Les Compresseurs [PDF]

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LES ÉQUIPEMENTS LES COMPRESSEURS

MANUEL DE FORMATION COURS EXP-PR-EQ130 Révision 0.3

Exploration et Production Les Équipements Les Compresseurs

LES ÉQUIPEMENTS LES COMPRESSEURS SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .....................................................................................................................4 2. LES FONCTIONS DES COMPRESSEURS ....................................................................5 2.1. INTRODUCTION.......................................................................................................5 2.2. LES CATEGORIES PRINCIPALES ..........................................................................6 2.3. LES DIFFERENTES APPLICATIONS.......................................................................9 2.4. EXERCICES ...........................................................................................................10 3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS .....................................11 3.1. LES COMPRESSEURS VOLUMETRIQUES ALTERNATIFS .................................11 3.1.1. Compresseur à piston .....................................................................................11 3.1.2. Compresseur a membrane..............................................................................14 3.2. LES COMPRESSEURS VOLUMETRIQUES ROTATIFS .......................................15 3.2.1. Le compresseur à palettes ..............................................................................15 3.2.2. Le compresseur à vis ......................................................................................16 3.2.3. Compresseur à lobes (Roots)..........................................................................17 3.3. LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES ...............................................................19 3.4. LES COMPRESSEURS DYNAMIQUES AXIAUX ...................................................21 3.5. EXERCICES ...........................................................................................................22 4. LES DIFFERENTS TYPES DE COMPRESSEURS.......................................................24 4.1. LES COMPRESSEURS VOLUMÉTRIQUES ALTERNATIFS .................................24 4.1.1. La partie gaz....................................................................................................24 4.1.1.1. Les pistons .................................................................................................25 4.1.1.2. Les soupapes (souvent appelées clapets) .................................................25 4.1.2. La partie mouvement.......................................................................................26 4.1.3. Etancheite de la partie « gaz » ........................................................................28 4.1.3.1. Etanchéité entre le piston et le cylindre......................................................28 4.1.3.2. Etanchéité entre la tige de piston et la partie « mouvement »....................29 4.2. LES COMPRESSEURS VOLUMETRIQUES ROTATIFS .......................................30 4.2.1. Le compresseur à palettes ..............................................................................30 4.2.2. Le compresseur à vis ......................................................................................30 4.2.2.1. Compresseur à vis lubrifié..........................................................................31 4.2.2.2. Compresseur à vis non lubrifié...................................................................32 4.3. LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES ...............................................................33 4.3.1. Rotor et corps de compresseur .......................................................................34 4.3.1.1. Généralités.................................................................................................34 4.3.1.2. Conception des stators ..............................................................................35 4.3.1.3. .Le rotor......................................................................................................37 4.3.1.4. Les roues centrifuges.................................................................................38 4.3.2. Le système d’étanchéité à huile ......................................................................39 4.3.3. Le système d’étanchéité à gas ........................................................................42 4.4. LES COMPRESSEURS DYNAMIQUES AXIAUX ...................................................43 4.5. LES TURBO-EXPANDEURS ..................................................................................45 Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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4.6. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES DIFFERENTS YPES ............................48 4.7. EXERCICES ...........................................................................................................49 5. REPRESENTATION ET DONNEES DES COMPRESSEURS ......................................51 5.1. PLAN DE CIRCULATION DES FLUIDES (PCF / PFD)...........................................52 5.2. PIPING & INSTRUMENTATION DIAGRAM (PID) ..................................................55 6. LES COMPRESSEURS ET LE PROCESS ...................................................................57 6.1. LOCALISATION ET CRITICITE ..............................................................................57 7. LES AUXILIAIRES .........................................................................................................58 7.1. LES AUXILIAIRES DU COMPRESSEUR ALTERNATIF ........................................58 7.1.1. Le refroidissement ...........................................................................................59 7.1.2. La lubrification .................................................................................................60 7.1.3. Les alarmes et sécurités..................................................................................60 7.2. LES AUXILIAIRES DES COMPRESSEURS VOLUMETRIQUES ROTATIFS ........61 7.2.1. Le compresseur à palettes ..............................................................................61 7.3. LES AUXILIAIRES DU COMPRESSEUR CENTRIFUGE .......................................62 7.3.1. La lubrification .................................................................................................63 7.4. EXERCICES ...........................................................................................................65 8. PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT .....................................................................66 8.1. ANTI POMPAGE OU ANTI SURGE........................................................................66 8.2. EXERCICES ...........................................................................................................68 9. CONDUITE DES COMPRESSEURS ............................................................................69 9.1. DEMARRAGE D’UN COMPRESSEUR ALTERNATIF............................................69 9.1.1. Préparation des auxiliaires ..............................................................................69 9.1.2. Préparation du compresseur ...........................................................................70 9.1.3. Démarrage du compresseur............................................................................70 9.2. DEMARRAGE D’UN COMPRESSEUR CENTRIFUGE ..........................................71 9.2.1. Préparation......................................................................................................71 9.2.2. Mise en marche du compresseur ....................................................................72 9.2.3. Contrôle en marche .........................................................................................72 9.2.4. Surveillance en marche ...................................................................................73 9.3. MAINTENANCE 1er DEGRE ...................................................................................74 9.4. EXERCICES ...........................................................................................................75 10. TROUBLESHOOTING (Dépannage) ...........................................................................76 10.1. CAUSES POSSIBLES DE MAUVAIS FONCTIONNEMENT.................................76 11. GLOSSAIRE ................................................................................................................83 12. SOMMAIRE DES FIGURES ........................................................................................84 13. SOMMAIRE DES TABLES ..........................................................................................86 14. CORRIGÉ DES EXERCICES ......................................................................................87

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1. OBJECTIFS Le but de ce cours est de permettre une meilleure compréhension des COMPRESSEURS et de leurs principaux auxiliaires. Un cours spécifique « process » aborde le principe de la compression et permet avec ce cours « équipement » d’avoir une vue générale sur le sujet.

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2. LES FONCTIONS DES COMPRESSEURS 2.1. INTRODUCTION Les compresseurs sont des équipements mécaniques permettant d’élever la pression d’un GAZ. Les applications des compresseurs sont très diversifiées.

Figure 1: Exemple d’un compresseur d’air à vis

La liste ci-après donne des exemples d'utilisation de ces machines: fabrication d'air comprimé (air instrumentation, nettoyage de pièces, peinture...) ; compression et déplacement des gaz procédés ; transport des matières pulvérulentes (transports « pneumatiques » des poudres) ; réalisation de vide et de dépression (distillation, cristallisation sous vide, évaporation...) ; assainissement des locaux (ventilation, climatisation...) ; brassage de bassins de fermentation.

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2.2. LES CATEGORIES PRINCIPALES On peut diviser les compresseurs en quatres catégories principales, qui seront détaillées dans les chapitres suivants: Alternatif ou reciprocating (volumétrique) Rotatif (volumétrique) Centrifuge Axial-flow

Figure 2: Les catégories principales de compresseur

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Figure 3: Compresseur alternatif

Figure 4: Compresseur rotatif à vis

Figure 5: Compresseur centrifuge

Figure 6: Compresseur axial

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Compresseurs volumétriques

Compresseurs dynamiques

Type de compresseur Alternatifs

Bien adaptés aux petits débits

Avantages

Peuvent véhiculer du gaz à toutes les pressions Relativement souple à exploiter

Rotatifs

Peuvent véhiculer du gaz dans une large plage de débit

Inconvénients

Avoir une machine en secours

Axiaux

Bien adaptés aux moyens et grands débits de gaz

Très bon rendement

Relativement souple à exploiter

Bien adaptés aux très grands débits et aux pressions modérées

Excellente fiabilité

Excellente fiabilité

Débit régulier Fiabilité satisfaisante Débit plus régulier que les compresseurs alternatifs

Débit pulsé Fiabilité moyenne au niveau des soupapes

Centrifuges

Pas adapté aux faibles débits Pas appliqué aux hautes pressions (maxi 50 Bars)

Pompage à faible débit rend l’exploitation délicate

Rotors de grande taille, délicats à construire et coûteux

Prix élevé

Table 1: Avantages et inconvénients des différents types de compresseurs

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2.3. LES DIFFERENTES APPLICATIONS Le choix d’un compresseur alternatif ou centrifuge sera tributaire des debits et pressions que l’on souhaite obtenir. D’autres paramètres seront à prendre en compte pour le choix final (taille, poids, prix, etc…).

Figure 7: Plages d’application des différents types de compresseurs

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2.4. EXERCICES 1. Le compresseur centrifuge est-il un compressuer dynamique ? ‰ Oui ‰ Non 2. Citez les deux grandes familles de compresseurs ?

