Turbo Expander
Turbo Expander
Turbo Expander
BADJI-MOKHTAR-ANNABA-UNIVERSITY
UNIVERSITE-BADJI-MOKHTAR-ANNABA
جامعة باجي مختار – عنابة
MEMOIRE
PRESENTE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE MASTER.
INTITULE
SPECIALITE : ENERGETIQUE
Mr. KADRI.S
Aussi, je remercie vivement les membres du jury qui ont accepté de bien
Enfin mes remerciements vont à tous ceux qui ont contribué de près ou
de loin pour l’aboutissement de ce travail.
Dédicace
Quoi que de plus que de pouvoir partager les meilleurs moments de
Modeste travail :
A mon très cher père, pour ses encouragements, son soutien, surtout
A ma responsable Me Boumaaraf
A Mr chef service de l’unité GPL 2 « Zine Mourad » qui nous donne tous les
donnés et l’importance pendant la période de stage.
TABLE DE MATIERE
Remerciement
Dédicace
Liste des figures …………………………………………………………................................iv
Liste des tableaux ………………………………………………………………………..........vi
Liste des abréviations …………………………………………………………………….......vii
Liste des symboles ………………………………………………………………………........ix
Résumé ……………………………………………...……………………………………...…xi
Introduction Générale………………………………………………………………………….1
I.1.Introduction ……………………………………………..…………….………...………....3
I.2.Définition du GPL..……………………………...……………………..……..…...……….3
I.3.Origine de GPL ........……………………………………………………………...….….....4
I.4. Caractéristiques du GPL ……………………………………….……………...….……….4
I.5. Les différentes utilisations du GPL.…………………………………………...…………..6
I.6. Avantages écologiques du GPL en tant que carburant.........................................................6
7. Procédés d’extraction des GPL ……………………………………...……........……...…....7
I.7.1.Procédé PRICHARD.…..……………………………………….…….…….…......7
I.7.2.Procédé HUDSON…….………………………………………......……….….......7
I.8. Consommation mondiale de GPL ……………………………………….…………….......7
I.9. La situation du GPL en Algérie………….………………………………………..….…...8
I.9.1.Industrie des GPL en Algérie …….………………………..…………...……….…8
I.9.2.Offre nationale des GPL………………………….……………...…………...........8
I.9.3.La production nationale du GPL ……….……………………...………….….…... 9
I.10.Risque des GPL ……………………………………………………...………….….9
I.11.Conclusion................................................................................................................10
HMD 2018 i
TABLE DE MATIERE
III.1 Introduction……………………………………………………………………….…..33
III.2 Notion sur la détente…………………………………………………………………. 33
III.3 Généralité sur les turbomachines …………………………………………….……….33
III.3.1 Classification des turbomachines………………………………………… 33
III.3.2 Turbine……………………………………………..…………………..…34
III.4 Turbo-expander……………………………………………………………………. 35
III.4.1 Notion sur le Turbo expander……………………………………………….35
III.4.2 Origine et développement…………………………………………………...36
III.4.3 Définition du Turbo-expander……………………………………………...37
III.4.4 Domaine d’utilisation……………………………….……………………...38
III.4.5 Descriptions des constituants et des principales fonctions de la machine.....38
III.4.6 Avantages et désavantages de turbo expandeur………………………….....44
III.5 Etude thermodynamique ……………………………………………………….….….45
III.6 La vanne JT (by-pass)…………………………………………………………….…48
III.6.1 Description…………………………………………………………….….…48
HMD 2018 ii
TABLE DE MATIERE
LES ANNEXES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
HMD 2018 iv
Liste des figures
HMD 2018 v
Liste des tableaux
HMD 2018 vi
Liste des tableaux
HMD 2018 vi
Liste des abréviations
Abréviation Explication
BP base pression
GA Gaz d’alimentation
HP Haute pression
HV Hand valve
JT Joule Thomson
MP Moyenne pression
MT Million tonne
PM Poids moléculaire
QR Quantité récupérée
rdt Rendement
RES Résiduel
HMD 2018 ix
Liste des symboles
𝐘𝐢 Fraction molaire
𝐡𝐢 Enthalpie d’un composant. (kj/kg)
𝑸𝑽 Débit volumique (Normal mètre
cube) Nm3
𝑸𝒎 , V Débit massique (Kg/h)
∆𝐇 Différence d’enthalpie. (kj/kg)
∆𝐒 Différence d’entropie (kj/kg.K)
∆𝐔 Différence d’énergie interne KJ
C1 Méthane (CH4)
C2 Ethane (C2H6)
C3 Propane (C3H8)
C6 Hexane (C6H14)
C7 Heptane (C7H16)
CO2 Dioxyde de carbone
𝐂𝟐− C 2 et C1
𝐂𝟒+ C4 et C5
𝐂𝟓+ C5 et C6
H, h Enthalpie (kj/kg)
H2 Hydrogène
H2 O L’eau
He Hélium
IC4 I-butane (I-C4H10)
IC5 I-pentane (I-C5H12)
K Coefficient isentropique
KW Kilo watt.
M Poids moléculaire kg/kmole
n Coefficient poly tropique
N2 Azote
NC4 N-butane (N-C4H10)
NC5 N-pentane (N-C5H12)
O2 oxygène
P Pression (bar)
Q Quantité de chaleur KJ
QGPL R Quantité de GPL dans le gaz résiduel (T/J)
Indice :
a Actuel (réel)
ans Une année
e Entré
is Isentropique.
max Maximum
min Minimum
s Sortie
Résumé
Dans ce travail nous avons étudié la performance du Turbo-expander à travers une étude
thermodynamique, pour cet objectif une combinaison entre le calcul manuel et celui
numérique en utilisant le logiciel HYSYS a été adoptée. Les résultats du calcul actuel ont
donnés un rendement de 65% ; nettement inférieur à celui du design 82%. Cette écart
importante à motivé l’étude de l’influence de la variation de : la température, la pression et du
débit sur le rendement de ce dernier et par conséquent sur le taux de récupération des GPL.
Les résultats obtenus ont été présentés et interprétés ; indiquant une meilleure récupération
des hydrocarbures a des basses températures ; hautes pressions et avec des débits proche au
design.
ملخص
ولهذا الغرض تم اعتماد،في هذا العمل درسنا أداء توربو المتوسع من خالل دراسة الديناميكا الحرارية
وبالنظر إلى نتائج العملية الحسابية.HYSYS التنسيق بين الحساب اليدوي والرقمي باستخدام البرنامج
هذا االختالف الكبير. بالنسبة للتصميم٪82 أقل بكثير من،٪65 بالنسبة للوضع الحالي اعطت مردود
وبالتالي على، درجة الحرارة ة والضغط والتدفق على اداء هذا األخير: دفع بنا لدراسة تأثير التغيير في
.استعادة غاز البترول المسال
مشيرا إلى االنتاج األ فضل في المواد الهيدروكربونية في درجات.تم عرض النتائج وتفسيرها
.حرارة منخفضة؛ الضغوط العالية ومعدالت التدفق المماثلة للتصميم
Abstract
The results obtained have been presented and interpreted; Indicating better recovery of
hydrocarbons at low temperatures; High pressures and with flows close to the design.
