Centrifugal Compressor Surge

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Centrifugal Compressor SurgeModeling and Identication for ControlThis research was nancially supported by TNO Science & Industry andSiemens Power Generation and Industrial Applications.A catalogue record is available from the Eindhoven University of Technology LibraryHelvoirt, Jan vanCentrifugal Compressor Surge, Modeling and Identication for Control / by Jan vanHelvoirt. Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2007Proefschrift. ISBN-13: 978-90-386-1095-5NUR 978Trefwoorden: centrifugaal compressor / surge / modelleren /identicatie / regelenSubject headings: centrifugal compressor / surge / modeling /identication / controlCopyright c 2007 by J. van Helvoirt. All rights reserved.This thesis was prepared with the LATEX2 documentation system.Reproduction: PrintPartners Ipskamp B.V., Enschede, The Netherlands.Centrifugal Compressor SurgeModeling and Identication for ControlPROEFSCHRIFTter verkrijging van de graad van doctor aan deTechnische Universiteit Eindhoven, op gezag van deRector Magnicus, prof.dr.ir. C.J. van Duijn, voor eencommissie aangewezen door het College voorPromoties in het openbaar te verdedigenop woensdag 12 september 2007 om 16.00 uurdoorJan van Helvoirtgeboren te UtrechtDit proefschrift is goedgekeurd door de promotor:prof.dr.ir. M. SteinbuchCopromotor:dr.ir. A.G. de JagerContentsSummary ixNomenclature xi1 Introduction 11.1 General introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Centrifugal compression systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.1 Principle of operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2 Industrial centrifugal compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Review of compressor instabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.1 Rotating stall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.2 Surge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Surge suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4.1 Surge avoidance and suppression techniques . . . . . . . . . . . . 101.4.2 Technology assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.4.3 Modeling and identication for control . . . . . . . . . . . . . . . 171.5 Research objectives and scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Theoretical modeling of centrifugal compression systems 232.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1.1 Literature on compression system modeling . . . . . . . . . . . . 242.2 The Greitzer lumped parameter model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.1 System boundaries and model assumptions . . . . . . . . . . . . . 282.2.2 Compressor and throttle ducts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.3 Plenum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.4 Transient compressor response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3 Model adjustment and scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3.1 Variable cross-sectional area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3.2 Aerodynamic scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35vvi CONTENTS3 Centrifugal compression system model 393.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3 Lumped parameter model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.3.1 Model equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.3.2 Model parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.3 Compressor characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.3.4 Throttle characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.4 Model identication and validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.4.1 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.4.2 Time varying gas properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624 Dynamic compressor model including piping acoustics 654.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.2 Centrifugal compression system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.2.2 Compressor model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.2.3 Model identication and validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.3 Piping system acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.3.1 Dynamic model for piping system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.3.2 Piping boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.4 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885 Analysis of compressor dynamics 915.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.2 Nonlinear compressor dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.2.1 Surge cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.2.2 Parameter analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.3 Linear compressor dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056 Stability parameter identication 1076.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.2 Hydraulic inductance approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.2.1 Compressor duct division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.2.2 Discussion on hydraulic inductance calculations . . . . . . . . . . 1146.3 Model identication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1176.3.1 Step response measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.3.2 Parameter identication with approximate realizations . . . . . . . 121CONTENTS vii6.3.3 Results and validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1267 Surge control design and evaluation 1317.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.2 Surge control design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .