ITCO20110039A1 - Sistemi e metodi per determinare un livello di sporcamento di compressori - Google Patents

Description

TITLE / TITOLO

SYSTEMS AND METHODS FOR DETERMININO A LEVEL OF FOULING OF COMPRESSORS / SISTEMI E METODI PER DETERMINARE UN LIVELLO DI SPORCAMENTO DI COMPRESSORI

CAMPO TECNICO

La presente invenzione riguarda in generale i sistemi e i metodi per determinare il livello di sporcamento nei compressori e, più in particolare, la determinazione di un livello di sporcamento in uno o più stadi di un compressore nel corso del funzionamento.

ARTE NOTA

Come è ben noto, per esempio in una unità per la produzione, dell'etilene, lo sporcamento è un fenomeno che interessa i raffreddatori interstadio, limitando in modo significativo le prestazioni di un compressore per la carica di gas e quindi l'intera operazione di produzione dell'etilene. Più in generale, lo sporcamento è un fenomeno che può verificarsi in qualsiasi applicazione di compressori nella quale una combinazione di pressione e temperatura nel compressore può produrre il deposito di materiali su varie superfici entro il compressore. Gli impianti per la produzione dell'etilene sono pertanto qui discussi come esempio illustrativo.

I compressori di gas sottoposti a cracking utilizzati negli impianti per la produzione di etilene sono compressori centrifughi ad alta capacità e con potenze assorbite nel campo che va da 40 M a 90 M. Essi presentano vari tipi di progettazione e particolarità di funzionamento, i cui elevati requisiti trovano di rado riscontro in altre applicazioni. Oggigiorno i requisiti del processo spingono verso nuovi sviluppi e nuovi approcci nella progettazione e nel funzionamento di tali macchine. La maggior parte degli sviluppi sono indirizzati alla riduzione - se non alla completa eliminazione - del fenomeno noto come sporcamento. Le scelte effettuate in fase di progettazione (nonché le pratiche operative) dei compressori per gas derivanti dal cracking, avranno poi una forte influenza nel tasso di sporcamento del compressore e quindi dell'intero funzionamento dell'impianto.

Lo sporcamento nei compressori di gas derivanti da cracking negli impianti per la produzione di etilene è causato di solito dal deposito di materiali organici formatisi nelle reazioni di polimerizzazione. Le reazioni di polimerizzazione sono iniziate dal calore e catalizzate dai perossidi e dalle tracce di particelle metalliche, come gli ioni di ferro. A causa della loro inerzia e peso, le catene polimeriche, nel loro passaggio attraverso il compressore del gas di processo, aderiscono alle superfici metalliche interne formando depositi che modificano il comportamento aerodinamico dei condotti, interferiscono con le parti rotoriche e creano problemi di erosione dovuti a materiale duro, simile al coke petrolifero, formatosi a causa di fenomeni di deidrogenazione dei depositi di materiale organico polimerizzato. Il tasso di polimerizzazione aumenta in presenza di ossigeno e tracce di metalli ed è influenzato principalmente dalla temperatura del gas. Pertanto, l'aumento di temperatura prodotto dalla diminuzione dell'efficienza della compressione porta a un'ulteriore accelerazione del tasso di sporcamento.

I risultati finali comprendono la riduzione dell'efficienza politropica, che riduce la produzione e la pressione di aspirazione, con una pressione del forno maggiore di quella desiderata. Questo influenza la selettività e le condizionamento dell'intervallo tra i fermi macchina, portando ad aumenti molto rilevanti del costo di funzionamento.

Di conseguenza esiste il bisogno di determinare con rapidità e precisione il livello di sporcamento in un compressore. Questa informazione può essere utilizzata ad esempio per fornire una adeguata manutenzione contro lo sporcamento per tali compressori sulla base delle condizioni operative.

RIEPILOGO

Secondo un aspetto della presente invenzione, un metodo per determinare un livello di sporcamento in un compressore comprende le fasi di raccolta dei dati relativi al funzionamento del compressore, la stima di un'efficienza politropica di almeno uno stadio del compressore per mezzo dei dati raccolti, la normalizzazione del l'efficienza politropica stimata, la determinazione dei livello di sporcamento nel compressore in base alla stima normalizzata dell'efficienza politropica.

Secondo un altro aspetto, un sistema per determinare un livello di sporcamento in un compressore comprende un'interfaccia configurata in modo da raccogliere i dati relativi al funzionamento del compressore, e un processore configurato per calcolare la stima di un'efficienza politropica di almeno uno stadio del compressore per mezzo dei dati raccolti, per eseguire la normalizzazione dell'efficienza politropica stimata, e per determinare il livello di sporcamento nel compressore in base alla stima normalizzata dell'efficienza politropica.

