Mr. Kanoune Zak

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l'enseignement supérieur et de la Recherche scientifique. UNIVERSITE M'HAMED BOUGARA BOUMERDES Faculté des Hydrocarbures Et De La Chimie. Département Automatisation

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR D’ETAT Option : Commande des procédés industriels.

THEME : Modélisation séquentiel et conception d’une solution de supervision de la séquence de lancement du turbocompresseur de la station Boosting de SONATRACH à HASSI R’MEL

Présenté par : Mr. KANOUNE ZAKI Mr. KHICHANE LYES Proposé par : Mr. ELHAOURI

Suivi par : Dr. CHAIB AHMED

Année universitaire 2012/2013

Remerciements Nous tenons tout d’abord à remercier dieux pour tous le courage qu’il nous a donné afin qu’on puisse arriver à terme de nos études, et réaliser ce projet de fin d’étude avec succès. Nous exprimons notre gratitude, notre grand respect et nos sincères reconnaissances à Mr YAHIAOUI. Nous tenons aussi à remercier notre promoteur Mr CHAIB AHMED pour son encadrement et ses conseils. Nos profondes salutations et remerciements vont aussi à tous le staff de SONATRACH à Hassi R’mel et les travailleurs de la station de compression du gaz Boosting, qui nous ont ouvert leurs portes et donner l’opportunité de réaliser ce projet et plus particulièrement Mr ELHOUARI, Mr BALLI, Mr DJALLAL

et à tous ceux qui nous ont aidé de prêt ou de loin durant notre stage pratique. Nous invitons les membres de jury avec un énorme respect à bien vouloir juger notre présent travail, En espérons qu’ils le trouvent correspondant à leurs attentes avec nos sincères remerciements.

Dédicace Je dédie ce modeste travail à celle qui m’a donné la vie, le symbole de tendresse ; qui s’est sacrifiée pour mon bonheur et ma réussite, à ma mère. A mon père, école de mon enfance, qui a été mon ombre durant toutes les années d’études, et qui a veillé tout au long de ma vie à m’encourager, à me donner l’aide et à me protéger. A mes grands-parents. Que dieux les gardes et les protège. A ma sœur et mon frère. A tous mes amie0. A tous mes cousins. A tous ceux qui me sont chères.

LYES

Dédicace Je dédie ce modeste travail à celle qui m’a donné la vie, le symbole de tendresse ; qui s’est sacrifiée pour mon bonheur et ma réussite, à ma mère. A mon père, école de mon enfance, qui a été mon ombre durant toutes les années d’études, et qui a veillé tout au long de ma vie à m’encourager, à me donner l’aide et à me protéger. Que dieux les gardes et les protège. A mes sœurs et toute ma famille. A tous mes amie0 avec qui j’ai eu la chance de partagé des moments uniques et formidables qui seront gravés à jamais dans ma mémoire. A tous ceux qui me sont chères.

ZAKI

SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE…………………………………………………..1 CHAPITRE I : localisation et description de la station SBC I.1. Localisation de la station Boosting (SBC)……………………………………….2 I.1.1 Situation géographique et climat de Hassi R’mel………………………2 I.1.2 Historique de Hassi R’mel……………………………………………...3 I.1.3 Représentation des secteurs de Hassi R’mel……………………………4 I.1.4 Organisation de la direction régionale de HR…………………………..6 I.2. Description de la station Boosting (SBC)……………..…………………………8 I.2.1 Définition………………………………………………………………..8 I.2.2 Différentes parties de la station Boosting……………………………….9 I.3Conclusion………………………………………………………..….…………...10 CHAPITRE II : Description du turbocompresseur. II.1 Introduction………………………………………………………….……………11 II.2 Compresseur centrifuge………………………………………………...…………11 II.2.1 Définition………………………………………………………………..11 II.2.2 Les composants principaux du compresseur centrifuge……….……..…11 II.2.3 Principe de fonctionnement du compresseur centrifuge….……………..12 II.2.4 Pompage…………………………………………………….……………12 II.3 Multiplicateur………………………………………………………….…………...13 II.4 Turbine à gaz…………………………………………………………….…………13 II.4.1 Définition ……………………………………………………………......13 II.4.2 Turbine à gaz MS 500B…………………………………………………...14 II.4.2.1 Présentation de la turbine à gaz type MS 5002B….………………….14 II.4.2.2 Principe de fonctionnement................................................................15 II.4.2.3 Les différentes sections principales de la turbine à gaz MS 5002…..16 II.5 Auxiliaire du turbo compresseur……………..……………………………….……..20 II.5.1 Turbine de lancement……….…………………………….…….….….…..20 II.5.2 Réducteur des auxiliaires……………………………………………….….20 II.5.3 circuit d’huile de lubrification (graissage)…………………………….…...20 II.5.4 Système d’huile d’étanchéité…………………………………………...….21

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SOMMAIRE II.5.5 Système d’air d’étanchéité et de refroidissement……………………….….21 II.6 Instrumentation…………………………………………………………….………....21 II.7Conclusion………………………………………………………………….………....22 CHAPITRE III : Présentation du système de contrôle MARCK VI. III.1 Introduction ………………………………………………………………………....23 III.2. Définition et rôle du système Mark VI (SPEEDTRONIC)…………………………23 III.3 Architecture du système……………………………………………………………..24 III.3.1 Armoire de régulation…………………………………………………..….24 III.3.2 Armoire d’E/S……………………………………………………………...25 III.3.3 Unité d’interconnexion de données entre MARK VI et HMI ….…………25 III.3.4 Interface homme/Machine HMI…………………………………………....25 III.3.5 Connexion au système de commande distribuée (DCS) ………................26 III.4 Boite à outils Toolbox……………………………………………………………......27 III.4.1 définition……………………………………………………………...........27 III.4.2 Espace de travail……………………………………………………...........27 III.4.3 Privilège et mot de passe……………………………………………..........28 III.4.4 Code d’application………………………………………………………….28 III.5.Etapes à suivre pour accéder à un programme du turbocompresseur…………...…...30 III.6.Conclusion …………………………………………………………………….…......33 CHAPITRE IV : Séquence de lancement de la turbine et son étude en tool box IV.1 Etude de la séquence démarrage………………………………………………….….34 IV.1.1 Introduction…………………………………………………………………34 IV.1.2Condition de contrôle……………………………………….......................34 IV.1.2.1Vérification des conditions de contrôle …………………....34 IV.1.2.2 préparation de la turbine pour lancement…………………..34 IV1.3 Séquence de lancement……………..……………………………….………35 IV.1.3.1 Phase de démarrage………………………………………....35 IV1.3.2 Phase d’allumage…………………………………………….35 IV1.3.3 Phase d’accélération………………………………….….…..37

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SOMMAIRE IV1.3.4 La mise en charge de la machine………………..………..…37 IV.2 Etude de la séquence de lancement programmée en TOOLBOX…………………..….38 IV.2.1 Introduction ……………………………………………..………….………38 IV.2.2 Définition des blocs…………………………………………….……...……42 IV.2.3 Signaux de commande de combustible (FSR) de la séquence de démarrage………………………………………………………………………………..46 IV2.3.1 FSRSU………………………………………….………….…47 IV.2.3.2 FSRACC………………………………………………….….50 IV.2.3.3 FSRN………………………………………………………...53 IV.2.3.4 Visualisation des variations des FSRSU, FSRACC et FSRN durant la séquence de démarrage en fonction du temps……………………………………..54 IV.2.3.5 Séquence de démarrage…………………………………........55 IV.3Conclusion.......................................................................................................................59 CHAPITRE V : Modélisation De La Séquence Démarrage V.1:Introduction………………………………………………………………………………60 V.2 : Description du logiciel STEP7…………………………………………………………60 V.2.1Gestionnaire de projets SIMATIC Manager…………………………………...60 V.2.2Editeur de programme et les langages de programmation .…………………...60 V.2.3 Paramétrage de l’interface PG-PC………………………………..…….……..61 V.2.4 Le simulateur des programmes PLCSIM ……………….…….......................61 V.3 Stratégie pour la conception d’une structure programme complète et optimisée ………62 V.4 Modélisation de processus par grafcet…………………………………………….…….63 V.4.1 Introduction…………………………………….……………….……………..63 V.4.2 Outil de modélisation GRAFCET……………….………………………….…63 V.4.3 Symbolisation du GRAFCET ……………………………………….………..63 V.5 Réalisation du programme de la séquence de démarrage de la Turbine MS 5002 ………………………………………………………………..…….…….64 V.5.1 Création du projet dans SIMATIC Manager …………………………….….64 II-SEMATIC WINCC………………………………………………………………………82 Conclusion………………….………….………………………….……………….……….86 FHC /13

