Kiertokaasukompressorin monitorointi simulointimallilla

Abstract

Työn tavoitteena on selvittää Nesteen Porvoon jalostamolla olevan vetykrakkaus-yksikön (VK) kiertokaasukompressorin toimintapiste, sekä tutkia mittalevyillä tehtävän virtausmittauksen virhearviota. Kompressorin toimintapisteen selvittäminen ja seuraaminen on tärkeää kompressorin vaurioitumisen ja vääränlaisen operoinnin estämiseksi. Jotta kompressorin toimintapiste voidaan selvittää, tarvitaan tietoa kompressorin toimintaympäristön mittauksista ja niiden tarkkuudesta. VK:n kiertokaasukompressorin massataseen kanssa on ollut epätarkkuutta, joka selvitetään virtausmittausten taseen täsmäyksellä. Kyseinen työ on tapaustutkimus, jonka tulokset tuotetaan laskennallisin menetelmin. Työn kirjallisessa osassa luodaan perusta työn soveltavalle osuudelle. Kirjallisessa osassa esitettyjä yhtälöitä käytetään työn soveltavassa osassa kompressorin toimintaympäristön mittausten ja kompressorin toimintapisteen selvittämiseen. Työssä kiertokaasun mallintamiseen käytetään simulointiohjelmaa, Petro-SIM, joka soveltuu öljynjalostukseen, ja sen termodynaamisilla malleilla voidaan mallintaa vetykrakkauksen kiertokaasun käyttäytymistä. Työn soveltavassa osassa kompressorin toimintaympäristön virtausmittauksille tehdään kompensointi, korjaus, virhearvio, kunnontarkastelu ja virhekäyrä. Korjattujen virtausten ja virhearvion avulla täsmätään kompressorin massatase. Kompressorin taseen täsmäämisen jälkeen tunnetaan kompressorin läpivirtaus, johon kompressorin toimintapiste sijoittuu. Ennen kompressorin toimintapisteen selvittämistä tarvitsee kuitenkin selvittää kompressorivalmistajan käyttämä termodynamiikka. Työssä kompressorivalmistajan termodynamiikkaa verrattiin simulaatio-ohjelman termodynaamisiin malleihin ja reaalikaasun tilanyhtälöllä laskettuihin arvoihin. Kompressorivalmistajan tuottokäyrästön arvot muodostuivat reaalikaasun tilanyhtälöllä laskettujen ja Lee-Kesler-Plocker mallilla simuloitujen arvojen väliin. Näin ollen työssä kompressorin toimintapiste laskettiin reaalikaasun tilanyhtälön ja Lee-Kesler-Plocker termodynaamisen simulointimallin avulla. Kiertokaasukompressorille tehtiin työn alussa hypoteesi, jossa kompressorin toimintapisteen oletettiin muodostuvan kompressorivalmistajan tuottokäyrästön alapuolelle. Laskettu- ja simuloitu toimintapiste muodostuivat kuitenkin kompressorivalmistajan tuottokäyrästön oikeaan laitaan ja tuottokäyrästön yläpuolelle. Toimintapisteen osuessa käyrälle voidaan päätellä, että kompressori on hyvässä kunnossa ja oikeissa operointiolosuhteissa. Kun toimintapiste ei osu käyrälle, vaan sijoittuu käyrän alapuolelle, voidaan päätellä, että kompressori on vioittunut tai likaantunut tai sitä ei operoida oikein. Toimintapisteen sijoittuessa käyrän yläpuolelle on valmistajan antamassa käyrästössä jotain vikaa. Työn tulosten tueksi hankittiin kohde yrityksen käyttämältä konsultilta lausunto, joka vastasi työssä saatuja tuloksia. Näin ollen kompressorivalmistajan tulisi tuottaa GB-302:lle uudet tuottokäyrästöt, jotka vastaavat todellisuutta.

The objective of this Master thesis was to study the operating point of hydrocracking unit recycle gas compressor and uncertainty of orifice meter at Neste Porvoo refinery. By monitoring the compressor operating point you’ll be able to control the performance of the compressor and prevent damage. For accurate operating point calculations, the operating environment measurements and their performance needs to be known. This study was done because there have been inaccuracies at the mass balances over the hydrogen cracking unit centrifugal compressor at the Porvoo refinery. This study is a case study where the results are produced with mathematical methods. The basis of this study is presented in the literature part and the presented equations are used in the experimental part of the study. The literature part presents calculation for the orifice meters and for the centrifugal compressor. In this study the recycle gas of hydrocracking unit is modelled by Petro-SIM simulation software which applies well to the refinery environment. The simulation tool is also used to solve the operating point of the recycle gas compressor. In the experimental part of the study the mass balance over the recycle compressor is studied. The mass balance is measured by orifice meters. The experimental part starts with orifice meter compensation, error analysis, condition evaluation and orifice uncertainty curve. With fixed flow and error analysis it is possible to fix the compressor’s mass balance. After fixing the mass balance, compressor’s operating point can be calculated. Before calculation of the compressor’s operation point, it’s necessary to solve the thermodynamics used by compressor’s manufacturer. In this study the thermodynamics were compared to equations of state using thermodynamic models on simulation program and real gas calculations. The simulation’s best fit was found with Lee-Kesler-Plocker model. The manufacturer’s data did not fit to the thermodynamics of the calculations nor simulations, but it was found to fit between the calculations and simulations. In the literature part of this study a hypothesis was created where the operating point of the compressor was assumed to appear below operation curve supplied by the compressor’s manufacturer. In reality the operation point is above and on the right side of the supplied operating curve. When operation point sets to the operation curve it’s common to assume that the compressor is in pristine condition. When the operation point misses the curve and is formed below the curve it’s common to assume that the compressor is damaged, dirty or it is not operated correctly. When the operating point sets to above the curve it’s common to assume that supplied operation curve is not correct. For the support of this study’s calculations and simulations a consult was asked for a statement. The statement supported the results of the study, meaning that the data provided by the manufacturer was incorrect and the manufacturer should provide corrected operation curves for the compressor.