Compresseurs Alternatifs Fonctionnement Technologie

Raffinage-Pétrochimie-Chimie-Ingénierie——— ENTRETIEN-INSPECTION DES MACHINES TOURNANTES COMPRESSEURS ALTERNATIFS — Fonctionnement - Technologie — I - PRÉSENTATION DES COMPRESSEURS ALTERNATIFS ..................................................... 1 II - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS ALTERNATIFS : CYCLE DE COMPRESSION ..................................................................................................... 3 1 2 3 4 - Fonctionnement des soupapes d'aspiration et de refoulement .................................................... 3 Cycle théorique ............................................................................................................................ 4 Interprétation de l'allure du cycle théorique ..................................................................................6 Cycle réel .....................................................................................................................................7 III - PERFORMANCES RÉELLES ................................................................................................... 8 1 2 3 - Température de refoulement réelle .............................................................................................. 8 Débit réel ...................................................................................................................................... 9 Puissance consommée à l'accouplement de la machine ............................................................. 9 IV - ADAPTATION D'UN COMPRESSEUR ALTERNATIF AUX CONDITIONS DE SERVICE ..... 11 1 2 3 - Effet d'une variation de pression ................................................................................................ 11 Effet d'une variation de la température d'aspiration ................................................................... 13 Effet d'une variation de la nature du gaz.................................................................................... 13 V - ADAPTATION DU DÉBIT COMPRESSEUR AU DÉBIT PROCÉDÉ ...................................... 15 1 2 3 4 - Réglage de débit par arrêt du compresseur............................................................................... 15 Réglage de débit par mise à vide de clapet ............................................................................... 15 Réglage du débit par modification de l'espace mort ..................................................................16 Réglage de débit par retard à la fermeture des clapets d'aspiration .......................................... 17 VI - TECHNOLOGIE DES ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS AUX COMPRESSEURS ALTERNATIFS ........................................................................................................................ 18 MT COM - 01620_A_F - Rév. 2 16/01/2007 „ 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 1 I- PRÉSENTATION DES COMPRESSEURS ALTERNATIFS Les différents compresseurs alternatifs se distinguent en première approche par leur forme extérieure essentiellement créée par la disposition des cylindres. Quelques dispositions caractéristiques sont reprises ci-dessous. Vilebrequin Crosse Bielle Tige Piston Cylindre BP Cylindre horizontal Cylindre HP Cylindres en tandem Cylindre BP Cylindre BP (vertical) Cylindre HP Cylindre HP (horizontal) Cylindre en V à 90° Cylindres en équerre Ces machines peuvent être décomposées en sous-ensembles, tels que : - la partie compression qui comprend le cylindre, le piston, les clapets et les systèmes d'étanchéité, segments et garniture. Le cylindre est dit à double effet lorsque le piston comprime sur les deux faces du piston. Il est alors actionné par la "tige de piston". 