3. Les compreseurs volumetriques rotatif sont-ils adaptés à la haute pression ? ‰ Oui ‰ Non 4. Citez 3 avantages des compresseurs alternatifs

5. Les compresseurs alternatifs sont-ils des compresseurs volumétriques ou dynamiques ? ‰ Volumétrique ‰ Dynamique

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3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS 3.1. LES COMPRESSEURS VOLUMETRIQUES ALTERNATIFS 3.1.1. Compresseur à piston Les compresseurs à mouvement alternatif sont constitués de 1 ou plusieurs pistons qui se déplacent dans un cylindre. En déplacant le piston, un volume de gaz est aspiré, coté opposé au déplacement du piston Les compresseurs à mouvement alternatif sont largement utilisés dans la petrochimie où les debits de gaz sont faibles à moyens et les taux de compression élevés Un exemple typique du principe alternatif est la pompe à vélo. Le corps de la pompe est appelé CYLINDRE La partie en mouvement à l’intérieure du cylindre est appelée PISTON

Figure 8 : Exemple d'une pompe à vélo

Lorsque le mouvement du piston est initié vers le bas, l'air contenu dans le cylindre est expulsé du cylindre, par le flexible reliant la pompe au vélo. La pression de l’air dans le pneu augmente tant que l’opération est répétée. Lorsque le piston se déplace vers le haut un nouveau volume d'air est entraîné dans le cylindre. Si le piston comprime le gaz seulement sur une course (mouvement aller) alors on dit que le compresseur est à simple effet. Si le piston comprime le gaz sur les deux courses (aller et retour) on dit que le compresseur est à double effet.

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Dans un compresseur alternatif à pistons, la compression est réalisée dans un ou plusieurs cylindres Dans chacun des cylindres se déplace un piston selon un mouvement alternatif transmis par le vilebrequin et par la tige de piston depuis la partie mouvement. Le piston délimite dans le cylindre deux chambres (ou effets) dont le volume varie lors du déplacement du piston.

Figure 9: Coupe d'un cylindre à double effet L'aspiration et le refoulement du gaz dans chacun des effets sont contrôlés respectivement par des soupapes ou clapets d'aspiration et de refoulement. L’ouverture de ces soupapes est réalisée par la différence de pression qui règne de chaque côté de la soupape considérée. Selon la taille du cylindre on trouve par effet de 1 à 4 soupapes d'aspiration et autant de soupapes de refoulement.

Figure 10: Exemple de soupapes

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Figure 11 : Schéma de principe d’un piston à double effet

Figure 12: Compresseur à double effet

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3.1.2. Compresseur a membrane C'est la déformation élastique d'une membrane qui assure l'aspiration et la compression du gaz. Un système hydraulique permet d'assurer la flexion de la membrane : un piston se déplace dans le cylindre et agit sur le fluide hydraulique qui transmettra son mouvement oscillatoire à la membrane. Le rôle du plateau à trous est d'assurer une bonne répartition du fluide sous la membrane. Celle-ci est souvent constituée de trois disques métalliques : ce système a l'avantage de permettre la détection de la rupture de la membrane par une mesure de pression. La membrane assure une étanchéité statique côté gaz procédé. De ce fait, les compresseurs à membrane sont utilisés pour des gaz dangereux, nocifs et corrosifs. La membrane permet également de réaliser l'étanchéité vis à vis de la partie mécanique.

Figure 13: Compresseur à membrane

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3.2. LES COMPRESSEURS VOLUMETRIQUES ROTATIFS 3.2.1. Le compresseur à palettes Il est constitué d'un stator dans lequel tourne un rotor excentré. Ce dernier est muni de rainures dans lesquelles coulissent des palettes qui sont plaquées contre la paroi du stator par la force centrifuge Sous l'action de la force centrifuge, les palettes sont continuellement appliquées contre le cylindre. Le volume compris entre deux palettes est variable. Le gaz aspiré par augmentation progressive du volume est ensuite emprisonné entre deux palettes et transporté vers le refoulement. Dans cette zone refoulement, le volume diminue et le gaz comprimé s'échappe dans la tuyauterie de refoulement.

Figure 14: Compresseur à palettes

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3.2.2. Le compresseur à vis La partie mobile est composée de deux vis s’engrenant l'une dans l'autre. Ces deux vis tournent en sens contraire. Le passage du gaz s'effectue parallèlement aux axes des deux vis. La vis femelle comporte toujours un pas de plus que la vis mâle avec un profil différent. Figure 15: Vis male et femelle Le gaz est comprimé progressivement en traversant des capacités de plus en plus petites jusqu'à la tubulure de refoulement (les chambres sont formées par les parois du corps et les filets des deux vis).

Figure 16: Cycle de compression On peut dire qu'une cannelure joue le rôle d'un cylindre dont le volume est réduit progressivement par un lobe qui l'obstrue et remplit le rôle du piston. 1ère phase : Aspiration Côté tubulure d'aspiration, une cannelure se rempli de gaz tant qu'elle est en contact avec la lumière d'aspiration. Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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2ème phase : Compression Du fait de la rotation des rotors, la cannelure se trouve séparée de la lumière d'aspiration. Le gaz qui y est emprisonné est comprimé car le volume qui lui est offert est réduit par l'engrènement des lobes du rotor male avec le rotor femelle. 3ème phase : Refoulement La compression se termine lorsque la cannelure atteint le bord de la lumière de refoulement. Le gaz comprimé est alors refoulé régulièrement jusqu'à ce que la lumière de refoulement soit à nouveaux obstruée. Remarque : Pour assurer un débit de gaz continu au refoulement, le système est conçu de telle sorte qu’il y ait toujours 2 cannelures en contact avec la lumière d'aspiration et de refoulement. Une cannelure communique donc avec la lumière de refoulement avant que la précédente ne se soit complètement vidée et soit passée au-delà.

3.2.3. Compresseur à lobes (Roots) Ils comprennent deux rotors engrenés qui ont le profil d'un lobe. Ils sont logés dans un corps muni de deux orifices, un pour l'aspiration, l'autre pour le refoulement.

Figure 17: Lobes

L'engrenage des deux rotors est réalisé à l'aide d'un couple de pignons de synchronisation placé à l'extérieur de la machine. Le jeu entre les rotors peut varier de 0,1 à 1mm suivant le type de machine. Les arbres des rotors sont portés par des roulements placés à l'extérieur. L'étanchéité vers l'extérieur est assurée soit par des presses étoupes, soit par des garnitures mécaniques. Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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L'entraînement des deux rotors se fait en sens inverse l'un de l'autre.

Figure 18: Principe de fonctionnement du compresseur à lobes Le gaz est entraîné par la rotation des lobes de l'aspiration vers le refoulement, sans variations de volume au cours du passage de l'aspiration vers le refoulement.

Figure 19: Principe de fonctionnement du compresseur à lobes La rotation des rotors se faisant sans contact, il n'est pas nécessaire de les lubrifier et la compression est donc exempte d'impuretés. Caractéristiques générales débit : de 200 à 30 000 m3/h taux de compression usuel : de 1,2 à 1,8 vitesse de rotation courante : 1500 à 2000 tr/mn Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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3.3. LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES Ce sont des machines dans lesquelles l'échange d'énergie a lieu entre un rotor muni d'aubages tournant autour d'un axe et un fluide en écoulement permanent.

Figure 20: Compresseur centrifuge Un compresseur centrifuge est un dispositif de compression dynamique qui utilise la force centrifuge pour augmenter la pression du gaz d'un point à un autre. La photo montre une roue CENTAC (roue uverte). Généralement les roues sont fermées. Figure 21: Roue d'un compresseur centrifuge (1)

Figure 22: Roue d'un compresseur centrifuge (2) Le compresseur centrifuge est classifié comme dynamique par opposition à un déplacement positif (machine alternative). Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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Il est constitué par: une roue à aubes tournant autour de son axe un distributeur dans l'axe de la roue un collecteur de section croissante, en forme de spirale appelée volute. Le gaz arrive dans l'axe de l'appareil par le distributeur et ensuite la force centrifuge, générée par la rotation de la roue à aubes, le projette vers l'extérieur de la roue. Il acquiert une grande énergie cinétique qui se transforme en énergie de pression dans la volute où la section est croissante. A l'entrée et la sortie de chaque roue le gaz est guidé par des pièces du stator qui sont constitué de: Le canal d'entrée du gaz de la bride d'aspiration à l'entrée de la première roue ; Le diffuseur à la sortie de chaque roue. Dans le diffuseur se produit une augmentation de pression de gaz par ralentissement ; due à l’augmentation de section Le canal de retour qui guide le fluide a la sortie du diffuseur et l'amène à l'entrée de la roue suivante La volute d'évacuation du gaz vers la bride de refoulement

Figure 23: Diffuseur et volute

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3.4. LES COMPRESSEURS DYNAMIQUES AXIAUX Le gaz traverse le compresseur parallèlement à l’axe de la roue mobile. Le rotor aspire et accélère le gaz. Le gaz est alors ralenti dans le stator. Cette chute de vitesse provoque une augmentation de la pression du gaz.

