Mémoire projet fin d'études CFTP : Etude d'une station de pompage d'expédition de pétrole brut

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1 Mémoire projet fin d'études CFTP : Etude d'une station de pompage d'expédition de pétrole brut

2 République Tunisienne Ministère de l Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de Sfax École Nationale d Ingénieurs de Sfax Cycle de Formation d Ingénieurs dans la Discipline Génie électromécanique ST-EN07/00 Projet de Fin d Etude N d ordre: 2013 GEM33 MEMOIRE présenté à l Ecole Nationale d Ingénieurs de Sfax (Département de Génie mécanique) en vue de l obtention du Diplôme National d Ingénieur en Génie électromécanique par Etude d une station de pompage d expédition du pétrole brut soutenu le 15 juin 2013, devant la commission d'examen: M. Mohsen AKROUT Président M. Lotfi DAMMAK Rapporteur M. Ezzeddine HADJ-TAEIB Encadreur M Mohamed Nabil JENDOUBI Encadreur industriel

3 Remerciements Ce travail s inscrit dans le cadre d un projet de fin d études en génie électromécanique à l école nationale d ingénieurs de Sfax (ENIS). Je tiens à remercier au premier lieu Mr.Mohamed Habib ZGOLLI, le président directeur général de la CFTP de m avoir facilité l élaboration des contacts avec le corps administratif et technique. J adresse mes sincères remerciements à mon encadreur Mr.Mohamed Nabil JENDOUBI, pour son encadrement valeureux et sa collaboration. Je remercie également tous le personnel de la CFTP pour leur collaboration, leur sympathie et leur accueil chaleureux. J aimerai aussi exprimer ma forte gratitude à Mr.Ezzeddine HADJ-TAEIB, mon encadreur académique à l ENIS, pour l opportunité qu il m a offerte pour travailler sur ce projet fort intéressant, pour son encadrement, sa disponibilité, ses conseils généreux et pour le soutien constant qu il n a cessé de me prodiguer. Enfin, je remercie tous les enseignants de l ENIS pour la qualité de l enseignement qu ils m ont bien voulu prodiguer durant mes études.

4 Résumé : Ce projet de fin d études vise l étude d une nouvelle station de pompage pour l expédition du pétrole brut. Actuellement, l opération de pompage est assurée par un groupe moto-pompe constitué d une pompe volumétrique duplex à double effet et d un moteur diesel qui assure son entrainement. Ce système présente plusieurs inconvénients à savoir l encombrement, les couts de maintenance élevés à cause du taux de pannes croissant et la consommation importante du carburant. Ainsi, le dimensionnement d une nouvelle pompe est exigeant. Le choix de la pompe adéquate à l opération d expédition assure celle de son moteur électrique d entrainement. La détermination du nouveau groupe électro-pompe est suivie d un choix judicieux des dispositifs électriques, qui assurent le démarrage et la protection du système, et aussi de l élaboration du plan de circulation du fluide (P&ID) et du plan isométrique qui permettent de spécifier les accessoires hydrauliques et les instruments nécessaires au contrôle de l opération de pompage de la nouvelle station. La solution adoptée à travers ce projet présente une augmentation du rendement et une amélioration de la rentabilité en minimisant la facture énergétique Abstract : This graduation project is the study of a new pumping station for the shipment of crude oil. Currently, the pumping operation, provided by a motor-pump, consists of a pump duplex double-acting and a diesel engine that ensures the training. This system has several disadvantages namely obstruction, the high rate of failures increasing maintenance and high fuel consumption. Thus, the design of a new pump is requiring. Choosing the right pump to the shipping operation ensures that its drive motor. The determination of the new electro-pump unit is followed by a judicious choice of its electrical devices, which provides start-up and protection of the system, and also by the development of the piping and instrumentation diagram (P & ID) and isometric map that specify hydraulic accessories and control instruments of the pumping station The solution, which is adopted in this project, will increase efficiency and improve profitability by minimizing the energy bill

5 الخلاصة: مشروع ختم دراسة الھندسة الجامعیة مخصص لدراسة محطة ضخ جدیدة للنفط الخام. حالیا یتم توفیر عملیة الضخ بواسطة وحدة ضخ تتكون من مضخة مزدوجة المفعول و محرك دیزل یقوم بتدریبھا. ھذه الوحدة لھا مساوئ عدیدة منھا عظم حجمھا ارتفاع تكالیف الصیانة بسبب معدل العطب المتزاید واستھلاكھا لكمیة ھامة من الوقود. لذلك فا ن تصمیم مضخة جدیدة یكتسب أھمیة قصوى و یطلب ذلك اختیار مضخة قادرة على القیام بمھمة الضخ. كما أن اختیار المحرك الكھرباي ي مرتبط باختیار المضخة. تحدید وحدة الضخ مرفق باختیار حكیم لا جھزة المحطة الكھرباي یة ٱلتي توفر التحكم و الحمایة لوحدة الضخ و كذلك بخطة تدفق السواي ل ID) P) & و خریطة التناظر ٱلتي تمكن من تحدید الملحقات الھیدرولیكیة و أدوات مراقبة عملیة ضخ المحطة الجدیدة. الحل المعتمد في ھذا المشروع یمكن من زیادة الكفاءة و تحسین الربحیة عن طریق التقلیل من استھلاك الطاقة Mots clés : Pipe-line, pertes de charge, pompe centrifuge, moteur asynchrone, plan P&ID, plan isométrique, tuyauterie, instrumentation, commande, protection, investissement. hydraulique, électrique,

6 Sommaire Introduction générale... 1 Chapitre 1 : Présentation générale et étude de l existant... 2 Introduction Présentation de la CFTP Historique de la CFTP Fiche technique de la CFTP Organigramme de la CFTP Le pétrole brut Le processus de production du pétrole brut Les étapes du processus Extraction Séparation Stockage Expédition Tuyaterie et robinetterie Etude du groupe motopompe existant La pompe Les caractéristiques Principe de fonctionnement Le moteur Les caractéristiques Principe de fonctionnement Mesures et sécurités Les inconvénients Conclusion Chapitre 2 : Choix de la pompe et plan hydralique Introduction Choix du type de la pompe Dimensionnement de la nouvelle pompe... 28

7 2.1. La hauteur manométrique totale La hauteur piézométrique La hauteur géométrique totale Les pertes de charge Les pertes de charge linéaires Les pertes de charge singuliéres La hauteur dynamique Le résultat final La hauteur de charge nette et absolue La puissance hydraulique fournie Critéres de choix de la pompe centrifuge Caractéristiques de la pompe choisie Structure Les courbes caractéristiques Equipement hydraulique et instrumentation Plan P&ID Le plan isométrique Conclusion Chapitre 3 :Partie électrique Introduction Moteur d entrainement de la pompe Structure Principe de fonctionnement en moteur Choix du moteur Couplage et raccordement Les procédés de démarrage Démarrage direct Démarrage étoile-triangle Démarrage par autotrnsformateur Démarrage par résistances statoriques Démarrage progressif Démarrage par variateur de vitesse Equipement électrique Généralités Le transformateur L armoire électrique Choix de l équipement de démarrage... 79

8 Schéma électrique développé Les composants électriques Les contacteurs de commande Le contacteur à courant alternatif Blocs et relais auxiliaires Le relais temporisé Les dispositifs de condamnation Les dispositifs de protection électrique Objectif Le sectionneur porte-fusibles Les fusibles Le relais thermique Le TGBT Dimensionnement des composants électriques Schéma de puissance Détermination de l intensité du courant du moteur Choix du relais thermique Choix du contacteur Choix des blocs de contacts auxiliaires temporisés dispositifs de condamnation mécanique et électrique Choix du sectionneur porte-fusibles Choix des fusibles Cables et disjoncteurs de départ Choix des cables Le choix du disjoncteur de départ Récapitulation Conclusion Chapitre 4 : Etude budgétaire Introduction Economie d énergie Economie des couts de maintenance Temps de retour de l investissement Conclusion Conclusion générale Bibliographie Média graphie

9 Liste des figures Figure 1: Cadre géographique de Sidi-El-Itayem... 3 Figure 2 : Siège de la CFTP à Sfax... 5 Figure 3 : Organigramme de la CFTP... 5 Figure 4 : Formation des bassins sédimentaires... 6 Figure 5 : Les différents gisements d hydrocarbures... 7 Figure 6 : Diagramme de production de la CFTP... 8 Figure 7 : Une pompe à balancier... 8 Figure 8 : Une pompe ESP... 9 Figure 9 : L effet de projection de l effluent contre un déflecteur... 9 Figure 10 : Séparateurs horizontaux : S101 et S Figure 11 : Séparateurs verticaux : B301 et B Figure 12 : Le centre de dépotage Figure 13 : Les bacs de stockage (T101 et T102) Figure 14 : Un racleur Figure 15 : La gare de racleurs Figure 16 : Le processus de production de la CFTP Figure 17 : Collecte par lignes individuelles Figure 18 : Collecte avec manifolds satellites Figure 19 : La pompe d expédition du pétrole brut Figure 20: Le principe de fonctionnement d une pompe duplex et ses principaux constituants Figure 21: Le principe de fonctionnement d un coté de la partie hydralique de la pompe duplex Figure 22 : Le moteur Diesel Figure 23 : Coupe transversale du moteur diesel Figure 24 : Mécanisme bielle-manivelle Figure 25 : Les différentes phases du cycle Diesel Figure 26 : Taux de défaillance d un système en service ; courbe en baignoire Figure 27 : Domaines d utilisation des différents types de pompes Figure 28 : Domaines d utilisation des pompes industrielles rotodynamiques Figure 29 : Schéma d expédition du pétrole brut Figure 30 : Notion de plan de référence Figure 31 : Notion des hauteurs géométriques d aspiration, de charge et de refoulement 31 Figure 32 : Trajet du pipe-line... 32

10 Figure 33 : Coude à angle vif Figure 34 : Introduction des données sur mecaflux Figure 35 : Fiche des résultats Figure 36 : Introduction des données sur mecaflux Figure 37 : Fiche des résultats Figure 38 : Dégâts de la cavitation Figure 39 : La variation des NPSHs disponible et requis en fonction du débit Figure 40 : Pompe ERPN Figure 41 : Nl Edeu ou al ed eu r al : Figure 42 : Diffiseur aileté Figure 43 : Les courbes caractéristiques de la nouvelle pompe Figure 44 : La variation des caractéristiques des pompes centrifuges selon leurs vitesses spécifiques Figure 45 : Les axes du plan isométrique Figure 46 : Schéma bifilaire de la partie aspiration (A) et de la partie refoulement (B) de la pompe Figure 47 : Schéma unifilaire du plan isométrique de la partie aspiration de la pompe Figure 48: Schéma unifilaire du plan isométrique de la partie refoulement de la pompe.. 57 Figure 49: Stator d en dcuee lruntoednu Figure 50 : sclcde oueraaucn rlnr aur d rnlaur Figure 51 : Rotor d un moteur asynchrone : a) en cage d'écureuil, b) à bagues Figure 52 : Principe de fonctionnement du MAS Figure 53 : Vue éclaté d un MAS triphasé à rotor bobiné Figure 54 : Plan d untd Eu unc annnela oe aedeeu nautceded eu Figure 55 : Les types de couple d un MAS triphasé Figure 56 : Les étapes du démarrage Y/Δ Figure 57 : Courbes caractéristiques du couplage étoile-triangle Figure 58 : Les temps du démarrage par autotransformateur Figure 59 : Démarrage par résistances statoriques 3 temps Figure 60 : Variation du courant et du couple en fonction de la vitesse pour le démarrage par résistances statoriques Figure 61 : Principe de fonctionnement d un gradateur de tesion tete-beche Figure 62 : Principe du démarrage par gradateur de tension Figure 63 : Principe du démarrage par variateur de vitesse Figure 64 : Le transformateur de la station de pompage Figure 65 : Exemple d une armoire électrique de commande Figure 66 : Variation schématique du couple de démarrage en fonction de la vitesse Figure 67 : Comparaison entre les caractéristiques de différents modes de démarrage... 81

11 Figure 68 : Circuit de puissance d un démarrage Y/Δ un sens de rotation Figure 69 : Circuit de commande d un démarrage Y/Δ un sens de rotation Figure 70 : Nu toedndael u ou odntcrdnnu unc oe eedtnon ou on leelau Y/Δ Figure 71 : Contacteur et son symbole électrique Figure 72 : Un relais temporisé et son symbole selon son type Figure73 : Le dispositif de condamnation mécanique et son symbole Figure 74 : Le dispositif de condamnation électrique et son symbole Figure 75 : Un sectionneur porte-fusibles tripolaire et son symbole Figure 76 : Les caractéristiques des fusibles Figure 77 : Un fusible et son symbole électrique Figure 78 : Relais thermique et son symbole électrique Figure 79 : L emplacement du TGBT dans le réseau BT Figure 80 : Disjoncteur magnéto-thermique et son symbole électrique Figure 81 : Détermination de l intensité nominale du moteur Figure 82 : Choix du relais thermique Figure 83 : rodrc oe tdncltcuee Figure 84 : Choix des blocs auxiliaires temporisés Figure 85 : Choix du dispositif de condamnation mécanique Figure 86 : Choix du dispositif de condamnation électrique Figure 87 : Choix oerr aur -oe rutcrdnnuee edecu Figure 88 : Choix des fusibles Figure 89 : Choix des cables Figure 90 : Courant de court-circuit dans le cable Figure 91 : Détermination des courants de court-circuit Figure 92 : rodrc oe orredntcuee ou onelec Figure 93 : Courbe de déclenchement de Dd Figure 94 : Comparaison entre le nouveau et l ancien groupe moto-pompe au niveau financier

12 Liste des tableaux Tableau 1 : Caractéristiques de la pompe d expédition du pétrole brut Tableau 2 : Caractéristiques du moteur d entrainement de la pompe d expédition Tableau 3 : Caractéristiques du pipe-line Tableau 4 : Données opérationnelles du pipe-line Tableau 5 : Calcul des pertes de charge singulières dans les coudes Tableau 6 : Nur tleltcnerrcrreur ou al eeu rueu ed eu eededrnu Tableau 7 : Les caractéristiques de la deuxière pompe proposée Tableau 8 : Les courbes Q-H m Tableau 9 : Nomenclature et spécifications techniques des éléments du P&ID Tableau 10 : Nl nd untalceeu ou al elecru lrerelcrdn Tableau 11 : La nomenclature de la partie refoulement Tableau 12 : Caractéristiques du moteur d entrainement Tableau 13 : Caractéristiques du transformateur d alimentation Tableau 14 : Etude des surintensités Tableau 15 : Calcul des chutes de tension Tableau 16 : Détermination du courant de court-circuit au secondaire du transformateur 99 Tableau 17 : Longueurs maximales protégées contre les courants de court-circuit Tableau 18 : sl aule Entlercealcro our td edrlncr nautcerreur Tableau 19 : Les investissements nécessaires à la nouvelle station de pompage

13 Introduction générale Ce travail s inscrit dans le cadre de mon projet de fin d études concernant le cycle d ingénieur en génie électromécanique à l école nationale d ingénieurs de Sfax (ENIS). En coordination avec la compagnie franco-tunisienne des pétroles (CFTP) et grâce à l ouverture de cette société sur l université par sa participation dans la formation pratique des futurs ingénieurs, j ai pu réaliser un projet qui permet de résoudre les problèmes de l expédition du pétrole brut et ceci en effectuant l étude et d une station de pompage qui assure le transfert de ce liquide sur environ 80 km depuis le centre de production de Sidi El Itayem jusqu au port de Skhirra. L étude de ce projet sera répartie en quatre chapitres : Le premier chapitre donne au début une présentation générale de la CFTP, de son champ de production de Sidi El Itayem et de son produit, pour aboutir après à une étude de l actuelle station de pompage et évaluer ses inconvénients qui exigent son obsolescence. Dans le deuxième chapitre, on effectue en premier partie le dimensionnement de la nouvelle pompe susceptible de fournir les données de base aux fournisseurs. La deuxième partie est basée sur l étude comparative des solutions proposées, cette comparaison est basée à des critères de choix pour obtenir la solution la plus optimale. Le choix de la nouvelle pompe permet, en troisième partie, de déterminer ses accessoires au niveau de la tuyauterie, robinetterie et instrumentation, et de dessiner le plan P&ID et le plan isométrique de la nouvelle station de pompage. Le troisième chapitre est basé sur l étude de l équipement électrique de la nouvelle station de pompage. Cette étude détermine le choix du moteur d entrainement, son procédé de démarrage ainsi que les composants électriques qui se trouvent en amont et qui assurent son démarrage et sa protection. Le quatrième chapitre a pour objectif de mettre en valeur la solution retenue par une étude budgétaire. 1

14 Chapitre 1 Présentation générale et étude de l existant 2

15 Introduction Plusieurs facteurs émanent de l étude et de la conception d une nouvelle station de pompage pour remplacer l ancienne station. Ainsi, on va s intéresser, dans ce chapitre, aux caractéristiques de la station de pompage actuelle. On commencera par une présentation générale du site de production qui contient cette station de pompage, de la société qui s occupe de ce site et du liquide véhiculé par cette station, ainsi que son processus de production. 1. Présentation de la CFTP 1.1. Historique de la CFTP La compagnie Franco-Tunisienne des pétroles (CFTP) est une société anonyme semi étatique qui émane des accords pétroliers signés en 1968 entre l état tunisien et le groupe TOTAL. La société a été créée en janvier 1969 pour détenir le permis d exploration pétrolière. La première découverte pétrolière de la CFTP été réalisée en 1971 avec le forage du puits SIT 01 qui a été déclaré commercialement exploitable. Ainsi, une concession a été octroyée par l autorité concédante pour 50 ans jusqu à 2022 : c est la concession de Sidi El Itayem. La concession de sidi El Itayem se situe à environ 30 Km au Nord Ouest de la ville de Sfax et couvre environ une superficie de 180 Km 2 (Figure 1). Figure 1: Cadre géographique de Sidi-El-Itayem 3

16 Depuis 1972, plusieurs puits de développement ont été exploités dans cette concession et en 2006, la CFTP a foré le dernier puits de développement : SIT 47. Le champ de Sidi El Itayem contient actuellement 47 puits (dont 23 puits seulement sont en production) Sa production actuelle ne dépasse pas 2% de la production nationale de pétrole. Par ailleurs, la CFTP dispose d une autre concession dans la région de Sfax : Sidi Behara. Cette concession a produit de l huile de 1972 jusqu à 1979 et depuis cette date elle est en suspens jusqu à ce qu elle reprit ses activités de nouveau en Avec plus de 35 ans d activité et d exploitation pétrolière, au cours desquels elle a eu recours à différentes méthodes d activation de ses puits, la CFTP a pu capitaliser un considérable potentiel d expérience et de savoir faire. De ce fait, la CFTP offre actuellement ses services aux sociétés pétrolières opérant en Tunisie dans plusieurs domaines tels que l intervention au câble (Wire Line) dans les puits en Gas lift, les mesures au fond des puits de production, les tests de production de longue durée et l intervention sur les pompes à tiges et les pompes électriques immergées (ESP). Les actionnaires actuels de la CFTP sont : L état tunisien : 50 %. Spyker Energy (une entreprise pétrolière française fondée en 2003) : 50% Fiche technique de la CFTP Raison sociale : Compagnie franco-tunisienne des Pétroles Forme juridique : Société anonyme semi étatique Adresse siège : Immeuble la Palme, rue du lac de constance 1053 les berges à Tunis alors que son siège de Sfax est à route Menzel Chaker Km 25. Capital propre : 200 millions de dinars Effectif du personnel : 97 personnes distribuées comme suit : 19 personnes à Tunis 78 personnes à Sfax réparties comme suit : 12,4% hauts cadres, 37,1% moyens cadres et 50,5 % agents d exécution. Secteur d activité : L énergie non renouvelable Produit fini : Le pétrole brut Président directeur général : Monsieur Mohamed Habib ZGOLLI Directeur technique : Monsieur Lamjad HDIJI 4

17 Figure 2 : Siège de la CFTP à Sfax [12] suivant : 1.3. Organigramme de la CFTP La répartition et l organisation des taches dans la CFTP se fait selon l organigramme Directeur général administratif Président directeur général Puits et forage Equipe- Rig Inspection tubulaire Maintenance & Projets Direction technique Mécanique Electrique Tuyauterie Gisement Exploitation Direction des ressources humaines Direction centrale administrative et financière Finance et magasin Comptabilité générale Informatique Approvisionnements généraux Comptabilité analytique Figure 3 : Organigramme de la CFTP 5

