MEMOIRE -...

وزارة التعليم العالي و البحث العلمي

BADJI MOKHTAR ANNABA-UNIVERSITY جامعت باجي مختارعنابت

UNIVERSITE BADJI MOKHTAR ANNABA

FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIORAT

DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE

MEMOIRE

PRESENTE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE MASTER

INTITULE

DOMAINE : SCIENCES ET TECHNOLOGIE

FILIERE : MASTER

SPECIALITE : ENERGETIQUE ET ENVIRONNEMENT

PRESENTE PAR : SEDRA AMINA

DIRECTEUR DU MEMOIRE : DR A. HAOUAM

DEVANT LE JURY

PRESIDENT: H. MZAD PR UBM-ANNABA

EXAMINATEURS : L. BOUMARAF Pr UBM-ANNABA

A. DJEMILI MC-A UBM-ANNABA

A. HAOUAM MC-A UBM-ANNABA

Année 2016 / 2017

CONTRIBUTION à L’ETUDE DES COMPRESSEURS DU

PROCESS MR (MIXED REFRIGERANT) DU COMPLEXE

GL1-K SKIKDA

i

Remerciements

Je tenais à remercier en premier avant tous « Allah » qui

m’a donné le courage et la volonté pour arriver à ce niveau

et réaliser ce travail.

Je remercie chaleureusement mon encadreur Docteur

« A.HAOUAM» qui m’a guidée et encourager tout le long de

ce travail, pour sa compréhension, sa patience, sa

compétence, et ces précieuses remarques.

Sans oublier Mrs « Djouimaa Messoud» pour ces précieuses

informations chargé de………….à GL1K du Skikda.

Ainsi que mes professeurs qui m’a préparés et soutenus

pendant toute les ‘années de mes études.

Je tenais à remercier également, le président de Jury et les

membres du jury pour l’honneur qu’il m’a fait acceptant de

juger et d’évaluer mon travail.

ii

Dédicace

Merci Allah de m’avoir donné la capacité d’écrire et de

réfléchir, la force d’y croire,la patience d’aller jusqu’au bout

de la réussite.

Je dédie ce modeste travail à celle qui m’a donnée la vie et la

tendresse qui s’est sacrifiée pour mon bonheur et ma

réussite, à ma mère « Meriem »

A mon frère « ABD El El REZEK » qui a été mon ombre

durant toutes les années des mes études,

et qui a veillé tout au long de ma vie à m’encourager, et

m’aider et me protéger

QUE dieu les gardes et les protèges.

A tous ceux qui me sont chères,

A tous ceux qui m’aiment,

A tous ceux que j’aime ,

Je leurs dédie ce travail.

SOMMAIRE

Introduction………………………………………………………………….

Chapitre I : présentation du complexe du GL1K

I.1 Le gaz naturel……………………………………………………………1

I.2 Découvert du gaz naturel en Algérie ………………………………….2

I.3 Le but de la liquéfaction du GN………………………………………..3

I.4 Présentation du complexe GL1K………………………………………3

I.4.1 Situation géographique…………………………………...3

I.4.2 L’installation de lesquelles se constitue le complexe …...3

I.4.3 Distribution du gaz naturel ……………………………...4

I.4.4 Processus de traitement et liquéfaction de GN………….5

I.4.4.1 Description des unités ………………………………….6

a) Unité de comptage…………………………………………...6

b) Unité de compression …………………………………….....6

c) Unité de traitement ……………………………………….....6

d) L’unité de liquéfaction……………………………………...6

e) L’unité de fractionnement ………………………………….6

f) L’unité de stockage…………………………………………..8

I.5 procède de liquéfaction ………………………………………………..8

A : Réfrigération pour la liquéfaction du gaz naturel …….....8

B : Réfrigération pour le fractionnement……………………..9

C : Un échangeur principal…………………………………….9

I.6 Les utilités……………………………………………………………...10

1) L'énergie électrique………………………………….11

2) Unité de production d'air de service et d'air …………….11

3) La salle de contrôle principale comprend………………...12

4) Le système de contrôle et de sécurité……………………...12

Chapitre II : Généralités sur les compresseurs dynamique

II.1 Introduction………………………………………………………….15

II.2 Définition …………………………………………………………….15

II.3 Classification géniale………………………………………………...15

II.3.1 Les compresseurs volumétriques………………………….15

II.3.2 Les compresseurs dynamiques……………………………15

II.4 Présentation des compresseurs dynamiques………………………..17

II.4.1 Les compresseurs axiaux…………………………………...18

II. 4.1.1 Définition du compresseur axial………………………...18

II. 4.1.2 Domaines d’utilisation des compresseurs axiaux……....19

II.4.2 Les compresseurs centrifuges……………………………..19

II.4.2.1 Particularités des compresseurs centrifuges…………....20

II.4.2.2 Domaines d’utilisation des compresseurs centrifuges….20

II.5 Comparaison entre les compresseurs centrifuges et axiaux……….21

II.6.1 Vue externe………………………………………………….22

II.6.2 Vue interne………………………………………………….22

II.7 Dispositif d’entraînement……………………………………………23

II.7.1 Entraînement par une turbine à gaz ou à vapeur………..23

II.7.2 Entraînement par un moteur électrique………………….24

II.8 Principe de fonctionnement……………………………………........24

II.9 Courbes de fonctionnement d’un compresseur…………………….25

II.9.1 Représentation des courbes……………………………….25

II.10 Paramètres liés à la compression des gaz influençant la conception

Des compresseurs…………………………………………………………27

II.10.1 Débit volumique et débit massique…………………………...27

II.10.2 Température de refoulement…………………………………..27

II.10.3 Puissance de compression……………………………………...27

II.10.3 Puissance de compression……………………………………..27

II.11 Limitations des courbes …………………………………………...28

II.12 Pompage et Anti- pompage………………………………………..29

II.12.1 Phénomène de pompage………………………………....29

II.12.2 Anti pompage …………………………………………....29

II.12.2.1 Caractéristiques de la vanne anti-pompage…….........30

Chapitre III : Description et fonctionnement des compresseurs MR

III.1 Introduction………………………………………………………..32

III.2 Caractéristiques des compresseurs (AN200 – MCL1002)………...33

III.3.1.1 Caisse AN 200…………………………………………....35

III.3.1.2 Disposition du contrôle des aubes statiques et

réglables AN 200…………………………………………………..35

III.3.1.3 Rotor AN 200………………………………………….....36

III.3.1.4 Paliers…………………………………………………....38

III.3.2 Compresseur centrifuge Type MCL1002……………......39

III.3.2.1 Caisse MCL 1002……………………………………….41

III.3.2.2 Diaphragmes MCL 1002………………………………..42

III.3.2.3 Rotor MCL 1002………………………………………...42

III.3.2.4 Piston d’équilibrage MCL1002…………………………43

III.3.2.5 Paliers……………………………………….....................44

III.4 Fonctionnement des compresseurs de la boucle MR……...45

III.4.1 Compresseur centrifuge MCL1002………………………45

III.4.2 Compresseur axial AN200………………………………..48

III.5.2 Le compresseur centrifuge MCL 1002…………………..50

Chapitre IV : Calcule thermodynamique des compresseurs du MR

IV.1 Introduction…………………………………………………………51

IV.2 Caractéristiques des compresseurs de la boucle MR……………52

IV.3 Détermination des grandeurs thermodynamiques

Des compresseurs…………………………………………………………53

IV.3.1 Compresseur axial type (AN200) ……………………......53

IV.3.1.1 Calcul des pressions et des températures au niveau De

Chaque étage………………………………………………………53

IV.3.1.2 Calcul du travail polytropique…………………………57

IV.3.1.3 Calcul de la puissance fournie par le fluide…………...59

IV.3.1.4 Calcul des débits volumiques du compresseur par

Chaque étage ……………………………………………………..59

IV.3.1.5 Rendement global……………………………………….63

IV.4 Compresseur centrifuge type (MCL1002)………………………..64

IV.4.1 Distribution de la pression et de la température ……..64

IV.4.1 Calcul du travail polytropique………………………….65

IV.4.2 Puissance réelle du compresseur centrifuge…………..66

IV.4.3 Calcul des débits volumiques du compresseur

(MCL1002) par chaque étage………………………………….68

IV.4 Calcul des débits volumiques ……………………………………70

Chapitre V : SIMULATION DES COMPRESSEUR PAR EES

V.1 Présentation de EES ……………………………………………….71

V.2 Présentation des résultats…………………………………………..72

V.2.1 Résultats du compresseur axial (AN200)……………….72

V.2.2.1 Représentation graphique selon le logiciel ESS

pour l’AN 200……………………………………………….….73

V.2.2 Compresseur centrifuge…………………………………74

Introduction générale

C’est durant la période de stage effectuée au sein du complexe GL1-K Skikda en Mars

2017, que ce thème relatif à l’étude de l’ensemble des compresseurs axial et centrifuge, situés au

niveau de la boucle du réfrigérant mixte appelée couramment MR (Mixed Refrigerant) a été

défini.

Cette boucle fait partie du procédé de liquéfaction du gaz naturel. Son rôle consiste à refroidir et

liquéfier le GN dans l’échangeur principal cryogénique. Les différents constituants du réfrigérant

mixte (MR) sont obtenus à partir du GN. Il s’agit essentiellement de l’azote, de l’éthane, du

méthane et du propane.

L’objectif visé par ce projet de fin d’études est le calcul thermodynamique des

compresseurs dynamiques de la dite boucle MR. Ce qui nécessite d’abord la description

de l’ensemble de ces machines tournantes et surtout la maîtrise de leur fonctionnement,

bien même une compréhension globale des équipements (car ces compresseurs sont

entrainés par des turbines à gaz) constituants le nouveau projet « Megatrain » GL2-K, mis

en service en 2012 en remplacement au GL1-K, détruit suite à un tragique incident en

2004, ayant causé d’importantes pertes humaines et matérielles.

Le calcul thermodynamique sera effectué précisément sur le compresseur axial codifié

AN200 à 14 étages et sur le compresseur centrifuge ayant pour codification MCL 1002 à

4 étages de compression.

Le projet comprend les parties suivantes :

1. Introduction générale

2. Chapitre I : Présentation du complexe GL1-K Skikda

3. Chapitre II : Généralités sur les compresseurs dynamiques du process MR

4. Chapitre III : Description et fonctionnement des compresseurs du MR

5. Chapitre IV : Simulation

6. Conclusion générale.

Ce calcul thermodynamique constituera une contribution à l’étude de ces machines

tournantes et permettra la validation des résultats obtenus en se basant sur les fiches

renfermant les caractéristiques techniques en conditions opératoires de ces compresseurs

dynamiques.

Enfin, la partie simulation constitue une approche de modélisation et permettra sans doute

l’amélioration des performances des machines étudiées.

Chapitre I Présentation du complexe GL1K

1

I.1 Le gaz naturel :

Le gaz naturel (GN) est un mélange des gaz contenant principalement des gaz

d'hydrocarbures. Il est sans couleur et inodore sous sa forme pure. C’est le combustible fossile

le plus propre avec les plus basses émissions d'anhydride carbonique. Le GN est aussi utilisé

comme matière de base importante pour des engrais et des produits pétrochimiques.

I.2 Découverte du gaz naturel en Algérie :

La découverte du GN pour la première fois en Algérie, remonte à l’année 1956 dans les

champs de HASSI R’MEL et AIN AMENAS au sud du pays. Ces champs enferment l’une

des plus importantes réserves nationales du GN. Par la suite, ils se sont reliés aux usines de

production du gaz naturel liquéfié (GNL) aux côtes est et ouest du pays (Skikda et Arzew),

par des gazoducs comme moyen d’acheminement.

