Preliminary mechanical analysis and layout selection of pulsation dampers in reciprocating compressor systems

Large horizontal reciprocating compressors are oftentimes at the heart of gas processing plants and are required to operate in a safe and reliable manner. Modern machines now aim at maximizing the performances of this established technology, thus exacerbating the inherent side-effects of their alternating nature: pressure pulsations in the ducts and mechanical vibrations of the system. In particular, suction volume bottles, required to dampen pressure pulsations, can be subject to considerable loads, over a wide range of frequencies, deriving from the mechanical coupling with the cylinder on which they are mounted. These forces can easily cause excessive stress or mechanical resonance in the system and, in turn, fatigue failure, which would result in serious safety hazards, loss of production and the need for costly repairs. To avoid these potential issues, complex CAD models and expensive FEM simulations are required to predict the behavior of the system and, if necessary, correct the design. This thesis introduces two novel methodologies to perform a preliminary evaluation of such vibrations-related issues using only initial sizing data and expected loads. The aim is to provide in the early stages of a new job useful indications on the critical factors that determine the behavior of the compressor-damper system and outline a design space to guide the selection of the best layout. This will, in turn, help avoid unforeseen issues during operations, but also the need for multiple simulations or re-designs, following a First Time Yield philosophy. The two approaches, validated on a real case study, rely on databases created through ad hoc calculations and the gathering of historical data, incorporating engineering experience and the results of analyses performed on the collected data.

I compressori alternativi orizzontali di grandi dimensioni rappresentano spesso il cuore degli impianti di trattamento di gas, dove è fondamentale garantirne un funzionamento sicuro e affidabile. Le macchine moderne puntano a spingere al massimo le prestazioni di questa tecnologia oramai consolidata, ma così facendo accentuano anche gli effetti collaterali legati al loro funzionamento, come le pulsazioni di pressione nei condotti e le vibrazioni del sistema. Un elemento particolarmente critico è rappresentato dai polmoni di aspirazione, progettati per attenuare le pulsazioni di pressione. Questi, tuttavia, possono essere soggette a carichi significativi su un ampio spettro di frequenze, a causa del collegamento meccanico con il cilindro su cui sono montati. Tali sollecitazioni possono generare risonanze o stress eccessivo, portando a rotture per fatica, con conseguenze potenzialmente gravi in termini di sicurezza, perdite produttive e costi di riparazione. Per prevenire questi problemi, si ricorre solitamente a complessi modelli CAD e a costose simulazioni FEM per prevedere il comportamento del sistema e ottimizzare il design. Questa tesi propone invece due metodologie innovative per una valutazione preliminare delle problematiche legate alle vibrazioni, basata esclusivamente sui dati di dimensionamento iniziali e sui carichi previsti. L’obiettivo è fornire, già dalle fasi iniziali di un nuovo progetto, indicazioni utili sui fattori critici che influenzano il comportamento del sistema compressore-smorzatore e definire uno spazio progettuale che guidi la scelta della configurazione più adatta. Questo approccio consente non solo di evitare problemi imprevisti in fase operativa, ma anche di ridurre il numero di simulazioni e riprogettazioni, seguendo una filosofia del First Time Yield. Le due metodologie, validate su un caso reale, si basano su database costruiti tramite calcoli ad hoc e raccolta di dati storici, integrando l’esperienza ingegneristica e i risultati delle analisi condotte sui dati stessi.