'Als het trilt of fluit, halen wij dat er uit' - Fluids Processing

12
ONDERZOEK
TNO afdeling Flow and Structural Dynamics pakt trillingen en geluid aan
‘Als het trilt of fluit, halen wij dat er uit’
Trillingen in leidingen, reactorvaten en tanks,
veroorzaakt door pulserende stromen van pompen
of compressoren kunnen niet alleen leiden
tot lawaai maar ook tot schade aan de onderdelen
van een installatie. Voorkomen is beter
dan genezen en dus wordt de afdeling Flow and
Structural Dynamics van TNO Science and Industry
constant ingeschakeld om systemen door
te rekenen en oplossingen aan te dragen om de
pulsaties en het eventueel optredende geluid te
dempen. De afdeling heeft contacten en is bekend,
tot ver buiten de landsgrenzen.
Ing. Wil H.J.
Wijnands
Bas van den Beemt,
business developer
Oil and Gas van
TNO Science and
Industry. (Foto’s:
Fluids Processing
Benelux)
Fluids Processing
Nr. 3 - juni 2007
In de serie over onderzoeksinstituten mag
TNO zeker niet ontbreken. Er zijn verschillende
afdelingen interessant voor Fluids
Processing en één daarvan is de genoemde.
Hoofdactiviteit vormt het onderzoek betreffende
vloeistof- en gasdynamica en de
wisselwerking met de onderdelen van een
(proces)installatie zoals leidingen, vaten,
warmtewisselaars en flowmeters.
De afdeling is feitelijk ontstaan met de
ontwikkeling van Pulsim, een softwareprogramma
om pulsaties in leidingen te
simuleren. Dat werd 35 jaar geleden ontwikkeld.
Hierop doorbordurend bouwde
de afdeling een zeer uitgebreide expertise
op over de trillingsanalyse. Nu behoort het
tot de drie belangrijkste instituten van de
wereld in deze sector.
Volgens Bas van den Beemt, business
developer van TNO voor de olie- en gassector,
heeft de afdeling drie belangrijke
aandachtsgebieden: productieveiligheid en
betrouwbaarheid, optimalisatie van (olie
en gas) productieprocessen en ontwerp
van flow-apparatuur. “In feite gaat het om
alles wat met vloeistofdynamica te maken
heeft”, verklaart hij. “Dus alles wat met
interne stroming te maken heeft en de invloed
van die stroming op het omhullende
mechanische deel: de leiding, het vat, of de
opwekker van de stroming, de pomp of de
compressor. Alle dynamische stromingseffecten
zijn voor onze afdeling interessant.”
Productieveiligheid en
betrouwbaarheid
Bij veiligheid en betrouwbaarheid wordt
vooral gekeken naar trillingen en pulsaties
die een schadelijke uitwerking op het
mechanische systeem kunnen hebben.
De trillingen van pompen en compressoren
kunnen worden doorgegeven aan leidingsystemen
en vervolgens aan apparaten.
Met als gevolg het optreden van vermoeidheidsverschijnselen
in bijvoorbeeld lassen
of andere pijpverbindingen of aansluitingen
van apparatuur waardoor uiteindelijk
breuk kan optreden en de plant stil komt te
liggen. Vooral in de olie- en gasindustrie en
in chemische fabrieken moet dat worden
voorkomen. Niet alleen omdat de veiligheid
van de omgeving in het geding is,
wat uiteraard de belangrijkste overweging
is, maar ook vanwege de economische
schade die hierdoor optreedt. Stilstand
van een plant kost in sommige gevallen
tot 9000 euro per minuut. Een ander – niet
onbelangrijk – nevenprobleem is geluidproductie.
De trillingen en pulsaties zorgen
op een offshore productieplatform voor een
geluidbron waarbij mensen niet meer hun
werk kunnen doen vanwege de geluidoverlast.
Ook aan land, met bebouwing in de
buurt, kan geluidoverlast van een compressor
ontoelaatbare vormen aannemen.
