GROUPE TECHNOLOGIQUE HANGZHOU NUZHUO CO.,LTD.

Les expandeurs permettent d'entraîner des machines rotatives grâce à la réduction de pression. Vous trouverez ici des informations sur l'évaluation des avantages potentiels de l'installation d'un expandeur.
Dans l'industrie des procédés chimiques (IPC), une grande quantité d'énergie est généralement gaspillée dans les vannes de régulation de pression lors de la dépressurisation des fluides à haute pression [1]. Selon divers facteurs techniques et économiques, il peut être avantageux de convertir cette énergie en énergie mécanique rotative, utilisable pour entraîner des générateurs ou d'autres machines tournantes. Pour les fluides incompressibles (liquides), cette conversion est réalisée grâce à une turbine de récupération d'énergie hydraulique (TREH ; voir référence 1). Pour les liquides compressibles (gaz), un détendeur est une machine appropriée.
Les détendeurs constituent une technologie éprouvée, largement utilisée dans des applications telles que le craquage catalytique fluide (FCC), la réfrigération, les vannes de distribution de gaz naturel, la séparation de l'air ou le traitement des gaz d'échappement. En principe, tout flux gazeux à pression réduite peut actionner un détendeur, mais « l'énergie produite est directement proportionnelle au rapport de pression, à la température et au débit du flux gazeux » [2], ainsi qu'à la faisabilité technique et économique du projet. Mise en œuvre : Le processus dépend de ces facteurs et d'autres encore, comme le prix local de l'énergie et la disponibilité d'équipements adaptés chez le fabricant.
Bien que le turbodétendeur (fonctionnant comme une turbine) soit le type de détendeur le plus connu (Figure 1), il existe d'autres types adaptés à différentes conditions de procédé. Cet article présente les principaux types de détendeurs et leurs composants, et explique comment les responsables d'exploitation, les consultants ou les auditeurs énergétiques des différentes divisions de CPI peuvent évaluer les avantages économiques et environnementaux potentiels de l'installation d'un détendeur.
Il existe de nombreux types de bandes de résistance, dont la géométrie et le fonctionnement varient considérablement. Les principaux types sont illustrés à la figure 2 et décrits brièvement ci-dessous. Pour plus d'informations, ainsi que des graphiques comparant le fonctionnement de chaque type en fonction de diamètres et de vitesses spécifiques, consultez l'aide. 3.
Turbodétendeur à piston. Les turbodétendeurs à piston et à piston rotatif fonctionnent comme un moteur à combustion interne à rotation inversée, absorbant un gaz à haute pression et convertissant son énergie stockée en énergie de rotation par l'intermédiaire du vilebrequin.
Faites glisser le turbodétendeur. Le détendeur à turbine de freinage est constitué d'une chambre de circulation concentrique munie d'ailettes fixées à la périphérie de l'élément rotatif. Sa conception est similaire à celle des roues hydrauliques, mais la section des chambres concentriques augmente de l'entrée à la sortie, permettant ainsi la détente du gaz.
Turbodétendeur radial. Les turbodétendeurs à flux radial possèdent une entrée axiale et une sortie radiale, permettant ainsi au gaz de se détendre radialement à travers la roue de la turbine. De même, les turbines à flux axial détendent le gaz à travers la roue de la turbine, mais le sens d'écoulement reste parallèle à l'axe de rotation.
Cet article porte sur les turbodétendeurs radiaux et axiaux, et aborde leurs différents sous-types, leurs composants et leurs aspects économiques.
Un turbodétendeur extrait l'énergie d'un flux de gaz à haute pression et la convertit en énergie motrice. Généralement, cette énergie est fournie par un compresseur ou un générateur entraîné par un arbre. Un turbodétendeur équipé d'un compresseur comprime le fluide dans d'autres parties du flux de procédé qui nécessitent un fluide comprimé, augmentant ainsi le rendement global de l'installation en valorisant une énergie autrement perdue. Un turbodétendeur équipé d'un générateur convertit cette énergie en électricité, laquelle peut être utilisée dans d'autres procédés de l'installation ou injectée dans le réseau électrique local pour être vendue.
