005 Fonctionnement Cc

Raffinage-Pétrochimie-Chimie-Ingénierie ———

SONATRACH/IAP-CU Boumerdes

COMPRESSEURS CENTRIFUGES ET TURBINES À VAPEUR

FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS CENTRIFUGES

I -PRÉSENTATION -PRÉSENTATION EXTÉRIEURE...................... EXTÉRIEURE......................................... ................................ .......................... .......................... .......................... ................... ...... 1 123-

Le compresseur ....................................................................................... .......................................................................................................................... ....................................1 .1 Le dispositif d’entraînement .................................................................................... .........................................................................................................2 .....................2 Disposition interne..................................................... interne............................................................................................................ ...................................................................3 ............3

II - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT FONCTIONNEMENT ........................ ............................................ ................................. ......................... ......................... ................... ...... 5 123456-

Évolution de la pression dans une cellule de compression................................. compression ..........................................................5 .........................5 Énergie fournie par la roue et la cellule................................................. cellule........................................................................................6 .......................................6 Pression produite par le compresseur.............................................. compresseur..........................................................................................8 ............................................8 Limites d’utilisation ...................................................................................... .....................................................................................................................10 ...............................10 Courbe du compresseur............................ compresseur .............................................................. .................................................................................12 ...............................................12 Puissance ............................................................... ...................................................................................................................... ....................................................................13 .............13

III - ADAPTATION DU COMPRESSEUR COMPRESSEUR AU CIRCUIT PROCÉDÉ ......................... ............................................. ...................... 15 12-

Les circuits ...................................................................................... ......................................................................................................................... ...........................................15 ........15 Point de fonctionnement.................................. fonctionnement........................................................................................ ...........................................................................16 .....................16

IV - EXPLOITATION DU COMPRESSEUR COMPRESSEUR ........................ ............................................ ................................ ......................... .......................... ............... 17 123-

Régulation du débit ....................................................................................... ....................................................................................................................17 .............................17 Pompage et anti-pompage .............................................................. .........................................................................................................19 ...........................................19 Démarrage .............................................................. .................................................................................................................... ...................................................................22 .............22

MT COM - 00234_A_F - Rév. 3 © 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

03/12/2005

1

I-

PRÉSENTAT ATIION EX EXTÉRIEURE Les compresseurs centrifuges sont généralement des machines de forte puissance (1 à 20 MW) dont le fonctionnement est absolument vital pour l’unité dans laquelle ils sont installés. Les consommations correspondantes sont très élevées et la conduite économique de ces machines est souvent essentielle pour l’efficacité du procédé. Sur le site, un compresseur centrifuge forme avec ses annexes, un ensemble qui comprend - le comp compre ress sseu eurr luilui-mê même me - le dispositif d’entraînement - un ensemble d’équipements auxiliaires

1-

LE COMPRESSEUR Extérieurement un compresseur centrifuge se présente généralement sous la forme d’une machine à un ou plusieurs corps. Le nombre de corps mis en œuvre dépend du taux de compression. compression. Le corps est à plan de joint hor izontal quand la pression est inférieure à 35-40 bars, il est à plan de join jo intt vert v ertic ical al (on (on dit communément compresseur de type “barrel”) pour les pressions plus élevées.

Côté entraînement

Compresseur à plan de joint horizontal

Côté entraînement

A 9 3 0 1 T D

Compresseurr à plan de joint vertical (type Barrel) Compresseu

00234_A_F

© 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

2

Les corps à plan de joint hori zontal ont généralement les tubulures d’aspiration et de refoulement solidaires de leur demi corps inférieur, ce qui permet de ne démonter que le demi corps supérieur lors des opérations d’inspection ou de réparation de l’intérieur de la machine et du rotor. Les corps de type “barrel” sont utilisés pour des pressions de gaz véhiculé élevées ou à basse pression dans certains cas particuliers, (ex : gaz riche en hydrogène). L’ensemble des pièces qui constituent le rotor et le stator est mis en place dans un corps cylindrique, appelé barrel et contenant les lignes d’aspiration et de refoulement verticales. Quel que soit le type de corps, le montage des pièces internes doit être tel qu’il en assure la parfaite concentricité avec l'axe de rotation, tout en leur permettant une libre dilatation thermique. Par ailleurs, le corps lui-même doit être supporté et guidé de manière à conserver en service le meilleur alignement possible entre le compresseur et le dispositif d’entraînement.

