GROUPE TECHNOLOGIQUE HANGZHOU NUZHUO CO.,LTD.

Auteur : Lukas Bijikli, responsable du portefeuille de produits, réducteurs intégrés, R&D sur la compression du CO2 et les pompes à chaleur, Siemens Energy.
Depuis de nombreuses années, le compresseur à engrenages intégré (IGC) est la technologie de prédilection pour les installations de séparation d'air. Ceci s'explique principalement par son rendement élevé, qui permet de réduire directement les coûts liés à l'oxygène, à l'azote et aux gaz inertes. Toutefois, l'intérêt croissant pour la décarbonation impose de nouvelles exigences aux IGC, notamment en termes d'efficacité et de flexibilité réglementaire. Les dépenses d'investissement demeurent un facteur important pour les exploitants d'installations, en particulier les petites et moyennes entreprises.
Ces dernières années, Siemens Energy a lancé plusieurs projets de recherche et développement visant à étendre les capacités de la technologie IGC afin de répondre à l'évolution des besoins du marché de la séparation de l'air. Cet article présente certaines améliorations de conception spécifiques que nous avons apportées et explique comment ces changements peuvent aider nos clients à atteindre leurs objectifs de réduction des coûts et des émissions de carbone.
La plupart des unités de séparation d'air actuelles sont équipées de deux compresseurs : un compresseur d'air principal (MAC) et un compresseur d'air de surpression (BAC). Le compresseur d'air principal comprime généralement la totalité du flux d'air de la pression atmosphérique à environ 6 bars. Une partie de ce flux est ensuite comprimée davantage dans le BAC jusqu'à une pression de 60 bars.
Selon la source d'énergie, le compresseur est généralement entraîné par une turbine à vapeur ou un moteur électrique. Dans le cas d'une turbine à vapeur, les deux compresseurs sont entraînés par la même turbine via deux arbres d'extrémité. Dans le schéma classique, un réducteur est installé entre la turbine à vapeur et le compresseur à air comprimé (figure 1).
Dans les systèmes à entraînement électrique comme dans ceux à turbine à vapeur, le rendement du compresseur est un levier essentiel de décarbonation, car il influe directement sur la consommation énergétique de l'unité. Ceci est particulièrement important pour les centrales à gaz à micro-ondes entraînées par des turbines à vapeur, puisque la majeure partie de la chaleur nécessaire à la production de vapeur est obtenue dans des chaudières à combustibles fossiles.
Bien que les moteurs électriques constituent une alternative plus écologique aux turbines à vapeur, ils requièrent souvent une plus grande flexibilité de régulation. De nombreuses usines modernes de séparation d'air, actuellement en construction, sont raccordées au réseau et utilisent une part importante d'énergies renouvelables. En Australie, par exemple, il est prévu de construire plusieurs usines d'ammoniac écologique qui utiliseront des unités de séparation d'air (USA) pour produire l'azote nécessaire à la synthèse de l'ammoniac et qui devraient être alimentées en électricité par des parcs éoliens et solaires voisins. Dans ces usines, la flexibilité de la régulation est essentielle pour compenser les fluctuations naturelles de la production d'électricité.
Siemens Energy a développé le premier compresseur IGC (anciennement VK) en 1948. Aujourd'hui, l'entreprise produit plus de 2 300 unités dans le monde, dont beaucoup sont conçues pour des applications avec des débits supérieurs à 400 000 m³/h. Nos compresseurs MGP modernes atteignent un débit de 1,2 million de mètres cubes par heure dans un seul bâtiment. Ils comprennent des versions sans engrenages de compresseurs de console avec des taux de compression allant jusqu'à 2,5, voire plus, en versions mono-étagées et jusqu'à 6 en versions en série.
Ces dernières années, afin de répondre aux exigences croissantes en matière d'efficacité, de flexibilité réglementaire et de coûts d'investissement des IGC, nous avons apporté des améliorations notables à la conception, qui sont résumées ci-dessous.
