Conduite des compresseurs alternatifs

Réglage de la capacité

Les compresseurs à piston sont des machines volumiques. Le volume de gaz aspiré lors de chaque cycle est défini par sa géométrie et sa vitesse de rotation. Il est constant si la pression au refoulement est constante.

Si la capacité de la machine n'est pas en accord avec le débit fourni par le procédé amont, des variations de pression très importantes pourront être observées. Si la capacité de la machine est trop grande, la pression à l'aspiration baissera. Inversement si la capacité de la machine est trop faible.
Par exemple, si le procédé amont ne fourni que la moitié de la capacité du compresseur, la pression à l'aspiration baissera et se stabilisera à la moitié de la pression absolue initiale. Un compresseur à piston est capable de générer des vides importants, potentiellement dangereux pour les équipements (s'ils ne résistent pas au vide) ou si une entrée d'air dans le procédé est redoutée.

Si le procédé aval ne peut absorber le débit délivré par le compresseur, la pression de refoulement augmentera. Le taux de compression augmentant, l'efficacité volumique se dégradera et la capacité du compresseur diminuera. Le taux de compression auquel se stabilisera la machine dépend de l'importance de la perturbation du procédé aval.
A titre d'exemple considérons un compresseur dimensionné pour un taux de compression de 2 avec un volume mort de 15%. Le rendement volumique est de 90%. Si le débit acceptable par le procédé aval devient 50% du débit de dimensionnement, le débit de gaz excédentaire provoquera une augmentation de pression au refoulement. Le taux de compression augmentant, le rendement volumique diminue. La capacité du compresseur se trouvera réduite de 50% lorsque le rendement volumique deviendra 90*0,5= 45%. Cela se produira lorsque le taux de compression atteindra la valeur de 7,5 soit une pression au refoulement 3 à 4 fois la valeur normale. Peu de procédés sont capable d'accepter une telle augmentation de pression. Cette auto régulation de la pression de refoulement, acceptable pour un compresseur centrifuge ne l'est généralement pas pour un compresseur à piston.

Ajuster la capacité d'un compresseur alternatif à piston, c'est ajuster le débit volumique d'aspiration (m3/h) de manière à le maintenir constant ou l'adapter au besoin du procédé.
L'ajustement de la capacité peut être fait par différents moyens:
 - étranglement du flux à l'aspiration
 - faire varier le volume mort sur un ou plusieurs cylindres
 - bloquer ouvert les clapets d'aspiration de certains cylindres
 - faire varier la vitesse de rotation du compresseur
 - arrêter ou redémarrer le compresseur
 - recycler vers l'aspiration une partie du gaz comprimé

Etranglement à l'aspiration

Fermer partiellement une vanne disposée sur l'aspiration du compresseur provoque une perte de charge qui abaisse la pression du gaz aspiré par le compresseur. Le rendement volumique du compresseur s'en trouve réduit, ainsi que la masse volumique du gaz aspiré.
Si la pression de refoulement est maintenue, le taux de compression est augmenté ainsi que la température de refoulement. En procédant ainsi, veiller à ne pas dépasser les charges maximum asmissibles par l'embiellage, ainsi que les températures maximum admissibles au refoulement. Celles-ci sont souvent limitées à 160°C par les constructeurs.
Quand cette méthode de régulation de la capacité est employée, la puissance absorbée par le compresseur tend généralement à augmenter si le taux de compression inférieurs à 2, tandis qu'elle tend à diminuer seulement si le taux de compression est supérieur à 2,5. Compte tenu des contraintes générées sur la machine et du faible gain énergétique escompté, certains constructeurs de compresseurs alternatifs à piston déconseillent cette méthode de réglage.
D'autre part l'abaissement de la pression d'aspiration génère le risque d'une entrée d'air extérieur si la pression devient inférieure à la pression atmosphérique, scénario potentiellement dangereux si le gaz véhiculé est inflammable.

Recyclage du gaz vers l'aspiration

Le débit de gaz véhiculé par le compresseur en excès par rapport à ce que le procédé peut accepter, est détendu au travers d'une vanne et retourné vers l'aspiration. Le débit recyclé peut aller de 0% à 100% de la capacité du compresseur, à la condition toutefois d'être capable de refroidir le gaz. En effet, dans ce cas l'énergie de compression est intégralement maintenue et si le gaz chaud du refoulement est recyclé vers l'aspiration, les températures, à l'aspration comme au refoulement, ne cesseront d'augmenter.
Cette méthode est la plus simple mais aussi la moins énergétiquement efficace, puisque le gaz recyclé est comprimé en pure perte.
Elle est toutefois utile pour ajuster finement le débit qui doit être transféré depuis le procédé amont vers le procédé aval, en complément d'autres méthodes procédant par palliers.

