Modeling and multivariable control of a gas compression station

This thesis, mainly developed at the ABB Corporate Research Center of Baden-Datwill (CH), is devoted to the study of control systems of centrifugal compressors working in series. Such compressors, which are used in process industries, especially for oil and gas production, may suffer of instability phenomena called surge. The occurrence of surge cycles causes overheating and may lead to a serious damage of the machine. Therefore it is necessary to keep the compressors working region far from the surge occurrence region. Here we will present a case study of two compressors working in series which is a challenging setup from a control point of view. We will adopt the model based approach. By suitable mathematical descriptions, the main aspects determining the overall dynamic behavior can be clarified, enabling the development of anti-surge control systems and throughput regulation. It will be shown that in this configuration there are significant interactions between the compressors and all control loops. We will present a typical control solution based on decentralized PID controllers and also alternatives involving model based approaches where we identify linear models from step testing of the simulated nonlinear plant.

Questa tesi è stata sviluppata nel centro di ricerca di ABB a Baden-Datwill (CH) e tratta lo studio dei compressori centrifughi installati in serie. Il compressore centrifugo è ampiamente utilizzato nell’industria di processo, in particolare nel settore dell’ oil and gas. Questa turbomacchina ha una zona di funzionamento limitata a causa di una pericolosa condizione operativa chiamata surge. Il surge o ciclo di pompaggio si manifesta in vibrazioni meccaniche, inversione di portata e surriscaldamento che possono danneggiare gravemente la macchina. Per questo motivo è necessario un sistema di controllo che possa prevenire l’insorgere di questa instabilità. I principali modelli matematici del compressore saranno illustrati ed un modello adatto per la simulazione verrà sviluppato. In particolare sarà trattato lo studio di un impianto con due compressori operanti in serie. Per questo impianto verranno sviluppati sistemi di controllo anti-surge e di controllo di processo. In questa configurazione si verificano forti interazioni tra i compressori ed i diversi sistemi di controllo. Per questo motivo diverse strategie saranno studiate e comparate. (i)Controllo decentralizzato mediante controllori PID. (ii)Controllo centralizzato model-base mediante disaccoppiamento feedforward. (iii)Controllo centralizzato model-base mediante model predictive control (MPC).