Le GN produit par le gisement de « HASSI R’MEL » est acheminé jusqu’au complexe par un

gazoduc d’une langueur de 580 Km et de 40 pouces de diamètre. Le GN qui arrive du

gisement, sous une pression de 42 bars et une température de 25°C possède la composition

molaire suivante :

Composant

%

molaire

Composant

%

molaire

CO2 0.226 iC4 0.281

He 0.169 nC4 0.417

N2 5.454 iC5 0.08

C1 83.252 nC5 0.09

C2 7.909 C6 0.00

C3 2.022 H2O 0.01

Tableau I.1 : les composants chimiques du GN de HASSI R’MEL et leurs fractions molaires


2

I.3 Le but de la liquéfaction du gaz naturel :

La liquéfaction du gaz permet de concentrer un maximum d’énergie dans un volume donné

(600 𝑚3 de gaz sont concentrés dans 1 𝑚3 de liquide ) pour faciliter son transport dans des

conditions optimum aussi bien sur le plan économique que sur celui le plan de la sécurité. Le

GNL est, par la suite, chargé sur des méthaniers vers les terminaux de réception où il sera

vaporisé puis distribué aux clients sous forme gazeuse.

Durant le transport, une partie de la cargaison s’évapore, du fait de l’entrée de chaleur à partir

l’atmosphère. Cette quantité de gaz est récupérée pour être utilisée comme combustible sur le

navire (chaudière ou turbine à gaz).

Fig. I.1 : Exploitation du gaz naturel liquéfaction et transport par navires –citerne de GNL

I.4 Présentation du Complexe GL1K :

I.4.1 Situation géographique :

Le complexe GL1K est situé à 3 km de l’est de la ville de Skikda, dont les déférentes unités

De liquéfaction sont construites sur la côte pour faciliter l’exportation du produit fini.


3

Fig. I.2 : Position géographique du complexe GNL1K

I.4.2 Description des installations du complexe GL1K :

Le complexe comprend principalement :

Le Nouveau Train de GNL : le méga train utilise le procédé APCI (Air Product and

Chemicals Incorporation) pour la liquéfaction du GN.

L’unité 10 et Unités 5P/6P : pour la liquéfaction du GN.

L’unité GPL : pour le traitement et le stockage du propane et du butane.

Installations de stockage et d’expédition de GNL, GPL et de gazoline.

Les utilités

Le réseau de protection anti-incendie :

• Protéger les stocks des hydrocarbures contre les incendies pour atténuer l’incendie et

limiter sa propagation.


4

• Contrôler et éteindre le feu, minimisant ainsi un danger potentiel et limitant sa

propagation possible à d’autres secteurs de l’usine.

I.4.3 Distribution du gaz naturel :

Nouveau Train de GNL

• Ligne de 36’’ d’alimentation principale.

• Ligne de 6’’ de 1er

démarrage des turbo alternateurs.

• Ligne de 10’’ d’appoint GN pour les besoins suivants :

- Protection contre la mise sous vide des bacs de stockage de GNL, Butane, Propane,

Gazoline.

- Balayage des collecteurs de torche

- Pilotes torche et brulot

- Pressurisation / vaporisation du liquide au niveau du Blow down.

- Gaz d’assistance au brûlot

Unités existantes (GL-1/K)

• Ligne de 20’’ vers l’unité 10.

• Ligne de 24’’ vers les unités 5P/6P

• Ligne de 6’’ vers le réseau combustible.

• Ligne de 3’’ vers le pôle 2 (torche, GPL, HELISON)

Capacité de production :

Le complexe de liquéfaction du GN GL1K Skikda produit :

• Production de GNL : 4.5 Millions tonnes/an

• Production d’Ethane : 164 700 tonnes/an

• Production de propane : 207 600 tonnes /an

• Production de butane : 171 400 tonnes/an

• Production de naphta : 108 700 tonnes/an

• Production de gaz de charge riche en Hélium : 163 millions Nm3/an.


5

I.4.4 Processus de traitement et liquéfaction du GN :

Fig. I.3 : Processus liquéfaction de GL1K


6

I.4.4.1 Description des unités

a) Unité de comptage :

ROLE : Mesurer et comptabiliser tout le GN entrant aux unités existantes et au Nouveau

Train de GNL. Elle comprend :

• Trois computers totalisateurs

• Trois vannes d’isolement motorisées

• Un chromatographe pour analyse de la composition et de la densité du gaz afin de

calculer le débit massique du GN entrant.

• Un analyseur de CO2 en ligne

b) Unité de compression :

A la sortie du système de comptage (42 bar et 25°C) le GN est comprimé jusqu'à 66 bars pour

faciliter sa liquéfaction. L’énergie requise pour la liquéfaction sera diminuée, ce qui augmente

le rendement de l’installation. Cette énergie et fournie par les turbines à gaz qui entrainent les

compresseurs de réfrigération.

c) Unités de traitement :

Avant la liquéfaction, le GN doit subir trois traitements pour être débarrassé de trois

éléments :

• Le gaz carbonique : 𝐶𝑂2

• L’eau : 𝐻2𝑂

• Mercure : 𝐻𝑔

Les unités de traitement sont :

- L’unité de décarbonatation :

Pour éliminer le 𝐶𝑂2contenu dans le GN qui arrive a 0.19% doit être réduit à 50 Ppm pour

éviter la solidification dans la section liquéfaction par adsorption chimique par une solution

de Méthyle Di éthanol Amine activé (MDEA) Concentré à 60% eau et 40% Amine, Cette


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solution misse en contacte avec le GN, l’unité de décarbonatation est conçue pour traiter un

gaz naturel chargé jusqu’à 0,2% de𝐶𝑂2 [1]

- L’unité de déshydratation :

Lors de la liquéfaction, le GN est refroidit par étape depuis +35°c à –164°c. Si l'eau, contenue

dans le gaz, n’est pas extraite elle se solidifierait et pourrait provoquer le bouchage de

l'échangeur principal (15-MC05) d'où la baisse du rendement d'échange thermique. Le

séchage est réalisé par trois sécheurs qui fonctionnent alternativement, par circulation du gaz

carbonaté du haut en bas sur des tamis moléculaires ayant un haut pouvoir d'adsorption. Le

taux d'humidité à la sortie doit être inferieur à 1ppm.

- L’unité de démercurisation :

La dernière unité de traitement, elle est conçue pour éliminer le mercure du gaz a travers

l’adsorbeur de mercure (14-MD01) qui contient un lit de charbon actif pour protéger la

section cryogénique de l’usine, cette unité est conçue pour réduits le niveau de mercure dans

le gaz à moins de 5ng/N𝑚3.

d) L’unité de liquéfaction :

La liquéfaction est la 6ème

étape dans le processus de traitement et de liquéfaction du GN.

C’est la plus importante, elle consiste à combiner entre l’abaissement de la température du gaz

et l’augmentation de sa pression. C’est-à-dire, en comprime suffisamment le gaz puis on

enlève sa chaleur par un fluide réfrigérant (MR) dans l’échangeur principal Ce fluide à son

tour, sera auto-refroidit à contre courant dans le même échangeur cryogénique, ensuite par

échange de chaleur dans des condenseurs dont le fluide réfrigérant est le propane. La chaleur

du GN est ainsi enlevée, le GNL est liquéfié à une température de -162°c sous la pression

atmosphérique est stocké dans un bac de 150 000 m³.

e) L’unité de fractionnement :

Le rôle de cette section séparer les constituants lourds (éthane, propane, butane, gazoline

C5+) du gaz traité pour avoir un GNL qui répond aux spécifications commerciales.


8

f) L’unité de stockage :

Le but de cette unité est de stoker le GNL produit du nouveau train de GNL, elle comprend :

• un bac de stockage de GNL d’une capacité de 150 000 m³, de type confinement

intégral, structure en béton à toit suspendu.

• un bac de stockage de propane d’une capacité de 66 000 m³, type confinement

intégral.

• un bac de stockage de butane d’une capacité de 66 000 m³, type confinement intégral.

• unité de réfrigération GPL (les gaz d’évaporation des bacs, retour du gaz des navires

GPL, GPL venant de la raffinerie).

• Une sphère de stockage de gazoline de capacité total de 3760 m³.

I.5 Procédé de liquéfaction :

Le procédé utilisé est celui d’APCI (Air Product Chemicals Incorporation) qui utilise deux

boucles de réfrigération :

• Réfrigération pour la liquéfaction du GN.

• Réfrigération pour le fractionnement.

A –Réfrigération pour la liquéfaction du gaz naturel :

Comprend à son tour deux boucles :

Une boucle de réfrigération (pré refroidissement) au propane (Pr) comprenant :

• Un compresseur de propane à 4 étages (16-MJ04) entrainé par une turbine à gaz

• Une batterie d’évaporateurs

Le rôle de cette boucle de réfrigération est de :

• Pré-refroidir environ 2/3 du réfrigérant principal de +40°C à -36°C avant son

utilisation dans l’échangeur cryogénique principal où il va refroidir le GN.

• Pré-refroidir le gaz naturel décarbonaté et sec de + 22°C à -35°C avant son

entrée dans l’échangeur principal cryogénique.

Une boucle de réfrigération au réfrigérant mixte (MR), comprenant :

3 compresseurs :


9

• 1er

compresseur 16-MJ01, est un compresseur axial AN200 de puissance 63,926 MW

« Corps BP ».

• 2ème

Compresseur 16-MJ02, c’est un compresseur centrifuge MCL1002 de puissance

19,685 MW « corps MP ».

• 3ème

Compresseur 16-MJO3 c’est un compresseur centrifuge BCL804 de puissance

28,6 MW « corps HP ».

• Une batterie d’évaporateurs.

• Une batterie d’aéroréfrigérante.

Le rôle de cette boucle de réfrigération est de refroidir et liquéfier le GN dans l’échangeur

principal cryogénique. Les différents constituants du réfrigérant mixte (MR) sont obtenus

à partir du GN.

B-Réfrigération pour le fractionnement

Une boucle externe de réfrigération au propane comprenant :

• Un compresseur de propane (20-MJ01) à 4 étages (22 MW) entraîné par une turbine

à gaz (31 MW).

• Une batterie d’évaporateurs

• Une batterie d’aéroréfrigérante

Le rôle de cette boucle de réfrigération est de:

• Pré-refroidir environ 1/3 du réfrigérant principal de +40°C à -36°C avant son

utilisation dans l’échangeur cryogénique principal où il va refroidir le GN.

• Assurer la réfrigération pour les échangeurs de l’unité de fractionnement.

C-Un échangeur principal de type bobiné pour la liquéfaction.

ROL : Refroidir et condenser la charge de GN

Cet échangeur est du type bobiné à faisceau et calandre en aluminium. Il comporte 3

faisceaux :

• Le faisceau GN - GNL

• Le faisceau MR - vapeur

• Le faisceau MR - liquide


10

NB : Le Nouveau Train de GNL n’utilise pas d’eau de mer (sauf pour le réseau incendie). II

n’utilise pas non plus de vapeur. Les échangeurs (rebouilleurs et réchauffeurs) utilisent de

l’huile comme fluide de chauffage: Cette huile est elle-même chauffée par les gaz

d’échappement de la turbine d’entrainement du compresseur principal de propane. [1]

Fig. I.4 : Les boucles MR et PR

I.6 Les utilités :

Le rôle des utilités est de fournir les éléments nécessaires au fonctionnement du nouveau train

de GNL qui compose :


11

Fig. I.5 : Les utilités

1- L'énergie électrique:

• 05 groupes générateurs Diesel de 1.8 MW.

• 05 turbos générateurs de 25 MW.

• 06 sous stations pour la distribution électrique.

2- Unité de production d'air de service et d'air d'instrumentation:

• (03) compresseurs de capacité 3300 Nm³/h et une batterie de sécheurs d'air

Réseau commun:

• Traitement des eaux de pluie et huileuses.

• Réseau d’azote provenant de GL1/K

• Réseau d’eau incendie interconnecté à GL1K

• Réseau eau potable à partir de l’eau industrielle

• Réseau eau déminéralisée

• Réseau torche : une torche recevant les gaz du train de GNL1K, une torche basse

pression pour bruler le boil off, un brulot recevant les liquides torches.


12

3- La salle de contrôle principale comprend:

• Les postes de conduite et les équipements associés.

• Les salles engineering et maintenance.

• La salle de formation OTS (simulateur).

• La salle de réunion, cuisine, vestiaires...

4- Le système de contrôle et de sécurité :

• il comprend un ensemble de systèmes regroupés à le sein de l’ICS (Instrument Control

System).

