Entraînements hydrodynamiques pour applications de pompes industrielles

L'énergie et l'électricité sont une partie essentielle de la vie moderne et importantes pour l'économie mondiale. Les tendances énergétiques mondiales montrent une demande pour des solutions technologiques intelligentes qui doivent fournir la plus grande fiabilité possible et résister à tous les aléas à venir. Les exigences strictes des normes appliquées dans ces industries doivent être suivies pour assurer un fonctionnement sûr. Le paradigme économique moderne dicte également la nécessité de maximiser l'efficacité opérationnelle.

Les équipements tournants, et les pompes industrielles en particulier, sont les équipements les plus critiques en termes de fiabilité et d'efficacité. La sélection appropriée d'une pompe industrielle est importante pour l'ensemble du processus. Les pompes industrielles modernes doivent également garantir une efficacité élevée dans divers régimes de fonctionnement où non seulement la hauteur et la capacité changent, mais également les données de fluide telles que la densité et la viscosité. La régulation de la pompe est couramment utilisée pour répondre à cette exigence.

Cet article décrit différentes manières de réguler la pompe avec ses points forts et montre le coût total de possession pour diverses applications. Dans cet article, les utilisateurs apprendront comment la régulation de la vitesse et l'application d'un coupleur hydraulique en particulier contribuent à accroître la fiabilité et l'efficacité de l'ensemble du processus opérationnel.

L'image 1 montre trois méthodes principales de contrôle de la pompe : l'étranglement, l'utilisation d'un coupleur hydraulique et d'un entraînement électrique à fréquence variable (VFD).

Dans le cas d'une commande papillon, la pompe est entraînée directement au moyen d'un moteur électrique à vitesse fixe relié rigidement à la pompe par l'intermédiaire d'un accouplement (généralement de type entretoise). Le contrôle de la tête et de la capacité de la pompe se fait ensuite via un papillon des gaz installé sur la conduite de refoulement de la pompe. Un haut niveau d'usure dans le papillon des gaz et une énorme baisse d'efficacité rendent cette méthode de contrôle limitée dans son application et est généralement utilisée si seule une plage de contrôle étroite est requise.

Les deux méthodes, via un couplage hydraulique ou un VFD, utilisent le contrôle de la vitesse. Dans le cas d'une application VFD, la pompe et le moteur (généralement couplés via un accouplement de type entretoise) tournent à la même vitesse donnée par le VFD. Dans l'option de couplage hydraulique, un moteur à vitesse fixe standard est utilisé et le contrôle de la vitesse est effectué via le couplage hydraulique. Ainsi, les applications VFD et de couplage hydraulique nécessitent des moteurs différents. Dans le cas d'une commande VFD, un moteur doit être équipé d'un palier isolé ainsi que de moteurs compatibles VFD avec un facteur de service plus élevé par rapport aux moteurs à vitesse fixe. Cela peut entraîner une taille de châssis de moteur plus grande et des coûts connexes supplémentaires. L'application d'un coupleur hydraulique permet d'utiliser un moteur standard à vitesse fixe, ce qui constitue un avantage supplémentaire en termes de prix et de fiabilité.

Le concept de couplage hydraulique utilise le principe de la transmission du couple par circulation de fluide entre deux roues. L'énergie mécanique du conducteur est convertie en énergie cinétique à travers la roue de pompe, donc en énergie du flux de fluide (huile), et à partir de là, elle est à nouveau reconvertie en énergie mécanique dans la roue de turbine. La vitesse de la roue de turbine peut être modifiée en modifiant la quantité d'huile en circulation (à l'aide d'un tuyau ou d'un tube à écope, ces machines sont appelées coupleurs hydrauliques), ou en utilisant des aubes réglables (ces machines sont appelées convertisseurs de couple).

Puisqu'il n'y a pas de contact métallique direct entre le conducteur et la machine entraînée (l'huile agit comme le moyen qui transmet le couple), l'usure n'est pas typique pour ce type de transmission de couple.

La conception et les principaux composants du coupleur hydraulique sont illustrés à l'image 2. Le flux d'huile circule à travers le refroidisseur d'huile au moyen d'une pompe à huile, qui est entraînée par l'arbre d'entraînement via un engrenage. Le débit d'huile est acheminé vers la roue de pompe, qui est couplée de manière rigide à l'arbre d'entraînement, où il est accéléré et refoulé vers la roue de turbine, qui est couplée de manière rigide à l'arbre de la machine entraînée (pompe).