18 2. Le pétrole brut Les hydrocarbures tels que le pétrole brut et le gaz naturel sont le résultat de la transformation au cours de l enfouissement de sédiments riches en matière organique. Ces sédiments se déposent le plus souvent dans des dépressions lacustres ou marines, en milieu confiné et anoxique. Sous l action des transformations bactériennes, qui libèrent certaines quantités de méthane (gaz des marais, ou gaz biogénique), la matière organique, d origine planctonique ou provenant de débris de végétaux supérieurs, donne le kérogène que l on qualifie, d après ces origines, de sapropélique (types I et II) ou d humique (type III). Au cours de l enfouissement, sous l effet plus spécialement de la température, ce kérogène se transforme normalement en hydrocarbures, les types I et II donnant en majeure partie des hydrocarbures liquides, ceux du type III du gaz. À plus grande profondeur, les molécules d hydrocarbures liquides sont littéralement cassées sous l effet de la température et transformées en hydrocarbures gazeux, et finalement en méthane. Figure 4 : Formation des bassins sédimentaires 6

19 Simultanément, sous l effet de la pression, les hydrocarbures formés, tel que le pétrole brut qui contient des composés organiques soufrés, oxygénés et azotés, sont progressivement expulsés de la roche mère qui présente le bassin sédimentaire ou s est enfouie la matière organique et s est transformée en hydrocarbures, dans des roches à plus forte porosité et perméabilité appelées roches réservoirs : c est la migration primaire. Les hydrocarbures, soumis aux sollicitations de diverses actions de pression des terrains, de déplacement des aquifères ou à la différence de densité par rapport à l eau, ont tendance à se déplacer au sein des couches perméables : c est la migration secondaire. A la suite de cette migration, le pétrole et le gaz se concentrent et forment des gisements ; Un gisement de pétrole, par exemple, correspond à une accumulation dans une zone où le réservoir présente des caractéristiques favorables et constitue un piège : la fuite du pétrole moins dense que l eau est rendue impossible vers le haut par la présence d une couverture imperméable (argiles, sel) et latéralement par une géométrie favorable (dôme anticlinal, biseau de sables dans des argiles). Figure 5 : Les différents gisements d hydrocarbures 7

20 3 Le processus de production du pétrole brut 3.1. Les étapes du processus On peut résumer le processus de production du pétrole à la CFTP par le diagramme cidessous : Extraction Séparation Gaz Pétrole Eau Stockage Puits injecteurs Expédition Figure 6 : Diagramme de production de la CFTP Extraction L extraction de l effluent total (huile+ eau+ gaz) existant dans les puits producteurs du champ pétrolier de Sidi El Itayem est assurée par deux méthodes : Le pompage par tige qui consiste à utiliser des pompes à balancier (PAB) dans l opération d extraction (Figure 7). Figure 7 : Une pompe à balancier 8

21 Le pompage par l intermédiaire d une pompe centrifuge verticale immergée, entrainée par un moteur électrique, appelée pompe ESP (Figure 8) Figure 8 : Une pompe ESP Séparation Du puits de production, l effluent total (huile+gaz+eau) est divisé en deux flux qui sont envoyés, chacun, à l un des deux séparateurs horizontaux S101 et S103 (un autre séparateur horizontal S102 est utilisé en cas de panne de l un des séparateurs précédents). A l entrée du mélange d hydrocarbures dans un séparateur horizontal, un produit chimique (SSR3000) est injecté pour séparer les molécules d eau, gaz et pétrole brut. Après la séparation chimique, l effluent subit la séparation physique. En effet, l extraction et les manipulations de l huile dans son transport à travers les pipes peuvent provoquer parfois des émulsions c.à.d. la division de l huile en globules microscopiques au sein d un autre liquide avec lequel il ne peut pas se mélanger (l eau). Ainsi, lors de la séparation physique, l effluent est projeté sur un déflecteur brisant l émulsion. La rupture de l émulsion était encore facilitée par la séparation chimique. Figure 9 : L effet de projection de l effluent contre un déflecteur [8] 9

22 Par différence de densité entre les différents constituants du mélange d hydrocarbures (d eau > d pétrole > d gaz ), l huile et l eau tombent au fond, le gaz, qui a déjà subi la vaporisation dans le tubing 1 et dans le réseau de collectes, s accumule dans la partie supérieure du séparateur. L eau est décantée de l huile dans la chambre de décantation alors que le gaz traverse un certain nombre de chicanes qui retiennent les gouttelettes d huiles puis à travers un dernier tamis dit «extracteur de brouillard», avant de partir par une sortie supérieure. L huile est soutirée à la partie inférieure (voir Annexe 1). La pression dans le 1 er étage joue un rôle prépondérant dans la phase de séparation. Elle est bien sélectionnée et permet de récupérer le maximum d huile et ceci en fonction de la température et des caractéristiques de l effluent. Cette pression fournit l énergie nécessaire pour chasser l huile à la partie inférieure. Elle varie de 2 à 2,5bar. La pression est maintenue dans cet intervalle grâce à une vanne automatique sur la sortie gaz, commandée par un contrôleur de pression. Une autre vanne automatique, dont l ouverture et la fermeture sont commandées par un régulateur de niveau d huile, contrôle la sortie d huile pour éviter l échappement du gaz. Figure 10 : Séparateurs horizontaux : S101 et S103 Le brut de la CFTP sortant des séparateurs horizontaux subit un autre type de séparation appelée séparation par gravité et ceci pour récupérer le maximum d huile. Cette séparation est réalisée par deux séparateurs verticaux : les ballons tampons B301 et B401 (Figure 11). L huile subit le dégazage, qui consiste à éliminer le gaz encore dissous, dans les vannes de contrôle de sortie d huile du 1 er séparateur. Puis, il se divise en deux flux. Chaque flux rencontre à l entrée de B301 ou B401 un déflecteur qui assure la séparation de l eau et du gaz restants de l huile et ceci par gravité : l eau et l huile descendant en hélice le 1 Un train de tubes, descendu jusqu à la hauteur de la couche de production, relié à la tête de puits par une colonne dite «colonne de production». 10

23 long de la paroi et le gaz montant à la partie supérieure. Le gaz traverse un tamis dit «extracteur de gouttelettes» afin d éliminer les gouttelettes de liquide qui peuvent y exister, puis il est évacué à la partie supérieure en passant à travers une vanne automatique de contrôle de pression. L eau est décantée de l huile dans la chambre de décantation sous une pression de 0,1 bar puis elle est soutirée par une purge. L huile est évacuée à la partie inférieure à travers une vanne automatique d huile commandée par un flotteur (voir Annexe 1). Figure 11 : Séparateurs verticaux : B301 et B401 Le gaz sortant des séparateurs horizontaux est brulé à la torche basse pression (BP). Le gaz sortant des séparateurs verticaux est brulé à la torche haute pression (HP). L eau, à haute salinité, évacuée des purges des quatre séparateurs, est versée dans des bassins d écrémage avant d être injectée, par l intermédiaire d une pompe centrifuge de type CENTRILIFT à haut débit, dans des puits injecteurs (puits abandonnés dont la production en effluent est finie). Le pétrole brut récupéré dans la phase de séparation est envoyé aux bacs de stockage Stockage Le stockage du pétrole brut se fait dans des bacs de stockage. Ces bacs sont au nombre de six dans le centre de production (CP) de Sidi El Itayem : deux bacs (T101 et T102) sont utilisés pour recevoir le pétrole de type léger, deux autres sont utilisés pour recevoir le pétrole de type lourd désignés par les tanks A et B et les deux derniers sont utilisés pour stocker le brut de Mahares. En effet, ces réservoirs ne permettent pas seulement de stocker l huile provenant du centre de traitement de l effluent extrait des puits de Sidi El Itayem. Mais, ils assurent aussi le stockage du pétrole brut provenant des tiers (sociétés TPS et PETROFAC) qui envoient des camions-citernes pour verser leurs produits dans le centre de dépotage du CFTP. 11

24 Remarque. - Le brut de la CFTP est de type léger (ANNEXE 2). Figure 12 : Le centre de dépotage Chaque bac de stockage est équipé de : Un indicateur de niveau statique : c est une règle graduée suivant la hauteur sur laquelle on peut lire le niveau du brut existant. Le système est basé sur un flotteur à l intérieur du réservoir lié à une masse qui glisse le long de la règle par un fil. Deux capteurs de niveaux sont fixés à l extrémité de la règle : lorsque le niveau atteint une position haute ou basse, la masse, à cause de son poids, déclenche le capteur qui lance une alarme à la salle de contrôle. Une ouverture pour la jauge : deuxième vérification du niveau. Un circuit incendie: nécessaire en cas d un incendie dans le bac. Une conduite d entrée du pétrole brut. Une jauge de niveau : c est un tube en verre qui indique le niveau d eau à purger. Une conduite de déchargement : c est une ligne de sortie du brut pour l expédition. Figure 13 : Les bacs de stockage (T101 et T102) 12

25 Expédition A la sortie du bac de stockage, le pétrole brut est expédié au terminal maritime de la Skhirra (LSK) à l aide de deux pompes, une pompe pour l expédition du pétrole léger et une autre pour l expédition du pétrole lourd. L expédition des deux types de pétrole peut s effectuer en même temps. Ainsi un racleur est nécessaire comme moyen de séparation entre eux. Un racleur est un piston muni de garnitures assurant une étanchéité suffisante contre les parois de la conduite dans laquelle il est circulé sous l action d une pression de gaz ou de liquide. En plus de son rôle comme moyen de séparation entre le pétrole léger et le pétrole lourd, il est destiné à enlever les dépôts de rouille, de sels et de paraffine et de vérifier l absence de corps étrangers dans la conduite (par exemple celle de l expédition). Cela permet d éviter le problème de l encrassement interne de la canalisation et par suite les conséquences néfastes qu il peut engendrer variant d une perte de rendement à l obstruction et à la corrosion de la conduite. Figure 14 : Un racleur Les racleurs sont toujours introduits dans le système de canalisation à nettoyer à l aide d une «gare des racleurs» ou d un lanceur, et ceci sans interrompre le transfert du pétrole. Le lanceur contient au minimum une connexion pour un médium avec lequel le racleur est pressé. Ce medium peut être un gaz comme l azote ou l air, mais il peut aussi être un liquide comme l eau. 13

26 Figure 15 : La gare de racleurs À l extrémité de la canalisation (par exemple le LSK), le racleur et le médium sont récupérés dans une deuxième gare de racleurs dit «receiver». Dans le «receiver», le racleur est séparé du médium. On peut résumer le processus de production de la CFTP par le schéma suivant : Pompe EMESCO Pétrole léger (PETROFAC, TPS) Pétrole lourd(tps) Les ballons tampons Départ pipe Vers torche Pompe CENTRILIFT Puits Vers puits de rejet Bassin d écrémage Brut des Tiers Circuit eau Circuit gaz Brut de la CFTP Figure 16 : Le processus de production de la CFTP 14

27 3.2. Tuyauterie et Robinetterie Après l extraction, l effluent est envoyé au CP, situé à une distance qui varie de 600m à 6km environ selon les positions des têtes des puits, à travers un réseau de collectes pour subir ainsi les différentes étapes du processus de production. Un réseau de collectes est l ensemble des pipes partant des puits et qui drainent l effluent vers le centre de production pour y être traitée. Le réseau de collectes est constitué de lignes, enterrées ou en surface, de diamètre 4, 6 ou 8 pouces 2 chacune. Ces lignes sont soit individuelles (voir Figure 17), soit aboutissantes à des points de regroupement appelés manifolds (voir Figure 18). Figure 17 : Collecte par lignes individuelles [8] Figure 18 : Collecte avec manifolds satellites [8] 2 Un pouce : 25,4 mm 15

28 D autres réseaux de collectes s étendent entre les différents constituants du CP afin d assurer le processus de production de la CFTP. On distingue : Plusieurs vannes sont utilisées dans les réseaux de collectes du CP (voir ANNEXE 3). Les vannes montées en ligne (vannes à boisseau et vannes à opercules) Les vannes des manifolds Les vannes auxiliaires 4 Etude du groupe motopompe existant Le groupe motopompe, utilisé actuellement dans l expédition du pétrole brut vers LSK, est constitué de deux pompes volumétriques alternatives (à pistons) : une pompe en service et l autre maintenue en stand-by (utilisée uniquement en cas de nécessité). Chaque pompe est entrainée par un moteur thermique diesel et ceci par l intermédiaire d un système pouliecourroies. Dans un an, le groupe motopompe étudié réalise 40 opérations d expédition. Chaque opération nécessite à peu prés 42 heures de fonctionnement du système et 700 litres de carburant La pompe Les caractéristiques Dispositif antipulsations Figure 19 : La pompe d expédition du pétrole brut Les principales caractéristiques de la pompe d expédition du pétrole brut sont citées dans le Tableau 1 : 16

29 Tableau 1 : Caractéristiques de la pompe d expédition du pétrole brut Fabricant MID-Continent supply co. (USA) Marque EMESCO D-300 Type Pompe à boue (duplex double effet) Standardisation Norme API Poids (kg) 9027 Dimensions (mm) 3400*1950*1440 Débit (m 3 /h) Max : 120 ; Nominal : 80 Pression de refoulement (bar) Max : 50 ; Nominale : 30 Longueur de course (pouces) 7,5 Diamètre du tube d aspiration (pouces) 8 Rendement 0, Principe de fonctionnement Une pompe volumétrique se compose d'un corps de pompe parfaitement clos à l'intérieur duquel se déplace un élément mobile rigoureusement ajusté. Le fonctionnement de ce type de pompe repose sur le principe suivant: Exécution d'un mouvement cyclique Pendant un cycle, un volume déterminé de liquide pénètre dans un compartiment avant d'être refoulé à la fin. Ce mouvement permet le déplacement du liquide entre l'orifice d'aspiration et l'orifice de refoulement. Les pompes volumétriques peuvent être rotatives ou alternatives. Dans le cas d une pompe alternative à piston, la pièce mobile est un piston animé d un mouvement alternatif. Le principe de cette pompe consiste à utiliser les variations de volume occasionnées par le déplacement d un piston dans un cylindre. Ces déplacements alternativement dans un sens ou dans l'autre produisent des phases d aspiration et de refoulement. Quand le piston se déplace dans un sens, le liquide est comprimé: il y a fermeture du clapet d'admission et ouverture du clapet de refoulement. Le fonctionnement est inversé lors de l'aspiration du liquide dans la pompe. En effet, la pompe EMESCO D-300 est munie de deux pistons. Il est à double effet c.à.d. chaque piston est actif dans les deux phases d aspiration et de refoulement de son cycle de fonctionnement. Cela permet un débit deux fois plus important et une régularité plus grande dans le débit. Les Figures 20 et 21 présentent le schéma de principe de fonctionnement d une pompe duplex double effet et celui du fonctionnement d un coté de sa partie hydraulique. 17

30 Figure 20 : Le principe de fonctionnement d une pompe duplex et ses constituants principaux [8] Figure 21 : Le principe de fonctionnement d un coté de la partie hydraulique de la pompe duplex [8] 18

31 4.2. Le moteur Les caractéristiques Figure 22 : Le moteur Diesel Les principales caractéristiques du moteur d entrainement de la pompe d expédition du pétrole brut sont citées dans le Tableau 2 : Tableau 2 : Caractéristiques du moteur d entrainement de la pompe d expédition Fabricant KHD (Allemagne) Marque DEUTZ Type Moteur diesel Nombre de cylindres 10 cylindres disposés en V Poids (kg) 800 Dimensions (mm) 1196*740*1127 Vitesse nominale (tr/min) 2300 Puissance nominale (kw) 175 (237,77 Ch 3, 234,68 hp 4 ) Rendement 0, Principe de fonctionnement Le moteur d entrainement de la pompe d expédition du pétrole brut est un moteur diesel à quatre temps. En effet, il réalise le cycle en quatre courses de piston et deux tours de vilebrequin. Ce moteur est à injection directe c.à.d. que l injecteur à trous débouche directement dans la chambre de combustion 3 Un Ch (cheval-vapeur) = 736W 4 Un hp (horsepower) = 745,7 W 19

32 Figure 23 : Coupe transversale du moteur diesel [13] Le cycle Diesel a lieu dans la chambre de combustion entre le piston et les soupapes. Il est assuré par un mécanisme bielle-manivelle. La bielle relie le piston au vilebrequin pour permettre le mouvement relatif. Figure 24 : Mécanisme bielle-manivelle [14] 20

33 Le cycle Diesel est constitué de quatre phases : Admission (A) : le piston descend et les soupapes d admission s ouvrent. L air frais s engouffre dans le cylindre. Pour le moment, il n y a pas de carburant. Le vilebrequin fait un demi-tour. Compression (C) : les soupapes d admission se ferment et le piston remonte. L air est comprimé et s échauffe fortement. Peu avant le Point Mort Haut (PMH), le gasoil est injecté par la pompe à injection. Il ya alors auto-inflammation du carburant. Combustion+Détente (C+D) ou explosion : les soupapes sont fermées. L air et le carburant contenus dans le cylindre sont sous pression. La température (400 à 600 C) est suffisamment élevée pour que ce mélange explose en créant une surpression qui pousse le piston vers le bas et fait tourner, par conséquent, le vilebrequin d un demitour. Echappement (E) : les soupapes d échappement s ouvrent et le piston remonte en chassant l air brulé qui est injecté dans le pot d échappement. Figure 25 : Les différentes phases du cycle Diesel [14] 4.3. Mesures et sécurités Plusieurs mesures doivent être prises en compte dans une installation de pompage et ceci pour assurer le bon fonctionnement d une pompe alternative à pistons : Ne jamais placer de vanne sur le refoulement de cette pompe sans interposer entre la pompe et cette vanne une soupape de sûreté (de type à opercule) tarée selon la pression maximale de marche de l installation et ceci afin d éviter un éclatement de la 21

34 tuyauterie ou la détérioration de la pompe ou du moteur d entrainement en cas de fonctionnement vanne fermée. La remise en route doit se faire de préférence sans pression d où le besoin d une purge automatique. Etant donné que la mise en pression d un fluide dans une pompe alternative est saccadée et ces pulsations peuvent être gênantes, l installation d un ballon sous pression d air ou de gaz, avec membrane de séparation liquide-gaz, peut remédier aux coups de bélier générés par ces pulsations (voir FIGURE 19). Utiliser des manomètres avec amortissement (dans la glycérine, par exemple) pour éviter les à-coups sur le mouvement des manomètres. Les accélérations et les ralentissements du liquide, dus au mouvement alternatif des pistons, peuvent majorer les pertes de charge. Il faut ainsi installer un by-pass de la pompe au refoulement et ceci pour ramener le liquide non pas à l entrée de la pompe mais dans la fosse d aspiration Les inconvénients L activité du groupe motopompe d expédition du pétrole brut est intermittente et irrégulière Elle ne s effectue que lorsque le capteur de niveau statique d un bac de stockage détecte la position haute du liquide dans le réservoir, d où la nécessité de son décharge. Ce mode de fonctionnement permet de faire des opérations de maintenance préventives (inspection et contrôle) et conditionnelles (changer des pièces témoins d usure). Cependant, ces opérations semblent insuffisantes pour le groupe motopompe actuel. Son taux de défaillance a augmenté de façon remarquable.mis en service depuis les années 70 du siècle dernier, l équipement a connu, ces dernières années, plusieurs défaillances d usure ou pannes de vieillesse, ce qui montre bien que le groupe a accédé l époque d obsolescence (Figure 26). Donc en plus de la maintenance préventive, le groupe motopompe a subi plusieurs opérations de maintenance correctives (dépannages, réparations) ce qui a augmenté les couts de maintenance du système (comprenant les couts de pièces de rechange hors stock, la main d œuvre) d une façon remarquable (voir ANNEXE 4) ; par exemple les couts de maintenance du groupe motopompe de janvier 2008 à janvier 2010 sont de l ordre de 13 milles DT alors qu ils atteignent dans les deux années suivantes 22033, 507 DT. Mais un autre problème se présente. La diminution de l utilisation des pompes volumétriques et des moteurs diesel, devant l augmentation de celui des pompes centrifuges 22