Figure 24: Principe de la roue axiale

Figure 25: Roue axiale

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3.5. EXERCICES 6. L’entrée du gaz est-il au centre de la roue ou bien à l’extérieure de la roue ? ‰ Au centre ‰ A l’extérieure 7. La compression du gaz se fait ‰ A l’extérieure de la roue et dans la volute ‰ Dans la volute d’évacuation 8. La pompe pour gonfler les ballons est-elle le bon exemple d’un compresseur centrifuge ‰ Oui ‰ Non 9. Dans un compresseur centrifuge axial le gas est compressé paralléllement à l’axe ou perpendiculairement ‰ Parallèllement ‰ Perpendiculairement 10. Les soupapes d’admissions et d’échappement sont-elles interchangeables ? ‰ Oui ‰ Non 11. Décrire le cycle d’un compresseur alternatif en trois phases

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12. Dans un compresseur à vis lubrifié, air compressé est-elles chargé d’huile ‰ Oui ‰ Non 13. Dans un compresseur à vis, les deux vis ont-elles toujours le meme nombre de pas ‰ Oui ‰ Non 14. Un compresseur à palette fonctionne grace à la force centrifuge ‰ Oui ‰ Non

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4. LES DIFFERENTS TYPES DE COMPRESSEURS 4.1. LES COMPRESSEURS VOLUMÉTRIQUES ALTERNATIFS

Figure 26: Compresseur volumétrique alternatif Un compresseur volumétrique alternatif est constitué de deux parties : La partie « gaz » qui comprend les pistons, les clapets (ou soupapes) et les autres éléments qui partipent à la compression du gaz La partie « mouvement » qui transforme le mouvement de rotation en un mouvement alternatif et qui n’est pas en contact avec le gaz.

4.1.1. La partie gaz La partie gaz est constituée principalement par: Les pistons Les clapets ou soupapes Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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4.1.1.1. Les pistons Les pistons sont généralement réalisés en métal et parfois en alliage d’aluminium, pour des raisons de poids et de dilatations. Ils sont équipés d’une segmentation pour assurer l’étanchéité avec le cylindre et le portage du piston

Figure 27: Piston d’un compresseur alternatif

4.1.1.2. Les soupapes (souvent appelées clapets) Les soupapes agissent comme des clapets anti-retour. Elles sont constituées d’un corps fixé sur le cylindre du compresseur et d’un clapet mobile à l’intérieur de ce corps. Figure 28: Clapets d’un compresseur alternatif Comme on le voit sur les photos, les soupapes sont soumises à des nombreux efforts mécaniques, durant les phases d’ouverture et de fermeture, ainsi qu’à des températures plus ou moins élevées.

Figure29: Clapets La dégradation d’une soupape se caractérise par des montées en température anormales du cylindre pendant le fonctionnement du compresseur, et par un claquement des soupapes.

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Il est ABSOLUMENT nécessaire de contrôler tous les jours voire plusieurs fois par jour les températures d’aspiration et de refoulement des cylindres.

Figure 30: Clapets « Hoerbiger » Sur les clapets, on peut rencontrer les problèmes suivants : Problème d’étanchéité de la soupape Conséquences : Mauvaise compression Montée en température dans le cylindre par l’effet de la motée en température du gaz comprimé Eclatement de la soupape Conséquences Risque de débris dans le cylindre et détérioration de l’étanchéité cylindre/piston Risque de rupture du piston Arrêt de la machine sur vibrations « Le coup de liquide » est l’aspiration par la soupape ou le clapet d’aspiration d’un liquide provenant du circuit process, Si ce liquide pénètre dans le cylindre, il y a un très fort risque de détérioration ou de rupture du piston.

4.1.2. La partie mouvement La partie mouvement transforme le mouvement de rotation en mouvement alternatif. Les composants de la partie mouvement sont : Le vilebrequin : il est positionné sur plusieurs paliers et possède des axes excentrés appelés manetons sur lesquels viennent s'articuler les bielles. Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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Les bielles : Il y a une bielle par cylindre. La tête de bielle est la partie qui s'articule autour d'un des manetons du vilebrequin. Le pied de bielle est la partie de la bielle qui s'articule autour de l'axe de crosse. Les crosses, appelées aussi coulisseaux. Il y a une crosse par cylindre et donc par bielle. Les crosses sont guidées par des guides de crosse qui leur imposent un déplacement rectiligne. Sur chaque crosse est fixée la tige de piston du cylindre considéré. C'est l'ensemble "bielle + crosse + guide" qui permet de transformer le mouvement de rotation continu du vilebrequin en un mouvement rectiligne alternatif qui est communiqué au piston par la tige de piston.

4

7

2 1

6 8 1 2 3 4

3 5

Vilebrequin vilebrequin Bielle Liaison crosse / bielle

5 6 7 8

Crosse Guide de crosse Tige de piston Piston

Figure 31: Partie mouvement du compresseur alternatif Les différents organes de la partie mouvement sont logés dans le bâti encore appelé carter. Chaque cylindre est relié au bâti par une entretoise (ou pièce intermédiaire) dans laquelle peut être prévu soit un seul compartiment intermédiaire soit deux compartiments lorsque le gaz véhiculé est dangereux.

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4.1.3. Etancheite de la partie « gaz » 4.1.3.1. Etanchéité entre le piston et le cylindre Afin de garder une bonne étanchéité entre le cylindre et le piston, et de faciliter le déplacement du piston une série de segments sont disposés autour du piston Pour les pistons à double effet ceux–ci sont munis de deux séries de segments Segment porteur Il permet de répartir le poids du piston sur les parois du cylindre, et de guider le piston dans le cylindre afin de garder un saut de tige convenable et une coaxialitée entre le cylindre et le piston. Certains pistons sont montés sans segment porteur, la lubrification est donc nécessaire Figure 32: Segments porteurs Segment d’étanchéité Il assure l’étanchéité entre les effets avant et arrière

Figure 33: Segments d'un piston

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4.1.3.2. Etanchéité entre la tige de piston et la partie « mouvement » Ce rôle est assuré par la garniture de tige de piston. Constituée d'un empilage d'anneaux qui s'appliquent sur la tige en empêchant le passage du gaz. De manière générale les garnitures sont en liaison avec le réseau de torche BP afin d’évacuer le gaz qui se loge entre ces garnitures.

Figure 34: Garniture de tige de piston

Il existe des étanchéités secondaires et des barrages à l’azote dans les entretoises de sécurité.

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4.2. LES COMPRESSEURS VOLUMETRIQUES ROTATIFS Ces machines ont un avantage indéniable qui est de délivrer un débit constant contrairement aux compresseurs alternatifs qui eux fournissent un débit pulsatoire. On utilise principalement trois types de compresseurs volumétriques rotatifs : les compresseurs à lobes, les compresseurs à rotors hélicoïdaux (vis), les compresseurs à palettes. (Par exemple utilisé comme compresseur de gaz de torche)

4.2.1. Le compresseur à palettes Caractéristiques d'utilisation : Débit volume aspiré

:

de 200 à 5 000 m3/h

Taux de compression

:

jusqu'à 7

Vitesse de rotation

:

1 500 T/mn

Vitesse périphérique

:

16 à 17 m/s

4.2.2. Le compresseur à vis Ce type de compresseur est souvent utilisé sur nos installations pour fournir le réseau d’air instrument et d’air utilité. On peut rencontrer deux types de compresseurs à vis : compresseurs à vis non lubrifiés, compresseurs à vis lubrifiés.

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4.2.2.1. Compresseur à vis lubrifié Les parties constituantes sont les mêmes que pour le compresseur non lubrifié. Dans les compresseurs lubrifiés, de l'huile est volontairement mélangée à l'air à l'entrée du compresseur.

