Quelle est la longueur de tuyauterie d'entrée idéale pour les compresseurs centrifuges ?

Sep 07, 2023

Par Christopher Braman et Tim Allison15 août 2022

La distribution du débit au niveau de la bride d'entrée du compresseur est essentielle à la fois aux performances de la machine et à la mesure précise des conditions d'entrée. Une distribution de débit radialement uniforme est préférée pour minimiser les effets aérodynamiques à l'entrée du compresseur.

Des fluctuations de vitesse ou de pression non uniformes, également appelées distorsions, augmentent les pertes aérodynamiques au niveau du bord d'attaque des pales et peuvent entraîner un fonctionnement instable du compresseur. Heureusement, les fluctuations se corrigent d'elles-mêmes, ce qui permet d'obtenir un débit uniforme avec une longueur de tuyau droite suffisante.

Cependant, la longueur du tuyau droit dépend de l'ampleur des fluctuations de vitesse et de pression. Pour les compresseurs, une longue longueur de tuyau droit à l'entrée n'est pas toujours possible en raison des contraintes d'espace et de la tuyauterie de procédé qui contient généralement des vannes, des coudes et des dilatations de tuyau. La principale préoccupation est d'identifier la longueur de tuyau droit nécessaire pour minimiser les distorsions du débit d'entrée.

Cet article résume les directives pratiques pour les configurations de tuyauterie qui n'affecteront pas les performances du compresseur, tout en reconnaissant que la tuyauterie doit être minimisée pour une conception économique de l'usine. Il présente une approche de base de l'analyse des configurations de tuyauterie.

Comme point de départ, le code de test de performance (PTC) de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) sur les compresseurs et les extracteurs peut être utilisé pour déterminer la longueur du tuyau droit en amont de l'entrée du compresseur afin de fournir un débit uniforme pour les mesures de test.

Le PTC [1] nécessite un minimum de trois diamètres de tuyau droit entre un coude et l'entrée du compresseur et des longueurs plus longues jusqu'à 10 diamètres ou plus pour les tuyaux de moins de 24 pouces de diamètre, les entrées axiales ou d'autres perturbations en amont. Une deuxième recommandation, qui fait partie de la pratique d'Elliott Group, est que si la pression de vitesse (pression dynamique, q) entrant dans l'entrée du compresseur est supérieure à un pour cent de la pression statique (p1), un égaliseur de débit doit être utilisé à la sortie du coude .

Le rapport de la pression dynamique à la pression statique est calculé à l'aide de l'équation suivante. Étant donné que l'effet de la modification de Z est faible, il est généralement ignoré.

La vaste expérience d'essais en usine d'Elliott confirme que l'exigence ASME en ligne droite et la limite du rapport vitesse-pression statique sont adéquates pour les agencements de tuyauterie d'essai. Étant donné que les rapports vitesse-pression statique peuvent être bien inférieurs à 0,01 dans la pratique, les exigences relatives aux conduites droites du PTC ont été modifiées, comme indiqué dans le tableau 1.

Tableau 1. Relation entre le rapport vitesse-pression statique et la recommandation de longueur de tuyauterie d'entrée droite

Longueur droite

0,005

En utilisant les valeurs ci-dessus comme points de repère et en résolvant l'équation q/p1, nous pouvons tracer les diamètres des conduites droites en amont du compresseur en fonction de la vitesse d'entrée pour différents poids moléculaires (Figure 1).

Étant donné que la plupart des compresseurs ont une plage de température d'entrée de 0 °F à 100 °F, la courbe est basée sur 50 °F. Dans cette plage, l'erreur intégrée est faible. Cependant, lorsque la température d'entrée diffère considérablement, la longueur du tuyau droit peut être déterminée avec la figure 1 en corrigeant la vitesse d'écoulement d'entrée réelle à 50 ° F en utilisant l'équation ci-dessous pour les gaz idéaux.

Le processus détaillé jusqu'à présent fournit des indications sur un point de départ de base pour le nombre de diamètres de tuyaux droits nécessaires en amont d'une entrée de compresseur.

Ce nombre de base sera modifié avec des facteurs de correction basés sur les composants immédiatement en amont du compresseur. Tout d'abord, certains agencements de tuyauterie et facteurs de correction courants doivent être identifiés.

Pour les compresseurs, il est courant que l'entrée soit précédée d'un tronçon de tuyau droit en aval d'un coude de tuyau à long rayon. Le coude peut être orienté avec le tuyau entrant dans le coude parallèlement ou perpendiculairement au rotor du compresseur, comme illustré à la Figure 2.