35 entrainées par des moteurs électrique dans l expédition de pétrole par pipeline, a causé la difficulté d obtenir des pièces de rechange pour le groupe motopompe actuel dans un temps court surtout que le premier fournisseur de pièces de rechange (MID-Continent supply co) a fermé son atelier spécialisé dans la fabrication des pompes EMESCO. Le changement d une pièce usée par une autre usagé ne présente pas une solution efficace. Les pièces de rechange nouvelles sont très chères et leur obtention est difficile d où un gaspillage de temps important. Ainsi, le groupe motopompe actuel est mis hors service pendant de longues périodes alors que les opérations d expédition sont effectuées par le groupe motopompe secours (qui est aussi ancien) ou bien par la pompe surpresseuse (pompe Booster) placée en parallèle avec la pompe d expédition. A : Epoque de jeunesse B : Epoque de maturité C : Epoque de vieillesse, d obsolescence t Figure 26 : Taux de défaillance d un système en service ; courbe en baignoire [4] D autres inconvénients sont à citer pour ce groupe d expédition : L augmentation du phénomène des coups de bélier à cause du vieillissement de la pompe et du dispositif anti- bélier Le moteur diesel consomme une quantité très importante de carburant (700 litres pour 42 h de fonctionnement) Les dimensions de la pompe EMECO D-300 et du moteur diesel montrent que le groupe motopompe est encombrant. Equipement surdimensionné ; En effet la puissance nominale consommée par le moteur atteint 175 Kw alors qu un moteur électrique de puissance 22 kw est suffisant pour assurer l expédition du pétrole. En outre, la pression nominale de départ atteint 23

36 30 bars alors que le manomètre a montré que la pression maximale de refoulement est de l ordre de 8,5 bars (vérifié aussi par calcul). Fonctionnement bruyant et salissant Tous ces inconvénients exigent que le groupe motopompe actuel doive être hors usage. CONCLUSION Dans ce chapitre, on a présenté l organisation de la compagnie Franco-Tunisienne des pétroles et le processus de production de son centre de production dans le champ de Sidi El Itayem. Puis, on a étudié le système d expédition du pétrole brut existant et identifié ses principaux inconvénients qui montrent bien la nécessité d un nouveau système Le développement de la nouvelle station de pompage fera l objet des chapitres suivants. On commencera par l étude du choix de la pompe. 24

37 Chapitre 2 Choix de la pompe et plan hydraulique 25

38 Introduction Une station de pompage est constituée principalement par une ou plusieurs pompes, leur moteur d entraînement, leur robinetterie, l alimentation électrique, les dispositifs de filtrage du liquide avant pompage, les tuyauteries internes à la station, l ensemble des systèmes de commande et de contrôle et l ensemble des moyens de maintenance. Étant au cœur de l installation, la pompe constitue l élément essentiel sur lequel tout ou presque va se greffer dans l étude de la nouvelle station de pompage. Le premier choix est donc celui de la pompe. Dans ce chapitre, on va évaluer les étapes nécessaires au dimensionnement de la nouvelle pompe et à la détermination de ses critères de choix. Puis, on va développer les plans P&ID et isométrique permettant d évaluer la robinetterie et la tuyauterie de la nouvelle station. 1. Choix du type de la pompe On peut classifier les pompes, selon leurs domaines d utilisation, en quatre grandes familles (voir Figure 27) : Famille I : Elle regroupe les pompes rotodynamiques (centrifuges, hélico centrifuges et hélices). Cette famille est caractérisée par le fait que la pression y est générée soit par l action des forces centrifuges, soit par la conversion en pression de l énergie cinétique communiquée au fluide (en le ralentissant). Famille II : Elle regroupe les pompes à canal latéral qui utilisent les mêmes mécanismes de génération de pression que précédemment, à savoir effet centrifuge et ralentissement de la vitesse, mais dans un mode de réalisation profondément différent qui permet de répéter plusieurs fois, dans une même roue, le même processus d élévation de pression. De ce fait, les pompes à canal latéral permettent de réaliser une hauteur générée par étage plus grande, pour une même vitesse périphérique. Famille III : Elle regroupe les pompes volumétriques à rotor tournant. Famille IV : Elle regroupe les pompes volumétriques alternatives. La pompe à canal latéral ne permet d atteindre que des rendements assez modestes, inférieurs à 0,5 ; pour cette raison, il est limité en débit à une valeur pratique d environ 25 m 3.h -1. Ainsi, ce type de pompe n est pas inclus dans notre choix. La Figure 28, établie pour des pompes opérant dans des conditions normales, c est-àdire à proximité de leur point de meilleur rendement, présente les domaines respectifs des trois types de pompes qui appartiennent à l ensemble des pompes rotodynamiques. 26

39 Figure 27 : Domaines d utilisation des Figure 28 : Domaines d utilisation des différents types de pompes [5] pompes industrielles rotodynamiques [5] La Figure 28 montre que les pompes hélices et les pompes hélicocentrifuges ne sont utilisées que pour des débits importants (Q>150 m 3.h -1 ), car elles conduisent dans ce cas à des vitesses de rotation très élevées. Pour la pompe hélice, la hauteur de refoulement se trouve limitée à une valeur de 11 m environ. Les pompes hélices ne sont jamais réalisées avec deux ouïes pour des raisons de construction qui sont évidentes. Elles sont rarement utilisées en version multi étage (pour H > 11 m, on leur préfère d autres types de pompes). Les pompes hélicocentrifuges peuvent être utilisées en variante multiétagé (5 ou 6 étages). On obtient le domaine global des pompes hélicocentrifuges en multipliant par 5 les hauteurs manométriques de la courbe HC1 de la Figure 28. Mais cela ne change pas leur domaine de débit qui dépasse le débit maximum que peut transporter le pipeline de refoulement (voir Tableau 3). Ainsi, les pompes hélices et les pompes hélicocentrifuges sont à écarter. Le choix est maintenant limité entre les pompes centrifuges et les pompes volumétriques. Les pompes centrifuges sont les pompes les plus utilisées dans le domaine industriel à cause de la large gamme d'utilisation qu'elles peuvent couvrir, de leur simplicité (formes réduites) et de leur faible cout. Cependant, il existe des applications pour lesquelles elles ne conviennent pas: Le pompage des produits visqueux ; en effet, à partir d un certain degré de viscosité qui reste à déterminer par l utilisateur, l emploi d une pompe centrifuge obligerait à recourir à une machine surdimensionnée débitant en dehors de ses caractéristiques optimales, donc avec un très mauvais rendement et, par voie de conséquence, une puissance absorbée très importante. 27

40 Le pompage de liquides "susceptibles" c'est-à-dire ne supportant pas la très forte agitation dans la pompe (liquides alimentaires tels que le lait). L utilisation comme pompe doseuse: la nécessité de réaliser des dosages précis instantanés risque d'entraîner la pompe en dehors de ses caractéristiques optimales. Ces trois types d applications imposent l emploi d une pompe volumétrique. Comme le fluide pompé est le pétrole brut qui est un liquide non susceptible. Sa viscosité en degré Engler E est faible (voir ANNEXE 5). En plus, il s agit d une opération d expédition de pétrole par un pipeline et non pas d une opération de dosage. Ainsi, le choix est orienté vers une pompe centrifuge pour remplacer la pompe EMESCO D-300. Le calcul de cette pompe centrifuge s effectue par l analyse dimensionnelle. 2. Dimensionnement de la nouvelle pompe 2.1. La hauteur manométrique totale Pression : P 1 / Vitesse V 1 Hc Bac de stockage Plan de référence Bac de stockage (Lancement) (Réception) Aspiration : P a = 1,9 bar Refoulement : P r = 8,5 bar Groupe motopompe Hr Pression : P 2 / Vitesse V 2 Figure 29 : Schéma d expédition du pétrole brut La hauteur manométrique totale d une pompe est l énergie fournie par la pompe à l unité de poids du liquide qui la traverse. Si H TA est la charge totale du fluide à l orifice d aspiration et H TR la charge totale du fluide à l orifice de refoulement, la hauteur manométrique de la pompe est : H m = H TA H TR ; 28

41 H TA est une lecture faite sur un manomètre gradué en hauteur de pression, si la pompe est en charge, ou en hauteur de dépression, si la pompe est en aspiration, corrigée de la distance verticale entre le plan de référence et le pivot de l aiguille indicatrice de l appareil. H TR est une lecture faite sur un manomètre gradué en hauteur de pression, et disposé sur le refoulement de la pompe, corrigée de la distance verticale entre le plan de référence et le pivot de l aiguille indicatrice de l appareil. On peut obtenir la hauteur manométrique totale en appliquant l équation de Bernouilli pour le pétrole brut, qui est un fluide non visqueux (voir ANNEXE 5) et incompressible, en écoulement permanent et monodimensionnel. H m H H J H (1) p g d Avec: H p : La hauteur piézométrique H d : La hauteur dynamique H g : La hauteur géométrique totale J : Les pertes de charge totales dans la conduite La hauteur piézométrique La hauteur piézométrique est définie par : H p P 2 P 1 (2) Avec : P 1 = P atm = 1,01325 bar = 1, Pa (surface libre) P 2 = 4 bar = Pa ρ : La masse volumique du pétrole brut = 850 kg.m -3 g : Le champ de pesanteur = 9,81 m.s -2 = 9,81 N.kg -1 = g : Le poids volumique du liquide = 8338,5 N.m -3 D après (2), on obtient : H p = 35,81 m 29

42 La hauteur géométrique totale Pour calculer H g, il faut tout d abord définir les notions suivantes : Le plan de référence : Plan à partir duquel sont mesurées les différentes hauteurs, qu elles soient géométrique, manométrique, d aspiration, de charge, de refoulement, etc., ainsi que le NPSH. Dans le cas d une pompe à axe horizontal (Figure 30 a), le plan de référence est le plan horizontal qui passe par l axe de rotation. Dans le cas d une pompe à axe vertical (Figure 30 b), le plan de référence est le plan horizontal passant par le point le plus haut des organes actifs. Figure 30 : Notion de plan de référence [6] La hauteur géométrique d aspiration : C est la distance verticale qui sépare le niveau du liquide à l aspiration, du plan de référence pour une pompe placée en aspiration (Figure 31 a) La hauteur géométrique de charge : C est la distance verticale qui sépare le niveau du liquide dans le réservoir d alimentation, du plan de référence pour une pompe placée en charge (Figure 31 b) Pour notre cas et en se référant à la Figure 29, on comprend que notre pompe d expédition du pétrole est placée en charge. Ainsi, la hauteur géométrique de charge est : H c 10,7m. La hauteur géométrique de refoulement : C est la distance verticale qui sépare le niveau du liquide dans le réservoir de refoulement du plan de référence. Pour le dimensionnement, on suppose que le bac de stockage de réception est initialement vide. Ainsi, cette hauteur est H r = -150,8 m. 30

43 Figure 31 : Notion des hauteurs géométriques d aspiration, de charge et de refoulement [6] La hauteur géométrique totale est définie par : H g H H 161,5 m. (3) r c Les pertes de charge Lors de son mouvement entre le réservoir amont et le réservoir aval, le pétrole brut perd une partie de son énergie. Cette perte d énergie est appelée perte de charge. La conduite de refoulement est le pipeline qui relie la pompe d expédition au terminal maritime de la Skhirra. Ses caractéristiques et ses données opérationnelles sont explicitées dans les deux tableaux suivants. Tableau 3 : Caractéristiques du pipe-line [9] Diamètre Epaisseur de la paroi (mm) Longueur (km) Type conduite Qualité conduite 8" 5,56 80 Acier API 5L X42 Tableau 4 : Données opérationnelles du pipe-line [9] Paramètre Min Nominal Max opérationnel Température de service ( C) Débit (m 3 /h) Pression de service (bar) Le trajet du pipeline est donné par la Figure 32 : 31

44 Figure 32 : Trajet du pipe-line La conduite d aspiration a les mêmes caractéristiques el données opérationnelles que le pipeline sauf que sa longueur est faible (L = 15 m). Il existe deux types de pertes de charge : les pertes de charge linéaires et les pertes de charge singulières Les pertes de charge linéaires Ce sont les pertes dues aux frottements du fluide lors de son écoulement dans une conduite linéaire. Ces frottements sont soit internes (dus à sa viscosité), soit externes (dus à la rugosité des parois de la conduite). Les pertes de charge linéaires sont obtenues par la formule (1 ) : V ². L J r (1 ) 2g. D Avec : V : La vitesse du fluide dans la conduite (en m.s -1 ) L : La longueur de la conduite D : Le diamètre de la conduite = 8 = 8 pouces = 8*2, m = 0,2032 m (l épaisseur de la paroi de la conduite est négligeable devant son diamètre externe). 32

45 λ : Le coefficient de perte de charge (sans unité) Le coefficient λ est déterminé par le nombre de Reynolds Re ou : V. D V D Re. (2 ) Avec : ν : La viscosité cinématique du pétrole brut à 15 C = 13, m 2.s -1 (la variation de la viscosité cinématique du fluide entre 15 C et 25 C est très faible car son indice de viscosité est important). µ : La viscosité dynamique du fluide = 11, kg.m -1.s -1 ; (µ = ρ.ν) En effet, 60 Si Re < 2000, le régime est laminaire, alors (loi de Hagen Poiseuille) : Re Si 2000 < Re < 10 5, le régime est turbulent lisse (formule de Blasius) : 0,316 Re 0,25 Si Re > 10 5, le régime est turbulent rugueux (formule de Nikuradse) : coefficient de rugosité = 0,045 mm pour l acier soudé, avec k : ² La vitesse d écoulement du fluide est donnée par l expression du débit volumique : Q V S Avec : Q : débit volumique. On prend Q = 60 m 3.h -1 D² S : La section de la conduite = S = 0,03243 m² 4 Ainsi, on obtient V = 1850,14 m.h -1 = 0,514 m.s -1 D après (2 ), on obtient : Re = 7869,63. On a 2000 < Re < 10 5, le régime est turbulent lisse. On applique la formule de Blasius. Donc λ = 0, Ainsi, on a d après (1 ) : A l aspiration : L = 15 m ; alors J ra = 0,033 m 33

46 Au refoulement : L = 80 km = m ; alors J rr = 177,967m On obtient ainsi les pertes de charge linéaires J r = J ra + J rr =178 m Note. En effectuant la même démarche de calcul pour un débit volumique plus important (Q = 80 m 3.h -1 ), on obtient V = 0,685 m.s -1 et J r = 294,2 m Les pertes de charge singulières Le fluide subit des pertes de charge singulières lorsqu il rencontre, lors de son écoulement, des modifications géométriques du pipeline. Parmi ces modifications géométriques, On peut compter les changements de direction (coudes, raccords en T), les variations de section (rétrécissement, élargissement), les vannes ou robinets, les appareils de mesure, etc... Les pertes de charge singulières sont obtenues par la formule suivante : V ² J s K 2g Avec : K : Le coefficient dépendant de la singularité (sans unité) V : La vitesse du fluide dans la conduite = 0,514 m.s -1 Les conduites d aspiration et de refoulement présentent, en général, 119 coudes à angles vifs. Figure 33 : Coude à angle vif Pour chaque coude, on calcule les pertes de charge correspondantes en utilisant le logiciel «mecaflux 2006». On commence par introduire les données nécessaires telles que le diamètre de la conduite, le débit volumique, la masse volumique du fluide, l angle de la coude. 34

47 Figure 34 : Introduction des données sur mecaflux Les résultats seront affichés comme le montre la figure suivante : Figure 35 : Fiche des résultats En utilisant le logiciel, on peut établir le tableau ci- dessous pour les différents coudes. Tableau 5 : Calcul des pertes de charge singulières dans les coudes Emplacement du coude (m) Angle θ ( ) Coefficient k J s (m) 395,66 3,888 2,3601 3, ,78 4,086 2,0387 2, ,46 4,248 1,7584 2, ,25 22,986 1,9523 2, ,62 11,295 0,5882 7, ,25 3,258 2, ,63 24,921 0,0108 1,

48 6469,87 1,827 1,3974 1, ,69 2,367 2,3165 3, ,03 12,078 0,0623 8, ,29 20,691 1,4220 1, ,18 15,318 2,8076 3, ,84 3,969 2, ,41 8,316 1,7542 2, ,70 8,442 1,9731 2, ,65 1,242 0,5552 7, ,48 3,15 2,9939 4, ,79 11,385 0,4906 6, ,98 31,428 0, , ,51 20,826 1,6556 2, ,79 48,303 1,6313 2, ,55 6,795 0,0691 9, ,31 11,709 0,2247 3, ,17 19,863 0,3366 4, ,36 35,631 1,8158 2, ,32 23,31 1,3902 1, ,96 20,124 0,5917 7, ,45 23,697 0,7929 1, ,28 4,923 0,6946 9, ,10 22,446 2,7430 3, ,89 35,667 1,7530 2, ,56 6,876 0,0957 1, ,11 63,18 0,0302 4, ,91 65,286 2,4479 3, ,43 21,546 2,7532 3, ,67 12,582 1, , ,69 7,839 0,9629 1, ,25 13,707 0,4499 6, ,12 9,234 2,9424 3, ,22 4,554 1,2341 1, ,94 6,651 0,0340 4, ,54 17,46 0,7320 9, ,44 20,31 0,8265 1, ,53 1,575 0,9916 1, ,63 16,101 2,8047 3, ,81 28,24 2,9926 4, ,48 1,323 0,6488 8, ,60 16,65 2,0427 2, ,06 3,663 2,6681 3, ,83 8,559 2,1702 2, ,77 1,53 0,9250 1, ,06 42,012 1,6449 2, ,46 60,516 2, ,43 10,278 2,1908 2, ,72 5,031 0,5665 7,

49 33100,04 1,935 1,5834 2, ,97 13,644 0,3912 5, ,77 73,692 1,1966 1, ,87 46,656 2,7290 3, ,71 1,251 0,5652 7, ,24 20,79 1,5928 2, ,63 31,185 0,0129 1, ,94 45,603 1,0612 1, ,24 43,803 0,0077 1, ,3 25,164 2, , ,229 1,1268 1, ,6 5,58 0,1411 1, ,56 15,066 2,5125 3, ,36 9,693 2,9645 3, ,42 28,701 2,7721 3, ,28 3,78 2,5174 3, ,81 15,975 2,9053 3, ,32 6,498 0,0112 1, ,36 26,307 0,4834 6, ,05 3,096 2,9913 4, ,53 11,592 0,3058 4, ,73 6,876 0,0957 1, ,95 5,571 0,1453 1, ,14 13,32 0,1657 2, ,23 7,974 1,1718 1, ,05 43,533 0, ,27 1,476 0,8481 1, ,26 6,138 0,005 6, ,19 22,509 2,6723 3, ,71 1,458 0,8232 1, ,36 9,405 2,9935 4, ,29 21,762 2,9284 3, ,61 41,373 2,6550 3, ,39 31,266 0,0054 7, ,21 17,262 1,0104 1, ,78 2,277 2,1722 2, ,80 42,237 1,2605 1, ,49 50,13 0,0044 5, ,49 4,95 0,6612 8, ,61 3,96 2,2472 3, ,55 8,811 2,5510 3, ,94 4,221 1,8055 2, ,21 7,2 0,2639 3, ,46 6,786 0,0664 8, ,45 14,148 1,0015 1, ,45 3,546 2,7940 3, ,57 12,357 0,0106 1, ,08 26,037 0,2553 3,

50 66114,06 17,901 0,2865 3, ,04 1,8 1,3517 1, ,92 20,385 0,9329 1, ,82 35,19 2,5255 3, ,45 13,5 0,2757 3, ,17 29,745 1,14 1, ,76 4,635 1,1040 1, ,89 67,788 0,6537 8, ,81 63,576 0,1609 2, ,76 3,384 2,9207 3, ,39 27,063 1,5751 2, ,07 23,229 1,5291 2, ,67 15,489 2,9341 3, ,18 55,611 0,2786 3, ,66 7,992 1,2009 1, ,51 25,146 4, , Les pertes de charge dans les coudes seront ainsi : J sc = 2,152 m On note l existence de 5 vannes à opercule de diamètres 8 : une dans la conduite d aspiration et les autres sont situées le long de la conduite de refoulement. En utilisant le logiciel «mecaflux 2006», on calcule les pertes de charge que le pétrole brut subit à travers une vanne à opercule. On commence par introduire les données nécessaires telles que le diamètre de la vanne, le débit volumique, la masse volumique du fluide, etc. Figure 36 : Introduction des données sur mecaflux 38