Figure 35 : Vue en coupe d'un Compresseur à vis lubrifié Dans le cas des vis lubrifiés, l’ensemble des engrenages de synchronisation n’est pas nécessaire, et un contact entre les vis existe. Sa présence à une triple fonction : absorber la plus grande partie de la chaleur produite par la compression, ce qui permet d'abaisser la température du gaz et d'augmenter le rendement, lubrifier les paliers, parfaire le rendement de la machine en réduisant les fuites internes par son interposition entre le lobe et le carter. Le fluide refoulé dans le bloc de compresseur est un mélange comprimé air/huile. Il est dirigé vers un séparateur à triple effet dans lequel l'air est débarrassé de l'huile qu'il contient. L'épuration ultime de l'air est assurée par une cartouche de déshuilage à grand pouvoir séparateur. L'huile est ainsi totalement récupérée et après passage dans un réfrigérant, retourne au compresseur sous l'effet de la pression. Toutefois ce type de compresseur n’est plus recommandé en raison des risques d’incendie qu’ils ont provoqués sur quelques installations. En effet lors de l’usure ou bien de l’augmentation des jeux mécaniques des vis l’huile se vaporise et s’enflamme au contact de l’air et des parties chaudes. Caractéristiques générales Débit volume aspiré

:

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150 à 20 000 m3/h

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Pression de refoulement :

jusqu'à 50 bars

Vitesse de rotation

:

3 000 à 20 000 tr/mn

Vitesse périphérique

:

20 à 40 m/s

Figure 36: Vue écorchée et internes d'un compresseur frigorifique à vis lubrifié

4.2.2.2. Compresseur à vis non lubrifié Avec quasiment la même constitution que le compresseur précédent, l'absence de contact métal sur métal élimine pratiquement tout risque d'usure des organes de compression et évite une perte de puissance due aux frottements.

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4.3. LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES

Figure 37 : Compresseur centrifuge avec plan de joint vertical (Barrel)

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Figure 38 : Compresseur centrifuge avec plan de joint horizontal et à deux étages

4.3.1. Rotor et corps de compresseur 4.3.1.1. Généralités Le corps d’un compresseur doit remplir un certain nombre de fonctions : Il reçoit toutes les pièces internes du compresseur : rotor avec ses paliers, sa butée, ses dispositifs d'étanchéité, stator avec les pièces constituant le diffuseur et le canal de retour, capteur de vibration ou de déplacement axial. Il assure la liaison avec le procédé par l'intermédiaire des brides d'aspiration et de refoulement Il réalise la résistance mécanique de l'ensemble de la machine à la pression interne ainsi que l'étanchéité de l'enceinte intérieure vis à vis de l'atmosphère. Il assure le supportage et le positionnement du compresseur.

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4.3.1.2. Conception des stators Stator à plan de joint horizontal : cette conception est utilisée pour des basses et moyennes pression entre 40 et 100 Bars. Le stator est réalisé en deux parties dont l'assemblage est assuré par un joint horizontal (contact métal sur métal). Cette configuration est adoptée pour les compresseurs axiaux et les compresseurs centrifuges basses et moyennes pression

Figure 39: Stator à plan de joint horizontal

Stator à plan de joint vertical (« barrel ») : il est utilisé pour des pressions élevées. Cette configuration est adoptée pour les compresseurs centrifuges haute-pression

Figure 40: Stator à plan de joint vertical

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Figure 41: Compresseur centrifuge

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4.3.1.3. .Le rotor Le rotor, entraîné par un accouplement, est guidé en rotation par deux paliers placés généralement à ses deux extrémités. Ces paliers peuvent être équipés de coussinets lisses ou de coussinets à patins mieux adaptés aux vitesses de rotation et charge élevées. Plus rarement, mais en développement les paliers magnétiques font leurs apparitions Le positionnement axial du rotor est assuré par une butée placée à une extrémité du rotor (généralement côté opposé à l'accouplement (COA)). Le plus souvent cette butée est constituée de patins venant s'appuyer sur un collet solidaire de l'arbre. Figure 42: Rotor avec roues

L'effort axial appliqué à la butée provient de la différence de pression sur chaque roue et d'éventuelles poussées dues à l'accouplement. Pour permettre un équilibage convenable du mobile dans le stator, il peut exister un collecteur appelé ligne d’équilibrage Il peut être considérablement diminué par une disposition judicieuse des roues (roues doubles flux ou roues dos à dos) ou par l'utilisation d'un piston ou tambour d'équilibrage Figure 43: Positionnement du rotor

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4.3.1.4. Les roues centrifuges

Ouvert

Demi fermé

Fermé

Figure 44: Les différents type de roues La roue ouverte est utilisée pour les débits moyens et les hautes pressions de refoulement. Elle est seulement utilisée dans les compresseurs à un étage. La roue demi fermée est utilisée pour les grands débits. Ce type de roue peut aussi être utilisé pour équiper les compresseurs multi étages ou simple étage. La roue fermée est utilisée principalement dans les compresseurs multi étages.

Les roues permettent de comprimer la quantité voulue de gaz aux conditions de pression d'opération. Ces roues sont montées sur un arbre, l'ensemble constituant le rotor dont la vitesse de rotation peut dépasser 20 000 t/mn

Figure 45: Principe de fonctionnement d'une roue

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4.3.2. Le système d’étanchéité à huile Voir aussi le cours sur les garnitures d’étanchéité pour les details de fonctionnement

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Turbo compressor Spur type gear Lub oil tank Auxilliary lube oil pump Main lube oil Lub oil cooler Lube oil filter Seal oil tank Seal oil pump Seal oil cooler Lube oil supply Seal oil supply Refrigerant Cooling water

Turbo compresseur Reducteur Réservoir d’huile Pompe d’huile auxiliaire Pompe à huile principale Réfrigérant d’huile Filtres à huile Réservoir d’huile garniture d’étanchéité Pompe à huile garniture d’étanchéité Réfrigérant d’huile garniture Circuit d’huile Circuit d’huile des garnitures d’étanchéité Réfrigération Eau de réfrigération

Figure 46: Système d'étanchéité typique

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Circuit d’huile

: permet de lubrifier les parties mécaniques tels que les paliers.

Circuit d’huile des garnitures d’étanchéité : participe à l’étanchéité en réalisant un barrage d’huile aux éventuelles fuites de gaz. Réfrigération

: permet de controler la température d’huile du système, une huile trop chaude risque d’augmenter la fluidité de l’huile et de ne pas remplir ces fonctions initiales. : permet d’évacuer les calories emmagasiné dans le réfrigérant et participe à la régulation de température. Eau de réfrigération

Les photos suivantes sont à titre indicatif. Un cours spécifique est prévu sur les garnitures d’étanchéités

Figure 47: Exemples de garnitures d'étanchéité Le système est conçu: pour fournir une pression d'huile supérieure à la pression des gaz, pour maintenir cette pression jusqu'à l'arrêt complet de la machine en cas de disjonction, pour créer cette pression avant la mise en route de la machine et pendant le temps nécessaire au réchauffage de la turbine d'entraînement dans le cas des turbocompresseurs. Ce fluide peut être du gaz inerte ou du gaz propre dans le cas d'étanchéité" par labyrinthes ou garnitures sèches. Un labyrinthe d’étanchéité est une forme d’étanchéité utilisé dans les compresseurs. Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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Les labyrinthes n'arrêtent pas les fuites complètement mais ils les réduisent vraiment beaucoup. Figure 48: Etanchéité par labyrinthes Pour cette raison les labyrinthes sont plus généralement utilisés comme des étanchéités entre les étages dans un compresseur. Comme les étanchéités d’un arbre, ils sont habituellement utilisés avec d’autres types d’étanchéités. L’étanchéité est un élément particulierement important (en cas de fuite à l’exterieur, risque humain), elle est soumise à des controles et une surveillance par des alarmes et sécurités Le système comprend: la caisse ou le réservoir d'huile, les pompes à huile, les réfrigérants, les filtres, un réservoir d'accumulation d'huile en charge, les tuyauteries de distribution d'huile sous pression, les tuyauteries de retour d'huile non polluée, en circuit atmosphérique vers la caisse à huile principale, les tuyauteries de retour d'huile sous pression de gaz à la caisse d'huile polluée, les purgeurs et la caisse d'huile polluée, l'appareillage de contrôle, d'alarme et de sécurité.

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4.3.3. Le système d’étanchéité à gas (voir aussi le cours sur les garnitures) Le principe de fonctionnement de la garniture à gaz à rainures spiralées est basé sur un équilibre des forces aérostatiques et des forces aérodynamiques qui fournit un jeu d’interfaces minimum et stable. Figure 49: Schéma de principe de contrôle d’une garniture à gaz

Les forces aérodynamiques sont produites seulement en rotation. Pendant la rotation, les rainures spiralées jouent un rôle primordial en générant une force d'ouverture qui permet d'obtenir un jeu interfaces acceptable.

