Soluzioni innovative per il monitoraggio di compressori dinamici alimentati elettricamente

Abstract

Nel contesto della transizione energetica, l'elettrificazione dei processi industriali è riconosciuta come uno dei pilastri fondamentali per il raggiungimento dei futuri obiettivi energetici. Per realizzare tale trasformazione, una tecnologia chiave è costituita dai compressori dinamici elettro-azionati, che stanno già registrando una crescita significativa in diversi settori. Il funzionamento di questi compressori può essere influenzato da fenomeni di instabilità che, se prolungati per un periodo eccessivo, possono causare danni catastrofici ai componenti dell’impianto. Studi precedenti hanno dimostrato che il monitoraggio del fenomeno di surge di compressori centrifughi azionati elettricamente può trarre vantaggio dai segnali elettrici dell’alimentazione, tipicamente misurati con precisione e con campionamento ad alta frequenza. È stata condotta una verifica sperimentale su un banco di prova su piccola scala, con un compressore della potenza di 7,5 kWe operante ad alta velocità installato in un impianto a pompa di calore, che ha dimostrato il promettente utilizzo di tali segnali come trasduttori di pressione “virtuali”, in grado di rilevare efficacemente l’insorgenza di fenomeni di instabilità. L'obiettivo principale di questa tesi è quello di studiare la fattibilità di questo approccio su un banco di prova di scala industriale, non solo per confermare la capacità di rilevazione incipiente del surge su applicazioni di questa scala, ma anche per dimostrare per la prima volta la capacità di stimare con precisione il margine di surge del compressore a fini di controllo. Le misurazioni presso il banco di prova a circuito chiuso per compressori saranno acquisite ed elaborate tramite un dispositivo proprietario che implementa il monitoraggio del punto di funzionamento del compressore.

In the context of energy transition, electrification of industrial processes is recognised as one of the pillars for achieving future energy targets. To realise such transformation, a key technology is constituted by high performance dynamic compressors driven by variable speed electric motors, which are already experiencing a significant growth across several sectors. The operation of compressors can be affected by instability phenomena which, if prolonged over an excessive period, can result in catastrophic damage to compressor components. Previous studies have demonstrated that surge management of electrically driven centrifugal compressor can take advantage of electrical signals, typically measured accurately and with high-speed sampling. An experimental verification was conducted on a small-scale test rig, with a 7.5 kWe high-speed compressor installed in a heat pump closed loop, showing the promising exploitation of such signals as “virtual” digital pressure transducers, able to effectively detect instability phenomena. The main objective of this thesis is to investigate the viability of this approach on a full-scale industrial test rig of more than 1 MWe, made available by Baker Hughes company, global leader in state-of-the-art compressor technology for Oil&Gas, in order not only to prove the incipient surge detection at industrial scale but also to demonstrate for the first time the capability to accurately estimate compressor surge margin for control purposes. Measurements from a closed-loop compressor test rig will be acquired and processed through a proprietary device that implements compressor surge monitoring. In order to unveil the opportunity of this new “electrical similitude” concept it is first necessary to characterize off-design performance of the shaft line: this involves developing a model to predict electrical and mechanical losses of the electric drive system (inverter, motor and gearbox).