Secondo un'altra realizzazione rappresentativa, un sistema di sorveglianza di un compressore per la carica di gas atto a determinare l'efficienza politropica di un treno di compressori avente una pluralità di stadi fluidamente collegati in serie e un raffreddatore interstadio posizionato tra stadi adiacenti del compressore, detto sistema di sorveglianza del compressore comprendente una pluralità di moduli sensori ottici, nei quali ogni modulo sensore ottico è adiacente all'ingresso o a un'uscita di ciascuno stadio del compressore, nel quale ogni modulo sensore comprende almeno un sensore FPG (Fiber Bragg Gratìng) ed è funzionalizzato per rispondere a temperatura, pressione, densità, portata del gas o eventi dinamici; e un dispositivo di controllo funzionalmente connesso a detti moduli sensori ottici, nel quale detto sistema di controllo comprende un processore per determinare una stima dell'efficienza politropica relativa a ciascuno stadio del compressore e per fornire un'indicazione di un'efficienza politropica relativa a ciascuno stadio del compressore.

BREVE DESCRIZIONE DI VARIE VISTE DEI DISEGNI

Questa e altre caratteristiche della presente invenzione e i rispettivi vantaggi sono illustrati in modo specifico nelle realizzazioni dell'invenzione che verranno descritte nel seguito, a titolo di esempio, in riferimento ai disegni schematici allegati, nei quali:

La FIG. 1 è un diagramma di flusso di un metodo atto a determinare un grado di sporcamento di un compressore, in conformità alle realizzazioni esemplificative; La FIG. 2 è il disegno schematico di un sistema atto a determinare un grado di sporcamento di un compressore, in conformità alle realizzazioni esemplificative; La FIG. 3 è il disegno schematico un sistema di sorveglianza di un compressore per la carica del gas secondo una realizzazione;

La FIG. 4(a) rappresenta una realizzazione di un modulo sensore;

La FIG. 4(b) rappresenta un altro esempio della realizzazione di un modulo sensore;

La FIG. 4(c) rappresenta la lunghezza d'onda relativa alla realizzazione 4(b); Le FIGG. 5(a) e 5(b) sono grafici che illustrano la relazione tra k e il peso molecolare di un gas, secondo le realizzazioni;

Le FIGG. 6(a) e 6(b) sono grafici che illustrano la normalizzazione deH'efficienza politropica stimata secondo le realizzazioni; e

La FIG. 7 è il disegno schematico una parte di un sistema di sorveglianza secondo una realizzazione.

Si noti che tutti i disegni sono schematici e non in scala. Le dimensioni relative e le proporzioni tra le parti di queste figure sono state illustrate in modo ingrandito o ridotto per chiarezza e opportunità di disegno. Gli stessi numeri di riferimento sono usati di solito in riferimento a caratteristiche similari nelle varie realizzazioni. In conformità a ciò, i disegni e le descrizioni vanno considerati illustrativi e non restrittivi.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative fa riferimento ai disegni allegati. Numeri di riferimento uguali, ricorrenti in disegni diversi, rappresentano elementi simili o identici. Inoltre, la seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni incluse.

In tutta la descrizione dettagliata il riferimento a "una realizzazione” sta a indicare che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una realizzazione è inclusa in almeno una realizzazione della presente invenzione. Pertanto il ricorso all'espressione "in una realizzazione" in diversi punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in una o più realizzazioni secondo la modalità appropriata.

Secondo le realizzazioni di seguito descritte, viene fornito un approccio integrato volto a determinare un livello di sporcamento di un compressore, la cui informazione può essere impiegata ad esempio per ottenere il controllo dello sporcamento, in base alla conoscenza dei vari aspetti che influenzano le prestazioni di un compressore. Un metodo generale per determinare un livello di sporcamento in uno o più stadi di un compressore secondo una realizzazione è illustrato nel diagramma di flusso della FIG. 1. In essa, alla fase 100 vengono raccolti vari dati associati al funzionamento del compressore, come ad esempio i dati associati a parametri come la velocità di funzionamento, la portata del gas di processo, pressioni, temperature e composizione del gas. Nella fase 102 i dati raccolti vengono utilizzati per la stima di uno o più valori delPefficienza politropica relativi al compressore. Nella fase 104, i valori stimati dell'efficienza politropica vengono normalizzati al fine per esempio di escludere variazioni dei valori dovute a cause diverse dallo sporcamento. Poi, nella fase 106, i valori di efficienza politropica normalizzata vengono forniti in uscita o altrimenti utilizzati al fine di determinare o indicare un grado di sporcamento di uno o più stadi associati di un compressore. Ogni fase illustrata nella FIG. 1 verrà ora descritta in maggiore dettaglio secondo varie forme realizzative.

Raccolta Dati (FaselOOl

La FIG. 2 illustra una forma realizzativa generale nella quale i dati vengono raccolti da un sistema di sorveglianza sul posto (OSM) 200. In essa, i dati raccolti dal sistema OSM 200 possono comprendere i dati riguardanti il compressore 202, per esempio raccolti manualmente e/o automaticamente dallo stadio o dagli stadi del compressore (un esempio dei quali viene dato sotto alla FIG. 3), i dati di processo 203, i dati statici 204 e i dati dinamici 206. I dati del compressore 202 possono comprendere ad esempio i dati associati alle vibrazioni del compressore e altri fattori meccanici della macchina che possono essere rilevanti per le prestazioni. I dati di processo 203 raccolti dal OSM 200 da uno o più stadi del compressore possono comprendere ad esempio i dati relativi alla portata del gas di processo, i dati relativi alla composizione del gas (per esempio il peso molecolare del gas di processo), i dati relativi alla pressione del gas di processo in vari punti di uno o più stadi del compressore e/o i dati relativi alla temperatura del gas di processo in varie zone di uno o più stadi del compressore. I dati statici 204 possono comprendere dati non soggetti a variazioni nel corso del funzionamento di uno o più stadi del compressore, ad esempio le curve caratteristiche relative a uno o più stadi specifici del compressore, compilate ad esempio in fase di collaudo dei detti stadi del compressore prima della messa in servizio, ad esempio in un impianto per la produzione di etilene o in altre applicazioni. I dati dinamici 206 possono comprendere dati diversi da quelli di processo, soggetti tuttavia a variazioni nel corso del funzionamento di uno o più stadi del compressore, ad esempio i dati associati alla velocità del compressore e/o allo stato delle valvole (aperte/chiuse).

Come citato in precedenza, i dati utilizzabili al fine di determinare il grado di sporcamento di un compressore o di uno o più stadi di un compressore possono essere raccolti manualmente, automaticamente o in una combinazione di processi manuali a automatici. L'efficienza politropica del compressore, valutata nella fase 102 della forma realizzativa di FIG. 1 , dipende in primo luogo dalla densità, portata temperature di aspirazione e scarico del gas sottoposto a cracking, e alla gravità dello sporcamento. Pertanto è possibile posizionare i sensori di temperatura, pressione e portata aH'interno del compressore al fine di fornire indicazioni sui rispettivi valori dei parametri, i quali valori possono essere identificati e registrati manualmente per un successivo utilizzo al fine di valutare l'efficienza politropica. Inoltre, se disponibile, è possibile anche eseguire il passo 100 (in parte) raccogliendo i dati associati alla composizione del gas entro il compressore per mezzo di un gascromatografo o un dispositivo simile. In alternativa, si possono impiegare uno o più sistemi di raccolta dati e di sensori al fine di misurare uno o più di detti parametri (raccogliendo i relativi dati). Un esempio di un sistema automatico di raccolta dei dati di processo verrà ora descritto relativamente alla FIG. 3

In riferimento alla FIG. 3, viene illustrato a titolo di esempio un sistema di sorveglianza automatizzato 300 per sorvegliare e raccogliere i dati relativi ai parametri da utilizzare per la determinazione dell'efficienza politropica di un compressore, ad esempio per l'impiego in unità di processo dell'etilene o in altre applicazioni, come ad esempio gas sottoposti al cracking o per la produzione di propilene. Sebbene la FIG. 3 illustri un sistema di compressione a 5 stadi 302 (descritto nel seguito), avente gli stadi da 1 a 5, è chiaro per coloro che sono a conoscenza della tecnica che è possibile utilizzare qualsiasi numero di stadi con i concetti e i sistemi qui descritti. Pertanto in FIG. 3 il compressore 302 ha una pluralità di stadi 304 collegati in serie. La compressione del gas di processo che entra dal lato di sinistra (aspirazione), in ciascuno degli stadi 304 fa aumentare la temperatura del gas, pertanto tra ogni stadio del compressore (1-2, 2-3, 3-4,4-5) viene posto un raffreddatore interstadio 306 per mantenere praticamente costante la temperatura del gas mentre passa tra gli stadi, in modo che il processo nel suo insieme sia quasi adiabatico.

Poiché ciascuno degli stadi 304 del compressore 302 è soggetto a degrado delle condizioni operative, può essere importante fornire una sorveglianza in tempo reale delle condizioni di funzionamento del compressore 302 ad ogni stadio. Tuttavia, la presente invenzione non è limitata alla sorveglianza (raccolta dati) di ciascuno degli stadi 304 del compressore 302, e può, in alternativa, sorvegliare uno o più degli stadi. Ciononostante, secondo questa forma realizzativa puramente illustrativa, il sistema di sorveglianza del sistema 300 è configurato per sorvegliare i parametri di funzionamento relativi ad ogni stadio del compressore e raccogliere i dati che possono essere utilizzati, come descritto nel seguito, per stimare l'efficienza politropica di ogni stadio.

