Minimizarea greutății și dimensiunilor echipamentelor reduce costul instalat al unei instalații de procesare offshore. Deoarece specificațiile echipamentelor trebuie să ia în considerare operațiunile la starea de echilibru, contractorii de inginerie offshore aplică analize dinamice pentru a evalua proiectarea echipamentelor pentru pornirea inițială, funcționarea normală, coborârea, oprirea, repornirea și variația instalației. Cunoștințele obținute în urma analizei dinamice sunt utilizate pentru a minimiza supra-proiectarea, a explora echipamente alternative cu o amprentă mai mică și, în cele din urmă, pentru a realiza un design care este cel mai potrivit pentru mediul offshore.

dinamice

Echipamentul mai ușor înseamnă costuri mai mici

Jeffrey Feng, Avanish Aggarwal, Surajit Dasgupta, Hoss Shariat - KBR

Minimizarea greutății și dimensiunilor echipamentelor reduce costul instalat al unei instalații de procesare offshore. Deoarece specificațiile echipamentelor trebuie să ia în considerare operațiunile la starea de echilibru, contractorii de inginerie offshore aplică analize dinamice pentru a evalua proiectarea echipamentelor pentru pornirea inițială, funcționarea normală, coborârea, oprirea, repornirea și variația instalației. Cunoștințele obținute în urma analizei dinamice sunt utilizate pentru a minimiza supra-proiectarea, a explora echipamente alternative cu o amprentă mai mică și, în cele din urmă, pentru a realiza un design care este cel mai potrivit pentru mediul offshore.

Scopul și accentul analizei dinamice evoluează pe măsură ce proiectul avansează. Pentru a aprecia pe deplin gradul de cunoștințe care poate fi obținut din analiza dinamică, exemplele din instalațiile offshore din trecut sunt prezentate mai jos și acoperă cele trei aplicații principale: analiza foilor de flux, selecția materialelor și proiectarea detaliată a echipamentelor.

Analiza foii de flux

Un proiect începe de obicei cu un studiu de fezabilitate pentru a dezvolta foaia de flux generală. Reducerea la minimum a numărului de echipamente în faza de fezabilitate poate îmbunătăți matricea de cost globală a unui proiect, în special pentru dezvoltarea terenurilor industriale (câmp material), unde adăugarea de echipamente trebuie să fie redusă la minimum. Pentru dezvoltarea terenurilor industriale, analiza dinamică verifică limitele de funcționare ale echipamentelor existente pentru a determina dacă acestea pot fi refolosite.

Recent, dezvoltatorul unui câmp petrolier a planificat să modifice o platformă offshore pentru a face față schimbărilor în condițiile rezervorului și legătura noilor linii de curgere. Platforma originală avea un compresor de gaz de export cu un răcitor de admisie care funcționa și ca un răcitor de reciclare. Ca parte a dezvoltării terenului industrial, urma să fie adăugat un nou compresor. Cu toate acestea, dezvoltatorul a dorit să păstreze schimbătorul existent ca un sistem de răcire obișnuit pentru ambele compresoare și a solicitat un studiu de fezabilitate pentru această configurație oarecum neobișnuită.

Adăugarea compresorului de rapel la un sistem de compresie existent.

Deoarece schimbătorul trebuia să fie folosit ca răcitor de aer în funcționare normală și ca răcitor de reciclare la pornire și oprire, a fost efectuată o analiză dinamică pentru a înțelege pe deplin sarcina schimbătorului atât pentru starea de echilibru, cât și pentru operațiunile tranzitorii și pentru a determina dacă schimbătorul existent ar putea acomodați sarcina prevăzută pentru întreaga gamă de operații cu noul compresor.

Pentru a asigura acuratețea analizei dinamice, mai întâi a fost construit un model de simulare pentru instalația existentă și validat pe baza datelor de funcționare la starea de echilibru pentru a asigura precizia curbelor compresorului, coeficientul de transfer de căldură, capacitatea supapei și alți parametri ai echipamentului din model.

După validare, un nou bloc de compresor și linia sa de reciclare au fost adăugate la model. O simulare de pornire a fost apoi efectuată pe model.