Lorsque la conduite amont est parallèle au rotor du compresseur, cette disposition est considérée comme la moins perturbatrice pour le débit d'entrée, et le facteur de correction sera de 1.

Le tuyau amont étant normal au rotor du compresseur, le volume de gaz entrant dans le compresseur est plus important du côté opposé à la direction d'approche du tuyau.

En d'autres termes, il y aura une variation de l'écoulement axial sur le diamètre du tuyau. Par conséquent, une distribution uniforme du gaz vers la turbine est plus difficile à obtenir que dans le cas de base, et la recommandation de longueur de tuyauterie doit être multipliée par un facteur de correction de 1,5.

En ce qui concerne la distorsion de l'écoulement, le coude unique entraîne la configuration d'une paire de vortex contrarotatifs, également appelée Dean Vortices, comme le montre la figure 3.

Un autre agencement courant consiste en deux coudes immédiatement en amont du tuyau d'admission, comme illustré à la figure 4. Encore une fois, il existe deux variantes de cet agencement avec le tuyau (en amont des coudes) orienté parallèlement ou perpendiculairement au rotor du compresseur.

Lorsqu'il est parallèle au rotor du compresseur, le gaz circulant dans ces deux coudes quitte le deuxième coude avec un tourbillon ou une composante tournante, en plus de la distorsion de vitesse normale associée à un coude.

Lorsqu'il est normal au rotor, cet agencement produit un certain tourbillon, mais également la distribution inégale du débit décrite ci-dessus.

Pour ces raisons, les facteurs de correction suggérés pour ces deux arrangements sont respectivement de 1,75 et 2. Pour illustrer la différence de distorsion d'écoulement, la figure 5 montre les tourbillons résultants en aval de deux coudes.

Les compresseurs à entrées axiales, généralement à un étage avec rotors en porte-à-faux, sont plus sensibles aux déviations de débit en amont car ils n'ont généralement pas d'aubes directrices à l'entrée. Pour cette raison, un compresseur avec une entrée axiale doit avoir un facteur de correction de 1,25 appliqué.

Si un compresseur à entrée axiale a un ou deux coudes en amont de l'entrée, les facteurs pour les agencements de plans parallèles (Figure 4) seraient utilisés. Le tableau 2 énumère ces facteurs de correction ainsi que les facteurs de correction pour d'autres dispositions courantes.

Pour quantifier la manière dont différents composants de tuyauterie en amont, tels que les vannes, affectent les exigences en ligne droite, nous pouvons examiner les normes de tuyauterie pour les tests de performance comme indiqué dans le PTC et les exigences de distribution uniforme du débit (profil de vitesse) telles qu'appliquées aux éléments de mesure du débit, publiées par l'ASME et l'American Gas Association (AGA).

Un profil de vitesse avec une distorsion minimale est une exigence critique pour un élément de mesure de débit tel qu'un orifice ou une buse d'écoulement. Des profils de vitesse uniformes sont obtenus en utilisant de longs tronçons droits de tuyaux et d'égaliseurs de débit en amont de l'élément de mesure. La longueur du tuyau droit est fonction de la configuration de la tuyauterie précédant le tronçon droit et du rapport entre le diamètre de l'orifice (ou de la buse) et le diamètre nominal du tuyau.

Ce rapport de diamètre est appelé rapport β. Les exigences en matière de précision de mesure du débit sont bien établies et généralement reconnues dans l'ensemble de l'industrie.

Lorsque le rapport β augmente, la longueur de tuyau droit requise pour un agencement donné augmente également. La raison en est qu'à mesure que la taille de l'orifice augmente pour un diamètre de tuyau donné, une distribution de vitesse plus uniforme est nécessaire. Le tableau 3 décrit les exigences de conduite droite pour divers composants de tuyauterie exprimées en diamètres nominaux de conduite pour un rapport β de 0,5 [4].

Tableau 3. Exigences de conduite droite pour les composants de tuyauterie (β = 0,5)

Les contraintes du monde réel peuvent rendre irréaliste l'application de ces exigences à l'entrée d'un compresseur ; cependant, la relation entre les exigences pour diverses configurations peut fournir des indications précieuses pour les exigences d'admission du compresseur.

Par exemple, pour un rapport β de 0,5, un coude nécessite 9 diamètres et une vanne partiellement fermée nécessite 25 diamètres. Par conséquent, le facteur pour un coude (cas de base) est de 9/9 ou 1 et est de 25/9 ou 2,78 pour une vanne partiellement fermée. Si nous examinons la gamme complète des rapports β, faisons la moyenne des données et prenons le coude unique comme cas de référence, une série de facteurs de correction peut être développée.