• Le système de contrôle utilisé est le DCS EPKS (Experion Process Knowledge System

R310).


13

Fig. I.6 Présentation générale du Méga Train


14

Fig. I.7 : Vue panoramique du complexe GL1K

Chapitre II Généralités sur les compresseurs dynamiques

15

II.1 Introduction

Dans ce chapitre, on s’intéressera aux aspects généraux relatifs aux compresseurs ; plus

particulièrement au type de compresseurs dits dynamiques, à leur fonctionnement, à leurs

domaines d’utilisation, à leurs caractéristiques techniques et à leur description générale.

II.2 Définition :

Le compresseur est une machine qui a pour fonction, d’élever la pression d’un fluide

compressible qui le traverse.

Son nom traduit le fait que le fluide se comprime « son volume diminue » au fur et à mesure

de l’augmentation de pression.

Les gaz étant des fluides compressibles nécessitent des compresseurs, alors que les liquides

pratiquement incompressibles, nécessitent des pompes.

Pour des taux de compression très faibles, les gaz peuvent être considérés comme

incompressibles.

II.3 Classification générale :

Les machines de compression reçoivent de nombreux noms qui ne sont pas liés à leur

conception et leur technologie, mais à leur utilisation, qu’elle soit industrielle ou domestique.

La littérature divise ces machines en deux grandes familles :

II.3.1 Les compresseurs volumétriques :

Dans ces appareils, l’accroissement de la pression est obtenu au moyen d’une réduction du

volume occupé par le gaz. A leur tour, les compresseurs volumétriques sont divisés en deux

types : alternatif et rotatif.

II.3.2 Les compresseurs dynamiques :

Le diagramme suivant montre les domaines conventionnels des différentes machines. Il

montre principalement que les critères les plus fondamentaux de présélection d’un type de

compresseurs sont la pression de calcul (pression de refoulement maximale) et le débit

correspond au débit volume aspiré. (Fig. II.1)


16

Fig. II.1 : Evolution du débit en fonction de la pression pour les différents types de compresseurs

Tableau II.1 Caractéristiques des différents types de compresseurs

Dans ces machines, l’énergie est transférée au gaz par l’intermédiaire d’un aubage animé d’un

mouvement rotatif, ce qui confère à ces machines le nom de rotodynamique (Techniques de

l’ingénieur). Les compresseurs dynamiques se divisent en deux ; centrifuges (Fig. II.2) et

axiaux. (Fig. II.3).


17

II.4 Présentation des compresseurs dynamiques:

Dans les compresseurs dynamiques, l’énergie nécessaire au fonctionnement du compresseur est

dépensée sous forme de travail. Cette énergie est transformé en énergie cinétique du fluide à

comprimer sera à son tour est transformée en pression.

Fig. II.2 : Compresseur centrifuge.

Fig. II.3 : Compresseur axial


18

La classification de ces machines est basée sur la forme géométrique des roues :

II.4.1 Les compresseurs axiaux : le fluide entre et sort avec une vitesse débitant

approximativement axiale dans la traversée de la roue mobile. (Fig. II.4)

Machines caractérisées par des débits importants, mais des taux de pression limités

Fig. II.4 : Roue axiale

II. 4.1.1 Définition du compresseur axial

Le nom de ce type de compresseur vient du fait que le gaz longe l’axe du compresseur. Ce

compresseur est muni de plusieurs ailettes qui guident le gaz vers la prochaine rangée

d’ailettes et cela jusqu’à la décharge du gaz à la dernière rangée. Ainsi la rangée d’ailettes la

plus grande en diamètre sera l’admission du gaz et la plus petite en diamètre sera le coté de

décharge.

Ces compresseurs sont très couteux à l’achat. Il y a un gros travail d’usinage pour les ailettes,

l’axe doit-être parfaitement aligné et solide pour assurer la compression à des hautes vitesses

de rotation (de 5000 à 12 000 tour/min) et il ne faut pas négliger le fait qu’il y ait beaucoup de

matière (acier traité contre les hautes températures) !

Il est souvent nécessaire d’avoir plusieurs étages de compression car il y a un taux de

compression maximal par étage. Ces compresseurs fonctionnent de manière continu ce qui les

rend particulièrement intéressant pour les unités qui fonctionnent elles aussi de façon

continue. Il faudra veiller à ce que le gaz qui entre n’ait ABSOLUMENT aucun liquide,

même des gouttelettes. Une gouttelette liquide à son entrée équivaut à une balle qui entre dans


19

le compresseur étant donné la vitesse de rotation de l’arbre. Les ailettes s’abiment et il faut les

remplacer pour que le compresseur fonctionne à nouveau. Ce coût est à ajouté à l’arrêt de

production de l’unité.

Il faut donc mettre un ballon séparateur en entrée de compression afin d’éviter ce risque. De

même, il faut veiller à ne pas atteindre le point de condensation en sortie par une trop haute

pression. Il faut donc un ballon séparateur entre chaque étage la plus part du temps.

Ce type de compresseur, comme les compresseurs centrifuges peuvent être entrainés par une

turbine. Ce couplage est très souvent réalisé. Les compresseurs ont une grande inertie due au

faite de leur grande vitesse de rotation.

II. 4.1.2 Domaines d’utilisation des compresseurs axiaux :

Les compresseurs axiaux sont des machines réceptrices à écoulement axial du

compressible, ils sont utilisés dans les turbines à grande puissance et dans les turboréacteurs

d’aviation, ils sont caractérisés par un nombre d’étage important et un faible taux de

compression.

Les compresseurs axiaux utilisent les mêmes principes que les compresseurs centrifuges.

L'impulseurs possède des ailettes sur sa périphérie qui accélèrent le gaz dans la direction de

l'axe de rotation.

Les compresseurs axiaux sont adaptés à traiter des débits supérieurs aux compresseurs

centrifuges mais avec des taux de compression inférieurs.

L'étage d'un compresseur d'un moteur civil donne des valeurs entre 1,15 et 1,6, en condition

optimale d'utilisation. Pour augmenter ces valeurs, on augmente le nombre d'étages du

compresseur axial et la vitesse de rotation.[2]

II.4.2 Les compresseurs centrifuges : le fluide sort approximativement dans un plan

radial, l’entrée pouvant ne pas être radiale. Le fluide ressort en périphérie et est collecté par le

biais d'une volute. (Fig. II.5)

Machines caractérisées par des débits limités et des taux de pression important.


20

Fig. II.5 : Roue centrifuge

II.4.2.1 Particularités des compresseurs centrifuges

Les compresseurs centrifuges offrent une augmentation de la densité du fluide de travail

supérieure à 5 %. Également, les fluides qui les traversent voient leur vitesse augmenter au-

delà de Mach 0,3 dans le cas de l'air ou de l’azote.

De façon idéalisée, le compresseur dynamique obtient une augmentation de pression en

ajoutant de l'énergie cinétique ou de la vitesse à un jet continu de fluide grâce à un rotor ou à

un étage de compression. L'énergie cinétique acquise est alors transformée en une

augmentation de la pression statique en freinant le flux à travers un diffuseur.

II.4.2.2 Domaines d’utilisation des compresseurs centrifuges

Le compresseur centrifuge est utilisé :

- dans les gazoducs (pour déplacer le GN du gisement au consommateur).

- dans les raffineries de pétrole et sur les sites de traitement de gaz naturel,

pétrochimiques et chimiques.

- sur les sites de séparation de l'air (pour fabriquer des produits gaziers).

- dans les appareils de réfrigération de climatisation.

- dans les appareils fournissant de l'air comprimé .

- dans les turbines à gaz et les unités auxiliaires de puissance.

- dans les systèmes de pressurisation à bord des aéronefs (dans le but de maintenir une

pression sécuritaire et confortable aux personnes).

- dans les turbocompresseurs (qui servent à augmenter la puissance des moteurs à

essence ou au diesel).

http://fr.wikipedia.org/wiki/Densit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Vitesse

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mach

http://fr.wikipedia.org/wiki/Air

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_cin%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rotor

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pression_statique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffuseur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gazoduc

http://fr.wikipedia.org/wiki/Raffinerie_de_p%C3%A9trole

http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole

http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trochimie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Chimie

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=S%C3%A9paration_de_l%27air&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9frig%C3%A9ration

http://fr.wikipedia.org/wiki/Climatisation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Air_comprim%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Turbine_%C3%A0_gaz

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pressurisation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Turbocompresseur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_%C3%A0_essence



http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_diesel


21

- sur les sites d'exploitation des champs pétrolifères, (pour injecter des gaz dans le sous-

sol dans le but d'augmenter le taux d'extraction).

II.5 Comparaison entre les compresseurs centrifuges et axiaux : (Fig. II.6)

La machine centrifuge, dont l’encombrement diamétral limite l’emploi à des débits

relativement faibles, a l’avantage de donner de forts taux de compression. La machine axiale,

utilisée pour véhiculer des débits élevés caractérisée par un faible taux de compression par

étage.

- Le débit d’un compresseur axial peut atteindre jusqu’à 6 fois celui d’un compresseur

centrifuge

- Le taux de compression d’un seul étage de compresseur centrifuge peut aller jusqu’à

atteindre celui d ‘un compresseur axial à 6 étages.

Fig. II.6 : Courbe comparative entre différents types de compresseurs

II.6 Description des compresseurs centrifuges :

Les compresseurs centrifuges sont généralement des machines de fortes puissances allant de 1

à 20 MW.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_p%C3%A9trolif%C3%A8re


22

Tous les compresseurs centrifuges sont composés essentiellement :

II.6.1 Vue externe : (Fig. II.7)

Extérieurement un compresseur centrifuge se présente généralement sous la forme d’une machine à un

ou plusieurs corps.[2]

Le nombre de corps mis en œuvre dépend du taux de compression.

Fig. II.7 : Vue externe du compresseur centrifuge

Le pâles d'entrée :

Le rôle est de guider le fluide dans la direction adaptée à son entrée dans la roue. Elles

permettent d'adapter la caractéristique du compresseur à des variations de la caractéristique du

réseau. Autrement dit, le débit du fluide peut être maintenu constant en agissant sur la position

de ces pâles.

II.6.2 Vue interne : (Fig. II.8)

Intérieurement un compresseur centrifuge est composé d’une ou plusieurs roues et les

diffuseurs le rotor ensuit le stator.

a) Diffuseur :

Son rôle est de transformer la pression dynamique du fluide en pression statique par la chute

de la vitesse.

La vitesse de rotation de la roue soumet le gaz à une force centrifuge qui se traduit par une

augmentation de vitesse, de pression et de température dans la roue. Le diffuseur puis le canal


23

de retour permettent de ramener le gaz dans la roue suivante en gagnant encore de la pression

par rapport à celle de sortie de roue par ralentissement de la vitesse du gaz.

b) Étanchéités :

On distingue deux types d'étanchéité :

Les étanchéités internes : elles ont pour mission d'éliminer les fuites entre les étages

de compression (retour du refoulement vers l'aspiration par exemple).

Les étanchéités externes : leur rôle est d'éviter les fuites de gaz vers l'extérieur en

particulier au niveau des sorties d'arbre.

c) Le rotor :

Assurer le transfert d’énergie entre l’arbre de la machine et le fluide en mouvement.

d) Le stator :

Modifier la forme d’énergie (énergie cinétique en pression, ou inversement).

II.7 Dispositif d’entraînement :

Les compresseurs centrifuges peuvent être entrainés par un moteur électrique à vitesse

variable, soit une turbine à vapeur ou à gaz.

Selon la vitesse de ces machines d’entrainement, il est possible qu’il y ait un multiplicateur de

vitesse.

II.7.1 Entraînement par une turbine à gaz ou à vapeur :

La turbine à gaz est sauf exception est associée directement au compresseur à l’aide d’un

accouplement. Cette disposition permet de réguler le débit du compresseur de manière

économique par simple variation de la vitesse de rotation de la turbine (Fig. II.9).


24

Fig. II.9 : Entraînement d’un compresseur par une turbine

II.7.2 Entraînement par un moteur électrique :

Le moteur électrique entraîne dans ce cas le compresseur à haute vitesse, par l’intermédiaire

d’un multiplicateur (Fig. II.10).