Taxa maximă a schimbătorului a avut loc atunci când compresoarele funcționau în reciclare totală chiar înainte ca presiunea de refulare să atingă presiunea conductei de export, adică indicați „D” pe graficul de mai jos. Debitul prevăzut, temperatura și presiunea corespunzătoare sarcinii maxime au fost extrase din modelul de simulare și s-a efectuat un calcul detaliat al ratingului pentru schimbător. S-a ajuns la concluzia că schimbătorul existent ar putea satisface cererea de răcire pentru ambele compresoare și că nu ar fi nevoie de un schimbător nou.

Acest exemplu arată că analiza dinamică poate fi utilizată la începutul fazei de fezabilitate pentru a dezvolta un design optim cu cel mai mic impact asupra unei instalații existente. În general, acest tip de analiză se realizează pentru proiectele de dezvoltare a zonelor industriale dezafectate din Marea Nordului, unde părțile interesate iau în considerare o modalitate rentabilă de a acomoda noile condiții ale rezervorului după ce facilitățile au funcționat continuu de peste 10 ani. Pentru proiectele greenfield (câmp nou), analiza dinamică este rară în faza inițială de fezabilitate din cauza lipsei de date.

Selectarea materialelor

Când un proiect greenfield trece dincolo de faza inițială de fezabilitate, un studiu de inginerie front-end este de obicei realizat de către un antreprenor de inginerie, cu oportunități de a selecta materialul adecvat pentru construcție luând în considerare factori precum rezistența la coroziune, greutate, cost etc. Exemple sunt sistemele de apă de răcire și de incendiu de pe o platformă offshore. Aceste sisteme au, în general, țevi cu diametru mare care traversează toate instalațiile. Pentru aceste sisteme, utilizarea țevilor din plastic armat cu fibră de sticlă (FRP) poate economisi mult greutate în comparație cu țevile metalice. Cu toate acestea, forța dinamică excesivă poate fi în detrimentul țevilor din FRP. Cele mai severe forțe dinamice apar în general în timpul pornirii și declanșării pompei atunci când există o schimbare rapidă a presiunii și vitezei fluidului. Pentru a ne asigura că țevile FRP sunt specificate corect, analiza dinamică determină presiunile maxime și minime, viteza maximă și forțele dinamice pentru fiecare segment de țeavă din sisteme.

Taxa schimbătorului prevăzută pentru pornire. Punctul A: Stare inițială, cu ambele compresoare la ralanti; Punctul B: Compresoarele au fost accelerate la viteza minimă de reglare; Punctul C: După ce compresoarele au atins viteza minimă, controlerele compresorului au fost trecute la automat, care a închis parțial supapele de ciclu; Punctul D: viteza compresorului a fost crescută până când presiunea de refulare a atins presiunea conductei de export, care a început un flux înainte prin compresoare; Punctul E: compresoarele au atins punctele normale de funcționare cu supapele de reciclare complet închise.

Mai jos este o diagramă a unui sistem de apă de mare, compus din mai multe pompe de ridicare, schimbătoare multiple în paralel și țevi cu diametru mare. Acest sistem a avut o schimbare considerabilă de altitudine, pompele fiind situate sub nivelul mării, dar unele dintre schimbătoare se aflau pe puntea superioară a părților superioare. Această mare diferență de altitudine a făcut ca acest sistem să fie susceptibil la ciocanul de apă sever dacă o pompă a fost declanșată și separarea coloanei a avut loc în locuri înalte.

Sistem de apă marină în larg.
Compresoare de gaz paralele cu schimbătoare multiple de apă de răcire.

Pentru a evalua pe deplin capacitatea de funcționare a sistemului, au fost efectuate simulări pentru pornirea, declanșarea și repornirea pompei. Au fost testate, de asemenea, diferite configurații de proiectare. Figura de mai jos arată că presiunea tranzitorie la galeria de descărcare a pompei ar putea fi redusă prin adăugarea unui 18-inch. (20 cm) linie de bypass a pompei cu o supapă de descărcare. Cu linia de bypass, presiunile maxime și minime erau în limitele admise specificate de furnizorii de FRP, astfel încât țevile din FRP ar putea fi utilizate.

În această instalație, utilizarea FRP în sistemele de apă de răcire și de incendiu a redus greutatea conductelor cu peste 50%. Acest exemplu se bazează pe un proiect recent offshore din Asia de Sud-Est și este tipic pentru noile instalații de apă adâncă din întreaga lume, unde gestionarea greutății devine mai importantă.

