【Impulse】注水系統の異常時保護手法の欠陥を解明

海洋生産プラットフォームの拡張プロジェクトにおける注水系統の評価を Impulse による過渡解析で実施した事例です。

課題

注水系統は、2 台のブースターポンプで供給する低圧部と、2 台の 1000 馬力の注水ポンプで昇圧し坑口へ供給する高圧部で構成されています。 全 4 台のポンプには、逆止弁と無流量状態のデッドヘッドを防止するための自動最小流量制御弁または自動再循環弁が設置されています。 モデル化された系統を図 1 に示します。 長い流路と高い運転圧力（690 bar 以上）から、本系統は重点的に検討すべき項目として位置付けられました。

分析

Impulse による過渡解析によって、ポンプ起動、制御停止、緊急停止、バルブ故障といった各シナリオについて、圧力や管にかかる応力が許容限界を超えないかが確認されました。 正常な起動および停止のシナリオでは、注水ポンプの可変周波数駆動装置（VFD）によって容易に制御され、急峻な応答（昇圧）は回避されていると明らかになりました。

緊急停止（ESD）ケースでは、制御不能なポンプトリップと吐出シャットダウン弁の同時閉鎖が想定されました。 注水ポンプに与えられる高圧により、トリップ時に著しい逆流が生じ、4 箇所の逆止弁で逆止弁スラムが生じます。 この逆止弁スラムが低圧側で過渡的な低圧とキャビテーションを引き起こします。 このようなスラム現象とそれに続くキャビテーション崩壊により、配管およびポンプノズルのガイドラインの許容範囲を大幅に上回る応力が起こると分かりました。 軸方向非スラム式逆止弁に置き換えると、これらの影響が緩和され、過渡的なキャビテーションを避けることができ、応力を許容範囲内のレベルに低減することができました。

バルブ故障シナリオでは、ポンプ稼働中に坑口への吐出が遮断されます。 理論上、自動最小流量制御弁が流れをプラント外へ迂回させ、バルブの緩慢な閉鎖によるポンプの空転を回避するはずでした。 図 2 に示すように、逆止弁での衝撃から、より深刻な応力の発生後に意図した保護措置が作動することが判明しました。

逆止弁の交換により ESD シナリオにおけるスラム現象は軽減されたものの、弁故障時の応力は依然として許容範囲を超えていました。 そこで、弁にリミットスイッチを設置し、弁故障時にポンプへ信号を送り制御停止を開始させるようにしました。 さらに、最悪のケースであるリミットスイッチ故障時の応答を想定し、配管で生じる過渡応力の結果を応力解析用のファイルに出力して Ansys へ取り込み、動的な応力/荷重解析を実施しました。 一連の解析により、バルブとリミットスイッチの二重故障時でも、汚染や壊滅的な故障のリスクは小さいことが確認できました。

ソリューション

過渡現象の因果関係を明確にし、緩和策を立案するために、ソフトウェアのレポート/グラフが数多く引用されました。 明確に可視化されたシミュレーション結果によって、提案の根拠となる証拠をプラントオーナーに提示できました。

Impulse のイベントマネージャーを用いてシステムの制御ロジックと応答をモデル化し、チェックバルブスラム後の圧力に対するキャビテーション発生と崩壊の影響を評価することができ、 故障リスクを軽減し、保護措置が意図した通りに機能することを保証することができました。