Bloquage des clapets d'aspiration

Lorsque le piston commence sa course vers la tête du cylindre, les clapets d'aspiration se ferment naturellement sous l'effet du courant gazeux inverse et restent fermé sous l'effet de la différence de pression. En plaçant un dispositif les maintenant ouverts, la course du piston refoulera le gaz vers le circuit d'aspiration, annulant ainsi l'action du cylindre.
Cette méthode permet un réglage par paliers qui dépendent de la configuration du compresseur:
 - mono cylindre et simple effet;  paliers à 0 ou 100% de capacité seulement
 - mono cylindre double effet; paliers à 0, 50, 100%
 - deux cylindres double effet; paliers à 0, 25, 50, 75, 100%
 - ...

Table de réglage de la capacité

	Cylindre I		Cylindre II
	tête	arbre	tête	arbre
100%
75%	x
50%	x		x
25%	x	x	x
0%	x	x	x	x
x: clapets d'aspiration forcés ouvert x: fonctionnement limité

Malgré l'absence de débit gazeux lorsqu'un les clapets d'un cylindre sont bloqués, une dépense énergétique subsiste employée à véhiculer le gaz entre l'intérieur et l'extérieur de la chambre du cylindre. L'énergie ainsi consommée, même faible, provoque un échauffement du gaz, d'autant plus préoccupant qu'il n'est pas renouvelé. C'est pourquoi les constructeurs recommandent de limiter la durée de fonctionnement au palier 0%.
Certains constructeurs proposent de ne bloquer les clapets d'aspiration que sur une fraction du trajet du piston, autrement dit de seulement retarder la fermeture des clapets au lieu de les bloquer de façon permanente. Cette méthode, plus complexe à mettre en oeuvre, permet ainsi d'obtenir une variation quasi continue de la capacité du compresseur.

Variation du volume mort

Lorsque le piston a achevé sa course vers la tête du cylindre, il n'a pas chassé la totalité du gaz emprisonné. Un espace subsiste généralement entre le piston et la tête du cylindre, et les clapets présents occupent également un certain volume. C'est le volume mort du cylindre. Lorsque le piston reprendra sa course en sens inverse, le gaz emprisonné dans le volume mort se détendra d'abord avant  que les clapets d'aspiration ne puissent admettre du gaz frais. Le volume mort affecte l'efficacité volumique du cylindre. Plus il sera important, plus la capacité volumique du cylindre sera faible. Les constructeurs peuvent proposer des volumes morts additionnels, chambres connectée au cylindre et obturées par un clapet commandé, pour être mis en service à la demande. Sur des cylindres fonctionnant à double effet, seul le coté tête peut être équipé de volume mort additionnel.
L'augmentation du volume mort ne dégrade pas le rendement énergétique du compresseur. En effet, à chaque cycle, le volume de gaz comprimé mais non éjecté du cylindre restituera son énergie au compresseur en repoussant le piston. Il n'aura donc pas été comprimé inutilement.
L'utilisation d'une chambre de volume mort additionnel pour ajuster le débit du compresseur vient souvent en complément de l'action sur les clapets, et permet un plus grand nombres de palliers de capacité. La table de réglage ressemblera à:

Table de réglage de la capacité

	Cylindre I			Cylindre II
	tête	arbre	V.M.	tête	arbre	V.M.
100%
90%			x
80%			x			x
75%		x
65%		x	x
55%		x	x			x
50%		x			x
40%		x	x		x
30%		x	x		x	x
25%	x	x		x
0%	x	x		x	x
x: clapets d'aspiration forcés ouvert ou chambre de volume mort en service x: fonctionnement limité

Variation de vitesse du compresseur

Tant que le profil des pressions est inchangé, le volume aspiré à chaque cycle de la machine est constant. Le débit volumique aspiré par le compresseur est donc proportionnel à la vitesse de rotation de la machine. Ajuster la vitesse permet d'ajuster la capacité du compresseur.
Les compresseurs alternatifs à pistons sont souvent choisis pour des taux de compression élevés ou des gaz légers et donc très volumineux. Les puissances sont importantes et les couples élevés. L'utilisation de variateurs électroniques de fréquence pour faire varier la vitesse de rotation d'un moteur électrique est rare.

Prévention des vibrations

Le fonctionnement discontinu et alternatif de ce type de compresseur génère des ondes de pression dans l'ensemble des tuyauteries et capacités autour de la machine. Si la fréquence de ces pulsations de pression correspond à des fréquences propres de certaines tuyauteries, celles-ci entreront en résonance comme un tuyau d'orgue. Des vibrations d'amplitude croissante apparaîtront conduisant à de graves dommages pour l'installation (ruptures par fatigue, perte de confinement, ...).
Pour éviter cela, une étude pulsatoire doit être menée. Elle doit être faite sur l'installation précisément définie (isométriques de tuyauterie, volume des capacités, échangeurs, ...). Elle doit couvrir tous les cas de fonctionnement de la machine (vitesse de rotation, paliers de capacité, composition du gaz, ...). Si des situations critiques sont détectée, des modifications devront être apportées sous forme par exemple d'orifices à ajouter pour modifier les fréquences propres des circuits.

