Brevet FR3033371A1 — publié le 20160909

Séparateur liquide/gaz et groupe motocompresseur centrifuge doté d'un tel séparateur L'invention concerne, de manière générale, les groupes moto- compresseurs centrifuges et concerne, dans une application non limitative, les groupes moto-compresseurs fonctionnant à des puissances relativement faibles. Il peut s'agir, par exemple, à titre purement illustratif, de puissances de l'ordre de 400 kW à 700 kW et de groupes destinés à délivrer, en sortie, un gaz comprimé à une pression par exemple de l'ordre de 25 à 30 bar et à des débits par exemple de l'ordre de 10 000 m3/heure. Pour ce type de fonctionnement, les lignes de compression de gaz utilisent des compresseurs fonctionnant à un débit relativement faible et capables de fournir des rapports de pression relativement élevés. On connaît, dans l'état de la technique, des moto-compresseurs de puissance relativement faible utilisant un moteur électrique à grande vitesse, c'est-à-dire de fréquence de rotation supérieure à la fréquence du réseau d'alimentation électrique, et à basse tension, inférieure à 1 kV, accouplé à un compresseur mono-section constitué de une ou deux roues en porte à faux. Le moteur et le compresseur sont regroupés dans un corps unique sous pression. La ligne d'arbre est typiquement supportée par deux paliers magnétiques radiaux et une butée axiale. On connaît à cet égard des agencements employant un moto-compresseur équipé d'une roue centrifuge agissant comme séparateur liquide/gaz. On pourra également se référer au document W02013/140184, qui décrit un moto-compresseur intégré dans le conduit de gaz à comprimer. Plus particulièrement, l'invention concerne un groupe moto- compresseur destiné à être embarqué sur une plateforme en mer ou sur une unité flottante de production, de stockage et de déchargement, généralement désignée par le terme de FPSO (pour « Floating Production Storage and Offloading » en anglais). Comme on le 3033371 2 conçoit, lorsqu'un groupe moto-compresseur est destiné à être installé sur une plateforme ou sur une unité flottante, son encombrement et notamment son emprise au sol constituent un critère qui doit être pris en compte par les fabricants des machines de compression. 5 Ce problème se pose de manière accrue en raison de la présence, en amont du groupe moto-compresseur, d'un séparateur liquide/gaz qui est destiné à maintenir le gaz admis dans le moto-compresseur aussi sec que possible, en évitant l'intrusion de phases liquides dans le compresseur qui seraient susceptible de poser des 10 problèmes de dégradation du compresseur, en particulier des roues du compresseur, notamment par érosion. Le but de l'invention est donc de pallier ces inconvénients et, notamment, de proposer un groupe moto-compresseur ayant une emprise au sol réduite, facilitant les opérations de maintenance et 15 permettant en outre de réduire les pertes de pression entre le séparateur et le moto-compresseur. L'invention a pour objet, selon un premier aspect, un séparateur liquide/gaz pour moto-compresseur centrifuge, comprenant un carter muni intérieurement d'au moins un étage séparateur de gaz 20 apte à séparer une phase gazeuse et une phase liquide admises en entrée dans carter. Le carter comporte intérieurement un logement dans lequel s'écoule la phase gazeuse séparée par ledit étage séparateur et dans lequel vient se monter au moins un étage compresseur du moto- 25 compresseur. L'étage compresseur, qui est configuré pour recevoir au moins une partie de la phase gazeuse séparée est ainsi intégré au séparateur, ce qui permet d'optimiser l'encombrement de l'ensemble et notamment de réduire considérablement son emprise au sol. 30 Selon une autre caractéristique du séparateur liquide/gaz, le logement est obturé par une plaque d'obturation solidarisée au moto-compresseur et fixé au carter. 3033371 3 Avantageusement, le logement est un logement étanche vis-à-vis de l'extérieur du carter, un joint d'étanchéité étant placé entre la plaque d'obturation et le carter. Avantageusement, le carter comporte intérieurement des 5 moyens de guidage de la phase gazeuse dans le logement, à l'endroit où une entrée de l'étage du compresseur vient se monter. Dans un mode de réalisation, le séparateur comporte des moyens de refroidissement d'un gaz recirculé et/ou d'un gaz refoulé en amont par un moto-compresseur ou d'un autre gaz manipulé par le 10 moto-compresseur, lesdits moyens de refroidissement étant disposés autour du carter. Le système de refroidissement pourra être installé à l'aspiration ou au refoulement du groupe moto-compresseur. Dans un mode de réalisation, le séparateur est disposé verticalement. Il peut comprendre un seul étage compresseur. 