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training D T 732 C Bielles articulées sur le même maneton 2 Piston avec segments Clapet Entretoise Tige de piston D T 1461 A Fond de cylindre Cylindre Vilebrequin Bielle Piston Vilebrequin Garniture d'étanchéité Coulisseau ou Effet crosse Tige arrière Bielle Piston Effet avant Cylindre à simple effet Cylindre à double effet D T 1460 A Effet avant - la partie mouvement Elle permet la transformation de la rotation en mouvement alternatif grâce au système biellemanivelle, sur les compresseurs à double effet ce dispositif est complété par un ensemble glissière-coulisseau permettant de conserver un mouvement rectiligne à la tige de piston. Bati Glissière Manivelle ou vilebrequin 01620_A_F Bielle © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Coulisseau D T 1459 A Tige de piston 3 - les auxiliaires On peut classer dans les auxiliaires les systèmes de lubrification du mouvement et des parties en contact avec le gaz, les circuits d'eau, les ballons antipulsatoires et les divers systèmes de sécurité ou de régulation. II - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS ALTERNATIFS : CYCLE DE COMPRESSION Le mécanisme de la compression dans un compresseur alternatif peut être décrit par un cycle qui représente l'évolution de la pression régnant dans le cylindre en fonction du volume offert au gaz. On peut distinguer : – un cycle "théorique" qui traduit une évolution isentropique (adiabatique-réversible) et une perfection des clapets – un cycle "réel" tenant compte des imperfections de la machine et de la réfrigération des cylindres Toutefois, il apparaît nécessaire d'expliciter auparavant très brièvement le fonctionnement automatique des soupapes d'aspiration et de refoulement. 1- FONCTIONNEMENT DES SOUPAPES D'ASPIRATION ET DE REFOULEMENT L'écoulement du gaz dans un compresseur à piston est assujetti à la présence de clapets anti-retour à l'aspiration et au refoulement de chaque effet. Ces clapets sont également appelés soupapes. Toutes ces soupapes comportent : – un (ou plusieurs) clapet susceptible d'être soulevé ou appliqué sur son siège solidaire du cylindre – un (ou plusieurs) ressort s'appuyant sur le (ou les) clapet. Le sens d'action du ressort est tel qu'il tend toujours à plaquer le clapet sur son siège – un système permettant de guider le clapet lors de son soulèvement Les deux schémas ci-dessous présentent de manière simplifiée les éléments intervenant dans le fonctionnement d'une soupape d'aspiration. Guidage du clapet Siège du clapet Depuis bride d'aspiration PA S1 Clapet Action de la pression d'aspiration Cylindre PA Clapet D T 439 A Ressort Intérieur du cylindre 01620_A_F FR Action du ressort Surface S2 PC © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Action de la pression du cylindre D T 440 A PC 4 Le clapet est soumis à l'action de trois forces : – force due à l'action de la pression régnant dans le cylindre Pc sur la surface S2 du clapet – force due à la pression d'aspiration PA sur la surface S1 – force due à l'action du ressort (faible vis-à-vis des forces dues aux pressions) Dans le cas de la soupape d'aspiration, on peut dire que son clapet reste appliqué sur le siège tant que l'action de la pression dans le cylindre est supérieure à celle de la pression régnant dans la conduite d'aspiration augmentée de la légère poussée du ressort. La pression qui conditionne l'ouverture du clapet d'aspiration est : Pc = PA • S1 – P ressort S2 avec P ressort = FR S2 Pour une pression d'aspiration faible l'influence du ressort peut être sensible. La pression d'ouverture est inférieure de 10 à 20 % à la pression d'aspiration. Dès l'ouverture du clapet le débit qui le traverse a pour effet : – de réduire la différentielle de pression – de créer un effet de dépression sous le clapet dû à l'énergie cinétique Le fonctionnement des soupapes de refoulement est similaire. Le clapet étant alors inversé par rapport à un clapet d'aspiration, il faut une pression dans le cylindre Pc bien plus élevée que la pression de refoulement pour le décoller du siège. Pc = Pref x S2 + Pressort S1 Dans ce cas l'influence du ressort sur la pression d'ouverture est totalement négligeable. Par contre le rapport des surfaces oblige pour l'ouverture du clapet à des surpressions importantes notamment pour des pressions de refoulement élevées. Les clapets ont une grande importance dans le coût d'exploitation d'un compresseur car ils influent sur son rendement en absorbant une partie de l'énergie communiquée au compresseur, de 20 à 50 %. 