2-

LE DISPOSITIF D’ENTRAÎNEMENT Les compresseurs centrifuges peuvent être entraînés par une turbine à vapeur (groupe turbocompresseur), un moteur électrique (groupe moto-compresseur) et quelquefois une turbine à gaz. • Entraînement par une turbine à vapeur

La turbine à vapeur est, sauf exception, accouplée directement au compresseur et tourne donc à la même vitesse que lui (5000 tr/min à 12 000 tr/min).

Turbine

Compresseur T

C Accouplement

A 0 4 0 1 T D

Cette disposition permet de réguler le débit du compresseur de manière économique par simple variation de la vitesse de rotation de la turbine.

Entraînement par turbine à vapeur à vitesse variable

• Entraînement par un moteur électrique

Le moteur électrique entraîne dans ce cas le compresseur à haute vitesse, par l’intermédiaire d’un multiplicateur. Dans certaines applications, le multiplicateur est intégré au compresseur (compresseurs d’air, compresseurs de vapeur d’eau, …).

Moteur électrique

Multiplicateur Mot

M

C

Entraînement par moteur électrique à vitesse fixe ou variable

00234_A_F

Dans le cas de moteur à vitesse fixe, il est nécessaire de prévoir un système supplémentaire de réglage du débit. A 1 4 0 1 T D

De plus en plus fréquemment les compresseurs centrifuges sont entraînés par des moteurs électriques à vitesse variable permettant ainsi de réguler le débit économiquement.


3

3-

DISPOSITION INTERNE Un compresseur centrifuge est composé d’une ou plusieurs roues dans lesquelles le gaz reçoit de l’énergie. Des canaux internes (diffuseurs) récupèrent le gaz en sortie de roue et le ramène sur la roue suivante (canal de retour). Différentes dispositions de roues au sein du compresseur sont présentées ci-après.

Compresseur multicellulaire roues montées sur le même arbre. Les roues de ce compresseur sont “fermées”.

A 9 6 6 T D

er

1 Diffuseur

D N A R L L O S R E G N I n o i t a t n e m u c o d s è r p a ' D

Réfrigérant

Dévésiculeur

étag

e

2

étag

e

ème

4

étag

e

ème

3 ASPIR

ATION

Compresseur multicellulaire : roues montées sur 4 arbres différents - Roues ouvertes


étag

e

Roue

REFO ULEM ENT

00234_A_F

ème

B 2 4 0 1 T D

4

Compresseur mono roue en porte à faux - Roue ouverte

00234_A_F


5

II -

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 1-

ÉVOLUTION DE LA PRESSION DANS UNE CELLULE DE COMPRESSION Dans un compresseur centrifuge, l’apport d’énergie fournie au gaz sous forme de vitesse et de pression s'effectue dans les roues. Sous l’effet de la force centrifuge, le gaz est mis à la fois en vitesse et en pression dans les canaux de la roue. La vitesse élevée atteinte par le gaz à la sortie de la roue est transformée en pression par un ralentissement dans le diffuseur. Cette transformation peut représenter entre 20 et 25 % de l’augmentation totale de pression dans la cellule. Les canaux de retour ramènent le gaz à l’entrée de la roue suivante, de telle façon qu’il y pénètre avec le minimum de chocs et turbulences et sans changement brusque de direction.

Pression vitesse du gaz

Variation de vitesse et de pression au passage de la cellule

3 Diffuseur

Canal de retour

Trajet suivi par le gaz

Roue

Diffuseur

Stator 6

2 Fuite 1

Fuite 4

0

3

Pression

5

Vitesse

Roue 2

Cellule

Labyrinthe (léchettes)

0

1

2

3 4 Trajet du gaz

Évolution de la pression et de la vitesse dans une cellule de compresseur

Des fuites internes de gaz se produisent de chaque côté de la roue. Ces recyclages, qu’on limite avec des étanchéités à léchettes ou à labyrinthes, ont une influence directe sur le rendement, la température et sur le débit de la machine.

00234_A_F


D 2 9 4 T D

6

2-

ÉNERGIE FOURNIE PAR LA ROUE ET LA CELLULE L’énergie fournie par la roue n’est fonction que de la forme de la roue, de sa vitesse périphérique et du débit. Elle est indépendante des conditions d’aspiration ou de la nature du gaz. Dans une roue centrifuge parfaite on démontre que la relation entre énergie et débit aspiré se représente par une droite appelée droite d’Euler.

