Procédé- et dispositif de conduite d'une turbomachine, de manière à limiter l'encrassement de parties internes de la turbomachine par des sa±xssures provenant du gaz de procédé".
L'invention concerne un procédé et un dispositif de conduite d'une turbomachine comportant une entrée et une sortie pour un gaz de procédé, de manière à limiter l'encrassement de parties internes de la turbomachine par des salissures provenant du gaz de procédé. L'encrassement des parties internes des turbomachines, et en particulier des compresseurs centrifuges, est un phénomène que l'utilisateur peut difficilement maîtriser ou empêcher.
Le dépôt et l'agglomération de salissures sur les parties internes aé- rodyπamiques des turbomachines peuvent avoir des conséquences tout-à- fait indésirables sur les performances.
D'une part, la conduite du procédé mis en œuvre dans la turbomachine peut être modifiée de manière importante. Dans le cas d'un compres¬ seur centrifuge, les niveaux de pression et de température ou les débits de circulation dans le compresseur peuvent être modifiés du fait de la formation de dépôts dans les canaux aérodynamiques tels que les aubes ou les diffuseurs du compresseur.
D'autre part, les éléments mécaniques de la turbomachine peuvent être soumis à des sollicitations entraînant leur détérioration. Il est donc nécessaire de protéger ces éléments mécaniques. En particulier, les balourds, les variations de poussée axiale, ou les encrassements des garnitures inter¬ nes engendrées par les dépôts sur les parties dynamiques de la turbomachine peuvent induire des vibrations qui sont préjudiciables à la bonne marche de la turbomachine.
Le dépôt et l'agglomération de salissures sur les parties internes des turbomachines et en particulier des compresseurs centrifuges sont dus à deux causes principales. Tout d'abord, les filtres ou les séparateurs disposés en amont des turbomachines ne peuvent arrêter des particules ayant une taille de quelques micromètres qui se déposent sur les parties internes de la turbomachine. En outre, les niveaux de pression et de température atteints dans le compresseur, ainsi que la nature des gaz dont on réaiise la compression favorisent des réactions du type polymérisation sur les matières déposées ou la corrosion des parties internes du compresseur sous '
De manière générale, l'encrassement des parties internes des turbomachines et en particulier des compresseurs centrifuges est un phénomène général qui se produit dans tous les cas pendant le fonctionnement normal de la turbomachine. Cet encrassement peut atteindre un niveau tel qu'il de- vienne nécessaire d'arrêter la turbomachine et donc le cycle de production ou de fabrication en cours. Il est donc tout-à-fait souhaitable de disposer de moyens permettant d'enlever les salissures de la partie interne encrassée d'une turbomachine ou de limiter le dépôt de salissures dans cette partie interne. On ne connaît pas jusqu'ici de procédé général permettant de réaliser le nettoyage des parties internes de turbomachines quel que soit le type de turbomachines concerné, la substance en circulation dans ces turbomachines et le type et la nature des salissures susceptibles de se déposer dans leurs parties internes. Chaque exploitant de turbomachines essaie de remédier au problème d'encrassement qu'il rencontre, en fonction du type d'encrassement ou des caractéristiques d'organisation de la production.
On connaît des procédés de revêtement anti-encrassement ou des solvants ou additifs chimiques permettant de réduire ou de supprimer les encrassements, dans certains cas spécifiques. De manière générale, dans le but d'optimiser la disponibilité des équipements industriels, les principales méthodes utilisées qui peuvent être combinées entre elles consistent à :
- démonter et sabler les parties encrassées des turbomachines,
- injecter périodiquement des particules solides ou liquides (en parti- culier sous forme de brouillard) pour éroder ou dissoudre les salissures,
- mélanger en continu des additifs avec le fluide circulant dans la turbomachine, substances empêchants ou retardant la polymérisation,
- enduire les parties internes de revêtement pour réaliser des surfaces anti-adhérentes. Toutes ces méthodes présentent des inconvénients. En particulier, ces méthodes sont coûteuses et leur efficacité est ni totale ni durable.
En outre, chacune des méthodes est adaptée à un cas particulier et on ne connaît aucune méthode qui soit d'application générale.