Les turbo-détendeurs peuvent être équipés soit d'un arbre de transmission direct reliant la turbine au générateur, soit d'un réducteur qui abaisse la vitesse d'entrée de la turbine grâce à un rapport d'engrenage. Les turbo-détendeurs à transmission directe offrent des avantages en termes de rendement, d'encombrement et de coûts de maintenance. Les turbo-détendeurs à réducteur sont plus lourds et nécessitent un encombrement plus important, des équipements auxiliaires de lubrification et une maintenance régulière.
Les turbodétendeurs à flux continu peuvent être réalisés sous forme de turbines radiales ou axiales. Les détendeurs à flux radial comportent une entrée axiale et une sortie radiale, de sorte que le flux de gaz sort de la turbine radialement par rapport à l'axe de rotation. Les turbines axiales permettent au gaz de circuler axialement le long de l'axe de rotation. Ces turbines extraient l'énergie du flux de gaz grâce à des aubes directrices d'entrée dirigées vers la roue de détente, la section de la chambre de détente augmentant progressivement afin de maintenir une vitesse constante.
Un turbogénérateur se compose de trois éléments principaux : une roue de turbine, des paliers spéciaux et un générateur.
Roue de turbine. Les roues de turbine sont souvent conçues spécifiquement pour optimiser l'efficacité aérodynamique. Parmi les variables d'application influençant leur conception figurent la pression et la température d'entrée/sortie, le débit volumique et les propriétés du fluide. Lorsque le taux de compression est trop élevé pour être réduit en un seul étage, un turbodétendeur à plusieurs roues de turbine est nécessaire. Les roues de turbine radiales et axiales peuvent être conçues en version multi-étages, mais les roues axiales, de longueur axiale beaucoup plus courte, sont donc plus compactes. Les turbines radiales multi-étages nécessitent un flux de gaz passant de l'axe au radial, puis de nouveau à l'axe, ce qui engendre des pertes par frottement plus importantes que les turbines axiales.
Les paliers. Leur conception est essentielle au bon fonctionnement d'un turbodétendeur. Les types de paliers utilisés dans la conception des turbodétendeurs sont très variés : paliers à huile, paliers à film liquide, roulements à billes classiques et paliers magnétiques. Chaque méthode présente ses propres avantages et inconvénients, comme indiqué dans le tableau 1.
De nombreux fabricants de turbodétendeurs privilégient les paliers magnétiques en raison de leurs avantages uniques. Ces paliers garantissent un fonctionnement sans frottement des composants dynamiques du turbodétendeur, réduisant ainsi considérablement les coûts d'exploitation et de maintenance tout au long du cycle de vie de la machine. Ils sont également conçus pour résister à une large gamme de charges axiales et radiales, ainsi qu'à des conditions de surcontrainte importantes. Leur coût initial plus élevé est compensé par des coûts de cycle de vie nettement inférieurs.
La dynamo exploite l'énergie de rotation de la turbine et la convertit en énergie électrique grâce à un générateur électromagnétique (à induction ou à aimant permanent). Les générateurs à induction ont une vitesse nominale plus faible ; les applications à turbines à grande vitesse nécessitent donc un multiplicateur de vitesse. Cependant, ils peuvent être conçus pour s'adapter à la fréquence du réseau, ce qui élimine le besoin d'un variateur de fréquence pour l'alimentation électrique. Les générateurs à aimant permanent, quant à eux, peuvent être directement couplés à l'arbre de la turbine et injecter l'énergie dans le réseau via un variateur de fréquence. Le générateur est dimensionné pour fournir une puissance maximale en fonction de la puissance disponible sur l'arbre du système.