Dans le cas d’un moteur à vitesse fixe, il est nécessaire de prévoir un système supplémentaire

de réglage du débit.

Fig. II.10 : Entraînement d’un compresseur par un moteur électrique

II.8 Principe de fonctionnement

Évaluation de la pression dans un étage de compression :

Dans un compresseur centrifuge, l’apport d’énergie fournie au gaz sous forme de vitesse et de

pression.

L’augmentation de pression est assurée par les roues, les diffuseurs et les canaux de retour.


25

La rotation de la roue soumet le gaz à une force centrifuge qui se traduit par une augmentation

de vitesse, de pression et de température dans la roue.

Le diffuseur et le canal de retour permettent de ramener le gaz dans la roue suivante en

convertissant encore la pression par ralentissement de la vitesse du gaz.

Fig. II.11 : Variation de vitesse et de pression au passage d’une cellule.

Le taux de compression par cellule est toujours assez faible. Il augmente lorsque :

– la vitesse de rotation augmente

– la masse molaire du gaz augmente

– la caractéristique thermique du gaz (γ) augmente

– la température d'aspiration diminue – le rendement de la machine augmente.

II.9 Courbes de fonctionnement d’un compresseur :

II.9.1 Représentation des courbes

A partir des coefficients « μ » caractérisant le travail polytropique, « δ » coefficient de débit et

du rendement polytropique «η𝑝» du compresseur, ainsi que pour des conditions données de la


26

nature du gaz et de la température d’aspiration, il est possible de tracer la courbe

caractéristique d’un compresseur pour une vitesse donnée.

Les constructeurs expriment la caractéristique d’énergie en fonction du débit de leurs

machines de différentes manières.

Avec :

Le coefficient de travail polytropique

μp

=WP

U22

WP: Travail polytropique en J/Kg et U2 : Vitesse périphérique en m/s

Le coefficient de débit

δ = QV asp

U2 R22

QVasp : Débit aspiré en 𝑚3/s et R2 : Rayon de la roue en m

Fig. II.12 :Travail en fonction du débit Fig. II.13 :Taux de compression en fonction du débit


27

Fig II.14 : Travaial en fonction du débit masse Fig. II.15 :Taux de compression en fonction du débit

II.10 Paramètres liés à la compression des gaz influençant la conception des

compresseurs :

II.10.1 Débit volumique et débit massique :

Le débit aspiré d'une machine est le principal paramètre qui définit sa dimension. Le débit

masse est généralement utilisé par l'exploitant comme objectif de production. Pour un même

débit volumique, donc pour une machine de taille donnée ayant une vitesse fixe, le débit

massique est notamment proportionnel à la pression d'aspiration. La variation de la pression

d'aspiration est un moyen pour modifier le débit masse d'un compresseur.

II.10.2 Température de refoulement :

La température de refoulement dépend :

- du taux de compression, rapport des pressions absolues de refoulement et d'aspiration :

- de la température d'aspiration :

ε =Pref

Pasp

- de la nature du gaz, caractérisée par un coefficient k mesurant l'aptitude du gaz à s'échauffer

lors de la compression

- du type de compresseur et notamment s'il est refroidi ou non


28

- de l'état mécanique du compresseur (usure).

II.10.3 Puissance de compression : La puissance dépend :

-du débit de la machine

-de la nature du gaz

-des conditions d'aspiration

-de l'échauffement du gaz

- des pertes et fuites de la machine

II.11 Limitations des courbes :

La courbe caractéristique «le taux de compression en fonction du débit » a une forme en

cloche dont seule la partie à droite du sommet est en pratique exploitable (Fig. II.16).

A gauche de la courbe, des phénomènes vibratoires très dangereux limitent l’exploitation de

la machine, c’est la zone de pompage.

La machine est conçue avec une résistance mécanique telle que la vitesse ne peut dépasser

une vitesse limite.

Fig. II.16 : Limitation des courbes caractéristiques.

Lorsque le débit devient trop important par rapport au débit nominal, l’écoulement devient

très turbulent avec des blocages soniques.


29

Dans certaines applications, la courbe caractéristique est limitée par la puissance de la

machine d’entraînement.

II.12 Pompage et Anti- pompage :

II.12.1 Phénomène de pompage :

Le pompage est une instabilité de la dynamique des fluides. Elle se produit lorsque le débit

massique à l’aspiration du compresseur devient trop bas par rapport au débit prévu.

L’augmentation de pression en aval du compresseur jusqu’à une pression supérieure à la

pression de refoulement du compresseur crée un écoulement inverse de fluide à l’intérieur du

compresseur (le réseau à haute pression du refoulement se vide dans le réseau à basse pression

de l'aspiration par un débit à contre courant dans le compresseur).

Le phénomène de pompage se manifeste par:

- une instabilité du débit transféré

- du bruit

- des vibrations excessives qui peuvent endommager le joint à labyrinthe, le joint du gaz sec,

les paliers et, si son amplitude est assez haute, la roue peut toucher les diaphragmes et elle

peut les écorcher

- une augmentation de la température au refoulement

Une telle situation peut conduire à:

- une perte de rendement

- des dégâts mécaniques sur les étanchéités, les paliers, les ailettes

- une diminution de la durée de vie du compresseur

Pour éviter les phénomènes de pompage, il est possible de protéger le compresseur par un

système anti-pompage.

II.12.2 Anti pompage :

Il consiste à faire passer un débit minimum dans le compresseur en recyclant vers l’amont le

surplus de gaz par rapport au débit du procédé.

La régulation anti-pompage permet de réguler le débit de recyclage au moyen d’une vanne

(nommée aussi vanne de recyclage) et un contrôleur électronique (Fig. II.17).


30

Fig. II.17 : Système anti-pompage

La solution la plus simple consiste à recycler en permanence un débit fixe de gaz

correspondant au débit minimum requis. Une telle méthode a l'inconvénient de devoir sur

dimensionner la machine et d'occasionner une surconsommation d'énergie permanente. Elle

doit donc être réservée aux machines de faible puissance pour lesquelles l'impact économique

sera limité.

Pour les machines plus importantes on préférera adapter le débit recyclé au besoin réel de la

machine; le recyclage sera ouvert lorsque la machine débitera trop peu et sera refermé lorsque

la machine débitera suffisamment. On installera donc sur le circuit de recyclage une vanne de

réglage pilotée par un contrôleur spécialisé.

Le recyclé est prélevé au refoulement de la machine. Il doit être refroidi avant d'être réinjecté

à l'aspiration. Sans cela, la température du gaz serait supérieure à ce qu'elle est en

fonctionnement normal, pouvant dépasser ce que la machine peu accepter.

II.12.2.1 Caractéristiques de la vanne anti-pompage

Capacité

Elle doit être capable de laisser passer au moins le débit total dont le compresseur est capable.


31

Bruit

La chute de pression au travers de la vanne correspond au relevage total du compresseur et

peut donc être élevée. La vanne doit être choisie pour limiter le bruit qui peut être généré.

Rapidité

L'ouverture de la vanne doit pouvoir être très rapide (1 sec ou moins). Cela peut demander à

sur dimensionner les actionneurs et leurs connexions.

Position de sécurité

Dans la majorité des cas on souhaitera que la vanne s'ouvre en cas de manque d'alimentation

La vanne est conçue pour être capable de recycler le débit entier du gaz du compresseur. Par

des transmetteurs installés directement sur la machine, le contrôleur est capable de connaître

le point réel de travail du compresseur en le comparant avec le point de pompage programmé,

stocké sur la mémoire du compresseur. Le système est capable d’ouvrir la vanne pour rendre

le compresseur dans la zone normale de travail.

Chapitre III Description et fonctionnement des compresseurs MR

32

III.1 Introduction :

Ce chapitre sera consacré à la description et au fonctionnement des compresseurs installés au

niveau de la boucle Mixed Refrigerent (MR) décrite dans le chapitre précédent.

Le gaz de Process est comprimé de 4.30 bar à 32.35 bar par deux étages de compression, en

utilisant un compresseur axial de type AN 200 et un compresseur centrifuge de type MCL

1002. Une partie du gaz de Process impliquée dans l’unité de compression, est extraite du

compresseur axial AN 200 pour être utilisée dans l’installation. Les rotors des deux

compresseurs sont reliés par un accouplement rigide. Ils sont entraînés par une turbine à gaz

de type MS 7001 sur le côté du compresseur AN 200, et compensés par un moteur électrique

du côté du compresseur MCL 1002, par l'accouplement. Aux conditions normales, les deux

moteurs (turbine à gaz et moteur électrique) fournissent la puissance nécessaire pour le

fonctionnement des deux compresseurs.

La disposition des machines comprises dans l’unité est illustrée sur le dessin simplifié

suivant :

Fig. III.1 : Disposition de l’unité de compression – Dessin simplifié


33

III.2 Caractéristiques des compresseurs (AN200 – MCL1002) :

Compresseur AN200

Compresseur MCL1002

Phase de compresseur

1er

(BP)

2éme

(MP)

Gaz comprime

Gaz refroidisseur mixte (MR)

Débit massique (kg/ h)

1344244

1344244

Condition d’aspiration

𝑘1=CP

CV

1.25

1.24

Coef de compressibilité Z1

0.960

0.919

Pression (bar abs.)

4.30

20.76

Température (°C)

-39.2

34.2

Condition de décharge

𝐾2 =CPCV

1.227

1.234

Température

62.1

65.7

Pression (bar abs.)

21.31

32.35

Coef de compressibilité Z2

0.939

0.911

Débit volumique (m3/ h)

240.614

62.986


34

III-3 Description du système de compression de la boucle MR :

III-3-1 Compresseur axial type AN200 :

Le compresseurs sis à SKIKDA du constructeur NUOVO PIGNONE de type AN200, est un

compresseur axial multi-étagé à 14 étages. Il accomplit le premier étage de compression de

l’unité compresseur à refroidissement mixte (Boucle MR).

Sont indiqués par une série de lettres majuscules et de numéros.

Les lettres majuscules AN indiquent un compresseur avec une caisse en deux parties divisée

horizontalement.

Les numéros après les lettres décrivent le diamètre nominal du compresseur.

SON RÔLE : c’est de comprimer le gaz (MR) de 4.3 bar à 21.31 bar par un étage de

compression.

Le compresseur est de type multi – étages, il comprend principalement un ensemble statique

(caisse, diaphragmes, étanchéités, paliers et couvercles) et un ensemble rotatif (rotor constitué

d’un arbre, des roues et d’un piston d’équilibrage).

Fig. III.2 : Dessin d’assemblage simplifié d’un compresseur AN 200


35

III.3.1.1 Caisse AN 200 :

La caisse du compresseur AN 200 consiste en une caisse externe et deux internes. La caisse

externe est divisée en 2 parties, tenues ensemble sur le plan horizontal à travers des goujons

prisonniers. Les surfaces de raccordement sont justement usinées pour un scellement parfait.

La machine est positionnée dans une position transversale, à travers de deux clavettes

parallèles qui ancrent le plan vertical contenant l’axe de rotation. Les clavettes sont

positionnées dans des directrices spéciales soudées à l’embase. La disposition évite tout

déplacement de la caisse, pour le meilleur alignement et permet complètement l’expansion

thermique. Les étanchéités aux extrémités, qui évitent les pertes de gaz de la caisse, sont

placées sur les deux extrémités où le rotor sort de la caisse. Les paliers du rotor sont placés sur

deux supports aux extrémités de la caisse.

