Kleine compressoren, bijvoorbeeld in een garage of voor een verfspuit, werken alleen indien nodig. Industriële compressoren zijn gigantisch groot -3,5 meter hoog en 15 meter lang is geen uitzondering- en moeten een constante hoge druk doorsturen. Ze worden gebruikt in de chemische industrie, bij energiecentrales en aardolie- en aardgasinstallaties in boortorens en pijpleidingen. Een compressor is in principe een schoepenrad, dat lucht of een ander gas aanzuigt en versneld doorgeeft. In de ruimte achter de compressor -een vat of een pijpleiding- wordt de druk hoger omdat het gas daar wordt samengeperst.
Surge ontstaat als de aanvoer stokt of minder wordt, waardoor de druk vermindert. Het gas wil dan terugstromen, van een plaats met hoge druk naar een plaats met lage druk. Het kan door de compressor heen terugstromen de aanvoerleiding in, soms met desastreuze gevolgen. Die verminderde aanvoer kan allerlei oorzaken hebben, zoals technische of andere problemen van buitenaf. De olie- en gasmarkt fluctueert omdat er ’s zomers minder energie wordt gebruikt dan ’s winters of omdat Rusland de oliekraan dichtdraait en er hier extra gas of olie nodig is.
Van Helvoirt: “Surge veroorzaakt trillingen in de compressoren en de machines. Dat kan tot grote problemen leiden. Bij grote industriële compressoren heb je het over 300 bar met fluctuaties van 50 procent, dus in enkele luttele seconden gaat de druk dan terug naar 150 bar. Het betreft hier dure installaties van miljoenen euro’s. Een oplossing voor surge is voor industrie en verbruikers dus van groot belang.”
“De energieprijs is nu hoog en mede daardoor kan de industrie investeren in nieuwe ontwikkelingen. Zo wordt er in Noorwegen een proef gedaan met het bouwen van olie-installaties op de zeebodem, meer dan zevenhonderd meter diep. Zo’n installatie moet minimaal vijf jaar onafgebroken en veilig werken, want je kunt er niet even met een duikboot naartoe om iets te herstellen.”

Praktijktesten
Een aangebracht veiligheidssysteem voorkomt meestal grote ongelukken, maar die grijpt radicaal in. Het productieproces komt stil te liggen om een klep open te zetten en gas toe te voegen om de druk weer goed te krijgen. Van Helvoirt wil met meet- en regeltechniek continue kleine aanpassingen doen, zodat drastisch ingrijpen niet nodig is. Het principe is: je meet de druk in en voor de compressor. Als er drukverschillen zijn, gaat er even een klepje open en stroomt er gas de compressor in om de druk weer gelijk te krijgen.
Om een regelaar voor het systeem te ontwerpen, moest Van Helvoirt drie stappen nemen. Hij moest een model van de compressor opstellen en het gedrag beschrijven. Daarna keek hij of het model de werkelijkheid goed benadert. En als laatste moest hij het meet- en regelsysteem ontwerpen en testen.
Bij stap 1 ging het echter al fout. Het idee was om een standaardmodel te gebruiken, zodat er tijd overbleef om veel praktijktesten te doen. Van Helvoirt: “Een model heb je nodig om het dynamische gedrag van de compressor, inclusief het gedrag tijdens surge, te beschrijven, om op basis daarvan een regelaar te ontwerpen. Het standaardmodel is relatief eenvoudig en is toch in staat om -tot op zekere hoogte- het surge-gedrag te beschrijven.”
Voor zo’n model moet je aannames doen, want je kunt niet de hele werkelijkheid meenemen in je model. Dus maakte Van Helvoirt aannames over de eigenschappen van het gas (onder invloed van druk en temperatuur), hij schematiseerde de ingewikkelde architectuur van een compressor en maakte aannames over het dynamisch gedrag van het gas in het systeem.
Van Helvoirt: “De kunst is natuurlijk om de juiste aannames te doen, namelijk diegene die het gedrag van de hele machine bepalen. Op basis van testen kun je het standaardmodel aanpassen, tot de praktijkmetingen en het model goed overeenkomen. Bij praktijktesten bij Siemens, producent van grote compressoren, bleek achter de compressor een pijp te zitten die erg lang was (41 meter), iets wat in de industrie niet ongebruikelijk is. De lengte van de buis zorgt voor extra aero-akoestische problemen tijdens surge, omdat het gas door de buis heen golft. Dat effect was niet in het standaardmodel opgenomen en hier moest een nieuw model voor worden gemaakt.”

Vooruitgang
De volgende stap was parameter identificatie. De kracht van het standaardmodel is dat het weinig parameters bevat, maar die moeten wel heel exact zijn. Het gaat om de zogenoemde B-parameter die de stabiliteit in de compressor bepaalt. Die B-parameter bestaat uit gegevens van de geometrie, de draaisnelheid van de compressor en de geluidssnelheid in het gas. Met name op dit onderdeel heeft Van Helvoirt veel toegevoegd aan het theoretische werk van zijn voorgangers. “Er zitten nog steeds onnauwkeurigheden in, maar gezien de complexiteit van industriële compressoren is het een enorme vooruitgang. Om de juiste parameters te achterhalen, heb ik twee methoden gebruikt. Een daarvan is gebaseerd op een verbeterde benadering van de geometrie en een maakt gebruik van metingen onder veilige condities”, zegt Van Helvoirt.
Daarna hoefde Van Helvoirt ‘alleen nog maar’ een regelsysteem ontwerpen. Dat doet continu metingen in de compressor en voorkomt surge door een klep even open of dicht te doen. Dat regelsysteem heeft hij ontworpen en gebouwd, maar door tijdgebrek is het niet robuust genoeg geworden. Kleine onregelmatigheden en foutjes veranderen het gedrag van het gas in de compressor en die kon het ontworpen regelsysteem niet hanteren. “Dat is in principe goed mogelijk, de meet- en regeltechniek heeft daar allerlei methoden voor. Maar het ontbrak me gewoon aan tijd. De meeste tijd is besteed aan het kloppend maken van het model, terwijl ik eigenlijk drie jaar wilde besteden aan de meet- en regeltechniek. Ik heb nog wel een nieuwe regelklep gemaakt die twee keer zo snel open en dicht gaat als industriële standaardregelklep. Toch was het helaas niet mogelijk om in de praktijk te bewijzen wat we denken te kunnen. Wel hebben we nu veel meer inzicht in wat er nog moet gebeuren.”

Praktisch specialist
Hij heeft dan ook een hele lijst aangegeven met wijzigingen die nodig zijn om het probleem op te lossen, maar dat is werk voor een opvolger. Van Helvoirt start binnenkort, samen met ir. Ramon Solberg, zijn eigen bedrijf CST Innovations, dat onder de TU/e Holding valt. Van Helvoirt zelf is inmiddels een praktisch specialist in surge-problematiek. De kans is dus aanwezig dat hij het surge-onderzoek zelf kan voortzetten. CST Innovations wil verder onderzoek uitvoeren voor TU/e en industrie en gaat activiteiten organiseren om de wetenschappelijke kennis van de TU/e beter in de markt te zetten./.