15 Par ailleurs, dans divers modes de réalisation, le séparateur peut comprendre au moins un séparateur choisi parmi un séparateur du type cyclonique, du type à chicane, ou du type inertiel. L'invention a également pour objet un groupe moto-compresseur centrifuge, comprenant un moto-compresseur comprenant 20 un moyen moteur entraînant en rotation un compresseur, et comportant un séparateur tel que défini ci-dessus, ledit compresseur étant intégré dans le séparateur. Avantageusement, un ensemble de paliers magnétiques actifs supportent axialement et radialement la ligne d'arbre du moto- 25 compresseur. Dans un mode de réalisation, le compresseur est un compresseur à refoulement axial et comporte une sortie coudée apte à permettre l'extraction du compresseur. Avantageusement, le moyen moteur et le compresseur sont 30 alors montés dans un carter commun étanche au gaz manipulé par le moto-compresseur fixé de manière étanche au carter du séparateur. Le compresseur peut encore être un compresseur à refoulement radial et comporter une sortie radiale, l'ensemble comprenant le 3033371 4 moyen moteur et une roue à aube de compression du compresseur constituant un ensemble démontable. Dans un mode de réalisation, le groupe-moto-compresseur comprend, montés dans un carter commun, un ensemble moto 5 compresseur, un séparateur, des moyens de refroidissement à double parois, une vanne anti-pompage, et des moyens de contrôle du groupe moto-compresseur. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement 10 à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un moto-compresseur conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'un exemple de 15 réalisation d'un moto-compresseur, à refoulement radial, intégré à un séparateur selon un exemple de réalisation de l'invention - le figure 3 est une vue schématique d'un exemple de réalisation d'un moto-compresseur, à refoulement axial, 20 intégré à un séparateur selon un exemple de réalisation de l'invention - la figure 4 est une vue de détail du moto-compresseur de la figure 2 ; - la figure 5 illustre un autre mode de réalisation du moto- 25 compresseur de la figure 2 ; - la figure 6 illustre les paliers de la ligne d'arbre du moto-compresseur des figures 1 à 3; - les figures 7 et 7A sont des schémas généraux d'un procédé de traitement d'un gaz au moyen d'un groupe moto- 30 compresseur ; et - la figure 8 est un exemple de mise en oeuvre du procédé des figures 7 et 7A au moyen d'un groupe moto-compresseur conforme à l'invention. 3033371 5 Sur les figures 1 à 3, on a représenté un groupe moto-compresseur conforme à l'invention, comprenant un ensemble moto-compresseur centrifuge 1 illustré à la figure 1 et un séparateur liquide/gaz 2, ou épurateur, visible sur les figures 2 et 3. 5 Le groupe moto-compresseur est ici destiné à être embarqué à bord d'une plateforme en mer ou sur une plateforme FPSO. Comme cela sera décrit en détail par la suite, dans le but, notamment, de réduire l'emprise au sol du groupe moto-compresseur, le moto-compresseur est intégré au séparateur. Plus particulièrement, 10 l'étage de compression du moto-compresseur est intégré au séparateur. Le moto-compresseur 1 comporte essentiellement un moteur 3 constitué par un moteur électrique à haute vitesse, c'est-à-dire de fréquence de rotation supérieure à la fréquence du réseau d'alimentation électrique, entraînant en rotation une ligne d'arbre sur 15 laquelle sont montées de manière rigide une ou plusieurs roues à aubes par exemple au moyen d'un accouplement de type Hirth. Dans l'application illustrée, le moto-compresseur 1 comporte un seul étage de compression 4 comprenant une seule roue à aubes montée sur la ligne d'arbre. 20 Comme on le voit, l'étage de compression 4 comporte notamment un carter 5 dans lequel est placée la roue à aubes de compression et qui comporte une entrée 6 axiale ou radiale pour l'admission de gaz dans le moto-compresseur et une sortie 7 par laquelle du gaz comprimé est délivré en sortie du moto-compresseur. 25 Dans les exemples représentés, l'entrée 6 est axiale. Dans le mode de réalisation de la figure 2, la sortie du moto-compresseur est radiale, alors que dans le mode de réalisation de la figure 3, la sortie est axiale, c'est-à-dire parallèle à l'axe général du moto-compresseur. 