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Introduction générale
INTRODUCTION GENERALE
Le champ de HASSI Messaoud est l’un des gisements de pétrole les plus importants en
Algérie et au monde. Vu l’importance que présente les hydrocarbures dans le développement
économique de notre pays et en bénéficiant de la haute technologie pétrolière et gazière
mondiale, l’amélioration de l’exploitation rationnelle d’hydrocarbures de ce gisement est
l’une des propriétés de la politique énergétique de la SONATRACH. Après le gaz naturel, le
pétrole brut, l’exportation des GPL et condensats constitue l’une des plus importantes sources
des revenus du pays.
L'unité GPL2 a été mise en service en 1997 au niveau du CIS (centre industriel sud) avec
comme but de récupérer le GPL et le Condensat des gaz associés, issus de la séparation du
pétrole brut. Le GPL est expédié vers HEH (HAOUD EL HAMRA) via la pipe LR1, puis il
est envoyé vers le complexe d’Arzew à travers les stations de pompages.
Les pertes du GPL dans le gaz résiduel et le condensat de l’unité GPL2/CIS-HMD ou nous
avons effectué notre stage pratique, sont estimées à 380 tonnes par jour, ce qui présente une
grande perte financière. Ces pertes sont majoritairement au niveau de la section cryogénique
et elles sont fonction du rendement de l’opération de liquéfaction qui dépend essentiellement
de la température en amont de la section cryogénique. Plus la température en amont de la
section est basse, plus le taux de liquéfaction est plus important et par conséquent un
maximum de taux de récupération GPL est réalisé.
Le turbo-expander est le cœur de chaque industrie gazière ou pétrolière, c’est un organe très
important dans la liquéfaction du GPL. Afin d’atteindre une basse température et pression en
aval, il est nécessaire d’assurer le bon fonctionnement de l’expander. A cet effet et en raison
de l’importance de ce dernier sur la production, il nous a été proposé d’étudier « l’influence
du rendement de turbo-expander sur la production du GPL ».
HMD 2018 1
Introduction générale
Une partie pratique (chapitre IV), décrivant la méthode de calcul utilisée pour évaluer le
rendement du turbo-expander et, la simulation de ce dernier à l’aide du logiciel HYSYS afin
de vérifier nos calculs. Par ailleurs, une étude de l’influence des paramètres
thermodynamiques (Te , Pe et Qm ) sur le rendement du turbo expander ainsi que sur le taux de
récupération du GPL. Enfin, un calcul économique montrant le gain financier réalisé grâce à
l’augmentation du taux de récupération du GPL, a été effectué.
HMD 2018 2
Chapitre I : Généralités et caractéristiques du GPL
I.1 Introduction :
La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux à l'état
liquide. Elle est la transformation inverse de la vaporisation. Bien qu'incorrect selon la
terminologie de la thermodynamique, le terme condensation (liquide) est couramment utilisé à
la place. Elle peut se produire par compression ou refroidissement d'un gaz. La première
industrialisation du procédé est due à Carl von Linde.
Exemples de gaz liquéfiés : hélium liquide −268,93 °C, hydrogène liquide −252,76 °C, néon
liquide -246,053 °C, azote liquide −195,79 °C, oxygène liquide −182,96 °C, gaz naturel
liquéfié (composé essentiellement de méthane −161,52 °C) et gaz de pétrole liquéfié
(−43,1 °C ) [1].
pour réduire leur volume et donc mieux les stocker et les transporter ;
pour les utiliser dans les différents domaines de la cryogénie.
Le gaz de pétrole liquéfié (GPL) occupe une place très importante dans le marché mondial
grâce à ses propriétés énergétiques et écologiques.
Cette propriété lui permet d’être stocké dans un volume réduit (250 litres de GPL gazeux
sont équivalents à un litre de GPL liquide), ce qui permet de le transporter plus facilement que
pour les gaz non condensables (méthane, éthane) qui exigent des pressions très élevées, et de
le commercialiser aisément, dans des bouteilles en acier. Il est gazéifié au moment de son
utilisation.
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Chapitre I : Généralités et caractéristiques du GPL
La composition chimique du GPL est variable selon les normes et les utilisations dans les
différents pays.
Le GPL est également utilisé comme carburant efficace pour les véhicules, et dans différents
domaines car il présente des avantages par rapport au diesel en permettant de réduire [3]:
50% des émissions d’oxyde d’azote ;
60% de celles du monoxyde de carbone ;
90% de celles des hydrocarbures et particules.
I.4.2 Densité
A l’état gazeux, ils sont plus lourds que l’air ; la densité du propane égale à 0.510 et celle du
butane égale à 0.580 [3].
I.4.3 Expansion
A l’état liquide, ils ont un coefficient de dilatation important dont il faut tenir compte lors de
leur stockage (les sphères ne doivent jamais être complètement remplies).
HMD 2018 4
Chapitre I : Généralités et caractéristiques du GPL
I.4.6 Impuretés
La teneur en soufre inférieure ou égale à 0.005 % en masse.
Les GPL sont constitués principalement de propane et de butane en proportions variables
selon leurs origines (gaz naturel, gaz associés), le GPL produit au niveau des différents
champs doit répondre aux spécifications suivantes [3]:
Teneur en C2- inférieure ou égale à 3% mol.
Teneur en C 5+ inférieure ou égale à 0.4% mol.
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Chapitre I : Généralités et caractéristiques du GPL
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Chapitre I : Généralités et caractéristiques du GPL
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Chapitre I : Généralités et caractéristiques du GPL
25% 9%
33%
20%
14%
Durant la dernière décennie, l’industrie algérienne des GPL a connu des changements
profonds, notamment en matière de production, d’exploitation et d’activité de transport
maritime.
Le programme de valorisation des ressources gazières lancé au début des années 90 fait
bénéficier aujourd’hui la SONATRACH de disponibilités importantes de GPL. Depuis la mise
en exploitation du champ gazier de HAMRA en 1996, la production des GPL en Algérie a
suivi une croissance soutenue.
Quelques chiffres peuvent illustrer cette dynamique. La production est passée de 5.05 millions
de tonnes en 1996 à plus de 7.3 millions de tonnes en 1998. Un pic de 12.5 millions de
tonnes a été atteint en 2006 grâce aux projets qui ont été mis en service [2].
En Algérie la majeure partie des GPL provient des champs pétroliers (79%), l’autre partie est
produite au niveau des raffineries de pétrole de Skikda, Alger et Arzew (10 %) et des
complexes de la liquéfaction de gaz naturel de la SONATRACH GL2Z et GL1K
(11%).L’offre du GPL est localisée essentiellement dans (Figure I.2 ) [2]:
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Chapitre I : Généralités et caractéristiques du GPL
87%
Puisque l’Algérie est un pays pétrolier et gazier, l’industrie du GPL est très importante, sa
production suit une croissance soutenue en raison de l’intérêt suscité chez les pays
industrialisés par cette forme d’énergie idéale pour la protection de l’environnement.