Het onderzoek en de oplossingen die TNO
Flow and Structural Dynamics biedt, richt
zich enerzijds op het vinden van een oplossing
voor het probleem, bijvoorbeeld door
De testinstallatie voor dynamische stromingen
van vloeistoffen. (water)
het berekenen en plaatsen van een demper
om de pulsaties in het systeem te verminderen,
maar ook op het aanpakken van de
bron van de trillingen of pulsaties. In veel
gevallen wordt nu bij de aanschaf van een
grote compressorinstallatie vooraf een
analyse gevraagd van de trillingseffecten
en pulsaties die kunnen optreden.
Van den Beemt: “Veiligheid en betrouwbaarheid
hebben alles met elkaar te maken.
Als je een plant regelmatig stil moet leggen
vanwege een onveilige situatie die optreedt
door mechanische trillingen in het systeem,
dan is je installatie onbetrouwbaar. Daar
moet je dus iets aan doen. En wij kunnen
dat vooraf aangeven. Overigens geldt dat
ook voor flowmeting bij olie en gas. Daar
gaat het om de commerciële afrekening
van grote hoeveelheden en de flowmeter
moet dus ook bij trillingen en pulsaties
betrouwbaar meten. Soms treden conflicten
op in verband met de kalibratie. Dat een
meter gekalibreerd is, wil nog niet zeggen
dat er geen afwijkingen optreden. Als de
kalibratie heeft plaatsgevonden met een
mooie vlakke stroom zonder pulsaties en
je gaat hem gebruiken in een pulserende
stroom dan kan dat aanleiding zijn voor
een afwijking. Dan kunnen wij op experimentele
wijze aantonen dat er goed wordt
gemeten, maar bieden we ook mogelijkheden
ter verbetering. We leveren niet alleen
een rapport maar ook een praktische bijdrage
aan de oplossing van het probleem.”
De expertise van TNO wordt ook in
het buitenland gewaardeerd. Zo had het
Noorse Statoil problemen met de flexibele
risers. De trend is om gas te winnen uit
steeds dieper water. Om het gas naar boven
te krijgen, worden flexibele verbindingen
aangebracht tussen de put op de zeebodem
en het platform, de riser. Hier ontstonden
geluid en trillingen, terwijl ook de verbindingen
op het platform afbraken. De riser
heeft een geribbelde binnenkant in verband
met de sterkte en de flexibiliteit. Het
vermoeden bestond dat het geluid en de
trillingen ontstonden door interactie van de
stroming met deze ribbels. Bij TNO losten
ze de zaak op door eerst een model op te
stellen en door te rekenen en vervolgens
een demper in de riser te plaatsen. Uiteindelijk
leidde dit tot een groot gezamenlijk
project voor de hele industrie omdat bleek
dat meer bedrijven met dit probleem kampten.
Er wordt nu gewerkt aan een meer
structurele oplossing van het probleem
door bijvoorbeeld het inwendige ontwerp
van de riser aan te passen. Dat moet er
voor zorgen dat de trillingen en het geluid
niet meer optreden.
Optimalisatie van
productieprocessen
Een duidelijke ontwikkeling waar hoog op
wordt ingezet, is optimalisatie van productieprocessen,
specifiek bij het verbeteren
van de productie van een olie- of gasveld.
In het verleden werd een olie- of gasveld
voor circa 30 procent benut. De rest was te
moeilijk om te winnen. Moderne middelen
zorgden inmiddels voor een verhoging van
dat percentage tot circa 60 procent en TNO
werkt aan een methode om ook die laatste
30 procent beschikbaar te maken voor de
exploitant van de put. Honderd procent
benutting zal niet haalbaar zijn.
Van den Beemt: ”90 procent is mogelijk
door er allerlei toepassingen op los te
laten en daar draagt de modellering van de
stroming aan bij. Er is dus nog een enorme
winst te behalen door meer olie of gas te
produceren uit hetzelfde veld. Die wens
bestond vroeger niet. Maar door de
toename van de olie- en gasprijs willen en
kunnen exploitanten best investeren om het
laatste beetje eruit te halen.”
Bij de productie heeft de exploitant te maken
met meerfasestromen: een combinatie
van olie, gas en water. Alles zo maar oppompen
zonder rekening te houden met
deze effecten gaat niet. Modellering van
de stroming is nodig om de productie van
olie- en gasputten te optimaliseren. TNO
wil echter nog een stap verder gaan.