L'efficacité variable de plusieurs turbines généralement utilisées dans le premier étage MAC est améliorée en modifiant la géométrie des pales. Grâce à cette nouvelle turbine, des efficacités variables allant jusqu'à 89 % peuvent être atteintes avec des diffuseurs LS conventionnels et supérieures à 90 % avec la nouvelle génération de diffuseurs hybrides.
De plus, la roue présente un nombre de Mach supérieur à 1,3, ce qui confère au premier étage une densité de puissance et un taux de compression plus élevés. Ceci réduit également la puissance que les engrenages des systèmes MAC à trois étages doivent transmettre, permettant ainsi l'utilisation d'engrenages de plus petit diamètre et de réducteurs à entraînement direct dans les premiers étages.
Comparé au diffuseur à aubes LS traditionnel sur toute la longueur, le diffuseur hybride de nouvelle génération présente une efficacité d'étage accrue de 2,5 % et un facteur de contrôle de 3 %. Cette amélioration est obtenue grâce à la division des aubes en sections de hauteur totale et partielle.
Le débit entre la roue et le diffuseur est réduit d'une portion de la hauteur des pales, plus proche de la roue que celle des pales d'un diffuseur LS classique. Comme pour un diffuseur LS classique, les bords d'attaque des pales pleine longueur sont équidistants de la roue afin d'éviter toute interaction entre la roue et le diffuseur susceptible d'endommager les pales.
L'augmentation partielle de la hauteur des aubes près de la roue améliore également la direction du flux à proximité de la zone de pulsation. Le diamètre du bord d'attaque de la section d'aubes sur toute sa longueur restant identique à celui d'un diffuseur LS classique, la ligne d'étranglement demeure inchangée, ce qui élargit la gamme d'applications et de réglages.
L'injection d'eau consiste à injecter des gouttelettes d'eau dans le flux d'air du tube d'aspiration. Ces gouttelettes s'évaporent et absorbent la chaleur du flux de gaz de procédé, réduisant ainsi la température d'entrée de l'étage de compression. Il en résulte une réduction de la puissance isentropique requise et un gain de rendement supérieur à 1 %.
Le durcissement de l'arbre d'engrenage permet d'augmenter la contrainte admissible par unité de surface, ce qui autorise la réduction de la largeur des dents. Ceci diminue les pertes mécaniques dans la boîte de vitesses jusqu'à 25 %, entraînant un gain de rendement global pouvant atteindre 0,5 %. De plus, les coûts du compresseur principal peuvent être réduits jusqu'à 1 % grâce à la moindre quantité de métal utilisée dans la boîte de vitesses.
Cette turbine peut fonctionner avec un coefficient de débit (φ) allant jusqu'à 0,25 et offre une hauteur manométrique supérieure de 6 % à celle des turbines à 65°. De plus, avec un coefficient de débit de 0,25 et dans la conception à double flux de la machine IGC, le débit volumique atteint 1,2 million de m³/h, voire 2,4 millions de m³/h.
Une valeur de phi plus élevée permet l'utilisation d'une roue de diamètre inférieur pour un même débit volumique, réduisant ainsi le coût du compresseur principal jusqu'à 4 %. Le diamètre de la roue du premier étage peut être encore réduit.
La hauteur manométrique plus élevée est obtenue grâce à l'angle de déviation de la roue de 75°, ce qui augmente la composante de vitesse circonférentielle à la sortie et fournit ainsi une hauteur manométrique plus élevée selon l'équation d'Euler.
Comparativement aux turbines à grande vitesse et à haut rendement, le rendement de cette turbine est légèrement inférieur en raison de pertes plus importantes dans la volute. L'utilisation d'une spirale de taille moyenne permet de compenser ce défaut. Toutefois, même sans ces volutes, un rendement variable pouvant atteindre 87 % peut être obtenu à un nombre de Mach de 1,0 et un coefficient de débit de 0,24.