SOMMAIRE Conclusion générale…………………………………………………………………….....87 ANNEXE ……………………………………………………………………………..........88 Bibliographie…………………………………………………………………………........90

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Introduction générale Sonatrach bénéficie, aujourd’hui, d’une longue expérience dans l’exercice de tous les métiers de l’industrie du pétrole et du gaz, d’une forte capacité à intégrer les nouvelles technologies, d’une présence prouvée et fiable sur les marchés internationaux des hydrocarbures liquides et gazeux, ainsi que d’une riche expérience de partenariat avec des compagnies internationales leaders. Sonatrach a fait, de cette notoriété acquise, le choix d’aller conquérir des positions dans le monde et de chercher à créer de la valeur aussi bien en Algérie qu’à l’étranger (Afrique, Asie, Europe…). Le cœur du métier du groupe Sonatrach est constitué par la recherche, l’exploration et l’exploitation des gisements d’hydrocarbures. Dans cette même perspective, le groupe poursuit ses efforts de recrutement, au sein des universités notamment, dans le but de développer le champ de compétence de son capital humain. L’augmentation de la productivité, l’amélioration de la qualité et la mondialisation de la compétition sans oublier le souci de la protection de l’environnement ont nécessité une évolution dans le secteur des équipements de contrôle des procédés au sein de l’industrie. Sonatrach consacre d’importants moyens à la formation de ses 120 000 employés dans le but d’adapter en permanence leur formation et leur maitrise des nouvelles techniques de contrôle des systèmes, tel que les dernières versions des automates programmables comme le MARCK VI qui est la sixième version du système de contrôle et de protection des turbines SPEEDTRONIC. [2] Le turbocompresseur fait partie de l’équipement des stations de Sonatrach. C’est une turbine bi-arbre accouplée à un compresseur de gaz. Il est contrôlé par l’automate programmable MARCK VI à travers sa Boite à outils Toolbox qui est un logiciel basé sur un Microprocesseur. L’inconvénient de ce logiciel est l’absence d’un simulateur qui permet de simuler des solutions programmables proposées par les ingénieurs pour modifier ou améliorer le déroulement des différentes séquences. Pour cela en a modélisé la séquence de démarrage par GRAFCET qu’on a validé en la simulant en STEP7 et en concevant des interfaces homme/machine à l’aide du WINCC. Notre travail est divisé en 5 chapitres. Le premier décrit et localise d’une manière générale le champ de Hassi R’mel et la station de compression de gaz Boosting. Le second consiste en l’étude et la description du turbocompresseur. Le troisième consiste en la présentation du système de contrôle MARCK VI. Le quatrième se propose d’étudier la Séquence de lancement de la turbine et d’expliquer sa programmation en Toolbox. Le cinquième chapitre présente une Modélisation du processus par Grafcet ainsi que sa simulation avec WINCC.

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CHAPITRE I

Localisation et description de la station SBC

I.1 .Localisation de la station Boosting (SBC) I.1.1 Situation géographique et climat de HASSI R’MEL [1] A une distance de 550Km de la capitale et à 120 Km de la Wilaya de Laghouat, sur une altitude d’environ 755m, se situe la Daïra de Hassi R’Mel. Le paysage est constitué d’un vaste plateau rocailleux, avec un climat sec et une faible pluviométrie (180 mm par an) et une humidité moyenne de 20% en été et de 34% en hiver. Les températures à Hassi R’Mel varient entre 5° et 45°C. La région est dominée par des vents violents qui soulèvent le sable jusqu’à 110Km d’altitude et réduisent la visibilité à 15 m.

Figure I. 1 : Situation géographique de la région de Hassi R’Mel. [1] Le gisement de Hassi R'Mel est l’un des plus grands gisements de gaz à l’échelle mondiale. Il a une forme d’ellipse qui s’étale sur plus de 3500 km2, 70km du Nord au Sud et 50km d’Est en Ouest, il se situe à une profondeur de 2200m, sa capacité est de l’ordre de 3000 milliards mètres cubes récupérables. Le gisement de Hassi R'Mel contient les éléments suivants : • Gaz naturel • Gaz de pétrole liquéfié GPL (c’est un gaz sous forme liquide) • Condensat – Gazoline – Liquide FHC/13

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CHAPITRE I

Localisation et description de la station SBC

Cette richesse naturelle est convoitée par plusieurs entreprises nationales et étrangères pour tirer profit de son exploitation et faire des plans d’investissement tel que SONATRACH, SONELGAZ, ENGTP, GENERAL ELECTRIC, NOUVO PIGNONE, JGC … etc. I.1.2. Historique de Hassi R’mel. [1] Les réserves importantes révélées par le gisement découvert, constituent le socle de l’économie nationale et placent le pays parmi les 4 plus importants producteurs gaziers dans le monde. Notons également que le gisement de Hassi R’Mel est cerné par un anneau d’huile plaçant le champ parmi les plus importants producteurs du sud du pays. Trois étapes importantes ont marqué le développement du champ de Hassi R’Mel 

Première étape : La Réalisation d’une petite unité de traitement de gaz de 1,3 milliards de m3 par an,

a eu lieu en 1961. Celle-ci a coïncidé avec la construction de la première usine de liquéfaction de gaz .En 1969 cette capacité a été portée à 4 milliards de m3 par an. 

Deuxième étape : La capacité de traitement du champ de Hassi R’Mel, après la nationalisation des

hydrocarbures en 1971, a atteint 14 milliards de m3 par an. 

Troisième étape : Cette période a permis de concrétiser un plan de développement important qui a

permis au champ d’être en mesure de répondre aux besoins énergétiques du pays ainsi qu’aux besoins de nos clients. Ce plan a permis également de doter Hassi R’Mel d’un modèle d’exploitation et de pouvoir optimiser la récupération de différents produits.  2003 : Réalisation du projet Boosting qui visait à augmenter la pression d'entrée des modules dans le but de maximiser la récupération des liquides. Actuellement la capacité totale de traitement est de 98 milliards m3 par an. La réalisation de ces objectifs a nécessité la mise en œuvre de : -1- Quatre usines de traitement de gaz de capacité nominale unitaire de 20.109 m3/an de gaz sec nommées modules (I-II -III –IV).

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CHAPITRE I

Localisation et description de la station SBC

-2- Deux stations de réinjections de gaz de capacité nominale unitaire de 30 milliards de m3/an de gaz sec (station nord et sud). -3- Un centre de stockage et de transfert du condensât et du GPL (CSTF) avec une capacité de 80 000 m3 de GPL et 285 000 m3 de condensât. -4- Pose d’un réseau de collecte de plus de 2 000 Km. -5- Construction d’un réseau routier de plus de 400 Km pour desservir les puits et les installations de surface. Parallèlement à ce mode de transport, l’Algérie a pu transporter son gaz par des gazoducs reliant directement Hassi R’mel à l’Europe, c’est ainsi qu’elle exploite actuellement le fameux gazoduc transméditerranéen qui relie l’Algérie à l’Italie et la Slovénie via la Tunisie.

I.1.3. Représentation des secteurs de Hassi R’mel. [1] Le plan d’ensemble des installations gazières implantées sur le champ de Hassi R’mel est élaboré de façon à avoir une exploitation rationnelle du gisement et pouvoir récupérer le maximum de liquide. Les installations mises en œuvre sont comme suit : Zone Nord : 

01 Module traitement gaz MPP 3. Puits producteurs



01 Station Boosting nord SBN.



01 Station compression nord SCN.

Puits injecteurs

Zone Centre : 

03 Modules traitement gaz 0, 1, 4. Puits producteurs



01 Unité Commune au module 0 et 1



01 Station Boosting centre SBC

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CHAPITRE I

Localisation et description de la station SBC



01 Station récupération gaz associés SRGA



01 Centre de stockage et transfert CSTF

Zone sud:  01 Module traitement gaz MPP 2. Puits producteurs  01 Station Boosting sud SBS  01 Station compression sud SCS.

Puits injecteurs

 01 Unité traitement gaz - Djebel bissa.  01 Unité traitement gaz - HR Sud.

Puits producteurs et

Puits producteurs et

puits injecteurs

puits injecteurs

Figure I.2-SHEMA DU PROCESSUS INDUSTRIEL A HASSI R’MEL. [1]

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CHAPITRE I

Localisation et description de la station SBC

Figure I.3 : Le champ gazier de Hassi R’Mel. [1] I.1.4 Organisation de la direction régionale de HR : [1] Direction régionale : Le développement et l’exploitation des hydrocarbures sont les objectifs principaux visés par la direction régionale afin de répondre à son plan de change convenablement. Missions et taches des structures : - secrétariat régional - assistante au directeur régional. 