Joints d'étanchéité. Le joint d'étanchéité est un élément essentiel lors de la conception d'un turbodétendeur. Pour garantir un rendement élevé et respecter les normes environnementales, les systèmes doivent être étanches afin d'éviter les fuites de gaz de procédé. Les turbodétendeurs peuvent être équipés de joints dynamiques ou statiques. Les joints dynamiques, tels que les joints labyrinthes et les joints à gaz sec, assurent l'étanchéité autour d'un arbre rotatif, généralement entre la roue de turbine, les paliers et le reste de la machine où se trouve le générateur. Ces joints s'usent avec le temps et nécessitent un entretien et une inspection réguliers pour garantir leur bon fonctionnement. Lorsque tous les composants du turbodétendeur sont intégrés dans un seul carter, des joints statiques peuvent être utilisés pour protéger les câbles sortant du carter, notamment ceux du générateur, des entraînements de paliers magnétiques ou des capteurs. Ces joints étanches offrent une protection permanente contre les fuites de gaz et ne nécessitent aucun entretien ni réparation.
Du point de vue du procédé, l'exigence principale pour l'installation d'un détendeur est de fournir un gaz compressible (non condensable) à haute pression à un système basse pression, avec un débit, une perte de charge et un taux d'utilisation suffisants pour assurer le fonctionnement normal de l'équipement. Les paramètres de fonctionnement sont ainsi maintenus à un niveau sûr et efficace.
En matière de réduction de pression, le détendeur peut remplacer la vanne Joule-Thomson (JT), également appelée vanne d'étranglement. La vanne JT suivant une trajectoire isentropique, tandis que le détendeur suit une trajectoire quasi isentropique, ce dernier réduit l'enthalpie du gaz et convertit la différence d'enthalpie en puissance mécanique, produisant ainsi une température de sortie inférieure à celle obtenue avec la vanne JT. Ceci est particulièrement utile dans les procédés cryogéniques où l'objectif est de réduire la température du gaz.
S'il existe une limite inférieure à la température du gaz de sortie (par exemple, dans une station de décompression où la température du gaz doit être maintenue au-dessus de 0 °C, du point de congélation ou de la température minimale de conception du matériau), au moins un réchauffeur doit être ajouté pour réguler la température du gaz. Lorsque le préchauffeur est situé en amont du détendeur, une partie de l'énergie du gaz d'alimentation est également récupérée dans le détendeur, ce qui augmente sa puissance. Dans certaines configurations où la régulation de la température de sortie est requise, un second réchauffeur peut être installé après le détendeur pour une régulation plus rapide.
La figure 3 montre un schéma simplifié du diagramme de flux général d'un générateur à détente avec préchauffeur utilisé pour remplacer une vanne JT.
Dans d'autres configurations, l'énergie récupérée dans le détendeur peut être directement transférée au compresseur. Ces machines, parfois appelées « commandeurs », comportent généralement des étages de détente et de compression reliés par un ou plusieurs arbres, qui peuvent également inclure un réducteur pour réguler la différence de vitesse entre les deux étages. Elles peuvent aussi comporter un moteur supplémentaire pour fournir une puissance accrue à l'étage de compression.
Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des composants les plus importants qui garantissent le bon fonctionnement et la stabilité du système.
Soupape de dérivation ou soupape de réduction de pression. La soupape de dérivation permet la poursuite du fonctionnement lorsque le turbodétendeur est à l'arrêt (par exemple, pour maintenance ou en cas d'urgence), tandis que la soupape de réduction de pression est utilisée pour un fonctionnement continu afin de fournir un surplus de gaz lorsque le débit total dépasse la capacité nominale du détendeur.
Vanne d'arrêt d'urgence (ESD). Les vannes ESD servent à bloquer l'arrivée de gaz dans le détendeur en cas d'urgence afin d'éviter tout dommage mécanique.
Instruments et commandes. Les variables importantes à surveiller comprennent la pression d'entrée et de sortie, le débit, la vitesse de rotation et la puissance de sortie.
En cas de survitesse, le dispositif coupe l'alimentation de la turbine, ce qui ralentit le rotor et protège ainsi l'équipement des survitesses dues à des conditions de fonctionnement imprévues susceptibles de l'endommager.