Una pluralità di moduli sensori 308 è posizionata entro o nelle immediate adiacenze del flusso di gas per misurare le condizioni di funzionamento o i parametri del gas che vi passa attraverso. Più precisamente, ma a scopo puramente illustrativo, i moduli sensori 308 possono essere posizionati lungo il treno compressore per misurare i parametri di funzionamento in ingresso (aspirazione) e uscita (scarico) di ogni stadio del compressore 304. Tutti i moduli sensori 308 secondo questa forma realizzativa comprendono almeno una sensore FPG (fiber Bragg grating) come verrà spiegato nel seguito, tuttavia si potrà desumere che è anche possibile l'impiego di sensori alternativi come descritto in precedenza. Tutti i moduli sensori 308 sono funzionalmente connessi al sistema OSM 200, per esempio tramite scatole di derivazione o altri tipi di nodi nei quali viene ricevuto il segnale proveniente dai moduli sensori 308. I dati acquisiti dal sistema OSM 308 vengono successivamente descritti di seguito in modo da determinare un livello di sporcamento per ciascuno degli stadi 304 del compressore 302.

Come menzionato sopra, questo sistema di sorveglianza esemplificativo per compressori 300 comprende un modulo sensore 300 basato su FBG (fiber Bragg grating) che può essere utilizzato per controllare parametri di funzionamento predefiniti di un treno compressore per la carica di gas. Grazie e più moduli sensori, posti all'ingresso e all'uscita di ogni stadio compressore 302, è possibile rilevare contemporaneamente diverse grandezze (per esempio temperatura, pressione, portata, composizione del gas, vibrazioni, eccetera) Ogni sensore o modulo sensore è configurato per misurare almeno una condizione, comprese (ma senza costituire limitazione): temperatura, pressione, portata, densità del gas, e anche eventi dinamici di natura termica e meccanica. I moduli sensori 308 sono interconnessi con il sistema OSM 200 (per esempio) via collegamento Ethernet, cavi a fibre ottiche, trasmettitore analogico o via radio.

Si possono impiegare vari tipi di moduli sensori 308 per misurare una o più condizioni di funzionamento presso ciascuno degli stadi di un compressore multistadio 302. In particolare, sensori a fibre ottiche, come i sensori FBG (fiber Bragg grating), sono incorporati in un modulo sensore e posti presso ciascuno dei punti dove misurare i parametri predefiniti del compressore. Un modulo sensore FBG è confezionato e funzionalizzato per rispondere a specifici parametri esterni o vari tipi di parametri esterni. Per esempio, in una forma realizzativa, il modulo sensore FBG è un sensore fisico multifunzionale in grado di misurare simultaneamente temperatura, pressione e portata. Il modulo sensore FBG è confezionato in una strutturo simile a un bullone. In un'altra forma realizzativa, il modulo sensore FBG è configurato per la rilevazione multifunzionale di gas, ed è in grado di misurare contemporaneamente la densità, la temperatura e la portata del gas. Il modulo sensore consiste in sensori FBG funzionalizzati termicamente, sigillati entro confezioni termiche simili a condensatori. La densità del gas viene rilevata mentre il gas compresso scorre attraverso la cella termica capacitiva misurata dal sensore termico FBG. Lo spostamento relativo di lunghezza d'onda di ciascun sensore a fibra ottica è correlato e convertito in un peso molecolare equivalente, correlato all'efficienza politropica del compressore. Ciascuno di questi moduli sensori può funzionare sia in condizioni costanti che dinamiche.

La FIG. 4(a) illustra una forma realizzativa esemplificativa di un modulo sensore FBG 308, anche è possibile impiegare configurazioni diverse. II modulo sensore 308 è avvitato o diversamente collegato al compressore o alla parete della tubazione 400 e si protrude almeno parzialmente nella corrente di gas che fluisce entro il compressore 302. Il modulo sensore 308 comprende una fibra ottica 402 che si estende nella direzione della lunghezza del modulo, in cui la luce viene trasmessa lungo la fibra ottica 402 da e verso la scatola di derivazione. La fibra ottica 402 può comprendere ossido di silicio, materiale sostanzialmente inerte ai gas che contengono idrocarburi. Il modulo sensore 308 può comprendere una pluralità di sensori FBG 404 costituiti da una singola fibra ottica 402. Nella forma realizzativa illustrata, il modulo sensore 308 comprende un primo sensore FBG 404a, un secondo sensore FBG 404b, un terzo e un quarto sensore FBG 404c, che costituiscono un gruppo di due coppie di sensori FBG. Uno di questi sensori viene impiegato per rilevare la pressione o la temperatura. Due sensori possono essere combinati tra loro per misurare portata e temperatura. Per esempio, 404c può avere due coppie di sensori FBG collegati a lati opposti della barra di deflessione, come indicato nella FIG. 4(b). La forza applicata dal flusso flette la barra, provocando uno stato di sforzo a trazione sul sensore FBG2 posto sul lato anteriore e uno stato di sforzo a compressione sul sensore FBG1 posto sul lato posteriore. Come illustrato nella Figura 4(c), la lunghezza d'onda centrale Ac(t) è proporzionale alla temperatura. La differenza tra due sensori FBG può essere tarata direttamente per la misura della portata del gas. Sebbene il modulo sensore 308 illustrato mostri solo quattro sensori 404, una persona dotata di sufficiente competenza tecnica può comprendere che è possibile posizionare in direzione della lunghezza della fibra ottica 402 un numero qualsiasi di sensori.