51 Après avoir choisi le fluide qui est dans notre cas le pétrole brut, les résultats seront affichés comme suit : Figure 37 : Fiche des résultats Les pertes de charge dans les coudes seront ainsi : J sv = 5*1, = 5, m Remarque. Les pertes de charge dans les vannes à opercule sont faibles. On obtient ainsi les pertes de charge singulières totales : J S = J sc + J sv = 2,21 m Les pertes totales de charge est la somme des pertes de charge régulières et singulières : J J J 180,21 m. (4) r S Note. Pour Q = 80 m 3.h -1, on a J s = 3,92 m et J = 298,116 m Remarque. On peut calculer les pertes de charges pour différents débits en utilisant la formule suivante : On a : J J1 ) 1.( Q Q La hauteur dynamique 2 2 V2 V 1 H d (5) 2g 39

52 Avec : g : Le champ de pesanteur = 9,81 m.s -2 = 9,81 N.kg -1 V 1 (le réservoir est de très grandes dimensions), V 2 = V D après (5), on obtient H d 0, 0134 Pour Q = 80 m 3.h -1, on a H d = 0,024 m Résultat final m D après (1), (2), (3), (4) et (5), la hauteur manométrique totale du pétrole brut à 25 C pour Q = 60 m 3.h -1 est : H m = 54,53 m Alors que pour Q = 80 m 3.h -1, on a H m = 172,45 m 2.2. La hauteur de charge nette et absolue La hauteur de charge nette et absolue ou le NPSH (sigle de l abréviation anglosaxonne de «Net Positive Suction Head») est une hauteur excédentaire, référée à l axe de l aspiration (H = 0) et exprimée en hauteur du liquide suffisante pour que l énergie à l entrée de la pompe excède la tension de vapeur du liquide et ainsi éviter le phénomène de cavitation (voir ANNEXE 6). La cavitation est la vaporisation du liquide contenu dans la pompe quand il est soumis à une pression inférieure à la tension de vapeur correspondant à sa température. Ce fléau se produit lorsque la pompe est en charge. Ce phénomène se produit à l orifice d aspiration de la pompe ; des bulles apparaissent dans les zones où la pression est la plus faible (entrée des aubes de roue des pompes centrifuges) : elles sont transportées dans les zones de pressions plus fortes où se produit leur recondensation. Des implosions se produisent alors à des fréquences élevées et créent des surpressions locales très élevées (jusqu'à des centaines de bars). conséquences: La cavitation est un phénomène à éviter absolument, car il entraîne de graves Erosion du matériau pouvant aller jusqu'au perçage des aubes de turbine des pompes centrifuges Augmentation du bruit et des vibrations générés par la pompe Chute des performances de la pompe avec diminution importante de la hauteur manométrique totale, du débit et du rendement 40

53 Figure 38 : Dégâts de la cavitation [17] Les constructeurs de pompes ont défini un critère qui dépend uniquement des caractéristiques de la pompe et qui tient compte en particulier de la chute de pression que subit le fluide lors de son accélération à l entrée de la roue. Ce critère est appelé le NPSH requis. La pompe ne fonctionnera correctement que si la pression totale à l entrée Pa est supérieure à la somme P vs + NPSH requis. On appelle «NPSH disponible» la différence entre la pression totale à l entrée et la pression de vapeur saturante : NPSH d P a P vc Ainsi, Pour qu une pompe fonctionne normalement et pour prévenir tout risque d évaporation et de cavitation, il faut que le NPSH disponible (calculé) soit supérieur au NPSH requis (indiqué par le constructeur). NPSH d > NPSH r. est grande. Les conditions d aspiration sont d autant meilleures que la différence entre les deux 41

54 Figure 39 : La variation des NPSHs disponible et requis en fonction du débit [17] On calcule le NPSH disponible (en mètres) : NPSH d P1 P vs H c J a Avec : P vs : La pression de la vapeur saturante du pétrole brut à 25 C = 1 bar = 10 5 Pa P 1 = 1,01325 bar = 1, Pa (pression atmosphérique) H c = 10,7 m J a : Les pertes de charge à l aspiration = J ra + J sa = , = 0,044 m (J sa : pertes de charge singulières à l aspiration) A 25 C, on obtient : NPSH d 10, 81m 2.3. La puissance hydraulique fournie La puissance utile (hydraulique) qui doit être fournie par la nouvelle pompe centrifuge est donnée par la relation suivante : P u = Q*ΔP= Q*H m *ρ*g En fonctionnement nominal, on a : P u = 7,578 kw Alors que pour Q = 80 m 3.h -1, la puissance hydraulique atteint 31,955 kw. 42

55 3. Critères de choix de la pompe centrifuge 3.1. Caractéristiques de la pompe choisie Après avoir terminé l analyse dimensionnelle de la pompe, on passe au remplissage du rapport des spécifications techniques du groupe électropompe désiré (voir ANNEXE 7). Ce rapport sera remis à plusieurs fournisseurs de pompes. Il contient toutes les informations nécessaires pour que le fournisseur puisse proposer une solution convenable. Après avoir consulté les offres de plusieurs constructeurs, on a choisi celle de la société FLOWSERVE. En effet, ce fournisseur a proposé une première solution pour une pompe centrifuge OH2 dont les principales caractéristiques sont citées par le Tableau 6. Tableau 6 : Les caractéristiques de la première pompe proposée Référence ERPN Débit nominale ou capacité (m 3.h -1 ) 80 Débit au PFO 5 (m 3.h -1 ) 88 Hauteur manométrique (barg 6 ) 7,5 NPSH r (m) 2,6 m Puissance hydraulique fournie (kw) 16,7 Puissance mécanique absorbée (kw) 27,5 Vitesse spécifique à l aspiration (US units) Fréquence de rotation (tr.min -1 ) 2950 Rendement nominale (%) 60,7 Le rendement de cette pompe est bon. Il atteint 60,7 % en fonctionnement nominal ce qui présente un avantage car un débit de 80 m 3.h -1 permet de vider le bac de stockage, de volume 1200 m 3, dans un temps court (15 heures). Le rendement de cette pompe est de l ordre de 55,5 % pour Q = 60 m 3.h -1 (voir ANNEXE 8). Le débit qui correspond au rendement maximum pour une roue de diamètre maximum est appelé le débit au PFO. Il est de l ordre de 88 m 3.h -1 et correspond à un rendement d ordre 60, 9%. Cependant, la puissance hydraulique fournie par cette pompe est insuffisant pour assurer l opération d expédition. Elle est de l ordre de 16,7 kw alors que l analyse 5 PFO : Point de Fonctionnement Optimum de la pompe 6 1 barg =1 atm (unité utilisé en anglo-saxon et qui vaut dire bar gauge) 43

56 dimensionnelle pour un débit de 80 m 3.h -1, a exigé une pompe avec une puissance utile supérieure à 31 kw pour vaincre les pertes de charge dans le pipeline. Ainsi, cette solution a été rejetée. Pour remédier à sa première proposition, FLOWSERVE a donné une deuxième offre pour une pompe centrifuge dont les principales caractéristiques sont citées par le Tableau 7. Tableau 7 : Les caractéristiques de la deuxième pompe proposée Référence ERPN Débit nominale ou capacité (m 3.h -1 ) 60 Débit au PFO (m 3.h -1 ) 54,9 Hauteur manométrique (m) 55 NPSH r (m) 4,1 m Puissance hydraulique fournie (kw) 7,63 Puissance mécanique absorbée (kw) 14,8 Vitesse spécifique à l aspiration (US units) 6660 Fréquence de rotation (tr.min -1 ) 2950 Rendement nominale (%) 51,6 Avec un débit nominal Q = 60 m 3.h -1, cette pompe est caractérisée par un rendement plus faible que la première, même chose pour son débit au PFO. Mais, la puissance hydraulique qu elle fournit et la hauteur manométrique qu elle permet d obtenir sont très proches des valeurs obtenues par analyse dimensionnelle. Donc, cette pompe centrifuge est capable de vaincre les pertes de charge dans la conduite et d assurer par conséquent l opération d expédition du pétrole brut vers LSK. Ca sera alors la nouvelle pompe qui va remplacer la pompe volumétrique EMESCO D-300. D autres critères en vérifient ce choix Structure La pompe ERPN est une pompe centrifuge horizontale monoétagé en porte à faux (Figure 40). Les composants hydrauliques de cette pompe sont les suivants : Le conduit d amenée du fluide vers la roue de la pompe ou convergent (1) : Il est sous la forme d un simple cône ayant son axe confondu avec l axe de la machine car l aspiration de la pompe est axiale et unique d où la pompe est à simple ouïe Le fluide ne subit dans ce conduit ni apport, ni prélèvement d énergie. 44

57 La roue de la pompe, appelée aussi impulseur (2), est l élément essentiel de la machine. La totalité de l énergie est apportée au fluide par la roue sous la forme d un accroissement d énergie cinétique, qui est lui-même transformé en pression dans les organes situés en aval de la roue. Refoulement Aspiration Figure 40 : Pompe ERPN [5] La roue est constituée d aubes, ou ailes ; ce sont des lamelles grossièrement radiales qui, à l intérieur de l impulseur, canalisent le fluide de l aspiration vers le refoulement. Les aubes sont décalées angulairement de façon régulière ; elles sont en nombre variable, mais très habituellement compris entre 5 et 7. Elles sont inclinées en arrière (Figure 41). L indication aubes inclinées en arrière est à considérer par rapport au sens de rotation de la roue. Deux flasques enserrent les aubes attachées à une couronne continue des deux faces avant et arrière (Figure 41 a). Cela donne à l ensemble une structure de grande rigidité et l impulseur, dans ce cas, est de type radial fermé. (Figure 41 b) La roue radiale fermée est conçue exclusivement pour générer des hauteurs élevées sous débit modéré. a b Figure 41 : La roue de la pompe ERPN 45

58 La volute (3) : Elle a pour rôle de recueillir le fluide sortant à grande vitesse de la roue, de le canaliser, puis de le ralentir, transformant ainsi en pression une part importante de son énergie cinétique. Elle comporte deux parties : Une première partie en forme d escargot, dont la section augmente avec l augmentation du débit. Une seconde partie divergente, qui véhicule la totalité du débit, et qui poursuit et achève le ralentissement du fluide. Avant d atteindre la volute, le liquide, sortant de l impulseur, doit traverser un diffuseur aileté, c est-à-dire porteur d aubes (Figure 42). Le diffuseur permet de ralentir fortement l écoulement, créant de ce fait une forte remontée en pression statique. Il permet aussi d équilibrer les forces radiales exercées sur la roue par le fluide en mouvement et d augmenter le rendement de la pompe. Figure 42 : Diffuseur aileté Les dispositifs d étanchéité internes (4) : Ils sont destinés à limiter le retour vers l aspiration des débits de fuite prélevés sur le débit principal ayant traversé l impulseur. Outre les composants hydrauliques, la pompe contient les éléments mécaniques suivants : L arbre (5) : Il a pour fonction de porter l impulseur, d assurer son centrage dynamique et de transmettre la puissance. Le palier à roulement (6) : Il a un rôle double : d une part, assurer le centrage de l arbre (fonction palier radial) ; d autre part, équilibrer les efforts axiaux qui s exercent sur l équipage mobile (fonction butée). Les paliers à roulements sont les plus utilisés pour les pompes centrifuges monocellulaires. Dans ce cas, le palier de butée est généralement constitué de deux 46

59 roulements à contact obliques montés dos à dos et il est situé du côté de l accouplement. Le palier radial qui doit être glissant est souvent constitué d un roulement à rouleaux. Le graissage est réalisé à la graisse ou à l huile Un système d étanchéité externe (7) : Il a pour fonction d empêcher une fuite externe ou, tout au moins, d en limiter l importance. L étanchéité externe peut être assurée par un système de tresses avec le presse-étoupe ou bien assurée par une garniture mécanique. On constate que la pompe ERPN est constituée de deux parties : Une partie fixe appelée corps de la pompe ou stator. Cette partie est constituée principalement de la tubulure d aspiration, de la volute, et de la tubulure de refoulement. Une partie mobile ou rotor formée de l impulseur monté sur l arbre Les courbes caractéristiques En plus des données techniques, le fournisseur doit donner les courbes caractéristiques de la nouvelle pompe afin de vérifier les points de fonctionnement de la pompe pour différents débits (Figure 43). Ces courbes sont : La courbe Q-H m (débit-hauteur manométrique) La courbe Q-η (débit-rendement) La courbe Q-P a (débit-puissance mécanique absorbée par la pompe) La courbe Q-NPSH r (débit-charge nécessaire à l aspiration) La courbe Q-H m a une forme stable. En effet, la hauteur manométrique décroit de façon continue quand le débit augmente à partir de zéro, cela montre que la pompe est bien conçue. La Figure 43 montre que la caractéristique Q-H m varie selon le diamètre de la roue. On distingue alors trois courbes résumées dans le tableau suivant : Tableau 8 : Les courbes Q-H m Courbe 1 Courbe 2 Courbe 3 Diamètre (D) minimum Nominal Maximum Valeur (mm)

60 H Cette variation est due à la relation suivante appelée loi de similitude : 2 2 m H ) 2 m1 1.( D D Mais, d autres variables dépendent aussi du diamètre de l impulseur tel que le débit du pétrole brut et la puissance consommée par la pompe d où les lois de similitudes suivantes : D2 Q2 Q1.( ) et D 1 D P P.( D ) 1 Ces relations doivent être utilisées pour estimer les modifications de performances de la pompe dues aux variations du diamètre de sa roue. Point de fonctionnement nominal PFO Figure 43 : Les courbes caractéristiques de la nouvelle pompe Il existe un autre critère de similitude, pour étudier les courbes caractéristiques des pompes centrifuges, appelé la vitesse spécifique de l arbre de la pompe N s. 48

61 Ce critère est défini par le nombre de tr/min nécessaire pour élever la hauteur manométrique de 1m pour un débit d aspiration de 1m 3 /j avec une roue géométriquement semblable à celle de la roue considérée. Le type de la roue qui est radiale fermée et l allure des courbes caractéristiques montrent bien que la vitesse spécifique de la pompe choisie est faible (Figure 44). Figure 44 : La variation des caractéristiques des pompes centrifuges selon leurs vitesses spécifiques [8] Le rendement maximum que peut atteindre une pompe dépend largement de N s. En général plus N s diminue plus η décroit, c est pour cette raison que le rendement de la nouvelle pompe, au point de fonctionnement nominal ou bien au PFO, n est pas important. Il ne faut pas confondre entre la vitesse spécifique N s et la vitesse spécifique à l aspiration N ss citée dans les tableaux 6 et 7. Cette dernière est un coefficient défini pour caractériser les possibilités d aspiration qui dépendent presque exclusivement des caractéristiques de l ouïe d entrée de la roue. N ss est calculée au PFO de la pompe Elle est utilisée pour estimer le NPSH r à un débit et une vitesse de rotation donnés. Plus l ouïe de la roue est grande, plus N ss est élevée et NPSH r est petit. Ainsi, l ouïe de la première pompe proposée est plus large que la deuxième car son NPSH r est plus faible (Tableaux 6 et 7). Pour la nouvelle pompe, on a NPSH d = 10,81 m et NPSH r = 4,1 m La marge entre les deux valeurs n est pas large. La valeur de NPSH r n est pas faible. Cela diminue les pertes de rendement de la pompe d une part, d autre part, il n ya pas de 49

62 cavitation de la roue de la pompe pour une longue durée car elle est montée en charge. En plus, les pertes de charge de la ligne d aspiration sont faibles (J a = 0,044 m). Ainsi, le choix de la pompe est bon. Note. Le montage en charge est avantageux car il évite un autre problème dont souffrent les pompes centrifuges : le désamorçage. Le désamorçage est du à la chute de pression du liquide dans la ligne d aspiration et survient lorsque la pompe centrifuge n est pas en charge et lorsque la pression du liquide devient inférieure à la tension de vapeur correspondant à sa température, entrainant sa vaporisation et la rupture de la veine liquide. 4. Equipement hydraulique et instrumentation La pompe d expédition de pétrole brut doit être munie de plusieurs accessoires au niveau de la tuyauterie, robinetterie et instrumentation et ceci dans le but d assurer sa mission en bonne état. Ces accessoires sont élucidés dans les plans P&ID et isométrique, dont on va expliquer, par la suite, le rôle de chacun d eux Plan P&ID Le schéma de tuyauterie et d instrumentation P&ID (en anglais : Piping and Instrumentation Diagram) est un diagramme qui définit tous les éléments d'un procédé que ce soit des équipements (réservoirs, pompes ), des organes de commande (régulateurs : pressostat, thermostat), des organes de réglage (actionneurs : vannes, clapets) ou bien les organes de détection (les capteurs de pression, de température, de débit). Ainsi, le P&ID est le schéma le plus précis et le plus complet utilisé pour la description d'un procédé. Il se distingue du schéma de procédé PFD (en anglais : Process Flow Diagram) par l'ajout des éléments de contrôle, des détails sur l'isolation et la protection des installations. Sur un schéma P&ID, on trouve les informations suivantes: Données opératoires sur les équipements Données sur la robinetterie et les éléments de contrôle Les dimensions et les particularités des tuyaux Tous les éléments du P&ID sont décrits par des symboles (voir Annexe 9). Les instruments de mesures et les régulateurs sont indiqués par un cercle dans lequel on trouve les renseignements sur le type du capteur ainsi qu'un numéro d'identification (voir Annexe 10). Le plan P&ID de la station de pompage du pétrole brut de la CFTP, ainsi que l installation de stockage est donné par le schéma ci-joint : 50

63 Tableau 9 : Nomenclature et spécifications techniques des éléments du P&ID Référence Indication Spécification Fonction G5 G13 G3 G4 G1, G2 Gate Valve (vanne à opercule) Gate Valve (vanne à opercule) Gate Valve (vanne à opercule) Gate Valve (vanne à opercule) Diamètre 8 Diamètre 6 Diamètre 4 Diamètre 4 F1 Flange (bride) Diamètre 4 F2 Flange (bride) Diamètre 6 F3 Flange (bride) Diamètre 4 F4 Flange (bride) Diamètre 4 F5 Flange (bride) Diamètre 8 F6 Flange (bride) Diamètre 8 RC1, RC2/RC3, RC4, RC5, RC6 Reducer Concentric (réducteur concentrique) 6 4 /6 8 Ce sont des vannes manuelles TOR (Tout Ou Rien). Elles permettent de régler le débit du pétrole brut à travers les tronçons du pipe-line : R7 R15 Régler le débit du pétrole brut à travers le tronçon R6 de la pipe du ballon tampon vers le bac de stockage 102 Régler le débit du pétrole brut à travers le tronçon R4 de la pipe du ballon tampon vers le bac de stockage 101 Ce sont des vannes manuelles TOR. Elles permettent d ouvrir ou fermer le circuit de purge de l eau C est un organe mécanique de blocage qui permet d assembler le tronçon du réducteur RC1 et le tronçon R4 C est un organe mécanique de blocage qui permet d assembler le tronçon de la vanne G3 et le tronçon R6 C est un organe mécanique de blocage qui permet d assembler les tronçons R4 et R5 C est un organe mécanique de blocage qui permet d assembler les tronçons R1, R2 et R3 C est un organe mécanique de blocage qui permet d assembler les tronçons R7 et R8 C est un organe mécanique de blocage qui permet d assembler les tronçons R11, R14 et R15 Permettent la liaison entre deux tronçons de diamètres différents 51

