UTILITÉS AIR SERVICE - AIR INSTRUMENT

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1 Ingénieurs en Sécurité Industrielle Risques et Précautions Liés au Matériel UTILITÉS AIR SERVICE - AIR INSTRUMENT I - RÔLE ET CARACTÉRISTIQUES DE L'AIR COMPRIMÉ 1 - Rôle de l'air comprimé Caractéristiques de l'air comprimé... 1 II - PRODUCTION ET UTILISATION DE L'AIR COMPRIMÉ Schéma de production Méthodes de purification Régulation - sécurité - fiabilité Réseaux... 7 Ce document comporte 11 pages EN TOU - - Rév. 2 18/07/2005

2 1 I - RÔLE ET CARACTÉRISTIQUES DE L'AIR COMPRIMÉ 1 - RÔLE DE L'AIR COMPRIMÉ Sur un site industriel, l'air comprimé est un fluide ayant plusieurs usages : il sert de fluide moteur pour les instruments de contrôle et de sécurité. Il assure le mouvement des tiges de vannes de régulation, ainsi que le positionnement des dispositifs de sécurité (ouverts ou fermés) Il est désigné sous le nom d'"air Instrument" ou d'"air Contrôle" et joue alors un rôle important dans la sécurité des installations. il est également utilisé en contrôle pneumatique pour moduler, amplifier et véhiculer les signaux de régulation ou de sécurité Ces systèmes de contrôle sont de gros consommateurs d'air comprimé et sont en général alimentés par le même réseau d'air que le service précédent. Cette utilisation de l'air pour le contrôle pneumatique est actuellement supplanté par le contrôle électronique. L'air comprimé est également utilisé pour divers services relatifs au procédé de certaines unités (air de régénération des soudes usées, par exemple) ou comme fluide nécessaire à certaines opérations de maintenance ou de démarrage (soufflage des suies, décockage, transport de catalyseur, ) Il est aussi distribué dans toutes les zones d'activité pour fournir une énergie motrice pour les outillages pneumatiques et être utilisé comme fluide de déplacement de lignes et de capacités. Il s'agit de services intermittents, pour la plupart, et cet air est désigné sous différents noms possibles comme "Air Service", "Air Maintenance", "Air Énergie", "Air Procédé". 2 - CARACTÉRISTIQUES DE L'AIR COMPRIMÉ Suivant les utilisations, les caractéristiques requises de l'air comprimé sont différentes. On distingue essentiellement deux qualités comme le montre le tableau suivant : l'"air Service" et l'"air Instrument". AIR SERVICE AIR INSTRUMENT Température 40 C 40 C Pression normale 8 bar eff. 7,5 bar eff. Pression minimale 6 bar eff. 4 bar eff. Qualité Faible teneur en huile Exempt d'huile, sec et filtré Teneur en eau < 35 ppm Point de rosée correspondant 25 C à 7 bar eff. Exemple de qualité d'air

3 2 La qualité requise de l'air instrument est beaucoup plus sévère que celle de l'air service. En effet, une mauvaise qualité de l'"air instrument" risquerait de perturber le bon fonctionnement de la régulation et de détériorer les appareils de contrôle. Comme indiqué sur le tableau, les deux principaux polluants sont l'huile et l'eau. L'air peut en effet être pollué par l'huile de lubrification des compresseurs. Cette huile peut s'accumuler dans les points morts des circuits pneumatiques, former des bouchons aux points bas et nuire ainsi à la bonne marche des systèmes de contrôle. Quant à l'eau, elle vient de l'humidité de l'air atmosphérique. Sa présence dans l'air comprimé peut causer des dommages préjudiciables, en particulier lorsque la température extérieure est négative, l'eau condensée peut geler dans les conduites de faible diamètre. Il est recommandé de tracer et calorifuger les circuits critiques d'air instrument. II - PRODUCTION ET UTILISATION DE L'AIR COMPRIMÉ 1 - SCHÉMA DE PRODUCTION La production d'air comprimé est généralement centralisée dans une seule unité, la "Centrale d'air", qui fournit tous les consommateurs. Cette unité de plusieurs modules de production, peut assurer une continuité de fourniture, même dans le cas d'indisponibilité d'un module de production. Le schéma type d'un module est représenté ci-dessous. Air instrument Filtre Compresseur Air service Ensemble de séchage Accumulateur Réseau maillé Vers utilisateurs Moteur ou turbine Réseau ramifié Ballon tampon D PCD 2758 A Schéma type production/distribution d'air comprimé L'air atmosphérique est d'abord filtré, puis comprimé aux environs de 8 à 9 bar effectifs. Cette compression produit un échauffement notable de l'air (180 C), d'où la nécessité de le refroidir. Ce refroidissement provoque la condensation d'une partie de l'eau. L'air peut également être déshuilé par filtration. L'air traverse ensuite un ballon qui sert de volume tampon pour la régulation de pression.