Division approvisionnement :

Elle a pour but l’approvisionnement ; le développement et la mise en disposition des mariales, de l’équipement, outillage de construction et de gros engins. 

Direction technique :

Elle a comme mission la planification, le développement, l’organisation et la mise en œuvre d’une capacité de construction pétrolière répondant aux besoins de développement du champ de HR

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CHAPITRE I 

Localisation et description de la station SBC

Direction engineering et production :

Elle a pour but la planification du développement, l’organisation et la mise œuvre des services techniques opérationnels et d’intervention sur toutes les installations des puits et le centre de traitement d’huile (CHT). 

Direction d’exploitation :

Sa tâche principale est la réalisation des programmes de production, de traitement et d’injection des hydrocarbures établies par la région. 

Direction maintenance :

Elle a pour but la planification de développement, l’organisation et la mise en œuvre des réserves de maintenance pétrolière liée aux besoins actuels et futurs de la région dans différentes activités : mécanique, électromécanique, électricité et instrumentation. 

Direction logistique :

Elle a pour objectif la réalisation des travaux non pétroliers et de génie civil, l’entretien de tous les locaux et logement, électricité bâtiment, plomberie et menuisier. 

Division de sécurité :

Le contrôle, l’organisation, et le maintien d’un principales taches de la division. 

niveau de sécurité sont les

Division informatique :

Elle a pour objectif la gestion, le développement et la maintenance de l’outil informatique dans toutes les régions. 

Division intendance

Elle est responsable de la prestation de services de restauration, l’hébergement et la gestion du patrimoine. 

Division finances

Elle s’occupe de la prestation de service de trésorerie et comptabilité générale. 

Division Ressources Humaines et Moyens :

L’organisation et le contrôle de l’activité des régions au niveau du recrutement, formation et gestion de personnels, prestations sociales, activité culturelle et administration générale.

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CHAPITRE I

Localisation et description de la station SBC

Direction régionale

Procédé

Assistance

Direction Eng/Product

Division Eng/product Informatiqu e

Direction Exploitation

Direction Maintenance

Direction Technique

Direction Logistique

Exploitation Division RHM

Maintenance Division Appro

Technique Division Finances

Logistique Division Intendance

Informatiqu e

Direction Oud Noumer

Division Sécurité

Appro Finances Intendance Figure I.4 -Organigramme administratif. [1]

Sécurité

I.2. Description de la station SBC (Boosting) I.2.1.Définition C’est une unité de refoulement de gaz. Elle fait augmenter la pression et garde le débit du gisement d’alimentation des modules (0,1 et 4). Boosting vient d’un mot anglais (to boost) qui signifie amplifier en langue française. Alors Boosting est associé comme amplificateur (amplification). Pourquoi la création de l’unité Boosting ? Avant la création de l’unité, les modules (0, 1 et 4) sont alimentés par des puits indépendants avec une pression de gisement des modules qui est supérieure à 100 kg/cm2. L’usage abusif des puits a fait que la pression diminue pour atteindre la contrainte minimale, qui est devenue un problème pour la production. [1] De ce fait, après des études, il a été suggéré : FHC/13

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CHAPITRE I

Localisation et description de la station SBC

-la première est de diminuer la production. -la seconde est de créer une station de refoulement. La production joue un grand rôle sur les finances, alors pas question d’opter pour la première solution. Donc la création de l’unité est prioritaire afin de maintenir la production. Le débit d’alimentation des modules est de 150 millions m3/jour :  module 0 : 30millions m3/jour.  module 1 : 60 millions m3/jour.  module 4 : 60 millions m3/jour. I.2.2. Différentes sections du Boosting Section manifold : elle s’occupe de faire la collecte des gisements des puits (l’unité Boosting est ressourcée par 92puits). Section utilité : regroupe les besoins de la station tels que :      

Aire de service (vanne, vérin…), Aire d’entretien (nettoyage), Azote (gaz inerte), Huile (alimente le turbo compresseur), Eau (nettoyage), Buffer gaz (compresseur à piston double effets) : il contribue au séchage du gaz

à l’aide d’un gaz pure (GPL). Section réseau torche : c’est une section qui collecte toutes les sorties de sécurité dans un Ballon, qui à son tour, séparera le condensat et l’eau du gaz. Le condensat est renvoyé aux six modules, l’eau sera traitée avant d’être relâchée dans la nature. Les huiles et le condensat soutirés dans le traitement des eaux sont envoyés dans les bourbons pour être brûlés et le gaz sera orienté dans les torches afin d’être brulé. Section turbo compresseur : c’est un ensemble de dispositif qui fait augmenter la pression, composé de trois parties essentielles :  Partie auxiliaire  Partie turbine  Partie charge. Section Supervision : tous les systèmes de contrôle disponibles à SHDP HRM sont numériques. Parmi ces systèmes, on trouve : 1- DCS : c’est un système de contrôle des procédés, dans lequel les éléments régulateurs ne sont pas centralisés mais distribués, avec chaque système sous le contrôle d’un ou plusieurs régulateurs. Les éléments du système peuvent être connectés au réseau pour assurer les fonctions de communication, de conduite, de surveillance et de contrôle des équipements FHC/13

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CHAPITRE I

Localisation et description de la station SBC

distribués avec ou sans l’intervention d’un opérateur humain à distance. [3] Le DCS est constitué de plusieurs sous –systèmes :     

Les dispositions d’entrées/sorties Les contrôleurs individuels (PLC régulateurs) Les interfaces opérateurs (écran, souris, clavier) La station de travail ingénieur Le réseau de communication (bus) pour l’échange des informations

2-Mark5 et Mark6 : pour la commande et contrôle des turbines.

BOOSTING HR SCHEMA DE PRINCIPE CAS " RE-CONTACT "

STATION DE BOOSTING

MPP EXISTANT

E- 901

Vers séparateur froid Aéro

D-902 D-902

Gaz d'alimentation

Aéro Diffuseur K-901

Ballon tampon

Compresseur

Séparateur d'entrée

D-901 D- 901 Ballon d'entrée

Vers section de Fractionnement ( MPP 0, 1, 2, 3 & 4 )

P- 901

Pompe de condensat

Figure I.5- schéma de principe du boosting. [1] I.3Conclusion Notre présence sur le terrain nous a permis de collecter toutes les informations concernant l’organisation de la société et le fonctionnement du processus. Ce dernier possède une machine dynamique indispensable dans la production, appelée Turbocompresseur qui fait l’objet de notre travail.

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CHAPITRE II

Description du turbocompresseur

II.1 Introduction Un turbocompresseur est composé essentiellement de deux parties différentes; une turbine à gaz et un compresseur centrifuge, qui est relié à la turbine par son axe à travers un multiplicateur de vitesse. Le domaine d’utilisation des compresseurs est vaste. Ils sont utilisés dans les usines de pétrochimie, les raffineries, les stations de compression et de distribution du gaz, les unités de GNL (gaz naturel liquéfié) [3]. II.2 Compresseur centrifuge II.2.1 Définition Le compresseur centrifuge est une machine dynamique à écoulement continu de fluide. Des roues solidaires à l’arbre fournissent de l’énergie à ce dernier. Une partie de cette énergie est transformée en augmentant la pression directement dans les roues, le reste dans le stator, c.à.d. dans les diffuseurs [3]. Nous rappelons que les 2 étages de compression du gaz sont réalisés avec deux compresseurs centrifuges BCL 405/a et c du type barrel pour hautes pressions. La signification des symboles du code des compresseurs est la suivante [3] : B : Type "barrel". C : Fermé. L : Diffuseurs "libres ". 40: 40 cm de diamètre des roues du rotor. 5 : 5 roues. er

A : code de la pression d’étude de la caisse a =200 bars pour le 1 étage. C : code de la pression d’étude de la caisse a =500 bars pour le 2

éme

étage.

II.2.2 Les composants principaux du compresseur centrifuge : Le compresseur centrifuge est constitué par :(voir figure II.1) un corps extérieur contenant la partie du stator dite ensemble de diaphragmes (B) où est introduit un rotor formé par l’arbre (C), une ou plusieurs roues (D), le piston d’équilibrage (E) et le collet (F) du palier de butée. Le rotor entraîné par la machine motrice moyennant le noyau (G) tourne sur les paliers porteurs (H) et est gardé dans sa position axiale par le palier de butée (I). Des dispositifs d’étanchéité à labyrinthe (L) et, si nécessaire, des étanchéités huile d’extrémité agissent sur le rotor [3].