Cette disposition permet un contrôle des paliers sans démonter le compresseur. Les caisses

internes sont divisées en deux parties, tenues ensembles, sur le plan horizontal par des

goujons prisonniers, et elles ont les surfaces de raccordement justement usinées pour un

scellement parfait. Les caisses internes sont placées dans la caisse externe dans les surfaces et

les logements Usinés correspondants. Un goujon spécial est positionné sur le plan vertical, en

deux places pour chaque caisse interne, prenant la caisse externe et les caisses internes dans la

position de base, pour distribuer de façon égale l’expansion thermique dans les deux

directions et pour prévenir les caisses internes contre rotation. Les caisses internes abritent les

aubes statiques. À la fin du refoulement de la caisse interne, situé en aval et boulonné à la

caisse externe, un diffuseur est assemblé pour convertir en pression l'énergie cinétique du gaz

provenant du dernier étage du compresseur axial.[3]

III.3.1.2 Disposition du contrôle des aubes statiques et réglables AN 200 :

Les aubes statiques sont fabriquées en acier inoxydable. Elles sont assemblées en lignes dans

les caisses internes, alternativement aux lignes d'aubes mobiles. (Fig. III.3)

Les aubes statiques ont deux propriétés : la première est de guider le débit de gaz afin de le

transporter correctement pour la prochaine ligne d'aubes mobiles, la deuxième est de convertir

l’énergie cinétique du gaz, au refoulement des aubes mobiles, en pression. Les premières sept

lignes d’aubes statiques sont aubes réglables. Elles peuvent être positionnées à l’inclinaison

appropriée afin de permettre le changement de débit à une vitesse constante. L'inclinaison des


36

aubes statiques réglables est obtenue à travers d'un actuateur hydraulique et par une série de

renvois.

En amont de la première ligne d'aubes mobiles, une ligne d’aubes statiques réglables est

assemblée sur la caisse interne afin de transporter le débit de gaz pour le premier étage

d'aubes mobiles.

Les aubes réglables de cette ligne sont appelées Aubes Directrices de l’Admission.

Fig. III.3 : Disposition des aubes statiques

III.3.1.3 Rotor AN 200 :

Le rotor est compose de trois parties principales : l’arbre ; les aubes mobiles et le piston

d'équilibrage.

L’arbre est fabriqué en acier forgé, parfaitement usiné et avec les surfaces des tourillons super

finis.

Les aubes mobiles sont fabriquées en acier inoxydable et elles ont le contour de l'aile. Les

aubes mobiles convertissent la pression du gaz en énergie cinétique, qui est ré- transformée en

pression à travers des aubes statiques.

A partir de l’admission vers le refoulement du compresseur axial, à chaque étage de l’aubage

du rotor, le gaz reçoit une augmentation d’énergie cinétique et de pression.


37

Pendant les opérations, le rotor reçoit une poussée axiale générée par la différence de pression

entre l’admission et le refoulement.

Le balancement de la poussée axiale est partiellement obtenu à travers du piston

d’équilibrage, qui est réalisé à travers un usinage approprié de l’arbre au côté opposé du palier

de butée.

La poussée axiale résiduelle est absorbée par le palier de butée. En cette manière, le rotor

tourne dans une position axiale fixe.

Fig. III.4 : Dessin simplifié du rotor AN 200

1. Cône pour assemblage Moyeu de l’accouplement

2. Collet du palier de butée

3. Surface du tourillon


38

4. Etanchéités a l’huile surface correspondante

5. Etanchéités a labyrinthe surface correspondante

6. Plan d’équilibrage côte palier de butée :

7. Aubes tournantes

8. Piston d’équilibrage

9. Plan de balancement butée côte oppose palier

10. Etanchéités a labyrinthe surface correspondante

11. Etanchéités a l’huile surface correspondante

12. Surface du tourillon

13. Cône pour assemblage moyeu de l’accouplement

III.3.1.4 Paliers :

a) Paliers porteurs :

Les paliers porteurs sont du type à patins oscillants avec lubrification forcée.

L’huile sous pression est amenée aux paliers dans le sens radial et passe après dans les trous

pour lubrifier les patins et les segments. L’huile est ensuite déchargée latéralement.

Fig. III.5 : Logement du palier porteur AN 200


39

(A). Patins porteurs.

(B). Blocs en acier.

(C). Une coquille.

(D) .Goujons repère.

(E). Goujon

(F). Anneaux de garde de l’huile

(G). Brides de clôture

b) Paliers de butée :

Le palier de butée, monté sur l’une des extrémités de la caisse, est du type à double action. Il

est positionné sur les deux côtés du collier de butée du rotor.

Il est conçu de façon à absorber la poussée résiduelle qui agit sur le rotor, non entièrement

équilibrée par le piston d’équilibrage.

Le support des paliers et du palier de butée forment une chambre annulaire autour du collier

de butée, minimisant toute perte de puissance à cause de la turbulence de l’huile dans la cavité

du palier provoquée par la vitesse élevée de fonctionnement.

Fig. III.6 : Palier de butée positionné sur le collier

III.3.2 Compresseur centrifuge Type MCL1002 :

Le compresseur centrifuge MCL 1002 est un compresseur centrifuge avec un étage de

compression "dimension" nominale 1000, il est composé d’un arbre avec deux roues


40

(Fig. III.7). Il accomplit le deuxième étage de compression de l’UNITÉ COMPRESSEUR A

REFROIDISSEMENT MIXTE.

Fig. III.7 : Codification du compresseur MCL1002

Le compresseur MCL1002 comprend principalement un ensemble statique (caisse,

diaphragmes, étanchéités, paliers et couvercles) et un ensemble rotatif (rotor constitué d’un

arbre, des roues et d’un piston d’équilibrage) (Fig. III.8).


41

Fig. III.8 : Dessin d’assemblage simplifié d’un compresseur MCL 1002

III.3.2.1 Caisse MCL 1002 :

La caisse du compresseur MCL consiste en deux parties, tenues ensemble, sur le plan

horizontal par des goujons prisonniers. Les surfaces de raccordement sont justement usinées

pour un scellement parfait.

04 (quatre) pieds ressortant de la ligne médiane horizontale et placés sur des piliers spéciaux

soutiennent le corps.

Les pieds à l’extrémité de l’accouplement (ou extrémité de l’accouplement principal) sont

pourvus de clavettes qui positionnent la machine en direction longitudinale.

La machine est positionnée dans une position transversale, à travers de deux clavettes

parallèles qui ancrent le plan vertical contenant l’axe de rotation. Les clavettes sont

positionnées dans des directrices spéciales soudées à l’embase.

La disposition évite tout déplacement de la caisse, pour le meilleur alignement et permet

complètement l’expansion thermique.

Les étanchéités aux extrémités, qui évitent les pertes de gaz de la caisse, sont placées sur les

deux extrémités où le rotor sort de la caisse.


42

Les paliers du rotor sont placés sur deux supports aux extrémités de la caisse. Cette

disposition permet un contrôle des paliers sans démonter le compresseur.

III.3.2.2 Diaphragmes MCL 1002 :

L’ensemble des diaphragmes, monté autour de l’ensemble du rotor, constitue le composant

statique des étages de compression (Fig. III.9).

Les passages annulaires, situés entre les diaphragmes forment les diffuseurs dans lesquels

l'énergie cinétique du gaz à la sortie des roues est convertie en pression. Les passages

annulaires forment également les canaux de retour qui acheminent efficacement le gaz dans

l’œil des roues ou impulseurs.

Les diaphragmes sont divisés sur la ligne horizontale; ils sont assemblés dans la caisse interne

qui est aussi divisée sur la ligne horizontale. La moitié supérieure du diaphragme est fixée à la

moitié supérieure de la caisse à travers de vis sans tête; ainsi permettant le soulèvement de la

moitié supérieure de la caisse sans aucun péril de chute des diaphragmes. Les étanchéités à

labyrinthe sont installées dans les diaphragmes à proximité de tous les points internes de

dégagement au but de minimiser les pertes de gaz provenant des zones de refoulement et

d’aspiration des roues ou impulseurs.

Fig. III.9: Roues et étages de compression MCL 1002

III.3.2.3 Rotor MCL 1002:

Le rotor se compose d’un arbre sur lequel sont montées les roues et les douilles

intermédiaires. Elles servent à positionner axialement les roues et protègent les parties de

l’arbre entre les roues du contact avec le gaz (Fig. III.10).


43

La roue est la partie du compresseur centrifuge qui augmente la vitesse du gaz.

Les roues sont de type fermé avec l’aubage incliné en arrière, frettées sur l’arbre et montées

avec des languettes. Avant d’être montée sur l’arbre, chaque roue est soumise à un équilibrage

dynamique et à un essai de survitesse de 15% supérieure à la vitesse maximale continue.

Pendant le fonctionnement du compresseur, le rotor est soumis à une poussée axiale en

direction de l’aspiration, produite par la différence de pression qui agit sur le contre disque et

sur le disque de chaque roue.la plus grande partie de la poussée axiale est équilibrée par le

piston d’équilibrage. La poussée axiale résiduelle est absorbée par le palier de butée.

Fig. III.10 : Ensemble rotor MCL1002

III.3.2.4 Piston d’équilibrage MCL1002 :

Le rotor du compresseur centrifuge est soumis à une poussée axiale vers l’aspiration, à cause

de la différence de pression entre le disque et le contre disque de chaque roue. La poussée est

en grande partie équilibrée par le piston d’équilibrage monté sur l’extrémité de l’arbre situé à

côté de la roue du dernier étage (Fig. III.11).

Le piston d’équilibrage et sa garniture à labyrinthe forment, sur l’extrémité de l’arbre, la

chambre d’équilibrage. Ceci est obtenu en mettant la surface externe de la chambre

d’équilibrage à une basse pression (correspondant environ à la pression d’aspiration) et créant

ainsi une différence de pression opposée à celle des roues. Cette basse pression est obtenue en


44

connectant la zone arrière du piston d’équilibrage à l’aspiration du compresseur par une

tuyauterie de gaz d’équilibrage.

Les dimensions du piston ont été conçues de façon à réduire considérablement la poussée

axiale sans pour autant l’équilibrer entièrement. La poussée résiduelle est absorbée par le

palier de butée qui assure ainsi l’immobilité du rotor en direction axiale. Le piston

d’équilibrage est fretté à chaud sur l’arbre. L’ensemble des roues, manchons entretoises et

piston d'équilibrage est fixé sur l’arbre au moyen d’un collier de serrage. Après avoir monté le

piston au rotor, l’ensemble sera de nouveau soumis à l’équilibrage dynamique.

Fig. III.11 : Piston d’équilibrage MCL1002

III.3.2.5 Paliers :

a) Paliers porteurs MCL 1002 :

Les paliers porteurs sont du type à patin oscillants avec lubrification forcée.

L’huile, sous pression, est amenée aux paliers en sens radial et, après avoir traversé une

chambre annulaire ménagée dans le logement, elle s’écoule à travers les trous pour graisser

les patins et les segments. L’huile est ensuite déchargée latéralement.

b) Palier de butée MCL 1002 :






45





Le support des paliers et du palier de butée forment une chambre annulaire autour du collier

de butée, minimisant toute perte de puissance à cause de la turbulence de l’huile dans la cavité

du palier provoquée par la vitesse élevée de fonctionnement.

III.4 Fonctionnement des compresseurs de la boucle MR :

III.4.1 Compresseur centrifuge MCL1002

Parcours du gaz dans le compresseur :

Le gaz est aspire par le compresseur MCL1002 à travers la bride d’aspiration. Il entre dans

une chambre annulaire (volute d’aspiration) (Fig. III.12) et converge uniformément vers le

centre de toutes les directions radiales dans la chambre annulaire, du côté opposé par rapport à

la bride d’aspiration. Il existe une ailette pour éviter la formation de tourbillons de gaz. [3]

Fig.III.12 : Volute d’aspiration du compresseur

Le gaz entre dans le diaphragme d’aspiration donc aspire par la première roue. La roue pousse

le gaz vers la périphérie en augmentant sa vitesse et sa pression; la vitesse à la sortie aura une

composante radiale et une composante tangentielle. Suite d’un mouvement en spiral, le gaz


46

parcourt une chambre circulaire formée d’un diffuseur où la vitesse diminue et donc la

pression augmente (Fig. III.13).

Fig. III.13 : Evolution de la pression, de la vitesse et de l’énergie dans un étage de compression

Puis le gaz parcourt le canal de retour ; celui-ci est une chambre circulaire délimitée par deux

anneaux formant le diaphragme intermédiaire où se trouvent les aubes (Fig. III.14) qui ont la

tâche de diriger le gaz vers l’aspiration de la roue suivant. La disposition des aubes est telle à

redresser le mouvement, en spirale, du gaz de manière à obtenir une sortie radiale et une

entrée axial vers la roue suivant. En suite, le gaz est aspire par la deuxième roue. Pour chaque

roue le même parcours se répète.


