SOMMARIO
Il mercato del petrolio e del gas naturale spinge continuamente verso nuove frontiere tecnologiche per lo sfruttamento di nuovi pozzi/giacimenti (perforazioni sottomarine), nonché per l’incremento della produzione di impianti esistenti e per l’ottimizzazione della rete distributiva contenendo i costi di trasporto (LNG). Questo porta ad una progettazione di dettaglio orientata alle specifiche tecniche del cliente pur nel rispetto degli standard di prodotto. Il processo di qualità aziendale prevede vari step di controllo preventivo e di collaudo, ultimo dei quali è senz’altro il test di validazione finale di prodotto per quanto attiene le performance rotordinamiche e termodinamiche.
Questo lavoro affronta appunto il tema della progettazione e della realizzazione di un test meccanico ed un test termodinamico in condizioni di similitudine (in accordo alle normative internazionali di settore: ASME PTC 10 e API 617) su un particolare compressore centrifugo monofase. Lo scopo è quello di valutare le prestazioni del compressore in oggetto, quindi verificare la loro conformità alle norme di riferimento e ai dati concordati in sede di contrattazione con il cliente.
Inoltre è affrontata l’analisi di un fenomeno manifestatosi durante alcune prove termodinamiche di diversi compressori, che può avere un’influenza negativa sulla qualità dei risultati acquisiti; si tratta dell’oscillazione della portata del gas di processo in un punto stabile di lavoro. Tramite l’elaborazione di dati sperimentali acquisiti nel corso degli ultimi anni, si pensa che la causa di tale fenomeno sia riconducibile nel dimensionamento della tubazione di aspirazione. A tal proposito è stata studiata un’ottimizzazione della progettazione del circuito di prova, ovviamente nel fedele rispetto delle normative di riferimento.
ABSTRACT
Oil and natural gas business continuously pushes forward new technological frontiers in order to use new oilfields (offshore drilling), to step up existing works production and to optimize distributive systems, controlling transport costs (LNG). GE requires a detailed design according to customer technical specification, compared to standard characteristics of the product. Quality control plan requires different testing procedures, and the rotordynamics and termodynamics tests are the last ones.
This thesis concerns design and execution of a mechanical and performance test (in similitude conditions) on a particular centrifugal single-stage compressor (according to international standards: ASME PTC 10 and API 617). The target is evaluating the compressor characteristics and to verify their compliance with international standards and customer requests.
Besides we have studied a particular phenomenon happened during some termodynamic tests of different compressors, that could have a negative influence on the quality of results: oscillation of the process gas flow around a stable work point. After the elaboration of a group of experimental data, we think that the cause of the phenomenon can be found in the size of the inlet gas piping. For that reason we have studied an optimization of the test piping design, obviously according to international standards.
INDICE
Sommario pag 3
Indice pag 4
Introduzione pag 11
Capitolo 1 – Il compressore centrifugo e il test pag 15 1.1 Varie tipologie di compressore centrifugo prodotte da GE Oil&Gas pag 15
1.1.1 BCL pag 15
1.1.2 PCL pag 15
1.1.3 MCL pag 16
1.1.4 SRL pag 18
1.2 Il compressore dal punto di vista meccanico e termodinamico pag 18 1.2.1 Caratteristiche costruttive pag 18 1.2.2 La compressione del gas pag 23 1.2.2.1 Prevalenza effettiva pag 24 1.2.2.2 Prevalenza politropica pag 25 1.2.2.3 Prevalenza adiabatica pag 25 1.2.2.4 Rendimento politropico pag 26 1.2.2.5 Rendimento adiabatico pag 26 1.2.2.6 Potenza assorbita dal compressore pag 27 1.2.2.7 Equazioni di Eulero pag 27 1.2.3 Curve caratteristiche del compressore pag 29
