Contrôle précis et efficace de la transmission mécanique des compresseurs à gaz

Les variations de pression résultant du nombre important de points d'entrée et de sortie le long d'un gazoduc, la perte de pression durant le transport du gaz, les gradients de température mais aussi le besoin en qualité de gaz doivent être surveillés et compensés dans les stations avec compresseurs. Et dans ce cas, il est important une énergie aussi faible que possible.

Différents types de compresseurs sont employés pour comprimer le gaz à transporter; ils sont actionnés par des moteurs électriques, par des turbines à gaz ou des moteurs à gaz qui sont alimenter en carburant directement à partir de la canalisation.

La surveillance d'une multitude de paramètres de processus permet de s'assurer que les performances de l’installation sont toujours adaptées et de manière permanente aux conditions de fonctionnement, changeant parfois très rapidement, tout en gardant une grande efficacité. C'est un défi important tout particulièrement avec les systèmes de propulsion mécaniques.

Un des plus importants paramètres du process est la puissance de propulsion transmise au compresseur à gaz. Il est essentiel de contrôler son niveau de telle manière que la puissance de propulsion minimale exigée pour une situation particulière donnée du compresseur soit en permanence disponible, même dans le cas d’un changement de charge rapide. En même temps, développer une puissance de propulsion excessive amène une baisse d’efficacité. D'ailleurs, cela a pour conséquence une augmentation d’émissions polluantes  (avec les systèmes de propulsion mécaniques) mais également des situations de fonctionnement critiques (en particulier avec les systèmes de propulsion mécaniques avec des moteurs à gaz). Le contrôle et la surveillance permanents de la puissance de propulsion de tels systèmes exigent donc une mesure de la vitesse de rotation et, en plus, la mesure du couple transmis au compresseur.

Contrairement à la mesure de vitesse de rotation de vitesse qui peut être mise en œuvre  directement et relativement facilement, la mesure du couple est plus difficile. Pour cela, les grandeurs de mesure comme la pression du cylindre et la température sont souvent employées en tant que grandeurs auxiliaires pour mesurer par calcul le couple et la puissance. Cette méthode a été employée pendant de nombreuses années et affinée en permanence; cependant, elle présente un énorme inconvénient à savoir que l'incertitude de mesure sur le couple augmente de manière significative en raison d'un certain nombre de paramètres ayant des tolérances plus élevées, qui d'ailleurs, ne peuvent pas être habituellement prouvée. De plus grandes tolérances des grandeurs de mesure sont exigées pour le contrôle, cependant, inévitablement le résultat cela entraine de plus grandes déviations des paramètres de fonctionnement optimal. Ceci peut avoir des effets indésirables, en particulier avec le moteur à gaz. Le diagramme suivant en est une illustration:

Plage de fonctionnement d'un moteur à gaz
Source: Wärtsilä Corporation

Le diagramme montre la relation entre le BMEP (Brake Means Effective Pressure) et le ratio  air/carburant en visualisant des zones de frappement et de raté du moteur. En aucun cas, le point de fonctionnement du moteur doit être dans une de ces zones; en particulier, il est essentiel de s'assurer que, dans toutes les conditions de fonctionnement, il ne se décale pas vers la zone de frappements, puisque cela pourrait l’endommager le moteur.

La fenêtre optimale de fonctionnement est la zone se trouvant entre celle de frappements et celle de ratés, zone qui devient plus étroite vers le haut. Ceci signifie que le fonctionnement du moteur gaz à la puissance maximum tout en maintenant des émissions polluantes basses exige un système de contrôle sensible avec de petites tolérances. Des tolérances plus élevées nécessitent de réduit la puissance maximum en augmentant la distance entre le point de fonctionnement et les zones de frappements et de ratés du moteur. En même temps, il est essentiel que le contrôle soit très rapide, puisque de grandes fluctuations de pression peuvent se produire sur le compresseur dans un temps très brefs, comme lors de variations de charge sur le moteur.

Elles doivent être compensées rapidement et avec précision par le moteur pour s'assurer que le point d'opération demeure dans la fenêtre de fonctionnement.  Le diagramme suivant démontre que ces variations de charge peuvent s'élever jusqu’à environ 50% de la capacité du système en quelques secondes :

Variations de charge sur un moteur à gaz
Source: Wärtsilä Corporation

En dehors de la méthode décrite précédemment, il y a d'autres méthodes pour déterminer le couple transmis au compresseur. L’une d’elles implique l'évaluation de la torsion élastique de l'axe d'entrée résultant de l'application du couple. Il existe diverses méthodes (par exemple, la mesure de contraintes, de déplacement, d’angle ou de fréquences), toutes basées sur la mesure d'une grandeur auxiliaire pour calculer le couple et donc, à condition d’être simplement montée sur la transmission, doivent également être considérées comme des méthodes indirectes. Dans ces cas-là aussi, les tolérances des paramètres à prendre en considération  (par exemple le matériau et la géométrie de l’arbre) interfèrent pour une incertitude de mesure relativement élevée sur le couple mesuré.

Les méthodes indirectes de mesure de couple basées sur la torsion élastique de l'arbre d'entrée peuvent être traduites en méthode directe de mesure de couple en étalonnant le système de mesure pour le couple à mesurer; comme cela est expliqué ci-dessus. L’étalonnage  pour la grandeur auxiliaire correspondante n'est pas suffisant. Cela exige que la partie de l’arbre d’entrée du système de mesure soit étalonnée à l'aide d'une machine d’étalonnage de couple de façon à déterminer le rapport exact entre le couple appliqué et le signal de sortie du système de mesure. Cette approche présente un certain nombre de difficultés.

• Adaptation de la section de l’arbre pendant l'installation dans la machine d’étalonnage
• Faible élasticité de la section d'arbre résultant de la conception de l’arbre d’entrée ayant pour conséquence une faible sensibilité du système de mesure
• Le système de mesure ne doit pas être démonté de l'arbre après étalonnage puisque dans ce cas le certificat d’étalonnage ne sera plus valable.

1. Transient response behaviour of gas engines
Position paper by the CIMAC working group Gas Engines, April 2011

2. Wärtsilä 20 Dual Fuel (DF) Engine Presentation
Wärtsilä Corporation, 2010

3. LNG based concept development
 Tomas Aminoff, Wärtsilä Corporation

Klaus Weissbrodt

HBM Key Account and Project Manager
High-capacity Torque Applications