Initiation aux Compresseurs centrifuges 20/10/2008

un compresseur pour quoi faire ? un compresseur pour quoi faire ? Domaine d’application Domaine d’application Point de vue aérodynamique Point de vue aérodynamique Hauteur, rendement Hauteur, rendement Point de vue mécanique Point de vue mécanique Éléments de machine, dynamique Éléments de machine, dynamique

1 – Pour quoi faire ?

Extraction : Extraction : Injection / gas lift Injection / gas lift

Transport : Transport : Station de recompression sur gazoduc Station de recompression sur gazoduc

Raffinage : Raffinage : Craquage, hydro craquage Craquage, hydro craquage Soufflante d’air Soufflante d’air

Point de départ du dimensionnement Données clients : Données clients : Composition du gas Composition du gas Définition des matériaux, type de carter, refroidissement intermédiaire Définition des matériaux, type de carter, refroidissement intermédiaire Pression d’aspiration & de refoulement Pression d’aspiration & de refoulement Définition de la « vane gas », géométrie des passages de gaz, nombre d’étage Définition de la « vane gas », géométrie des passages de gaz, nombre d’étage Température d’aspiration Température d’aspiration Définition des refroidissement intermédiaire, choix des matériaux Définition des refroidissement intermédiaire, choix des matériaux Objectif : Objectif : Fournir un compresseur répondant au besoin du client, au meilleur prix Fournir un compresseur répondant au besoin du client, au meilleur prix 2 aspects pour le dimensionnement : 2 aspects pour le dimensionnement : L’aérodynamique L’aérodynamique La mécanique / dynamique La mécanique / dynamique

Un étage de compression

2 – Aérodynamique des machines Hauteur et rendement

Triangle des vitesses et rendement

C1, vitesse absolue du fluide U1, vitesse d’entraînement W1, vitesse relative U2 W2 C2 H auteur = U 2.C U2 - U 1.C U1 C = U + W C U est la composante radiale de la vitesse du gaz

Un étage de compression Pression total -Pression statique

C1, vitesse absolue du fluide U1, vitesse d’entraînement W1, vitesse relative Triangle des vitesses et rendement Adaptation de l’angles des aubes Adaptation de l’angles des aubes à la vitesse à la vitesse au débit au débit

C1, vitesse absolue du fluide U1, vitesse d’entraînement W1, vitesse relative Triangle des vitesses et rendement Augmentation du débit Augmentation du débit C 1 augmente C 1 augmente W 1 augmente W 1 augmente

C1, vitesse absolue du fluide U1, vitesse d’entraînement W1, vitesse relative Triangle des vitesses et rendement Adaptation de l’angles des aubes Adaptation de l’angles des aubes à la vitesse à la vitesse au débit au débit

C1, vitesse absolue du fluide U1, vitesse d’entraînement W1, vitesse relative Triangle des vitesses et rendement Augmentation de la vitesse Augmentation de la vitesse U 1 augmente U 1 augmente W 1 augmente W 1 augmente

C1, vitesse absolue du fluide U1, vitesse d’entraînement W1, vitesse relative Triangle des vitesses et rendement Superposition des 3 cas Superposition des 3 cas

W1, vitesse relative Triangle des vitesses et rendement Superposition des 3 cas Superposition des 3 cas i, Angle d’incidence L’angle d’incidence du fluide modifie de rendement L’angle d’incidence du fluide modifie de rendement

Le rendement est fonction de : Les angles d’incidences du fluide sur les aubes Les angles d’incidences du fluide sur les aubes Les recirculations inter étage Les recirculations inter étage L’état de surface des pièces (pertes par frottements) L’état de surface des pièces (pertes par frottements) La hauteur est fonction de : Les angles des aubes Les angles des aubes La vitesse du compresseur La vitesse du compresseur

Courbe de performance d’un étage Rendement Hauteur Etablie à partir de : CFD (calcul numérique) CFD (calcul numérique) Données d’essais Données d’essais

Courbe de performance d’un compresseur (Débit, kg/r) (Pression, bar) Ligne de pompage Ligne de protection anti- pompage Ligne de débit maxi Données d’entrées : Compresseur back to back 3-5 Compresseur back to back 3-5 Aspiration 7 bar, kg/h, 20°C Aspiration 7 bar, kg/h, 20°C

3 – Les éléments de machines Mécanique et dynamique

Système d ’étanchéité à gaz Un fin film de gaz entre deux faces, l’une fixe l’autre tournante, assure l’étanchéité Fuite du gaz mais maîtrisée Configuration simple, double ou triple Remplace depuis début 90 les étanchéités à huile Etanchéité jusqu’à 400 bar de pression Systèmes d’étanchéités du gas process : les gas seal

Systèmes d’étanchéités du gas process : les gas seal

Injection primaire (gaz process) (ex : P = 41barg) Évent primaire (gaz process + gaz neutre) (ex : P = 2 barg) Coté Compresseur (ex : P=40 barg) Coté palier (ex :P = atm) Injection secondaire (gaz neutre) (Ex : P = 2.5 barg ) Évent secondaire (gaz neutre) (ex : P = atm) Injection tertiaire (gaz neutre) (ex : P = 0,5 barg) Parties statiques Parties tournantes Systèmes d’étanchéités du gas process : les gas seal

Systèmes d’étanchéités du gas process : les gas seal

Les paliers

Les paliers Les paliers hydrodynamiques à patins oscillants guident l’arbre en rotation injection d’huile pressurisée dans les patins pour favoriser le comportement dynamique du compresseur

La butée

Introduction à la dynamique Le rotor est un système dynamique Le rotor est un système dynamique Se modélise suivant un système masse/ressort + amortissement Se modélise suivant un système masse/ressort + amortissement Il a ses fréquences propres Il a ses fréquences propres M K1K2 C1 C2 Dès la conception, Dès la conception, Il faut prédire les vitesses critiques Il faut prédire les vitesses critiques Il faut les chasser de la plage de vitesse de la machine Il faut les chasser de la plage de vitesse de la machine Modélisation d’un palier : raideur + amortissement

Équilibrage du rotor K1K2 C1 C2 Le rotor n’est jamais parfaitement équilibré Un balourd résiduel va exciter les fréquences propres du système La position du balourd détermine la fréquence exciter La position de la critique est fonction de la géométrie du rotor et des caractéristiques des paliers Distance entre palier, diamètre d’arbre, masse des éléments rapportés (roue, piston)

Mesure des vibrations K1K2 C1 C2 Le balourd résiduel va créer des vibrations On mesure les vibrations au niveau des paliers à l’aide de sondes Les vibration sont surveillées en permanence en fonctionnement

Plage de vitesse 1 ère vitesse critique 2 nde vitesse critique Vitesse (RPM) Vibration (µm)

Conclusion Le compresseur est une machine complexe Le compresseur est une machine complexe La conception est un compromis entre exigences mécaniques et l’aérodynamiques. La conception est un compromis entre exigences mécaniques et l’aérodynamiques. Nécessite de nombreux auxiliaires : console d’huile, panneau d’injection gas seal Nécessite de nombreux auxiliaires : console d’huile, panneau d’injection gas seal

Des questions ?

Exemple de relevés de vibrations