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4.4. LES COMPRESSEURS DYNAMIQUES AXIAUX Les compresseurs axiaux sont utilisés pour la réalisation de débits importants Constitution Ces compresseurs sont constitués des éléments suivants : Pales d'entrée (ailettes orientables ou ventelles) leur rôle est de guider le fluide à l’entrée dans la roue. Elles permettent d'adapter les caractéristiques du compresseur aux variations de caractéristique du réseau. Autrement dit, le volume du fluide peut être maintenu constant en agissant sur la position de ces pales. Figure 50: Pales variables Diffuseur : Son rôle est de transformer la pression dynamique du fluide en pression statique par réduction de la vitesse.Les ailettes se trouvant dans le diffuseur sont parfois orientables et jouent alors le même rôle que les ventelles.

Figure 51: Rotor compresseur axial

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Figure 52: Compresseur dynamique axial

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4.5. LES TURBO-EXPANDEURS Le turbo-expander est constitué d'une turbine de détente "attelée" à un étage de compression qui récupère l'énergie de détente du gaz. Figure 53: Turbo-expandeur La détente de gaz à forte détente de pression trouve des applications principalement dans l'industrie du gaz (récupération de condensats de gaz naturel), en pétrochimie (récupération d'éthylène à partir de gaz pyrolyse) et dans la production d'oxygène par séparation de l'air. Dans toutes ces applications on vise la production de froid en premier lieu, et parfois l'adaptation de la pression de gaz au procédé mis en œuvre. On distingue principalement 3 parties: Le carter expander et les pièces qui lui sont rattachées : actionneur de grille d'aube d'entrée aubes mobiles d'entrée et leur support diffuseur de sortie. Le carter compresseur comprenant les composants majeurs. Entre ces deux parties qui lui sont connectées aux 4 tuyauteries entrée / sortie, se trouve la partie purement mécanique. Description de la partie carter expander. L'entrée gaz s'effectue par le dessus, la sortie est axiale. Une grille d'aubes mobiles permet une fermeture automatique (permettant par la-même un démarrage progressif) puis une variation d'ouverture assurant une variation de débit en conservant un rendement acceptable de l'ensemble de détente. Une partie de la détente s'effectuant dans ces aubages, l’abaissement de température et la moindre formation de glace ou d'hydrates de natures diverses, de même que la présence éventuelle de poussière, auront tendance à bloquer le système, rendant la régulation inopérante. Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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Description de la partie carter compresseur Obtenue par usinage de bruts de fonderie ou mécano soudé, elle comprend une entrée axiale et une sortie tangentielle.

Figure 54: Principe de fonctionnement Turbo-expandeur

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Figure 55: Turbo-expandeur

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4.6. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES DIFFERENTS YPES

Compresseurs volumétriques

Compresseurs dynamiques

Types de compresseur Alternatifs

Bien adaptés aux petits débits

Avantages

Peuvent véhiculer du gaz à toutes les pressions Relativement souple à exploiter

Rotatifs

Peuvent véhiculer du gaz dans une large plage de débit Débit régulier Fiabilité satisfaisante

Débit pulsé

Inconvénients

Fiabilité moyenne au niveau des soupapes Avoir une machine en secours

Centrifuges

Axiaux

Bien adaptés aux moyens et grands débits de gaz

Très bon rendement

Relativement souple à exploiter

Bien adaptés aux très grands débits et aux pressions modérées

Excellente fiabilité

Excellente fiabilité

Pas adapté aux faibles débits Peu appliqué aux hautes pressions

Phénomène de pompage à faible débit rend l’exploitation délicate

Rotors de grande taille, délicats à construire et coûteux

Table 2: Avantages et inconvénients des différents types de compresseurs

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4.7. EXERCICES 15. La roue fermée est-elle utilisée dans les compresseurs simple étage ou multi étage ? ‰ Simple ‰ Multi 16. Sitez les 4 fonctions du stator

17. Le stator à plan de joint vertical est-il utilisé pour des pressions inférieures à 40 bars ? ‰ Oui ‰ Non 18. Le système d’étanchéité est conçu pour maintenir une pression d’huile pendant l’arret de la machine ‰ Oui ‰ Non 19. L’étanchéité entre la tige de piton et la partie mouvement est assuré par a bielle ou la garniture (ou labyrinthe) ‰ Labyrinthe /garniture ‰ Bielle

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20. La vitesse de rotation d’un compresseur alternatif se situe entre ‰ 300 t 1500 tr/mm ‰ 10 000 et 15 000 tr/mm 21. Vitesse de rotation d’un compresseur à palettes ? ‰ 1500 tr/mm ‰ 3000 tr/mm 22. Vitesse de rotation d’un compresseur à vis ? ‰ 3000 à 20 000 tr/mm ‰ 500 à 2500 tr/mm

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5. REPRESENTATION ET DONNEES DES COMPRESSEURS Nous décrirons dans ce chapitre comment est représenté un séparateur sur les principaux documents mis à la disposition de l’exploitant : Plan de circulation des fluides (PCF / PFD) Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) Ci-dessous un exemple d’un compresseur centrifuge de Nuovo Pignone, type BCL407 avec les paramètres de fonctionnement suivants : Fluide : gaz Température d’aspiration : 40 °C Température de refoulement : 160 °C Pression de refoulement : 28,8 Barg Débit : 7239 m³/h à l’aspiration

Figure 56: Exemple de compresseur centrifuge

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5.1. PLAN DE CIRCULATION DES FLUIDES (PCF / PFD) Plan de circulation des Fluides (PCF/PFD) : ce document, édité lors de la phase projet, présente sous format simplifié, les principales lignes et capacités process ainsi que leurs paramètres de fonctionnement principaux.

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Figure 57: PFD compresseur LP/MP Girassol Page 53 de 83

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Figure 58: PFD compresseur HP Girassol Page 54 de 83

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5.2. PIPING & INSTRUMENTATION DIAGRAM (PID) Ce document édité lors de la phase projet, présente sous format beaucoup plus complexe que le PCF, toutes les lignes et capacités process ainsi que tous leurs paramètres de fonctionnement.

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Figure 59: PID compresseur LP sur Girassol Page 56 de 83

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6. LES COMPRESSEURS ET LE PROCESS 6.1. LOCALISATION ET CRITICITE Comme nous avons pu le voir précédemment, un compresseur sert à véhiculer un gaz d’un point à un autre. : Transfert de gaz d’une plateforme vers les installations onshore Compression d’air pour alimenter le réseau air « instrument » et « utilité » Injection de gaz dans le réservoir Si cette fonction s’arrête il est facilement compréhensible que cela va engendrer de sérieux problèmes en ce qui concerne le bon fonctionnement de l’installation. Prenons l’exemple de compresseurs, situés sur le traitement gaz, véhiculant le gaz provenant d’une unité de désulfuration vers une unité de déshydratation. La criticité sera élevée car l’arrêt de ces compresseurs entraînera un arrêt de production. C’est pour cette raison, entre autre, que sur certains sites un un compresseur de secours est installé en cas de problème ou de maintenance sur le premier.

Figure 60: Localisation du compresseur dans le process Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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7. LES AUXILIAIRES 7.1. LES AUXILIAIRES DU COMPRESSEUR ALTERNATIF

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Collecteur d’admission d’air 12 Piston compresseur Cylindre moteur 13 Soupapes de refoulement cylindre Soupape d’admission 14 Tige de piston compresseur Culbuterie de la soupape d’admission 15 Crosse de guidage Culasse 16 Bielle compresseur Collecteurs d’échappement 17 Vilebrequin Collecteurs d’échappement 18 Bielles motrices Arbre à cames 19 Carter Collecteur d’admission d’air 20 Enveloppe de cylindre Soupapes d’admission cylindre 21 Piston moteur Commande de l’espace additionnel 22 Clapet de sécurité collecteur règlable d’alimentation Figure 61: Vue d’un compresseur alternatif

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Figure 62: Schéma des auxiliaires d’un compresseur alternatif

7.1.1. Le refroidissement Lorsqu’un gaz est comprimé sa température augmente. Cette chaleur se dissipe dans les différentes parties du compresseur, Lorsque des parties mécaniques sont en mouvement régulier on constate une élévation de la température Il est donc nécessaire de prévoir un système de refroidissement. Ce système assure une circulation d’eau autour du cylindre du compresseur. Afin d’assurer à cette eau de refroidissement une température réguliére, elle passe à travers des réfrigérants échangeur ou autre système de régulation de température. (Les échangeurs seront traités dans un autre cours)

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7.1.2. La lubrification Sa fonction est d'assurer le graissage en marche et avant le démarrage, c'est-à-dire de fournir à la ligne d'arbre un débit d'huile de qualité fixée en viscosité, pression, température et degré de filtration. Cette fonction est en général assurée par une centrale d'huile qui peut être commune au circuit d'étanchéité. La centrale d'huile comporte : la caisse ou le réservoir d'huile, les réfrigérants, les filtres, le cas échéant un réservoir en charge, les tuyauteries de distribution, les tuyauteries de retour d'huile, l'appareillage de contrôle, d'alarme et de sécurité.