Jusqu’à 1984 l’Algérie importait du butane en période de pointe. Depuis cette date et suite, à
la mise en service du complexe GP1Z. La production nationale est largement excédentaire par
rapport à la demande du marché national. La production moyenne annuelle de ces raffineries
est de l’ordre de 530.000 tonnes [2].
Le GPL peut présenter un risque d'incendie dès qu'une fuite se produit ou dès que le gaz
s'échappe dans l'atmosphère ;
Ne jamais remplir en GPL des réservoirs à plus de 85 % ;
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Chapitre I : Généralités et caractéristiques du GPL
Leur vapeur est plus lourde que l'air, ce qui provoque son accumulation dans les points les
plus bas, donc il faut éviter les cavités, aérer et ventiler les endroits pollués [2];
II a une viscosité faible, ce qui le rend un fluide présentant beaucoup de fuites, donc il
faut éviter au maximum les assemblages non soudés ;
Purger les canalisations de liquide après dépotage afin d'éviter les risques de rupture des
réservoirs s'ils sont sur- remplis [2].
I.11 Conclusion:
Vu l'importance que représente le gaz de pétrole liquéfié (GPL) dans le développement de
notre pays grâce à ses propriétés et ses avantages et son utilisation dans divers domaines :
résidentiel, industriel, pétrochimie et transports, il est nécessaire de faire fonctionner nos
unités de production à leur rendement maximal, afin d'éviter toute perte de nos richesses
nationales.
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
Production en tonnes
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
La partie engineering du projet a été confiée à JGC, tandis que les travaux de construction ont
été entrepris par des sociétés et des entreprises de construction algériennes réparties comme suit
[7] :
Fractionnement
Dépropaniseur Stockage GPL Détente
Dééthaniseur
Débuthaniseur
Livraisons
Expédition GPL
Butane –Propane
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
Les 3 collecteurs primaires reçoivent une charge de telle manière que [7]:
Un collecteur qui regroupe les gaz du satellite est : E1a, E2a et S1a ;
Un collecteur ouest collecte les gaz du satellite ouest : W1a, W2a et W1c;
Un troisième collecteur qui réunit les gaz provenant de la zone de traitement des gaz
de LDHP1, LDHP2, et ceux de LDBP1, LDBP2 qui ont subi une compression de 11 bar à 28
bar) et les gaz de 2ieme étage (qui ont subi une double compression de 6 à 11 bar puis à 28 bar).
Une ligne de banalisation munie d’une vanne de banalisation assure l’évacuation du gaz du
collecteur d’alimentation à un autre collecteur résiduel en cas d’augmentation de la pression.
Le gaz est par la suite comprimé et réinjecté dans des puits.
Les collecteurs d’alimentation et résiduel sont munis d’une sécurité de surpression grâce à des
vannes de torche qui y sont installées.
Le gaz envoyé par CINA pique directement dans la conduite du GPL2 pour atteindre une
capacité de 24 MNm3/j.
Le gaz qui provient de l’UTBS (unité de traitement) rentre dans les deux conduites de GPL2
« 42 » et GPL1 « 20 » pour que ce dernier (GPL1) reçoive une capacité 5,6 MNm3/j [7].
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
l’évaporation des goulettes d’eau absorbées par le tamis. On récupère les liquides dans le
ballon D-202 qui sera envoyé vers le traitement par une vanne LV-202, après avoir refroidi ce
gaz à 50°C par son passage à travers les aéros E-202 A/B. Dans ce parcours, la pression du
gaz chute de 10 bar (87 bar) c’est pour cette raison on le renvoie dans la 6eme roue du
compresseur pour le comprimer à 95 bar avec le gaz provenant du manifold.
Après la régénération du tamis, un gaz du processus froid passe à travers le ballon de
régénération pour le refroidir dont l’objectif est d’éviter la perturbation de la température dans
le train.
Donc le cycle d’un déshydrateur est de 12 heures : 8 heures de service et 4 heures de
régénération (2 heures de chauffage et 1 heure 40 min de refroidissement) les 20 minutes
restantes sont dues au jeu de vanne.
Deux filtres V-201(A/B) en aval des trois sécheurs retiennent les éventuelles particules de
poussière et les particules du produit desséchant d'un diamètre supérieur à 5 microns afin
d’éviter l’obstruction des instruments de mesure et les appareils sensibles ainsi que l’érosion
de ces derniers et spécialement le turbo expander. Des hygromètres en ligne placés à la sortie
de la section de déshydratation servent à mesurer la teneur en eau du gaz séché. Toujours T=
50 0C, P=95 bar [7].
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
Les vapeurs de tête à 67 °C sont entièrement condensées dans les aéros réfrigérants E-210 où
le GPL est recueilli dans le ballon de reflux D-206 à une température de 55 °C. Une partie de
ce liquide est retournée par la pompe G-203 A/B comme reflux vers le 1er plateau du
débutaniseur C202 afin de maintenir la température de tête, l’autre est acheminée vers le
stockage.
Le système de rebouillage assure une température de fond de 152 °C dans le rebouilleur 11-E-
211.
Les condensât chauds sortant de ce dernier sont refroidis dans l’Aéroréfrégérants 11-E-212 à
une température de 55 °C pour être envoyés vers l’unité de traitement de brut [7].
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
Deux pompes centrifuges, une d’un débit de 1000 m3/h à une pression de 10 bars et
l’autre d’un débit de 10 m3/h à une pression de 6 bars ;
Deux pompes centrifuges de réserve ;
Un réservoir d’eau d’incendie, de 8500 m3, du type à toit conique.
Extincteur
Les extincteurs sont du type portable et sur chariot, au gaz carbonique et à la poudre sèche, et
sont installés dans la zone de procédé, dans les bâtiments et les abris.
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
Sous-station ;
Enveloppe de turbine ;
Armoire de commande.
Système d’extinction à poudre sèche
Le système d’extinction à poudre sèche automatique est prévu et comprend l’équipement
suivant :
Compresseur et réducteur dans l’abri du compresseur ;
Pompe à GPL ;
Transformateur ;
Turbo-expandeur.
Système d’alarme incendie
Un système d’alarme incendie est prévu avec l’équipement suivant :
1. Bâtiment de contrôle
a) Panneau principal d’alarme incendie
b) Détecteurs de fumée pour le système d’extinction au CO2
c) Sonnerie d’alarmes incendie
d) Lampes à décharge
e) Boite brise-vitre avec bouton poussoir
f) Sirène à moteur.
2. Sous-station
a) Détecteur de fumée pour système d’extinction au CO2
b) Sonneries d’alarme incendie
c) Boite brise-vitre avec bouton poussoir
3. Enveloppe turbine à gaz/armoire de commande
a) Détecteurs de chaleur incendie
b) Lampes à décharge
c) Boite brise-vitre avec bouton poussoir.
4. Compresseur et réducteur
a) Détecteurs de chaleur pour système d’extinction à la poudre sèche
b) Sonnerie d’alarme incendie
c) Lampes à décharge
d) Boite brise vitre avec bouton poussoir.