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CHAPITRE II

Description du turbocompresseur

Figure II.1 : Coupe longitudinale d’un compresseur centrifuge [1]. II.2.3 Principe de fonctionnement du compresseur centrifuge : Le gaz est aspiré par le compresseur et entre dans une chambre annulaire (volute d’aspiration), puis il se dirige vers la première roue. La roue pousse le gaz vers le périphérique en augmentant sa vitesse et sa pression. A la sortie de la roue, le gaz parcourt une chambre circulaire (diffuseur) où la vitesse est réduite et la pression augmente. Puis il est aspiré par la deuxième roue à travers un canal de retour. Arrivé à la sortie de la dernière roue, le gaz est refoulé à une grande pression à travers une chambre annulaire (volute de refoulement) qui l’envoie à la bride de refoulement [3]. II.2.4 Pompage Le pompage est un phénomène lié aux compresseurs, Il constitue un point très important à surveiller de la part de l’exploitant. Les conditions de fonctionnement où l’allure du compresseur devient instable avec de brusques variations de pressions entraînant de fortes vibrations du rotor sont susceptibles de provoquer des frottements sur les parties fixes et d’endommager ainsi la machine. Les dommages mécaniques pouvant en résulter sur l’équipement (compresseur et tuyauteries) sont les suivants :

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Description du turbocompresseur

• Risques de détérioration des coussinets, des paliers de butée et des étanchéités à l’huile. • Efforts anormaux et alternes sur les conduites. • Bruits excessifs et échauffement interne du compresseur. Pour prévenir ces phénomènes de pompages, les compresseurs sont équipés d’un système automatique de régulation du débit qu’on appelle circuit anti-pompage.

II.3 Multiplicateur Le multiplicateur interposé entre la turbine et le compresseur centrifuge est du type GB-47 avec axes parallèles construit par MAAG (voir figure II.2) [4]. Il est identique pour tous les turbocompresseurs de la station et il présente les caractéristiques suivantes [4] : • Type : GB – 47. • Puissance : 33550 CV. • Vitesse de l’arbre lent : 4670 tours/min. • Vitesse de l’arbre rapide : 10323 tours/min.

Figure II.2: Multiplicateur MAAG II.4 Turbine à gaz II.4.1 Définition Une turbine à gaz est une machine motrice à mouvement rotatif et à combustion interne. Du fait qu’elle est munie d’un compresseur d’air et des chambres de combustion, elle est en mesure de produire un fluide sous pression à une température élevée, qui se détend dans les étages de la turbine fournissant une énergie mécanique pour entraîner une machine réceptrice. Leur grande importance dans les processus de conversion d’énergie peut être appuyée par la diversité de leur application qui s’étend sur différents domaines. Le choix des turbines à gaz pour ses utilisations variées a été fondé en priorité sur leur souplesse d’emploi, leur fiabilité et leur facilité de maintenance face à leurs concurrents traditionnels, turbines à vapeur et moteurs alternatifs [3]. Du Point de vue mode de construction, on distingue deux types de turbine à gaz : FHC/13

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CHAPITRE II

Description du turbocompresseur

A-Turbine mono-arbre : Le compresseur et les sections de la turbine sont montés sur un même arbre ce qui permet de tourner à la même vitesse. Ce type est utilisé pour les applications qui n’ont pas besoin des variations de vitesse telle que l’entraînement des génératrices pour la production de l’électricité.

Figure II.3: Schéma de la turbine à un seul arbre

B-Turbine bi-arbre : Contrairement à la turbine à gaz, à un seul arbre. Les deux sections de turbine ne sont pas reliées mécaniquement ce qui leur permet de tourner à des vitesses différentes. Ce type est utilisé dans les applications qui demandent une large variation de vitesse telle que l’entraînement des compresseurs.

Figure II.4: Schéma de la turbine bi-arbre

II.4.2 Turbine à gaz MS 5002B II.4.2.1 Présentation de la turbine à gaz de type MS 5002B La turbine à gaz MS 5002B NUOVO-PIGNONE est une turbine d’entraînement à deux arbres qui fonctionne suivant un cycle simple. Elle est employée pour entraîner un compresseur centrifuge. La portion d’une turbine à gaz pour entraînement mécanique est la partie dans laquelle le fuel et l’air sont utilisés pour produire une puissance sur l’arbre. Cette turbine possède deux roues de turbine indépendantes mécaniquement. La roue de turbine du premier étage haute pression, entraîne le rotor du compresseur d’air, du type axial à seize étages, et l’arbre entraînant les accessoires (pompes de lubrification et hydraulique). La roue de la turbine du second étage, ou étage basse pression, entraîne la charge (compresseur centrifuge). Les deux roues de la turbine ne sont pas liées afin de leur permettre de tourner à FHC/13

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Description du turbocompresseur

des vitesses différentes pour s’adapter aux variations de charge. Ce modèle de turbine implanté au niveau de Hassi R’mel fonctionne au gaz naturel [3]. II.4.2.2 Principe de fonctionnement : Une turbine à gaz fonctionne de la façon suivante: • elle extrait de l’air du milieu environnant. • elle le comprime à une pression plus élevée. • elle augmente le niveau d’énergie de l'air comprimé en ajoutant et en brûlant le combustible dans une chambre de combustion. • elle achemine l'air à pression et à température élevée vers la section de la turbine, qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique pour faire tourner l’arbre, ceci sert d'une part à fournir l'énergie utile à la machine conduite couplée avec la machine au moyen d’un accouplement et d’autre part à fournir l'énergie nécessaire pour la compression de l'air, qui a lieu dans un compresseur relié directement à la section turbine. • elle décharge à l'atmosphère les gaz à basse pression et la température résultant de la transformation mentionnée ci-dessous. (Voir figure II.5)

Figure II.5: Description fonctionnelle d’une turbine à gaz bi-arbre

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CHAPITRE II

Description du turbocompresseur

II.4.2.3 Les différentes sections principales de la turbine à gaz MS 5002B : Une turbine à gaz est divisée en cinq sections:  L’aspiration.  Le compresseur axial.  Les chambres de combustion.  Section turbine.  L’échappement.  Aspiration Les turbines à gaz consomment une grande quantité d’air pour la combustion et le refroidissement des pièces internes. Cet air doit être filtré pour éviter la pénétration des particules qui peuvent avec le temps éroder le matériel. L’aspiration de la turbine est une enceinte ou compartiment qui abrite les filtres et relié au caisson d’admission de la turbine, ce système regroupe les fonctions de filtrage et de réduction de bruit [3].  Compresseur axial Le compresseur est du type à flux axial. Le système à flux axial produit des débits d'air élevés, nécessaires pour obtenir des valeurs élevées de puissance utile avec des dimensions réduites. Un compresseur se compose d'une série d’étages d’aubes orientables (rotor) qui augmentent la vitesse de l'air en termes d'énergie cinétique suivie alternativement par des étages d’aubes fixes (stator), qui convertissent l'énergie cinétique en une pression plus élevée. Le nombre d’étages de compression est lié à la structure de la turbine à gaz et surtout au taux de compression à obtenir. Dans la MS 5002B il y a 16 étages. Sur le côté d'admission du compresseur, il y a des aubes variables à l'admission (IGV), dont le but primaire est de diriger l'air fourni par le système d'aspiration vers le premier étage des aubes du rotor. Une autre fonction importante des IGV est d'assurer le comportement fluidodynamique correct du compresseur sous différents régimes transitoires de fonctionnement (par exemple, pendant le démarrage et l’arrêt) quand, en raison de différentes vitesses de fonctionnement par rapport à la vitesse de fonctionnement normale, l'angle d'ouverture des IGV est modifiable; ceci sert à changer le taux de refoulement du compresseur axial. Le compresseur sert également à fournir une source d'air nécessaire pour refroidir les parois des directrices, des aubes et des disques de la turbine qui sont atteintes par l'intermédiaire des canaux à l'intérieur de la turbine à gaz, et par la tuyauterie de raccordement extérieur [3].  Section de combustion Après avoir été comprimé dans le compresseur, l’air quitte ce dernier pour entrer dans la chambre de combustion afin de participer partiellement dans l’opération de combustion, qui assure un apport d’énergie thermique très élevé. Le système de combustion pour MS 5002B se compose de douze chambres de combustion d’une forme cylindrique, FHC/13

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CHAPITRE II

Description du turbocompresseur

disposées symétriquement le long d’une circonférence, dans chaque chambre on trouve un tube à flamme (chemise de combustion), un chapeau, un injecteur de gaz et une pièce de transition. En plus des éléments cités précédemment, douze tubes d’interconnexion permettent la propagation de la flamme entre les douze chambres de combustion, deux bougies d’allumage pour amorcer la combustion placées dans les tubes à flamme 1et 12, et deux détecteurs de flamme afin de s’assurer que la combustion a lieu dans toutes les chambre placés dans les tubes à flamme 3 et 10. Les gaz chauds provenant de la combustion sont véhiculés à la première roue de la turbine du premier étage au moyen des pièces de transition, qui transforment la forme cylindrique du parcours des gaz en une forme annulaire approprie à la forme de la roue [3].