Van den Beemt: “In de toekomst willen
we de stromingsmodellen combineren met
regelmogelijkheden. Dan zijn we in staat
een soort Operating Support Systemen te
leveren waarbij onze stromingsmodellen
direct de regelkleppen aansturen in plaats
van de bedieningsman. Het model stuurt
de productie van een put dan nauwkeurig
aan waardoor het veld optimaal wordt
benut. Voor elke olie- of gasput verloopt
dat weer anders. De ene gasput is bijvoorbeeld
droog terwijl de ander juist veel
vocht bevat. In dat laatste geval zal het gas
veel minder stromen of zelfs stoppen. Dat
kunnen wij voorkomen door het model zo
in te richten dat de gasstroomsnelheid net
hoog genoeg is en blijft stromen. Dat zijn
de fysische verschijnselen die voor Flow
and Structural Dynamics interessant zijn en
waar we onze toekomst op zetten.”
Ontwerp van flowapparatuur
Last but not least levert TNO bijdragen in
het ontwerpen van flowapparatuur. Te denken
valt aan flowmeters, vaten, reactoren
en warmtewisselaars en dergelijke. In al
deze apparaten kunnen dynamische stromingsproblemen
optreden waarvoor een
oplossing te bedenken is. In sommige gevallen
levert dat een compleet product op,
zoals de clamp-on coriolis meter. Daarvoor
sloot TNO deze maand een overeenkomst
met een fabrikant die deze meters zal gaan
maken en vermarkten. Van den Beemt stelt
dat ze geen ingenieursbureau zijn dat dit
soort zaken echt ontwikkelt.
De testinstallatie
voor dynamische
stromingen van
gassen. (lucht)
g
Fluids Processing
Nr. 3 - juni 2007 13

14
ONDERZOEK
‘Als het trilt of fluit, halen wij dat er uit’
Fluids Processing
Nr. 3 - juni 2007
Van den Beemt: “We werken aanvullend
en ingenieursbureaus zijn vaak onze klanten.
Wij modelleren, voeren onderzoeken
uit en testen apparatuur om de effecten van
dynamische stromingen te verminderen.
We kijken naar flowmeters omdat die gebruikmaken
van dynamische principes om
flow te meten, zoals bij een vortexmeter.
We kijken naar de effecten van trillingen
en pulsaties op de flowmeters. Een fabrikant
van een nieuwe flowmeter kan in zijn
specificaties aangeven dat zijn flowmeter
nog steeds goed meet als er een pulserende
stroom doorheen gaat. In ons laboratorium
kunnen wij dat simuleren. We denken dan
mee in het ontwerpproces als er iets mis is.”
Datzelfde gebeurt ook met (grote) vaten en
reactoren, omdat ook daar veel stromingsprocessen
optreden. Zo opereert TNO als
een soort van troubleshooter. Zo had
een bedrijf te maken met veel geluid in een
reactor waar aan de bovenzijde gas werd
afgevoerd. Door in de het afvoergedeelte
van de reactor een inzetstuk met aangepaste
openingen te plaatsen, kon de stroming
worden beïnvloed zonder de doorstroomcapaciteit
te verminderen, terwijl de
stroming zodanig werd aangepast dat het
geluid drastisch afnam.
Samenwerking
Veel van de onderzoeken en ontwikkelingen
leiden tot patenten en producten
moeten via licenties in de markt worden
gezet. Eén van de doelen is daarom het
creëren van spin-offs, wat wil zeggen dat
TNO samen met anderen nieuwe bedrijven
opzet om de technologie naar de industrie
te brengen.
Samenwerking heeft vooral steeds meer
binnen TNO zelf plaats. In het verleden
verrichten de projectmanagers vaak zelf
de acquisitie maar tegenwoordig wordt
veel gebruik gemaakt van marktteams met
business developers zoals Van den Beemt
er één van is.