5. Pompe de GPL
a) Détecteurs de chaleur linéaire pour système d’extinction à la poudre sèche
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
Pression (kg/cm2) 4,0 2,7 5,0 5,0 17,0 13,5 17,0 5,0
Débit maxi (T/j) 115 135 515 425 240 1040 535 15000
Densité (kg/l) 0,6876 0,742 0,704 0,742 0,657 0,654 0,655 0,7194
TVR (kg/ cm2) 0,9 0,19 0,54 0,19 0,92 0,95 1,06 0,35
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre II : présentation du champ HMD et de l’unité GPL2
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Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
III.1 Introduction :
Les turbines ont pris ces dernières années un rythme de développement accéléré, plus
particulièrement dans le domaine de l’industrie des hydrocarbures à l’exemple du processus
de traitement des gaz bruts dans la région de Hassi Messaoud de l'unité du GPL2 dans la
section particulière de récupération de GPL appelée K-201 L'un des instruments qui
composent cette unité est le turbine de dilatation ou turbo-expander avec des paliers.
Le succès de sa mise en œuvre est principalement dû à sa grande efficacité et sa grande
fiabilité opérationnelle La plus grande utilisation du turbo-Expander dans l'industrie est pour
la condensation des gaz des mélanges pour récupérer les fractions lourdes de tels mélanges.
Dans ce chapitre, on présente le rôle et le principe général d’un turbo-Expander.
HMD 2018 33
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Les turbomachines desquelles on retire de l’énergie du fluide pour l’utiliser comme un travail
mécanique, dans ce cas on parle alors de turbine.
Machines axiales
L’écoulement à travers ce genre de machines est parallèle par rapport à son arbre.
III.3.2 Turbines :
Les turbines des turbomoteurs sont le siège de la détente, c’est à dire la chute d’enthalpie
(pression et température), qui transforme l’énergie disponible dans le fluide actif en énergie
mécanique par l’intermédiaire de la roue. Cette énergie est recueillie au bout d’arbre, pour
l’entraînement des différentes machines réceptrices, comme : pompe, compresseur, et
alternateur.
Donc une turbine fonctionne entre deux sources (principe thermodynamique des moteurs
thermiques), avec un minimum de pertes d'énergie [5].
HMD 2018 34
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
III.4 Turbo-expander :
III.4.1 Notion sur le Turbo expander :
Les turbo-expander sont utilisés industriellement dans les complexes de séparation et de
liquéfaction des gaz ainsi que dans les postes de détente de gaz naturel et de pétrole. Cette
détente est le résultat d’une transformation isentropique qui génère un travail à récupérer au
niveau de l’arbre de rotation, Cela sert dans de nombreux procédés industriels où un gaz sous
pression doit être ramené à une pression plus faible.
Les turbo expander ou turbo détendeur sont très largement utilisés comme sources de
réfrigération dans les procédés industriels tels que l'extraction de l'éthane et la liquéfaction des
liquides.
Dans le traitement cryogénique, les turbines de détente ou turbo expander ont vu leur intérêt
augmenter entant que turbine de récupération d'énergie. Ils sont largement utilisés dans le
traitement des gaz, séparation et liquéfaction, dû principalement à leur rendement élevé et à
leur grande fiabilité de fonctionnement [9].
HMD 2018 35
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Les turbo-expander ont été utilisés dans les procédés de séparation de l’air dès les années 50.
Les premiers modèles étaient réduits et avaient des problèmes mécaniques principalement liés
à la miniaturisation et de l’indisponibilité de la bonne lubrification pour les roulements à
haute vitesse. Les rotors ont été seulement de quelques pouces de diamètre.
Une plus grande efficacité, moins d’entretien et de taille, ont été les avantages attendus au-
delà de ceux réalisables à partir des machines alternatives.
Le succès des turbo-expander avait été prévu dès 1940. Plus récemment, des procédés
similaires à ceux utilisés dans la séparation de l’air ont été appliqués dans d’autres domaines.
Ces nouvelles applications ont progressé à la suite de l’évolution parallèle des procédés
nouveaux et amélioré les turbo-expander qui sont devenus très résistants. Par ailleurs, il y a eu
des améliorations dans l’économie des procédés eux-mêmes [5].
HMD 2018 36
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
HMD 2018 37
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Remarque :
L'énergie provenant de la détente du gaz sur les lames de l'expandeur est ensuite utilisée pour
entraîner le compresseur qui augmente la pression des fractions légères dans une phase du
procédé d'expédition.
HMD 2018 38
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Entrée Gaz
gaz
La partie rotative considérée comme le cœur de la machine, sachant que l’ensemble rotatif
comprenant les deux roues à aubes, les deux manchons d’arbre, et l’arbre lui-même, constitue
la partie la plus délicate de l’ensemble expander-compresseur.
La roue du compresseur
Elle récupère l’énergie cinétique fournie par la roue expander et la transforme en énergie
mécanique pour comprimer le gaz résiduel léger (C1, C2) de 20 à 31 bars et l’acheminer vers
les stations de compression pour la réinjection dans le gisement.
Les roues de la turbine et du compresseur, sont usinées à partir de plaques, de barres et de
pièces forgées et massives.
Chaque roue a été soumise à des essais de résistance aux vibrations, aux fréquences de
résonance de la lame, et du disque. Le turbo-expander peut fonctionner de zéro à la vitesse de
déclenchement, sans craindre d’atteindre la résonance nuisible des roues [5].
L’arbre
L’arbre de l’expander-compresseur est conçu, pour opérer en dessous de la première vitesse
de flexion critique et de résonance de torsion. Une bande d’aluminium plaquée à chaud est
appliquée sur l’arbre dans la zone surveillée par les sondes de détection de vibrations. Cette
technique et très rigoureuse sur certaines turbines de MAFI-TRENCH.
Les roues sont montées sur l’arbre et l’ensemble forme le rotor qui doit être guidé en rotation
et axialement sur un profil taraudé spécial avec des clavettes et des rainures des clavettes
cylindriques.
HMD 2018 40
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Cette conception évite les concentrations des contraintes associées aux languettes et aux
rainures des clavettes classiques.
Ce montage garantit une fixation des roues stables, même en condition des vitesses et des
températures extrêmes [5].
Les seules parties mobiles qui restent dans la machine sont les aubes directrices à débit
d’alimentation réglable.
HMD 2018 41
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Les paliers
Les paliers radiaux utilisés dans cette machine sont de type à patins fixes. Un détecteur de
température est intégré dans les paliers pour transmettre les changements de température et
signale les situations de danger.
Les paliers axiaux sont nécessaires, pour maintenir la position axiale de la turbine dans les
limites des tolérances. Les machines MAFI-TRENCH utilisent un palier axial profilé, qui est
entièrement usiné avec chaque palier lisse. Ces machines sont conçues pour supporter la
même poussée dans chaque direction axiale.
La poussée axiale est contrôlée par un orifice de sonde pression, situé sur le devant de chaque
palier. Ces signaux de pression sont renvoyés au limiteur des forces axiales (ATE) qui régule
la poussée axiale [5].
HMD 2018 42
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Le système de gaz d’étanchéité est constitué d’un régulateur de pression différentiel, d’un
filtre et de tous les instruments de mesure nécessaires.