Soupape de sécurité (PSV). Les PSV sont souvent installées après un turbodétendeur pour protéger les canalisations et les équipements basse pression. La PSV doit être conçue pour résister aux situations les plus critiques, notamment en cas de défaillance de la vanne de dérivation. Si un détendeur est ajouté à une station de réduction de pression existante, l'équipe de conception des procédés doit vérifier si la PSV existante assure une protection adéquate.
Réchauffeur. Les réchauffeurs compensent la chute de température due au passage du gaz dans la turbine ; le gaz doit donc être préchauffé. Leur fonction principale est d'augmenter la température du flux de gaz ascendant afin de maintenir la température du gaz sortant du détendeur au-dessus d'une valeur minimale. L'élévation de température permet également d'accroître la puissance de sortie et de prévenir la corrosion, la condensation ou la formation d'hydrates susceptibles d'endommager les buses de l'équipement. Dans les systèmes comportant des échangeurs de chaleur (comme illustré sur la figure 3), la température du gaz est généralement régulée en contrôlant le débit de liquide chaud alimentant le préchauffeur. Dans certaines conceptions, un réchauffeur à flamme ou un réchauffeur électrique peut remplacer l'échangeur de chaleur. Des réchauffeurs peuvent déjà être présents dans une station de vannes JT existante ; l'ajout d'un détendeur peut alors nécessiter non pas l'installation de réchauffeurs supplémentaires, mais plutôt une augmentation du débit de fluide chaud.
Systèmes de lubrification et d'étanchéité par gaz. Comme indiqué précédemment, les détendeurs peuvent utiliser différents types de joints, nécessitant parfois des lubrifiants et des gaz d'étanchéité. Le cas échéant, l'huile de lubrification doit conserver une qualité et une pureté élevées au contact des gaz de procédé, et sa viscosité doit rester dans la plage de fonctionnement requise pour les paliers lubrifiés. Les systèmes d'étanchéité par gaz sont généralement équipés d'un dispositif de lubrification à l'huile afin d'empêcher l'huile du palier de pénétrer dans le détendeur. Pour les applications spécifiques des compresseurs d'air utilisés dans l'industrie des hydrocarbures, les systèmes de lubrification et d'étanchéité par gaz sont généralement conçus conformément à la norme API 617 [5] Partie 4.
Variateur de fréquence (VFD). Lorsqu'un générateur est à induction, un VFD est généralement activé pour ajuster le signal de courant alternatif (CA) à la fréquence du réseau. Les systèmes à VFD présentent généralement un rendement global supérieur à ceux utilisant des réducteurs ou d'autres composants mécaniques. Ils peuvent également s'adapter à une plus grande variété de variations de processus, notamment en ce qui concerne la vitesse de l'arbre de l'expandeur.
Transmission. Certains modèles de détendeurs utilisent un réducteur pour abaisser la vitesse du détendeur à la vitesse nominale du générateur. L'utilisation d'un réducteur entraîne une baisse du rendement global et, par conséquent, une diminution de la puissance de sortie.
Lors de la préparation d'une demande de devis (RFQ) pour un expandeur, l'ingénieur de procédés doit d'abord déterminer les conditions de fonctionnement, notamment les informations suivantes :
Les ingénieurs mécaniciens établissent souvent les spécifications des générateurs à détente en utilisant des données provenant d'autres disciplines de l'ingénierie. Ces données peuvent inclure les éléments suivants :
Le cahier des charges doit également inclure une liste des documents et des dessins fournis par le fabricant dans le cadre de la procédure d'appel d'offres et du périmètre de la fourniture, ainsi que les procédures de test applicables requises par le projet.
Les informations techniques fournies par le fabricant dans le cadre de la procédure d'appel d'offres doivent généralement comprendre les éléments suivants :
Si un aspect quelconque de la proposition diffère des spécifications initiales, le fabricant doit également fournir une liste des écarts et les raisons de ces écarts.
Une fois la proposition reçue, l'équipe de développement du projet doit examiner la demande de conformité et déterminer si les dérogations sont techniquement justifiées.