47

Fig. III.14 : Trajet du gaz dans le diffuseur, canal de retour, diaphragme intermédiaire

La dernière roue de l’étage (par étage on entend la zone de compression entre deux brides

consécutives) envoie le gaz dans un diffuseur qui mène à une chambre annulaire appelée

volute de refoulement (Fig. III.15).

Fig. III.15 : La dernière roue de l’étage de compression


48

III.4.2 Compresseur axial AN200

Le compresseur axial AN200 est composé d'éléments en rotation et d'éléments statiques.

L'arbre central de compresseur AN200, guidé par des paliers porteurs, est composé d'anneaux

composés eux-mêmes d'aubes rotoriques et statoriques.

Alternance de rangées d’ailette fixes et mobiles éventuellement d’inclinaison réglable ; les

ailettes mobiles augmentent la vitesse du gaz qui s’écoule parlement à l’axe du rotor ; les

ailettes fixes ralentissent le gaz qui voit sa pression augmenter (Fig. III.16).

Fig. III. 16 : Parcours du gaz du compresseur axial AN200

Les ailettes rotoriques du rotor de compresseur AN200 sont rapportées sur le disque ou le

tambour par divers systèmes d’attaches (Fig. III.17).


49

Fig. III. 17 : Divers dispositifs de fixation des ailettes

Divers dispositifs mécaniques permettent de modifier l’orientation des aubages statoriques en

vue de maintenir un bon rendement pour divers débits d’utilisation (Fig. III.18)

Fig. III. 18 : Dispositifs d’orientation des aubes statoriques


50

III.5 Protection contre le pompage des compresseurs MR :

III.5.1 Le compresseur axial AN 200 :

Le constructeur Nouvo Pignon utilisé pour la protection contre le pompage du compresseur

trois (03) types de recyclage :

Recyclage chaud : le système de recyclage chaud fonctionne tout/rien, c’est la

protection contre le retour du flux.

Recyclage froid : le système de recyclage froid fonctionne sous le contrôle du

régulateur anti pompage.

Recyclage intermédiaire : ouvert au démarrage pour assurer un taux de compression

à la première rangée du compresseur.[4]

III.5.2 Le compresseur centrifuge MCL 1002 :

Le compresseur MCL 1002 utilise seulement le recyclage froid.

Chapitre IV Calcul thermodynamique des compresseurs MR

51

IV.1 Introduction :

Ce chapitre sera consacré au calcul thermodynamique des deux compresseurs axial et

centrifuge de la boucle Mixed Refrigerant (MR) en se basant sur les données du constructeur.

IV.2 Caractéristiques des compresseurs de la boucle MR :

Le tableau (IV.1) récapitule l’ensemble des caractéristiques des conditions opératoires des

compresseurs (axial AN200 – centrifuge MCL1002) du complexe GL1K DE SKIKDA

données par le constructeur.

Caractéristiques des

compresseurs

Unité

AN200

(axial)

MCL1002

(centrifuge)

Fluide

Pression d’aspiration

Température d’aspiration

Pression de refoulement

Température de refoulement

Rendement polytropique

Bar

°C

Bar

°C

MR

4.3

-39.2

21.29

62.1

86.3 %

MR

20.76

34.20

32.35

65.7

84.1 %

Masse molaire kg/mol K 24.33

Taux de compression global 4.95 1.56

Nombre d’étages 14 2

Exposant adiabatique 𝛾 1.25 1.24

Débit massique kg/h 1344244

Volume à l’aspiration m3/h 240614 62986

Compressibilité moyenne Zm 0.949 0.915

Travail polytropique kJ/kg 146.68 44.76

Puissance sur l’arbre kW 63.92 19.685

Vitesse de rotation tr/min 3600

Diamètre de l’arbre mm 765 375

Diamètre des roues mm 1150/1130


52

Matériau (arbre) : acier au

carbone

ASTM

A471CL2

ASTM

A322

Tableau IV.1 : Caractéristiques des compresseurs (AN200 - MCL1002)

IV.3 Détermination des grandeurs thermodynamiques des compresseurs :

IV.3.1 Compresseur axial type (AN200) :

Fig. IV.1 : compresseur axial à 14 étages

IV.3.1.1 Calcul des pressions et des températures au niveau de chaque étage

- Distribution de la pression

La compression de gaz MR se fait à l’aide d’un compresseur axial (AN200) à 14 étages.

A partir du taux de compression global εG = P15/P1 , on peut déterminer la pression au

niveau de chaque roue :

Les taux de compression de chaque étage sont égaux :

ε1 = ε2 = ε3 = ε4 = ε5 = ⋯ ε14

D’où : εG = ε1 × ε2 × ε3 × ε4 × ε3 × ε4 × ε5 × ……… . . .× ε14


53

La pression à l’entrée d’un étage correspond à la pression de sortie de l’étage précédent et il

n’y a pas de refroidissement intermédiaire.

P15/P1 = P2/P1 × P3/P2 × P4/P3 × P5/P4 × …….P15/P14

On a: Pasp = 4.3 bar et Pref = 21.3 bar

Le taux de compression global est εG =Pref

Pasp=

21.3

4.3= 4.95

D’où la valeur du taux de compression par étage, puis la pression à la sortie :

P2/P1 = (4.95 )1

14 P2 = 4.30 × (4.95 )0.07 P2 = 4.82 bar

ε2 = P3/P2 = (4.95 )1

14 P3 = 4.82 × (4.95 )0.07 P3 = 5.40 bar

ε3 = P4/P3 = (4.95 )1

14 P4 = 5.40 × (4.95 )0.07 P4 = 6.05 bar

ε4 = P5/P4 = (4.95 )1

14 P5 = 6.05 × (4.95 )0.07 P5 = 6.78 bar

ε5 = P6/P5 = (4.95 )1

14 P6 = 6.78 × (4.95 )0.07 P6 = 7.59 bar

En utilisant la même méthode de calcul, on obtient la pression de sortie au dernier étage du

compresseur axial :

ε15 = P15/P14 = (4.95 )1

14 P15 = 18.76 × (4.95)0.07 P15 =21.01 bar

- Distribution de la température

Par définition, le travail polytropique lors d’une transformation polytropique est :

𝑊𝑝 = 𝑍𝑅𝑇𝑎𝑠𝑝𝑘

𝑘 − 1

𝑃𝑟𝑒𝑓

𝑃𝑎𝑠𝑝

𝑘−1𝑘

− 1

avec:

Wp : Travail polytropique en J/mole

Tasp : Température d'aspiration (K)

ηp : Rendement polytropique

Pref : Pression absolue au refoulement

Pasp : Pression absolue à l'aspiration

k : coefficient polytropique

Z : facteur de compressibilité du gaz

R = 8,3145 J/K/mole

Le travail de compression accompagnant une transformation polytropique adiabatique est :


54

𝑊𝑐 = 𝑍𝑅𝑇𝑎𝑠𝑝𝛾

𝛾 − 1

𝑃𝑟𝑒𝑓

𝑃𝑎𝑠𝑝

𝑘−1𝑘

− 1

Le rendement polytropique est par définition :

𝜂𝑝 =𝑊𝑝

𝑊𝑐

=

𝑘𝑘 − 1

𝛾𝛾 − 1

D’où la relation résultant entre les exposants polytropique 𝑘, l’exposant adiabatique 𝛾 et le

rendement polytropique 𝜂𝑝 :

𝑘 − 1

𝑘=

𝛾 − 1

𝛾 𝜂𝑝

Partant du rapport des températures résultant de l’équation de la transformation polytropique

𝑃𝑉𝑘 = 𝐶𝑠𝑡𝑒 pour un gaz parfait :

T2

T1=

P2

P1

k−1 k

On aura:

T2 = T1(P2/P1) γ−1 γηp

On a: T1 = 233.8 K et T15 = 335.1 bar

T2 = T1(P2/P1) γ−1

γηp T2 = 233.8(1.12)0.23 T2 = 239.97 K

T3 = T2(P3/P2) γ−1

γηp T3 = 239.97(1.12)0.23 T3 = 244.76K

T4 = T3(P4/P3) γ−1

γηp T4 = 244.76(1.12)0.23 T4 = 249.66 K

T5 = T4(P5/P4) γ−1

γηp T5 = 249.66(1.12)0.23 T5 = 254.65 K

En utilisant la même méthode de calcul, on obtient la température de sortie au dernier étage

du compresseur axial

T15 = T14(P15/P14) γ−1

γηp

T15 = 302.27(1.12)0.17 T15 = 310.42 K


55

Le tableau suivant résume la distribution de la pression et de la température par étage :

N° P (bar) T (K)

1 4.3 233.8

2 4.82 239.97

3 5.40 244.76

4 6.05 249.66

5 6.78 254.65

6 7.59 259.75

7 8.50 264.94

8 9.52 270.24

9 10.66 275.65

10 11.93 281.16

11 13.36 286.78

12 14.96 292.52

13 16.75 298.37

14 18.76 304.33

15 21.01 310.42

Tableau (IV.2) : Répartition de la pression et de la température par étage du compresseur axial

AN200

- Température en fin d’évolution

La température en fin d’évolution, dépend du taux de compression global, de la température

d’aspiration et de la nature du gaz.

Tref

T1= εG

γ−1 γηp

Tref = 233.8 4.95

1.25−11.25 0.861

𝐓𝐫𝐞𝐟 = 𝟑𝟑𝟕. 𝟕 𝐊


56

IV.3.1.2 Calcul du travail polytropique

Pour calculer le travail mis en jeu dans une compression adiabatique réelle, il y a deux

manières d'opérer :

la première consiste à introduire un rendement appelé rendement isentropique ou

adiabatique, déterminé expérimentalement, qui est défini comme le rapport entre le travail de

compression isentropique et le travail de compression réel ;

la deuxième manière consiste à introduire la notion de polytropique. Pour cela, on fait

l'hypothèse que les irréversibilités sont uniformément réparties pendant l'ensemble de la

transformation. On opte pour cette 2ème

méthode qui conduit à la relation simple pour les gaz

parfaits :

Le travail polytropique de la compression théorique est donné par la relation suivante :

WPol = Zmoy CPmél (Tref − Tasp )

Avec :

Zmoy : Compressibilité moyenne entre l’aspiration et le refoulement Z1+Z2

2

CPmél : La chaleur spécifique du gaz mélange en kJ/kg.K

- Calcul de la chaleur spécifique du MR

Avant de déterminer le travail polytropique WPol , on doit calculer la chaleur spécifique du

mélange gazeux CPmél

:

La chaleur spécifique du mélange du gaz est sous la forme suivant :

𝐶𝑃𝑚é𝑙= 𝐶𝑃𝑋 𝑌𝑋7𝑖=1

𝐶𝑃𝑋 : Chaleur spécifique de chaque constituant du mélange en kJ / kg.K

𝑌𝑋 : 𝐶oncentration massique de chaque constituant du mélange en %.

𝐶𝑃𝑋 = 𝑎 + 𝑏𝑇 + 𝑐𝑇2 + 𝑑𝑇3

a, b, c, d : constantes spécifiques pour chaque constituant du mélange.

T: Température, successivement 𝑇𝑎𝑠𝑝 à l’aspiration et 𝑇𝑟𝑒𝑓 au refoulement en K.


57

CPéthane (𝑇𝑎𝑠𝑝 ) = 6.900 + 17.27 10-2

(233.8) - 6.406 10-5

(233.8)2 + 7.285 10

-9 (233.8)

3 /

30.07

CPéthane (𝑇𝑎𝑠𝑝 ) = 6.900 + 17.27 10-2

(233.8) - 6.406 10-5

(233.8)2 + 7.285 10

-9 (233.8)

3 /

30.07

CPéthane (𝑇𝑎𝑠𝑝 ) = 1.46 KJ/Kg K

CPéthane (𝑇𝑟𝑒𝑓 ) = 6.900 + 17.27 10-2

(335.1) - 6.406 10-5

(335.1)2 + 7.285 10

-9 (335.1)

3 /

30.07

CPéthane 𝑇𝑟𝑒𝑓 = 1.92 kJ/kg K

CPmélange = CPX (𝑇𝑎 ) YX +CPX (𝑇𝑟 ) YX / 2

CPmélange = 1.38 +2.10 / 2

CPmélange = 1.49 kJ/kg K

Le tableau (IV.3) donne la composition du mélange MR et résume les résultats des calculs

obtenus :

Gaz

Symbo

le

Formule

chimique

Masse

molaire

partielle

𝑀𝑋 (Kg/Kmole

)

Fractio

n

molaire

𝑌𝑋(%)

CPX En kJ / kg K.