Le gaz traverse un filtre séparateur, qui retient toutes les particules liquides et solides
entraînées par le gaz. Dans le cas où une chute de pression se produit, (bouchage du filtre par
exemple) une électrovanne qui contrôle la pression de gaz s’ouvre pour satisfaire la pression
de gaz d’étanchéité exigée [5].
Système de lubrification:
Le système de lubrification du Turbo-Expander est conçu pour fournir de l’huile lubrifiante,
refroidie, filtrée et sous pression aux paliers de la machine. A partir d’un réservoir d’huile,
deux pompes à vis (une en stand-by et l’autre en service)aspirent et refoulent l’huile de
lubrification à une pression d’environ 80kg/cm2 à travers une vanne à trois voies qui règle la
température à 42°C en amont des filtres, dans le cas où la température est au-dessus de 42°C.
L’huile filtrée dans les filtres passe à travers les accumulateurs pour maintenir un flux d’huile
pendant un manque éventuel d’un courant électrique. Ils continuent également à fournir
l’huile aux paliers pendant un arrêt dû à une basse pression d’huile. L’huile avant d’arriver
aux paliers de la machine, est filtrée une deuxième fois dans les filtres. Une fois les organes
de la machine lubrifiée la quantité d’huile s’achemine directement vers le réservoir d’huile
[5].
HMD 2018 43
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
HMD 2018 44
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Entropie : c’est une fonction d’état qui sert à mesurer le degré de désordre d’un système,
avec cette fonction nous pouvons définir le sens d’une évolution. Elle est définie par le
rapport de la quantité de chaleur reçue par le système et sa température.
∆H= W = 𝐇𝟐 – 𝐇𝟏 ………………..(7)
Pour une turbine : ∆H= WT = 𝐇𝟐 – 𝐇𝟏 < 0 ……….... (8)
Pour un compresseur : ∆H= WC = 𝐇𝟐 – 𝐇𝟏 > 0 ………... (9)
HMD 2018 45
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Un turbo-expander est une machine dynamique, à travers laquelle l'effluent de gaz subit une
détente isentropique. Cette détente s'accompagne d'une production de froid dont l'énergie est
égale au travail mécanique obtenu. Soit une turbine détendant un fluide de pression P1, de
température T1et d’enthalpie H1 à l'entrée jusqu'aux conditions de sortie P2, T2, H2, dans une
évolution isentropique le trajet vertical représenté sur le diagramme H-S de la (Figure III.14)
correspond à une récupération d'énergie mécanique maximale.
HMD 2018 46
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
Dans la réalité et compte tenu des imperfections des machines réelles, la détente du gaz
s'accompagne d'une augmentation de l'entropie qui se traduit par un segment oblique, Cela a
pour conséquence et d’après le diagramme de Mollier coté expander on a :
A la sortie de l’expander la température T2a est supérieure à celle de T2is due à l’échauffement
du gaz par friction.
La variation d’enthalpie ∆H𝑎 est inférieure à∆His .
Elle dépend :
- du taux de détente P2/P1 ; de la température initiale T1 ; de la nature du gaz caractérisé par
son coefficient K, Pour un gaz parfait.
HMD 2018 47
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
III.6.1 Description :
C’est une vanne qui a le rôle de détendre le gaz passant à travers elle. Elle est composée d’un
ensemble corps de vanne dans lequel circule le fluide, du mécanisme de commande, du
servomoteur qui règle l’écoulement et d’accessoires spécifiques à chaque application
particulière. L’étanchéité est assurée par le siège, les garnitures et les joints. La noix de
connexion relie la tige à l’axe de commande du servomoteur. Les parties internes de
l’ensemble corps de vanne se caractérisent par leur simplicité et leur efficacité. Le fluide
traverse l’empilage de l’extérieur à l’intérieur et s’écoule vers l’orifice de sortie [10].
HMD 2018 48
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
L’expander fournit une énergie cinétique qui se transforme en travail pour faire
tourner la roue.
La vanne JT ne fournit pas de travail W= 0 donc ∆H = 0.
HMD 2018 49
Chapitre III : Présentation du Turbo-expander
III.7 Conclusion :
Dans ce chapitre, nous concluons que l'étude de n'importe quelle machine de l'industrie
nécessite une parfaite maîtrise de la façon dont elle prend en compte d'abord toutes les
contraintes liées au fonctionnement et au rôle de cette machine dans le processus.
La quantité de GPL produite par l’expander est plus de deux fois plus élevée par rapport à la
quantité produite par la vanne JT. L’expander doit être entretenu en appliquant les règles de
maintenance afin de ne pas être moins efficace et voir son rendement diminuer et par
conséquent, la production du GPL aussi.
HMD 2018 50
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
L’unité GPL2 du complexe industriel sud CIS /HMD est conçue pour récupérer 90 % du
potentiel en GPL compris dans la charge d’alimentation. Actuellement le taux de récupération
se situe aux alentours de 71 %.
Sachant que, les pertes en GPL sont au niveau des expanders des trains de production. En
effet, plus la pression de sortie expandeur K201 est élevée (pression de détente), plus la
température après détente est élevée et plus le rendement de l’expander (taux de liquéfaction)
est plus faible et par conséquent, le taux de récupération du GPL aussi.
L’unité a connu depuis les premières années de son démarrage une augmentation de la
pression de détente principalement des expanders K201 qui ont engendré une baisse du taux
de récupération du GPL.
HMD 2018 51
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
A cet effet cette étude consiste à déterminer l’influence du rendement du turbo expander sur
le taux de récupération du GPL à la section cryogénique.
Pour cela, nous proposons dans ce chapitre de calculer le rendement de l’expander d’un train
de production dans les conditions défavorables (train 1), ainsi que l’étude de son influence sur
la production de GPL.
Cette étude est réalisée via une étude thermodynamique. Dans un premier temps, nous allons
calculer le rendement dans le cas design ensuite dans le cas réel. Après avoir réalisé nos
calculs manuellement pour les deux cas cités, une simulation sera réalisée en utilisant le
logiciel HYSYS, afin de valider et confirmer nos résultats.
Par la suite nous effectuons une variation des paramètres thermodynamique (T, P,Qm ) pour
étudier l’influence de ces derniers sur le rendement ainsi que sur le taux de récupération du
GPL dans le but de le rapprocher le plus possible du cas design.
Le type de gaz utilisé est le gaz riche. Les enthalpies et les entropies ont été tirées à l’aide des
abaques pression-enthalpie P-H. données en Annexe.
HMD 2018 52
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
HMD 2018 53
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
Dans cette étude L’utilisation de HYSYS nous a permis de faire la simulation de la partie de
détente de l’’expander.
Le rendement d’une machine adiabatique est finalement le rapport du travail réel et du travail
isentropique.
𝐇𝐱 = ∑𝒏𝟏 𝐘𝐢 ∗ 𝐇𝐢 ……………….…………(2)
i= 1, 2, 3,………n
Les paramètres design de fonctionnement du turbo-expander ont été collectés à partir de PFD
de l’unité GPL2. Ces paramètres sont regroupés dans le tableau ci-dessous.
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Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
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Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
HMD 2018 56
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
HMD 2018 57
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
Le rendement dans le cas design obtenu par le simulateur HYSYS est de : 82%.
