Le gaz naturel est une source d’énergie de plus en plus utilisée dans le monde. L’existence d’importantes réserves mondiales et ses avantages environnementaux en ont favorisé l’essor, notamment dans des secteurs à forte valeur ajoutée comme les industries de précisions, la production d’électricité.
Son coût technique de production, de traitement et de transport constitue cependant un fort frein au développement de son utilisation. Les avancées technologiques futures seront décisives pour en réduire le coût et favoriser son développement.
Le gaz naturel se situe généralement dans des zones géographiques éloignées de son lieu d’utilisation comme le Sahara algérien, la Sibérie ou le désert du Qatar. Il existe plusieurs modes d’acheminement vers son lieu d’utilisation :
– Le transport par pipeline : généralement utilisé pour des distances inférieures à 6000 km et nécessite la mise en place d’un réseau de conduite très couteux entre le site de production et de réception.
-Le transport par méthanier : utilisé pour des distances plus grandes, le gaz naturel est liquéfié afin de réduire son volume et d’augmenter la quantité transportée. En effet, un litre de gaz liquide équivaut à 600 litres de gaz naturel, ce mode de transport reste plus économique et est donc privilégié. Le gaz liquéfié est chargé sur les navires méthaniers dans des cuves thermiquement isolées pour réduire son évaporation. L’idée de transport de GNL sous pression a été abandonnée pour des raisons de coûts et de sécurité.
– La transformation de gaz par voie chimique en liquide tel que le méthanol ou l’essence, cette technique s’est heurtée à de nombreuses difficultés techniques et économiques, mais avec l’augmentation de prix de pétrole elle connaît un regain d’intérêt.
– La conversion de gaz en énergie électrique, cette solution reste très peu utilisée par le rendement limité et le cout élevé.
Malgré les progrès techniques dans la construction des systèmes de confinement et d’isolation des cuves des navires méthaniers, une petite proportion de gaz naturel liquéfié s’évacue pendant le transport et le stockage. Il s’agit d’évaporation naturelle (Boil off), ce qui rend nécessaire la présence d’un équipement spécialisé dans la gestion de ces évaporations dans les installations de stockage en mer et sur terre. Parmi ces équipements spécialisés figurent les compresseurs à gaz, éléments indispensables à l’exploitation des méthaniers. Les compresseurs assurent la régulation de la pression des cuves de cargaison en maintenant celle-ci constante et en renvoyant l’excès de gaz à la machine, qui est utilisé comme combustible pour la propulsion. Les membranes composant le système de confinement du gaz dans les cuves sont très sensibles à la variation de pression, en fonctionnement normal la variation maximale de la pression des cuves est de l’ordre de 100 mbar. Avec l’apparition de la propulsion Diesel-Gaz électrique, les compresseurs doivent fournir une pression moyenne de 4,5 bars, soit un taux de compression de 2:1 par étage.
Les compresseurs subissent plusieurs contraintes au niveau de la température car ils doivent aspirer un gaz à des températures cryogéniques d’environ – 110° Celsius et la température de refoulement avoisine les + 80° Celsius, ce qui engendre des effets de dilatation et exige des alliages très sophistiqués pour la fabrication des compresseurs.
L’inflammabilité et les basses températures du gaz naturel rendent les compresseurs à gaz complexes, ils nécessitent une technologie avancée et des normes rigoureuses en matière de sécurité, et font appel à un matériel électronique antidéflagrant et à des barrières intrinsèques pour le circuit de commande à distance.
Les compresseurs centrifuges font partie de nombreuses applications industrielles, ils trouvent une utilisation étendue en raison de leur bon fonctionnement, de la tolérance à de grandes fluctuations des processus, et de leur grande fiabilité par rapport à d’autres types de compresseurs.
Le taux de compression des compresseurs centrifuges s’étend de 1.3:1 par étage jusqu’à 13:1 sur certains modèles expérimentaux. Avec un taux de compression dépassant 5:1 , l’écoulement dans le diffuseur est supersonique avec un Mach > 1.0, ce qui nécessite une conception spéciale du diffuseur.
Le compresseur centrifuge a une plage limitée de fonctionnement stable, dont la capacité varie entre 45% et 90% de la capacité maximale. Cela peut affecter l’économie de l’exploitation à charge partielle.
Un compresseur de type centrifuge doit être choisi pour être exploité dans les pires conditions possibles mais en même temps, doit répondre à d’autres exigences de conception.
La vitesse de fonctionnement des compresseurs centrifuge est plus grande que celle des autres types de compresseurs. La vitesse de rotation varie entre 50000 et 100000 trs/min dans le domaine aéronautique et entre 5000 à 30000 trs/min pour les navires méthaniers. Avec la tendance à l’augmentation de la vitesse, les problèmes liés à la lubrification de paliers, les vibrations et l’équilibrage sont de plus en plus importants à grande vitesse. Les compresseurs centrifuges sont plus adaptés pour un accouplement direct avec les turbines à gaz ou à vapeur ce qui permet une variation de vitesse plus facile avec l’appareil de manœuvre. Cependant sur les navires méthaniers on préfère des moteurs électriques pour entrainer ces compresseurs en raison de leur faible encombrement et de la simplicité de la gestion de l’énergie électrique. En raison de l’absence de forces d’inertie, les compresseurs centrifuges nécessitent de petites et moins coûteuses fondations. Ces machines ont un grand facteur de disponibilité, fonctionnant souvent 2 ou 3 ans sans arrêt.
L’étude de ce mémoire est consacrée aux compresseurs centrifuges. Ce type de compresseur est actuellement le type le plus répandu sur les navires méthaniers, cependant des grands méthaniers de plus 200 000 m³ livrés en 2008 à Quatar Gaz sont équipés de compresseurs volumétriques capables de fournir une pression de 350 Bars pour le système d’injection de gaz à haute pression sur un moteur lent pour la propulsion et reliquéfier le reste des évaporations.
La première partie de ce mémoire est consacrée à l’évolution des compresseurs à gaz ces dernières décennies, et en détaille le principe et la théorie de fonctionnement.
La deuxième partie évoque l’exploitation et le principe de régulation des deux types de compresseurs High Duty et Low Duty, installés en général sur les navires méthaniers actuels.
La troisième est la dernière partie est consacrée au phénomène de pompage, système anti-pompage et à la gestion des alarmes et sécurités.
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