CPX 𝑌𝑋

CPX (T1)

CPX (T2)

CPX T1

𝑌𝑋

CPX T2

𝑌𝑋

Ethane

C2

C2H6

30.070

37.15

1.46

1.92

0.54

0.71

Méthane

C1

CH4

16.043

48.90

1.35

1.40

0.67

0.68

Propane

C3

C3H8

44.097

8.73

1.39

1.85

0.12

0.16

Azote

N2

N2

28.013

5.22

1.03

1.04

0.05

0.05

Total

-

-

100

-

-

-

1.38

1.60

Tableau IV.3 : Composition et caractéristiques chimiques du gaz MR


58

Le travail théorique de compression polytropique sera :

𝑊𝑃𝑜𝑙 = 0.949 1.49 337.7 − 233.8

𝐖𝐏𝐨𝐥 = 𝟏𝟒𝟔. 𝟗 𝐤𝐉/𝐤𝐠

- Travail de compression réel

𝑊𝑘 =𝑊𝑝𝑜𝑙

𝜼𝑝

𝑊𝑘 =146.9

0.863

𝐖𝐤 = 𝟏𝟕𝟎. 𝟐𝟐 𝐊𝐉/𝐊𝐠

IV.3.1.3 Calcul de la puissance fournie par le fluide

C’est le produit entre le débit massique à l’aspiration et le travail réel de compression:

𝑃𝑟é𝑒𝑙𝑙𝑒 = 𝑚 𝑊𝑟é𝑒𝑙

Préelle =

1344244

3600 170.22

𝐏𝐫é𝐞𝐥𝐥𝐞 = 𝟔𝟑.𝟓𝟔 𝐤𝐖

IV.3.1.4 Calcul des débits volumiques du compresseur par chaque étage :

𝑄𝑉 =𝑚

𝜌

- La masse volumique chaque étage :

𝝆 =𝑷

𝒓 𝑻

𝑟 =𝑅

𝑀

Avec :

R :

M : la masse molaire du gaz en kg/K.mol

𝑟 =𝑅

𝑀=

8.31

24.33= 0.34 𝐽/𝑘𝑔


59

𝑟=340 kJ/kg K

𝜌𝟏 =𝑃1

𝑟 𝑇1=

4.3 105

340 233.8= 5.40 𝑘𝑔/𝑚3

𝜌𝟐 =𝑃1

𝑟 𝑇1=

4.82 105

340 239.79= 5.91𝑘𝑔/𝑚3

𝜌𝟑 =𝑃1

𝑟 𝑇1=

4.3 105

340 244.76= 6.48𝑘𝑔/𝑚3

𝜌𝟒 =𝑃1

𝑟 𝑇1=

6.05105

340 249.66= 7.13 𝑘𝑔/𝑚3

𝜌𝟓 =𝑃5

𝑟 𝑇5=

6.78105

340 254.65= 7.83 𝑘𝑔/𝑚3

En utilisant la même méthode de calcul, on obtient la masse volumique de sortie au dernier

étage du compresseur axial

𝜌𝟏𝟓 =𝑃15

𝑟 𝑇15=

21.01105

340 310.42= 19.90𝑘𝑔/𝑚3

Donc :

Le débit volumique dans chaque étage :

𝑄𝑉1 =𝑚

𝜌1 =

1344244

5.40= 248934 𝑚3/𝑕

𝑄𝑉2 =𝑚

𝜌2 =

1344244

5.91= 227452 𝑚3/𝑕

𝑄𝑉3 =𝑚

𝜌3 =

1344244

5.91= 207445 𝑚3/𝑕

𝑄𝑉4 =𝑚

𝜌4 =

1344244

7.13= 188534 𝑚3/𝑕

𝑄𝑉5 =𝑚

𝜌5 =

1344244

7.83= 171679 𝑚3/𝑕

En utilisant la même méthode de calcul, on obtient la masse volumique de sortie au dernier

étage du compresseur axial


60

𝑄𝑉15 =𝑚

𝜌15 =

1344244

19.90= 67549 𝑚3/𝑕

Ce tableau résume tous les résultats :

Point °N Masse volumique

(𝑘𝑔/𝑚3)

Débit volumique

(𝑚3/𝑕)

1 5.40 248934

2 5.91 22745

3 6.48 207445

4 7.13 188534

5 7.83 171679

6 8.59 156489

7 9.43 142549

8 10.36 129753

9 11.37 1188227

10 12.47 107798

11 13.70 98120

12 15.04 89378

13 16.51 81419

14 18.13 74145

15 19.90 67549

Tableau IV.4 : la masse volumique et de le débit volumique par étage du compresseur axial AN200

Le débit volumique à l’aspiration est déterminé par:

𝑚 = 𝜌𝑎𝑠𝑝 𝑄𝑎𝑠𝑝

𝑄𝑎𝑠𝑝 =𝑚

𝜌𝑎𝑠𝑝


61

Avec :

𝑚 : Le débit massique en 𝑘𝑔/𝑠

𝜌𝑎𝑠𝑝 : La masse volumique à l’aspiration du compresseur en 𝑘𝑔/𝑚3

Celle-ci est déterminée à partir de la loi des gaz parfaits :

𝜌𝑎𝑠𝑝 =𝑝𝑎𝑠𝑝

𝑟 𝑇𝑎𝑠𝑝

𝜌𝑎𝑠𝑝 =4.3 105

340 (233.8)= 5.40 𝑘𝑔/𝑚3

𝝆𝒂𝒔𝒑 = 𝟓. 𝟒𝟎 𝒌𝒈/𝒎𝟑


𝜌𝑎𝑠𝑝=

1344244/3600

5.40= 69.148 𝑚3/𝑠

𝑸𝒂𝒔𝒑 = 𝟐𝟒𝟖𝟗𝟑𝟒 𝒎𝟑/𝒉

Le débit volumique au refoulement est :

𝑚 = 𝜌𝑟𝑒𝑓 𝑄𝑟𝑒𝑓

Avec :

𝜌𝑟𝑒𝑓 ∶ La masse volumique en fin d’évolution du compresseur en 𝑘𝑔/𝑚3

𝜌𝑟𝑒𝑓 =𝑝𝑟𝑒𝑓

𝑟 𝑇𝑟𝑒𝑓=

21.3 105

340 (335.1)= 18.69 𝑘𝑔/𝑚3

𝝆𝒓𝒆𝒇 = 𝟏𝟖. 𝟔𝟗 𝒌𝒈/𝒎𝟑

𝑄𝑟𝑒𝑓 =𝑚

𝜌𝑟𝑒𝑓=

1344244/3600

18.69= 19.97 𝑚3/𝑠

𝑸𝒓𝒆𝒇 = 𝟕𝟏𝟗𝟐𝟑 𝒎𝟑/𝒌𝒈

IV.3.1.5 Rendement global :

Il est défini par :

𝜂𝐺 = 𝜂𝑚 𝜂𝑉 𝜂𝑝

Avec :


62

𝜂𝑚 : Le rendement mécanique des turbocompresseurs, en général 𝜂𝑚 = 0.98 , il caractérise

les pertes dues au frottement au niveau des paliers.

𝜂𝑉 : Le rendement volumétrique caractérise les fuites au niveau des garnitures d’étanchéité, à

déterminer pour chaque étage du compresseur.

𝜂𝑣 =𝑄𝑟𝑒𝑓

𝑄𝑎𝑠𝑝

Avant de déterminer le 𝜂𝐺 , on doit calculer le rendement volumétrique par étage

𝜂𝑉1 =𝑄2

𝑄1=

227452

248934= 0.91

𝜂𝑉2 =𝑄4

𝑄3=

188534

207445= 0.91

𝜂𝑉3 =𝑄6

𝑄5=

156489

171679= 0.91

𝜂𝑉5 =𝑄8

𝑄7=

129753

142549= 0.91

𝜂𝑉6 =𝑄8

𝑄7=

129753

142549= 0.91

𝜼𝒗 = 𝟎. 𝟗𝟏

Et ainsi de suite, le rendement volumétrique est constant au niveau de chaque étage. D’où la

valeur du rendement global du compresseur axial AN200 /

𝜂𝐺 = 𝜂𝑚 𝜂𝑉 𝜂𝑝 = 0.98 0.91 0.863

𝜼𝑮 = 𝟕𝟕 %

IV.3.2 Compresseur centrifuge type (MCL1002) :

IV.3.2.1 Distribution de la pression et de la température :

- Distribution de la pression

A partir les caractéristiques du compresseur centrifuge (MCL1002) et les données du

constructeur, les lois utilisées pour calculer les paramètres du compresseur axial (AN200),

demeurent valables pour la compression adiabatique du gaz MR.


63

Le taux de compression global est : 𝑃𝑟𝑒𝑓

𝑃𝑎𝑠𝑝=

32.35

20.76= 1.56

Le taux de compression par étage est : P2

P1= 1.561/2 = 1.25

Le compresseur centrifuge comprend 2 étages, la pression à la sortie du 1er

étage est égale à

celle d’entrée du 2ème

étage P2 = P3 donc :

P2/P1 = (1.56 )1

2 P2 = 20.76(1.56)0.5 P2 = 25.92 bar

P4/P3 = (16.175)1

2 P4 = 25.92(1.56)0.5 P4 = 32.40 bar

- Distribution de la température

T2 = T1(P2/P1) γ−1

γηp T2 = 307.2(1.25)0.23 T2 = 323.37 K

T4 = T3(P4/P3) γ−1

γηp T4 = 323.37(1.25)0.23 T4 = 340.29 K

Les résultats obtenus sont résumés sur les tableaux (tableau IV.4 et tableau IV.5).

Point N° P (bar) T (K)

1 20.76 307.20

2 25.92 323.37

3 25.92 323.37

4 32.40 340.29

Tableau IV.5 : Pressions et température dans chaque étage de compression

- Calcul de la température de refoulement :

Tref = 307.2 1.56 1.24−1

1.24 0.841 T2ref = 340.28 K

IV.3.2.2 Calcul du travail polytropique

WPol = 0.915 1.49 340.28 − 307.2 = 45.09 kJ/kg

𝐖𝐏𝐨𝐥 = 𝟒𝟓. 𝟎𝟗 𝐤𝐉/𝐤𝐠


64

Wk =WPol

ηp=

45.09

0.841= 53.62 kJ/kg

𝐖𝐤 = 𝟓𝟑. 𝟔𝟐 𝐤𝐉/𝐤𝐠

IV.3.2.3 Puissance réelle du compresseur centrifuge

Pk = m Wk

Pk = 1344244

3600 53.62 = 20.02 kW

𝐏𝐤 = 𝟐𝟎. 𝟎𝟐 𝐤𝐖

Tableau récapitulatif des résultats :

Tableau IV. 6 : Travaux et puissance du compresseur centrifuge

IV.3.2.4 Calcul des débits volumiques du compresseur (MCL1002) par chaque étage

𝑄𝑉 =𝑚

𝜌

- La masse volumique chaque étage :

𝜌 =𝑃

𝑟 𝑇

𝜌𝟏 =𝑃1

𝑟 𝑇1=

4.3 105

340 233.8= 19.87 𝑘𝑔/𝑚3

𝜌𝟐 =𝑃2

𝑟 𝑇2=

25.92 105

340 323.37= 23.57 𝑘𝑔/𝑚3

Paramètres Résultats

T2ref 340K

WP 45 kJ/kg

Wc 53.62 kJ/kg

Pk 20.02 kW


65

𝜌𝟑 = 𝜌𝟐

𝜌4 =𝑃4

𝑟 𝑇4=

32.40 105

340 340.29= 28 𝑘𝑔/𝑚3

- Détermination du débit volumique dans chaque étage :

𝑄𝑉1 =𝑚

𝜌1 =

1344244

19.87= 67652𝑚3/𝑕

𝑄𝑉2 =𝑚

𝜌2 =

1344244

23.57= 57032 𝑚3/𝑕

𝑄𝑉3 = 𝑄𝑉2

𝑄𝑉4 =𝑚

𝜌4 =

1344244

28= 48009 𝑚3/𝑕

Les résultats obtenus sont résumés sur les tableaux (tableau IV.7).