HMD 2018 58
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
HMD 2018 59
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
On ne peut pas lire la valeur de l’’enthalpie H19 à partir des abaques comme les enthalpies
précédentes car on obtient un mélange (liquide+vapeur) à la sortie d’expandeur, dans ce cas
on utilise le principe de la conservation d’énergie entre le compresseur et l’expander.
Wcomp= 22104612, 9 kj /h
L’expander est un turbomoteur c’est à dire que la chute d’enthalpie (P et T) qui transforme
l’énergie disponible dans le fluide actif en énergie mécanique, cette énergie est recueillie au
bout de l’arbre pour entrainer le compresseur. Ce qui implique une minimisation des pertes de
charge, donc on peut dire que le travail de l’expander est sensiblement égal au travail du
compresseur.
𝐡𝟏𝟖 − 𝐡𝟏𝟗
𝛈= .................................(10)
𝐡𝟏𝟖 − 𝐡𝟏𝟗𝐢𝐬
HMD 2018 60
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
Expander : Compresseur :
T18 = 8,7 °C P18 = 94,1 bar T36 = 42,3 °C P36 = 19,41 bar
T19 = −46,5 °C P19 = 19,97 bar T38 = 74,6 °C P38 = 29,36
Qv 18 = 254,6 knm3 ⁄h =254600 nm3 ⁄h Qv 36 = 288,6 knm3 ⁄h =288600 nm3 ⁄h
Nous communiquons ci-dessous les résultats des analyses chromatographiques (au niveau du
laboratoire de l’unité GPL 2) des échantillons de GPL prélevés le 24/03/2018.
HMD 2018 61
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
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Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
HMD 2018 63
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
HMD 2018 64
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
Le rendement dans le cas réel obtenu par le simulateur HYSYS est de : 𝛈 = 65%
HMD 2018 65
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
6110400.
Qm C3 (GA) = ( ). 0,0613. 44,10 . 10−3 =737,43 (Tonne / jour)
22,4
HMD 2018 66
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
6110400.
Qm 𝐂𝟒 (GA) = ( ). (0,0048 + 0.0138). 58,124 . 10−3 = 295 (Tonne / jour)
22,4
Qm C3 (RES)= (Qv RES / 22,4)* YC3 RES * 44,10 10−3 (Tonne / jour)
5059413,33
Qm C3 (RES)= ( ) . 0,02006 . 44,10 . 10−3 = 199,81 (Tonne / jour)
22,4
Qm C4 (RES) = (QV RES/ 22,4)* Yc4 RES * 58,124. 10−3 (Tonne / jour)
5059413,33.
Qm C4 (RES) = ( ). (0,0006 + 0,0011). 58,124 . 10−3 = 22,32 (Tonne / jour)
22,4
QR GPL = Qm GPL (GA) - Qm GPL (RES) = 1032,43 – 222.13 = 810,3 (Tonne / jour)
Taux réel de récupération du GPL c’est le Quantité de GPL récupérée (fond 21) sur Quantité
de GPL dans le gaz d’alimentation (18).
QR GPL
⁄Q
m GPL (GA) = 0,78 = 78%
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Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
HMD 2018 68
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
(n−1)/n
Ts ⁄Te = Ps ⁄Pe ………….………..…….…(12)
𝑛−1
Ln (Ts ⁄Te ) = ( ) * ln Ps ⁄Pe …….…....…(13)
𝑛
Donc on trouve : n = 1⁄(1 − [ln (Ts ⁄Te ) / ln (Ps ⁄Pe )])… (14)
HMD 2018 69
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
On refait le calcul pour chaque Te pour obtenirTs , ces données sont injectées dans le logiciel
HYSYS afin de déterminer le rendement.
Les résultats obtenus (Température de sortie, rendement, débit du fond du ballon 21 et
composition) sont donnés dans le tableau ci-dessous :
Te (°C) -2 0 4 6 8 10
Ts (°C) -55,07 -53,46 -50,25 -48,64 -47,03 -45,42
𝜼(%) 70 69 68 67 66 64
𝐐𝐦 21 (T/J) 2034,55 1952,74 1791,07 1710,91 1631,47 1552,85
𝐍𝟐 0,0019 0,0018 0,0018 0,0017 0,0017 0,0016
𝐂𝐎𝟐 0,0218 0,0211 0,0197 0,0190 0,0184 0,0177
𝐂𝟏 0,2220 0,2147 0,2011 0,1948 0,1887 0,1829
𝐂𝟐 0,4102 0,4060 0,3954 0,3892 0,3824 0,3751
𝐂𝟑 0,2335 0,2405 0,2545 0,2613 0,2679 0,2742
i-𝐂𝟒 0,0206 0,0215 0,0235 0,0245 0,0257 0,0269
n-𝐂𝟒 0,0603 0,0632 0,0695 0,0730 0,0768 0,0807
I-𝐂𝟓 0,0054 0,0056 0,0063 0,0066 0,0070 0,0074
n-𝐂𝟓 0,0242 0,0255 0,0283 0,0299 0,0317 0,0335
𝐂𝟔 0 0 0 0 0 0
𝐂𝟕 0 0 0 0 0 0
𝐐𝐦 C3 (T/J) 615,33648 601,97808 571,71528 554,65 536,3184 516,72312
𝐐𝐦 IC4 (T/J) 71,39088 70,82928 69,47616 68,66 67,74528 66,71376
𝐐𝐦 NC4 (T/J) 209,5836 208,53024 205,95 204,37 202,56792 200,51136
HMD 2018 70
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
71
70
69
Rendement ( %)
68
67
rdt=f(Te)
66
65
64
63
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14
Température d'entrée Te (C)
Te (°C) -2 0 4 6
𝐐𝐦 32 (T/J) 4043,04 4124,93 4 286,59 4 366,76
𝐂𝟑 0,0124 0,0137 0,0164 0,0180
i-𝐂𝟒 0,00032 0,0004 0,0005 0,0005
n-𝐂𝟒 0,00056 0,0006 0,0008 0,0009
𝐐𝐦 𝐂𝟑 (T/J) 115,35 128,71 158,97 176,03
𝐐𝐦 I𝐂𝟒 (T/J) 3,9 4,46 5,81 6,62
𝐐𝐦 N𝐂𝟒 (T/J) 6,87 7,92 10,50 12,07
Q GPLR (32) (T/J) 166,12 141,09 175,28 194,72
QRGPL (21) (T/J) 896,30 881,32 847,14 827,69
Taux de récupération GPL (%) 86,81% 85,54% 82,05% 80,16%
∑ Qm C3 + Qm IC4 + Qm NC4
21
∑ Qm C3 + Qm IC4 + Qm NC4
32
HMD 2018 71
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
88,00%
87,00%
86,00%
Taux de récupération(%)
85,00%
84,00%
83,00%
taux=f(rdt)
82,00%
81,00%
80,00%
79,00%
66,5 67 67,5 68 68,5 69 69,5 70 70,5
Rendement(%)
Commentaire :
L’augmentation du rendement est liée directement à la température de sortie, donc plus cette
température n’est basse et plus la récupération des hydrocarbures liquides sera bonne. Afin
d’atteindre une basse Ts il faut qu’on abaisse la température d’entrée.