7.1.3. Les alarmes et sécurités La fonction de ces auxiliaires est d'assurer principalement: Le fonctionnement correct du compresseur dans toute la plage de caractéristique exigée par le procédé (En particulier le contrôle de l’anti pompage) Le démarrage du groupe sans incident pour la machine ('entraînement, accouplement, multiplicateur)..., L'arrêt d'urgence : signalisation, ralentissement et isolement du compresseur Les sondes de températures paliers, et sondes de vibrations Les fuites de garaniture

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7.2. LES AUXILIAIRES DES COMPRESSEURS VOLUMETRIQUES ROTATIFS 7.2.1. Le compresseur à palettes Fonctionnement avec lubrification: Les palettes sont en général en composite et l'huile, outre l'amélioration du frottement entre palettes et stator, assure l'évacuation des calories et améliore l'étanchéité au niveau des contacts palettes/stator. Dans cette configuration, le gaz comprimé est pollué par l'huile. Refroidissement Pour éliminer la chaleur produite par la compression et par les frottements, différentes méthodes peuvent être utilisées : Circulation d'air forcée : dans ce cas le compresseur est doté d'ailettes de refroidissement Circulation d'eau dans une double enveloppe de réfrigération autour du cylindre.

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7.3. LES AUXILIAIRES DU COMPRESSEUR CENTRIFUGE

Figure 63: Schéma des auxiliaires d’un compresseur centrifuge Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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7.3.1. La lubrification Le fonctionnement des paliers et butées est subordonné au caractère "hydrodynamique" c'est-à-dire à l'établissement et à la stabilité du « coin » d'huile. Coin d’huile : C’est la très fine couche d’huile qui se trouve entre deux pièces, qui lorsqu’elles sont mises en mouvement permet d’éviter un frottement direct entre les pièces La pression de lubrification n'aide en rien à la formation de ce coin d'huile, elle n'intervient qu'au niveau du remplissage et du débit qui lui-même conditionne la température du palier et par là même la viscosité de l'huile dans le palier et la butée. Le maintien d'une température convenable de l'huile est assuré par le réchauffeur de caisse à huile (trop froide l’huile est trop visqueuse) et par les réfrigérants (huile trop chaude inutilisable) installés sur le circuit. Ils assurent l'enlèvement des calories apportées: par les sections pleines de l'arbre (en particulier côté refoulement), par le fonctionnement propre des paliers et butées. La pression mesurée au refoulement des pompes à huile auxiliaires dépend principalement des tuyauteries de liaison entre la centrale et la machine (longueurs et diamètres qui conditionnent la perte de charge en fonction du débit demandé). Le débit de lubrifiant ne dépend que de la quantité de chaleur à évacuer au niveau du palier. La viscosité de l'huile nécessaire au bon fonctionnement du palier déterminera la qualité du lubrifiant choisi en fonction des paramètres de la machine : vitesse de rotation, poids du rotor, charge spécifique, type du palier, température de fonctionnement en charge de la machine, matériau constitutif du rotor, etc. La filtration dépend des jeux de fonctionnement du palier et du type de palier. Les alarmes et sécurités La fonction de ces auxiliaires est d'assurer : le fonctionnement correct du compresseur dans toute la plage de caractéristiques exigée par le procédé : l'appareillage avertira l'opérateur de l'approche des zones de pompage et de surcharge de la machine et, le cas échéant, mettra en service les auxiliaires d'anti-pompage ou de limitation de vitesse correspondant, Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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le démarrage du groupe sans incidence néfaste sur l'état mécanique de ses composants : compresseur, machine d'entraînement, accouplement, multiplicateur..., l’arrêt d'urgence : signalisation, ralentissement et isolement du compresseur. La fonction principale des alarmes est de réaliser à temps les opérations de correction d'anomalies de fonctionnement, de réglage et d'entretien courant sans arrêter la machine. Parmi ces diverses fonctions, le système d'anti-pompage est une sécurité importante pour la protection du compresseur.

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7.4. EXERCICES 23. Le graissage, les alarmes, et les sécurités font-ils partis des auxiliaires du compresseur ‰ Oui ‰ Non 24. Le circuit d’huile de graissage doit-il etre démarré avant le démarrage du compresseur ou avec le démarrage du compresseur ‰ Avant ‰ Avec 25. Le graissage et le refroidissement sont-ils des points important à surveiller ? ‰ Oui ‰ Non

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8. PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT 8.1. ANTI POMPAGE OU ANTI SURGE Le pompage est un phénomène très violent qui met en jeu toute la masse de gaz présente dans la machine. Le gaz ne traverse plus la machine régulièrement mais subit des mouvements alternatifs dans une partie ou dans la totalité du compresseur Il s’accompagne: de vibrations des aubages des roues d'inversion des poussées axiales du rotor de vibrations de très basse fréquence de l'ensemble du compresseur (grondements sourds) qui sont bien sûr extrêmement préjudiciables à la bonne tenue mécanique de la machine. Le phénomène de pompage apparaît dans des zones de fonctionnement aux bas débits Il est donc possible de mettre en évidence dans un diagramme taux de compression-débit une zone de fonctionnement interdite limitée par une courbe appelée courbe limite de pompage.

Figure 64: Zone de fonctionnement interdite Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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Il est donc important d'assurer en permanence dans la machine un débit de gaz suffisant pour qu'elle travaille toujours au-dessus de la limite de pompage. En pratique si le débit nécessité par le procédé devient inférieur au débit limite de pompage, une régulation anti-pompage semblable à celle présentée dans la courbe cidessus permet d'assurer un débit dans le compresseur suffisant pour qu'il fonctionne dans une zone stable : l'excédent de gaz qui traverse la machine étant réfrigéré et recyclé à l'aspiration ou mis à l'atmosphère dans le cas de compresseur d'air. De ce fait, on s’aperçoit que le fonctionnement d’un compresseur doit être monitoré de très près car le moindre problème peut avoir des conséquences très lourdes en terme de sécurité de l’équipement et de coût. Une partie de ces paramètres est relevée sur les vues SNCC en salle de contrôle et sont historisés. L’autre partie des paramètres est relevée directement sur la machine par l’opérateur. Il est important d’apporter une attention particulière au bruit que fait le compresseur, en effet certaines variations de ce bruit sont annonciatrices de problèmes.

Figure 65: Exemple de régulation d’Anti-pompage d’un compresseur centrifuge

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8.2. EXERCICES 26. Qu’est-ce que le pompage d’un compresseur ? ‰ Un fonctionnement à trop bas débit ‰ Un fonctionnement à trop haut débit 27. Quels sont les 3 phénomènes principaux d’un compresseur qui pompe

28. Les vibrations excéssives d’un compresseur peuvent-elles entrainer un arret de la machine ? ‰ Oui ‰ Non

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9. CONDUITE DES COMPRESSEURS 9.1. DEMARRAGE D’UN COMPRESSEUR ALTERNATIF Ce qui suit est une séquence standart de démarrage simplifiée. Elle reprend les étapes classiques retrouvées sur les machines installées sur nos sites. Il convient de récupérer les procédures « OPERGUID » site correspondant aux machines installées. Ce sont elles qui font foi.