2- CYCLE THÉORIQUE Le schéma ci-après présente, dans un diagramme pression-volume, le cycle théorique d'un effet d'un compresseur alternatif. Le piston se déplace entre deux points extrêmes : – point mort bas (PMB) associé à un volume V1 – point mort haut (PMH) associé à un volume mort V M évitant tout contact entre piston et fond de cylindre L'ouverture et la fermeture des soupapes sont automatiques et supposées immédiates dans le cas d'un cycle théorique : – – – – 01620_A_F point 2 : ouverture des soupapes de refoulement quand point 3 : fermeture des soupapes de refoulement dès que point 4 : ouverture des soupapes d'aspiration quand point 1 : fermeture des soupapes d'aspiration dès que © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Pgaz Pgaz Pgaz Pgaz = < = > P2 P2 P1 P1 5 Le volume balayé par le piston ou volume engendré est : VE = V1 – VM Le volume aspiré par cycle est : Vasp = V1 – V4 Compte tenu de la détente du gaz contenu dans le volume mort, le volume aspiré par cycle (V1 – V4) est plus petit que le volume balayé par le piston V E. Pression du gaz dans l'effet 3 2 PR 1 - 2 Compression 2 - 3 Refoulement 3 - 4 Détente du gaz de l'espace mort 4 - 1 Aspiration PA 1 4 VA VE tA Course du piston V1 PMB PA, tA : Pression et température d'aspiration PC, tC : Pression et température du gaz dans le cylindre Soupape de d'aspiration PC tC Soupape de refoulement PR PMH Piston Effet étudié (schéma simplifié) tR 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training D T 441 A VM PA Volume offert au gaz dans l'éffet 6 3- INTERPRÉTATION DE L'ALLURE DU CYCLE THÉORIQUE L'allure du cycle théorique donne des indications sur le débit de gaz aspiré ainsi que sur la puissance nécessaire à la compression. a - Débit d'un compresseur alternatif Par cycle, un effet aspire un débit égal à V1 – V4 exprimé dans les conditions de pression et de température qui règnent à l'aspiration (t1 , P1 ). Si un nombre d'effet n e , supposés identiques, débitent en même temps, le débit volume aspiré de l'ensemble du compresseur s'exprime par : avec N = vitesse de rotation en tr/min Qvasp = débit volume à l'aspiration en m3/h V1 , V4 = volume en m3 Qvasp = (V1 – V4 ) • ne • N • 60 P3 1/k avec V4 = V3 •   P4 τ 1/k soit V4 = VM • Qvasp = (V1 – VM • τ1/k) VM = volume mort • ne • N • 60 Vaspire/cycle = V1 – VM V en m3 N en tr/min τ1/k Coefficient d'espace mort Ce coefficient représente le rapport entre le volume mort VM et le volume engendré VE E = VM VE E ~ – 0,15 : pour des petits compresseurs ~ E – 0,03 : pour de gros compresseurs Coefficient volumétrique ou rendement volumétrique Il représente le rapport entre le volume aspiré (V 1 – V4 ) et le volume engendré (VE) V ηv = V aspiré engendré La relation entre coefficient volumétrique et coefficient d'espace mort s'écrit : ηv = 1 – E (τ1/k – 1) 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 9 En première approximation on pourra donc prendre : t 2 réelle = t2 isentropique Par contre, dans les compresseurs où il n'y a pas risque de condensation du gaz contre les parois du cylindre, le refroidissement est généralement plus efficace. La température de refoulement réelle est inférieure de 5 à 10°C à la température isentropique (cas des compresseurs d'air). La puissance de compression s'en trouve également réduite. 2- DÉBIT RÉEL À cause des fuites internes à travers les clapets ou la segmentation mais aussi par les problèmes de retard à la fermeture ou à l'ouverture des clapets, le débit réel du compresseur est inférieur au débit théorique. Pour des machines en bon état de marche on peut estimer les pertes minimales : – de 3 à 5 % pour les compresseurs lubrifiés – de 7 à 10 % pour les compresseurs non lubrifiés Les fuites correspondent à des retours de gaz. Ce gaz a été comprimé, il s'est échauffé et a nécessité une certaine consommation d'énergie. L'influence de ces fuites affecte : – le débit (débit réel < débit théorique) – la puissance car le débit "vu" par la machine est assez proche du débit théorique – la température de refoulement bien que celle-ci soit limitée