La modification de la position du tube d'écope modifie la quantité d'huile contribuant au processus de transmission de puissance. Conséquence : plus d'huile dans le coupleur hydraulique augmente la vitesse de sortie de la pompe ou inversement. Il reste toujours un glissement minimum de l'ordre de 2% pour transmettre l'énergie entre la roue de pompe et la roue de turbine. L'image 3 montre comment le couplage se comporte le long de la courbe caractéristique en fonction de la position du tube d'écope. La plage de contrôle de vitesse typique au moyen d'un couplage hydraulique 20% à 98% de la vitesse du moteur.

Une autre caractéristique d'un coupleur hydraulique est sa capacité à fonctionner également comme un système d'huile de lubrification, ce qui est nécessaire si la pompe et/ou le moteur fonctionnent avec des paliers lisses. Par conséquent, un système d'huile de lubrification séparé n'est pas nécessaire.

Pour clôturer l'aperçu général avec l'option VFD, il convient de noter qu'il est question d'une technologie sophistiquée avec de nombreux composants ajoutant une complexité substantielle aux agencements de projets. Un VFD typique de 4 mégawatts (MW) 6 kilovolts (kV) se compose d'une section de transformateur, de deux sections de réseaux électriques, d'une section de commande et nécessite beaucoup d'espace par rapport à un couplage hydraulique : environ 6 000 millimètres (mm) de largeur, 1 500 mm de profondeur et 3 000 mm de hauteur.

Dans cet article, l'exemple suivant et la comparaison de trois principaux critères économiques sont considérés : les dépenses en capital (capex), les économies d'énergie et les coûts de maintenance. La candidature est la suivante :

La répartition des dépenses d'investissement pour les trois options de contrôle est illustrée sur l'image 4, où les éléments suivants sont notés :

L'unité de pompe à entraînement direct nécessite une vanne de décharge à papillon qui fait partie du système hydraulique et n'est pas prise en compte dans l'étude actuelle ; cependant, cela doit également être noté lors de la conception de l'ensemble du système hydraulique.

Les pompes sont les mêmes pour les trois unités de pompage : une pompe pour une option de couplage hydraulique peut avoir un grand diamètre de roue pour compenser le glissement du couplage hydraulique. Habituellement, il s'agit simplement d'une garniture de roue différente qui n'entraîne pas de changement de coût.

Les options d'entraînement direct et de couplage hydraulique utilisent un moteur à vitesse fixe tandis qu'une option VFD utilise un moteur spécial adapté au VFD (avec un roulement isolé). L'augmentation des coûts pour cette exécution spéciale du moteur est généralement de +5 % par rapport au prix du moteur à vitesse fixe.

Les pompes à entraînement direct et VFD utilisent la même plaque de base ; la plaque de base pour une option de coupleur hydraulique est généralement un peu plus longue car un coupleur hydraulique est installé directement sur la plaque de base entre la pompe et le moteur. Cependant, si un système d'huile de lubrification est requis et doit être installé sur la plaque de base, l'empreinte pour les trois options est presque égale.

L'option de couplage hydraulique nécessite deux raccords de connexion par unité tandis que l'option d'entraînement direct et VFD n'en nécessite qu'un par unité ; cependant, le coût des raccords de connexion est presque négligeable pour les trois options.

Le coût VFD lui-même est plus cher que le coût du couplage hydraulique ; Les VFD nécessitent également des armoires avec des auxiliaires (système HVAC); selon le projet, une salle blanche appropriée séparée pourrait être nécessaire - cela pourrait entraîner des coûts de construction qui n'ont pas été pris en compte dans l'étude actuelle mais doivent être observés lors de la phase de conception de la centrale.

Le capex total pour l'unité de pompage avec coupleurs hydrauliques est supérieur de 41 % par rapport à l'unité de pompage à entraînement direct ; L'unité de pompe entraînée par VFD est deux fois plus chère en capex que l'unité de pompe à entraînement direct.

Compte tenu de la fiabilité du papillon des gaz et des coûts de maintenance pour les deux options de régulation de vitesse, le coupleur hydraulique est un équipement mécanique. Il s'agit d'une centrifugeuse fonctionnant à l'huile, qui nécessite peu d'entretien annuel. La révision majeure est généralement effectuée une fois tous les huit ans. Un VFD, d'autre part, nécessite généralement plus de pièces de rechange et fonctionne sur une base annuelle. De plus, les révisions majeures au cours d'une vie sont plus fréquemment exécutées. L'image 5 montre la dynamique des coûts de maintenance sur 30 ans pour les deux variateurs de vitesse (VSD) : couplage hydraulique et VFD. Les données sont basées sur l'expertise du marché et les commentaires des opérateurs.