Énergie Wp b

u2 u22

Wo

β2 Droite d'Euler

R2

µ u22

Q0

δ u2 R22

Débit aspiré

k u2 R2 tg β2b

A 3 4 0 1 T D

Dans une roue réelle et dans toute la cellule, compte tenu des pertes par frottement, des fuites internes, des chocs du gaz sur les aubages et les ailettes des canaux de retour, l’énergie réelle produite par la roue est inférieure à celle d’une cellule parfaite. Elle peut être représentée par une courbe dite “ caractéristique de la roue” ou de la cellule. On peut toujours considérer que l’énergie et le débit aspiré sont une partie de la valeur des coordonnées à l’origine (W 0 et Q0 ). On caractérise souvent les conditions réelles par rapport aux conditions théoriques au moyen de coefficients. Le coefficient de travail caractérise l’énergie fournie au gaz :

µp =

Wp

2

u2

W p : travail polytropique en J/kg µp : coefficient de travail polytropique u2 : vitesse périphérique en m/s

Le coefficient de débit caractérise le débit :

δ=

00234_A_F

Qvasp

2

u2 R2

Qvasp : débit aspiré en m 3 /s δ : coefficient de travail polytropique R 2 : rayon de la roue en m


7

Pour leur meilleur rendement, l’ordre de grandeur des valeurs de µ et de δ de chaque roue est donné dans le tableau ci-après.

Périphérique

Centrifuge

Hélico centrifuge

Axial

B 6 5 5 T D

δ

0,04

0,04

0,2

0,6

0,8

1

1,2

µ

1,8

0,6

0,5

0,35

0,25

0,10

0,05

Certaines roues ouvertes ont des valeurs de µ et e ηp pouvant être supérieures à celles données cidessus. On peut ainsi atteindre des valeurs de 0,8 à 0,82 pour ces 2 coefficients.

Fluide

Entrée axiale

A 4 4 0 1 T D

Sortie radiale

00234_A_F


8

Pour une roue donnée, ces valeurs µ et δ sont reliées par une courbe. Le rendement polytropique est également indiqué sur le graphe.

µ,ηp 0,75

η

0,6 0,5

µ

0,1

δ

0,04

3-

A 0 3 0 2 T D

PRESSION PRODUITE PAR LE COMPRESSEUR La pression produite par le compresseur peut être définie d’une part à partir de la roue avec µ et u 2 et d’autre part par le travail fourni au gaz. En écrivant que le travail polytropique reçu par le gaz est égal au travail fourni par la roue, soit : Wp =

Wp =

µ u22

kηp R T k – 1 M asp.

 k – 1   kηp  – 1 τ

on trouve :

 (k – 1) µ u 2 M  kηP τ =  kη RT 2 + 1 k – 1 P asp

00234_A_F

R = 8314 W p = J/kg T:K


9

Les courbes ci-après provenant de l’application de la formule précédente montrent la variation de τ en fonction de M, selon la vitesse de rotation et la valeur de k d'une part, selon la température et µ d'autre part.

3

3

s / m 0 5 3

k = 1,2 k = 1,4 Tasp = 20°C ηp = 0,8 µ = 0,6

u2 = 280 m/s k = 1,4

0 C C 2 0

2

ηp = 0,8 µ = 0,6 ηp = 0,6 µ = 0,6

°

/ s m 0 8 2

°

Tsuct = 20

2

m / s 2 0 0

2 0 C °

l

i a e u r a x

s C o m p r e s

1

10

20

30

40

M

1 50 10

20

30

40

M

ηp = 0,8 µ = 0,2

50

Compression d'air : k = 1,4 M = 29 ηp = 0,8, µ = 0,8, u 2 = 360 m/s Tref = 150°C, ason = 412 m/s

On constate sur ces graphiques la grande importance de la vitesse de rotation, de la masse molaire et de la valeur de µ sur le taux de compression. Par contre, la température d'aspiration, le rendement polytropique ou la valeur de k n'ont qu'une faible influence. On peut à partir de la formule de la page précédente et des applications ci-dessus en déduire le comportement d'un compresseur centrifuge lorsque celui-ci voit changer ses conditions de fonctionnement. On peut également estimer le nombre de roues nécessaires à la réalisation d'un taux de compression donné. Exemple de modification de la nature du gaz véhiculé dans le cas d'un compresseur à 3 roues, pour un débit volume aspiré constant Conditions initiales :