On connaît également des procédés de nettoyage qui sont appliqués en dehors du secteur de l'exploitation des turbomachines et qui utilisent un solvant constitué par un fluide dense sous pression tel que dioxyde de carbone, à l'état liquide ou encore à l'état supercritique. Dans de tels procédés, le dioxyde de carbone peut être utilisé en remplacement de solvants organiques.
Le dioxyde de carbone CO2 présente un point critique à une pression de 73 bars (7,3 MPa) et à une température de 31 °C.
Ces procédés de nettoyage utilisent du dioxyde de carbone à une pression supérieure à la pression critique et à une température qui peut être inférieure à la température critique, le dioxyde de carbone étant alors liquide, ou encore à une température supérieure à la température critique, le dioxyde de carbone étant alors dans un état supercritique intermédiaire entre les états liquide et gazeux. Les valeurs de pression et température critiques du CO2, qui ne sont pas très difficiles à atteindre, permettent une application industrielle.
A l'état supercritique, les propriétés du CO telles que sa densité, sa viscosité qui est faible, et son coefficient de diffusion qui est élevé, ainsi qu'un très bon pouvoir solvant vis-à-vis de nombreuses matières, en font un produit solvant intéressant pour le nettoyage, la purification et le traitement des matériaux.
A l'état supercritique, le CO2 dissout en particulier la plupart des composés organiques.
D'autres substances peuvent présenter à l'état supercritique des pro- priétés analogues, comme certains alcanes.
Dans le cas de turbocompresseurs qui comportent une entrée dans laquelle on introduit un gaz intervenant dans un procédé dans lequel le gaz subit une transformation physique ou chimique, il est généralement souhaitable d'effectuer en continu l'enlèvement des salissures à l'intérieur du tur- bocompresseur, pendant le fonctionnement de ce turbocompresseur. On a proposé d'introduire, dans le courant de gaz de procédé, à l'entrée du turbocompresseur, une substance susceptible de dissoudre les salissures déposées à l'intérieur du turbocompresseur.
A la sortie du turbocompresseur, on récupère un fluide constitué par le gaz de procédé et la substance à l'état supercritique renfermant les salissures à l'état dissout. On doit alors effectuer une séparation du gaz de procédé et du fluide constitué par la substance renfermant les salissures à l'état dissout.
Pour réaliser le nettoyage du compresseur dans des conditions économiques, il est évidemment souhaitable d'effectuer la régénération et le recyclage de la substance utilisée pour dissoudre les salissures dans les parties internes du turbocompresseur. Pour cela, il est nécessaire de sépa- rer de la substance utilisée pour le nettoyage, les impuretés constituées par les salissures qui ont été dissoutes par la substance à l'état supercritique. Cette séparation des impuretés ne peut être effectuée en continu, sur le courant de la substance de dissolution en circulation dans le compresseur, dans des conditions qui soient suffisamment économiques pour être acceptées dans le cadre d'un processus industriel.
En effet, pour réaliser la séparation des impuretés en continu sur le courant de substance de dissolution, il est généralement nécessaire de contourner le point critique du fluide par des transformations thermodynamiques dans un ordre bien défini. Il faut réaliser une détente de la substance pour obtenir sa vaporisation, les impuretés à l'état liquide ou solide étant alors séparées de la substance à l'état gazeux.
Il est ensuite nécessaire de recomprimer la substance pour la réintroduire dans le circuit du procédé, à l'intérieur du compresseur, dans un état supercritique. Pour assurer la mise en pression de la substance de dissolu- tion, il faut utiliser un compresseur ou une pompe à grand débit dont le coût d'installation et d'utilisation est généralement incompatible avec une mise en œuvre économique d'un processus industriel utilisant le gaz de procédé.
Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé de conduite des turbomachines qui permette de limiter leur encrassement, sans avoir à effec- tuer en continu, pendant le fonctionnement de la turbomachine, la régénération et le recyclage d'une substance de nettoyage.
L'utilisation du compresseur pour faire circuler la substance de dissolution est généralement incompatible avec le dimensionnement du corn-
presseur en raison du niveau de pression et de puissance développée nécessaire pour une vitesse de rotation constante.
Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de conduite d'une turbomachine comprenant une entrée et une sortie pour un gaz de procédé mis en circulation dans un circuit appelé circuit de procédé, permettant de limiter l'encrassement des parties internes de la turbomachine par des salissures provenant du gaz de procédé, sans avoir à assurer en continu la mise en circulation, la régénération et le recyclage d'une substance de nettoyage, pendant toutes les phases de fonctionnement de la tur- bomachine.
Dans ce but, le procédé suivant l'invention est caractérisé par le fait qu'entre au moins deux phases successives de fonctionnement normal de la turbomachine au cours desquelles on introduit, dans l'entrée du compresseur uniquement du gaz de procédé et on récupère le gaz de procédé pour son utilisation, on effectue une phase de nettoyage au cours de laquelle on introduit dans le circuit du procédé, à l'entrée de la turbomachine, une substance à l'état dense susceptible de dissoudre les salissures sur les parties internes de la turbomachine et on réalise la séparation du gaz de procédé et de la substance dans laquelle sont dissoutes les salissures sous forme d'impuretés à l'état liquide.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire, à titre d'exemple, en se référant aux figures jointes en annexe, un procédé de conduite d'un turbocompresseur permettant de limiter l'encrassement du turbocompresseur et le dispositif utilisé pour la mise en œuvre du procédé. Les installations représentées respectivement sur les figures 1 et 2 qui permettent de mettre en œuvre le procédé de l'invention suivant un premier mode et suivant un second mode de réalisation ne diffèrent que par la réalisation du circuit de nettoyage turbocompresseur. Dans l'un et l'autre cas, on utilise le même circuit d'utilisation, ou circuit de procédé 1. De ce fait, on ne décrira que le circuit de procédé relatif au mode de réalisation de la figure 1 , les éléments correspondants sur les figures 1 et 2 présentant les mêmes repères.
En revanche, les circuits de nettoyage 2 et 2' sont différents dans le cas du premier et dans le cas du second mode de réalisation du procédé de l'invention.
Le circuit de nettoyage 2 du mode de réalisation représenté sur la 5 figure 1 permet de réaliser, pendant les phases de nettoyage du turbocompresseur, une régénération en continu de la substance dense de nettoyage qui est constituée par du CO2 à l'état supercritique.
Dans le cas du second mode de réalisation représenté sur la figure 2, le circuit de nettoyage 2' n'effectue aucune régénération de la substance 0 utilisée qui est également du CO2 à l'état supercritique, pendant les phases de nettoyage, le CO2 supercritique contenant des impuretés dissoutes étant recyclé dans le circuit du procédé 1. Le CO2 supercritique renfermant des impuretés est récupéré dans un récipient de stockage à l'issue de la phase de nettoyage, avant le redémarrage d'une nouvelle phase de fonctionnel s ment normale de l'installation. Pendant la phase de fonctionnement normale de l'installation suivant la phase de nettoyage, il est possible d'évacuer le CO supercritique saturé en impuretés vers une installation de régénération. Le circuit du procédé 1 , dans le cas du premier et du second mode de réalisation, comporte un turbocompresseur 3 dont la partie d'entrée 4 est 20 reliée à une conduite 5 d'arrivée de gaz de procédé du circuit 1. Le gaz de procédé parvenant au compresseur 3 par la conduite 5 renferme des salissures. Une vanne d'arrêt 6 permet de fermer l'arrivée de gaz de procédé dans le circuit 1. Le turbocompresseur 3 comporte une partie de sortie 7 reliée à une conduite 8 d'évacuation du gaz comprimé dans le turbocom- 25 presseur vers un séparateur 9 et une conduite 10 de transfert du gaz comprimé vers une installation d'utilisation. Sur la conduite 8, est disposé un échangeur de chaleur 11 permettant de refroidir le gaz de procédé à la sortie du turbocompresseur 3. La conduite 8 est reliée par un premier embranchement sur lequel est disposée une vanne d'arrêt 13, au premier sépara- 30 teur gaz liquide 9 qui est constitué par une unité de filtration et, par un second embranchement sur lequel est disposé une vanne d'arrêt 14, à un second séparateur gaz liquide 12 constitué également par une unité de filtration.