Figure II.6: Chambres de combustion

Figure II.7: Une chambre de combustion FHC/13

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CHAPITRE II

Description du turbocompresseur

 Section turbine : Après la combustion, les gaz chauds comprimés se dirigent vers le chemin le plus facile (l’échappement) en passant par la roue HP (haute pression) pour céder une grande partie de leur énergie emmagasinée. La trajectoire des gaz dans la roue HP est tangentielle au profil des intrados des aubes afin d’éviter les chocs (perte d’énergie) et d’avoir un couple résultant maximal. La roue HP est reliée directement au rotor du compresseur axial, l’ensemble est souvent appelé rotor, la détente des gaz dans la roue HP sert à faire tourner le compresseur axial. Les gaz sortant de la roue HP traversent la directrice de deuxième étage qui sert à régler la vitesse de la roue HP et la température de l’échappement grâce à ses aubes variables En suite une deuxième détente aura lieu dans la roue BP (basse pression) qui se situe juste après la directrice. Les aubes de la roue BP sont plus longues que celles de la HP et cela pour maximiser la surface de contacte (plus de couple). Elles sont soutenues des deux extrémités afin d’éviter leur flexion. Les gaz quittant la roue BP sont envoyés Dans l’atmosphère et le couple résultant sert à faire tourner la charge (compresseur centrifuge) [3].

Figure II.8: Section compresseur axial et la roue HP

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CHAPITRE II

Description du turbocompresseur

Figure II.9: La roue BP   Echappement :

Le système d’échappement a pour fonction, l’expulsion vers l’atmosphère des gaz provenant de la détente dans les roues de la turbine [3].

Figure II.10: Les différentes sections principales de la turbine à gaz MS 5002B

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CHAPITRE II

Description du turbocompresseur

II.5 Auxiliaire du turbo compresseur : II.5.1 Turbine de lancement : Le lancement d’une turbine à gaz nécessite un appareillage auxiliaire constitué d’une petite turbine monté sur un châssis. Cette turbine est alimentée par un gaz dit "Gaz de démarrage" provenant de la ligne d’aspiration de la station située en aval des aspirateurs FA201-FA205. Ce gaz entre dans la turbine à une pression de 28 bars et sort après détente à une pression de 0,7 bars .La turbine est capable de fournir une puissance de 500 CV à 3000 tr/min [4]. II.5.2 Réducteur des auxiliaires : Il est entraîné par le compresseur axial de la turbine par l’intermédiaire d’un accouplement denté à graissage continu. Ce réducteur a pour objet d’entraîner les auxiliaires : • Pompe principale d’huile de graissage. • Pompe hydraulique d’huile haute pression. II.5.3 Circuit d’huile de lubrification (graissage) : Le circuit d’huile de lubrification est conçu pour assurer une alimentation en lubrifiant filtré à une pression appropriée pour le fonctionnement de la turbine et de ses équipements associés [4]. Le système d’huile de lubrification est équipé de 3 pompes [4]: A- pompe principale : C’est une pompe volumétrique d’une pression de refoulement de 8,4 bars elle est entraînée par l’engrenage accessoire. Le débit de cette pompe est de 1968 litres/min. B- Pompe auxiliaire (88QA) : Elle est entrainée par un moteur à courant alternatif. Sa fonction est de fournir de l’huile aux paliers et l’accouplement lors du démarrage et l’arrêt de la turbine quand la pompe principale ne peut fournir une pression suffisante pour le fonctionnement en conditions de sécurité. C- Pompe de secours (88QE) : La pompe centrifuge d’huile de graissage de secours fonctionne afin de fournir de l’huile de graissage au collecteur principal des paliers pendant un arrêt d’urgence, dans le cas où la QA a été forcé hors service ou qu’elle est incapable de maintenir la pression adéquate de l’huile de graissage, la QE s’utilise seulement pendant l’arrêt de la turbine car sa puissance et le moteur qui l’alimente (CC) sont incapable d’assurer le graissage pour le fonctionnement normal de la turbine.

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CHAPITRE II

Description du turbocompresseur

II.5.4 Système d’huile d’étanchéité : Le système d’huile d’étanchéité est conçu pour empêcher le passage du gaz de la caisse du compresseur vers l’extérieur, l’huile est prélevée du collecteur d’huile de lubrification par deux pompes de surpression (SP1-SP2) entraînées par un moteur électrique. La pression d’huile au refoulement est maintenue à une pression supérieure de 5 bars à celle du gaz de référence grâce à la vanne de régulation de la pression différentielle (DPCV) [4]. II.5.5 Système d’air d’étanchéité et de refroidissement : La plupart de l’air comprimé est utilisé pour la combustion. Une partie de cet air est iéme retirée du compresseur du 10 étage et utilisée pour l’étanchéité des paliers N° 1, 3 et 4 contre les fuites d’huile et aussi pour le refroidissement des faces avants et arrières des roues HP et BP [4]. II.6 Instrumentation : La turbine à gaz MS 5002B est équipée de plusieurs instruments qui assurent son fonctionnement normal, ainsi que la régulation, la protection et la surveillance. Les figures suivantes montrent quelques instruments utilisés dans une turbine MS 5002B. Bougie d’allumage détecteur de vibration pickup de vitesse

Figure II.11: Bougie d’allumage

Figure II.12: détecteur de vibration

Figure II .12Pickup de vitesse

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CHAPITRE II

Figure II .13: Electrovanne

Figure II.15 MOOG Servovalve

Description du turbocompresseur

Figure II.14: fin de course

Figure II.9: détecteur de flamme

Figure II.15: pressostat

Figure II.9 : différentiel variable linéaire

II.7 Conclusion : Afin de pouvoir commander notre système, nous avons mis en évidence son principe de fonctionnement et les différentes parties qui le composent, ainsi nous avons proposé une description de l’instrumentation appliquée à notre système. Le chapitre qui suit a pour objectif de découvrir la commande appliquée à un Turbo compresseur.

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Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

III.1 Introduction Le système de contrôle SPEEDTRONIC est prévu pour assurer la commande et la protection des turbines à gaz et à vapeur construites par GE, en raison des diversités dans les applications, et des différences dans les exigences de la charge imposée à la turbine, un système de commande convenable a été mis au point. Le système de commande speedtronic emploie des capteurs pour surveiller les paramètres, toujours variables en cours de fonctionnement. De cette façon le système de contrôle Speedtronic réalise la souplesse nécessaire pour que la turbine à gaz puisse répondre aux différents types de charges qui lui sont imposées. Il est actuellement employé pour la commande de plusieurs turbines à gaz pour augmenter la fiabilité et la sécurité pour un service intensif.

III.2 Définition et rôle du système Mark VI (SPEEDTRONIC) Le Mark VI est un système de commande triple redondant modulaire (TMR) avec des tiroirs simples ou multiples et des E/S locales ou à distance. Les fonctions principales du système de commande de la turbine Mark VI sont les suivantes [6] :  La commande de la vitesse pendant le démarrage et l’arrêt de la turbine.  La synchronisation automatique du générateur (cas d’un turbogénérateur).  La commande de la charge de la turbine pendant le fonctionnement normal.  La surveillance et la protection contre survitesse, réchauffement, vibration et perte de flamme. Le système MARK VI contient un processeur qui est constitué de quatre modules de contrôle R, S, T et P. Les trois modules R, S, T sont identiques et gèrent le fonctionnement des turbines à gaz. Le module P est spécifié pour la protection du système, il provoque un arrêt immédiat de la machine en cas de problème. Chaque module R, S et T a sa propre carte de protection dans le module P. Ces modules sont connectés entre eux à travers les IO-NET pour assurer l’échange d’information et avec la HMI à travers l’UDH pour permettre la communication humain/machine. [5] Le système MARK VI fonctionne avec deux configurations différentes :  Configuration simplexe : Pour application non redondante, ou la continuation du système après une défaillance qui n’est pas requise.  Configuration TMR : Pour application où les défaillances du système ne causent pas l’arrêt complet du procédé à commander. [6]

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Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

Fig. III.1. Module (R)

III.3 Architecture du système. [4] Le système de commande mark VI se compose des sous systèmes suivants :

III.3.1 Armoire de régulation : La cabine de commande contient soit un module de commande simple Mark VI (simplex) ou bien trois modules de commande TMR. Ceux-ci sont connectés à leur E/S à distance, par un réseau d’E/S simple ou triple à haute vitesse, appelé IONet et sont connectés à l’UDH par leur port Ethernet du contrôleur. La cabine de commande nécessite une alimentation de 120/240 V ca et/ou 125 V cc [5].