00234_A_F

u2 = 280 m/s M = 12

T asp = 20°C τ = 1,22 par roue soit 1,81 pour les 3 roues

k

T ref = 77°C

= 1,32


B 1 3 0 2 T D

10

Modification de la nature du gaz

M = 28 k = 1,4

T asp = 20

1. maintien de la vitesse

τ = 1,66 par roue d'où 4,57 pour les 3 roues d'où une température de refoulement de 231 C (inacceptable) 2. maintien du taux de compression

τ = 1,32

u2 = 200 m/s

T ref = 121°C Le débit volume aspiré restant approximativement le même, le débit masse varie comme la masse molaire et le travail comme l’échauffement. Cela montre que dans le cas du fonctionnement sous azote, en maintenant le taux de compression, le débit masse est multiplié par 2,3 (M passe de 12 à 28) et l’échauffement par 1,7 (T ref passe de 77 à 121°C) soit une augmentation de puissance de plus de 400 %. Cette puissance étant sans doute beaucoup trop élevée pour la machine motrice, il faudra pour revenir à une valeur acceptable réduire le débit masse en réduisant la pression d’aspiration. C’est la solution généralement retenue dans les installations industrielles où se pose ce problème de variation de masse molaire. Estimation du nombre de roues nécessaires pour réaliser un t aux de compression donné Compression d'air pour réaliser une pression de 9 bar rel. (taux de compression 10) dans un réseau d'air service.

τ de compression : 10 –

τ par étage si 2 étages = 3,16 Réalisable avec une vitesse périphérique de l’ordre de 390 m/s (vitesse proche de la vitesse sonique estimée à 420 m/s).

–

τ par étage si 3 étages = 2,15 Ce taux est réalisable avec des vitesses de l'ordre de 310 m/s

4-

LIMITES D’UTILISATION Dans tous les cas les constructeurs ont intérêt à minimiser le nombre de cellules de compression. Pour cela ils font fonctionner leurs machines aux limites des possibilités offertes. • Limites de température de refoulement

Elles sont généralement imposées par le comportement du gaz (problèmes de gommage, de décomposition, …) mais également par les températures limites de certains matériaux notamment les élastomères qui sont utilisés dans les joints d’étanchéité (toriques). La température de refoulement est souvent limitée par nécessité économique comparativement à une compression multiétagée. Les températures de refoulement dépassent rarement 150°C (jusqu’à 250°C pour des compresseurs axiaux) et sont souvent limitées à 100-105°C pour des raisons liées au gaz (compresseurs de vapocraqueur, compresseurs de froid, …).

00234_A_F


11

• Limites en vitesse de rotation Résistance mécanique des roues

La vitesse périphérique maximale (u 2 maxi) entraîne des contraintes dans le matériau constituant les roues, par l’action de la force centrifuge résultante : roues moulées : roues rivées : roues soudées : roues usinées ouvertes

u p maxi ≅ 250 m/s u p maxi ≅ 280 m/s u p maxi ≅ 350 m/s u p maxi ≅ 400 m/s

La vitesse périphérique conditionne la vitesse de rotation en fonction du diamètre des roues. Vitesse du son

La vitesse du gaz en tout point de l’écoulement dans la roue mais aussi dans le diffuseur, doit rester inférieure à la vitesse sonique car plus la vitesse du gaz se rapproche de celle du son, plus le rendement baisse jusqu’à la limitation du débit (blocage sonique). Pour simplifier on peut dire que la condition à respecter est que la vitesse périphérique de la roue reste inférieure à la vitesse du son dans les conditions existantes en ce point. Dans certaines applications où il faut générer une forte énergie, les constructeurs conçoivent des machines avec des formes de roue et d’aubages appropriées où la vitesse de la roue peut être supersonique bien que le gaz soit toujours en vitesse subsonique. Cette conception limite cependant la souplesse d’utilisation de la machine notamment avec une vitesse constante et une plage de débit relativement réduite. La vitesse du son dans un gaz (a) est donnée par la formule : a=