Pendant le fonctionnement normal de l'installation comportant le turbocompresseur, le gaz de procédé renfermant des salissures est introduit dans la partie d'entrée 4 du turbocompresseur, comprimé puis évacué par la partie de sortie 7 du turbocompresseur dans la conduite 8. Pendant les pha- ses d'utilisation normale de l'installation, la vanne d'arrêt 14 est fermée et la vanne 13 est ouverte. Le gaz de procédé comprimé et refroidi est introduit dans le séparateur 9 qui permet de séparer du gaz de procédé des impuretés constituées par des condensats. Les condensats sont évacués par la conduite 15. Le gaz de procédé comprimé est évacué par la conduite 10 vers une installation permettant son utilisation.
Le refroidissement du gaz de procédé par l'échangeur de chaleur 11 est réglé en fonction de l'utilisation finale du gaz de procédé.
Pendant le fonctionnement normal du turbocompresseur, des substances polluantes contenues dans le gaz de procédé se déposent sur des parties internes du turbocompresseur 3, telles que des aubages ou diffuseurs, ces substances polluantes constituant des salissures dans la partie interne du compresseur. La quantité de salissures déposées sur les parties internes du compresseur peut augmenter avec le temps d'utilisation du compresseur, ce qui entraîne les inconvénients qui ont été mentionnés plus haut.
Selon l'invention, on prévoit entre deux phases successives de fonctionnement normal du compresseur au cours desquelles la partie interne du compresseur s'est chargée en salissures, une phase de nettoyage qui est réalisée en utilisant dans le circuit du procédé, avant l'entrée du turbocom- presseur 3, une substance dissolvant les salissures constituée par un composé chimique dans un état dense et de préférence supercritique.
De préférence, on utilise pour le nettoyage du compresseur, du C02 supercritique.
Dans le cas de l'installation représentée sur la figure 1 et dans le cas de l'installation représentée sur la figure 2, on utilise un circuit de nettoyage
2 ou 2' qui comporte le second séparateur gaz/liquide 12 et qui peut être totalement isolé du circuit de procédé 1 par l'intermédiaire de la vanne d'arrêt 14 et par l'intermédiaire d'une vanne d'arrêt 16 disposée sur une
conduitel 8 elle-même reliée à la conduite 5 du circuit d'utilisation normale 1 , en aval de la vanne d'arrêt 6. Le circuit de nettoyage 2 ou 2' est ainsi en dérivation sur le circuit de procédé 1 de part et d'autre de l'entrée 4 et de la sortie 7 du turbocompresseur 3. Pour mettre en fonctionnement le circuit de nettoyage 2 ou le circuit de nettoyage 2', on ferme la vanne 13 du circuit du procédé et on ouvre les vannes 14 et 16 du circuit de nettoyage 2 ou 2'.
Dans le cas de l'installation représentée sur la figure 1 , permettant de mettre en œuvre le procédé de l'invention suivant un premier mode de réali- sation, on utilise un réservoir d'alimentation 20 renfermant du C02 à l'état supercritique qui est placé en dérivation sur le circuit 2, en aval du séparateur 12 sur une conduite 21 de sortie du séparateur 12. Une vanne trois voies 19 permet de mettre en communication le réservoir d'alimentation 20 avec la conduite 21 du circuit de nettoyage 2, de manière à introduire du C0 supercritique dans le circuit de nettoyage 2 ou d'isoler la conduite 21 du réservoir d'alimentation 20. Au début de la phase de nettoyage, on introduit du CO2 supercritique propre dans le réservoir de stockage 20 par la conduite 27. On alimente ensuite le circuit de nettoyage 2 à partir du réservoir d'alimentation 20, en ouvrant la vanne trois voies 19. Le CO2 supercritique introduit dans le circuit 2 parvient dans la conduite 18 pour être introduit dans le circuit de procédé 1 et dans la partie d'entrée 4 du turbocompresseur 3, en mélange avec du gaz de procédé admis dans le circuit de procédé par la conduite 5.
