Compressor Load Sharing과 Anti-surge 제어의 동적 모사

Abstract

Compressor system은 oil and gas industry에서 널리 사용되고 있다. 그리고 비용이나 프로젝트 스케줄, 장비의 복잡성 그리고 안전측면에서 가장 중요한 장비 중 하나이다. 대표적으로 offshore에서 생산된 natural gas를 pipeline을 통해서 육지로 이송시키거나 gas injection등과 같이 gas를 고압으로 만드는데 사용된다. 보통 reservoir 에서 올라오는 oil and gas는 그 자체로도 고압이지만, separation, heat exchanger 등의 공정을 거치면서 압력이 떨어지므로 이송을 위해서 이를 재가압 해주어야 한다. 주로 offshore의 export에 필요한 압력은 상당히 고압이기 때문에 여러 단계의 compressor를 거쳐 단계적으로 원하는 압력으로 가압 시켜준다. Gas의 처리량이 크거나 공정의 operation의 유연성 등을 위해 parallel로 설치되기도 한다. Front End Engineering and Design (FEED)은 project 진행 과정 중에 process conceptual design과 feasibility study이후의 단계로, 프로세스 엔지니어가 기술적인 문제들을 발견해내고 해결하는 등의 engineering investigation이 수행된다. 또한 이 단계에 수행되는 control system의 설계는 plant의 최적화된 운전과 전체 life cycle 동안 process에 생길 수 있는 외란(disturbance)을 처리할 수 있는 충분한 설계여유를 가지도록 해야 한다. 특히 compressor system과 같은 turbo machinery는 효율성을 극대화한 control scheme이 필요하고, 다양한raw material 조성이나 operating condition에서도 운전 가능한 디자인이 요구된다. 특히 최근 oil and gas industry에서는 operation의 유연성, 자동화, 효율성 극대화 등이 요구되고 있다. Dynamic simulation은 다른 어떤 방법보다 확실하게 이런 요구를 만족시켜 줄 수 있는 해결책이다. Dynamic study를 통해 프로세스 엔지니어는 좀 더 개선되고 효율적인 디자인을 할 수 있고, 프로젝트의 cycle time과 비용을 줄일 수 있을 뿐 아니라, process 전체의 통찰력을 가질 수 있다. Dynamic modeling은 process plant의 설계, 운전뿐 아니라 기존 plant의 문제 해결에도 필수적이다. Steady state modeling을 가지고도 충분히 다양한 scenario에 대한 simulation이 가능하지만 충분한 정확성을 얻기 어렵기 때문이다. 다음과 같은 다양한 변화에 대한 system의 동적인 반응을 확인하기 위해 dynamic modeling이 사용된다. • Plant startup and shutdown • Plant upset and pressure relief • What-If study • Process 최적화 이 논문은 ASPEN HYSYS Dynamic을 사용해 전형적인 3 train의 parallel compressor system을 모델링 하였다. 모델링은 compressor system의 제어에 가장 핵심이라고 할 수 있는 anti-surge control 과 load sharing control을 검증하기 위해 구성되었다. Compressor control 관련 기존 concept 들과 개선된 모델을 만들어 이를 정상, 비정상 scenario들을 통해 비교 분석한다. 이를 통해 각 모델이 갖고 있는 장단점을 정리하고, 추후 oil & gas platform, FPSO project 진행 시 수행될 dynamic study와 compressor 업체 위주로 진행되는 compressor control 관련 설계 참여시 참고 자료로 활용하기 위함이다. HYSYS Dynamics TM version V8.6을 사용해 3 train parallel gas compressor system을 구성 하고, 기존의 compressor control concept와 비교 분석을 통해 제안한 제어모델의 유효성, 타당성을 평가한다. 플랜트의 separation, flare, utility system등 다른 system의 모델링은 포함하지 않는다.

Compressor systems are widely used in different applications ranging from refrigeration cycles to industrial chemical manufacturing. Centrifugal compressors are the most widely used type for oil and gas industry. One such application is the transport of natural gas in pipelines from offshore oilrigs to the mainland. This is done by compressor systems in which several compressor stages can be linked together, also including heat exchangers, separators and anti-surge equipment. Surge is an inherent phenomenon in a centrifugal compressor, defined as reversal of fluid flow which can possibly damage the machine. Surge is a highly undesirable flow phenomena related to compressor performance in which the compressor can be damaged. Therefore, anti-surge control is very important for safety of the compressor and it can keep the compressor always running in the safe area right to the surge line. Load sharing is another challenge for compressor to overcome. The aim of the load sharing optimization is to operate these units in an energy efficient way while continuously satisfying the varying demand of gas flow. As the gas demand changes start-up and shut-down of compressor units might be required and the impact of these switching events on the expected lifetime of the compressors also needs to be taken into consideration. Process Dynamic Modelling and simulation is a technology that enables process design engineers to develop transient models of plants that respond to disturbances with respect to time. This can also be tailored to various applications throughout the project life cycle. Additionally, during early design stages of process plant control systems, these modelling methods can be used to ensure sufficient margins exist to handle process disturbances and assess a plant's optimal operation. This helps to avoid, or at least minimize, costly rework later In this paper, dynamic simulation of the centrifugal compressor is carried out in HYSYS. Conventional PID and modified load sharing control concept are implemented to check their performance. Modified control prove to be superior to earlier control in protecting the compressor in severe surge case and load sharing situation. Start-up and shut down surge was prevented by fully opening the anti-surge control valve. Dynamic simulation results for surge phenomenon and load sharing control occurring in a centrifugal compressor in various conditions such as throughput reduction, discharge valve failure, start-up and emergency shutdown of the unit are presented and their control strategies are discussed.