Fig. III.2. Les armoires de commande

Fig. III.3.Les triples redondants modulaires (TMR)

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Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

III. 3.2 Armoire E/S Le compartiment d’E/S contient des modules d’interface simples ou triple. Ceux-ci sont connectés aux contrôleurs par le réseau IONet et aux plaques à bornes par les câbles dédiés. Les plaques à bornes se trouvent dans le compartiment d’E/S situé dans la proximité des modules d’interface. Les besoins en alimentation sont de 120/240 V ca et/ou 125 V cc [5].

III. 3.3 Unité d’interconnexion de données entre MARK VI et l’HMI (unit data Hardaway (UDH)) L’UDH est un réseau à base Ethernet. Il fournit des communications directes entre les contrôleurs et une interface de l’opérateur. Il utilise les données globales Ethernet (EGD). Les données de commande UDH sont répliquées à tous les trois contrôleurs. Ces données sont lues par la carte à contrôleur de communication principale (VCMI) et transmises

aux

autres

contrôleurs.

Le fonctionnement par câble redondant est optimal, le fonctionnement de l’unité continue même si un câble est défectueux, l’UDH peut supporter la communication par fibre optique. [6]

III. 3.4 Interface homme/Machine (HMI) : Les HMI typiques sont des PC sur lesquels est installé un système d’exploitation Windows, avec pilotes de communication pour les magistrales des données et le logiciel d’affichage de l’opérateur COMPLICITY. L’opérateur initie les commandes depuis les affichages graphiques et peut visualiser les données et les alarmes de la turbine en temps réel sur les affichages graphiques CIMPLICITY. L’opérateur peut utiliser l’HMI pour les opérations suivantes : - Visualiser tous les paramètres d’une ou plusieurs turbines par les affichages graphiques (par exemple: alarmes, températures d’échappement, vibrations, pression d’huile de lub/con /hyd…) - Envoyer les commandes à la turbine choisie (par exemple: démarrage, arrêt, augmenter/diminuer la charge,…) Les HMI sont connectés à un bus de données ou des cartes d’interfaces de réseau redondantes peuvent être utilisées pour connecter l’HMI aux deux magistrales de données pour une plus grande fiabilité. [6]

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Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

Figure III.4: Affichage graphique sur l’HMI CIMPLICITY

III.3.5 Connexion au système de commande distribuée (DCS) : Un DCS est une combinaison du concept d’une boucle simple de contrôle local et les réseaux informatiques. Les systèmes de contrôle distribués ont énormément améliorés la gestion

des

procédés

industriels

avec

plus

de

souplesse

et

de

sécurité.

Le DCS fait référence à un système de contrôle d’un procédé, dans lequel les éléments régulateurs ne sont pas centralisés (comme le cerveau) mais distribués avec chaque soussystème sous le contrôle d’un ou plusieurs régulateurs. Une connexion de communication sérielle, utilisant le protocole Modbus peut être fournie depuis une HMI. Cela permet à l’opérateur DCS l’accès en temps réel aux données relatives au Mark VI et fournit des commandes discrètes et analogiques. [6]

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Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

III.4 Boite à outils Toolbox. [4] III.4.1 Définition : La boite à outil Toolbox du système de régulation est un produit de « GE Control system solutions », c’est un logiciel basé sur microprocesseur, utilisé pour configurer et entretenir l’équipement de régulation. Ses fonctions primaires incluses sont :  L’éditeur à base graphique pour configurer le code d’applications. La prise en charge de bibliothèque de module, de blocs et de macros. Les organigrammes de données en directe. Les changements de code d’application en ligne. Les fichiers d’aide en ligne. La surveillance et la configuration d’E/S. La gestion des signaux et les tendances des signaux. Le mode de fonctionnement séquentiel. Le logiciel de boite à outils configure différents équipements de régulation, par conséquent, chaque ensemble de produit peut se composer de la boite à outils, des fichiers produits pour le contrôleur ou le pilote, l’historique des données et des fichiers produits pour la base de données système (SDB). [4]

III.4.2 Espace de travail : L’écran suivant représente un format de base de l’espace de travail de la boite à outils. Les commandes des menus, les boutons des barres d’outils et les articles de la vue général (outlineview) peuvent varier avec le produit installé.

Figure III.5 : Espace de travail Toolbox. [4] FHC/13 Page 27

Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

III.4.3 Privilège et mot de passe : Le système de privilège et mots de passe affecte des niveaux différents d’accès aux dispositifs. Les mots de passe peuvent être établis pour les différents niveaux de privilège de sorte que chaque utilisateur peut accéder à un dispositif au niveau nécessaire pour le travail qui lui est affecté, un mot de passe peut être attribué à chaque niveau d’accès de l’application Toolbox (chaque niveau suivant permet toutes les fonctions des niveaux précédents).

Figure III.6 : différent niveaux d’accès aux dispositifs.

III.4.4 Code d’application : Le logiciel du contrôleur est composé de blocs qui exécutent une logique de commande. Le logiciel est dénommé blockware. Ces blocs correspondent à un bloc de fonction qui existe dans le code d’application. Les définitions de blocs sont importées comme fichiers dans les bibliothèques de blocs. Ces blocs sont utilisés pour composer les macros, les blocs et les macros composent les taches. Une ou plusieurs taches peuvent entrer dans un module et n’importe quel nombre de modules compose une fonction. Cette hiérarchie montre la manière dont les divers niveaux du groupe de bloc d’un Contrôleur sont affichés dans l’espace de travail. Il y a deux niveaux de blocs qui peuvent être réutilisés :  Les macros qui contiennent un ensemble standard de blocs. Les modules qui sont un ensemble plus complexe de taches (séquence) qui ont des relations de programmation définies. Blocs : sont des éléments de programmation les plus élémentaires, ils peuvent exécuter des fonctions mathématique. Ils peuvent résoudre un RLD (Diagramme Ladder du relais) et effectuer une filtration. Ils peuvent résoudre également une équation booléenne. Le groupe de blocs du code de produit supporte une fonction pour chaque bloc affiché dans les bibliothèques standard et de bloc d’industrie. FHC/13 Page 28

Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

 Macro: il représente une collection de blocs et d’autres macros qui contiennent des entrées et des sorties bien définies. Une fois que la macro est définie elle peut être insérée dans une tâche ou dans une autre macro. Les blocs internes et les connections de la macro insérés ne peuvent pas être changés.  Taches : elles contiennent des blocs et/ou des macros qui représentent une séquence de programmation. Les taches sont planifiées pour être exécutées sur la base de l’ordre dans lequel sont affichées dans l’espace de travail.  Pins (Broche) : Dans la boite à outils, les paramètres de blocs macros et modules sont appelées des pins (broches). Toutes les broches ont un nom unique en fonction de leurs blocs, macros ou modules. Les broches sont connectées par des signaux qui sont l’unité de base pour des informations variables.   Modules : C’est un ensemble de tâches de programmation, qui permet de réutiliser les blocs à un niveau supérieur à celui des macros. Il y a plusieurs types de modules : 

Les modules instanciés qui sont définis dans l’élément « définition de modules » sous bibliothèque de fonction macros ou bibliothèque de modules.  Les modules en ligne qui ne sont pas destinés à être réutilisés.  Les modules over-ride (priorité) sont une combinaison instanciée et en ligne. Ils sont crées en instanciant une définition de modules puis en prenant la priorité sur cette dernière à partir de boite de dialogue du module édit (module édition). Prendre la priorité sur un module permet de démarrer avec une définition de modules standards puis de pouvoir le modifier en tant que module en ligne.   Fonctions : elles sont au niveau le plus haut de hiérarchie qui représente la programmation d’une fonction de commande. Elles sont principalement utilisées pour grouper des modules inter reliés. Tous les facteurs d’échelle de type de données, les signaux, les définitions de modules, les définitions des macros et les instances d’une fonction donnée, peuvent être associés indépendamment à une fonction qui permet de déplacer une fonction d’un contrôleur à un autre.