H2 méthane propane Forane R22

√ R k T M

a ≅ 1200 m/s (20°C) a ≅ 430 m/s (20°C) a ≅ 240 m/s (20°C) a ≅ 180 m/s (20°C)

a en m/s k coefficient de compression isentropique R = 8314 en unité SI T en K M en kg/kmole air à 30°C air à 100°C air à 150°C

a ≅ 345 m/s a ≅ 385 m/s a ≅ 410 m/s

Les vitesses de rotation des compresseurs centrifuges mono arbre et multicellulaires s’étagent de 5000 à 12000 tr/min. Les machines équipées d’arbre à 1 roue tournent souvent à des vitesses pouvant atteindre 30000 ou 40000 tr/min. L’augmentation de pression que doit réaliser le compresseur exige très souvent une conception de machine à plusieurs roues. Le constructeur profite aussi de l’échauffement du gaz lors de la compression pour atteindre des vitesses périphériques élevées. Ainsi sur un compresseur d’air on peut atteindre des vitesses périphériques de 360 à 370 m/s sans dépasser la vitesse du son car la température est alors de l’ordre de 120 à 130°C. On atteint ainsi des taux de compression de l’ordre de 2,7 à 2,8 ce qui permet en 2 étages et avec des roues ouvertes, de donner de l’air à 6 ou 7 bars.

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12

5-

COURBE DU COMPRESSEUR • Représentation des courbes

À partir des coefficients de hauteur et de débit ( µ et δ) et du rendement ( ηp ) du compresseur, pour des conditions données de nature de gaz et de température d’aspiration, il est possible de tracer la courbe caractéristique pour une vitesse donnée. Les constructeurs expriment la caractéristique d’énergie en fonction du débit de leurs machines de différentes manières.

WP

Courbes indépendantes de M, T, k

P

M

T

τ

Toutes les courbes tracées pour une même vitesse N1 mais avec variation de M, T

N1 N2

N3

A 9 5 0 1 T

0 Qv

A 0 6 0 1 T D

D

1

Travail en fonction du débit volume

La courbe est indépendante de P asp, Tasp, k. Elle ne dépend que de la vitesse de rotation.

Taux de compression en fonction du débit de volume

La courbe dépend de P asp, T asp , k pour une vitesse donnée. Lorsque la masse molaire augmente lorsque la température d’aspiration ou k diminuent le taux de compression.

τ

τ

P

P N1

M

T à N1

A 1 6 0 1 T D

0

A 2 6 0 1 T D

1

Qm

Qm

Travail en fonction du débit masse

Taux de compression en fonction du débit masse

La courbe à vitesse donnée se déplace horizontalement lorsque M, P ou T changent

La courbe à vitesse constante se déplace simultanément en Q m et τ lorsque M, P, k ou T changent

00234_A_F


13

• Limitations des courbes

La courbe caractéristique énergie-débit a une forme en cloche dont seule la partie à droite du sommet est en pratique exploitable. À gauche des phénomènes excessivement dangereux pour la machine (pompage) se produisent. Cette zone est automatiquement interdite à l’exploitation (système antipompage). La machine est conçue avec une résistance mécanique telle que la vitesse ne peut dépasser une vitesse limite. Des problèmes vibratoires peuvent se produire lorsque la vitesse s’approche de la vitesse critique. On limite donc également l’utilisation normale du compresseur à une vitesse minimale. Enfin lorsque le débit devient trop important par rapport au débit nominal, l’écoulement devient très perturbé avec turbulences ou blocages soniques. Le débit est alors plafonné. WP

V i t e

s s e

V i t e

m a x i m

s s

e n

o m

a l e

i n a l e

e

g a

p

m

o

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V i te s

s e

d

e t

m i n

e g

i .

i

h a c r u

S

m

i

L

A 6 4 0 1 T D

Qv

Dans certaines applications la courbe caractéristique est limitée par la puissance de la machine d’entraînement. Si c’est le cas, la limite correspond à peu près à une limite de débit haut.

6-

PUISSANCE Il est indispensable de connaître la puissance demandée par le compresseur pour sélectionner le moteur d’entraînement ou à partir d’un moteur donné pour connaître la limite d’utilisation du compresseur.

Pm

Machine d'entrainement

Pa

Multiplicateur

Pertes ≅ 3% 00234_A_F

Pi

Palier

Palier butée Pertes ≅ 1 à 2%


A 7 4 0 1 T D

14

La puissance indiquée, celle nécessaire pour assurer la compression du gaz, s’exprime par : k ∆T k ∆T Pi = 2,31 k – 1 M Qm = 0,0278 k – 1 Pasp T Qv asp asp avec Qm en t/h Qvasp en m3 /h P en bar T en K Pi en kW La puissance absorbée par le compresseur doit aussi prendre en compte les pertes mécaniques qui se produisent principalement dans les paliers, la butée et l’accouplement. On les estime à 1 ou 2 % de la puissance indiquée. La puissance de la machine d’entraînement doit en plus intégrer les pertes dans le multiplicateur, s’il y en a un, que l’on peut évaluer à 2 ou 3 % de la puissance transmise. • Courbe de puissance