HMD 2018 72
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
67,5
67
66,5
Rendement (%)
66
65,5
rdt=f(Te)
65
64,5
64
63,5
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98
Pression d'entrée Pe (bar)
HMD 2018 73
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
Tableau IV.15 : Evaluation des pertes dans le cas de la variation de la pression d’entrée.
𝐏𝐞 (bar) 90 92 94 97
𝐐𝐦 32 (T/J) 4543,25 4508,77 4 475,59 4 426,53
𝐂𝟑 0,0217 0,0210 0,0202 0,0192
i-𝐂𝟒 0,00067 0,0006 0,0006 0,0006
n-𝐂𝟒 0,00124 0,0012 0,0011 0,0010
𝐐𝐦 𝐂𝟑 (T/J) 218,77 209,85 201,52 189,69
𝐐𝐦 I𝐂𝟒 (T/J) 8,8 8,35 7,91 7,30
𝐐𝐦 N𝐂𝟒 (T/J) 16,46 15,5 14,62 13,41
Q GPLR (32) (T/J) 244,06 233,7 224,05 210,40
Q RGPL (21) (T/J) 778,36 788,72 798,36 812,01
Taux de récupération GPL(%) 75,39% 76,39% 77,32 % 78,65%
79
78,5
Taux de récupération (%)
78
77,5
77
76,5 Taux=f(rdt)
76
75,5
75
63,5 64 64,5 65 65,5 66 66,5 67 67,5
Rendement (%)
Commentaire :
Le rendement d’un turbo-expander est le rapport entre l’énergie échangée avec la roue à celle
contenue dans le gaz ∆Ha/∆His , en augmentant la pression d’aspiration, le rendement
diminue (Figure IV.7) indiquant une chute d’énergie transformée de manière que ∆Ha baisse
en faveur de ∆His (Figure IV.9).
HMD 2018 74
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
61 91,4
60,5 91,2
Delta His
Delta Ha
60 91
59,5 90,8
59 90,6
58,5 90,4
91,5 95,5 97 P 91,5 95,5 97 P
η
D’après la courbe caractéristique = f(𝑉%).
ηmax
HMD 2018 75
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
100%
90%
80%
70%
Rendement (%)
60%
50%
40% rdt=f(Q)
30%
20%
10%
0%
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Débit (kg/h)
HMD 2018 76
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
Tableau IV.18 : Résultats d’évaluation des pertes dans le cas de la variation du débit.
HMD 2018 77
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
82,8
82,6
Taux de récupération (%)
82,4
82,2
Taux=f(rdt)
82
81,8
81,6
81 82 83 84 85 86 87 88
Rendement (%)
Commentaire :
L’augmentation du rendement dans la première partie (Figure IV.10) est liée à l’augmentation
progressive de l’ouverture des IGV est par conséquent le taux de récupération de l’énergie
cinétique contenue dans le gaz et la chute de pression, ce qui favorise l’obtention de très
basses températures favorisant un meilleur taux de récupération de la phase liquide (Figure
IV.11).
La chute du rendement dans la deuxième partie (Figure IV.10) en augmentant le débit
(phénomène de gavage) est liée à la diminution de la vitesse de rotation à cause de la
surcharge du turbo-expander de manière qu’une partie de l’énergie cinétique emmagasinée
dans le gaz ne sera pas transformée en une énergie mécanique de rotation, ce qui entraine une
diminution de la chute de pression est par conséquent une diminution du rendement de la
machine ce qui se traduit par la chute d’enthalpie accompagnée par un faible taux de
récupération (Figure IV.11).
Donc la variation du débit influe sur le comportement dynamique de la machine est par
conséquent sur le rendement de cette dernière.
HMD 2018 78
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
les défis et les enjeux. L’objectif assigné à cette étude, d'une façon générale est de déterminer
les coûts, et la bonne utilisation des ressources engagées et particulièrement la rentabilité
financière et économique de ces différentes variantes.
Les pertes en GPL de l’unité GPL2 sont estimées à environ 380 Tonne/J, elles sont localisées
particulièrement au niveau de la section cryogénique avec 222,13 Tonne/J. Pour un prix de
GPL de 700 $/Tonne (prix pour l’année 2018), les pertes annuelles en dollar sont estimées
successivement à 97090000 $/an et à 56754215 $/ an.
HMD 2018 79
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
HMD 2018 80
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
La sensibilité du turbo expander à la variation du débit est très distincte de telle manière
qu’avec l’augmentation du débit, on a une augmentation des revenus parallèlement aux
augmentations de la production et la diminution des pertes. Pour un débit supérieur à la valeur
design il y a une augmentation des revenus mais avec des pertes colossales. Cette tendance est
plus commune chaque fois qu’on s’éloigne de cette valeur (grands revenus /grandes pertes). On
note que 320148,34 kg/h est le débit recommandé par le constructeur pour avoir une meilleure
performance de la machine avec une bonne rentabilité.
On note aussi que la diminution du débit au niveau de l’unité GPL2 est à l’ origine des
problèmes de vibrations au niveau du turbo-expander (vitesse).chauffage du train, haute
température à l’entrée du train (été, teneur en eau), manque de gaz, ou problème en aval (stock
haut).
HMD 2018 81
Chapitre IV : Evaluation des performances de l’expander de l’unité GPL2
La température à l’entrée du turbo expander est un paramètre très important qui permet de
contrôler la température à la sortie et par conséquent le taux de récupération des
hydrocarbures liquides. Sur le (Tableau IV.21) on constate que la diminution de cette dernière
est accompagnée avec une augmentation des revenus liée à l’augmentation de la production
.Au niveau de l’unité GPL2, la température d’entrée est contrôlée par la HV201 et les by pass
des échangeurs E204 et 205/207/208. On note que parfois il est nécessaire d’augmenter cette
dernière afin de palier au problème d’obstruction des lignes et de déplacement de l’arbre au
niveau du turbo expander.
IV.8 Conclusion :
Dans ce chapitre on constate que l’expander de l’unité GPL 2 de train 1 n’est pas vraiment
fiable, car nous avons trouvé le rendement réel du turbo-expander est de 65%, nettement
inférieur à celui du design 82%, alors on a étudié l’influence du variation des trois paramètres
sur le rendement et on a trouvé que le rendement augmente Pour des températures basses à
l’entrée d’expander, Pour l’augmentation de débit jusqu’à atteindre un rendement max de
87%.en augmentant la pression d’aspiration, le rendement diminue mais le taux du
récupération augmente indiquant une chute d’énergie transformée de manière que ∆Ha baisse
en faveur de ∆His .
Donc pour une meilleure récupération des hydrocarbures à l’état liquide, nous devons
combiner une haute pression et une basse température à l’entrée avec un débit égal ou proche
de celui design.
D’après L’étude économique en constate que l’augmentation des revenus couvrent largement
les dépenses en matière d’énergie dans le cas de la variation de la température, pression et
débit.
