Notions de base sur les compresseurs alternatifs

Un compresseur alternatif est une machine à déplacement positif qui utilise un piston pour comprimer un gaz et le délivrer à haute pression.

Ils font souvent partie des systèmes les plus critiques et les plus coûteux d’une installation de production et méritent une attention particulière. Les pipelines de transport de gaz, les usines pétrochimiques, les raffineries et de nombreuses autres industries dépendent tous de ce type d’équipement.

En raison de nombreux facteurs, y compris, mais sans s’y limiter, la qualité de la spécification/conception initiale, l’adéquation des pratiques de maintenance et les facteurs opérationnels, les installations industrielles peuvent s’attendre à des coûts de cycle de vie et à une fiabilité très variables de leurs propres installations.

On trouve divers compresseurs dans presque toutes les installations industrielles. Les types de gaz comprimés comprennent les suivants :

  • Air pour les systèmes d’air comprimé pour outils et instruments

  • Hydrogène, oxygène, etc. pour le traitement chimique

  • Fractions d’hydrocarbures légers dans le raffinage

  • Gaz divers pour le stockage ou la transmission

  • Autres applications

Il existe deux classifications principales de compresseurs industriels : l’écoulement intermittent (déplacement positif), y compris les types alternatifs et rotatifs ; et l’écoulement continu, y compris les types centrifuges et à écoulement axial.

Les compresseurs alternatifs sont généralement utilisés lorsque des taux de compression élevés (rapport entre les pressions de refoulement et d’aspiration) sont nécessaires par étage sans débit élevé, et que le fluide de traitement est relativement sec.

Les compresseurs de gaz humide ont tendance à être de type centrifuge. Les applications à haut débit et à faible taux de compression sont mieux servies par les compresseurs à flux axial. Les types rotatifs sont principalement spécifiés dans les applications d’air comprimé, bien que d’autres types de compresseurs se retrouvent également dans le service de l’air.

Conception de base

Les composants primaires d’un système de compresseur alternatif typique peuvent être vus dans les figures 1 et 2. Il convient de noter que l’auteur n’a jamais vu d’installation de compresseur « typique » et reconnaît l’existence de nombreuses exceptions.

Les cylindres de compression (figure 1), également appelés étages, dont une conception particulière peut en comporter de un à six ou plus, assurent le confinement du gaz de traitement pendant la compression.

Un piston est entraîné dans un mouvement de va-et-vient pour comprimer le gaz. Les dispositifs peuvent être de conception à simple ou double effet. (Dans la conception à double effet, la compression se produit des deux côtés du piston pendant la course d’avance et de recul.)

Certains vérins à double effet dans les applications à haute pression auront une tige de piston des deux côtés du piston pour fournir une surface égale et équilibrer les charges. Les dispositions de cylindres en tandem aident à minimiser les charges dynamiques en plaçant les cylindres par paires, reliés à un vilebrequin commun, de sorte que les mouvements des pistons s’opposent l’un à l’autre.

La pression du gaz est étanche et l’usure des composants coûteux est minimisée par l’utilisation de segments de piston et de bandes cavalières jetables respectivement. Ceux-ci sont formés à partir de métaux comparativement doux par rapport à la métallurgie des pistons et des cylindres/liner ou de matériaux tels que le polytétrafluoroéthylène (PTFE).

Figure 2 A. Châssis HSE à deux lancements et train de roulement

Figure 2 B. Châssis HSE à deux lancements et train de roulement

La plupart des conceptions d’équipement intègrent des systèmes de lubrification de type bloc, à alimentation forcée ; cependant, lorsqu’il existe une tolérance de processus nulle pour l’entraînement d’huile, des conceptions non lubrifiées sont employées.

Les cylindres pour les applications plus importantes (la coupure typique est de 300 ch) sont équipés de passages de liquide de refroidissement pour les systèmes de type thermosiphon ou liquide de refroidissement en circulation, alors que certains compresseurs domestiques et d’atelier plus petits sont généralement refroidis par air. Les cylindres des grandes applications sont généralement équipés de chemises remplaçables qui sont insérées à la presse dans l’alésage, et peuvent inclure une goupille anti-rotation.

Le gaz de traitement est aspiré dans le cylindre, pressé, contenu et ensuite libéré par des vannes mécaniques qui fonctionnent généralement automatiquement par des pressions différentielles. Selon la conception du système, les cylindres peuvent avoir une ou plusieurs soupapes d’aspiration et de décharge.

Les déchargeurs et les poches de dégagement sont des soupapes spéciales qui contrôlent le pourcentage de pleine charge transporté par le compresseur à une vitesse de rotation donnée de son entraîneur. Les déchargeurs manipulent l’action des soupapes d’aspiration pour permettre au gaz de se recycler.

Les soupapes de poche de dégagement modifient l’espace de la culasse (volume de dégagement). Elles peuvent être à volume fixe ou variable. Ces dispositifs dépassent le cadre de cet article.

La pièce d’écartement (parfois appelée niche) est un élément structurel reliant le châssis du compresseur au cylindre. Le mélange de fluides entre le cylindre et la pièce d’écartement doit être évité. Les bagues d’étanchéité contiennent la pression du gaz à l’intérieur du cylindre, et elles empêchent l’huile de pénétrer dans le cylindre en essuyant l’huile de la tige du piston le long de sa course.

La pièce d’écartement est généralement ventilée en fonction de la matière la plus dangereuse du système, qui est souvent le gaz comprimé dans le cylindre. Les bagues d’étanchéité sont conçues pour contenir le gaz à l’intérieur du cylindre, mais avec la haute pression, il est possible qu’une partie du gaz comprimé s’échappe des bagues d’étanchéité.