1.3 Tipologie di test pag 30
1.3.1 Test meccanico pag 30
1.3.1.1 Configurazione circuito macchina pag 31 1.3.1.2 Collegamento compressore con motrice pag 32 1.3.1.3 Sistema acquisizione delle vibrazioni pag 35 1.3.1.4 Sistema acquisizione temperature e pressioni pag 36 1.3.1.5 Verifica dei modi propri di vibrare del rotore pag 38 1.3.2 Test termodinamico in similitudine pag 39 1.3.2.1 Configurazione circuito macchina pag 41 1.3.2.2 Collegamento compressore con motrice pag 43 1.3.2.3 Sistema di acquisizione dati pag 43 1.4 Test and evaluating engineering pag 44 Capitolo 2 – Compressore sottoposto al test pag 45
2.1 Nomenclatura pag 45
2.2 Processo LNG pag 46
2.2.1 Processo propano pag 47
2.2.2 Processo mixer refrigerant pag 48 2.3 Applicazione del compressore BCL307 all’interno del processo LNG pag 48
2.4 Aspetti costruttivi pag 49
2.4.1 Dimensioni esterne del compressore pag 49 2.4.2 Rotore e numero giranti pag 49 2.4.3 Prima girante in aspirazione pag 49 2.4.4 Gas di processo in cantiere pag 49 2.4.5 Condizioni operative della macchina pag 50 2.4.6 Curve caratteristiche di progetto pag 51 Capitolo 3 – Progettazione della prova meccanica pag 52 3.1 Conformità normativa API 617 pag 52 3.2 Individuazione della tipologia di prova pag 52 3.2.1 Riscaldamento eccessivo della macchina pag 53 3.2.1.1 Dilatazione tenute DGS pag 54 3.2.1.2 Dilatazione dei labirinti tra le giranti pag 55 3.2.1.3 Velocità critica del rotore pag 55 3.2.2 Instabilità del giunto di prova pag 55 3.3 Stabilire il tipo di giunto di prova pag 55 3.3.1 Momento flettente dovuto allo sbilanciamento del giunto pag 55 3.3.1.1 Momento flettente di commessa pag 55 3.3.1.2 Momento flettente di prova pag 56 3.3.2 Il parametro di instabilità pag 58 3.3.2.1 Aspetti teorici pag 58
3.3.2.2 Calcolo di ε pag 60
3.4 Stabilire il banco prova pag 60 3.4.1 Potenza al gas PG pag 61
3.4.1.1 Prova sotto vuoto pag 61 3.4.1.2 Prova a carico, termodinamica pag 61 3.4.2 Perdite meccaniche PM pag 62
3.4.2.1 Prova sottovuoto pag 62 3.4.2.2 Prova a carico, termodinamica pag 62 3.4.3 Scelta finale del banco prova pag 63 3.4.4 Velocità critiche di motore elettrico e moltiplicatore pag 63
3.4.4.2 Motore elettrico pag 65
3.5 Valori di prova pag 65
Capitololo 4 – Progettazione della prova temodinamica -
condizioni termodinamiche della prova in similitudine pag 67 4.1 Condizioni operative del compressore in cantiere pag 67 4.2 Identificazione delle condizioni di aspirazione di test pag 67 4.3 Scelta del tipo di gas di prova pag 68
4.3.1 Primo metodo pag 69
4.3.2 Secondo metodo pag 70
4.4 Identificazione caratteristiche della compressione pag 74 4.5 Riassunto della trasformazione termodinamica del test pag 77 4.6 Tolleranze di lavoro durante il test pag 79 Capitolo 5 – Progettazione della prova termodinamica –
circuito di prova pag 81
5.1 Stabilire il banco prova pag 81 5.2 Progettazione del circuito gas di processo pag 81 5.2.1 Tronchetti di misura di aspirazione e di mandata pag 81 5.2.2 Diametro della tubazione pag 82 5.2.3 Misuratore di portata – orifizio calibrato pag 84 5.2.4 Valvola di regolazione portata pag 85 5.2.4.1 Completa espolazione della curva pag 85 5.2.4.2 Sensibilità di regolazione della portata – controllabilità pag 86 5.2.5 Scambiatore di calore- heat exchanger pag 88 5.2.6 Valvola di sicurezza pag 89 5.2.6.1 Evitare sovralimentazione gas pag 89 5.2.6.2 Improvvisa mancanza acqua al refrigerante pag 90 5.2.6.3 Dimensionamento area di scarico della valvola pag 90 5.2.7 Filtro gas in aspirazione pag 91 5.2.8 Valvola riempimento gas pag 91 5.2.9 Presa di pressione per gas tenuta pag 91 5.2.10 Drenaggio – vent pag 92 5.2.11 Calcolo rumorosità circuito pag 92 5.2.12 Massima portata supportabile dal circuito pag 94 Capitolo 6 – Esecuzione test meccanico pag 95 6.1 Operazioni preliminari di test pag 95 6.1.1 Settaggio impostazioni di sicurezza pag 95