4 3 La qualité obtenue est ici celle requise par l'air service dont le réseau de distribution est connecté directement sur ce ballon tampon. Pour obtenir de l'air instrument, il faut ensuite sécher cet air. Pour éviter de polluer l'air par l'huile, la quasi-totalité des installations actuelles utilisent des compresseurs sans huile en contact avec l'air qui est comprimé. Les principaux types sont les suivants : _ compresseurs alternatifs (jusqu'à Nm 3 /h) compresseurs à vis (jusqu'à) Nm 3 /h) compresseurs centrifuges (jusqu'à Nm 3 /h) La consommation d'une usine est très variable suivant le nombre et la complexité des unités qui la composent. Elle est d'environ à Nm 3 /h d'air total (service + instrument) pour une raffinerie classique ayant une unité de conversion de produits lourds. Souvent, la capacité installée à la "Centrale d'air" n'est pas suffisante pour assurer la consommation très conséquente de certains services intermittents, voire accidentels (transport pneumatique, décockage, démarrage, ). Ces consommations exceptionnelles sont alors assurées par des compresseurs mobiles connectés en limite d'unité sur le réseau d'air service ou sur un réseau appelé par exemple "Air démarrage". 2 - MÉTHODES DE PURIFICATION Si la présence d'huile dans l'air comprimé peut être évitée par les moyens mentionnés précédemment, l'eau par contre est toujours présente dans l'air atmosphérique. Elle peut être soit sous forme visible : brouillard, embruns, retombées de tours de refroidissement d'eau, soit sous forme invisible : vapeur d'eau. Exemple : si l'air atmosphérique est à 30 C avec un degré hygrométrique de 70 %, un compresseur de Nm 3 /h d'air peut amener à condensation environ 50 l/h d'eau. La présence d'eau dans l'air comprimé aura des effets néfastes pour le matériel et les conditions d'exploitation : détérioration des tuyauteries et réservoirs par corrosion mauvais fonctionnement des appareils de mesure et de contrôle pertes de charge supplémentaires par bouchons d'eau aux points bas gel des tuyauteries par temps froid gel par détente aux échappements L'élimination de la majorité de l'eau contenue dans l'air aspiré se fait en deux étapes : la première résulte naturellement du refroidissement de l'air à la sortie du compresseur, la seconde fait intervenir des procédés plus élaborés de séchage.

5 4 a - Refroidissement À la sortie des compresseurs l'air est à température élevée (180 C). Il est refroidi par de l'eau froide dans un échangeur à faisceau, comme le montre la figure ci-dessous, et une partie de la vapeur d'eau est alors condensée. Sortie eau Ballon séparateur Échangeur Enteée air Sortie air Entrée eau Purge D PCD 2759 A Cette eau condensée est collectée dans une capacité grâce à un système de cloisons entre lesquelles les gouttes d'eau viennent se précipiter ; l'eau est purgée au fond du ballon séparateur vers l'égout. La qualité de l'air obtenue correspond à celle de l'air service (point de rosée = 30 C à 7 bar effectifs, soit 0,3 % masse d'eau dans l'air comprimé). b - Séchage de l'air instrument Pour atteindre la qualité de l'air instrument, il est nécessaire de sécher l'air grâce à des méthodes plus performantes, telles que : la condensation à basse température l'adsorption Condensation à basse température L'air humide est refroidi jusqu'au voisinage de 2 C grâce à de l'eau ou de l'air froid. L'humidité de l'air comprimé se condense et est éliminée par séparation mécanique. Le principe est identique à celui du refroidissement ; seulement la température est plus basse. Pour des raisons d'économie d'énergie, l'air entrant est prérefroidi à l'entrée par l'air froid séché.