30 Dans l'application envisagée, le gaz admis en entrée du groupe moto-compresseur est un gaz humide, c'est-à-dire un gaz comprenant une phase liquide constituée de particules de liquide en suspension dans le gaz. 3033371 6 Dans le but d'éviter d'introduire l'humidité ambiante dans l'étage compresseur, le gaz est tout d'abord séparé par le séparateur 2 avant d'être délivré à l'entrée axiale 6 de l'étage compresseur 4. Le séparateur liquide/gaz 2 comporte ainsi un carter 8, ici de 5 forme globalement cylindrique, comprenant une entrée 9 par laquelle le gaz humide transite à travers des étages de séparation, jusqu'à l'aspiration du moto-compresseur. En considérant la direction d'écoulement du flux gazeux (flèches F), le séparateur liquide/gaz comporte par exemple un premier 10 étage séparateur 10 dans lequel les particules liquides sont séparées par différentiation de la quantité de mouvement puis par gravité, puis par exemple un deuxième étage séparateur 11 comprenant un ensemble de chicanes réparties sur le trajet du flux gazeux, disposé en aval du premier étage. 15 En variante, le deuxième étage 11 peut être du type cyclonique. De préférence, le deuxième étage 11 peut comprendre plusieurs étages de séparation. En variante, le séparateur liquide/gaz du premier étage peut être du type inertiel. 20 Les étages séparateurs prévus dans le carter 8 sont constitués par des éléments connus à la portée d'un homme du métier. Ils ne seront donc pas décrits en détail par la suite. On notera cependant qu'ils sont adaptés pour séparer la phase liquide et la phase gazeuse qui sont admises dans le séparateur 2 de 25 manière à délivrer en aval du deuxième étage 11 un gaz sec à l'étage compresseur 4. Un drain D permet d'évacuer le liquide présent dans le fond du séparateur. On voit par ailleurs sur les figures 2 et 3 que pour permettre 30 d'intégrer le moto-compresseur au séparateur, le carter 8 du séparateur comporte une tête 12, globalement cylindrique, de diamètre élargi, dans laquelle s'écoule la phase gazeuse séparée par les étages séparateurs 10 et 11 et qui délimite intérieurement un logement 13 3033371 7 dans lequel est monté l'étage compresseur 4. Cette tête 12 est située à une extrémité opposée à celle de l'entrée 9 du séparateur. Le moto-compresseur est quant à lui doté d'une plaque d'obturation 14 qui vient se fixer à l'aide de vis ou goujons V 5 (visibles sur la figure 3) sur la tête 12 de sorte que l'étage compresseur 4 soit disposé dans le logement 13 sur le trajet du flux de gaz sec. Comme représenté sur les figures 2 et 3, on prévoira avantageusement un diffuseur 16 pour canaliser le flux gazeux vers 10 l'étage compresseur, réalisé par exemple sous la forme d'une surface tronconique convergeant vers l'entrée 6 du moto-compresseur 1, ainsi qu'une plaque perforée 14' permettant de redresser l'écoulement venant du séparateur à chicanes. Le moto-compresseur peut être intégré au séparateur selon deux 15 configurations géométriques, selon la direction radiale ou axiale du refoulement. Dans les deux configurations de refoulement, l'ensemble constitué par le séparateur et le moto-compresseur peut être disposé verticalement ou horizontalement. En se référant à la figure 2 et également à la figure 4 qui 20 montre un détail de réalisation du moto-compresseur intégré au séparateur, dans une configuration de refoulement radial, le moto-compresseur adopte de préférence une configuration modulaire et comporte une volute 17 qui débouche dans la sortie 7 et qui est montée sur un épaulement E prévu intérieurement en partie médiane de la tête 25 12 et fixée à cette dernière avec interposition de joints d'étanchéité 15. Le moteur 3, avec sa ligne d'arbre 18 sur laquelle est fixée une roue à aubes 20, constitue un ensemble démontable qui vient se monter de manière centrée sur la tête 12 du séparateur et sur la volute 17. 30 On prévoira avantageusement de configurer l'extrémité de l'arbre 18 en forme d'ogive 21 pour canaliser le flux gazeux. Selon un autre mode de mise en oeuvre, visible sur la figure 5, la volute 17 s'étend selon une partie substantielle de la hauteur de la tête 12 et adopte une forme axisymétrique plus aisément réalisable. 3033371 8 Comme dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 4, le moteur, la ligne d'arbre et la roue centrifuge constituent un ensemble démontable qui vient se monter dans la tête du séparateur et dans la volute. 