Le CO2 supercritique circulant avec le gaz de procédé dans le turbo- compresseur 3 réalise une dissolution des salissures déposées sur les parties internes du turbocompresseur. On récupère dans la partie de sortie 7 du turbocompresseur 3, du gaz de procédé comprimé contenant du CO2 renfermant des salissures à l'état dissout.
Le gaz de procédé renfermant les salissures dissoutes dans le C02 est refroidi dans l'échangeur de chaleur 11 qui réalise une condensation du C02 renfermant les impuretés contenues dans le gaz de procédé.
Le mélange parvenant à l'entrée du séparateur 12 constitué par une unité de filtration, comporte donc le gaz de procédé comprimé et une partie liquide constituée par le CO2 renfermant les impuretés dissoutes.
Le second séparateur 12 réalise la séparation du gaz de procédé comprimé qui est évacué vers l'installation d'utilisation par une conduite 17 et le mélange liquide de CO2 et d'impuretés qui est évacué par la conduite 21 du circuit de nettoyage 2.
La phase liquide constituée de CO2 et d'impuretés subit une détente produite par une vanne de détente 22, de sorte qu'en aval de la vanne de détente 22, le fluide circulant dans le circuit de nettoyage 2 est constitué par du CO2 sous forme gazeuse et des impuretés dissoutes à l'état liquide. Le fluide traverse un séparateur 23 du circuit de nettoyage 2 constitué par un filtre séparateur gaz/liquide. Le séparateur 23 réalise la séparation du CO gazeux qui est envoyé par une conduite de sortie dans un compresseur 24 et des impuretés dissoutes à l'état liquide ou éventuellement à l'état solide qui sont évacuées du séparateur 23, par une conduite d'évacuation 25.
Le C02 gazeux épuré est comprimé par le compresseur 24 et traverse un échangeur de chaleur 26 qui permet d'élever la température du CO comprimé, de telle sorte qu'en sortie de l'échangeur de chaleur 26, le fluide circulant dans le circuit de nettoyage 2 est constitué par du C02 supercritique propre qui peut être renvoyé dans le circuit de procédé 1 , par l'intermédiaire de la conduite 18.
On peut faire fonctionner ainsi en continu le circuit de nettoyage, jusqu'à l'obtention d'un nettoyage satisfaisant des parties internes du turbo- compresseur 3.
A l'issue de la phase de nettoyage, on ferme les vannes 14 et 16 et on ouvre la vanne d'arrêt 13 du circuit de procédé. On commence ainsi une nouvelle phase de fonctionnement normal du turbocompresseur 3 et de l'installation. La vanne trois voies 19 est placée dans une position permet- tant de récupérer le C02 de nettoyage dans le récipient d'alimentation 20.
De cette manière, l'installation comprenant le turbocompresseur 3 peut fonctionner de manière continue avec des phases de nettoyage intermittentes permettant d'éviter un encrassement excessif du turbocompres-
seur 3. La durée des phases de fonctionnement normal et des phases de nettoyage est réglée de manière à éviter un encrassement excessif du turbocompresseur 3, tout en limitant la dépense énergétique supplémentaire due en particulier à l'utilisation du compresseur 24 sur le circuit de nettoyage 2.
Dans le cas de l'installation représentée sur la figure 2, le circuit de procédé 1 est identique au circuit de procédé mis en œuvre dans le cas du premier mode de réalisation. De plus, le circuit de nettoyage 2' comporte, comme précédemment, les vannes d'arrêt 14 et 16 et le second séparateur 12 permettant de récupérer sur la conduite 21 ' du circuit de nettoyage 2', pendant le nettoyage, une phase liquide constituée par du CO2 contenant des salissures du turbocompresseur 3 à l'état dissous.
Le circuit de nettoyage selon le second mode de réalisation dans lequel on n'effectue pas de régénération de la substance de dissolution pré- sente une structure plus simple que le circuit de nettoyage 2 du premier mode de réalisation.
Le circuit de nettoyage comporte, à la suite du séparateur 12, un réservoir de récupération de CO220' et une pompe 24'.
Pour effectuer le nettoyage, on introduit dans le réservoir de récupé- ration de CO2 20 ', au début de la phase de nettoyage, du CO2 propre à l'état supercritique. Le CO2 supercritique est envoyé par la pompe 24' dans la conduite 18 reliée au circuit de procédé 1.