par le refroidissement des cylindres 3- PUISSANCE CONSOMMÉE À L'ACCOUPLEMENT DE LA MACHINE Par rapport à un fonctionnement théorique isentropique on constate sur un compresseur alternatif réel une augmentation du travail de compression et de la puissance requise. La comparaison des aires des cycles réel et isentropique met en évidence cet accroissement de travail dû aux imperfections de la machine. Le travail réel de compression est parfois nommé travail indiqué. On peut remarquer que le surplus de puissance est dû principalement aux clapets. La qualité du fonctionnement d'un compresseur alternatif est traduite par un rendement indiqué par rapport à l'isentropique ηis défini comme suit : ηis = Wis Aire isentropique Travail isentropique = = Aire réelle Travail indiqué Wi Ce rendement peut être considéré avec une bonne précision comme indépendant de la nature du gaz et des conditions d'aspiration. Par contre, il varie avec le taux de compression et la technologie du compresseur, et, pour un compresseur en service, avec son état mécanique. La valeur de ηis peut être obtenue : – auprès du constructeur pour un compresseur non installé – en effectuant un relevé du diagramme réel pression-volume 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 10 Il faut tenir compte aussi des pertes mécaniques dues : – au fonctionnement de la partie mouvement – à l'entraînement des auxiliaires (pompe à huile, graisseurs) – au frottement des garnitures de tige de piston, des segments, ... On définit alors le rendement mécanique ηm par : Travail indiqué W ηm = Travail à l'accouplement = W i a On utilise parfois également un rendement global ηg permettant d'accéder directement au travail à l'accouplement à partir du travail isentropique. W ηg = W is = η is • ηm a Ce rendement global peut être obtenu par calcul du travail isentropique et mesure sur le site le volume du travail à l'accouplement (ou la puissance consommée). On peut également constater que le rendement isentropique se dégrade pour des pressions d'aspiration faibles. Le tableau ci-après montre les coefficients correcteurs à appliquer au rendement global. Pression d'aspiration bar abs. 01620_A_F τ 0,70 1,0 1,40 2,80 4,20 5,60 7,00 10,0 3,0 0,990 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 2,5 0,980 0,985 0,990 0,995 1,00 1,00 1,00 1,00 2,0 0,960 0,965 0,970 0,980 0,990 1,00 1,00 1,00 1,5 0,890 0,900 0,920 0,940 0,960 0,980 0,990 1,00 © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 11 IV - ADAPTATION D'UN COMPRESSEUR ALTERNATIF AUX CONDITIONS DE SERVICE Les conditions de service d'un compresseur alternatif donné peuvent se modifier durant l'exploitation de l'unité sur laquelle la machine travaille. Le compresseur doit s'adapter aux variations des conditions opératoires. On s'intéresse en particulier dans ce qui suit au comportement d'un compresseur alternatif, notamment la variation de son débit et de sa puissance lorsque l'on modifie : – les pressions d'aspiration ou de refoulement – la température d'aspiration – la nature du gaz 1- EFFET D'UNE VARIATION DE PRESSION • Variation de la pression de refoulement Pour un compresseur aspirant dans des conditions identiques le même gaz, toute modification de la pression de refoulement se traduit par une déformation du cycle telle que représentée ci-après : Pression de refoulement maxi 6 3" PR 3 PR' 3' PA 5 PMH 2" Cycle relatif aux conditions de base Baisse de la pression de refoulement Augmentation de la pression de refoulement 2 2' 4' 4 1 4" Débit pour PR" Débit pour PR Débit pour PR' PMB Volume offert au gaz D T 2045 A PR" On remarque : – qu'une baisse de la pression de refoulement entraîne une augmentation du débit volume aspiré. A la limite, pour une pression de refoulement égale à la pression d'aspiration (τ = 1) le débit est maximum et égal au débit engendré – qu'une augmentation de la pression de refoulement entraîne une baisse du débit volume aspiré. A partir d'une certaine pression de refoulement le débit aspiré est nul Le travail de compression et la puissance absorbée pour un compresseur alternatif à vitesse constante évoluant comme l'aire de la surface intérieure du cycle, la courbe montrant l'évolution de la puissance absorbée en fonction de la pression de refoulement est représentée ci-après. 