6.2 Avviamento compressore pag 97 6.2.1 Rampa di salita iniziale pag 97 6.2.2 Quattro ore di M.C.S. pag 98 6.2.2.1 Temperatura olio lubrificazione, cuscini pag 101 6.2.2.2 Temperatura del vuoto, vibrazione cuscini pag 101 6.2.2.3 Temperatura olio lubrificazione, vibrazione cuscini pag 102 6.2.2.4 Temperatura olio lubrificazione, spostamento assiale pag 103 6.2.2.5 Vibrazione durante le quattro ore di M.C.S. pag 104 6.2.3 Salita e discesa finale pag 107
6.2.4 Unbalance test pag 109
6.3 Conclusioni pag 112
Capitolo 7 – Esecuzione test termodinamico in similitudine pag 113 7.1 Operazioni preliminari di test pag 113 7.1.1 Controllo tubazioni del circuito gas pag 113 7.1.2 Verifica di tenuta del circuito gas pag 113 7.1.3 Pressurizzazione del circuito pag 113 7.2 Condizioni di contratto pag 114 7.2.1 Punti termodinamici pag 115 7.3 Risultati del punto garantito pag 119 7.4 Ricalcolo velocità di cantiere pag 120
7.5 Calcolo errore pag 120
Capitolo 8 – Problemantiche di test pag 122 8.1 Oscillazione della portata volumetrica pag 122 8.1.1 Descrizione fenomeno pag 122
8.1.2 Analisi fenomeno pag 123
8.1.2.1 Diagramma β,q1 pag 129
8.1.2.2 Diagramma Atubo/β,q1 pag 129
8.1.2.3 Diagramma D/q1,β pag 130
8.1.2.4 Diagramma ρ*v2,q1 pag 130
8.1.3 Valutazione risultati pag 131 8.1.3.1 Guida all’individuazione di D e d pag 131
8.1.3.2 Conclusioni pag 132
Conclusioni pag 133
Bibliografia pag 135
A.1 Dimensioni esterne compressore pag 136
A.2 Rotore e giranti pag 137
A.3 Circuito 1 pag 138
A.4 Circuito 2 pag 139
A.5 Particolari circuito pag 140 A.6 Piping & Instrument diagram pag 142 Appendice B – Prova meccanica pag 143 B.1 Calcolo potenza al gas PG della prova meccanca pag 143
B.2 Calcolo perdite meccaniche pag 144 B.3 Calcolo del momento flettente del giunto di prova pag 145 B.3.1 Giunto senza adattatore pag 145 B.3.2 Giunto con adattatore pag 145
B.4 Run out pag 146
Appendice C – Similitudine pag 149 C.1 Accenni alla teoria della similitudine pag 149 C.2 Teorema del Backingam pag 150 C.3 Determinazione parametri adimensionali pag 150 C.4 Tolleranze di similitudine pag 152 C.5 Equazione di stato di test pag 154 Appendice D – Estratti da ASME PTC 10 pag 155
D.1 Definizioni pag 155
D.2 Istruzioni scelta del gas di test pag 156 Appendice E – Proprietà dei gas di sala prove pag 161
E.1 Azoto pag 161
E.2 Elio pag 162
E.3 Freon 22 pag 163
E.4 Anidride Carbonica pag 164
E.4.1 Compressione politropica pag 164 E.4.2 Compressione isoentropica pag 165 Appendice F – Proprietà del gas di contratto pag 166 F.1 Compressione politropica pag 166 F.2 Compressione isoentropica pag 167
Appendice G – Simbologia pag 168
G.1 Test pag 168
G.2 Contratto pag 169
G.4 Altro pag 170
Appendice H – Range di similitudine durante il test pag 171
H.1 Punto garantito pag 171
H.1.1 Condizioni iniziali imposte pag 171 H.1.2 Condizioni finali risultanti pag 172 H.1.3 Reynolds e Mach risultanti pag 173 H.1.4 Numero di giri e potenza al gas di test pag 174 H.1.5 Coefficiente di portata e portata volumetrica di test pag 175 H.2 Verifica estremi curva caratteristica pag 176
H.2.1 Overflow pag 176
H.2.2 Surge pag 177
H.3 Pressurizzazione circuito di prova pag 179 H.4 Considerazioni finali pag 183 Appendice I – Circuito gas pag 184 I.1 Tubazioni gas esistenti in sala prove pag 184 I.2 Perdite di carico – accenni di teoria pag 185 I.3 Schematizzazione circuito secondo ASME PTC 10 pag 188 I.4 Scelta tronchetti di misura pag 188 I.5 Misuratore di portata – ISO 5167 pag 189 I.5.1 Condizioni del flusso da rispettare pag 191
I.5.2 Temperatura pag 192
I.5.3 Incertezze e limiti di calcolo pag 192 I.5.4 Determinazione diametro d pag 192 I.5.5 Coefficiente di scarico C determinato da prove sperimentali pag 193 I.5.6 Fattore ε detrminato secondo prove sperimentali pag 193