Le tableau 4 montre les facteurs de correction développés sur la base de la gamme complète de données de rapport β en utilisant un seul coude comme ligne de base [4].

Tableau 4. Facteurs de correction du tronçon de tuyau droit des composants de tuyauterie

Pour illustrer comment ces informations peuvent être appliquées, considérons un compresseur de gaz d'hydrocarbures avec un poids moléculaire de 25, une température d'entrée de 85°F et une vitesse d'entrée de 100 fps. L'agencement de la tuyauterie est tel qu'illustré à la figure 4 avec le plan du coude parallèle au rotor, mais en plus, il y a une vanne papillon devant les deux coudes.

Saisie de la figure 1 à 100 fps et un poids moléculaire de 25, une ligne droite de 1,45 diamètre de tuyau est nécessaire. L'application du facteur de correction de configuration de tuyauterie de 1,75 et du facteur de vanne papillon de 1,5 donne : 1,45 x 1,75 x 1,5 = 3,8 diamètres

Par conséquent, cet agencement nécessite environ 4 diamètres de tuyau droit avant l'entrée du compresseur.

Si une conception d'usine ne peut pas prendre en charge la longueur droite minimale de tuyaux requise par cette méthode, quelques options sont disponibles pour réduire les exigences. La première serait d'appliquer un coude à ailettes à onglet spécial, comme illustré à la figure 4.

Ce coude nécessite un espace d'installation minimum, a un faible facteur de perte et fournit une distorsion de profil de vitesse minimale en aval du coude. Cependant, un mauvais profil de vitesse en amont est transporté par le coude. De plus, l'utilisation de deux coudes à ailettes en onglet en série, l'un à 90 degrés l'un par rapport à l'autre, ne créera pas de tourbillon dans le flux.

Pour les gros tuyaux, le coût serait comparable à celui des coudes formés standard. Lorsque des coudes à onglets et à ailettes sont utilisés à la place des coudes standard, tels que celui illustré, les facteurs de correction peuvent être divisés par 2.

Une deuxième alternative pour réduire les exigences de conduite droite est un égaliseur de débit. La conception de l'égaliseur doit être conforme aux normes ASME ou AGA. Ces options peuvent être coûteuses selon le type utilisé et entraîneront une pénalité de puissance car il y aura une chute de pression importante qui leur sera associée.

Cependant, si la pénalité de puissance peut être tolérée, un égaliseur de débit sur la ligne droite dans l'entrée du compresseur peut réduire la longueur droite de tuyau requise d'un facteur de 4.

Les recommandations sur la tuyauterie d'entrée discutées précédemment visent à réduire l'effet des caractéristiques de la tuyauterie en amont, telles que les coudes et les vannes de régulation. Cependant, il y a peu de discussions sur une méthode pratique pour confirmer l'effet avant et après la mise en œuvre des modifications de la tuyauterie en amont. Dans la référence [3], la longueur du tuyau en amont d'un compresseur centrifuge à entrée axiale n'a eu aucun effet significatif sur les performances du compresseur, comme le montre la figure 7.

Rappelons que les compresseurs à entrée axiale sont plus sensibles à la disposition des canalisations en amont. Par conséquent, il est probable que la tuyauterie d'entrée présente des sensibilités plus élevées à certains types de conceptions de compresseurs, et cela doit être pris en compte dans les applications avant d'apporter des modifications importantes à l'installation du compresseur.

Cet article a été initialement publié dans le magazine COMPRESSORtech2.

[1] 1997, Performance Test Code on Compressors and Exhausters, PTC 10 - 1997(R2014), American Society of Mechanical Engineers, New York.

[2] Hackel, RA et King, RF Jr., « Tuyauterie d'entrée de compresseur centrifuge - Un guide pratique », Compressed Air and Gas Institute, 4(2).

[3] White, BA, Bueno, PC, Fierro, F., et Cook, TL, 2018, "Mechanical, Stress and Flow Considerations for Piping Design of Centrifugal Compressors," Actes des 47e Turbomachinery & 34th Pump Symposia, Houston, TX.

[4] 2004, Pressure Test Codes - Flow Measurement, ASME PTC 19.5-2004, American Society of Mechanical Engineers.

[5] 1962, Manuel de thermodynamique appliquée à l'aérospatiale, SAE International.