9.1.1. Préparation des auxiliaires Eau de réfrigération : mise en service sur les cylindres, sur le réfrigérant d'huile, sur les réfrigérants intermédiaires Circuit Lubrification : s'assurer que l'huile est en quantité suffisante dans le bâti et dans la boite à graisseurs mécaniques Vérifier la circulation d'huile vers les cylindres et les garnitures par action manuelle sur les graisseurs en déconnectant les clapets de retenue vissés sur les corps de cylindres et les entretoises. Disposer les circuits de lubrification Purger:les amortisseurs de pulsations, les ballons de garde de chaque étage, les entretoises Air Instrument : alimenter les dispositifs de commande de soupapes d'aspiration Dégazage des garnitures de tiges de piston. Ouverture des vannes : vers la torche BP vers la mise à l'atmosphère vers le ballon de reprise sous vide

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9.1.2. Préparation du compresseur Mise à vide du compresseur par blocage en position ouverte des clapets d'aspiration, ou ouverture du by-pass, ou ouverture des espaces morts additionnels. Virer le compresseur à l'aide d'une barre à virer (si existant) Balayage avec un gaz inerte des circuits de gaz et du compresseur Disposer le circuit pour démarrer selon la procédure définie

9.1.3. Démarrage du compresseur Logigramme de sécurité : Réarmement des barres (reset des alarmes et sécurités) Lubrification : Prégraisser la partie mouvement à l'aide de la pompe manuelle ou électrique. S'assurer que le graissage s'effectue correctement : pression normale. Par action manuelle sur les graisseurs mécaniques prégraisser les cylindres et les garnitures de tiges de piston. Démarrer la machine d'entraînement Les compresseurs entraînés par moteurs électriques montent en vitesse à vide aux environs de 10 secondes. Ils peuvent commencer à débiter en moins d'une 1/2 minute. Mise en charge du compresseur et mise en ligne des circuits selon la procédure en vigueur. Contrôle des différents points à surveiller du circuit procédé des circuits de lubrification du circuit de réfrigération des chambres d'espacements.

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9.2. DEMARRAGE D’UN COMPRESSEUR CENTRIFUGE 9.2.1. Préparation Circuits d'huile de graissage et d'étanchéité Vérifier le niveau dans les caisses - Faire l'appoint si nécessaire Purger l'eau dans le fond des caisses Mettre en service le réchauffage jusqu'à t ~ 40° C Contrôler l'ouverture des circuits d'huile Essais des sécurités Mettre en service le graissage Ouvrir l'eau sur les réfrigérants Vérifier les pressions et températures Dp sur les filtres en service, pression de gaz inerte sur les caisses, Ouverture des circuits et purges Mettre en service le circuit d'étanchéité Mêmes opérations que ci-dessus Sur le circuit de graissage, vérifier qu'une baisse de pression entraîne d'abord le démarrage de la pompe de secours, puis le déclenchement du groupe Sur le circuit d'étanchéité, vérifier qu'une baisse de niveau dans le réservoir supérieur entraîne d'abord le démarrage de la pompe de secours, puis l'arrêt du groupe Circuit Process Mettre le compresseur en pression Purger les points bas du compresseur Vérification des sécurités procédé Disposer le circuit pour démarrer selon la procédure définie Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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9.2.2. Mise en marche du compresseur Demande d'autorisation de démarrage Ré Armer le logigramme de sécurité By-passer les sécurités bas débit le cas échéant Démarrer la machine d'entraînement ou suivre la procédure de mise en vitesse préconisée (turbine à vapeur) Mise en charge du compresseur et mise en ligne des circuits selon la procédure en vigueur Régler la température d'huile sortie des réfrigérants à 50° C environ.

9.2.3. Contrôle en marche Circuit procédé : Pression aspiration Pression refoulement Température aspiration Température de refoulement débits Système antipompage Niveaux ballons de garde Auxiliaires : Pressions, températures, circulation d'huile Dp sur filtres Dégazage de l'huile d'étanchéité polluée Pression de gaz de barrage Pression de sortie de gaz inerte sur les caisses

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Entraînement: Température et vibrations multiplicatrices Intensité moteur électrique Circuits vapeur Pressions-Températures

9.2.4. Surveillance en marche Circuits graissage et étanchéité Niveaux caisses à huile Pression Température DP sur les filtres Circuit procédé Niveaux ballons de garde Pressions aspiration et refoulement Température aspiration et refoulement Débit de gaz, stabilité

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9.3. MAINTENANCE 1er DEGRE L'entretien 1er degré comprend: Propreté : la propreté est un gage de bon fonctionnement, facilite la détection des fuites par exemple. Niveaux: appoints. Carburants et combustibles : pleins, filtres. Lubrification, échantillons, contrôle Le graissage manuel

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9.4. EXERCICES 29. La maintenance préventive est-elle prévue pour réaliser des opération d’entretien prévisible ou réaliser des dépannages en cas de casse ‰ Entretien prévisible ‰ Dépannage 30. Un bruit de claquement autour d’un compresseur est-il normale ‰ Oui ‰ Non

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10. TROUBLESHOOTING (Dépannage) 10.1. CAUSES POSSIBLES DE MAUVAIS FONCTIONNEMENT Augmentation des fuites internes due à la destruction des labyrinthes inter-étage, encrassement des canaux et des roues d'un compresseur centrifuge, début de grippage au niveau d'une garniture d'étanchéité, d'un palier, d'une butée, Le suivi des performances d'une machine, en particulier le suivi des rendements, permet de suivre en marche l'état des pièces internes de cette machine. Il est évident que d'autres mesures ou enseignements sont également indispensables (niveau vibratoire, déplacements axial, échauffement de l'huile, résultat des analyses d’huile etc.) pour déterminer l'état mécanique du compresseur. Attention les fuites supposées internes peuvent en fait etre causés par la mauvaise étanchéité des vannes process ou le mauvais positionnement

CAUSES PROBABLES

PROBLÈME

Compresseur n’atteignant pas la vitesse. Température excessive à l’entrée du compresseur. Faible pression au refoulement

Faible pression d’entrée. Fuite de la tuyauterie de refoulement. Sollicitation trop forte du compresseur par le système.

Débit insuffisant dans le compresseur. Compresseur fonctionnant par à coup

Résistance altérée du système due à une obstruction dans la tuyauterie de refoulement ou à une position incorrecte de la soupape. Accumulation de dépôts au niveau du rotor ou des diffuseurs, limitant le débit du gaz.

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CAUSES PROBABLES

PROBLÈME

Manomètre ou manocontact d’huile de graissage défectueux. Faible niveau du gisement d’huile. Aspiration de la pompe à huile bloquée. Fuite de la tuyauterie d’aspiration de la pompe à huile. Crépines ou filtres à huile colmatés. Faible pression d’huile de graissage

Défaut de fonctionnement des deux pompes à huile : principale et auxiliaire. Exploitation à faible vitesse sans fonctionnement de la pompe à huile auxiliaire (si pompe à huile principale entraînée par un arbre). Clapet de décharge mal réglé ou coincé en position ouverte. Fuites dans le système d’huile. Réglage ou fonctionnement incorrect de la soupape de commande de pression. Absence ou colmatage des orifices d’huile de graissage du palier.

Condensation dans le réservoir d’huile. Présence d’eau dans l’huile de graissage

Fuite dans les tubes du refroidisseur d’huile de graissage ou dans la plaque tubulaire.

Déformation de la tuyauterie. Embase du compresseur ou de l’organe d’entraînement déformée. Alignement incorrect de l’arbre

Socle déformé. Boulons du socle desserrés ou cassés. Cimentation défectueuse.

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CAUSES PROBABLES

PROBLÈME

Débit insuffisant ou limité de l’huile de graissage vers les paliers. Huile de graissage de mauvaise qualité ; saletés ou dépôts gommeux dans les paliers.

Température d’huile des paliers élevée Nota : La température de l’huile de graissage sortant des paliers ne doit jamais excéder 82 °C.

Débit insuffisant de l’eau de refroidissement dans le refroidisseur d’huile de graissage. Refroidisseur d’huile de graissage encrassé. Palier essuyé. Viscosité élevée de l’huile. Vibrations excessives. Présence d’eau dans l’huile de graissage. Surface irrégulière du palier lisse.

Assemblage incorrect des pièces. Boulonnerie desserrée ou cassée. Déformation de la tuyauterie. Vibrations excessives Nota : Les vibrations peuvent provenir de la machine accouplée. Pour localiser les vibrations, débrancher l’accouplement et faire fonctionner seul l’organe d’entraînement. Ceci permet d’identifier si les vibrations sont effectivement provoquées par l’organe d’entraînement.

Alignement incorrect de l’arbre. Accouplement usé ou endommagé. Accouplement sec (dans le cas d’une lubrification continue). Déformation de l’arbre en raison de chaleur ou de refroidissement irrégulier. Rotor endommagé ou arbre plié. Rotor non équilibré ou arbre déformé en raison de frottement excessif. Jeu excessif du palier. Exploitation à la limite d’une vitesse critique.

Table 3: Causes possibles de mauvais fonctionnement des compresseurs centrifuges

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CAUSES PROBABLES

PROBLÈME

Alimentation défectueuse. Défaut de l’équipement de connexion ou de démarrage. Compresseur ne démarrant pas Faible pression d’huile arrêtant le manocontact. Défaut du panneau de commande.