Prévention des entraînements de liquide

L'entraînement de liquide est probablement avec les vibrations et la perte de confinement, l'une des sources de danger majeures liées à l'exploitation d'un compresseur à piston. La présence de liquide, qui n'est par nature pas compressible, dans la chambre de compression peut conduire à la destruction du cylindre.
Si des condensations sont possibles en amont, les précautions suivantes doivent être prises:
 - un ballon de séparation équipé d'un matelas dévésiculeur, avec une surveillance de niveau liquide et un dispositif de purge, doit être installé sur le circuit amont
 - la ligne entre le ballon séparateur et l'aspiration du compresseur ainsi que la bouteille anti-pulsatoire  d'aspiration doivent être tracés pour maintenir la température du gaz
 - la température du liquide de refroidissement des cylindres doit être au moins 5°C supérieure à la température du gaz à l'aspiration
 - préférer un compresseur à pistons horizontaux avec aspiration par le haut et refoulement en bas pour éviter l'accumulation de liquide dans la machine

Prévention des surpressions

Contrairement à un compresseur centrifuge dont la pression de refoulement maximale n'est que peu supérieure à la valeur nominale (de l'ordre de 120% de la valeur nominale), un compresseur alternatif à piston est capable de doubler ou tripler la pression nominale de refoulement. S'il n'est pas d'usage de dimensionner les équipements aval pour de telles pressions, il est nécessaire de prévoir les organes limiteurs adéquats.
Un autre risque commun à tout types de compresseurs, est de voir les équipements à l'aspiration ou aux étages à basses pressions exposés à une pression excessive résultant de l'équilibrage des pressions entre les étages suite à un arrêt de la machine. En effet dans ce cas, par le circuit de recyclage, le gaz contenu dans les étages à haute pression viendra gonfler les étages basses pressions. La pression de calcul des équipements ne doit donc pas se contenter de satisfaire la pression maximale de fonctionnement mais aussi être adaptée à la pression d'équilibre résultant d'un arrêt de la machine.

Schéma de procédé

Dans l'exemple présenté ici, le gaz traité est susceptible de condenser partiellement. Pour éviter tout entrainement de liquide vers les cylindres du compresseur, des ballons séparateurs équipés de matelas dévésiculeurs sont disposés sur l'aspiration. De plus les tuyauteries de liaison entre les ballons et les cylindres sont tracés afin de les maintenir au dela du point de rosée du gaz. Enfin les ballons anti-pulsatoires amont et aval de chaque cylindre sont équipés pour être purgés du liquide accumulé.
Les circuits amont et aval de chaque cylindre sont protégés contre les surpressions par des soupapes de sécurité. Les valeurs de réglages des soupapes, comme les pressions de calcul des équipements sont au moins égales à la pression d'équilibrage. Celle-ci est calculée en supposant que le compresseur est isolé alors qu'il est en fonctionnement et que le gaz des zones à haute pression migre vers les zones à basse pression jusqu'à l'équilibrage.
Le gaz est refroidi en sortie de chaque étage, pour minimiser la consommation énergétique du compresseur, et pour limiter la température du gaz recyclé.
Le retour inverse du gaz depuis le procédé aval vers le procédé amont est empêché par des clapets anti-retour en amont et en aval.

Schéma de régulation

Dans l'exemple de schéma de régulation présenté ici, la capacité du compresseur est ajustée en permanence pour réguler et maintenir constante la pression d'aspiration du compresseur. Le régulateur de pression (PC) agit sur la vanne de recyclage du gaz depuis le refoulement. Dans l'hypothèse ou ce recyclage serait insuffisant, un seuil de pression basse (PSL) arrête le compresseur pour interdire une pression excessivement basse ou une mise sous vide du procédé amont.
Un taux de compression excessif sur l'un ou l'autre des étages pourrait conduire à dépasser les contraintes admissibles par l'entrainement du piston. Pour éviter cela, un seuil de pression différentielle trop élevée (PDSH) stoppe le compresseur.
Pour éviter une température trop élevé du gaz au refoulement de l'un ou l'autre des étages, qui pourrait dégrader excessivement les étanchéités, un seuil de température haute (TSH) stoppe le compresseur.
Pour éviter un entrainement de liquide vers l'un ou l'autre des cylindres, un seuil de niveau haut (LSH) sur les ballons situés à l'aspiration des cylindres stoppe le compresseur.