64 PI 001 PI 002 PI 003 PI 004 PS 001 PS 002 Pressure Indicator (indicateur de pression) Pressure Indicator (indicateur de pression) Pressure Indicator (indicateur de pression) Pressure Indicator (indicateur de pression) Pressure Switch (pressostat) Pressure Switch (pressostat) Intervalle de mesure [0 bar 20 bar] Intervalle de mesure [0 bar 20 bar] Intervalle de mesure [0 bar 20 bar] Intervalle de mesure [0 bar 20 bar] Intervalle de mesure [0 bar 20 bar] Intervalle de mesure [0 bar 20bar] Indiquer la pression à l entrée de la pompe1 Indiquer la pression à l entrée de la pompe2 Indiquer la pression à la sortie de la pompe1 Indiquer la pression à la sortie de la pompe2 C est un régulateur TOR qui permet le réglage de la pression dans la conduite de refoulement de la pompe 1 si elle excède sa pression maximale en service (PMS) Il permet le réglage de la pression dans la conduite de refoulement de la pompe 2 si elle excède sa pression maximale en service (PMS) Y-Strainer 001 Y-Strainer 002 CV 1 CV 2 R1 Strainer (filtre) Diamètre 8 Strainer (filtre) Diamètre 8 Check Valve (clapet anti-retour) Check Valve (clapet anti-retour) Tronçon de pipe Diamètre 8 Diamètre 8 R2 Tronçon de pipe DN 4 R3 Tronçon de pipe DN 4 Diamètre nominal (DN) 4 Débarrasser le pétrole brut à l entrée de la pompe 1 des particules qui se trouvent en suspension (la poussière ) Débarrasser le pétrole brut à l entrée de la pompe 2 des particules qui se trouvent en suspension (la poussière ) Assurer le passage du fluide dans un seul sens (de la pompe 1 vers le refoulement) et l interdire dans le sens inverse Assurer le passage du fluide dans un seul sens (de la pompe 2 vers le refoulement) et l interdire dans le sens inverse C est une conduite destinée à l acheminement de l eau purgée du bac de stockage 101 vers R3 C est une conduite destinée à l acheminement de l eau purgée du bac de stockage 102 vers R3 C est une conduite destinée à l acheminement de l eau purgée de R1 et R2 vers la cave de purge 52

65 R5 Tronçon de pipe DN 6 R4 Tronçon de pipe DN 6 R6 Tronçon de pipe DN 6 R7, R16, R8, R9, R12 R10, R11, R13, R14, R15 Tronçons de pipe DN 8 Tronçons de pipe DN 8 C est une conduite destinée à l acheminement du pétrole du ballon tampon vers R4 C est une conduite destinée à l acheminement du pétrole brut de R5 vers le bac de stockage 101 C est une conduite destinée à l acheminement du pétrole du ballon tampon vers le bac de stockage 102 Ce sont des conduites destinées à l acheminement du pétrole brut des bacs de stockage vers la pompe d expédition. Ce sont des conduites destinées à assurer l expédition du pétrole brut lors de l opération de pompage Note1. L intervalle de mesure des indicateurs de pression et des pressostats est entre 0 et 20, avec 20 bar est la pression nominale (PN) des conduites en acier inoxydable qui sont en amont et en aval de la pompe d expédition PN doit être supérieure à PMS, avec PMS = 15 bar (Tableau 4). Note2. Pour assurer une bonne continuité de fonctionnement lors de l opération de l expédition du pétrole brut, une deuxième pompe de secours doit être installée de façon à remplacer la pompe en service en cas de panne. Cette pompe est incluse dans l offre du fournisseur et a les mêmes caractéristiques que la première. Note3. Au départ du pipeline, il faut installer des pompes surpresseuses (booster) pour alimenter la pompe en service de la station de pompage Ces pompes surpresseuses doivent pouvoir fonctionner avec une légère dépression à l aspiration pour vider les bacs de stockage. La pompe booster est une pompe centrifuge monoétagée branchée en parallèle avec la pompe d expédition et dont le rôle consiste à élever la pression à l aspiration lors du démarrage La pompe booster est arrêtée après un moment du démarrage. 53

66 4.2. Le plan isométrique Le plan isométrique est un dessin coté en trois dimensions qui permet de comprendre la forme des tuyauteries (éléments tubulaires : tubes, raccordement : brides, tés, coudes, ), les représentations unifilaire et bifilaire de ses dimensions (longueurs des tronçons de pipe, angles de coudes), la position des différents constituants de la robinetterie (vannes, clapets..) et le type de connexion entre différents éléments du plan (points de soudure, tronçons de bout ) Ainsi, l élaboration du plan isométrique a pour but de faciliter la préfabrication et le montage des tuyauteries Il existe deux modes de représentation isométrique : La représentation unifilaire La représentation bifilaire Les axes du plan isométrique forment des angles de 120 entre eux. Dans la plupart des cas, l un des axes est choisi vertical (Figure 45). Les parties aspiration et refoulement de la pompe d expédition du pétrole brut sont données par les Figures 46,47 et Figure 45 : Les axes du plan isométrique [16] 54

67 A B Figure 46 : Schéma bifilaire de la partie aspiration (A) et de la partie refoulement(b) de la pompe 55

68 Figure 47 : Schéma unifilaire du plan isométrique de la partie aspiration de la pompe Tableau 10 : La nomenclature de la partie aspiration Numéro Quantité Diamètre Longueur Description (pouces) (mm) Pipe, S/STD SMLS, ASTM A-106 GR B Pipe, S/STD SMLS, ASTM A-106 GR B Pipe, S/STD SMLS, ASTM A-106 GR B ELL (coude), 45 LR S/STD, ASTM A-234 GR WPB Tee (té), STR S/STD, ASTM A-234 GR WPB 6 2 6* Reducer (réducteur), conc S/STD, ASTM A-234 GR WPB 7 2 8* Reducer (réducteur), conc 56

69 S/STD, ASTM A-234 GR WPB FLG (bride), RFWN 150LB S/STD BORE ASTM A FLG (bride), RFWN 150LB S/STD BORE ASTM A Gasket (joint), 3NM THK, 150LB Gasket (joint), 3NM THK, 150LB Gate Valve (vanne à opercule), 150LB FLG Gate Valve (vanne à opercule), 150LB FLG Strainer, 150LB FLG Figure 48 : Schéma unifilaire du plan isométrique de la partie refoulement de la pompe 57

70 Tableau 11 : La nomenclature de la partie refoulement Numéro Quantité Diamètre Longueur Description (pouces) (mm) Pipe, S/STD SMLS, ASTM A-106 GR B Pipe, S/STD SMLS, ASTM A-106 GR B ELL (coude), 90 LR S/STD, ASTM A-234 GR WPB ELL (coude), 90 LR S/STD, ASTM A-234 GR WPB ELL (coude), 45 LR S/STD, ASTM A-234 GR WPB Tee (té), STR S/STD, ASTM A-234 GR WPB 7 2 6* Reducer (réducteur), conc S/STD, ASTM A-234 GR WPB 8 2 8* Reducer (réducteur), conc S/STD, ASTM A-234 GR WPB FLG (bride), RFWN 150LB S/STD BORE ASTM A Gasket (joint), 3NM THK, 150LB Check Valve (clapet antiretour), 150LB FLG Gate Valve (vanne à opercule), 150LB FLG 58

71 Conclusion Le choix de la nouvelle pompe par analyse dimensionnelle ainsi que la détermination des différents éléments de la tuyauterie, robinetterie et instrumentation de la nouvelle station de pompage du pétrole brut, est une phase très importante pour assurer le bon fonctionnement de cette unité. Il reste à déterminer la commande de la nouvelle pompe par une étude électrique qu on va évaluer dans le prochain chapitre. 59

72 Chapitre 3 Partie électrique 60

73 Introduction L équipement électrique d une station de pompage du pétrole brut est un poste très important tant par son coût que par la fiabilité qu il doit offrir. L appareillage doit assurer la protection électrique du personnel, celle du matériel, le démarrage et l interconnexion du groupe motopompe principal ainsi que les auxiliaires. Dans ce chapitre, on va faire une étude des différents composants électriques de la station de pompage, ainsi qu une élaboration du plan électrique de commande du moteur d entrainement de la pompe d expédition du pétrole brut. 1. Moteur d entrainement de la pompe 1.1. Structure Le moteur d entrainement de la pompe est alimenté par une source d énergie alternative. Le moteur d entrainement doit être ainsi une machine électrique à courant alternatif. Les moteurs asynchrones, très robustes, moins encombrants et nécessitants peu d entretien, sont les plus utilisés dans l industrie surtout dans le domaine de pompage des hydrocarbures bruts. Sous sa forme le plus générale, le moteur asynchrone triphasé est un dispositif de conversion électromécanique, comportant : Un stator : C est la partie fixe du moteur. Il est constitué d une armature cylindrique statorique portant trois phases identiques décalées entre elles d un angle électrique égal à. Les circuits statoriques sont logés dans des encoches creusées le long de la génératrice de l alésage statorique (voir Figures 49 et 50). Figure 49 : Stator d'un moteur Asynchrone [19] Figure 50 : Stator feuilleté sans les bobinages [19] 61

74 Un rotor : C est la partie tournante du moteur. Il est constitué d une armature cylindrique rotorique à laquelle est associé un enroulement qui peut être réalisé de deux manières : Trois phases identiques décalées entre elles d un angle électrique égal à. Un système de bagues-balais permet à l utilisateur l accès aux phases rotoriques. Le rotor est appelé dans ce cas rotor à bagues ou rotor bobiné (Figure 51.a). Des barres conductrices en aluminium ou en cuivre court-circuitées par des anneaux brasés ou moulés sur les extrémités des barres, soit une cage d écureuil non accessible. Le rotor est appelé dans ce cas rotor en cage d'écureuil ou en courtcircuit (Figure 51.b). a b Figure 51 : Rotor d un moteur asynchrone : a) en cage d'écureuil, b) à bagues [20] 1.2. Principe de fonctionnement en moteur Lorsqu on alimente les enroulements de l inducteur du moteur asynchrone par un système équilibré triphasé de tension de pulsation ω, un système équilibré de courant circule dans ces enroulements statoriques à la pulsation de la tension. Ces pulsations créent dans l entrefer un champ tournant à la vitesse angulaire Ωs ou : s p 62 2 f p (6)

75 Avec : p : Le nombre de paires de pôles. ω : La pulsation des courants alternatifs et f est la fréquence du réseau d alimentation. Le rotor, soumis au champ tournant de l entrefer, devient le siège d une force électromotrice induite ; il y a donc apparition d un courant induit qui parcourt le circuit rotorique fermé. L interaction entre le champ tournant et le courant rotorique donne naissance à des forces, de type Laplace, qui sont à l origine d un couple qui entraine le rotor en rotation dans le même sens du champ statorique à une vitesse angulaire Ω inférieure à Ω s (Figure 52) L écart entre la vitesse angulaire nominale du moteur asynchrone (MAS) Ω et la vitesse de synchronisme Ω s.est défini par le glissement g. On a : g s (7) Soit N s : La fréquence de rotation du champ statorique dans la machine. On a : 2 N s s (8) 60 Soit N : la fréquence de rotation nominale du MAS. On a : Donc, d après (7), on obtient : 2 N (9) 60 g Ns N (10) N Et d après (6) et (8), on a : 60 f N s (11) p 63

76 Figure 52 : Principe de fonctionnement du MAS [20] 1.3. Choix du moteur Les moteurs asynchrones à rotor en cage sont caractérisés par leur robustesse, leur simplicité d entretien, la facilité de mise en œuvre et leurs couts peu élevés. Par contre, les moteurs à rotor bobiné sont de conception plus complexe que leurs homologues en courtcircuit, leur fiabilité est moins bonne en raison du contact glissant collecteur-balais qui impose une maintenance régulière. Le coût élevé et l évolution de l électronique de puissance ont rendu obsolète ce type de moteur. Par conséquent, le moteur d entrainement de la pompe d expédition sera un moteur asynchrone triphasé (le réseau d alimentation est triphasé) à rotor en court-circuit. Figure 53 : Vue éclatée d un MAS triphasé à rotor bobiné [24] 64

77 Concernant les grandeurs caractéristiques de ce moteur, ils sont déterminés par le choix de la pompe. En effet, la puissance électrique nominale P consommée par le moteur proposé par le fournisseur est de l ordre de 18,5 kw. Pour un moteur électrique triphasé, on a : P 3. U. I.cos (12) Avec : U : la tension nominale imposée par le réseau d alimentation = 380V I : l intensité nominale du courant d alimentation du moteur Cos ϕ : Facteur de puissance nominal du moteur. En se référant aux catalogues des moteurs électriques analogues à celui proposé par le fournisseur, on prend Cos ϕ = 0,78. Ainsi, d après (11), on a : P I n 36A 3. U.cos ,78 (13) Selon le fournisseur (ANNEXE 8), la fréquence de rotation nominale du moteur est N=2950 tr/min, la fréquence de rotation du champ statorique dans le moteur est N s = 3000 tr/min et la fréquence du réseau est f = 50 Hz, alors on a : D après (11), le nombre de paires de pôles est p = 1. Le MAS est donc bipolaire. D après (6), la vitesse angulaire de synchronisme du champ statorique dans le moteur est Ω s = 314,16 rad/s D après (9), la vitesse angulaire nominale de rotation du moteur est Ω = 308,92rad/s D après (10), le glissement nominal du MAS est : g = 0,017 En supposant que l accouplement entre la pompe et le MAS est parfaitement rigide, alors la puissance nominale absorbée par la pompe est la puissance mécanique utile délivrée sur l arbre du moteur (P a = P m ).Le rendement du moteur électrique est : P m P Pa P 14,8 18,5 0,8 65

78 Le couple utile est : C Pm 60Pm 2 N 60* *2950 n 47, 9 Nm Ainsi, on peut dresser le Tableau 12. Service Protection Type Tableau 12 : Caractéristiques du moteur d entrainement Fréquence (Hz) 50 Puissance mécanique fournie (kw) 14,8 Puissance électrique absorbée (kw) 18,5 Facteur de puissance nominale 0,78 Fréquence de rotation du champ statorique (tr min -1 ) S1 (marche continu) Antidéflagrant (II 2G ATEX EExd IIBT4) (ANNEXE 11) IP55 (ANNEXE 12) Triphasé (ph 3), bipolaire (p=1) 3000 Vitesse angulaire de synchronisme (rad/s) 314,16 Fréquence de rotation nominale (tr min -1 ) 2950 Vitesse angulaire de rotation nominale (rad/s) 308,92 Glissement nominal 0,017 Couple nominal (Nm) 47,9 Tensions nominales Y/Δ (V) 380/660 Courants nominales Y/Δ (A) 36/20,78 Rendement (%) 80 Le rendement total d un groupe motopompe est donné par la formule suivante : (14) T p r m Avec : 66

79 η p : Le rendement de la pompe η r : Le rendement du réducteur η m : Le rendement du moteur Pour le groupe motopompe actuelle, on a η p = 0,88, η r = 0,95 (transmission par système poulie-courroie) et η m = 0,45. Donc, d après (14), on a η T (%) = 37,62 Pour le nouveau groupe motopompe, on a η p = 0,516, η r = 1 (accouplement rigide) et η m = 0,8. Donc, d après (14), on a η T (%) = 41,28 Le rendement total du nouveau groupe motopompe est plus important que celui de l ancien groupe. Le bon rendement du moteur asynchrone à cage a compensé le rendement moyen de la pompe centrifuge. Figure 54 : Plan d encombrement général du groupe électropompe 1.4. Couplage et raccordement Le raccordement au réseau (ou à un variateur) d un moteur asynchrone (MAS) triphasé, passe par un bornier (plaque à borne) protégé par un boîtier fixé sur le moteur. L'accès au boîtier se fait généralement en démontant un couvercle étanche situé sur le dessus. L'entrée du ou des câbles se fait par un (ou plusieurs) presse-étoupe chargé d'assurer l'étanchéité ainsi que le maintien mécanique du câble d'alimentation. Les six bornes des trois enroulements (phases) du stator d un MAS triphasé sont toujours placées de la même manière sur la plaque à bornes. Cette organisation particulière 67

80 permet le couplage soit en étoile, soit en triangle, suivant une procédure simple et standardisée : Si la tension entre phases (tension composée) du réseau d alimentation correspond à celle de l enroulement du moteur, le branchement doit être en triangle. Exemple : Moteur : 380V/660V, Réseau : 220V/380V. Si la tension entre phases du réseau d alimentation est plus élevée (dans un rapport de ), il faut réaliser un couplage étoile. Exemple : Moteur : 230V/400V, Réseau : 230V/400V. Une fois défini, le couplage (étoile Y ou triangle Δ) sera réalisé grâce à des barrettes de couplages positionnées dans la boite à bornes du moteur de la façon ci-dessous : Figure 55 : Les types de couple d un MAS triphasé [22] Comme la tension entre phases du réseau d alimentation à vide est U = 400V et celle de l enroulement du moteur d entrainement possède une gamme de tensions > 380V, le couplage adéquat dans ce cas est le couplage triangle Les procédés de démarrage Démarrage direct Le démarrage direct du MAS triphasé est le procédé de démarrage le plus simple. En effet, les enroulements du stator sont directement couplés sur le réseau en Δ. Le démarrage direct du MAS est marqué par les avantages suivants : Simplicité de l appareillage de commande Couple de démarrage C d important (C d = 0.5 à 1.5 C n) Démarrage rapide (2 à 3 secondes) 68

81 Néanmoins, ce type de démarrage présente quelques inconvénients à savoir : La pointe de courant lors de la mise sous tension (I d) est très élevée (I d = 5 à 8 I n ). Cette forte pointe de courant peut provoquer, si la section de la ligne d alimentation est insuffisante, une chute de tension susceptible d affecter le bon fonctionnement du récepteur. Démarrage brutal Note. Le démarrage direct est réservé aux moteurs de petites puissances (P ) ou de puissance faible par rapport à la puissance du réseau (pour limiter les perturbations dues à l'appel de courant) et aux moteurs nécessitant un couple de démarrage élevé Démarrage étoile-triangle Ce type de démarrage ne peut être utilisé qu aux moteurs dont les six bornes sont accessibles et dont le couplage triangle correspond à la tension du réseau (par exemple : pour une tension réseau 380V, il faut un moteur 380V Δ/660V Y). Le démarrage Y/Δ s effectue en 2 temps : Premier temps : Mise sous tension et couplage étoile des enroulements statoriques. Le moteur se trouve sous une tension réduite égale à la tension du réseau divisée par soit environ 58% de la tension nominale. Concernant le couple, il est égal au tiers du couple électromagnétique pendant le démarrage direct. En effet, le couple est proportionnel au carré de la tension La pointe de courant de démarrage est divisée par 3, soit donc un courant I d = 1,3 à 2,6 I n Deuxième temps : Suppression du couplage étoile, et mise en couplage triangle. Le moteur est alimenté sous pleine tension égale à celle du réseau. Figure 56 : Les étapes du démarrage Y/Δ [23] 69

82 L effet de ce procédé de démarrage sur le couple électromagnétique et le courant du moteur est élucidé par les courbes suivantes : Figure 57 : Courbes caractéristiques du couplage étoile-triangle [24] Le démarrage Y/Δ du MAS est marqué par les avantages suivants : Le couple de démarrage est plus faible qu en direct et donc moins perturbant pour le réseau. On a C d = 0,2 à 0,5 C n Faible complication d appareillage d où son cout modeste. Néanmoins, ce type de démarrage présente quelques inconvénients à savoir : Couple de démarrage faible ce qui augmente la durée du régime transitoire du moteur (avant que le moteur atteigne sa fréquence de rotation nominale). Coupure de l alimentation et courants transitoires importants au passage étoile/triangle. Note. Le démarrage étoile-triangle convient aux machines qui ont un faible couple résistant ou qui démarrent à vide Démarrage par autotransformateur Le démarrage par autotransformateur s'effectue en trois temps : Premier temps : L'autotransformateur est d'abord couplé en étoile, puis le moteur est couplé au réseau à travers une partie des enroulements de l'autotransformateur. Le démarrage s'effectue sous une tension réduite qui est fonction du rapport de transformation. L'autotransformateur est généralement muni de prises permettant de choisir le rapport de transformation, donc la valeur de la tension réduite la mieux adaptée. 70

83 Dans cette période, on a I d =1.7 à 4 I n. Concernant le couple, il est très réduit mais il est plus élevé avec une pointe d intensité plus faible. C d = 0.4 à 0.85 C n Deuxième temps : Avant de passer au couplage plein tension, l'entoilage est ouvert. La fraction de bobinage raccordée au réseau constitue alors une inductance en série avec le moteur. Cette opération est effectuée lorsque la vitesse d'équilibre est atteinte à la fin du premier temps. Troisième temps : le couplage plein tension intervient après le deuxième temps généralement très court (de l ordre d une fraction de seconde). La portion de bobinage de l'autotransformateur en série avec le moteur est courtcircuitée, puis l'autotransformateur est mis hors circuit. Figure 58 : Les temps du démarrage par autotransformateur [26] Les avantages du démarrage par autotransformateur sont : Possibilité de choisir le couple de décollage. Réduction de l appel du courant. Démarrage en 3 temps sans coupure. Mais ce procédé ne manque pas d inconvénients dont le plus important est le prix d achat élevé de l équipement nécessaire à le réaliser. Note. Le démarrage par autotransformateur est utilisé en général pour les machines de puissances > 100 kw. Exemple : Compresseurs rotatifs à piston, les pompes... 71

