Regelungsstrategien für Kompressoren entwickeln

Autor Vikas Rastogi Principal Business Consultant, AspenTech

Kompressoren werden in Raffinerien und petrochemischen Anlagen zu unterschiedlichen Zwecken in den Haupt- und Nebenprozesszyklen eingesetzt. Dazu zählen beispielsweise Recyclingkompressoren, die einen konstanten Strom an Prozessgas in einem geschlossenen Regelkreis führen, um die notwendigen Prozessparameter in den Anlagenein-heiten aufrechtzuerhalten, Kompressoren, die Prozessgas zum Reaktor führen, oder Booster-Kompressoren, die Brenngas handhaben. Transientes Verhalten tritt naturgemäß auf und nur eine kleine Störung reicht manchmal aus, um den Kompressor aus dem gewünschten stationären Zustand zu bringen.

Kompressoren pumpen, wenn der Ausgangsdruck im Kompressor höher ist als der Strom durch den Kompressor. Wird der Kompressor nicht schnell genug vom Pumpen weggesteuert, kann er beschädigt oder sogar zerstört werden. Eine richtige Strategie für die Pumpenregelung ist eine zwingend notwendige Konstruktionsaufgabe und wesentlicher Bestandteil der Risikominderung.

Die Prozessgestaltung beruht herkömmlich auf stationären Prozesssimulatoren, obwohl die heutige Situation mehr Sachkenntnis über das Transientverhalten des Prozesses verlangt. Dynamische Simulationen, die bereits frühzeitig im Konstruktionsprozess eingesetzt werden, können Regelungsprobleme leichter erkennen und unterstützen auf diese Weise bessere Prozessauslegungen und einen reibungslosen Anlagenbetrieb.

Kompressoren unterliegen einer Vielzahl an Instabilitäten und Störungszuständen. Dynamische Kompressorenmodelle liefern wertvolle Unterstützung beim Verständnis von Stör- und Risikoszenarien und erleichtern die tiefe Integration von dynamischen Simulationen in stationären Simulatoren. Mit dynamischen Simulationen können Verfahrenstechniker Regelungsstrategien für neue und bestehende Prozesse entwickeln, bewerten und anpassen.

Dynamische Modellierung verlangt sowohl Expertise als auch Erfahrung. Moderne Softwaretools vereinfachen die Aufgabe. Automatisierungen beschleunigen die Modellgestaltung und ermöglichen es Verfahrenstechnikern, mehrere Tauglichkeitsszenarien für Kompressoren durchzuführen. Alle Unternehmen – vor allem die Gas im Upstream und Midstream verarbeiten – profitieren von besserer Zuverlässigkeit und reduzierten Wartungskosten.

Das Vorausberechnen von Prozessbedingungen, die Kompressoren zum Pumpen veranlassen, ist eine komplexe Herausforderung. Eine effektive Regelungsstrategie verlangt nach umfassender Prozesskenntnis – einschließlich aller Variablen, Prozessdynamiken und Ein- heiteninteraktionen. Kompressorenkonstrukteure müssen insbesondere die Anlagenum-gebung berücksichtigen, um nach der Maschineninstallation einen störungsfreien Betrieb zu garantieren.

Im gesamten Planungszyklus – von der Machbarkeitsstudie über das Front-End-Engineering-Design (FEED) bis hin zur Detailkonstruktion – spielen zahlreiche Faktoren eine wichtige Rolle. Dazu zählen unter anderem Kompressorengröße, Typ, Inbetriebnahme und Stilllegung. Aber auch der Prozessworkflow und engere Zeitpläne für die Erstellung von realitätsnahen, konformen und kosteneffizienten Modellen für Kunden müssen berücksichtigt werden. Ohne die richtigen Werkzeuge und Fähigkeiten können Unternehmen ihren Konstruktionsprozess nicht optimieren.

Stationäre und dynamische Modelle erlauben tiefere Einblicke in Prozessdynamiken und deren Interaktionen. Konstrukteure können damit ihre Strategien vor der Implementierung bewerten und anpassen. Werden intuitive dynamische Simulationen bereits frühzeitig in der Konstruktionsphase eingesetzt, lassen sich wichtige Betriebs- und Regelungsprobleme schneller und einfacher identifizieren. Software für dynamisches Engineering ermöglicht es Konstrukteuren, das Verhalten der Kompressoren bei nicht-stationären Bedingungen zu betrachten. Umfassendes und realitätsnahes dynamisches Modellieren der Kompressoren kann problematische Equipmentereignisse, wie Kompressorenpumpen oder Richtungsumkehrungen, verhindern. Die Vorteile einer dynamischen Simulation unterstützen das Beantworten von Betriebs- und Konstruktionsfragen. Dynamische Simulationen validieren Ideen, bieten aber zusätzlich noch weitere Einblicke in Problemgebiete, die ansonsten übersehen worden wären.

Durch die engere Integration von dynamischen Simulationen mit stationären Simulatoren lässt sich dynamisches Modellieren zunehmend leichter einsetzen. Anhand von Beispielmodellen können Konstrukteure ihre Kompressoreninstallationen schneller modellieren. Viele Unternehmen nutzen die Softwarewerkzeuge von AspenTech, um mit besseren Betriebsverfahren, Auslegungen der Regelungssysteme und richtiger Überdruckventilbestimmung die Anlagen- sicherheit zu erhöhen.

Die Software Aspen Hysys automatisiert dynamisches Modellieren und beschleunigt die Modellerstellung. Sie enthält zahlreiche anpassbare Standarddefinitionen für Equipmentkonfigurationen, häufig analysierte Notfallszenarien und Ergebnislisten für Visualisierungen. Dadurch können Verfahrenstechniker viele Szenarien für das Verhalten der Kompressoren durchspielen. Weiteren Mehrwert bietet die Software durch umfassende Konstruktions- und Bewertungsmöglichkeiten für Überdrucksicherheitsventile. Beispielsweise lassen sich mit einem Feueranalyseszenario, basierend auf API 520 und API 521, Auswirkungen von latenter Wärme berücksichtigen. Auf diese Weise können selbst Techniker, die wenig Erfahrung mit dynamischen Simulationen haben, Funktionsanalysen von Kompressoren durchführen und das Kompressorenverhalten im Pumpbereich einfacher visualisieren.

Kompressoren sind das Herzstück von vielen Anlagen. Dynamische Simulationsmodelle des Systems für die Kompressorenregelung unterscheiden sich naturgemäß von stationären Modellen. Sie erlauben verschiedene Transientstudien und helfen dabei, Gefahrensituationen zu vermeiden – beispielsweise den Austritt von Prozessgas in die Umgebung. Ein tieferes Verständnis des dynamischen Anlagenverhaltens führt zu einer deutlich besseren Kontrolle und kürzeren Inbetriebnahmezeit.

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