Point °N Masse volumique

(𝑘𝑔/𝑚3)

Débit volumique

(𝑚3/𝑕)

1 19.87 67652

2 23.57 57032

3 23.57 57032

4 28 48009

Fig. IV.7 : la masse volumique et de le débit volumique par étage du compresseur centrifuge

IV.3.2.5 Calcul des débits volumiques :

Le débit volumique à l’aspiration est :


𝜌𝑎𝑠𝑝

𝜌𝑎𝑠𝑝 =𝑝𝑎𝑠𝑝

𝑟 𝑇𝑎𝑠𝑝=

20.76 105

340 (307.2)= 19.87 𝑘𝑔/𝑚3


𝜌𝑎𝑠𝑝=

1344244/3600

19.87= 18.79 𝑚3/𝑠

𝑸𝒂𝒔𝒑 = 𝟔𝟕𝟔𝟒𝟒 𝒎𝟑/𝒉


66

Le débit volumique au refoulement est :


𝜌𝑟𝑒𝑓

𝜌𝑟𝑒𝑓 =𝑝𝑟𝑒𝑓

𝑟 𝑇𝑟𝑒𝑓=

32.35 105

340 (338.7)= 28.09 𝑘𝑔/𝑚3


𝜌𝑟𝑒𝑓=

1344244/3600

28.09= 13.29 𝑘𝑔/𝑠

𝑸𝒓𝒆𝒇 = 𝟒𝟕𝟖𝟓𝟓 𝒎𝟑/𝒉

IV.3.2.6 Rendement global :

𝜂𝐺 = 𝜂𝑚 𝜂𝑉 𝜂𝑝

Avant de déterminer le 𝜂𝐺 , on doit calculer le rendement volumétrique par chaque étage

𝜂𝑣 =𝑄𝑟𝑒𝑓

𝑄𝑎𝑠𝑝

𝜂𝑉1 =𝑄2

𝑄1=

57032

67652= 0.84

𝜂𝑉2 =𝑄4

𝑄3=

48009

57032= 0.84

𝜼𝒗 = 𝟎. 𝟖𝟒

Donc :

𝜂𝐺 = 𝜂𝑚 𝜂𝑉 𝜂𝑝 = 0.98 0.84 0.841

𝜼𝑮 = 𝟔𝟗 %

IV.3. Représentation graphique des résultats du calcul thermodynamique:

IV.3.1 Compresseur axial AN 200


67

- Evolution de la température par étage au niveau du compresseur axial

Fig. IV.6 : évolution de la température dans chaque étage du compresseur axial

- Evolution de la pression par étage au niveau du compresseur axial

Fig. IV.7 : évolution de la pression dans chaque étage du compresseur axial

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20

T(K)

n

T(K)

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20

P (bar)

n

P (bar)


68

- Evolution de la masse volumique par étage au niveau du compresseur axial

Fig. IV.8 : Evolution de la masse volumique en fonction de la température du compresseur

axial

- Evolution du débit volumique par étage au niveau du compresseur axial

Fig. IV.9 : Evolution du débit volumique en fonction de la température du compresseur axial

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400

ρv kg/m3

T (K)

ρv kg/m3

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

0 100 200 300 400

QV (m3/h)

T(K)

QV (m3/h)


69

IV.3.1 Compresseur centrifuge MCL 1002

- Evolution de la pression par étage au niveau du compresseur centrifuge

-

Fig. IV.10 : évolution de la température dans chaque étage du compresseur centrifuge

- Evolution de la température par étage au niveau du compresseur centrifuge

Fig. IV.11 : évolution de la température dans chaque étage du compresseur centrifuge

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5

P (bar)

n

P(bar)

305

310

315

320

325

330

335

340

345

0 1 2 3 4 5

T(K)

n

T(K)


70

- Evolution de la masse volumique par étage au niveau du compresseur centrifuge

-

Fig. IV.12 : Evolution de la masse volumique en fonction de la température

- Evolution du débit volumique par étage au niveau du compresseur centrifuge

Fig. IV.13 : Evolution du débit volumique en fonction de la température du compresseur

centrifuge

La déduction est évidente : pour l’ensemble des compresseurs dynamiques, la pression croit

d’étage en étage, la température aussi, de même que la masse volumique ; par contre, le débit

décroit d’étage en étage.

0

5

10

15

20

25

30

300 310 320 330 340 350

masse volumique

(kg/m3)

T(K)

ρv kg/m3

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

300 310 320 330 340 350

masse volumiqe

(m3/h)

T (K)

QV (m3/h)

Chapitre V Simulation des compresseurs par EES

71

Simulation des compresseurs (AN200) et (MCL1002) à l’aide du logiciel

EES :

V.1 Présentation de EES :

EES permet de résoudre des systèmes d’équations algébriques, des équations différentielles,

des équations à variables complexes. EES permet également d’optimiser les paramètres de

modélisation d’un système, de calculer des régressions linéaires et non linéaires, de générer

des courbes de grande qualité. EES fonctionne à la fois sur des plates-formes PC Compatible

ou APPLE Macintosh

Le développement d’EES a été motivé par l’expérience dans l’enseignement des sciences

mécaniques, thermodynamiques et de transfert de chaleur. Pour apprendre et mieux

appréhender les phénomènes physiques, il est nécessaire de travailler sur des problèmes

concrets. Cependant, beaucoup de temps et d’effort sont exigés dans la recherche des

propriétés des composants et la mise en équation appropriée du système. La connaissance des

tables de propriétés, de l’algèbre ne contribue pas forcement à la compréhension du problème.

De plus, le temps et l’effort exigés à résoudre des problèmes de manière conventionnelle,

c’est-à-dire faire attention à l’ordre dans lequel les équations doivent être résolues (qui en fait

importe peu) et/ou réaliser des études paramétriques laborieuses peuvent pénaliser l’apprenant

dans l’apprentissage de ces sciences.

Par exemple, les problèmes combinant des phénomènes de thermodynamique et de transfert

de chaleur sont difficilement assimilables de part leur complexité mathématique. EES permet

de se focaliser beaucoup plus sur la conception en s’affranchissant de ces notions.

EES est particulièrement utile pour les problèmes de conception dans lequel les effets d’un ou

de plusieurs paramètre(s) ont besoin d’être déterminés. Le programme offre cette possibilité

avec sa Table Paramétrique, similaire à une feuille de tableur. On identifie les variables

indépendantes en entrant leurs valeurs dans les cellules de table. EES calculera les valeurs des

variables dépendantes dans la table. Le rapport des variables dans la table peut être visualisé

sous forme de courbes, de diagrammes. EES offre également la possibilité de propager

l’incertitude de données expérimentales afin de donner des résultats de variables calculées

modulo les estimations d’incertitude.

Avec EES, il est également facile de résoudre des problèmes comportant un ensemble de

variables indépendantes.


72

V.2 Présentation des résultats :

V.2.1 Résultats du compresseur axial (AN200)

A partir des données on calculera les pressions et les températures au niveau de chaque étage

par le logiciel EES :

Pression d’aspiration : P1 =4.3 bar

Le nombre d’étage du compresseur axial : n=14

Le taux de compression global : εG=4.95

Température d’aspiration : T1=233.8 K

Fig. V.2 : Résultats des pressions et des températures dans chaque étage d’après le logiciel EES pour

l’AN200

Fig. V.3 : Travaux, puissance et débit refoulement du compresseur axial d’après le logiciel EES pour

l’AN 200


73

V.2.2.1 Représentation graphique selon le logiciel ESS pour l’AN 200

Fig. V.4 : évolution du débit volumique de refoulement en fonction de la masse volumique de

refoulement d’après logiciel ESS pour l’AN 200

Fig. V.5: évolution du taux de compression en fonction du débit volumique d’après logiciel ESS

pour l’AN 200


74

V.2.2 Compresseur centrifuge

Résultats du compresseur centrifuge

A partir des données on calculera les pressions et les températures au niveau de chaque étage

par le logiciel EES

Pression d’aspiration : P1 =20.76ar

Le nombre d’étage du compresseur axial : n=2

Le taux de compression global : εG=1.56

Température d’aspiration : T1=307.2 K

Fig. V.6 : Résultat des pressions et des températures d’après le logiciel EES pour le MCL 1002

Fig. V.7 : Travaux, puissance et débit refoulement du compresseur centrifuge MCL 1002 d’après le

logiciel EES


75

Fig. V.8 : évolution du débit volumique de refoulement en fonction de la masse volumique de

refoulement d’après le logiciel ESS pour le MCL 1002

Fig. V.9: évolution de taux de compression en fonction de débit volumique d’après le logiciel ESS

Commentaire :

Les résultats obtenus sont en harmonie avec le calcul thermodynamique effectué sur les

compresseurs du MR.

Conclusion générale

Le choix de ce projet m’a permis de me familiariser avec les compresseurs dynamiques, grâce à l’étude

détaillée de la partie descriptive ainsi que celle du principe de fonctionnement des compresseurs axial et

centrifuge.

Le calcul thermodynamique nous a permis d’obtenir les principaux résultats suivants :

- la distribution des pressions par étage pour chaque type de compresseur ;

- la distribution des températures par étage pour chaque type de compresseur ;

- l’évolution des masses spécifique par étage pour chaque type de compresseur ;

- l’évolution des débits par étage pour chaque type de compresseur ;

- l’évolution du taux de compression ;

- l’évolution du travail polytropique ;

- les puissances mises en jeu et les rendements.

Les résultats des calculs effectués sont en concordance avec les caractéristiques données en

conditions opératoires du constructeur.

Ces résultats sont encore confirmés par simulation réalisée grâce au logiciel de calcul E.E.S.

Ainsi, on pourrait à l’avenir s’intéresser à l’amélioration des performances de ce type de machines en

examinant l’aspect mécanique des fluides car les performances des compresseurs centrifuges dépendent

fortement des données géométriques des impulseurs et des volutes, donc du tracé des triangles de vitesse ;

il en est de même pour le compresseur axial.

A noter que les effets de la température ambiante, de la pression d’aspiration, de la nature du gaz et de la

vitesse de rotation sont prédominants dans le calcul thermodynamique de l’ensemble des compresseurs et

constituent des facteurs clés pour l’amélioration des performances de ces turbomachines.

Références bibliographiques

[1] CENTRIFUGAL COMPRESSOR Mixed Refrigerant LP and MP AN200 - MCL1002

OPERATION & MAINTENANCE TRAINING MANUAL MANUAL

[2] COMPRESSEURS CENTRIFUGES PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT,

SONATRACH IAP BOUMERDES 2005

[3] DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DU COMPRESSEUR MR de GNL2K

Fetaissa kamel & Hamouda abdelhak encadreurs Dr.sayah & .Bousba, IAP Boumerdes 2010

[4] EVALUATION DES PERFORMANCES DU TURBOCOMPRESSEUR K-901 -

CHAMP DE HASSI R’MEL Mémoire de Master de Bouchakour Rahmani Tayyib, Encadré

par : B. LARIBI Université Sidi Bel Abbes 2014

[5] THEORIE DES TURBOMACHINES M. Reggio et J.Y Trépannier Ecole Polytechnique

Montréal

[6] BROCHURE FISHER-EMERSON

[7] PROTECTING A CENTRIFUGAL COMPRESSOR FROM SURGE - PIPELINE &

GAS JOURNAL, MARCH 2012

[8] APPLICATION GUIDELINE FOR CENTRIFUGAL COMPRESSOR SURGE

CONTROL SYSTEMS - HTTP://WWW.GMRC.ORG

[9] Site Internet: processs.Free.fr

http://www.gmrc.org/

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