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 12 Puissance absorbée Puissance maxi Pression de refoulement D T 2044 A Puissance à vide La puissance absorbée passe par un maximum, mais on peut noter que la plupart des compresseurs fonctionnent à une pression de refoulement inférieure à celle correspondant au maximum de puissance. Dans ces conditions, une augmentation de la pression de refoulement s'accompagne d'une augmentation de la puissance absorbée. • Variation de la pression d'aspiration Les déformations du cycle associées à une variation de la pression d'aspiration montrent qu'une baisse de pression s'accompagne d'une baisse du débit volume aspiré. Cycle relatif aux conditions de base Baisse de la pression d'aspiration Augmentation de la pression d'aspiration Pression dans le cylindre P"A 3' 2' 2 2" 1" 4" 1 PA 4 1' 4' P'A PMH Débit pour P'A PMB Volume offert au gaz Débit pour PA Débit pour P"A 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training D T 2047 A PR 13 Il existe une pression d'aspiration minimale en-dessous de laquelle le débit devient nul. Dans le cas d'une pompe à vide alternative refoulant à pression atmosphérique, ceci se traduit par une valeur du vide en-dessous de laquelle la machine ne peut descendre. Une modification de la pression d'aspiration s'accompagne d'une variation de la masse volumique du gaz aspiré. Il en résulte que le débit masse aspiré par le compresseur est plus sensible aux variations de la pression d'aspiration qu'à celles de la pression de refoulement. La courbe qui donne l'évolution de la puissance en fonction de la pression d'aspiration a une allure semblable à celle vue précédemment. Et l'on constate que dans le cas général, une baisse de la pression d'aspiration s'accompagne d'une augmentation de la puissance absorbée. 2- EFFET D'UNE VARIATION DE LA TEMPÉRATURE D'ASPIRATION La position du point 4 (fin de la détente) n'est influencée que par les pressions d'aspiration et de refoulement et par la nature du gaz. Le débit volume aspiré est donc indépendant de la température d'aspiration, dans la mesure où une variation de température d'aspiration ne modifie pas la réfrigération des cylindres. Par contre, la température d'aspiration joue directement sur la masse volumique à l'aspiration ρ A, et donc une augmentation de la température d'aspiration provoque une baisse de débit masse véhiculé par le compresseur. L'allure du cycle théorique n'étant pas modifiée, une variation de la température d'aspiration est sans effet sur la puissance absorbée par un compresseur alternatif (si la réfrigération des cylindres n'est pas affectée). Bien évidemment, la température de refoulement varie avec la température d'aspiration, et toute augmentation à l'aspiration s'accompagne d'une augmentation de la température de refoulement de plus grande amplitude. 3- EFFET D'UNE VARIATION DE LA NATURE DU GAZ On constate généralement dans le cas de compression d'hydrocarbures, dans l'industrie du raffinage et de la pétrochimie, qu'un allégement du gaz aspiré s'accompagne d'une légère augmentation du coefficient isentropique k. Le cycle théorique de compression est indépendant de la masse molaire du gaz mais une variation de k peut en modifier son allure. 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 14 Une augmentation de la valeur de k se traduit par des courbes de compression et de détente plus verticales et modifie le cycle de la façon suivante : Cas normal Pression PR k plus grand (allègement du gaz) 3 2" 2 2' k plus faible (alourdissement du gaz) Courbes de compression PA 1 4' 4 4" PMH PMB Volume offert au gaz D T 2048 A Courbes de détente Conséquences : Un allégement du gaz (augmentation de k pour des hydrocarbures) s'accompagne : – d'une légère augmentation du débit volume aspiré – d'une augmentation de la puissance absorbée – d'une élévation de la température de refoulement En ce qui concerne la variation du débit masse, la conclusion n'est pas directe puisqu'on a en même temps : – une masse molaire réduite – un débit volume aspiré plus important Toutefois, il est constaté en pratique, que l'effet de la masse molaire l'emporte nettement et en conséquence, un allégement du gaz tend à réduire le débit masse. 