5 La volute est également démontable. Comme visible sur la figure 2, dans la configuration refoulement radial, la tête 12 est dotée de pieds P permettant le montage du groupe moto-compresseur sur une plateforme de support S. En revenant à la figure 3, et comme dans toutes les 10 configurations, le carter du compresseur et le moteur sont avantageusement encapsulés dans un carter commun sous pression et étanche au gaz manipulé par le compresseur. Le carter commun comporte également une plaque d'obturation 14 qui est fixé par vissage sur la partie supérieure de la tête du 15 séparateur. Comme représentée, la sortie 7 est coudée afin de permettre le montage et le démontage du moteur et du compresseur. Grâce à l'agencement qui vient d' être décrit, l'étage compresseur 4 est intégré au séparateur 2 et est placé dans un volume étanche, dont la pression est celle du gaz manipulé par le compresseur, 20 supérieure à la pression atmosphérique. Ainsi, il est possible de réaliser le carter 5 de l'étage compresseur, avec une épaisseur de métal réduite, limitant ainsi les coûts de fabrication de l'étage compresseur. On notera par ailleurs que dans les exemples de réalisation 25 décrits, le compresseur et le moteur électriques sont avantageusement montés dans un carter commun étanche. Le moteur est également pressurisé entre les pressions d'aspiration et de refoulement du compresseur. Par ailleurs, l'utilisation d'un carter commun entièrement 30 étanche pour le moteur et pour le compresseur évitant toute fuite vers l'atmosphère permet de supprimer complètement les garnitures d'étanchéité utilisées classiquement. 3033371 9 Par ailleurs, on adoptera de préférence, pour le moto-compresseur 1, une réalisation compacte comprenant un rotor et une ligne d'arbre supportée par des paliers magnétiques actifs. En particulier, comme visible sur la figure 6, sur laquelle on a 5 représenté la ligne d'arbre 18 sur laquelle est fixée une roue centrifuge 20, on voit que l'arbre du moto-compresseur est supportée radialement par deux paliers 22 et 23 disposés de part et d'autre de la partie active du moteur M. En outre, une unique butée 24 sans huile, typiquement de type magnétique, maintient la ligne d'arbre 18 axialement. Cette 10 butée 24 peut être disposée entre les paliers radiaux 22 et 23, comme illustré, ou être disposée à l'extérieur de ces paliers. On se référera maintenant à la figure 7 qui illustre schématiquement un procédé industriel. Sur cette figure, on reconnait le compresseur 1 alimenté en gaz 15 sec par le séparateur 2 et dont la sortie est rebouclée en entrée, afin d'éviter le pompage du compresseur engendré par une inversion du sens de débit de fluide dans le compresseur. Dans cette représentation en figure 7, le système de refroidissement est positionné en amont du groupe moto-compresseur. 20 La figure 7A présente une alternative à la solution précédente, montrant le positionnement du système de refroidissement en aval du groupe moto-compresseur. Un refroidisseur est prévu en amont ou en aval du séparateur pour refroidir les gaz chauds issus du moto-compresseur 1 (en cas de 25 pompage), d'un moto-compresseur situé en amont ou provenant d'un autre point du procédé. En référence à la figure 8, le groupe moto-compresseur est configuré de manière à embarquer l'ensemble des organes assurant la mise en oeuvre du procédé illustré sur les figures 7 et 7A. Dans cet 30 exemple de réalisation, qui correspond à une configuration à refoulement radial, et sur laquelle on reconnait le séparateur 2 auquel est intégré le compresseur 4 entrainé par le moteur électrique 3, on voit que le groupe moto-compresseur embarque également un refroidisseur 25 destiné à réfrigérer les gaz recirculés issus du 3033371 10 compresseur 4, d'un compresseur situé en amont ou provenant d'un autre point du procédé. Une vanne anti-pompage peut également être embarquée sur le même châssis que le groupe moto-compresseur. On notera toutefois que le refroidisseur 25 peut aussi être imbriqué dans 5 une double enveloppe autour du séparateur 2. On notera enfin que, dans un mode de mise en oeuvre avantageux, la source d'alimentation à basse tension du moteur électrique et des paliers magnétiques peut également faire l'objet d'une intégration sur le même châssis, en considérant les directives de 10 sécurité locales et applicables au gaz manipulé. Comme on le