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Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

Figure III.7 : librairie de Toolbox. [4]

III.5 Etapes à suivre pour accéder à un programme du turbocompresseur : Pour accéder à un programme auquel la turbine est soumise et pour pouvoir visualiser toutes les séquences qu’elle traverse, il suffit de suivre les étapes suivantes : -Cliquer sur le bouton Windows Start, Programme, GE Control System Solutions, et Control System Toolbox.

Figure III.8 -cliquer sur (File) puis sur (Open), après on cherche le dossier Local HMI dans lequel sont inclues les différentes Unités

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Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

Figure III.9 -on clique sur l’une des unités puis sur site, et ensuite sur Unit7 et on aura l’icône suivante :

Figure III .10 -on clique sur le fichier G7.dl. Une page nous demandant de continuer s’affiche. En cliquant sur (Oui), l’icône suivante s’affiche :

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Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

Figure III.11 -En cliquant sur Finder, l’icône suivante s’affiche :

Figure III.12 -dans la zone (Texte), on sélectionne la séquence qu’on veut visualiser. On coche (Exclude Libraries), puis en cliquant sur Find, l’icône suivante s’affiche.

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Chapitre III

Présentation du système de contrôle MARCK VI

Figure III.13 -En cliquant sur (Goto the selected item), notre séquence s’affiche dans la partie Vue sommaire.

Figure III.14

III.6 Conclusion : Dans ce chapitre, on a présenté le système de contrôle Marck VI avec son architecture interne, sa boite à outils TOOLBOX, son espace de travail ainsi que les étapes à suivre pour pouvoir accéder au programme des séquences en ligne. La maitrise de toutes ces opérations est nécessaire pour étudier, comprendre et interpréter le programme de la séquence de démarrage qu’on détaillera dans les chapitres qui suivent. FHC/13 Page 33

Chapitre IV

Etude de la séquence démarrage

IV.1 Etude de la séquence démarrage :

IV.1.1 Introduction La séquence de lancement de la turbine se fait en quatre étapes importantes avant que cette turbine ne devienne prête à la mise en charge. Ces étapes sont : démarrage, allumage, accélération et enfin sa mise en charge. Mais avant d’entamer ces étapes, il faut s’assurer que les conditions de contrôle sont vérifiées et que la turbine est prête pour le lancement.

IV.1.2.Conditions de contrôle. [2] IV.1.2.1.Vérification des conditions de contrôle Si la turbine est au repos, des contrôles électroniques des vannes de régulation et d’arrêt du système de combustible sont effectués. A ce stade (Statut arrêt) s’affiche sur les écrans de la salle de contrôle. L’activation du commutateur de fonctionnement maître (L43) qui passe de la position (Désactivé) à un mode de fonctionnement activera le circuit prêt. Si tous les verrous des circuits de protection et de déclenchement sont réinitialisés, c’est-à-dire, que tous les boutons poussoirs d’arrêts d’urgence sont à la position repos et que les causes de déclanchements sont réparées et réarmées, les messages (Statut démarrage) et (Prêt à démarrer) s’afficheront indiquant que la turbine acceptera un signal de démarrage. Cliquer sur le Commutateur de contrôle (Marche) et (Exécuter) introduiront le signal de démarrage. Dans la séquence logique, le signal de démarrage excite le circuit de contrôle et de protection (L4) qui assure la pressurisation du circuit d’huile de déclenchement et le démarrage de l’équipement auxiliaire nécessaire. Avec le permissif de circuit (L4) et l’embrayage de démarrage automatiquement engagé, les dispositifs de démarrage commencent à tourner. Le message de statut de démarrage "STARTING" (En démarrage), s’affiche sur les écrans de la salle de contrôle.

IV.1.2.2 préparation de la turbine pour le lancement  Partie auxiliaire prête pour le démarrage  Tous les moteurs en position auto et sont sous tension.  Système anti-incendie (CO2) en position auto pour qu’il puisse intervenir automatiquement en cas d’incendie et cela en étouffant la flamme.  Les portes de l’enceinte fermées pour éviter des accidents de travail et protéger les employés de la chaleur dégagée par la turbine lors de son fonctionnement.  Position correcte des vannes c'est-à-dire : -Vanne de torche (XV-916) et de recyclage (FV-909) ouvertes. -Vanne d’aspiration (XV-911), refoulement (XV-917) et la vanne de pressurisation (XV-912) fermées. FHC/13

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Chapitre IV

Etude de la séquence démarrage

 Machine complètement à l’arrêt.  Absence de tous les facteurs de déclenchement (L4CETRIP).  La température de l’huile dans la caisse est supérieure à 20°c.  Pas de détection de feu dans les différentes parties de la turbine.  La vitesse du moteur de lancement, des roues HP et BP sont nulles.  Le circuit électrique d’alarme de survitesse n’est pas déclenché. Après l’achèvement des vérifications automatiques du système et l’établissement de la pression d’huile de graissage, le dispositif de lancement est mis en marche, et le (prêt pour le démarrage) s’affiche dans les tableaux de la salle de contrôle. En conséquence, on peut passer à l’étape suivante qui est l’étape de démarrage.

IV.1.3 Séquence de lancement. [7] IV.1.3.1.Phase de démarrage Les étapes à suivre dans cette phase sont :  Démarrage des pompes auxiliaires (QA, HQ, et la QV).  Ouvrir les vannes de gaz pour purger les différentes parties de la machine.  Définition de la purge : La purge est un balayage ou un nettoyage à l’aide du gaz ou d’air pour faire sortir le reste des Gaz et cela pour éviter des problèmes de collision dans le turbocompresseur. La première purge est celle du compresseur centrifuge vers la torche et elle dure 90 sec. La deuxième est celle de la conduite d’anti pompage qui dure 30sec.  Faire la pressurisation et cela en fermant les vannes de torche, les vannes de refoulement, les vannes d’aspiration et en ouvrant la vanne d’anti pompage.  But de la pressurisation : Le but de la pressurisation est de donner plus de sécurité pour tout le système et d’éviter les coups brusques sur les vannes. Quand la différence de pression amont/aval de la vanne d’aspiration est égale à 2kg/cm2, on pourra ouvrir les vannes principales d’aspiration et de refoulement.  Après l’ouverture complète des vannes d’aspiration et de refoulement, on aura le prêt pour le CRANK c’est-à-dire que la roue HP tourne à une vitesse qui ne dépasse pas les 20% de sa vitesse nominale grâce au moteur de lancement. 

Quand les 20% de vitesse de HP sont atteintes (14HM=1), la purge des chambres de combustion se fait à l’aide d’air aspiré par le compresseur axial. La durée de cette purge est de 2min. C’est ici que la phase de démarrage s’achève, et la turbine passe à une autre étape qui est la phase d’allumage.

IV1.3.2 Phase d’allumage C’est le commutateur 43 qui nous indique l’état ou le mode de fonctionnement de la turbine. Cette position est sélectionnée par les tableautistes qui suivent le démarrage dans la salle de contrôle et cela en appuyant sur l’un des boutons- poussoirs.

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Chapitre IV

Etude de la séquence démarrage

Les différentes positions du commutateur 43. [7]      

OFF : la turbine est à l’arrêt. CRANK : la turbine tourne à une vitesse inférieure à 20% sans entrainer avec elle la charge. Cette position est sélectionnée pour tester la turbine. FIRE : Cette position commande la turbine jusqu’à l’allumage où elle sera maintenue tant que le sélecteur est actif. REMOTE : si le sélecteur 43 est en position REMOTE, la turbine sera commandée par le DCS jusqu'à la fin de séquence. MANUEL : si le sélecteur 43 est en position manuel, l’intervention des opérateurs est possible à chaque étape de la séquence et la mise en charge sera manuelle. AUTO : si le sélecteur 43 est en cette position Auto, la turbine suit un programme bien défini du début jusqu'à sa mise en charge à la fin de séquence.

A la fin de purge des chambres de combustion, le système de commande ouvre les vannes de gaz (SRV et GCV) pour fournir un débit suffisant du combustible et met le courant dans les bougies d’allumage pour fournir l’étincelle aux chambres de combustion pendant 60sec. Cette phase sera accompagnée par le déclanchement des aeros pour le refroidissement de l’huile de la caisse. Quand la flamme est détectée par les détecteurs de flamme à ultraviolet, qui sont situés du côté opposé de la turbine par rapport aux bougies, l’allumage et le transfert de la flamme sont achevés. Une période de chauffage qui dure 1min est prévue pour éviter les contraintes mécaniques sur les composants de la turbine. Cette phase de chauffage sera accompagnée par une baisse du débit du combustible (diminution de l’ouverture de la vanne de gaz GCV).