Proiectare detaliată a echipamentelor

Când un proiect trece la faza finală de inginerie detaliată, foaia de flux generală și selecția echipamentelor vor fi fost stabilite, dar greutatea echipamentului poate crește în continuare. Adesea, dezvoltatorii de proiecte au stabilit deja o limită superioară pentru greutatea și dimensiunea suprafețelor superioare, care provoacă contractantul de inginerie să reducă greutatea și dimensiunea echipamentului fără a cuprinde siguranța și capacitatea instalației.

O zonă pe care analiza dinamică a fost utilizată pentru a reduce greutatea și dimensiunea echipamentelor sunt schimbătoarele mari de tuburi și carcase din sistemul de compresie a gazelor. Următoarea diagramă este o schemă a unei instalații tipice offshore cu trenuri de separare gaz/petrol/apă și trenuri de compresie a gazului. Schimbătoarele de tuburi și tuburi prezentate sunt acționate cu apă de răcire cu presiune scăzută pe partea corpului și gaz de proces de înaltă presiune pe partea tubului.

În cazul ruperii tubului, gazul de înaltă presiune va ieși din tubul rupt și va presuriza carcasa schimbătorului. Prin urmare, carcasa acestor schimbătoare în larg este în mod normal proiectată pentru ruperea instantanee a tubului. Analiza dinamică a fost utilizată pentru a proiecta un dispozitiv de salvare a supratensiunii pe schimbător. O astfel de analiză este utilă în special într-o instalație offshore în care gazul din tub este în general la presiune ridicată, așa cum se arată în următorul exemplu de schimbător pe o platformă de producție plutitoare:

  • Presiunea maximă a gazului de 230 barg în tub
  • Presiune normală de funcționare de 3 barg în carcasă
  • Presiunea de proiectare 10 barg pentru conductele de apă de răcire adiacente schimbătorului.

Diametrul exterior al tuburilor este de 0,75 in. (1,9 cm). Carcasa schimbătorului are o lungime de 5 m (16 ft) și un diametru de 1 m (3 ft). Schimbătorul este de tip DFU și are un deflector orizontal. În designul original, presiunea maximă de lucru admisă a carcasei era de 10 barg și trei supape de siguranță erau conectate la carcasă pentru protecție la suprapresiune - una lângă duza de apă de intrare, una lângă duza de apă de ieșire și una lângă capătul eliptic . Deoarece schimbătorul se afla pe puntea inferioară a platformei, această configurație necesita trei lungimi de 6 in. (15 cm) linii de relief pentru conectarea schimbătorului la supapele de siguranță și antetul de relief de pe puntea superioară.

Pentru a minimiza conductele schimbătorului, au fost propuse două alternative:

1. Proiectați carcasa la 153 barg, sau două treimi din presiunea maximă a tubului. Nu ar fi nevoie să instalați niciun dispozitiv de siguranță pentru a proteja carcasa schimbătorului, dar schimbătorul ar fi cu aproximativ 20% mai greu decât designul original.

2. Proiectați carcasa la o presiune mai mare de 10 barg dar sub 153 barg și instalați un disc de rupere pentru a proteja carcasa. Pentru a îmbunătăți eficiența pentru protecția la suprapresiune, a fost utilizat discul de rupere în locul supapei de siguranță și urma să fie montat direct pe carcasă.

Schimbător cu disc de rupere montat pe carcasă pentru protecție la suprapresiune.

Pentru a doua opțiune, a fost efectuată o analiză dinamică pentru a determina presiunea de proiectare a carcasei cu un singur disc de rupere. Figura de mai jos prezintă rezultatele unui caz de simulare în care sa presupus că ruptura tubului se produce în apropierea duzei de apă de intrare (punctul A). Presiunea maximă care a fost aplicată asupra shell-ului a fost de aproximativ 30 barg și, după discuții cu dezvoltatorul proiectului, presiunea de proiectare a shell-ului a fost schimbată la 20 barg. Liniile adiacente de apă de răcire au fost, de asemenea, analizate pentru a confirma că schimbarea configurației de relief nu a creat o problemă de suprapresiune în sistemul de conducte.