Tension trop faible. Absence de synchronisation du moteur

Couple excessif au démarrage. Facteur de puissance incorrect. Tension d’excitation défectueuse.

Pompe à huile défectueuse. Mousses dans l’huile provoquées par la cognée des contrepoids sur sa surface. Huile froide. Filtre à huile encrassé. Fuites d’huile au niveau du châssis intérieur Faible pression d’huile

Fuites excessives au niveau des pattes de calage du palier et/ou des roulements. Réglage insuffisant du manocontact d’huile. Réglage insuffisant du clapet de by-pass/décharge de la pompe à huile à engrenage. Manomètre défectueux. Filtre du carter d’huile bouché. Clapet de décharge d’huile défectueux.

Graissage incorrect. Surchauffe de la garniture

Huile de graissage incorrecte et/ou taux de graissage insuffisant. Refroidissement insuffisant.

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CAUSES PROBABLES

PROBLÈME

Huile de graissage en excès. Huile de graissage incorrecte (trop légère, trop de résidus de carbone). Carbone en excès sur les soupapes

Stockage d’huile issu du système d’entrée ou de l’étage antérieur. Soupapes cassées ou présentant des fuites à l’origine d’une élévation de température. Température excessive en raison d’un rapport élevé de pressions dans le cylindre.

Clapet de décharge défectueux. Claquement du clapet de décharge

Clapets d’aspiration ou anneaux de l’étage juste supérieur présentant des fuites. Obstruction (corps étranger, peluches), soupape aveugle ou fermée dans la canalisation de refoulement.

Piston présentant du jeu. Piston cognant la tête extérieure ou le cylindre côté châssis. Contre-écrou de crosse desserré. Cylindre bruyant

Soupape(s) cassée(s) ou présentant des fuites. Segments de piston ou mandrins usés ou cassés. Pose incorrecte/endommagement du joint du siège de soupape. Claquements du plongeur de décharge d‘air libre.

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CAUSES PROBABLES

PROBLÈME

Anneaux de garniture usés. Huile de graissage incorrecte et/ou taux de graissage insuffisant (anneaux bleus). Saletés dans la garniture. Augmentation excessive du taux de pression. Fuites excessives de la garniture

Assemblage incorrect des anneaux de garniture. Jeu incorrect au niveau des extrémités ou côtés des anneaux. Système de mise à l’air libre de la garniture bouché. Bielle de piston rayée. Voilure excessive de la bielle de piston.

Rapport excessif sur le cylindre en raison de fuites des soupapes ou anneaux de l’étage juste supérieur. Coussinets de crosse encrassés. Température de refoulement élevée

Soupapes de refoulement des segments de piston présentant des fuites. Température d’entrée trop élevée. Encrassement des chemises d’eau sur le cylindre. Huile et/ou taux de graissage incorrect.

Axe de crosse, têtes d’axe ou patins de crosse desserrés. Coussinets de crosse flasques à manetons principaux desserrés ou usés. Cognement du châssis

Faible pression d’huile. Huile froide. Huile incorrecte. Le cognement provient en fait de l’extrémité cylindre.

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CAUSES PROBABLES

PROBLÈME

Fuites d’étanchéité au niveau de l’huile du vilebrequin

Pose incorrecte du joint d’étanchéité. Orifice de vidange bouché.

Segments racleurs usés. Assemblage incorrect des racleurs. Fuites des racleurs huile de la bielle de piston

Bielle usée/rayée. Adaptation incorrecte des segments par rapport au jeu de la bielle ou au jeu latéral.

Table 4: Causes possibles de mauvais fonctionnement des compresseurs volumétriques alternatifs

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11. GLOSSAIRE

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12. SOMMAIRE DES FIGURES Figure 1: Exemple d’un compresseur d’air à vis ..................................................................5 Figure 2: Les catégories principales de compresseur..........................................................6 Figure 3: Compresseur alternatif .........................................................................................7 Figure 4: Compresseur rotatif à vis......................................................................................7 Figure 5: Compresseur centrifuge .......................................................................................7 Figure 6: Compresseur axial................................................................................................7 Figure 7: Plages d’application des différents types de compresseurs .................................9 Figure 8 : Exemple d'une pompe à vélo.............................................................................11 Figure 9: Coupe d'un cylindre à double effet .....................................................................12 Figure 10: Exemple de soupapes ......................................................................................12 Figure 11 : Schéma de principe d’un piston à double effet ................................................13 Figure 12: Compresseur à double effet .............................................................................13 Figure 13: Compresseur à membrane ...............................................................................14 Figure 14: Compresseur à palettes....................................................................................15 Figure 15: Vis male et femelle ...........................................................................................16 Figure 16: Cycle de compression ......................................................................................16 Figure 17: Lobes................................................................................................................17 Figure 18: Principe de fonctionnement du compresseur à lobes .......................................18 Figure 19: Principe de fonctionnement du compresseur à lobes .......................................18 Figure 20: Compresseur centrifuge ...................................................................................19 Figure 21: Roue d'un compresseur centrifuge (1)..............................................................19 Figure 22: Roue d'un compresseur centrifuge (2)..............................................................19 Figure 23: Diffuseur et volute.............................................................................................20 Figure 24: Principe de la roue axiale .................................................................................21 Figure 25: Roue axiale.......................................................................................................21 Figure 26: Compresseur volumétrique alternatif ................................................................24 Figure 27: Piston d’un compresseur alternatif....................................................................25 Figure 28: Clapets d’un compresseur alternatif .................................................................25 Figure29: Clapets ..............................................................................................................25 Figure 30: Clapets « Hoerbiger ».......................................................................................26 Figure 31: Partie mouvement du compresseur alternatif ...................................................27 Figure 32: Segments porteurs ...........................................................................................28 Figure 33: Segments d'un piston .......................................................................................28 Figure 34: Garniture de tige de piston ...............................................................................29 Figure 35 : Vue en coupe d'un Compresseur à vis lubrifié................................................31 Figure 36: Vue écorchée et internes d'un compresseur frigorifique à vis lubrifié ...............32 Figure 37 : Compresseur centrifuge avec plan de joint vertical (Barrel) ............................33 Figure 38 : Compresseur centrifuge avec plan de joint horizontal et à deux étages..........34 Figure 39: Stator à plan de joint horizontal ........................................................................35 Figure 40: Stator à plan de joint vertical.............................................................................35 Figure 41: Compresseur centrifuge ...................................................................................36 Figure 42: Rotor avec roues ..............................................................................................37 Figure 43: Positionnement du rotor....................................................................................37 Figure 44: Les différents type de roues .............................................................................38 Figure 45: Principe de fonctionnement d'une roue.............................................................38 Support de Formation: EXP-PR-EQ130-FR Dernière Révision: 30/04/2007

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Figure 46: Système d'étanchéité typique ...........................................................................39 Figure 47: Exemples de garnitures d'étanchéité ................................................................40 Figure 48: Etanchéité par labyrinthes ................................................................................41 Figure 49: Schéma de principe de contrôle d’une garniture à gaz.....................................42 Figure 50: Pales variables .................................................................................................43 Figure 51: Rotor compresseur axial ...................................................................................43 Figure 52: Compresseur dynamique axial .........................................................................44 Figure 53: Turbo-expandeur ..............................................................................................45 Figure 54: Principe de fonctionnement Turbo-expandeur ..................................................46 Figure 55: Turbo-expandeur ..............................................................................................47 Figure 56: Exemple de compresseur centrifuge ................................................................51 Figure 57: PFD compresseur LP/MP Girassol ...................................................................53 Figure 58: PFD compresseur HP Girassol.........................................................................54 Figure 59: PID compresseur LP sur Girassol.....................................................................56 Figure 60: Localisation du compresseur dans le process ..................................................57 Figure 61: Vue d’un compresseur alternatif .......................................................................58 Figure 62: Schéma des auxiliaires d’un compresseur alternatif.........................................59 Figure 63: Schéma des auxiliaires d’un compresseur centrifuge.......................................62 Figure 64: Zone de fonctionnement interdite .....................................................................66 Figure 65: Exemple de régulation d’Anti-pompage d’un compresseur centrifuge ..............67

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13. SOMMAIRE DES TABLES Table 1: Avantages et inconvénients des différents types de compresseurs.......................8 Table 2: Avantages et inconvénients des différents types de compresseurs.....................48 Table 3: Causes possibles de mauvais fonctionnement des compresseurs centrifuges ...78 Table 4: Causes possibles de mauvais fonctionnement des compresseurs volumétriques alternatifs ....................................................................................................................82

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14. CORRIGÉ DES EXERCICES

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