84 Démarrage par résistances statoriques Le principe de ce procédé consiste à démarrer le moteur à induction sous tension réduite en insérant un ou plusieurs groupes de résistances en série avec les enroulements statoriques. Lorsque la vitesse se stabilise, les résistances sont éliminées et le moteur est couplé directement sur le réseau. Cette opération est généralement commandée par un temporisateur. Elle s effectue en 2, 3, 4... temps selon le nombre de groupes de résistances insérées (le nombre de temps de départ moteur croit avec le nombre de groupes de résistances insérées). La détermination de temps de démarrage se fait suivant la puissance du moteur. Figure 59 : Démarrage par résistances statoriques 3 temps [26] Exemple (Figure 59) : Premier temps : On met en série avec chaque phase du stator deux groupes de résistances R1et R2 en série ; fermeture du contacteur KM1 Deuxième temps : On court-circuit les résistances R2 ; fermeture du contacteur KM2 Troisième temps : On court-circuit les résistances R1 ; fermeture du contacteur KM3 La valeur de la résistance est calculée en fonction de la pointe de courant au démarrage à ne pas dépasser, ou de la valeur minimale du couple de démarrage nécessaire compte tenu du couple résistant de la machine entraînée. En général, les valeurs de courant et de couple de démarrage sont : I d = 4,5 I n et C d = 0,75 C n. 72

85 3 ème temps 2 ème temps 3 ème temps 1 er temps 1 er temps 2 ème temps Couple résistant Figure 60 : Variation du courant et du couple en fonction de la vitesse pour le démarrage par résistances statoriques [27] Pendant la phase d'accélération avec les résistances, la tension appliquée aux bornes du moteur n'est pas constante. Cette tension est égale à la tension du réseau diminuée de la chute de tension dans la résistance de démarrage. La chute de tension est proportionnelle au courant absorbé par le moteur. Comme le courant diminue au fur et à mesure de l'accélération du moteur, il en est de même pour la chute de tension dans la résistance. La tension appliquée aux bornes du moteur est donc minimale au moment du démarrage, et elle augmente progressivement. Par contre, L intensité maximale se situe lors de la mise sous tension, puis elle diminue au cours du temps. Le couple, étant proportionnel au carré de la tension aux bornes du moteur, augmente plus rapidement que dans le démarrage étoile-triangle où la tension reste fixe pendant tout le temps du couplage étoile. Les avantages de ce type de démarrage sont : Possibilité de réglage des valeurs au démarrage Pas de coupure d alimentation pendant le démarrage. Forte réduction des pointes de courants transitoires La tension d alimentation est très fortement réduite au moment de démarrage, car l appel du courant reste important. Couple moteur croissant pendant le démarrage et démarrage plus progressif qui convient bien aux machines ayant un couple résistant croissant avec la vitesse, comme par exemple les ventilateurs ou les pompes centrifuges. Les inconvénients du démarrage par résistances statoriques sont : Perte de puissance dans les résistances 73

86 Appel du courant plus important qu en étoile-triangle. La pointe de courant au démarrage pourrait être réduite en augmentant la valeur de la résistance, mais cela entrainerait une chute de tension supplémentaire aux bornes du moteur, et par conséquent une diminution importante du couple du démarrage. Le couple de démarrage est diminué par rapport au démarrage direct Durée de démarrage longue (de 7 à 12s) qui dépasse la durée du démarrage étoiletriangle (de 3 à 7 s). Note. Ce démarrage convient aux machine à forte inertie et dont le couple de départ est faible Démarrage progressif Le démarrage progressif se fait par gradateur. Le gradateur est un convertisseur statique alternatif-alternatif qui permet de faire varier la valeur de la tension efficace aux bornes d'une charge telle qu'un moteur sans changer la fréquence de l'onde alternative de la source. En effet, le gradateur se comporte comme un interrupteur. Il permet d établir ou d interrompre la liaison entre la source de tension et le récepteur. Cet interrupteur peut être réalisé soit avec un seul composant : le triac (pour les faibles puissances < 10 kw) soit en assemblant deux thyristors tête-bêche pour les puissances supérieures. Pour le cas du gradateur tête-bêche, la commande de l angle d amorçage α permet de réduire la tension efficace appliquée à la charge. Ainsi, La tension aux bornes du récepteur évolue en fonction de la commande des thyristors. Le réglage de l intensité du courant débité par la source permet de moduler l énergie absorbée par le récepteur. Figure 61 : Principe de fonctionnement d un gradateur de tension tête-bêche [29] 74

87 En groupant 3 montages élémentaires monophasés, on constitue un gradateur triphasé qui sera largement utilisé dans l'industrie où les charges sont souvent triphasées. L'application principale de ce gradateur se situe au niveau du démarrage électronique des moteurs asynchrones. La structure d'un tel convertisseur est représentée par la Figure 62 : Figure 62 : Principe du démarrage par gradateur de tension [29] La commande du MAS s effectue par angle de phase. Cette commande consiste à laisser passer le courant durant un temps plus ou moins long de la demi-période. Ce temps est défini par le rapport cyclique qui est le rapport du temps de fermeture divisé par la demipériode, il est donc compris entre 0 et 1. Quand il est égal à 0 la tension de sortie est quasiment nulle et quand il est égal à 1, la tension de sortie est la même que celle de l'entrée (du réseau). Le démarrage du moteur s effectue toujours sous un rapport cyclique nul. Ainsi, le gradateur provoque la montée progressive de la tension aux bornes du moteur. On peut réduire l intensité de démarrage à une valeur précise en agissant sur l angle de commande des thyristors. Pour cela, on doit réduire la tension efficace ce qui limite le couple moteur au démarrage. On doit donc s assurer en permanence que le couple de démarrage soit supérieur au couple résistant du système à entraîner. Ce type de démarrage est marqué par les avantages suivants : Les composants de type thyristors étant très robustes, le montage gradateur est particulièrement fiable. Augmentation de la durée de vie du moteur 75

88 En revanche, il y a des inconvénients pour ce type de démarrage : La forme de la tension appliquée à la charge étant très déformée, elle génère des échauffements supplémentaires et de nombreuses perturbations sur le réseau. Le couple de démarrage est quasiment faible (C d = 0,5 C n ) Démarrage par variateur de vitesse Le variateur de vitesse est un équipement électrotechnique alimentant un moteur électrique de façon à pouvoir faire varier sa vitesse de manière continue, de l'arrêt jusqu à sa vitesse nominale. Il est constitué d'un redresseur combiné à un onduleur (voir FIGURE 63). Le redresseur va permettre d'obtenir un courant quasi continu. À partir de ce courant continu, l'onduleur, qui est de type MLI (à modulation de largeur d'impulsion) va permettre de créer un système triphasé de tensions alternatives dont on pourra faire varier la valeur efficace et la fréquence. L'électronique de commande réalise la régulation et l'asservissement de la machine à travers le convertisseur statique continu-alternatif de sorte que l'utilisateur puisse commander directement une vitesse. Sa conception dépend essentiellement de la stratégie de commande choisie. Pour le démarrage d un MAS triphasé, l onduleur MLI commande l ensemble moteur-variateur de telle sorte que la tension efficace V s et la fréquence statoriques et f s soient liées par la loi V s = β f s ou β est une constante. Le fait de conserver le rapport de la valeur efficace du fondamental de la tension par la fréquence (V s /f s ) constant permet de maintenir un flux tournant constant dans la machine, le couple maximum constant et donc de maintenir constante la fonction reliant la valeur du couple en fonction de (N s -N). Donc, on peut écrire pour la partie linéaire de la caractéristique couple-vitesse : Cem = Cte* g*n s = Cte* (N s -N). Les avantages de ce procédé de démarrage sont : Démarrage en douceur Limitation de courant. Cependant, le démarrage par variateur de vitesse présente plusieurs inconvénients à savoir : Technique couteuse Ce procédé est générateur de courants harmoniques qui engendrent des pertes par effet joule. 76

89 Figure 63: Principe du démarrage par variateur de vitesse [30] 2. Equipement électrique 2.1. Généralités L installation électrique d une station de pompage comporte : A partir de la ligne haute ou moyenne tension : Une cellule d arrivé Une cellule de protection et de coupure Un transformateur. A partir de la ligne basse tension (BT) : Les organes de livraison, de comptage, de protection et de coupure (le TGBT) en cas de liaison directe à un réseau basse tension. L armoire de commande du moteur électrique d entrainement de la pompe Le transformateur Il existe un transformateur triphasé connecté au réseau moyenne tension qui assure l abaissement de la tension à des niveaux consommables par les pompes Booster branchées en parallèle avec les pompes volumétriques existantes. 77

90 Figure 64 : Le transformateur de la station de pompage Ce transformateur va servir à distribuer l énergie nécessaire au fonctionnement du moteur électrique de la nouvelle pompe d expédition déjà dimensionnée. Les caractéristiques du transformateur d alimentation sont données par le tableau suivant : Tableau 13 : Caractéristiques du transformateur d alimentation Numéro 3436 Marque ONAN Année de fabrication 1988 Poids (kg) 1667 Type Triphasé abaisseur Norme UTE Fréquence (Hz) 50 Puissance apparente nominale : S n (KVA) 250 Couplage primaire/secondaire YN/yn Tension nominale au primaire : U 1 (kv) 30 Tension nominale au secondaire (à vide) : U 2 (V) 400 Courant nominal au primaire(a) 4,81 Courant nominal au secondaire (A) 360,8 Tension de court-circuit (%) 4,03 78

91 Le couplage primaire/secondaire est YN/yn, donc m=m L. Avec : U U 2 m et 1 N m L N 2 1 Ou N 1 et N 2 représentent respectivement le nombre de spires des enroulements primaire et secondaire du transformateur. L e transformateur est muni d un curseur qui permet de modifier le nombre de spires au bobinage secondaire N 2 tout en maintenant N 1 constante et par suite diminuer la tension U 2 qui peut atteindre 380V L armoire électrique A l intérieur d une armoire électrique de la station de pompage, on trouve : Un sectionneur général Les fusibles HPC (Haut Pouvoir de Coupure) du sectionneur et ceux des circuits auxiliaires, et les parafoudres Les équipements de démarrage (direct, étoile-triangle, à résistances statoriques) pour les pompes et équipements annexes ainsi que leur protection. Des accessoires tels que thermostat, condensateurs, éclairage de secours, etc. Une mise à la terre. Figure 65 : Exemple d une armoire électrique de commande Choix de l équipement de démarrage Après avoir étudié les principes des différents procédés de démarrage du MAS d entrainement d une pompe d expédition du pétrole brut, ainsi que leurs avantages et inconvénients, il faut déterminer le mode de démarrage convenable pour un bon fonctionnement du moteur. 79

92 Lors d une opération d expédition, la pompe centrifuge est entrainée par le moteur à une vitesse constante (vitesse nominale). La modification du débit est obtenue par vannage au refoulement. Ainsi, on n a pas besoin d utiliser le procédé de démarrage par variateur de vitesse. Le démarrage direct est réservé aux moteurs de petites puissances (P ), alors que le démarrage par autotransformateur est destiné généralement pour les machines de puissances > 100 kw. Comme la puissance électrique nominale du moteur d entrainement de la pompe choisie est de l ordre de 18,5 kw, donc ces deux procédés de démarrage ne vont pas être utilisés. Pour la pompe centrifuge choisie, le couple au décollage est de l ordre de 10 à 25 % du couple à pleine charge (Figure 66). Le démarrage se fait avec une vanne de refoulement fermée. Cette fermeture ne doit durer que quelques secondes et ceci afin d éviter l échauffement de l installation et par conséquent, il y a risque de détérioration de la tuyauterie, de la robinetterie et du moteur. La remise en route de la pompe peut se faire vanne ouverte avec un couple plus élevé. Figure 66 : Variation schématique du couple de démarrage en fonction de la vitesse [3] Le démarrage par résistances statoriques convient bien à cette condition. Mais ce type de démarrage est peu utilisé dans le domaine de pompage à cause des pertes par effet joule qu il engendre par les résistances. En plus la durée de démarrage est la plus longue. Le choix reste donc limité entre le démarrage étoile-triangle et le démarrage progressif. 80

93 Démarrage étoile-triangle Démarrage progressif Démarrage direct Figure 67 : Comparaison entre les caractéristiques de différents modes de démarrage [29] On a C d = 0,2 à 0,5 C n pour le démarrage étoile-triangle et C d = 0,5 C n, donc ces deux procédés permettent d assurer le fonctionnement de la pompe d expédition. Mais le mode de démarrage Y/Δ est plus simple et moins onéreux. Par conséquent, on a choisi la technique étoile-triangle comme solution adéquate pour le démarrage du MAS d entrainement de la pompe d expédition Schéma électrique développé Pour le démarrage étoile-triangle du moteur on a choisi la variante représentée par le circuit de puissance dans le schéma multifilaire de la Figure 68 : Figure 68 : Circuit de puissance d un démarrage Y/Δ un sens de rotation 81

94 Avec : L1, L2, L3 : alimentation triphasée KM1 : contacteur de ligne Q2 : sectionneur porte fusibles KM2 : contacteur couplage triangle F2 : relais thermique KM3 : contacteur couplage étoile M : MAS triphasé Le circuit de commande arrêt prioritaire concernant le démarrage Y/Δ est le suivant : Figure 69 : Circuit de commande d un démarrage Y/Δ un sens de rotation Avec : Q2 : contact auxiliaire du sectionneur porte-fusibles F2 : contact auxiliaire du relais thermique S1 : bouton poussoir arrêt S2 : bouton poussoir marche KM1-1 : contact auxiliaire de maintien KM1-2 : contact auxiliaire à fermeture retardée KM1-3 : contact auxiliaire à ouverture retardée KM2-1 : contact pour verrouillage électrique KM3-1 : contact pour verrouillage électrique KM1 : bobine du contacteur de ligne KM2 : bobine du contacteur couplage triangle KM3 : bobine du contacteur couplage étoile 82

95 Du schéma multifilaire développé constitué des circuits de puissance et de commande précédents, on peut déduire le principe de fonctionnement du procédé de démarrage choisi : Lorsque l utilisateur appuie sur le bouton poussoir S2, le contacteur KM1 se met sous tension. Le contact KM1-1 permet de maintenir l alimentation de KM1 lorsque l utilisateur relâche S2.Le contacteur KM3 est alimenté en même temps que KM1.Le moteur démarre couplé en étoile. Trois secondes après la mise sous tension de KM1, le contact KM1-3 s ouvre, le contact KM1-2 se ferme. Le contacteur KM3 s ouvre, puis le contacteur KM2 se ferme, le moteur est maintenant couplé en triangle. Le verrouillage électrique formé par KM2-1 et KM3-1 permet d éviter la fermeture simultanée de KM2 et KM3.Le démarrage est terminé. L appui sur le bouton poussoir S1 ouvre le circuit d alimentation de la bobine de KM1, le contact KM1-1 retombe, le contacteur n étant plus alimenté, les pôles principaux s ouvrent, le moteur est mis hors tension. KM2 et KM3 retombent en même temps que KM1. Le chronogramme conforme au fonctionnement du système est donné par la Figure 70. Figure 70 : Le chronogramme de fonctionnement du procédé de démarrage Y/Δ Remarque. Plus on augmente la durée de la temporisation, plus on diminue le courant transitoire au passage du couplage étoile au couplage triangle Les composants électriques Les composants électriques utilisés dans le procédé de démarrage Y/Δ sont de deux types ; de commande et de protection. 83

96 Les contacteurs de commande Tous récepteurs qui se placent dans le circuit de commande s appellent organes ou contacteurs de commande Le contacteur à courant alternatif Le contacteur est un dispositif de connexion mécanique, destiné à la commande électromagnétique d ouverture et de fermeture de circuits. Il doit être capable d établir, de supporter et d interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, y compris les conditions de surcharges en service. L intérêt du contacteur est de pouvoir être commandé à distance. Une photo numérique ainsi que le symbole du contacteur sont illustrés sur la Figure 71 Circuit de commande Circuit de puissance Figure 71 : Contacteur et son symbole électrique [32] Blocs et relais auxiliaires Les contacteurs auxiliaires sont des contacteurs dont le bloc de contact est prévu pour le couplage des circuits auxiliaires (circuits de commande, de signalisation et de verrouillage). Ils existent sous forme de relais autonome ou sous forme de bloc qui se monte sur un contacteur Le relais temporisé Le relais thermique est composé de : Une bobine Un ou plusieurs contacts à action temporisée par rapport à l excitation de la bobine qui ouvre ou ferme le ou les contacts avec un retard réglable. Si le retard a lieu après l alimentation du pré-actionneur sur lequel ils sont dépendants, il s agit alors d une fermeture retardée et le contact utilisé est un contact à fermeture temporisé à la fermeture (NO). Si le retard a lieu après la coupure du pré-actionneur 84

97 sur lequel ils sont dépendants, il s agit alors d une ouverture retardée et le contact est un contact à ouverture temporisé au relâchement (NC) Figure 72 : Un relais temporisé et son symbole selon son type [32] Remarque. Le mouvement retardé se fait dans le sens du déplacement de l arc vers son centre Les dispositifs de condamnation Ces dispositifs sont les verrouillages électrique et mécanique. En plus du verrouillage électrique, le verrouillage mécanique permet d empêcher le couplage simultané étoile ET triangle, par l enclenchement des deux contacteurs KM2 et KM3 en même temps, que se soit par impulsion ou par commande manuelle. Figure73 : Le dispositif de condamnation mécanique et son symbole [1] Figure 74 : Le dispositif de condamnation électrique et son symbole [1] 85

98 Les dispositifs de protection électrique Objectif L armoire électrique doit contenir de dispositifs qui assurent la protection des matériels électriques de l installation de pompage ainsi que le personnel. Cette protection a pour objectifs : D interrompre en quelques millisecondes les courants correspondants à des courtscircuits, c.à.d. ceux qui dépassent très rapidement et très largement le courant assigné d emploi. D interrompre en quelques secondes, voire quelques minutes, les courants correspondants à des surcharges, c.à.d. ceux qui dépassent de peu le courant assigné d emploie. Le tableau suivant fait l étude des surintensités dues aux surcharges ou aux courtcircuits. Tableau 14: Etude des surintensités [10] Surcharges Court-circuit (I CC ) Temporaire Prolongée Démarrage d un moteur Blocage intempestif d un moteur Connexion transformateur Pas ou peu de risque de détérioration si l incident est fréquent Rupture d une phase Sectionnement et mise en d alimentation d un moteur Moteur en dépassement de charge Fonctionnement abusif simultané de plusieurs appareils électriques Risques encourus Echauffement Vieillissement des isolants Destruction des isolants Incendie Accidents corporels par brulures contact de câbles d alimentation d énergie électrique. Défaut d isolement dans un appareil électrique Sectionnement et détérioration des câbles d alimentation Détérioration complète ou partielle d un équipement électrique Risque d accident corporel 86

99 Protection envisagée Pas de coupure Coupure d autant plus important que l amplitude de la surcharge est importante par brulure ou électrocution Forces électrodynamiques importantes pouvant détériorer le matériel Coupure immédiate Le sectionneur porte-fusibles Le sectionneur est un appareil électrique de protection capable d ouvrir ou de fermer un circuit électrique. Il permet de séparer un équipement électrique en aval de sa source d alimentation. L ouverture et la fermeture du circuit se fait de manière frontale ou latérale (par une poignée). Il est également muni de fusibles dont leur rôle est de protéger l équipement électrique contre les courts-circuits. Cet appareil n a pas de pouvoir de coupure, il ne doit pas être manœuvré en charge. Il peut être équipé d un dispositif de cadenassage afin de verrouiller la mise en/hors énergie de l installation. Le sectionneur porte-fusibles assure donc deux fonctions principales : L isolement de la source d alimentation et de l équipement électrique Protection contre les courts-circuits grâce aux cartouches fusibles Une photo numérique ainsi que le symbole électrique du sectionneur porte-fusibles est donné par la Figure 75 : Poignée de commande (dispositif de manœuvre) Circuit de puissance Circuit de commande Figure 75 : Un sectionneur porte-fusibles tripolaire et son symbole [33] 87