La pompe fonctionne huit mois par an au point nominal et les quatre autres mois à capacité réduite. L'image 6 montre les courbes de la pompe pour ces points de fonctionnement et la consommation d'énergie de la pompe associée.

L'interaction d'une courbe du système (S1, S2, S3, S4) et des courbes de capacité de tête de pompe (HQ) provoque des points de fonctionnement de la pompe. Le point de fonctionnement 1 est le point de fonctionnement nominal de la pompe où la pompe fonctionne la plupart du temps. La courbe HQ de la pompe ici est évaluée pour la vitesse nominale du moteur qui est égale à la vitesse de la pompe en cas d'entraînement direct. Dans le cas de l'utilisation d'un accouplement hydraulique, la vitesse de la pompe est égale à la vitesse de l'arbre de sortie de l'accouplement hydraulique qui est un peu inférieure à la vitesse du moteur en raison du glissement dans un accouplement hydraulique.

Pour maintenir les mêmes valeurs de tête et de capacité, les fabricants de pompes utilisent des garnitures de roue différentes (diamètre plus grand) qui n'entraînent généralement aucun changement de prix. Ainsi, la pompe fonctionne toujours au point de fonctionnement 1 pour les trois options de contrôle en tant que valeur nominale. En fermant le papillon des gaz sur la conduite de refoulement de la pompe, les courbes du système hydraulique deviennent plus raides et les points 2, 3 et 4 sont atteints. Dans le cas d'une régulation de vitesse, la courbe de la pompe descend selon des lois d'affinité et les points de fonctionnement 2, 3 et 4 sont atteints. Les lois d'affinité permettent également de tracer les courbes de puissance consommée de la pompe. Étant donné que la puissance consommée de la pompe passe à la puissance trois de la vitesse de la pompe, cela montre que tous les points de fonctionnement atteints par le contrôle de la vitesse nécessitent moins de puissance par rapport à l'étranglement.

L'image 7 montre les économies d'énergie par rapport à l'étranglement. Ce tableau prend en compte le scénario de fonctionnement, analyse la puissance consommée et l'efficacité du moteur et détaille le couplage hydraulique sur VFD, y compris le transformateur intégré et son équipement auxiliaire. Les deux options permettent des économies sur la commande des gaz sur une durée de vie de 30 ans.

Résumant les trois principaux aspects économiques (capex, coût de maintenance et économies d'énergie), il montre que les deux méthodes de contrôle de la vitesse fournissent non seulement les modes de fonctionnement requis, mais permettent également d'économiser de l'argent.

De nombreuses installations dans le monde et des années de fonctionnement confirment que le coupleur hydraulique est une solution fiable, robuste et rentable en matière de contrôle de pompe, non seulement pour le marché de l'électricité, mais également pour de nombreuses applications dans l'industrie pétrolière et gazière.

Le développement ultérieur des VSD à engrenages utilise un engrenage planétaire et le principe de la transmission de puissance séparée. Un tel entraînement se compose d'un convertisseur de couple et d'un engrenage planétaire, tous deux installés dans le même boîtier. Environ 75 % de la puissance est transmise via un engrenage planétaire, et les 25 % restants sont transmis via un convertisseur de couple. La modification de la position des aubes directrices (représentées en vert) ajuste la vitesse et le sens de rotation des porte-satellites et ainsi la vitesse du planétaire est régulée. La roue solaire est reliée rigidement à l'arbre de sortie qui fait tourner la machine entraînée.

Il existe différentes manières de réguler la vitesse de la pompe ; le choix de chacun est déterminé par les tâches spécifiques et les conditions de fonctionnement de chaque projet individuel. La fiabilité et la durabilité, ainsi que le rendement élevé des coupleurs hydrauliques et des VSD à engrenages, en font une bonne solution pour la régulation des pompes industrielles.

Aleksei Kobzev est directeur des ventes chez Voith Turbo avec une expérience dans les équipements rotatifs et les pompes en particulier. Kobzev peut être joint à [email protected]. Pour plus d'informations, rendez-vous sur voith.com.