Van den Beemt: “We gaan steeds marktgerichter
werken. We hebben natuurlijk
veel expertises maar die vindt je niet direct
terug. Zo hebben we een sector Olie en
Gas, waar meer expertises onder vallen,
ook Flow and Structural Dynamics. Klanten
uit de olie- en gassector hebben niet
alleen ons nodig maar ook bijvoorbeeld de
afdeling Materialen in verband met corrosie,
Scheidingstechnologie of noem maar
op. Via de een komen ze ook bij de ander
terecht. Neem de eerder genoemde risers
voor Statoil. Die hadden ook problemen
op een nieuw platform dat iets hoger was
dan gebruikelijk. De reddingsboten maken
Productcategorieën
De afdeling Flow and Structural Dynamics kent een aantal productgroepen waarvoor ze
onderzoek verricht en analyses en berekeningen uitvoert. Dat zijn:
Ontwerp van installaties met API 618 analyse voor zuigercompressoren;
plunjerpompen en -compressoren API 674 analyse voor plunjerpompen;
rentabiliteitsanalyse van compressor manifolds;
optimalisatie van capaciteitsregelingen van
compressoren
Ontwerp van installaties met analyse van door stroming opgewekte pulsaties;
turbopompen en -compressoren analyse van mechanisch opgewekt geluid;
analyse en simulatie van systeemdynamica;
ontwerp van pompen voor meerfasestromen
Ontwerp en evaluatie van akoestische evaluatie van procesinstrumentatie:
procesinstrumentatie druk, stroming en temperatuurinstrumenten;
akoestische evaluatie van stromingsapparatuur:
kleppen, scheiders en vaten;
ontwerp van stromingsinstrumenten:
Vortex flowmeters, Coriolis flowmeters
Bestrijding van lawaai, akoestische evaluatie van stromingsmachines;
pulsaties en trillingen geluidmeting in het veld voor troubleshooting en
inkoopspecificaties;
vermindering van geluid, pulsaties en trillingen
in procesinstallaties
Optimalisering van productie- opstelling van dynamische meerfase stromingsmodellen
putten en pijpleidingen van productieputten en pijpleidingen;
analyse van de interactie tussen put en reservoir;
operating support systemen
Softwarepakketten voor DamperSIM voor het ontwerpen van pulsatiedembeheersing
van pulsaties pers de PulSIM voor pulsatiestudies in complete
trillingen pijpsystemen en toevoegingen: ValveSIM, MbroSIM
ingeval van problemen een hogere val van
het platform op het wateroppervlak en ze
wilde weten of de inzittenden dan geen
gevaar liepen. Binnen twee weken waren
mensen van Automotive die botsproeven
met auto’s doen bezig om de impact van
dergelijke klappen op de mens in zo’n
reddingsboot na te gaan. Op stromingsgebied
komen we natuurlijk vaak uit bij
de afdeling die sensors ontwikkelen. Onze
elektronici van het Holstinstituut proberen
om het geheel zo klein mogelijk te maken
om goedkoper te produceren. De dwarsverbanden
binnen TNO gaan nu echt werken.
De business developer moet weten wat een
ander doet en zo TNO als complete kennisleverancier
profileren.”
Laboratorium
Niet onbelangrijk is het eigen laboratorium
van de afdeling dat op de TU Delft is ondergebracht.
Men beschikt over twee testinstallaties,
één voor proeven met lucht en
één voor proeven met water. De testinstal-
latie voor lucht heeft een capaciteit van 10
tot 1400 m 3 /h geregelde luchtstroom met
een maximum druk va 800kPa. Turbine
en vortex flowmeters met een nauwkeurigheid
van 0,5 procent worden gebruikt
om hoeveelheden te meten in 1”, 2” en
3” leidingen. Een speciale aandrijving is
beschikbaar om pulsaties in de luchtstroom
op te wekken.
De waterinstallatie heeft een capaciteit van
1 tot 250 m 3 /h bij een druk van 200 kPa.
Hier worden elektromagnetische flowmeters
toegepast met een nauwkeurigheid
van 0,3 procent in 2”, 4” en 8”leidingen.
De testsectie is na de referentieflowmeters
aangebracht en van het referentiedeel gescheiden
door middel van een regelklep en
slang om pulsaties in het referentiedeel te
vermijden.
Voor het testen van dynamische stromingen
worden veelal schaalmodellen van het
origineel gebruikt.n
Informatie: bas.vandenbeemt@tno.nl