessero persistere, dopo qualche secondo (tempo legato alla apertura della valvola) SDSC genera il segnale di blocco del compressore. Infatti il sistema considera il persistere delle frequenze tipiche del pompaggio come indicativo di una mancata azione della valvola di antipompaggio e quindi considera una avaria della stessa -Un sistema di autodiagnosì interno al modulo SDS determina il blocco del compressore per perdita di protezione e genera un segnale diagnostico indicante la necessità di manutenzione.

B.4 - Modulo ACS: Antisurge Control System

Il sistema ACS è preposto ai controllo e comando della valvola di antipompaggio. ACS realizza un controllo dì tipo PID (proporzionale integrale -derivativo) al fine di riciclare una portata minima necessaria per rimanere in condizioni di sicurezza ed evitare l’insorgere del pompaggio. Inoltre ACS, se le condizioni dinamiche evolvono con velocità superiore al tempo di reazione del sistema, determina l’apertura rapida e completa della valvola di riciclo operando su un sistema di attuazione di emergenza ad apertura rapida.

Il modulo ACS dialoga con i moduli TCM e MDS per il controllo e l'attuazione e per la generazione dei segnali di emergenza.

C) Descrizione di dettaglio dei moduli del sistema SPS1

C.1-TCM:,

TCM è il modulo per la modellazione termodinamica del compressore. Il modello termodinamico del compressore è ottenuto tramite la adimensionalizzazione della mappa dellle prestazioni del compressore. TCM in base ai dati di input provenienti dai sensori di campo, ed in base al modello adimensionale della macchina, calcola tutti i parametri termodinamici attesi (expected values) e tra questi , in particolare, il valore della portata di pompaggio nelle condizioni operative. Tale valore viene inviato al modulo ACS per il controllo della valvola di antipompaggio,

TCM confonta i parametri termodinamici expected con i quelli rilevati dalla strumentazione ed invia i risultati al modulo di gestione diagnostica MDS.

In caso di discordanza tra i valori attesi e quelli misurati , e qualora il modulo di diagnostica MDS non rilevi guasti alla strumentazione o indicazioni di deterioramento meccanico del compressore, TCM con un apposito algoritmo iterativo determina il nuovo peso molecolare e in base a questo aggiorna i calcoli delle prestazioni nonché i parametri della protezioni di antipompaggio. In definitiva il sistema rileva variazioni delle caratteristiche del gas aspirato, ne determina il nuovo peso molecolare e aggiorna di conseguenza la protezione di antìpompaggio . Vengono in questo modo superati i limiti degli attuali sistemi in cui la protezione dal pompaggio resta legata e ai parametri di specifica e fissa quindi inefficace) anche in caso dì variazione delle condizioni operative rispetto a questi.

Con i moderni calcolatori di processo tutto il loop descritto viene eseguito in tempi dell’ordine del secondo, consentendo quindi una continua protezione della macchina in modalità completamente automatica.

.c2 - MDS;

Questo modulo del sistema riceve i parametri termodinamici “expected” dal modulo TCM e li confronta con i valori misurati tramite i sensori di campo. In caso di discordanza una apposita logica verifica se la stessa discordanza è attribuibile ad un degrado meccanico del compressore oppure ad una variazione delle caratteristiche del gas. Nel primo caso il sistema genera un segnale diagnostico di richiesta attività dì manutenzione. Nel secondo caso il segnale relativo è trasmesso al modulo TCM per la attivazione della procedura iterativa per la determinazione del nuovo peso molecolare.

Il modulo MDS inoltre opera un controllo su tutti i sensori collegati ed elabora le seguenti verifiche:

1) controlla la credibilità di ciascun segnale proveniente dai sensori, ed emette il relativo allarme di guasto in caso di avaria 2) rileva la possibilità che il segnale sia credibile ma non congruente con le elaborazioni termodinamiche in corso In questo caso viene generato un segnale diagnostico di richiesta calibrazione del sensore interessato.

3) In entrambi ì casi 1) e 2) le elaborazioni termodinamiche vengono considerate non attendibili ed il controlllo viene automaticamente commutato su un algoritmo semplificato basato sui soli sensori di pressione e portata. Qualora questi ultimi siano anchessi in avaria, la macchina viene messa in sicurezza e forzata in riciclo.

C.3 - SDS+SDSC:

SDS è un modulo elettronico preposto alla segnalazione dell'incipiente pompaggio. SDS riceve dai sensori di vibrazione radiali a normale corredo dei compressori (come previsto dagli standard attuali del settore rii API 617). Il modulo riceve il valore globale dello spettro delle vibrazioni e ne seleziona solo quelle con frequenza tipica del pompaggio della particolare macchina in considerazione. Il modulo elettronico realizzato da IPC consente di impostare la soglia desiderata in modo configurabile e variabile a seconda della macchina su cui il modulo viene impiegato.