conçoit, l'invention qui vient d'être décrite, dans laquelle l'étage compresseur du moto-compresseur est intégré dans le séparateur, permet une réduction notable de l'emprise au sol de l'ensemble constitué par le séparateur, le moto-compresseur et ses 15 dispositifs auxiliaires. L'invention permet également une réduction de la masse du moto-compresseur grâce à l'immersion sous pression du compresseur dans le séparateur. La maintenance est également simplifiée grâce au montage et 20 au démontage facilités par l'aspect modulaire de l'assemblage. On notera par ailleurs qu'en intégrant l'étage compresseur dans le séparateur, on obtient une réduction des pertes de pression le long des lignes de canalisation qui existent dans l'état de la technique entre le séparateur et le moto-compresseur. 25 De même, le contrôle de l'anti-pompage du compresseur est facilité grâce à la réduction du volume de refoulement et de la ligne de retour de gaz. REVENDICATIONS1. Séparateur liquide/gaz pour moto-compresseur centrifuge, comprenant un carter (8) muni intérieurement d'au moins un étage (10, 11) séparateur de gaz apte à séparer une phase gazeuse et une phase liquide admises en entrée dans le carter, caractérisé en ce que le carter (8) comporte intérieurement un logement (13) dans lequel s'écoule la phase gazeuse séparée par ledit étage séparateur (10, 11) et dans lequel vient se monter au moins un étage compresseur (4) du moto-compresseur (1) configuré pour recevoir au moins une partie de la phase gazeuse séparée. 2. Séparateur selon la revendication 1, dans lequel le logement est obturé par une plaque d'obturation (14) solidarisée au moto-compresseur (1) et fixée au carter (8). 3. Séparateur selon la revendication 2, dans lequel le logement (13) est un logement étanche vis-à-vis de l'extérieur du carter, un joint d'étanchéité (15) étant placé entre la plaque d'obturation et le carter. 4. Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le logement comporte un diamètre supérieur à celui du reste du carter. 5. Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1à 4, dans lequel le carter comporte intérieurement des moyens de guidage (16) de la phase gazeuse dans le logement, à l'endroit où une entrée de l'étage du compresseur vient se monter. 6. Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant des moyens de refroidissement (17) d'un gaz recirculé et/ou, d'un gaz refoulé en amont par un moto-compresseur ou d'un autre gaz manipulé par le moto-compresseur, lesdits moyens de refroidissement étant disposés autour du carter. 7. Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le séparateur est disposé verticalement. 8. Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un seul étage compresseur. 3033371 12 9. Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant au moins un séparateur choisi parmi un séparateur du type cyclonique, du type à chicane, ou du type inertiel. 10. Groupe moto-compresseur centrifuge, comprenant un moto- 5 compresseur (1) comprenant un moyen moteur (3) entraînant en rotation un compresseur (4), caractérisé en ce qu'il comporte un séparateur (2) liquide/gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, ledit compresseur étant intégré dans le séparateur (2). 11. Groupe moto-compresseur selon la revendication 10, comprenant un ensemble de paliers magnétiques actifs supportant axialement et radialement la ligne d'arbre du moto-compresseur. 12. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 10 et 11, dans lequel le compresseur est un compresseur à refoulement axial et comporte une sortie coudée apte à permettre l'extraction du 15 compresseur. 13. Groupe moto-compresseur selon la revendication 12, dans lequel le moyen moteur et le compresseur sont montés dans un carter commun étanche au gaz manipulé par le moto-compresseur fixé de manière étanche au carter du séparateur. 20 14 Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 10 et 11, dans lequel le compresseur est un compresseur à refoulement radial et comporte une sortie radiale, l'ensemble comprenant le moyen moteur et une roue à aube de compression du compresseur constituant un ensemble démontable. 25 15. Groupe moto-compresseur selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, comprenant, montés dans un carter commun, un ensemble moto-compresseur, un séparateur, des moyens de refroidissement à double parois, une vanne anti-pompage, et des moyens de contrôle du groupe moto-compresseur.