Voici d'autres considérations techniques à prendre en compte lors de l'évaluation des propositions :
Enfin, une analyse économique doit être réalisée. Étant donné que différentes options peuvent engendrer des coûts initiaux différents, il est recommandé d'effectuer une analyse des flux de trésorerie ou une analyse du coût du cycle de vie afin de comparer la rentabilité à long terme du projet et le retour sur investissement. Par exemple, un investissement initial plus élevé peut être compensé à long terme par une productivité accrue ou des besoins de maintenance réduits. Consultez la section « Références » pour obtenir des instructions sur ce type d'analyse. 4.
Toute application de turbogénérateur nécessite un calcul initial de la puissance potentielle totale afin de déterminer la quantité totale d'énergie disponible pouvant être récupérée. Pour un turbogénérateur, le potentiel de puissance est calculé comme un processus isentropique (à entropie constante). Il s'agit de la situation thermodynamique idéale pour considérer un processus adiabatique réversible sans frottement, mais c'est la méthode correcte pour estimer le potentiel énergétique réel.
L'énergie potentielle isentropique (IPP) est calculée en multipliant la différence d'enthalpie spécifique à l'entrée et à la sortie du turbodétendeur, puis en multipliant le résultat par le débit massique. Cette énergie potentielle sera exprimée comme une grandeur isentropique (équation (1)) :
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
où h(i,e) est l'enthalpie spécifique prenant en compte la température de sortie isentropique et ṁ est le débit massique.
Bien que l'énergie potentielle isentropique puisse servir à estimer l'énergie potentielle, tous les systèmes réels impliquent des pertes par frottement, par effet Joule et autres pertes d'énergie. Par conséquent, pour calculer le potentiel énergétique réel, il convient de prendre en compte les données d'entrée supplémentaires suivantes :
Dans la plupart des applications de turbodétendeurs, la température est limitée à un minimum afin d'éviter des problèmes indésirables tels que le gel des conduites, mentionné précédemment. En présence de gaz naturel, les hydrates sont quasi systématiquement présents ; par conséquent, la canalisation en aval d'un turbodétendeur ou d'une vanne d'étranglement gèlera intérieurement et extérieurement si la température de sortie descend en dessous de 0 °C. La formation de glace peut entraîner une restriction du débit et, en fin de compte, l'arrêt du système pour dégivrage. Ainsi, la température de sortie « souhaitée » est utilisée pour calculer un scénario de puissance potentielle plus réaliste. Cependant, pour les gaz tels que l'hydrogène, la limite de température est beaucoup plus basse, car l'hydrogène ne passe de l'état gazeux à l'état liquide qu'à des températures cryogéniques (-253 °C). Utilisez cette température de sortie souhaitée pour calculer l'enthalpie spécifique.
L'efficacité du système de turbo-détendeur doit également être prise en compte. Selon la technologie utilisée, cette efficacité peut varier considérablement. Par exemple, un turbo-détendeur utilisant un réducteur pour transmettre l'énergie de rotation de la turbine à l'alternateur subira des pertes par frottement plus importantes qu'un système à entraînement direct. L'efficacité globale d'un système de turbo-détendeur est exprimée en pourcentage et est prise en compte lors de l'évaluation de sa puissance potentielle réelle. Cette dernière (PP) est calculée comme suit :
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Examinons l'application du système de décompression du gaz naturel. ABC exploite et entretient une station de réduction de pression qui transporte le gaz naturel du gazoduc principal et le distribue aux municipalités locales. À cette station, la pression d'entrée du gaz est de 40 bars et la pression de sortie de 8 bars. La température du gaz à l'entrée est préchauffée à 35 °C afin d'éviter le gel du gazoduc. Par conséquent, la température du gaz à la sortie doit être contrôlée pour ne pas descendre en dessous de 0 °C. Dans cet exemple, nous utiliserons 5 °C comme température de sortie minimale afin d'accroître la marge de sécurité. Le débit volumique normalisé de gaz est de 50 000 Nm³/h. Pour calculer le potentiel de puissance, nous supposerons que tout le gaz traverse le turbodétendeur et calculerons la puissance de sortie maximale. Estimez le potentiel de puissance total à l'aide du calcul suivant :