Figure IV.3 : détecteur de flamme.

Remarque : Le capteur de flamme à ultraviolet consiste en un détecteur rempli d’un gaz sensible à la présence du rayonnement à ultraviolet qui est émis par une flamme d’hydrocarbure. En cas de présence de flamme, l’ionisation du gaz dans le détecteur permet la conductivité dans le circuit qui fait activer la partie électronique. L’absence de flamme génère une sortie opposée, définissant (pas de flamme). FHC/13

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Chapitre IV

Etude de la séquence démarrage

Si l’allumage ne se produit pas dans les 60 sec de la temporisation de transfert d’allumage, le système de commande passe automatiquement à une séquence de purge et fait une tentative d’allumage.

IV1.3.3 Phase d’accélération. [7] A la fin de la période de réchauffement, le débit de combustible est augmenté et la turbine entre dans la phase d’accélération. C’est une phase critique qui passe par plusieurs niveaux de commande de combustible (FSR) contrôlé par des régulateurs PID qui sont inclus dans les cartes du Mark VI et qui donne la commande aux FSR minimum. Au début de la phase d’accélération, c’est le FSRSU qui contrôle l’accélération de la turbine suivant une rampe dont la pente est égale à 0,05%/sec. -Quand la vitesse de HP se situe entre 40% et 50%, elle entre dans une phase où elle a besoin d’accélérer plus pour pouvoir faire tourner l’arbre BP et la charge en même temps. C’est ici que le FSRACC intervient pour prendre le contrôle de la turbine afin que l’accélération suive une rampe avec une pente de 0,11%/sec. -Quand la vitesse de HP se situe dans l’intervalle [50%-75%], la turbine traverse une nouvelle phase critique celle du désaccouplement du moteur de lancement (avoir l’autonomie de la machine) ou elle à besoin d’accélérer encore plus. La pente de la rampe d’accélération est calculée par le système de commande et se situera entre 0,11%/sec et 0,31%/sec. -Quand le régime permanent de la machine est atteint, (92% de HP et 75% de BP), s’il est maintenu pendant 20sec, la pente de la rampe d’accélération est de 1%/sec, mais si la vitesse dépasse les 92%, la pente sera calculée par le système de commande qui nous donne une constante qui se situe dans la fourchette [0,1%/sec – 0,31%/sec] pour éviter les problèmes de survitesse. Dans ces conditions on peut dire que la machine est prête à la mise en charge. Remarque : Le mode de calcul de ces différentes pentes d’accélération sera détaillé dans le chapitre suivant.

IV1.3.4 Mise en charge de la machine Quand la turbine sera prête à être chargée, c'est-à-dire que la vitesse de HP=100% et celle de BP=75%, la charge ( le compresseur centrifuge) commence à fonctionner en tournant à la même vitesse que BP pour augmenter la pression du gaz venant des 92 puits pour l’envoyer vers les différents modules ou il sera traité. Pour assurer le bon fonctionnement du turbocompresseur, le système prend des mesures pour garder les conditions de fonctionnement établies qui sont : Fermeture des nozzles pour maintenir la vitesse de HP à 100 %. L’arrêt de la partie auxiliaire électrique et démarrage de la partie mécanique pour économiser l’électricité. Ces pompes mécaniques sont reliées à l’arbre HP à travers un réducteur de vitesse qui réduit la vitesse de 5100tr/min à 1800tr /min pour assurer le bon fonctionnement de ces pompes. [2]

FHC/13

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Chapitre IV

Etude de la séquence démarrage

IV.2 Etude de la séquence de lancement programmée en TOOLBOX IV.2.1 Introduction : Pour bien maitriser la partie commande et comprendre les différentes séquences de fonctionnement du turbocompresseur, il faut connaitre tous les signaux avec lesquels le logiciel Toolbox fait ses programmes. Le tableau suivant donne les différents signaux qu’on va rencontrer dans la séquence de lancement, ainsi que leurs significations. [4]

signal

type

valeur

Signification

L28FDA/B/C/D

Bool

/

Les quatre détecteurs de flamme.

FLAME

Bool

/

Deux sur quatre détecteurs de flamme actifs.

WARMUPEN

Bool

/

FSKSU_TC

Flaot

1sec

FSKSU_WU

Flaot

19%

Détection de flamme validée soit par 2/4 ou 4/4 des détecteurs. Le temps max pour la validation de la flamme. La consigne de chauffage.

FSKSU_FI

Flaot

25%

La consigne d’allumage.

FSKSU_AR

Flaot

33%

La consigne d’accélération.

Flaot

83%

La consigne donnée au FSR pour forcer la décélération (éviter la survitesse de HP).

FSKSU_IM

Flaot

0.3

Pente de la rampe d’accélération.

FSKSU_IA

Flaot

0.05

Pente de la rampe d’accélération.

Flaot

0.9 à 1.25

Facteur de correction air/gaz. FC=C / (A+B) ou : A : Température d’entrée (Inlet). B : Température ambiante. C : Température fixée par le constructeur (519°F). S’il y a un défaut dans les deux thermocouples, on lui affecte la valeur 1.

Bool

/

Fin de la phase de chauffage.

FSRDESEL

CQTC

L2WX FHC/13

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Chapitre IV

Etude de la séquence démarrage Bool

/

Fin de la phase de purge.

Bool

/

C’est un signal qui est forcé à 1 en cas d’arrêt ou purge ou position CRANK pour ignorer la consigne de commande.

SHUTDOWN

Bool

/

Indicateur de la machine à l’arrêt.

STEP1 /

Bool

/

L’arbre HP et BP sont à l’arrêt.

START

Bool

/

TRIP

Bool

/

STOP

Bool

/

La commande d’exécution de démarrage. START= (AB+CB)*D ou : A : bouton poussoir START. B : Position REMOTE. C : La confirmation de la position REMOTE par le DCS. D: Près pour le START (Ready To Start). Facteurs de déclanchement. TRIP=A+B+C+D+E ou : A : Déclanchement de l’une des alarmes. B : Défaut dans la partie auxiliaire. C : Défaut d’allumage. D : Chute de vitesse de BP. E : Arrêt d’urgence. L’arrêt normal de la machine. STOP=A+B+C+D+EF ou : A : Bouton poussoir d’arrêt. B : Arrêt de la partie auxiliaire. C : Demande d’arrêt pendant la séquence de démarrage. D : Défaut dans les vannes de gaz. E : Demande d’arrêt par le DCS. F : Position REMOTE active.

EMRAUXOK

Bool

/

Test positif de la partie auxiliaire.

K_EMRTST

Flaot

0.5min

AUXACTIVEOK

Bool

/

Temps max pour le test de la partie auxiliaire. La partie auxiliaire est prête pour la phase suivante.

PROCESSOK (L3RC=1)

Bool

/

L2TVX

SD_OVRD

FHC/13

Le procédé est prêt pour entamer la phase CRANK (Unit Ready To CRANK)

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Chapitre IV

Etude de la séquence démarrage

GGATCRANK

Bool

/

Les 20% de vitesse de HP est atteint, entamer la phase de purge.

K_ACC2CRANK

Flaot

2min

GTPURGEOK

Bool

/

Temps max nécessaire pour accélérer la roue HP jusqu’à 20%. Fin de la phase de purge et prêt pour l’allumage.

K_PURGE

Flaot

K_INGLITE

Flaot

1min

Le temps max nécessaire pour la détection de la flamme.

FLT2IGNX

Bool

/

Défaut dans la partie auxiliaire pendant l’allumage.

WARMUPOK

Bool

/

Fin de chauffage.

K_WARMUP

Flaot

1min

Le temps max nécessaire pour le chauffage.

/

Le compresseur centrifuge (charge) est prêt.

REGWARMUPOK Bool

2min

Le temps max nécessaire pour la purge.

LOADOK

Bool

/

Partie auxiliaire prête pour la mise en charge du compresseur centrifuge. Le régulateur de FSRN de charge est actif.

RELOAD

Bool

/

Possibilité de recharger la machine tant que la vitesse de HP>92%. RELOAD= (A+CD). (BE) A: Buttons START active. B: bouton stop active. C : sélecteur sur Remote. D : position Remote acceptée par le DCS. E : la vitesse de HP>92%.

UNLOADED (L33CDMIN=1)

Bool

/

Ne pas charger la machine. Si la vitesse de BP est