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 15 V - ADAPTATION DU DÉBIT COMPRESSEUR AU DÉBIT PROCÉDÉ Le débit volume aspiré d'un compresseur alternatif est par conception relativement constant d'autant que les pressions d'aspiration et de refoulement varient généralement peu. Le procédé impose un débit variable mais celui-ci ne peut être qu'inférieur ou égal à celui du compresseur. Il existe toujours une possibilité de régulation du débit par une ligne de recyclage dans laquelle passe la différence entre le débit du compresseur et le débit procédé. Cette solution, externe à la machine, n'est pas énergétiquement intéressante. Elle est cependant très couramment associée à des technologies de variation de débit équipant les compresseurs afin que le débit de recyclage reste faible. PR QP QP : débit du procédé QC : débit du compresseur 1- D T 1464 A QC RÉGLAGE DE DÉBIT PAR ARRÊT DU COMPRESSEUR Pour de petites machines cette solution est couramment utilisée (petits compresseurs d'air comprimé, petits groupes frigorifiques, ...). La mise en route ou l'arrêt se font par pressostats réglés à deux niveaux de pression. La plus petite pression étant au moins égale à la pression désirée sur la ligne, la compression se fait toujours à un taux supérieur à celui requis par le procédé. Ceci conduit à un surcoût énergétique pouvant être important. 2- RÉGLAGE DE DÉBIT PAR MISE À VIDE DE CLAPET Plutôt que d'arrêter la machine avec de nombreux démarrages et arrêts qui réduisent rapidement la durée de vie de la machine et du moteur d'entraînement, il est possible de maintenir la machine en rotation mais sans débit. Ceci est réalisé en maintenant les clapets d'aspiration ouverts grâce à un accessoire dit de "mise à vide" en général équipé d'un servomoteur pneumatique. Lorsque tous les clapets d'aspiration sont mis à vide, il n'y a plus de débit par le refoulement. Air comprimé Le compresseur a alors deux possibilités de débit : – le débit normal – le débit nul D T 1463 B P asp. 01620_A_F Les problèmes énergétiques vus dans le cas précédent restent identiques. © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 16 Monocylindre double effet 2 cylindres, mono étage double effet 100 % 50 % 0% 100 % 75 % 50 % 25 % 0% D T 1462 A La mise à vide peut également se faire par effet lorsqu'il y en a plusieurs sur un même étage, ce qui permet un choix entre plusieurs débits. Le fonctionnement du compresseur se fait alors : – soit en imposant le débit de la machine en maintenant à vide le nombre d'effets nécessaires et en recyclant le surdébit – soit en régulant le débit (moyen) du compresseur en faisant fonctionner la machine à 2 niveaux de débit correspondant chacune à des mises à vide différentes commandées par des seuils de pression Dans les deux cas l'optimum économique n'est pas atteint puisque dans le 1er cas une partie du gaz comprimé est recyclée et dans le 2 ème cas la pression de refoulement est toujours supérieure à celle strictement nécessaire au procédé. 3- RÉGLAGE DU DÉBIT PAR MODIFICATION DE L'ESPACE MORT Le débit d'un compresseur alternatif a été défini par : Qvasp = (V1 – VM • τ1/k) • ne • N • 60 En modifiant VM, on constate que l'on modifie le débit aspiré. Pour un même volume mort, le débit dépend de τ et dans une moindre mesure de k. Pour des conditions de procédé fixées (gaz, taux de compression) et une vitesse de rotation constante, il existe deux solutions pour modifier le débit du compresseur par variation de l'espace mort : • Espace mort additionnel à volume fixe Cette solution permet de donner deux débits à l'effet équipé de l'espace mort additionnel. Combiné à des espaces morts additionnels sur d'autres effets et à la mise à vide des clapets, il est possible d'avoir de nombreux étagements du débit avec cependant les mêmes problèmes de non optimisation énergétique. Ce système est très facilement automatisable, notamment par un servomoteur de conception proche (ou identique) à celui utilisé pour la mise à vide des clapets. 