Ciascun sensore 404a, 404b, 404c comprende una FBG (fiber Bragg grating, una griglia a fibra di Bragg) formata entro la fibra ottica 402, e ciascun sensore 404a, 404b, 404c è pure configurato in modo da riflettere un diverso picco di lunghezze d'onda attraverso la fibra ottica 402, diverso dalla lunghezza d'onda di picco degli altri sensori. Nella forma realizzativa illustrata, il primo sensore 404a è configurato per misurare la temperatura locale, il secondo sensore 404b è configurato per misurare la pressione locale, mentre la terza e la quarta coppia di sensori 404c sono configurate per misurare la portata locale. La fibra ottica 402 e il sensore FBG 404 sono disposti entro un alloggiamento 406 assicurato alla parete 400. Il modulo sensore 308 è collegato operativamente a una scatola di derivazione (non illustrata), configurata per illuminare ognuno dei sensori FBG 404 attraverso la fibra ottica 402, mentre la scatola di derivazione è pure configurata per ricevere la luce riflessa dal sensore FBG 404. Per effetto del sensore FBG, il particolare parametro operativo misurato provoca una variazione nel picco della lunghezza d'onda della luce riflessa all'indietro verso scatola di derivazione (o spostamento di lunghezza d'onda). Il modulo sensore 308 illustrato nella FIG. 4(a) o 4(b) può anche comprendere un sensore aggiuntivo per misurare la quantità di vibrazioni rilevate. In tal caso, i segnali provenienti dai quattro sensori del modulo sensore 308 possono anche contenere delle componenti ad alta frequenza relative al compressore, al rotore o alla risposta dinamica delle pale e alle condizioni cosiddette di "pompaggio" (surge).

Stima dell'efficienza Dolitropica (Fase 102)

Indipendentemente dal modo in cui vengono raccolti i dati, per esempio manualmente e/o automaticamente (per esempio con il sistema delle FIGG. 3-4) il passo successivo del metodo della FIG.1 per determinare un livello di sporcamento di un compressore è quello di determinare o stimare l'efficienza politropica di uno o più (o tutti) gli stadi 304. Per chiarezza, in questo esempio il calcolo dell'efficienza politropica verrà illustrato semplificando la complessità del sistema per mezzo dell'ipotesi che si verifichi una condizione di gas perfetto. Gli esperti nella tecnica si renderanno conto che è possibile usare in alternativa un modello matematico più complesso per la condizione di gas reale. Tenendo conto di ciò, è possibile eseguire questa fase del procedimento calcolando l'efficienza politropica η per uno stadio 304 nel compressore 302 come:

q=(k-1 )/k * In (P2/P1 )/ In (T2/T1 ), (1 )

dove

k=Cp/Cv, rappresenta il rapporto tra il calore specifico a pressione costante e il calore specifico a volume costante;

T1 e T2 sono le temperature rispettivamente di aspirazione e di mandata nello stadio 304;

P1 e P2 sono rispettivamente le pressioni di aspirazione e scarico nello stadio 304. Come menzionato più sopra, l'equazione (1 ) è valida in condizioni di gas ideale. Per un'applicazione in condizioni di gas non ideale, un esperto nella tecnica può calcolare l'efficienza politropica con le equazioni (1) adattate a tali condizioni non ideali, per esempio come descritto nell'articolo "Analisi politropica dei compressori centrifughi" di John M. Schulz, nel Journal of Power Engineering, Gennaio 1962, pagine 69-82, qui incorporato per riferimento. La forma realizzatìva qui descritta è intesa a comprendere tutte queste varianti delle equazioni per il calcolo dell'efficienza politropica.

In alcune implementazioni di compressori, tutti questi valori potrebbero essere facilmente disponibili a un processore del sistema OSM 200 che esegua questo calcolo. Per esempio, nelle implementazioni in cui il compressore comprende sensori di pressione, termocoppie e ad esso è collegato un gaserò matografo (o uno strumento del genere), si possono conoscere non solo i valori di temperatura e pressione, ma si può anche misurare direttamente la composizione del gas, in modo da fornire un valore preciso di k nell'equazione (1). Tuttavia in altre implementazioni potrebbe verificarsi il caso in cui, per esempio, i dati associati alla composizione del gas non sono disponibili per l'uso nella stima dell'efficienza politropìca, cioè negli impianti che non fanno uso di un gascromatografo per controllare la composizione del gas.