6 5 Séchage par adsorption - Principe et réalisation Les sécheurs par adsorption emploient un produit solide, poreux (appelé dessicant) tel que l'alumine activée ou des tamis moléculaires sous forme de petites billes. Les molécules d'eau contenues dans l'air comprimé sont attirées par la surface du produit poreux et retenues par lui. Elles se fixent sur cette surface en y réagissant avec les molécules superficielles dans les pores du solide. Lorsque la surface interne des pores est saturée de molécules d'eau, le produit dessicant devient inactif et doit être régénéré. L'eau adsorbée est chassée (ou désorbée) : soit à chaud (t > 150 C) par balayage d'air chauffé électriquement ou à la vapeur soit à froid par balayage d'air sec. Cette méthode est plus rapide que la première (cycle de régénération de l'ordre de quelques minutes contre plusieurs heures). Plus fiable également (car elle évite de faire appel à un surpresseur d'air de régénération). Elle requiert néanmoins un débit supplémentaire d'air sec de l'ordre de 15 % de la consommation nécessaire aux utilisateurs. Par comparaison avec l'alumine, les tamis moléculaires ont l'avantage d'être : plus performants : ils permettent d'atteindre des points de rosée plus bas à quantité de dessicant égale plus économiques à régénérer plus durables Aussi ils sont utilisés plus couramment en dépit de leur prix plus élevé. Un exemple d'installation de séchage est représenté ci-dessous. Vapeur RÉCHAUFFEUR ABSORBEURS T 1 2 Entrée air humide Sortie air sec Filtres SURPRESSEUR Air atm. Lit en service Lit en régénération D PCD 2760 A Procédé de séchage par adsorption Cette installation comprend deux lits séparés qui travaillent alternativement en séchage d'air et en régénération.

7 6 Séchage L'air humide passe sur le lit de dessicant où l'humidité qu'il contient est piégée, puis il traverse un filtre dont le rôle est d'arrêter les particules solides qui auraient pu être entraînées (Ø > 1 micron). L'air séché et filtré est distribué aux différents consommateurs. Régénération L'autre lit est en phase de régénération, phase qui comprend les étapes suivantes : dépressurisation chauffage évacuation de l'eau par balayage refroidissement pressurisation Le passage d'un lit sur l'autre est assuré par un automatisme qui gère les séquences d'inversion et les étapes de la régénération. 3 - RÉGULATION - SÉCURITÉ - FIABILITÉ Puisque l'air comprimé ne peut être stocké, il est nécessaire d'adapter en permanence le débit de production à la consommation. Or, la demande agit sur la pression dans le ballon tampon : une demande plus importante se traduit par une baisse de pression (et une demande plus faible par une hausse de pression). Le débit d'air comprimé peut donc être contrôlé à partir de la mesure de la pression dans ce ballon. L'action de régulation étant adaptée au type de compresseur et à la machine d'entraînement : dans le cas d'un entraînement par turbine, l'action porte sur l'admission de vapeur à la turbine dans le cas d'un entraînement par moteur électrique, deux possibilités existent : soit par action sur une vanne placée sur le circuit d'air à l'aspiration du compresseur soit par démarrage-arrêt du compresseur suivant la valeur de la pression du ballon tampon par rapport à deux valeurs fixées : consigne basse et consigne haute L'air instrument est un fluide essentiel pour assurer la sécurité des installations. Tout est mis en œuvre pour assurer une fiabilité maximale de l'unité de production d'air comprimé et du réseau de distribution, autant dans la conception de l'unité que dans le soin apporté à l'exploitation : un (ou plusieurs) compresseur(s) de secours est(sont) prévu(s) pour permettre de couvrir la demande maximale en cas de défaillance d'un compresseur. Le compresseur de secours est maintenu en permanence prêt à démarrer si le (ou les) compresseur(s) d'"air service" est(sont) distinct(s) des compresseurs d'"air instrument", il(s) est(sont) choisi(s) pour qu'il(s) puisse(nt) les secourir immédiatement en cas de besoin

8 7 certains compresseurs sont entraînés par turbine à vapeur pour pallier les défaillances du réseau électrique par pression basse d'air instrument, le réseau d'"air service" est fermé automatiquement de sorte que la totalité de l'air comprimé soit disponible pour le réseau d'"air instrument" un ballon tampon assure pendant 3 minutes la fourniture en air instrument en cas de panne simultanée des compresseurs le réseau de distribution d'air instrument peut être parfois de type "maillé" à savoir qu'un point quelconque du réseau peut être alimenté par deux chemins possibles au moins. 4 - RÉSEAUX Les planches en annexe donnent un exemple de réseau "air service" et "air instrument".

9 8 Filtre aspiration Filtre aspiration PI TI TI K1 M Eau de refroidissement Purge PI TI TI K2 T Eau de refroidissement Purge Compresseurs Réfrigérants LG PI Purge Ballon tampon PC LAH PAS L RO PI PI TI TI Atm. Sécheurs et filtres FI FI AIR SERVICE AIR INSTRUMENT I D PCD 1106 A PRODUCTION D'AIR COMPRIMÉ Schéma de l'instrumentation

10 9 D PCD 2761 A

11 10 D PCD 2761 B