Les constructeurs donnent souvent la caractéristique de puissance de la machine. Comme à vitesse fixe elle dépend du débit, de l’augmentation de température dans la machine (donc du taux de compression, du rendement polytropique et de k) et des conditions d’aspiration (température et pression) celle-ci ne peut être tracée que pour des conditions bien déterminées. Dans ces conditions, et en règle générale, la puissance augmente avec le débit mais il se peut que ne soit pas vrai pour les débits très élevés. Pa

à N1 > N à N Pour k, T asp, Pasp donnée

Qv

A 8 4 0 1 T D

Lorsque la vitesse augmente, pour des conditions d’aspiration similaires et à débit constant, la puissance augmente. Pour un débit aspiré donné, la puissance est : - proportionnell e : • à la pression d’aspiration • à l’échauffement du gaz (donc du taux de compression, de k et du rendement) - inversement proportionnelle à la température d’aspiration (cependant la variation de la température est en général très faible)

00234_A_F


15

-

fonction de k, par

k qui augmente rapidement quand k diminue k–1

 k = 3,5 pour k = 1,4 ,  k – 1

k k = 4,3 pour k = 1,3 , = 6 pour k = 1,2  k–1 k–1

et par la température de refoulement qui diminue réduisant le k rapport augmente. k–1

∆t un peu plus vite que le

La puissance va au total diminuer légèrement. Il est pratiquement possible de considérer k comme presque négligeable.

III - ADAPTATION DU COMPRESSEUR AU CIRCUIT PROCÉDÉ 1-

LES CIRCUITS Le circuit dans lequel se trouve le compresseur lui impose les pressions d’aspiration et de refoulement donc son taux de compression. On trouve dans les circuits de compresseurs 2 types principaux de circuits : -

des circuits de recycle dont le taux de compression n’est constitué que de pertes de charge et pour lesquels à débit nul si cela était possible aucune énergie ne serait nécessaire

-

des circuits de transfert où la perte de charge dans les lignes est négligeable au regard de l’énergie nécessaire pour passer des conditions amont aux conditions aval notamment par l’écart important de pressions

Énergie τ =

P2 P1 Circui t d e t rans fer t

P3 P0

e l

y c c

e t d

e r

i

c u

C i r

1

P0

P1

0

P2

Débit P3

P1

P2

F 8 9 6 T D

Circuit de transfert

00234_A_F

Circuit de recycle


16

2-

POINT DE FONCTIONNEMENT • Point de fonctionnement exprimé en énergie (J/kg)

On peut représenter les courbes du compresseur et du circuit dans un graphique énergie-débit volume. Dans ce cas les courbes du compresseur ne sont fonction que de la vitesse mais en contre partie les courbes de circuit dépendent de la nature du gaz et des conditions d’aspiration. Par exemple, un allégement du gaz tend à augmenter le travail requis par le circuit. Allégement du gaz sur le circuit recycle

Wp

Allégement du gaz sur le circuit transfert

Circuit t ransfert

i t c u C i r

Courbe du compresseur à vitesse constante

l e y c

c r e

QV

G 8 9 6 T D

Débit initial pour les deux circuits

Débit gaz allégé en transfert Débit gaz allégé en recycle

• Point de fonctionnement exprimé en taux de compression

Exprimé en taux de compression, l’énergie requise par le circuit est indépendante de la nature du gaz (sauf de la viscosité) ou des conditions d’aspiration. Lorsque les conditions d’aspiration ou la nature du gaz changent, les courbes du compresseur sont modifiées alors que celles du circuit ne changent pas. Par exemple, un allégement du gaz tend à réduire le taux de compression que peut fournir le compresseur.

τ

Vitesse de rotation N constante

Trans fer t

M1 M2 < M1

l e

y c

1

c R e

Qvasp 00234_A_F

C 6 4 0 1 T D


17

IV - EXPLOITATION DU COMPRESSEUR Exploiter un compresseur c’est le démarrer, l’arrêter, lui faire assurer le débit souhaité (variable car dépendant de la charge de l’unité), dans les conditions qui lui sont imposées (variables elles aussi) en évitant les conditions de marche où des risques d’arrêt ou de casse peuvent exister (pompage, survitesse, vitesse critique, surpuissance). Par leur importance ces machines sont équipées de systèmes de régulation (vitesse, pression d’aspiration, anti pompage, …) adaptés, mais également de protection en cas de dépassement de certains seuils (température haute, vibrations, …).