I.5.7 Calcolo orifizio pag 197
I.5.8 Rappresentazioni costruttive pag 199 I.6 Valvola di regolazione pag 120
I.6.1 Condizioni termodinamiche del gas alla valvola pag 120
I.6.2 Tipi di valvole pag 120
I.6.3 Perdita di carico della valvola pag 203 I.7 Refrigerante acqua – accenni di teoria pag 204
I.8 Valvola di sicurezza pag 208
I.8.1 Calcolo di G2 pag 208
I.8.2 Calcolo sezione valvola, ASME pag 209 I.9 Perdita di carico filtro pag 211
I.10 Circuito di prova pag 214
I.10.1 Emissioni acustiche pag 215 I.10.2 Calcolo perdita di carico circuito pag 217 Appendice L – Calcolo punto termodinamico pag 221 L.1 Calcolo punto termodinamico in similitudine pag 221
L.1.1 Analisi del gas pag 221
L.1.2 Portata massica di gas pag 221 L.1.3 Condizioni di aspirazione pag 221 L.1.4 Condizioni di mandata pag 222 L.1.5 Trasformazione isoentropica pag 222 L.1.6 Compressione politropica pag 223 L.1.7 Perdite meccaniche pag 223 L.2 Aggiustamento alle condizioni di contratto pag 224 L.3 Verifica condizione di similitudine pag 224
L.4 Errore di misura pag 225
L.4.1 Letture pag 227
L.4.2 Errore misura strumenti pag 228 L.4.2.1 Fluttuazioni nel tempo pag 228 L.4.2.2 Errore sistematico pag 229 L.4.3 Prevalenza totale pag 231 L.4.4 Prevalenza politropica pag 231 L.4.5 Rendimento politropico pag 232
L.4.6 Portata massica pag 233
L.4.7 Portata volumetrica pag 233
L.4.8 Potenza al gas pag 234
INTRODUZIONE
La GE, acronimo di General Electric, è oggi una multinazionale con attività diversificate nei settori tecnologico, dei media, dai motori per aerei alla generazione di energia, fino ai servizi finanziari, alla diagnostica, ai programmi televisivi e alle materie plastiche; GE opera in 100 paesi nel mondo e ha oltre 300 mila dipendenti. Il fondatore fu l’americano Thomas Edison, l’inventore della prima lampada ad incandescenza perfettamente funzionante, che nel 1878 fondò la Edison Electric Light Company. Nel 1890, Edison aveva organizzato le sue diverse attività in un'unica azienda, la Edison General Electric Company, che nel 1982 si fuse con la Thomson-Houston Company e dette vita alla General Electric Company. I primi settori commerciali curati da Edison fanno ancora parte dell'odierna GE, inclusi l'illuminazione, i sistemi di trasporto, i prodotti industriali, il trasporto dell'energia e le apparecchiature medicali. Nel corso degli anni l’azienda ha ampliato sempre di più i settori di interesse fino ad arrivare ad oggi.
La GE è così suddivisa nei seguenti settori:
• Infrastructure; • Industrial; • Healthcare; • NBC Universal; • Commercial Finance; • Consumer Finance.
Il settore Infrastructure è a sua volta suddiviso nei seguenti business:
• Energy;
• Energy Financial Services;
• Oil & Gas;
• Water Technologies;
• Aviation;
• Commercial Aviation Services;
• Transportation.
Il business Oil & Gas è leader mondiale nella produzione di turbomacchine a tecnologia avanzata e servizi; vengono offerte soluzioni complete per produzioni, LNG, trasporti, sistemi di immagazzinamento, raffinerie, sistemi petrolchimici e sistemi “pipeline” per il trasporto di gas, servizi “onshore”, “offshore” e “subsea”, compressori, turbine, turboespansori, e generatori.
La GE Oil&Gas racchiude a sua volta diverse aziende, che sono l’ A-C Compressors, Gemini, Nuovo Pignone, Rotoflow, VectoGray, Conmec, Hdryl Pressure Control, Odessa, Thermodyn.
In particolar modo l’azienda Nuovo Pignone è centro di eccellenza per compressori centrifughi, assiali, alternativi, turbine a gas e a vapore, pompe, reattori, refrigeranti, condensatori, valvole di controllo e di sicurezza. Provvede alla realizzazione completa di impianti per la reinezione di gas, per estrazione di gas, condotti di trasporto gas, impianti LNG (liquefazione del gas naturale), generazione di energia per uso industriale e cittadino, impianti di processo (fertilizzanti, plastica, petrochimico).