Dans la conduite 5 du circuit de procédé, le C02 supercritique est mélangé à du gaz de procédé. Le fonctionnement de l'installation pendant la phase de nettoyage est identique au fonctionnement qui a été décrit plus haut en ce qui concerne le premier mode de réalisation, jusqu'au moment où une phase liquide constituée de C02 renfermant des impuretés est récupérée dans la conduite 21 ' du circuit de nettoyage 2'. Toutefois, le réglage de l'échangeur de chaleur 11 est réalisé de manière à récupérer le C02 renfermant des impuretés liquides, à l'état supercritique dans la conduite 21 '.
Le C02 supercritique renfermant des impuretés liquides est recueilli dans le réservoir de stockage 20' dont la conduite d'évacuation 25' est fer-
mée par une vanne. Le CO2 à l'état supercritique renfermant des impuretés est alors aspiré par la pompe 24' puis refoulé dans la conduite 18 pour être réintroduit dans le gaz de procédé. On effectue ainsi le nettoyage par circulation du CO2 à l'état supercritique, dans le circuit de procédé 1 et dans le circuit de nettoyage, jusqu'au moment où le CO2 supercritique est saturé en impuretés à l'état liquide. On isole alors le circuit de nettoyage 2' du circuit de procédé 1 et on récupère le CO2 supercritique renfermant des impuretés liquides dans le réservoir de récupération 20'. L'installation est remise en fonctionnement normal. Pendant la phase de fonctionnement normal de l'installation, le C02 supercritique renfermant des salissures à l'état liquide est évacué par la conduite d'évacuation 25' du récipient de récupération 20' et, éventuellement, régénéré par séparation du CO2 et des impuretés liquides, par exemple par un procédé de détente et de vaporisation du C02 suivi d'une filtration. Du CO2 à l'état supercritique est introduit dans le récipient 20' pour réaliser une étape de nettoyage ultérieure.
Dans le cas du second mode de réalisation, l'installation peut également fonctionner de manière continue, la capacité de nettoyage du turbocompresseur 3 n'étant limitée que par l'augmentation de la quantité d'impuretés dissoutes dans le CO2 à l'état supercritique et l'arrivée à l'état de saturation.
La régénération du CO2 à l'état liquide ou à l'état supercritique pourrait être réalisée par décantation des impuretés liquides à l'intérieur d'un récipient de décantation ou éventuellement à l'intérieur du récipient de récupé- ration 21 '.
Pour pouvoir faire fonctionner le turbocompresseur 3 en continu en utilisant le procédé d'enlèvement de salissures lors de phases de nettoyage intercalées entre deux phases de fonctionnement normal, dans le cas du second mode de réalisation, il est nécessaire d'effectuer la phase d'épuration du C02 à une fréquence suffisante pour éviter un encrassement inacceptable du turbocompresseur pendant la phase de fonctionnement normal séparant deux phases de nettoyage successives.
En d'autres termes, la vitesse de séparation des impuretés du C02 liquide ou gazeux doit être supérieure à la vitesse d'encrassement du turbocompresseur.
Dans le cas du premier mode de réalisation, on peut faire fonctionner l'installation de manière continue, sans encrassement excessif du turbocompresseur, en réglant la durée des phases successives de fonctionnement normal et de nettoyage. Le procédé suivant le premier mode de réalisation qui présente l'avantage d'une plus grande souplesse de mise en œuvre, présente cependant l'inconvénient de nécessiter une plus grande dépense énergétique. Cette dépense énergétique dépend en fait de la durée des phases de nettoyage intercalées entre deux phases de fonctionnement normal de l'installation.
L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit.
En particulier, il est possible d'utiliser pour la dissolution des salissu- res dans le turbocompresseur d'autres substances que le C02 à l'état supercritique. De telles substances peuvent être, par exemple, l'eau (H20), le propane (C3H8) ou le pentane (C5H12), à l'état supercritique.
Il est également possible d'envisager d'utiliser le procédé suivant l'invention pour réaliser le nettoyage d'appareils ou d'installations différentes de turbocompresseurs centrifuges.