Creșterea presiunii de proiectare a carcasei de la 10 la 20 barg a eliminat două țevi verticale lungi de pe platformă și a redus greutatea pachetului schimbătorului după ce a luat în calcul mai puține discuri de rupere și anteturi de relief. Acest exemplu se bazează pe un proiect de apă adâncă din Atlanticul de Nord și este tipic instalațiilor de procesare offshore cu injecție de gaz de înaltă presiune.

În plus față de optimizarea schimbătorului de greutate, analiza dinamică poate minimiza și echipamentele supra-proiectate. Acest tip de analiză a fost făcut pentru instalațiile de pe uscat, inclusiv sistemele de semnalizare și utilitare, dar beneficiile pentru instalațiile de pe mare pot fi și mai mari. Oportunitățile de reducere a amprentelor echipamentelor tind să fie mai abundente în fazele de inginerie detaliate în comparație cu fezabilitatea anterioară și fazele de inginerie front-end și devine standard pentru analiza dinamică care să fie utilizată în ingineria detaliată pentru proiectele offshore.

Validarea modelului

Pentru a asigura acuratețea analizei dinamice, modelul ar trebui validat atât pentru starea de echilibru, cât și pentru operațiunile tranzitorii. Validarea modelului în funcție de funcționarea la starea de echilibru asigură faptul că modelul dinamic folosește echipamente de date exacte, cum ar fi coeficienții de transfer ai schimbătorului de căldură și curbele de funcționare ale compresorului, care sunt importante pentru analiza terenurilor industriale în care condițiile de funcționare s-ar fi putut schimba de-a lungul anilor. După validarea modelului în stare de echilibru, următorul pas este validarea modelului împotriva operațiilor tranzitorii, cum ar fi pornirea și oprirea. Un model dinamic construit corect poate reproduce măsurătorile de câmp într-o gamă largă de condiții de funcționare. De exemplu, presiunea de descărcare a unui compresor centrifugal în două trepte la o instalație offshore existentă a fost măsurată în timpul pornirii și comparată cu predicția modelului.

Validarea modelului dinamic pentru operațiuni tranzitorii.

Operațiunile tranzitorii sunt cazurile de proiectare de control pentru multe unități de echipamente din instalațiile offshore. Numai prin analiza dinamică se pot analiza condițiile de funcționare în operațiuni tranzitorii și se poate realiza un design adecvat cu cea mai mică greutate și dimensiune a echipamentului.

Nota autorului

Analiza dinamică prezentată în acest articol a folosit un software dinamic de principiu, inclusiv Hysys de la Aspen Technology și PIPENET de la Sunrise System.

Confirmare

Autorii mulțumesc membrilor Comitetului pentru publicații KBR pentru revizuirea tehnică și perspectivele lor, precum și multor persoane din cadrul companiei ale căror contribuții în diferite proiecte de simulare dinamică au făcut posibilă această lucrare.

Referințe

Simpson, I. I., „Ruptura tubulară în schimbătoarele umplute cu lichide”, AIChE Loss Prevention Symposium, Volumul 6, 1972, pp 93-98.

Cassata, J. R., Feng, J., Dasgupta, S. și Samways, R., „Prevenirea eșecului la suprapresiune la schimbătoarele de căldură”, Prelucrarea hidrocarburilor, noiembrie 1998, pp. 123-130.

Cassata, J. R., Dasgupta, S. și Gandhi, S. L., „Modelarea dinamicii reliefului turnului”, Prelucrarea hidrocarburilor, octombrie 1993, pp. 71-76.

Patel, V., Feng, J., Dasgupta, S. și Kramer, J., „Utilizarea simulării dinamice în proiectarea plantelor de etilenă”, Prezentare la Conferința producătorilor de etilenă, AIChE Spring National Meeting, 2008.

Patel, V., Feng, J., Dasgupta, S., Ramdoss, P. și Wu, J., „Application of Dynamic Simulation in the Design, Operation and Troubleshooting of Compressor Systems”, prezentat la al 13-lea simpozion de turbomachine, 2007.

Wu, J., Feng, J., Dasgupta, S. și Keith, I., „O abordare realistă de modelare dinamică pentru a sprijini funcționarea compresoarelor de instalații GNL”, LNG Journal, octombrie 2007, pp. 27-30.