100 Les contacts principaux (1-2, 3-4, 5-6) permettent de réaliser l isolement de la machine par rapport au réseau ce qui est obligatoire avant toute intervention. Les contacts dits de pré coupure (13-14, 23-24) insérés dans le circuit de commande sont décalés dans le temps afin d assurer la fermeture du circuit de puissance avant celui de commande ou l inverse lors de l ouverture Les fusibles En électricité et en électronique, un fusible est un organe de sécurité dont le rôle est d interrompre le courant électrique dans le circuit électrique qu il protège en cas de défaut. Son nom vient du fait qu il fonctionne par fusion d un filament. Pouvoir de coupure : C est le courant de court-circuit maximum qui peut être coupé par la cartouche fusible Référence de la cartouche Conformité aux normes Tension nominale Calibre du fusible : C est le courant nominal pouvant traverser la cartouche fusible sans provoquer ni fusion ni échauffement excessif Type de la cartouche Marque du fusible Figure 76 : Les caractéristiques des fusibles [34] Il existe plusieurs types de fusibles dont le plus important est le fusible de type am car c est un cartouche à usage industriel, pour l accompagnement moteur (écriture verte) : ce type de fusible est prévu pour protéger uniquement contre les courts-circuits. En outre, il est utilisé pour résister à certaines surcharges passagères comme celles qui se produisent au moment des démarrages moteurs. Ces fusibles sont généralement associés à des relais thermiques. Figure 77 : Un fusible et son symbole électrique [34] 88

101 Le relais thermique Le relais thermique est un appareil qui protège le moteur de toute surcharge en coupant l alimentation au niveau du contacteur pour éviter que l enroulement du moteur soit soumis à un échauffement inadmissible. Cette protection permet d assurer le contrôle du courant absorbé sur chacune des phases du moteur et d éviter le déséquilibre ou l absence des phases du moteur. Ceci permet d optimiser la durée de vie du moteur en interdisant son fonctionnement dans des conditions anormales d échauffement, tout en assurant au maximum la continuité de marche de la machine entrainée en évitant des arrêts intempestifs. Le relais thermique comporte : Trois bilames Un enroulement chauffant bobiné autour de chaque bilame, raccordé en série avec une phase du moteur Un dispositif mécanique, lié aux bilames, assure l ouverture et la fermeture des contacts auxiliaires du relais. Circuit de puissance Circuit de commande Figure 78 : Relais thermique et son symbole électrique [35] 2.4. Le TGBT Le Tableau Général Basse Tension (TGBT) est un tableau qui lie le réseau de distribution (transformateur) au réseau BT de la station de pompage, tout en permettant une protection et une adaptation de tension aux équipements électriques de cette dernière. Le TGBT contient un Disjoncteur Général Basse Tension (DGBT) suivi d un câble en cuivre qui alimente le jeu de barres de distribution. Ce jeu de barres est connecté à plusieurs disjoncteurs de départ (Dd) dont chacun est relié à un récepteur (moteur électrique). La disposition du TGBT dans le réseau BT est explicitée par le schéma unifilaire de la Figure

102 TGBT Dd1 Figure 79 : L emplacement du TGBT dans le réseau BT [36] L e DGBT et les disjoncteurs de départ sont des disjoncteurs à déclenchement magnéto-thermique. Ce type de disjoncteur est capable d établir, de supporter et d interrompre un courant de surcharge ou un courant de court-circuit afin de protéger l installation électrique et les conducteurs situés en aval. Il est composé d un relais de protection thermique (protection contre les surcharges moyennes et de longues durées) et d un relais de protection magnétique (protection contre les surcharges importantes et de courtes durées). Figure 80 : Disjoncteur magnéto-thermique et son symbole électrique ([1], [10]) 3. Dimensionnement des composants électriques Le dimensionnement des composants électriques du réseau BT de l installation de pompage du pétrole brut est nécessaire voire indispensable. Ce dimensionnement concerne 90

103 surtout les éléments de protection contre les surintensités. Les éléments électriques dimensionnées se trouvent en aval du jeu de barres (Figure 79). On commence ainsi par un choix judicieux des composants électriques du circuit de puissance relatif au démarrage étoile-triangle dans un seul sens de rotation du moteur d entrainement de la pompe (Figure 68), et ceci en utilisant la méthode des tableaux Schéma de puissance Détermination de l intensité du courant du moteur Figure 81 : Détermination de l intensité nominale du moteur [1] Le moteur d entrainement de la pompe est alimenté sous une tension U 2 = 380V et sa puissance électrique est de l ordre de 18,5 kw. On lit l intersection de la colonne tension 380V et la ligne puissance 18,5kW, l intensité nominale du moteur est égale à 37A. 91

104 Choix du relais thermique Le choix du relais thermique est effectué selon l intensité du courant de réglage I r qui doit être égale à l intensité nominale de courant I n du MAS. Ce choix se fera donc pour que la valeur de l intensité à régler se situe si possible vers le milieu de la plage de réglage. Figure 82 : Choix du relais thermique [1] La plage la mieux adaptée est de 25 A 40 A. On lit la référence du relais thermique directement à la fin de la ligne : La référence du relais thermique est LRD 340. Le tableau de la Figure 82 donne une indication sur la valeur des fusibles à choisir : Les fusibles sont de type am 40 A. Le tableau de la Figure 82 indique également que le relais thermique doit se monter avec un contacteur dont la référence comporte les indications suivantes : D40A jusqu à D65A. 92

105 Choix du contacteur Figure 83 : Choix du contacteur [1] On cherche, dans le tableau de la Figure 83, la colonne 380/400V et la ligne où il y a 18,5kW, ce qui donne une première référence incomplète qui est : LC1 D40A** (cela correspond à l indication du relais thermique). Les deux points à la fin de cette référence correspondent à la tension d alimentation de la bobine qui est de 24 V. A l intersection de la colonne 24 et de la ligne 50/60 Hz, on lit B7. La référence du contacteur est donc : LC1 D40A B Choix des blocs de contacts auxiliaires temporisés Figure 84 : Choix des blocs auxiliaires temporisés [1] 93

106 Pour avoir une fermeture retardée de 3 secondes du contact KM1-2 et une ouverture retardée de 3 secondes du contact KM1-3, on utilise deux blocs auxiliaires temporisés (Figure 68). D après le tableau de la Figure 84, la référence du contact à ouverture retardée : LAD T2, alors que la référence du contact à fermeture retardée : LAD R Choix des dispositifs de condamnation mécanique et électrique Pour éviter la fermeture simultanée des contacteurs KM2 et KM3, on utilise deux dispositifs de condamnation mécanique et électrique. Figure 85 : Choix du dispositif de condamnation mécanique [1] Figure 86 : Choix du dispositif de condamnation électrique [1] 94

107 D après le tableau de la Figure 85, la référence du dispositif de condamnation mécanique est LAD 4CM D après le tableau de la Figure 86, la référence du dispositif de condamnation électrique est LAD 8N Choix du sectionneur porte-fusibles On choisit un sectionneur porte-fusibles tripolaire avec 2 contacts de précoupure, sans dispositif contre la marche en monophasé et avec une poignée de commande latérale. Figure 87 : Choix du sectionneur porte-fusibles [1] D après le tableau des blocs nus tripolaires de la Figure 87, la référence du sectionneur porte-fusible est GK1 FS. 95

108 Ce sectionneur est conçue pour supporter une intensité maximale du courant de 125A à travers des fusibles de 40A de type am de dimension 22/58, ce qui est largement suffisant pour le moteur d entrainement car le courant I n = 37A. D après le tableau des dispositifs de commande de la Figure 87, la référence de la poignée de commande est GK1 AP07. Note. 22/58 veut dire que le corps du fusible a un diamètre de 22mm et une longueur de 58mm Choix des fusibles Figure 88 : Choix des fusibles [1] On sait maintenant que les fusibles doivent avoir une dimension de 22/58 et doivent être des fusibles de type am et que leur calibre doit être égale à 40A. On se situe tout d abord à l endroit des dimensions correspondantes et on lit la référence des fusibles. On conclut, d après le tableau de la Figure 88, que la référence des fusibles est DF2 FA40. 96

109 3.2. Câbles et disjoncteur de départ Choix des câbles D après catalogue Tunisie câbles, la chute de tension ΔU dans un câble à usage industriel est de l ordre de 5%. Donc, on a : 5*380 U 19V 100 En supposant que le facteur de puissance du câble est de l ordre de 0,8 (d après catalogue Tunisie câbles), l intensité du courant traversant le câble en aval du jeu de barres est : P I 35, 13A 3. U.cos ,8 Or, on a : U 3. L. I. Z (14) Avec : L : longueur du câble électrique à partir du jeu de barres = 130 m = 0,13 km I : Intensité du courant nominale traversant le câble = 35,13 A Z : impédance du câble (en Ω) Le réseau BT est un réseau triphasé, sans neutre, avec 4 câbles : 3 câbles à l air libre et un câble de protection PE (enterré dans la terre), tous sont en cuivre (3 phases+terre). Ainsi, d après le tableau de la Figure 89, le choix se fera pour que la valeur de l intensité du câble enterré en régime permanent soit supérieure ou égale à l intensité nominale (35,13A). Donc les sections qu on peut utiliser sont : 2,5 mm² mm². 97

110 Figure 89 : Choix des câbles [2] Le choix se fera aussi pour que la chute de tension soit inférieure ou égale à 19V. Pour les impédances des câbles dont le choix est limité dans le tableau de la Figure 89 et en utilisant la formule 14, on peut dresser le Tableau 15 illustrant les chutes de tension correspondantes aux différentes sections : Tableau 15 : Calcul des chutes de tension Section (mm²) Impédance Z (Ω) ΔU (V) 4 x 4 8,25 65,26 4 x 6 5,5 43,5 4 x 10 3,3 26,1 4 x 16 2,1 16,61 98

111 La section adéquate des câbles sera donc 16 mm² Le choix du disjoncteur de départ Pour s'assurer de "l'ouverture" du dispositif de protection en cas de court-circuit, on est amené à déterminer pour chaque "branche" de l'installation, le courant de court-circuit : MAXIMAL (I cc MAX ) qui permet de déterminer le pouvoir de coupure minimum (PdC) du dispositif de protection MINIMAL (I cc MIN ) qui permet de vérifier qu'un court-circuit franc triphasé en bout de ligne provoque bien "l'ouverture" du dispositif de protection Le dispositif de protection qu on va dimensionner est le disjoncteur à déclenchement magnéto-thermique de départ (Dd1) qui assure la protection du MAS d entrainement de la pompe choisie et dont l emplacement est explicité dans la Figure 79. La valeur du courant de court-circuit au secondaire d'un transformateur est donnée par le Tableau16. Tableau 16: Détermination du courant de court-circuit au secondaire du transformateur [36] Puissance apparente du transformateur (kva) U 2 = 220/230 V U 2 = 380/400 V I n (A) I cc (A) I n (A) I cc (A) On lit que pour une puissance apparente S = 250 kva et une tension BT de 380/400V : le I cc1 est de l ordre de 8692A soit 8,7kA. 99

112 Le DGBT se trouve en aval du transformateur. On peut estimer que le I cc juste en dessous du DGBT est égal au I cc au secondaire du transformateur. Donc le Pouvoir de coupure du DGBT doit être 8,7kA. On connaît désormais le courant de court-circuit en tête d'installation (c est le courant de court-circuit maximal) Il nous faut maintenant déterminer le courant de court-circuit à l'extrémité du câble relié au MAS d entrainement de la pompe. Pour cela on utilise des tableaux simplifiés fournissant le I cc AVAL en fonction de I cc AMONT (Figure 91). En effet, Pour une même section et un même matériau le courant de court circuit diminue avec la longueur du câble (Figure 90). I cc AMONT Ame en cuivre I cc AVAL Section L Figure 90 : Courant de court-circuit dans le câble [36] Figure 91 : Détermination des courants de court-circuit [36] 100

113 On considère que le courant de court-circuit en amont du câble est égal au courant de court-circuit en amont du jeu de barres, soit I cc AMONT = I cc1 = 8,7kA. Or le câble, au secondaire du transformateur triphasé, a pour longueur L 1 = 12m et sa section S 1 est de l ordre de 240mm². Pour la section S = 16mm², on ne trouve pas la longueur exacte du câble relié au moteur, on choisit alors une longueur qui est juste inférieure et non pas une longueur supérieure pour que le courant de court-circuit ne soit pas plus élevé que celui susceptible de se produire réellement dans le circuit. Soit L = 100m. On a I cc AMONT = 8,7kA, on prend la valeur de courant de court-circuit juste au dessus. On se situe dans la ligne ou I cc AMONT = 10 ka. On fait la projection des valeurs de L et L 1 sur cette ligne, on obtient alors : I cc MAX = 9,5kA et I cc MIN = 1,4kA. Le pouvoir de coupure du disjoncteur doit être supérieur ou égal au courant de courtcircuit susceptible de ce produire juste en dessous de lui. Donc PdC 9,5kA. Le disjoncteur doit déclencher pour une valeur minimale du courant de court circuit, c'est-à-dire pour un défaut franc situé en bout de câble. Donc, le courant de déclenchement est I rm < 1,4kA. Figure 92 : Choix du disjoncteur de départ [1] D après le tableau de la Figure 92, on remarque le type du disjoncteur de départ est NS 80H-MA, son courant de déclenchement est I rm = 550A < 1400A. En plus, son calibre de protection magnétique est de l ordre de 50A. 101

114 D après le catalogue général Schneider, le pouvoir de coupure de ce type de disjoncteur est de l ordre de 70kA. Donc, le disjoncteur de départ La courbe de déclenchement de ce disjoncteur est de type C car son courant de déclenchement est très élevée (550A). Courant assigné d emploi I n = 50A I rm (550A) PdC (70 ka) Figure 93 : Courbe de déclenchement de Dd1 Après avoir déterminé Dd1, il faut vérifier qu il protège bien la ligne contre les courts- circuits minimaux. Pour cela, on utilise le tableau Tableau 17: Longueurs maximales protégées contre les courants de court-circuit [36] Section nominale des conducteurs (mm²) Courant assigné des disjoncteurs type C (A) , ,

115 O n lit l intersection entre la ligne qui correspond à la section S = 16mm² et la colonne qui correspond à l intensité I n = 50A, on trouve que la longueur maximale d une ligne de courant protégée par un disjoncteur courbe type C est L max = 190m. On a L max > L = 130m, donc Le circuit est protégé contre les courts-circuits en bout de ligne Récapitulation Le Tableau 18 illustre tous les composants électriques déjà dimensionnés Tableau 18 : Tableau récapitulatif des composants électriques Composant électrique Quantité Référence Câble en cuivre à 4 fils de longueur 130 m 1 4*16 mm² Disjoncteur de départ 1 NS 80H-MA Relais thermique 1 LRD 340 Fusible cylindrique 22*58 3 DF2 FA40 Sectionneur porte-fusibles 1 GK1 FS Poignée de commande du sectionneur 1 GK1 AP07 Contacteur 3 LC1 D40A B7 Bloc de contact auxiliaire temporisé 2 LAD T2 / LAD R2 Dispositif de condamnation mécanique 1 LAD 4CM Dispositif de condamnation électrique 2 LAD 8N02 Conclusion Le choix de la pompe a déterminé celui de son moteur d entrainement. A partir des caractéristiques du MAS à rotor en court-circuit, on a choisi le mode de démarrage le plus convenable. Le procédé de départ du moteur nous a permis de déterminer les composants électriques du réseau BT qui permettent la commande et la protection du moteur d entrainement de la pompe. Ainsi, on a achevé l étude de la partie électrique de la station de pompage qui présente une partie importante dans la réalisation du projet. On va dans ce qui suit mettre en valeur l étude réalisée. 103

116 Chapitre 4 Etude budgétaire 104

117 Introduction La réalisation d une étude budgétaire du projet est importante car elle permet d évaluer sa valeur. Dans ce chapitre, on va comparer entre l existant et la nouvelle station de pompage au niveau financier et ceci pour montrer les avantages de ce projet du coté économique. 1. Economie d énergie Le groupe motopompe actuel effectue 40 opérations d expédition de pétrole brut par an en consommant 700l de carburant dans chaque opération. Comme le cout d un litre de carburant est de l ordre de 0,965DT. Alors, les couts d énergie relatifs à l existant pendant un an sont : C 1 = 40*700*0,965 = 27020DT/an Pour le même nombre d opérations d expédition, le nouveau groupe électropompe consomme une énergie (travail) de l ordre de 18,5kWh. On sait qu une opération d expédition dure 42h et que le cout d un kwh est de l ordre de 0,13DT. Alors, les couts d énergie relatifs au nouveau groupe pendant un an sont : C 2 = 40*42*18,5*0,13 = 4040,4DT/an On a C 1 > C 2, l économie d énergie est : E e = C 1 - C 2 = 22979,6DT/an On a réalisé donc un gain important au niveau de la consommation d énergie. 2. Economie des couts de maintenance Les couts de maintenance du groupe motopompe existant C m1 atteignent à peu prés par an une somme de 11016,75DT. D après ANNEXE 8 (deuxième proposition), les couts de maintenance de la solution proposée C m2 sont de l ordre de 4077,5DT/an. En effet, ce sont les couts des pièces de rechange fournies par la société FLOWSERVE pendant la période de garantie qui correspond à un an après l achat. L économie des dépenses de maintenance sont : 105

118 E m = C m1 - C m2 = 11016,7 4077,5 = 6939,25DT/an Les couts de maintenance ont été bien réduits avec la solution proposée. 3. Temps de retour de l investissement L économie totale E t est la somme de l économie de l énergie consommée E e et l économie des couts de maintenance E m, donc : E t = E e + E m = 29918,85DT/an pompage : L organigramme de la Figure 94 résume les dépenses sur les deux groupes de C m E t C 1 Les couts de maintenance Les couts d'énergie C m2 0 Groupe motopompe actuel La solution proposée C 2 Figure 95 : Comparaison entre le nouveau et l ancien groupe motopompe au niveau financière Le Tableau 19 illustre l ensemble des investissements nécessaires pour la nouvelle station de pompage. 106

119 Tableau 19 : Les investissements nécessaires à la nouvelle station de pompage Quantité Référence Prix (DT) Groupe motopompe 1 ERPN Câble en cuivre à 4 fils de longueur 130m 1 4*16 mm² 2150 Disjoncteur de départ 1 NS 80H-MA 370,2 Relais thermique 1 LRD ,1 Fusible cylindrique 22*58 3 DF2 FA40 52,26 Sectionneur porte-fusibles 1 GK1 FS 215,28 Poignée de commande du sectionneur 1 GK1 AP07 48,3 Contacteur 3 LC1 D40A B7 833,34 Bloc de contact auxiliaire temporisé 2 LAD T2 / 275,48 LAD R2 Dispositif de condamnation mécanique 1 LAD 4CM 46,12 Dispositif de condamnation électrique 2 LAD 8N02 44,6 Robinetterie et tuyauterie Installation et main d œuvre Les investissements totaux sont : I = 51150,68DT. Le temps de retour de l investissement est calculé par la formule suivante : I 51150,68 T 1,7ans mois r E 29918,85 21 t Ainsi, la rentabilité du système permet de retourner les investissements dans une courte période. Conclusion En faisant l étude budgétaire de la nouvelle station de pompage, on met en valeur la bonne rentabilité du projet. 107

120 Conclusion générale Ce travail constitue le fruit de ma formation, au cours duquel j ai appliqué les connaissances acquises durant mon étude universitaire. En effet, aboutir à un choix judicieux d une nouvelle pompe pour remplacer l actuelle pompe et répondre aux exigences de l expédition de pétrole brut sur une distance de 80 km, n est pas une tache facile. Ce projet comporte une partie importante de calcul hydraulique pour bien dimensionner la pompe et fournir, par conséquent, les informations nécessaires aux fournisseurs et constructeurs des pompes dont la consultation des offres demande de la patience et de la précision. En plus de l analyse dimensionnelle et la détermination des critères de choix de la nouvelle pompe, le projet comporte une bonne partie d étude électrique. En effet, le choix de la pompe détermine celle de son moteur d entrainement et de ses caractéristiques. Un bon choix des composants électriques assurant le démarrage, la commande et la protection du moteur est nécessaire pour assurer le bon fonctionnement du groupe motopompe et éviter tout risque d accident capable de détériorer le matériel et de mettre en danger le personnel. Comme la tuyauterie, la robinetterie et l instrumentation représentent une partie importante de la fonction d expédition, la détermination de ces accessoires et leurs rôles est nécessaire. La mise en forme de la nouvelle station de pompage par le plan P&ID et le plan isométrique est important car il m a permis d une part de tester mes connaissances au niveau de l utilisation des logiciels pour réaliser un dessin industriel et de connaitre les astuces indispensables pour vaincre les entraves de ce domaine, et d autre part, il permet de bien comprendre le procédé de pompage et de son principe fonctionnement. Finalement, l étude budgétaire de la solution choisie met en valeur les résultats du projet au niveau économiques Pour terminer, ce projet est très avantageux car il apporte les éléments nécessaires pour l ingénieur électromécanicien au niveau de la critique des solutions technologique dans divers domaines. 108