Per risolvere questo problema si può invece utilizzare per il calcolo dell'efficienza politropica effettiva un valore di k normalizzato di progetto, cioè a composizione del gas costante. Tuttavia l'impiego di un valore normalizzato di k produce errori rilevanti nel calcolo dell'efficienza politropica effettiva. Di conseguenza, le forme realizzative qui descritte tengono anche conto del fatto che, almeno in una implementazione per compressori specifici, vi è una forte correlazione tra il peso molecolare del gas di processo e il valore di k. Esempi di tale correlazione, in base a dati empirici, sono illustrati nelle Figure 5(a) e 5(b). Pertanto, misurando e raccogliendo dati sulla densità dei gas di processo, per esempio utilizzando dei sensori come quelli descritti più sopra in riferimento alle FIGG. 3-4, si può ottenere un miglioramento significativo nella precisione della stima dell'efficienza politropica. In effetti, utilizzando un peso molecolare standard, l'errore medio nella stima di k senza tener conto del peso molecolare del gas di processo è almeno quattro volte maggiore rispetto alla stima di k a partire dal peso molecolare. Considerando che un errore dell'un percento nella stima di k genera un errore del tre percento nel calcolo dell'efficienza politropica, si può notare che tale metodo secondo questa forma realizzativa può portare a significative riduzioni dell'errore.

Normalizzazione della stima dell'efficienza politropica (Fase 104)

Mentre è vero che l'effetto primario dello sporcamento della macchina è un calo dell'efficienza politropica, il solo valore effettivo dell'efficienza politropica non fornisce informazioni sufficienti sulle condizioni reali del compressore per determinare direttamente il livello di sporcamento di un compressore o dello stadio di un compressore. Al contrario, le variazioni dell'efficienza politropica di un compressore possono verificarsi non solo a causa di un maggiore sporcamento, ma anche a causa delle variate condizioni di ingresso, come pressione, temperatura, portata e le condizioni di esercizio, come la velocità della macchina eccetera. La composizione del gas sta diventando sempre di più uno dei componenti maggiormente critici nel determinare la gravità dello sporcamento. Per esempio, l'accresciuta flessibilità nelle materie prime impiegate e nella temperature del cracking, la possibilità di utilizzare flussi diversi provenienti da una raffineria integrata posta a monte e il riciclaggio di flussi provenienti da impianti posti a valle, stanno ampiamente aumentando la variazione della composizione del gas sottoposto a cracking nello stesso impianto, esacerbando così la complessità del fenomeno dello sporcamento e la sua interpretazione.

Pertanto è utile normalizzare o standardizzare l'efficienza politropica stimata calcolata nella fase 102 per rimuovere gli effetti degli altri parametri variabili dell'efficienza politropica stimata, in modo da percepire più direttamente il grado di sporcamento. Vi sono varie scelte per normalizzare l'efficienza politropica stimata. Una scelta è quella di confrontare l'efficienza politropica stimata, calcolata per mezzo dei dati raccolti con un modello statistico dell'efficienza politropica attesa per il compressore in base ai parametri di funzionamento misurati del compressore stesso. Un'illustrazione di questo processo di normalizzazione è dato nel grafico di FIG. 6(a).

Un'altra scelta per la normalizzazione secondo una forma realizzativa è quella di confrontare l'efficienza politropica stimata, calcolata per mezzo dei dati raccolti, con l'efficienza politropica attesa per il compressore in base ai parametri di progetto per quello specifico compressore, parametri di funzionamento misurati del compressore stesso. Un'illustrazione di questo processo di normalizzazione è dato nel grafico di FIG. 6(b), per gli stessi parametri misurati come nella FIG.

6(a). Sebbene la stima normalizzata dell'efficienza rappresenta nella FIG. 6(a) non mostri segni evidenti di sporcamento attraverso il degrado dell'efficienza, si può osservare come la funzione dell'efficienza normalizzata nella FIG. 6(b) mostri più chiaramente undici punti al di sotto della media mobile verso la fine del periodo di valutazione: un'indicazione del verificarsi dello sporcamento. Pertanto, almeno in alcune implementazioni, usando i valori di progetto invece dei modelli statistici per eseguire la normalizzazione del l'efficienza politropica stimata può portare a una scoperta più rapida dei problemi di sporcamento nel macchinario. Più precisamente, l'approccio in base ai valori di progetto sopra descritto relativamente alla FIG. 6(b) può, ad esempio, effettuare il calcolo dell'efficienza politropica effettiva in corrispondenza dei valori misurati delle diverse variabili (per esempio pressione, temperatura, portata, composizione del gas, velocità di rotazione del treno compressore, curva caratteristica effettiva del compressore), valutando l'efficienza politropica attesa (usando gli stessi strumenti matematici e i modelli utilizzati in fase progettuale, più eventuali correzioni al modello effettuate per la specifica macchina in fase di collaudo finale in fabbrica) in corrispondenza dei valori delle diverse variabili, e determinare il livello di sporcamento del compressore come differenza tra l'efficienza politropica effettiva e quella attesa.

Determinazione del livello di sporcamento in base all'efficienza politropica stimata normalizzata (Fase 106)

Come illustrato sopra, l'efficienza politropica stimata normalizzata di un compressore può servire a determinare il livello di sporcamento della macchina, cioè visualizzando un grafico che mostra la funzione normalizzata rispetto a valori limite, medie mobili o altri indici di confronto statistici significativi. In tale contesto, la fase 106 va considerata come un mezzo per descrivere in termini ampi l'impiego dei valori dell'efficienza politropica normalizzata per individuare problemi di sporcamento, compresi, ma non in modo restrittivo, la visualizzazione di valori, l'emissione di segnali di allarme, o altre indicazioni del livello di sporcamento, l'identificazione dei punti (stadi) del compressore dove è stato identificato lo sporcamento e/o suggerire misure anti-sporcamento da intraprendere, eccetera.