La volute plus petite permet d'éviter les collisions avec d'autres volutes lorsque le diamètre de la grande roue dentée est réduit. Les opérateurs peuvent réaliser des économies en remplaçant un moteur à 6 pôles par un moteur à 4 pôles plus rapide (de 1 000 à 1 500 tr/min) sans dépasser la vitesse de rotation maximale admissible de l'engrenage. De plus, cela permet de réduire les coûts des matériaux pour les engrenages hélicoïdaux et les grandes roues dentées.
Globalement, le compresseur principal permet de réaliser jusqu'à 2 % d'économies sur les coûts d'investissement, et le moteur également. Les volutes compactes étant légèrement moins efficaces, leur utilisation dépend largement des priorités du client (coût ou efficacité) et doit être évaluée au cas par cas.
Pour accroître les capacités de contrôle, l'IGV peut être installée en amont de plusieurs étages. Ceci contraste fortement avec les projets IGC précédents, qui n'intégraient d'IGV que jusqu'à la première phase.
Dans les versions précédentes de l'IGC, le coefficient de vortex (c'est-à-dire l'angle du deuxième IGV divisé par l'angle du premier IGV1) restait constant, que l'écoulement soit direct (angle > 0°, réduction de la charge) ou inverse (angle < 0°, la pression augmente). Ceci est désavantageux car le signe de l'angle change entre les vortex positifs et négatifs.
La nouvelle configuration permet d'utiliser deux rapports de vortex différents lorsque la machine fonctionne en mode vortex direct et inverse, augmentant ainsi la plage de contrôle de 4 % tout en maintenant une efficacité constante.
L'intégration d'un diffuseur LS pour la roue, couramment utilisée dans les compresseurs d'air à double étage (BAC), permet d'atteindre un rendement de 89 %. Ce procédé, combiné à d'autres améliorations d'efficacité, réduit le nombre d'étages du BAC tout en maintenant le rendement global de la chaîne. La réduction du nombre d'étages élimine le besoin d'un refroidisseur intermédiaire, de la tuyauterie de gaz de procédé associée, ainsi que des composants du rotor et du stator, ce qui engendre une économie de 10 %. De plus, dans de nombreux cas, il est possible d'intégrer le compresseur d'air principal et le compresseur d'appoint dans une seule machine.
Comme indiqué précédemment, un engrenage intermédiaire est généralement nécessaire entre la turbine à vapeur et le compresseur d'air. Grâce à la nouvelle conception IGC de Siemens Energy, cet engrenage fou peut être intégré au réducteur par l'ajout d'un arbre intermédiaire entre l'arbre du pignon et la grande roue (4 engrenages). Ceci permet de réduire le coût total de la ligne (compresseur principal et équipements auxiliaires) jusqu'à 4 %.
De plus, les engrenages à 4 pignons constituent une alternative plus efficace aux moteurs à spirale compacts pour le passage de moteurs à 6 pôles à des moteurs à 4 pôles dans les grands compresseurs d'air principaux (en cas de risque de collision de la volute ou si la vitesse maximale admissible du pignon est réduite).
Leur utilisation se généralise également sur plusieurs marchés importants pour la décarbonation industrielle, notamment les pompes à chaleur et la compression de vapeur, ainsi que la compression du CO2 dans le cadre des projets de captage, d'utilisation et de stockage du carbone (CCUS).
Siemens Energy possède une longue expérience dans la conception et l'exploitation de centrales à gaz intégrées (IGC). Comme en témoignent les efforts de recherche et développement mentionnés ci-dessus (et d'autres encore), nous nous engageons à innover constamment dans ces machines afin de répondre aux besoins spécifiques de chaque application et aux exigences croissantes du marché en matière de réduction des coûts, d'amélioration de l'efficacité et de durabilité. KT2