1-

RÉGULATION DU DÉBIT L’exploitant doit produire un débit masse. La machine voit passer un débit volume. On peut toujours recycler le gaz en trop par une ligne de retour vers l’unité amont mais compte tenu des grandes puissances généralement mises en œuvre avec les compresseurs centrifuges, on recherche à minimiser la consommation spécifique. P Consommation spécifique = Qa m Pour contrôler le débit masse, on peut soit agir sur la pression d’aspiration pour modifier la masse volumique, soit sur le débit de la machine. • Action sur la vanne d’aspiration

Cette solution permet de réduire le débit volume aspiré mais aussi de diminuer la pression d’aspiration, donc de réduire le débit masse. En contre partie elle augmente le taux de compression que doit assurer la machine. La température de refoulement risque d’être le facteur limitatif de cette solution d’autant plus si la température de refoulement est élevée en marche normale. La puissance, proportionnelle à l’augmentation de température, ne diminue donc pas autant que le débit masse. La consommation spécifique augmente au moins comme l’augmentation de température.

Wp

Fermeture de la vanne f e r t T r a n s

e y c l

c R e

Qv

0 Réduction de débit 00234_A_F


A 9 4 0 1 T D

18

• Action sur la vitesse de rotation

C’est la solution la plus intéressante sur le plan énergétique. Seule la modification du rendement modifie la consommation spécifique. La plage de débit dans le cas d’un circuit de recycle se fait avec une grande variation de vitesse. C’est la limitation de la vitesse de rotation du compresseur qui limite la plage de débit. Dans le cas d’un compresseur de transfert, la plage de débit est décrite avec une faible variation de vitesse. Wp ou

τ Circuit de transfert

e t d i u i r c c e C y l c e r Plages

Qv

A 0 5 0 1 T D

de débit

Un exemple de régulation de la pression d’aspiration par variation de vitesse est donné ci-dessous.

PT

PRC

P1 < P0

SC

Turbine

Compresseur

CHARGE

Soutirage de fond

Vapeur d’admission

A 5 8 0 2 D C P D

Si le débit de charge augmente, la pression dans la colonne tend à augmenter, ce qui a pour effet d’accélérer la machine jusqu’à ce que le débit véhiculé par le compresseur équilibre le débit gazeux apporté par la charge. En cas de vitesse maximale de la turbine, l’augmentation de la pression permet une augmentation du débit masse dans la limite admissible de la pression dans les équipements amont. 00234_A_F


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• Action sur des ailettes du pré-rotation (prerotary, aubages directeurs mobiles)

Modifier l’angle d’entrée du gaz dans la roue permet de modifier la courbe caractéristique de la cellule de compression en conservant pratiquement le même rendement. Cette solution permet d’avoir un moteur d’entraînement à vitesse constante et d’élargir la plage de débit. L’effet des ailettes orientables ne se fait sentir que sur la roue associée, ce qui limite l’intérêt pour les compresseurs multicellulaires à moins de placer des ailettes devant chaque roue, solution excessivement onéreuse que l’on ne rencontre que pour des compresseurs axiaux. Par contre, sur les soufflantes et ventilateurs “monoroue” cette solution est très utilisée. Wp

Commande de la position des ailettes

Roue

Ailettes

Modification de l'orientation des aillettes

A 2 5 0 1 T D

C 5 7 6 T D

Qv

2-

POMPAGE ET ANTI-POMPAGE • Phénomène du pompage

Lorsque le débit qui passe dans le compresseur est trop faible, inférieur au débit correspondant au sommet de la courbe caractéristique, le point de fonctionnement ne peut pas se stabiliser à la valeur du débit imposé par le procédé. Il se produit alors une fluctuation de pression d’autant plus importante que la pression d’aspiration est élevée et que le taux de compression est grand et une fluctuation de débit pouvant même conduire à une inversion de l’écoulement dans la machine ou une partie de la machine. Ces fluctuations qui se produisent à une fréquence de l’ordre du Hertz génèrent des efforts internes considérables qui sont difficilement encaissés par la butée ou les paliers. La répétition du pompage est souvent fatale pour la butée.