Il segnale selezionato relativo viene trasformato in un segnale analogico standard 4 ÷ 20 mA (segnale SVS, Surge Vibration Signal) e trasmesso a! dodulo SDSC. Inoltre SDS esegue una propria autodiagnosi e trasmette il segnale relativo al modulo MDS,

SDSC è un modulo controllore (PID) che in modalità override ed in connessione autoselector con i controllori antipompaggio e di carico (ACS) controlla il valore del segnale di vibrazioni di pompaggio ed opera sulla valvola di antipompaggio. La finalità di questo controllo è quella di mantenere il valore del segnale SVC ad un valore ancora lontano dail’insorgere del pompaggio. L’eventuale intervento di SDSC viene trasmesso al modulo MDS che genera il relativo segnale diagnostico. Nel caso in cui, nonostante l’intervento di SDSC, il segnale SVC continua a salire (il compressore entra in pompaggio) il sistema considera la valvola di antipompaggio bloccata e di conseguenza genera un segnale di trip con la relativa indicazione diagnostica.

C.4 - ACS:

E’ il modulo di controllo della valvola di antipompaggio, Queso modulo implementa differenti contributi per l'azione di controllo di seguito elencati:

1) Controllo di antipompaggio con algoritmo termodimamico

2) Controllo dì antipompaggio con algoritmo semplificato

3) Controllo di antipompaggio basato sul rilievo delle vibrazioni subsincrone dell’albero

4) Controllo di stazione di compressione (quando presente)

Il modulo ACS impiega tecniche di controllo di tipo autoselector per operare l’azione di controllo di algoritmi diversi.

Descrizione dei contributi di controllo:

1) il modulo TCM elabora in tempo reale ia portata di pompaggio in base alle condizioni reali di funzionamento. TCM esegue tale determinazione verificando la possibilità di variazione del peso molecolare ed eseguendone il calcolo quando necessario. La portata di pompaggio cosi determinata, previa applicazione di un opportino coefficiente di sicurezza.viene trasmessa al modulo ACS che confronta tale valore con la portata aspirata e aziona la valvola di antipompaggio (SVCS) in modo da evitare che il valore della portata aspirata diventi inferiore a valore di sicurezza determinato.

2) Il sistema commuta automaticamente su un algoritmo semplificato quando una autodiagnosì interna rileva la non attendibilità delle misure di temperatura (TFS). L'algoritmo semplificato è indipendente infatti dalle temperature ed opera secondo la seguente relazione:

questa modalità di controllo è quella classica implementata attualmente per la protezione di antipompaggio dei compressori centrifughi,

3) Il sensore SDS seleziona dallo spettro delle vibrazioni radiali dell'albero del compressore, solo le componenti armoniche connesse al pompaggio defilo stesso. La frequenza selezionata viene trasformata in un segnale standardizzato 4 ÷ 20 mA (segnate SVS, Surge Vibration Signal) e trasmesso al modulo SDSC e al modulo MDS. Quest’ultimo confronta il segnale con una soglia di sicurezza adeguatamente distante dal pompaggio e tramite l’azione di un apposito regolatore PIO comanda la valvola di antipompaggio. Qualora il segnale SVC, nonostante l’intervento della azione doi controllo, dovesse persìstere oltre il limite impostato, il sistema reagirà comandando l’apertura in emergenza della valvola di antipompaggio (attraverso apposito solenoide dedicato). Se anche dopo tale azione il segnale SVC persiste su livelli non accettabili, il sistema considera un malfunzionamento della valvola e quindi genera un segnale di blocco del compressore:

4) Il controllo di stazione è slegato dai sistemi di protezione della macchina e riguarda solo il controllo dell’intera stazione di compressione.

Nota: i quattro controlli descritti operano contemporaneamente ; ognuno di essi si inserisce in modo automatico al verificarsi di specifiche condizioni con le modalità previste dalla tecnologia autoselector.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Per il presente progetto si rivendica il riconoscimento dell’invenzione per gli elementi di seguito elencati: Sistema di protezione totale del compressore dal fenomeno del pompaggio basato su 1) rilievo di particolari frequenze di vibrazione (specifiche per ogni macchina) e connesse all’insorgere del fenomeno del pompaggio stesso, (modulo SDS, modulo SDSC) 2) Impiego di un modello termodinamico del compressore finalizzato airaggiornamento continuo ed in tempo reale della protezione di antipompaggio in base ala determinazione automatica del peso molecolare del miscuglio gassoso aspirato ottenuto via calcolo e senza l’impego di gascromatografo. (modulo TCM) 3) Impiego di un modello termodinamico del compressore centrifugo finalizzato alla determinazione delle prestazioni attese della macchina e confronto con quelle attuali per generazione di segnalazioni diagnostiche (modulo MDS)