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 17 • Espace mort à volume variable Dans cette solution le volume de l'espace mort est variable de façon continue. A chaque position donnée correspond un débit, ce qui, en théorie, permet tous les débits possibles et permet donc la meilleure optimisation possible. Espace mort additionnel à volume variable (le piston se déplace progressivement) Espace mort à volume fixe additionnel (la vanne est ouverte ou fermée) D T 1465 A En pratique il n'est pas économiquement intéressant de concevoir une régulation sur l'espace mort à volume variable, notamment dû au coût d'un système de régulation automatique. Seul le réglage manuel se rencontre en usine et il est alors indispensable de compléter cet équipement par une ligne de recyclage ou une mise à vide de clapet. 4 - RÉGLAGE DE DÉBIT PAR RETARD À LA FERMETURE DES CLAPETS D'ASPIRATION Une solution de réglage continu du débit d'un effet consiste à refermer le clapet d'aspiration, non pas au point mort bas mais en cours de "compression". Dans ce cas une partie du gaz est retourné à l'aspiration lorsque le clapet d'aspiration se ferme, ce qui réduit le débit de l'effet. Cette solution, très intéressante sur le plan énergétique, reste cependant coûteuse à l'installation et quelquefois à la maintenance. Deux solutions sont utilisées : – une solution mécanique où une force modulée par la pression d'un signal pneumatique (par exemple 0,2 à 1 bar) tend à ouvrir le clapet et s'oppose à une force variable provenant de l'effet de la pression du cylindre sur le clapet. Cette pression, correspondant à la perte de charge dans le clapet, augmente très rapidement en fonction de l'avance du piston dans le cylindre – une solution électronique qui permet, grâce à des technologies modernes d'effectuer des ouvertures et fermetures de clapet avec des temps de réponse très courts et une grande précision Signal électro vanne rapide Air modulé 0,2 à 1 bar P asp. 01620_A_F Pcylindre © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training D T 1463 A Pcylindre P asp. 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Espace mort additionnel à volume fixe Segments Chemise Soupape Lanterne Garniture de tige Tige de piston Piston Crosse Volant d’inertie Garniture racleuse d’huile Entretoise Guide de crosse Palier de vilebrequin Bielle Reniflard Vilebrequin Trappe de visite de l’entretoise Pompe de graissage des cylindres Bâti carter Pompe à huile Mouvement Filtres à huile D T 726 C COMPRESSEUR ALTERNATIF — 2 cylindres horizontaux double effet — 18 VI - TECHNOLOGIE DES ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS AUX COMPRESSEURS ALTERNATIFS 19 • Le cylindre et le piston Le cylindre est conçu pour supporter la pression du gaz, assurer un refroidissement provenant de la compression, permettre le passage des clapets, supporter le frottement du piston (ou des segments). Le prix du cylindre conduit à rechercher une diminution de son usure (lubrification) et du coût de sa réparation (chemises). Si la lubrification par l'huile n'est pas acceptable (problème de sécurité, pollution du gaz, ...) il est nécessaire d'utiliser des segments autolubrifiants (PTFE chargé ou carbone). • Les segments d'étanchéité Suivant la nature du gaz, la lubrification du cylindre ou non, les segments sont en fonte, en carbone, ou en plastique (PTFE chargé, Celeron, ...). L'usure des segments se traduit par une fuite de gaz d'un effet à l'autre ou du cylindre dans le carter (simple effet). La conséquence en est une diminution du débit du compresseur et une augmentation de la température de refoulement du gaz. Demi-piston arrière Segments porteurs (téflon) Demi-piston avant Entretoise de piston Segments d'étanchéité D T 320 A Ecrou de blocage • Les soupapes Il en existe de nombreux types (disques, lamelles, anneaux, poppets, ...). Les clapets disques sont largement les plus répandus en Europe. Ils sont constitués d'un siège sur lequel le clapet vient s'appuyer, de ressort (à disque ou à boudin) pour assurer une légère pression du disque sur son siège, d'une plaque amortisseuse pour limiter le choc du disque lors de son ouverture et une rondelle dont l'épaisseur détermine la levée du clapet. Les pannes des soupapes sont les causes essentielles des interventions mécaniques sur les compresseurs alternatifs. 