τ C Fluctuation de τ

τM

M

Vanne aspiration

A

F

D

Vanne anti retour V

B

Consigne de débit

QM

Débit

Fluctuation de d ébit

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A 3 5 0 1 T D

20

On considère qu’à fixer une consigne de débit en zone de pompage, les fluctuations de débit et de pression s’établissent entre les points extrêmes C et D pour le débit, B et M pour la pression. • L’anti-pompage

Il consiste à faire passer un débit minimum dans le compresseur en recyclant vers l’amont le surplus de gaz par rapport au débit du procédé. La régulation anti-pompage permet de réguler le débit de recyclage au moyen d’une vanne (VAP) qui doit s’ouvrir ni trop tard (pompage) ni trop tôt (pertes énergétiques). Les équipements de la boucle doivent être spécifiques pour avoir une réponse rapide et précise. Dans la plupart des applications, les protections anti-pompage utilisées se traduisent dans un graphe en taux/débit volume par une courbe parabolique dont l’origine est 0 ou 1. Cette courbe partage le graphe à droite la zone où la vanne anti-pompage est fermée et à gauche où la vanne s’ouvre en fonction du débit à recycler. Qr VAP

CHARGE QP

A 4 5 0 1 T D

Qc QP = Débit opératoire Qc = Débit du compressseur Qr = Débit recyclé

Un exemple de système anti-pompage est fourni ci-dessous.

∆Po

P1

P2

∆Pc

Adjust

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x

xic


A 3 8 0 2 D C P D

21

2 Différence de pression sur la plaque ∆P o = a . Qv . ρ1 P M

ρ1 = 12 T1 1

avec

a : constante liée à la plaque b : constante P M

2

∆Po = Qv1 . b . T1 1

d’où

Le régulateur XIC compare la mesure ∆Pc à x ∆Po, d’où : 2 P M

∆Pc = (τ – 1) P1 = K Qv1 T1 1

P M

2

τ = K T1 Qv1 + 1 1

→

K (constante intégrant x, a, b) Cette équation représente la courbe anti-pompage. Celle-ci peut être positionnée en modifiant K donc x dans l’équation. Dans certains calculateurs de conduite K est assujetti à des paramètres de fonctionnement, tels que conditions d’aspiration, vitesse de rotation, etc. τ

M ou P ou T 2

Courbe de pompage pour M2 Courbe de pompage pour M1

1

Parabole antipompage

1

Courbe à vitesse N1 M1

2

Courbe à vitesse N1 M2 > M 1

3

Courbe à vitesse N2 N2 > N 1 ; M1

M T1 2

1

Déplacement de la courbe en modifiant x

3

Qv1 1

A 1 5 0 1 T D

Lorsqu’on a une variation de la vitesse de rotation, on peut considérer qu’à proximité des conditions normales de fonctionnement, la courbe A.P. suit à peu près la courbe de pompage. La protection se conserve alors de façon souvent acceptable (sauf sur les basses vitesses) ; courbes compresseurs ➀ et ➂ courbe d’anti-pompage ➀. Lorsque la masse molaire varie, par exemple augmente, la courbe du compresseur se déplace verticalement de ➀ à ➁ ; donc le point de pompage se produit au même débit mais à un τ supérieur, alors que la courbe pompage se redresse légèrement de ➀ à ➁. Un comportement similaire se produit si la température d’aspiration diminue. Par contre lorsque la pression d’aspiration change, la courbe du compresseur ne change pas alors que la protection se relève et tend donc à moins protéger la machine.

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3-

DÉMARRAGE Sous l’angle du comportement aérodynamique et de l’écoulement du gaz (en dehors des aspects mécaniques) la phase de démarrage ne présente pas de réelles difficultés. Le démarrage étant progressif, et dans le cas où il n’y a pas de pression statique entre aspiration et refoulement (recycle), le débit augmente avec la montée en vitesse. Sur les très basses vitesses (inférieure à la vitesse critique) la régulation anti-pompage ne protège pas toujours. Dans ce cas la vanne anti-pompage est complètement ouverte lors du démarrage puis la régulation anti-pompage est mise en service dès qu’une vitesse minimale est atteinte.

τ e g

a

Zone avec pompage

p

m

o

P

Circuit de recyclage AP fermé

Circuit avec AP ouvert

B 5 5 0 1 T D

Qv

Dans le cas où il existe une différentielle de pression entre aspiration et refoulement, il est indispensable de démarrer en recyclant la totalité du débit. Bien qu’en principe la régulation antipompage maintienne alors la vanne ouverte, un système complémentaire bloque la vanne ouverte tant qu’une certaine vitesse ou pression n’est pas atteinte.

τ Pt de fonctionnement

Qv 1 00234_A_F


A 5 5 0 1 T D

005 Fonctionnement Cc

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