121 Bibliographie [1] Catalogue général Schneider Electric international 2010 FCGGECAT 2010 FR [2] Catalogue Tunisie Câbles. [3] Jacques Launay et Gabriel Perrotin, «Liquides à pression moyenne-station de pompage», Techniques de l ingénieur, volume : Moteurs et machines, utilisation, [4] Maher BarkALLAH, Maintenance industrielle, support de cours génie électromécanique niveau 2 [5] Jean Poulain, «Pompes rotodynamiques, présentation, description», Techniques de l ingénieur, volume : Machines hydrauliques et thermiques, [6] Bernard de Chargères, «Pompes volumétriques pour liquides», Techniques de l ingénieur, volume : Machines hydrauliques et thermiques, [7] Process Diagrams, chapter 12, p [8] Emna Rekik, Rapport de stage au CFTP, ENIT, Année universitaire [9] Rapport final inspection pipeline, CFTP 2006 [10] Slim Abid, Schéma électrique, support de cours génie électromécanique niveau 2 [11] Viscosité, Formulaire Pont-A-Mousson, édition Lavoisier,

122 Media graphie [12] sienne+des+p%c3%a9troles.htm&rlz=1c1gtpm_frtn541tn541&oq=depuis+1969+%e2 %80%A6+Compagnie+Franco_Tunisienne+des+P%C3%A9troles.htm&aqs=chrome.0.69i j0&sourceid=chrome&ie=UTF-8 [13] [14] GTPM_frTN541TN541&oq=L'esprit+Golfy+les+moteurs+thermiques.htm&aqs=chrome.0.6 9i j0&sourceid=chrome&ie=UTF-8 [15] [16] caen.fr/sites/pgm.discip.ac caen.fr/img/pdf/tuy_01_generalites.pdf [17] pompes.pdf [18] [19] [20] [21] [22] que/fiche%20moteur%20asynchrone.pdf [23] [24] Démarrage, étoile, triangle [25] synthese%20etoile%20triangle2.pdf [26] [27] df [28] [29] 20moduler%20et%20convertir/1%20Procedes%20de%20demarrage%20moteur/Demarreur% 20progressif%20gradateur%20angle%20de%20phase.pdf [30] A9l%C3%A8ve.pdf 110

123 [31] COURS/machine%20asynchrone%20variation%20vitesse.pdf [32] rouen.fr/maupassant/site2/bepme/sujet03_04/com_tech/contacteur, pdf [33] électrotechnique/fiches, électrotechnique/fiche%20sectionneur%20pf.pdf [34] électrotechnique/fiches électrotechnique/les%20fusibles.pdf [35] [36] [37] ex_poster_fr.pdf (ATEX) [38] (IP) 111

124 Annexes

125 Annexe 1 :Schéma de principe des séparateurs [8] Figure 1 : Séparateur horizontal Figure 2 : Séparateur vertical

126 Annexe 2 : Tableau 1 : Caractéristiques du pétrole brut léger (source : LAEPI) Caractéristiques Leger sit 41 Selon Masse volumique en kg/m 3 :ρ 850 à 15 C la norme ASTM D1298. Point d'écoulement en C < -20 Norme DIN51597 Viscosité cinématique en m 2 /s à 5 C Viscosimètre Cannon Fenske Norme ASTM D2515 Viscosité dynamique en Kg/ms à 15 C la loi de Poiseille connaissant sa masse volumique ρ Teneur en soufre S 1.8 Emission atomique ICP en g/kg Eau et sédiment en % 0.9 ASTM D4007 Standard Test Method for Water and Sediment in Crude Oil by the Centrifuge Method Teneur en cendre en % 0.09 Gravimétrique

127 Annexe 3 :Types des vannes utilisées dans les réseaux de collectes [8].

128 Annexe 4 :Les opérations de maintenance effectuées sur le groupe motopompe actuel et leurs couts (entre janvier 2011 et janvier 2013) Pièce hors stock Quantité Coût (DT) Flexible diamètre 3 longueur 3 m 1 374,821 Flexible diamètre 3 longueur 5 m 1 526,180 Flexible R1D-diamètre 0,5 longueur 250 m 1 23,394 Flexible R2 D-D 5-16 LOG ,042 Flexible R2 3-8 D-C LOG ,781 Flexibles R1 D-C 5-8 LOG ,069 Tuyau VT ,038 Durite 8 37,440 Fut huile vittex spécial MP ,656 Fut huile tanix diesel 500 SAE , litres d huiles 140 XHD 85W , litres d huiles 40 15W ,452 Fut de 200L d huile tanix ,473 Fut huile tanix diesel 500 SAE ,289 Filtre EDLH4717 DEUTZ 8 176,000 Filtre ESS206-ES ,844 Filtre ELG5506 DEUTZ 8 160,000 Roulement EP SKF 4 177,312 Roulement RS FAG 4 52,412 Roulement BL ,255 Courroie 1675 AV ,048 Courroie suivant modèle 4 22,080 Vis TH ,940 Vis TH ,440 Vis TH12 X ,930 Vis TH AGRATI 2 1,630 Ecrou TH de 20 noir 10 2,750 Ecrou TH de 12 noir 32 2,240 Boulon TH10 X ,800 Rondelle grever ,020 Rondelle grever ,190 Clé a frape ,580 Clé a griffe ,408

129 Collier de serrage ,534 Collier de serrage HEP KEEP 10 1,910 Fil de 3,5 m 5 6,950 Fil, cosses et attaches 1 10,000 Tournevis 6 X ,272 Paire de gant 406 VRW T10 JUBA 4 25,148 Chiffon blanc 20 31,000 Lampe frontaleto HDL33 energizer 1 15,125 Disjoncteur moteur 2 105,500 Compresseur FIMA L 7,5 CV ,000 Pompe à eau suivant modèle 1 244,576 Pompe JAPY pour appoint gasoil moteur 1 79,734 Pompe à eau 1 200,300 Para huile 25 X40 X8 NAK 8 37,440 Adaptateur MBSP ,154 Adaptateur MBSP 3-8 MBSP 1 8,940 MANO D63-G bar 2 52,462 Presse étoupe RMG 24 Crome 4 208,928 Soudure accessoire (joint soudure 3 ) ,000 Soudure accessoire (joint soudure 2 ) 1 35,000 Tournage support alternateur 1 15,000 Fourniture matériel pour moteur 1 495,814 Fourniture manomètre et électrovanne 1 370,000 Confection et fourniture accessoires 1 30,000 Confection et fourniture poulie 1 550,000 Confection et fourniture bride 1 180,000 Confection de raccord pour moteur 5 30,000 Confection bride bouchon portée 1 120,000 Confection axes et remise en état 1 410,000 Confection coupelles et révision 1 500,000 Confection accessoires de montage 1 600,000 Confection flexible de graissage 1 60,000 Entretien pompe d injection du moteur ,000 Journée de travail pour confection support 1 140,000 Jour de travail pour démontage 2 280,000 Jour de travail pour confection 3 420,000 Jour de travail pour modification 4 560,000 Réparation tableau de bord 1 81,317 Réparation réservoir gasoil 2 280,000

130 Réparation support et confection 2 280,000 Réparation, montage collecteur d échappement 1 100,000 Réparation démarreur et installation 1 280,000 Réparation radiateur motopompe 2 286,873 Déplacement mécanicien sur site 1 400,000 Location camionnettes pour transport 8 335,000 Location élévateur 16 T pour mise en position 8 240,000 TVA 5 262,712 Timbres 12 3,600 Les dépenses totales = 22033,507DT

131 Annexe 5 : Abaque de conversion des viscosités cinématiques [11] La viscosité cinématique du pétrole brut à 15 C = 13, m 2.s -1 = 13,27mm² s -1 = 13,27Cst. D après l abaque de conversion des viscosités cinématiques, la viscosité cinématique du pétrole brut est comprise entre 2 et 2,4 E. D après les industriels, cette valeur est faible, donc le pétrole brut est considéré comme non visqueux

132 Annexe 6 : Croquis de la ligne d aspiration d une pompe centrifuge [8]

133 Annexe 7 : Spécifications Techniques Company CFTP Job Revision Country TUNISIA Plant SIDI-LITAYEM Doc N : CFTP-MC-DS-002 Project Study of a new pumping station for crude oil expedition Sheet / of Compiled by Date 1 / 7 A.S 15/04/2013 TECHNICAL DATA SHEET Study of a new pumping station for crude oil expedition 00 15/04/2013 Issued For Review A.S J.N J.N REV. DATE DESCRIPTION OF REVISIONS PREPARED BY VERIFIED BY APPROVED BY

134 Company CFTP Job Revision Country TUNISIA Plant SIDI-LITAYEM Doc N : CFTP-MC-DS-002 Project Study of a new Sheet / of Compiled by Date pumping station for crude oil expedition 1 / 7 M.K 15/04/2013 TECHNICAL DATA SHEET Study of a new pumping station for crude oil expedition 00 15/04/2013 Issued For Review M.K J.N J.N REV. DATE DESCRIPTION OF REVISIONS PREPARED BY VERIFIED BY APPROVED BY

135 Company CFTP Job Revision Country TUNISIA Plant SIDI-LITAYEM Doc N : CFTP-MC-DS-002 Project Study of a new Sheet / of Compiled by Date pumping station for crude oil expedition 2 / 7 M.K 15/04/2013 General index Page Description Revision Page Description Revision 1 COVER GENERAL INDEX EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C MECHANICAL DATA SHEET EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C MECHANICAL DATA SHEET EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C ELECTRIC DRIVER DATA SHEET EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C ELECTRIC DRIVER DATA SHEET EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C ELECTRIC DRIVER DATA SHEET

136 Company CFTP Job Revision Country TUNISIA Plant SIDI-LITAYEM Doc N : CFTP-MC-DS-002 Project Study of a new Sheet / of Compiled by Date pumping station for crude oil expedition 3 / 7 M.K 15/04/2013 EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C MECHANICAL DATA SHEET-1 1 No. REQUIRED (OPERATION/STANDBY) 3(2/1) 38 MECHANICAL DESIGN 2 DRIVE (E-Motor or other) Electric Motor 39 Design temperature C 50 3 Motor Rated Power kw 19 Design pressure/pressure 40 Class PN20 4 Electric power available 3Ph 400V 50Hz 41 Design acc. to: API/ISO 5 Start-Up Star-delta start 42 NFPA/API/ISO/ASME API 610 OH2/ISO 6 Cooling Air Self Ventilation System 43 Shaft speed min-1 * 7 OPERATING CONDITIONS 44 Shaft power, required kw * 8 Operating temperature C Lubrication * 9 Differential pressure bar 6,6 46 Oil Viscosity * 10 Minimum Suction Pressure bar 1,9 47 Base Plate Dimensions * 11 Maximum Discharge Pressure bar 8,5 48 Base Plate Design * 12 Maximum Shut Off Pressure bar * 49 MATERIALS OF CONSTRUCTION 13 FLUID PROPERTIES 50 Casing Cast iron 14 Medium * 51 Impeller S1 15 Specific gravity 0,85 52 Seal Plate * 16 Dynamic viscosity kg/ms 11, Base plate * 17 Max. viscosity at min.temp Shaft * 18 Vapour pressure at oper.temp bar 1 55 Mechanical seal * 19 Solids in fluid None 56 Bearing housing * 20 Suspended solids mg/l - 57 PUMP CONNECTIONS 21 Particle size µm - 58 Connection Type Flanged 22 Hardness - 59 Inlet Size (in) / Rating * 23 Corrosive components - 60 Outlet Size (in) / Rating 6 /150 #/RF** 24 ph-value - 61 Instrumentation * 25 Combustible Toxic 62 Mounting plate * 26 PUMP 63 Flanges acc. To ANSI B Pump type Centrifigual OH2 64 Type of Protection * 28 Number of Stages * 65 Delivery weight * 29 rated Capacity * 66 MANUFACTURER DATA 30 Skid dimensions mm*mm * 67 E-Motor Manufacturer * 31 Self priming - 68 Pump Manufacturer * 32 Minimum Suction head m - 69 OPTIONS *** With Epoxy internal 33 Maximum Discharge Head m 54,53 70 Coating for the pump 34 Capacity (Q), max. m3/h Capacity (Q), min. m3/h NPSH available m 10, Fluid absorbed power kw 7,58 74 volute Without internal Coating for the pump volute NOTE: * TO BE SPECIFIED BY SUPPLIER ** SUPPLIER SHALL CONFIRM WHETHER PUMP DISCHARGE NOZZLE SIZE IS AVAILABLE OR NOT, OR THE SHALL INDICATE AVAILABLE SIZES. *** SUPPLIER SHALL PROVIDE SEPARATE OFFERS FOR THE MENTIONED OPTIONS.

137 Company CFTP Job Revision Country TUNISIA Plant SIDI-LITAYEM Doc N : CFTP-MC-DS-002 Project Study of a new Sheet / of Compiled by Date pumping station for crude oil expedition 4 / 7 M.K 15/04/2013 EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C MECHANICAL DATA SHEET-2 1 TRANSPORTATION 29 Y strainer 2 EXW 30 Manual ball valve at suction line 3 CIF 31 Manual ball valve at discharge line 4 FOB 32 Check valve at discharge line 5 SUPPLY LIMITS (INCLUSIONS) 33 Auxiliary mechanical seals 6 Common base plate for pump/driver/gear 34 Spare parts for start-up* 7 Drive bolts 35 Pressure indicator 8 Couplings 36 Two years operation spare parts 9 With spacer 37 Suction strainer 10 Automatic relief valves 38 Lifting lugs 11 Foundation bolts Casing drains and vents with valve Coupling guards

138 Company CFTP Job Revision Country TUNISIA Plant SIDI-LITAYEM Doc N : CFTP-MC-DS-002 Project Study of a new Sheet / of Compiled by Date pumping station for crude oil expedition 5 / 7 M.K 15/04/2013 EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C ELECTRIC DRIVER DATA SHEET-1 TAGS : EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL ELECTRIC DRIVER QUANTITY N :1 PURPOSE: REFERENCE RULES: IEC DESIGN DATA RATED POWER: 19kW N. OF POLES: MOTOR DATA SUPPLY DATA DATA OF DRIVEN MACHINE RATED VOLTAGE (UN): 230/400 V 3 PHASES FREQUENCY: 50HZ SHAPE : OVERALL NOISE LEVEL < 90 DB DUTY: CONTINUOUS CYCL. DURATION FAC: % START-UP:STAR-DELTA START COOLING : AIR SELF VENTILATION SYSTEM BEARINGS / LUBRIFICATION : EXECUT. AND ENCLOSURE: IP55 DEGREE OF BOXES: IP66 PROTECTION II 2G ATEX EExd IIB T4 OPERATION. VOLTAGE (UE) : 230/400 V ± 5 % FREQUENCY: 50 HZ ± 5 % COMBINED VARIATION OF V & HZ : ± % NEUTRAL POINT : EARTHED MIN.VOLT.ON TERMINALS AT START-UP: %UE MAX IS C. ON TERMIN: KA SEC TYPE : COUPLING : STAR-DELTA START I = MR 2 : KGM 2 BASEPLATE : COMMON STALLING TORQUE (TR): THRUST TO : PERFORMANCE AND CONSTRUCTION DATA MFR AND CONSTRUCTION TYPE : RATED CURRENT: A START-UP CURRENT: P.U. ± % RATED TORQUE (TN): NM LOCKED ROTOR TIME (TI) : P.U. MINIMUM TORQUE (TU): P.U. MAXIMUM TORQUE (TB) : P.U. LOAD 2/4 3/4 4/4 LOCKED FULL LOAD SPEED : SPM EFFICIENCY SPECIFIC START-UP TIME (TAS) : SEC POWER FACTOR LOCKED ROTOR TIME: (TRB) : SEC SUCCESSIVE START-UP N.: INSULATION CLASS : F TEMPERATURE RISE : K OVERALL NOISE LEVEL : DB (A) LUBRICANT : MAIN TERMINAL BOX LUBRICATING INTERVAL : HOURS QUANTITY / ENTRY DIAMETER : N. / MM POSITION: RIGHT HAND SIDE ENTRY TYPE : CABLE TYPE TO BE CONNECTED: ENCLOSURE DIMENSIONS : I = MR 2 : KGM 2 MASS : TOTAL : KG ROTOR : KG PAINT : COLOUR CYCLE

139 Company CFTP Job Revision Country TUNISIA Plant SIDI-LITAYEM Doc N : CFTP-MC-DS-002 Project Study of a new Sheet / of Compiled by Date pumping station for crude oil expedition 6 / 7 M.K 15/04/2013 EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C ELECTRIC DRIVER DATA SHEET-2 TAGS : EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL ELECTRIC DRIVER QUANTITY N :1 PURPOSE: REFERENCE RULES: IEC ACCESSORIES AND ANCILLARY EQUIPMENTS EQUIPMENT QUANTITY CONSTRUCTION CHARACTERISTICS Anti-condensation heater N. of phases : V : W : Resist. Temp. Detect. (R.T.D.) Type : Bearing thermometer Vibration detectors MATERIAL DESCRIPTIO Electrical contact SPARE PARTS REQUIRED FOR START-UP (*) QUANTITY MIN REQUIRED ACTUAL MANUFACTURER CONSTRUCTION TYPE AND/OR CODE ENVIRONMENTAL CONDITIONS OUTDOOR TEMPERATURE: min. / max. 5 / 55 C ELECTRICAL EQUIPMENT DESIGN TEMPERATURE: 50 C HUMIDITY: min. / max. ELEVATION: NOTE : (*) SUPPLIER SHALL ADD ALL ACCESSORIES NECESSARY TO GARANTEE PROPER OPERATION AND PROTECTION OF MOTORS

140 Company CFTP Job Revision Country TUNISIA Plant SIDI-LITAYEM Doc N : CFTP-MC-DS-002 Project Study of a new Sheet / of Compiled by Date pumping station for crude oil expedition 7 / 7 M.K 15/04/2013 EXPEDITION PUMP OF CRUDE OIL A/B/C ELECTRIC DRIVER DATA SHEET-3 PERFORMANCE AND CONSTRUCTION DATA (*) WINDINGS Copper CONNECTION Delta Star SHAFT Vertical Horizontal FIXING Flange Legs Both AUXILIARY TERMINAL BOX QUANTITY / ENTRY DIAMETER : N. / M ENTRY TYPE : EARTHING PAINTING Inside terminal box Outside terminal box On the carcass Supplier standard marine epoxy special INFORMATION TO BE COMPLETED BY THE SUPPLIER CONSTRUCTOR: TYPE : POWER: NOMINAL CURRENT : ID/IN: NOMINAL TORQUE : CD/CN : CM/CN : TORQUE / SPEED CURVE : SPEED (T/MIN) AT 4/4 : 3/4 : 1/2 : COS" (T/MIN) AT 4/4 : 3/4 : 1/2 : EFFICIENCY (T/MIN) AT 4/4 : 3/4 : 1/2 : THERMAL TIME CONSTANT : MAXIMUM TIME RUNNING WITH LOCKED ROTOR : MAXIMUM NUMBER OF STARTS PER HOUR : MAXIMUM NUMBER OF STARTS CONSECUTIVE : COLD MACHINE : HOT MACHINE : BEARING TYPE : COUPLING SIDE : LUBRICANTS QUALITY : OIL : VISCOSITY : FLOW RATE : GREASE : QUANTITY : PERIODICITY : VIBRATION : QUADRATIC AVERAGE SPEED (MM/S) : AXIAL THRUST : AXIAL DISPLACEMENT : MASS : TOTAL : ROTOR : STATOR :

141 Première proposition Annexe 8 : Les offres de FLOWSERVE

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157 Deuxième proposition

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