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 20 D T 733 A Changer une soupape est une opération généralement facilitée par une conception adaptée mais qui nécessite obligatoirement l'arrêt de la machine. Vue éclatée d'une soupape d'aspiration 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 21 • Les étanchéités de tiges de piston par garniture On les trouve sur les compresseurs à double effet. Les matériaux (PTFE, carbone, bronze et métal blanc) permettent de résoudre les problèmes essentiels. Lorsque cela est possible, la garniture est lubrifiée. On peut trouver une conduite de dégazage (vers la torche) et éventuellement une réfrigération des cuvettes par un circuit d'eau. Un "saut de tige" excessif est souvent la cause essentielle de la détérioration de ces garnitures. Cylindre Lanternes Chapeau Graissage éventuel Tirants d'assemblage Coté entretoise Coté cylindre Tige de piston Anneaux d'étanchéité D T 734 A Dégazage Certaines garnitures reçoivent un gaz de barrage (N2 en général) dans une hauteur placée entre le dégazage et l’entretoise. Cette solution évite la présence du gaz comprimé d’aller dans l’entretoise. • Le mouvement Constitué par un vilebrequin, monté sur 2 patins (ou plus), par les bielles fixées d'un côté sur les manetons du vilebrequin et de l'autre sur l'axe du coulisseau (ou crosse), par un coulisseau se déplaçant sur sa glissière, l'ensemble "Mouvement d'un compresseur" est un ensemble fiable. Une lubrification efficace ainsi qu'une bonne assise du bâti peuvent assurer un fonctionnement de très longue durée. 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 22 • Les auxiliaires Pour un fonctionnement correct le compresseur doit être équipé d'un certain nombre de circuits auxiliaires : – eau de refroidissement – huile mouvement – huile en contact avec le gaz – sécurité, purges, ... Eau de refroidissement Elle sert à limiter la température du cylindre, des fonds de cylindre et éventuellement de la garniture. Pour les compresseurs de gaz et afin d'éviter des risques de condensation dans le cylindre, la température de l'eau doit être supérieure à celle d'aspiration du gaz (API 617). La qualité de l'eau est très importante pour la fiabilité de la machine. Huile de mouvement Un circuit d'huile classique avec pompe attelée et éventuellement pompe auxiliaire électrique, filtre, réfrigérant et régulateur de pression permet la lubrification des paliers, manetons, axes de coulisseau et glissières. Une sécurité de pression basse est généralement prévue qui empêche le démarrage du compresseur ou l'arrête. Huile en contact avec le gaz Un système de pompes multiples ou de distributeurs permet l'envoi d'une quantité d'huile déterminée sur chaque point à graisser : cylindre, garniture mécanique. La nature de cette huile doit être choisie en fonction de la nature du gaz. Autres circuits 01620_A_F – Circuit de dégazage vers la torche de la garniture et si elle existe de l'entretoise – Circuit d'azote pour dégazer les entretoises – Purge d'huile et de condensats – Évent de la 2e entretoise vers l'atmosphère © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training PI © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training FG Azote Vers torche Atm. TI Purge FAL TI TI TI TI TI Eau de réfrigération TI TI FAL Atm. Vers torche FG D T 314 C 01620_A_F LG LAL TI COMPRESSEUR ALTERNATIF À PISTONS — Circuit de réfrigération et utilités — 23 01620_A_F © 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training LG LAL Voyants Lubrification des cylindres et des garnitures Graisseur mécanique PAL TI Pompe attelée LG LAL Pompe manuelle TI Lubrification de l'ensemble en mouvement Vanne thermostatique Réfrigérant d'huile Eau de réfrigération TI PC COMPRESSEUR ALTERNATIF À PISTONS — Schéma de lubrification — dPI PI PSLL PAL 24 D T 315 C