Le mécanisme de roulement, logé dans le châssis du compresseur (figure 2), se compose de la crosse et de la bielle qui relient la tige du piston au vilebrequin, convertissant son mouvement rotatif en un mouvement linéaire alternatif.

Le vilebrequin est équipé de contrepoids pour équilibrer les forces dynamiques créées par le mouvement des lourds pistons. Il est supporté dans le cadre du compresseur par des paliers lisses au niveau de plusieurs tourillons. Un volant d’inertie est également prévu pour stocker l’inertie de rotation et fournir un avantage mécanique pour la rotation manuelle de l’ensemble.

Certains compresseurs lubrifieront leur châssis de roulement avec une pompe à huile intégrée, entraînée par l’arbre, tandis que d’autres sont dotés de systèmes de lubrification plus étendus, montés sur patins. Tous les systèmes correctement conçus prévoient non seulement la circulation de l’huile vers les tribo-surfaces critiques de l’équipement, mais aussi le contrôle de la température du lubrifiant, la filtration et une certaine mesure d’instrumentation et de redondance.

Les gaz d’aspiration passent généralement par des crépines d’aspiration et des séparateurs pour éliminer les particules entraînées, l’humidité et le fluide de traitement en phase liquide qui pourraient causer de graves dommages aux soupapes du compresseur et à d’autres composants critiques, voire menacer l’intégrité des cylindres avec des conséquences désastreuses.

Les gaz peuvent également être préchauffés pour coaxonner le gaz de traitement liquide dans la phase vapeur. Les refroidisseurs intermédiaires offrent la possibilité d’éliminer la chaleur du gaz de traitement entre les étapes de compression. (Voir la section suivante : Le cycle thermodynamique.) Ces échangeurs de chaleur peuvent faire partie du ou des systèmes de refroidissement de l’huile et/ou des cylindres du compresseur, ou ils peuvent être connectés au système d’eau de refroidissement de l’usine.

Du côté du refoulement, les réservoirs sous pression servent d’amortisseurs de pulsations, fournissant une capacité du système pour égaliser les pulsations de débit et de pression correspondant aux courses de compression du piston.

Typiquement, les compresseurs à piston sont des dispositifs à vitesse relativement faible, et sont entraînés directement ou par courroie par un moteur électrique, avec ou sans contrôleur de vitesse variable.

Souvent, le moteur est fabriqué pour être intégré au compresseur, et l’arbre du moteur et le vilebrequin du compresseur sont d’une seule pièce, éliminant le besoin d’un accouplement. Des réducteurs de vitesse de type boîte de vitesses sont utilisés dans diverses installations.

Parfois, mais plus rarement, ils sont entraînés par des turbines à vapeur ou d’autres sources d’énergie telles que des moteurs à gaz naturel ou diesel. La conception globale du système et le type d’entraînement choisi influenceront la lubrification de ces systèmes périphériques.

Le cycle thermodynamique

Une explication de quelques principes thermodynamiques de base est nécessaire pour comprendre la science des compresseurs à pistons. La compression se produit à l’intérieur du cylindre sous la forme d’un cycle en quatre parties qui se produit à chaque avance et recul du piston (deux courses par cycle).

Les quatre parties du cycle sont la compression, la décharge, la détente et l’admission. Elles sont représentées graphiquement avec la pression en fonction du volume tracée dans ce qu’on appelle un diagramme P-V (figure 3).


Figure 3. Admission

À la fin d’un cycle antérieur, le piston est complètement rétracté à l’intérieur du cylindre à V1, dont le volume est rempli de gaz de traitement aux conditions d’aspiration (pression, P1 et température, T1), et les soupapes d’aspiration et de décharge sont toutes fermées.

Ceci est représenté par le point 1 (zéro) dans le diagramme P-V. Lorsque le piston avance, le volume à l’intérieur du cylindre est réduit. Cela entraîne une augmentation de la pression et de la température du gaz jusqu’à ce que la pression à l’intérieur du cylindre atteigne la pression du collecteur de décharge. À ce moment, les soupapes de décharge commencent à s’ouvrir, notées sur le diagramme par le point 2.

Avec l’ouverture des soupapes de décharge, la pression reste fixe à P2 pour le reste de la course d’avancement, car le volume continue de diminuer pour la partie décharge du cycle. Le piston s’arrête momentanément à V2 avant d’inverser le sens.

Notez qu’il reste un certain volume minimal, appelé volume de dégagement. Il s’agit de l’espace restant dans le cylindre lorsque le piston est dans la position la plus avancée de sa course. Un certain volume minimal de dégagement est nécessaire pour éviter le contact entre le piston et la tête, et la manipulation de ce volume est un paramètre majeur de performance du compresseur. Le cycle est maintenant au point 3.

La détente se produit ensuite lorsque le petit volume de gaz dans la poche de dégagement est détendu jusqu’à une pression légèrement inférieure à la pression d’aspiration, facilitée par la fermeture des soupapes de décharge et le recul du piston. C’est le point 4.

Lorsque P1 est atteint, les soupapes d’admission s’ouvrent permettant à la charge fraîche d’entrer dans le cylindre pour l’admission et la dernière étape du cycle. Une fois encore, la pression est maintenue constante alors que le volume est modifié. Cela marque le retour au point 1.

La compréhension de ce cycle est essentielle pour diagnostiquer les problèmes de compresseur, et pour comprendre l’efficacité du compresseur, les besoins en puissance, le fonctionnement des soupapes, etc. Ces connaissances peuvent être acquises en suivant les tendances des informations du processus et en surveillant l’effet de ces éléments sur le cycle.

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