Sebbene alcuni aspetti del processo possano essere eseguiti manualmente, secondo alcune forme realizzative alcune o tutte le fasi possono essere realizzate con un calcolatore o processore 700 che fa parte del sistema OSM 200 come illustrato nella FIG.7. Il sistema OSM 200 può utilizzare le strutture e gli elementi illustrati nella FIG.7, o altri elementi, per eseguire il metodo per determinare un livello di sporcamento come descritto in una o più delle forme realizzative sopra descritte. Il processore 700 può per esempio raccogliere continuamente i parametri di funzionamento misurati in ciascuno degli stadi del compressore dai moduli sensori 308 attraverso il controller dell'interfaccia network (NIC) 702 e conservare le misure raccolte nella memoria 704 in tempo reale. L'acquisizione dei dati può essere eseguita in continuazione, per esempio alla massima frequenza di campionamento permessa dalla sorgente dei dati, per assicurare una valutazione precisa delle condizioni della macchina, anche in fase di transitorio, le tipiche frequenze di campionamento vanno da un campione al secondo a uno per minuto. I dati vengono conservati in un database locale. Il sistema OSM 200 può eseguire il calcolo dell'efficienza politropica, la sua normalizzazione secondo le condizioni correnti del processo in termini di pressione, temperatura e portata (se disponibile), e anche la valutazione dell'efficienza attesa, in base alla curva reale delle prestazioni, come descritto in precedenza.

Si può impiegare un'interfaccia grafica utente per visualizzare l'ingresso/uscita 706 in qualsiasi formato si desideri, informando gli utilizzatori riguardo alle condizioni di funzionamento del sistema misurate dai moduli sensori. L'utilizzatore può utilizzare queste informazioni in qualsiasi modo atto a prendere provvedimenti contro lo sporcamento. In alternativa, il sistema OSM 200 può suggerire attraverso l'interfaccia utente le misure anti-sporcamento da attuare, oppure eseguirle automaticamente in corrispondenza di determinati punti di iniezione predisposti nel sistema; esse comprendono (a) l'iniezione di acqua (per abbassare la temperatura e di conseguenza limitare la polimerizzazione che porta allo sporcamento), (b) l'iniezione di liquido oleoso di lavaggio per solubilizzare i polimeri, e/o (c) l'iniezione di formulazioni proprietarie contro lo sporcamento volte ad arrestare la polimerizzazione.

Sistemi e metodi per l'elaborazione dei dati secondo le forme realizzative della presente invenzione possono essere eseguiti da uno o più processori che eseguono sequenze di istruzioni contenute in un dispositivo di memoria. Tali istruzioni possono essere lette nel dispositivo di memoria da un altro mezzo leggibile da un computer, come uno o più dispositivi secondari di memorizzazione. L'esecuzione delle sequenze di istruzioni contenute nel dispositivo di memoria mettono in grado il processore di funzionare, per esempio, come sopra descritto. In altre forme realizzative, è possibile utilizzare circuiti cablati al posto delle istruzioni software (o in combinazione con esse) per implementare la presente invenzione.

Sebbene siano state qui descritte le forme realizzative preferite della presente invenzione, si tenga presente che la presente invenzione non è limitata da esse, ed è possibile apportare modifiche senza per questo discostarsi dalla presente invenzione. Lo scopo della presente invenzione è definito dalle allegate rivendicazioni, e tutti i dispositivi, processi e metodi che ricadono entro il significato delle rivendicazioni, sia letteralmente che per equivalenza di significato, sono da intendersi come qui ricomprese.

Claims (10)

1. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per determinare un livello di sporcamento in un compressore; detto metodo comprende: raccolta di dati associati al funzionamento del compressore; stima deH'efficienza politropica di almeno uno stadio del compressore usando i dati raccolti; normalizzazione dell'efficienza politropica stimata; e determinazione del livello di formazione di sporcamento nel compressore, in base all'efficienza politropica stimata normalizzata. 2. Il metodo della Rivendicazione 1 , laddove il passaggio relativo alla raccolta dei dati comprende: l'ottenimento dei dati relativi alla pressione, temperatura e densità del gas in vari stadi di un compressore o del treno compressore. 3. Il metodo delle rivendicazione 1-2, laddove il passaggio relativo alla stima dell'efficienza politropica η comprende inoltre, per una condizione di gas ideale, il calcolo di n=(k-1)/k * In (P2/P1)/ In (T2/T1), dove: k rappresenta il rapporto tra il calore specifico a pressione costante e il calore specifico a volume costante; T1 e T2 sono le temperature rispettivamente di aspirazione e di mandata; e P1 e P2 sono rispettivamente le pressioni di aspirazione e scarico, o una variante di questa equazione valida per condizione di gas non ideale. 4. Il metodo della rivendicazione 3, in cui un valore di k è misurato direttamente con un gascromatografo da uno stadio specifico del compressore. 5. Il metodo della rivendicazione 3, in cui i valori di P1 e P2 sono misurati direttamente da manometri posti nelle sezioni di aspirazione e scarico del compressore. 6. II metodo della rivendicazione 3, in cui i valori di T1 e T2 sono misurati direttamente da termometri posti nelle sezioni di aspirazione e scarico del compressore. 7. Il metodo della rivendicazione 3, in cui un valore di k è stimato in base alla densità misurata del gas, ottenuta dai dati raccolti. 8. Il metodo della rivendicazione 7, comprendente fra l'altro: un sensore ottico che misura la densità del gas da almeno uno stadio del compressore. 9. Un sistema per determinare un livello di sporcamento in un compressore; detto metodo comprende: un’interfaccia configurata per raccogliere i dati relativi al funzionamento del compressore; e un processore configurato per stimare un'efficienza politropica di almeno uno stadio del compressore usando i dati raccolti, per normalizzare l'efficienza politropica stimata e per determinare il grado di sporcamento nel compressore in base all'efficienza politropica stimata normalizzata. 10. Un sistema di sorveglianza per un treno compressore per la carica di gas avente una pluralità di stadi di compressione fluidamente collegati in serie e un raffreddatore interstadio posto tra stadi adiacenti del compressore; detto sistema di sorveglianza del compressore comprende: una pluralità di moduli sensori ottici, in cui ciascuno di detti moduli sensori è posto accanto a un ingresso o a un uscita di uno stadio del compressore, ciascun modulo sensore comprendente almeno un sensore FBG (fiber Bragg grating) posto in un alloggiamento per misurare un parametro di funzionamento di un corrispondente stadio del compressore, e ogni sensore FBG funzionalizzato per rispondere a temperatura, pressione, densità del gas, portata o evento dinamico; e un sistema di controllo funzionalmente connesso a detti moduli sensori, detto sistema di controllo comprendente un processore per determinare una efficienza politropica stimata relativa a ciascuno degli stadi del compressore e per produrre un'indicazione di efficienza politropica stimata normalizzata relativa a ciascuno degli stadi del compressore. CLAIMS / RIVENDICAZIONI: 1. A method for determining a degree of fouling formation in a compressor, the method comprising: collecting data associated with operation of the compressor; estimating a polytropic efficiency of at least one stage of the compressor using the collected data; normalizing the estimated polytropic efficiency; and determining the degree of fouling formation in the compressor based on the normalized estimated polytropic efficiency.
2. 2. The method of claim 1 , wherein the step of collecting data further comprises: obtaining data associated with pressure, temperature, and gas density in different stages from a compressor or compressor train.
3. 3. The method of claims 1-2, wherein the step of estimating the polytropic efficiency η further comprises, for an ideal gas condition, calculating n=(k-1 )/k * In (P2/P1)/ In (T2/T1), where: k is a ratio of a constant-pressure specific heat over a constant-volume specific heat; T1 and T2 are suction and discharge temperatures, respectively; and P1 and P2 are suction and discharge pressures, respectively, or a variant of this equation for non-ideal gas conditions.
4. 4. The method of claim 3, wherein a value for k is directly measured using a gas chromatograph from a specific stage in the compressor.
5. 5. The method of claim 3, wherein a value for P1 and P2 are directly measured using pressure gauges from suction and discharge sections in the compressor.
6. 6. The method of claim 3, wherein a value for T1 and T2 are directly measured using thermometers from suction and discharge sections in the compressor.
7. 7. The method of claim 3, wherein a value for k is estimated based on a measured gas density which is obtained from the collected data.
8. 8. The method of claim 7, further comprising: providing an optical sensor which measures gas density from at least one stage in the compressor.
9. 9. A system for determining a degree of fouling formation in a compressor comprising: an interface configured to collect data associated with operation of the compressor; and a processor configured to estimate a polytropic efficiency of at least one stage of the compressor using the collected data, to normalize the estimated polytropic efficiency, and to determine the degree of fouling formation in the compressor based on the normalized estimated polytropic efficiency.
10. 10. A charge gas compressor monitoring system for determining polytropic efficiency of a charge gas compressor train having a plurality of compressor stages fluidly connected in series and an inter-stage cooler positioned between adjacent compressor stages, said charge gas compressor monitoring system comprising: a plurality of optical sensing modules, wherein each of said sensing modules is positioned adjacent to an inlet or an outlet of each compressor stage, each sensing module comprising at least one fiber Bragg grating sensor positioned within a housing for measuring an operating parameter for a corresponding compressor stage, and each of said fiber Bragg grating sensors is functionalized to respond to temperature, pressure, gas density, flow rate, or dynamic event; and a controller operatively connected to said optical sensing modules, said controller including a processor to determine an estimated polytropic efficiency corresponding to each compressor stage and to output an indication of a normalized polytropic efficiency corresponding to each compressor stage.