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Conclusion générale
Conclusion générale :
Ce mémoire est le résultat des travaux effectués durant la période de stage pratique au sein de
l’unité « GPL2/CIS/HMD ». Ce travail a consisté à étudier les dysfonctionnements qui
peuvent perturber le procédé de liquéfaction au niveau de la section cryogénique ainsi que le
bon fonctionnement du turbo-expander et qui influent sur son rendement et par conséquent
sur la production du GPL.
Vu l’importance que présente l’expander dans le système cryogénique de réfrigération et de
séparation de l’unité GPL2, il est nécessaire qu’il ait une efficacité thermodynamique élevée,
une fiabilité élevée et une intégration plus facile avec les autres systèmes. Durant ces
dernières années la rentabilité de ce dernier à diminué résultant en un manque à produire très
important.
Pour cela, le rendement de l’expander a été évalué manuellement dans les deux cas design et
réel, ses valeurs sont respectivement 80, 30% et 66,66%.
Le logiciel de simulation HYSYS a été utilisé pour la confirmation de ces résultats. Les
valeurs trouvées dans ce cas sont 82% et 65%.
la température :
Pour des températures basses à l’entrée de l’expander on peut atteindre de basses
températures à la sortie de l’expander ce qui a pour conséquence une augmentation du
rendement de la machine et du taux de récupération du GPL, de manière que pour T e= -2
(℃) à l’entrée d’expander on a un taux de 86,81% et un rendement rdt =70% par contre pour
Te=6 (℃) à l’entrée d’expander on a un taux = 80,16% et rdt =67%.
La pression :
L’augmentation de pression à l’entrée est accompagnée par une chute de température
favorisant une meilleure récupération, mais avec une diminution du rendement puisque
HMD 2018 83
Conclusion générale
l’énergie transformée par la machine 𝚫𝐇𝐚 est moins importante par rapport à celle
emmagasinée dans le gaz𝚫𝐇𝐢𝐬.
Le débit :
Pour l’étude de l’influence de la variation du débit on s’est basé sur la courbe caractéristique
fournie par le constructeur et on a trouvé qu’avec l’augmentation de ce dernier on a une
augmentation du rendement et du taux de récupération jusqu’à atteindre un rendement de
87%.
Nous estimons avoir atteint les objectifs assignés à ce projet de fin d’études et on propose afin
d’augmenter le rendement de la machine ainsi que la récupération du GPL de combiner entre
une basse température à l’entrée, une haute pression à l’entrée limitée à 95 bar (la sortie de la
section Boosting pour assurer une bonne liquéfaction au niveau de l’expander et un bon taux
de liquéfaction),et d’un débit proche de celui design tout on réglant le problème de formation
des hydrates qui peut empêcher ces changement, soit on optimisant l’injection du méthanol,
ou bien par un redimensionnement des déshydrateurs ou encore en installant des coalesceurs à
l’entrée de chaque train ce qui est en phase d’étude.
Nous recommandons aussi pour améliorer le rendement du turbo-expandeur, le changement et
la rénovation complète des pièces de rechange du turbo expander (palier, roue, arbre….)
puisque le faible rendement est parfois dû à la vétusté du turbo expandeur après plusieurs
années de travail.
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Références bibliographiques
Références Bibliographiques
https://fr.wikipedia.org/wiki/Liqu%C3%a9faction
HMD 2018
Références bibliographiques
HMD 2018
ANNEXES
ANNEXES
HMD 2018
Annexe 1 : GPL 2 PLANT [7]. REINJECTION GAS
PC-209 FC-206
GPL 2 PLANT [6].
11-D-201A/B/C 11-E-202 PC-212
XV-214 11-D-202
FC-212
11-C-201
LC-202
PV-211A TC-217
213
PC-203A
TC-220
11-G-203A/B
205 209
FC-201 11-E-203 11-D-204
203 207 211 11-E-202 11-D-205 PV-211B
11-E-205 11-D-203 11-C-202
LC-210 11-E-209
XV-215
TC-205 LC-205
11-V-201A/B 11-E-211
LC-206
MR-201
11-G-201A/B
11-G-202A/B
FROM 11-E-212 FR-211
10-XV-104A
FROM B/C/D
HV-301 XV-225
FROM
10-H-101A 10-XV-105A 14-C-301 TR. 2&3 TO
14-D-301 TR. 2&3
TO B/C/D TO/FR. GPL 1 FROM
LC-302
10-K-101A 15-T-402 TR. 2&3
PC-405
10-XV-105A
FC-303
TO/FR. C-202
10-E-101A (TYP.)
FROM G-401
FUEL
TC-302 14-G-301A/B CONDENSATE
SC-101A XV-401 407 FC-405
LC-102A LC-103A
LPG
FEED 15-G-401A/B/C
PROPANE
FC-301
11-E-303
TO
B/C/D BUTANE GPL 2 PLANT
Annexe 2 : SCHEMA DE LA SECTION DE REFROIDISSEMENT ET DETENTE [7].
De 11-E-208
11-K-201
Vers 11-K-201
Vers 11-E-208
11-D-203 11-D-204
11-E-205
11-E-203 94.0 20.3
De 11-V-201A/B Barg Barg
50.0 C°
11-E-204 12.0 C° -43.2 C°
95.6
Barg
Vers 11-E-207
De 11-E-207
Vers 11-C-201
Vers 11-C-201
Annexe n 3 : SCHEMA DE PROCESS DE LA SECTION DE DESHYDRATATION [7].
XV-206
XV-202 XV-210
TC-206 PC-202
XV-208 XV-212 PC-201
XV-204
D201A
D201A D201B D201C XV-214
Collecteur 34’’
D-202
LC-202
Huile
chaude LV202 Vers
16-D541
XV-203 XV-205 XV-209 XV-213 FT-201
FV201 Vers
XV-207 XV-211 E203
E-201
A/B/C XV-215
TC-205
Gaz venant
des boosters FC224
Vers
D231
Ce
Annexe n 4 : SCHEMA DE PROCESS D’UN BOOSTER (10-KT101)
10-XV105
10-PSV102
A/B/C Vers torche
Gaz de
régénération
PY-001
10-E101 Vers
trains
10-XV101 FC-101
Fuel gaz
Vers torche TV-103
SC-101
TC-103
PC-001
10-XV102
10-D102
10-D101
Filtres 10-KT101 10-K101
à air LC-103
Venant du
LC-102
manifold
Air Vers torche
10-LV102
10-HV101
10-LV104 Vers
Purges vers Huile de rebouillage 16-D541
Récupérateur de
Traitement chaleur 10-H101 vers four
.
Annexe 5 : SCHEMA DE PROCESS DE LA SECTION DE STOCKAGE-EXPEDITIONS
Production GPL
11-XV224 train 1
Recyclage GPL vers train 1 11-XV225
Recyclage GPL vers train 2
FV405 13-XV225
Production GPL
train 3
FC405
XV401 XV403 XV405 XV407 XV408
15-G-402A/B
XV402 XV404 XV406
PC-401
PV401 FC-404 XV-409
PC-403
FV-404
Expéditions GPL
FV401/FV402/FV403 15-G-401A/B/C vers HEH-SP1
Vers 14-C301
Annexe 6
[11] :
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
Annexe 7 : Courbe caractéristique fournit par ATLAS COPO -MAFI TRENCH [12].