Ripercorrendo brevemente qualche passo nella storia, il Nuovo Pignone nasce nel 1842 con il nome di “Società Anonima Fonderia del Pignone” come fonderia di ghisa. Acquista velocemente una buona fama come realizzatrice di opere urbane ed artistiche. Da azienda prettamente specializzata in fonderia si tuffa con l’Ingegnere Felice Matteucci nel settore meccanico con la produzione di motori a scoppio, realizzando il primo motore a scoppio. Dopo la seconda guerra mondiale, nel 1954, il sindaco di Firenze, Giorgio La Pira, e il presidende di ENI, Enrico Mattei, combinano l’acquisizione dell’azienda da parte della società ENI; a questo punto il nuovo nome dell’azienda sarà “Nuovo Pignone – Industrie Meccaniche e Fonderia Spa”. Con ENI il Nuovo Pignone fu coinvolto nell’impiantistica del settore petrolifero, acquistando ben presto un ruolo di eccellenza internazionale nel settore dei compressori, delle turbine e di tutta l’impiantistica per l’industria del petrolio, della petrolchimica, della raffineria e del gas naturale. L’azienda rileva gli stabilimenti di Massa, Talamona, Bari, Vibo Valentia, Schio, Porto Recanati, Roma con sede Firenze che rimane sempre il centro di produzione più importante. Il Nuovo Pignone è un’azienda ormai florida e potente, con un immenso know how tecnologico. E’ l’hanno 1993 quando, nell’ambito della privatizzazione del gruppo ENI, viene venduta alla concorrente General Electric.
Figura 2 – esemplari di compressore centrifugo e turbina a vapore
Ad oggi il Nuovo Pignone è composto da cinque stabilimenti che sono situati nelle città di Massa, Vibo Valentia, Bari, Talamona e Firenze, con le seguenti attività:
• Firenze – è la sede principale del Nuovo Pignone, in cui sono situate la maggior parte delle operazioni che questa azienda produce nei suoi cinque stabilimenti.
E’ situato l’ufficio Amministrazione Generale, il Marketing, le Risorse Umane, l’ufficio Vendite Commesse e l’ufficio Gestione Commesse, l’ufficio Acquisti, l’Ingegneria e il Manufacturing.
o Turbine a Vapore e a Gas;
o Compressori Centrifughi e Alternativi; o Impianti Completi e suoi ausiliari; o Ricerca e Sviluppo.
Manufacturing:
o Lavorazioni alle macchine utensili di Compressori e Turbine; o Assemblaggio di Compressori, Turbine e Impianti Skid; o Testing:
§ Progettazione Test Meccanici e di Performance;
§ Esecuzione Test Meccanici su Compressori di piccolo e medio taglio (<BCL1000);
§ Esecuzione Test Meccanici su Turbine a Gas e a Vapore;
§ String test a pieno carico (turbina a gas/motore elettrico abbinato a compressori o generatori).
• Massa – è principalmente un sito di manufacturing, definita come una grande sala prove, una delle più grandi d’europa.
o Test Meccanici su compressore di grosso taglio (>1000); o String Test a pieno carico;
o Produzione di Reattori; o Produzione casse.
• Bari –
o Progettazione e produzione di Pompe Centrifughe e a Vite; o Progettazione di Valvole di Controllo e Valvole di Sicurezza.
• Vibo Valentia –
o Produzione di Caldaie per utilizzo industriale; o Produzione di Aerorefrigeranti.
• Talamona –
o Produzione di Palette di Turbine e Compressori; o Produzione di Misuratori di Portata.
Il candidato alla prova finale di tesi, Davide Vagelli, è da circa tre anni dipendente dell’azienda GE Oil&Gas, stabilimento Nuovo Pignone di Firenze, nel reparto Manufacturing/Testing nel quale svolge la mansione di “Test and Evaluation Engineering” di prove standard.
Il Testing è un processo molto delicato del Manufacturing nel quale vengono validate le caratteristiche meccaniche e termodinamiche contrattuali di una macchina.
Vengono comunque eseguiti altri tipologie di test ancora prima che la macchina venga assemblata e che arrivi nel reparto Testing, che sono:
• Prova Idraulica: in cui viene testata la resistenza a pressione della cassa esterna del compressore;
• Giranti: ultrasuoni, test dei liquidi penetranti, over-speed test per verificare la non presenza di eventuali cricche;
• Rotore con giranti: over-speed test per equilibrare il rotore alla velocità di rotazione di processo.
La capacità di Testing dell’azienda si estende a tutti i tipi di macchine che vengono prodotte, da prove sotto vuoto, a prove a pressione ridotta fino a prove a pieno carico, cioè alla pressione di lavoro in cantiere. Tra gli stabilimenti di Firenze e di Massa ci sono banchi dedicati appositamente ad ogni specifica prova.
