Régulation des compresseurs

7.2.1 Gestion des compresseurs régulés mécaniquement

Actuellement, les débits des compresseurs du CERN peuvent être régulés mécaniquement en agissant sur leur vanne tiroir. En fonctionnement normal, un compresseur par étage règle le dé-bit. La vanne tiroir du compresseur réglant est pilotée par un régulateur dont la consigne est la position de la vanne de bypass, voir la Figure 6.1. Les vannes de bypass sont réglées à de faibles ouvertures de manière diminuer le débit traité par les compresseurs et donc réduire leur consommation électrique.

7.2. Régulation des compresseurs Une stratégie datant du LEP a été développée au CERN pour permettre la gestion des démar-rages et des arrêts des cinq compresseurs (C1, C2 et C3 dans le premier étage ; C6 et C7 dans le deuxième étage) en fonction de la demande. Un compresseur i est sélectionné à chaque étage comme étant le compresseur prioritaire à arrêter. On vient alors arrêter ce compresseur ou en démarrer un autre en fonction de sa capacité de traitement courante (proportionnelle à la vanne tiroir) et de la position de la vanne de bypass, voir la Figure7.1. Cette méthode a fait ses preuves lors de l'exploitation du LEP et cette logique a donc été réutilisée pour gérer les diérents dé-marrages et arrêts des compresseurs pour le LHC.

Compresseur prioritaire Compresseur pleine puissance Autre compresseur prêt Démarrage autre compresseur Arrêt Compresseur

Tempo 20s Tempo 20min

Vanne tiroir > 80 % Compresseur pleine puissance : Vanne tiroir = 100% Tempo 20s Vanne tiroir < 25 % Bypass < 20% Bypass < 20% Bypass > 60% Compresseur en régulation : Vanne tiroir = régulée

Tempo 20s Bypass > 60% Compresseur en régulation Compresseur prioritaire Compresseur en régulation : Vanne tiroir = régulée

Compresseur pleine puissance : Vanne tiroir = 100%

Gestion régulation

compresseurs ^{Gestion Arrêt/démarrage} compresseurs

Figure 7.1  Gestion des compresseurs d'un étage

Le problème majeur de la régulation utilisant des vannes tiroirs est que de fortes vibrations mécaniques sur les compresseurs apparaîssent lorsque les vannes tiroirs sont ouvertes à de faibles valeurs. Les équipes d'opération préfèrent donc fonctionner avec les vannes tiroirs ouvertes au maximum de manière à réduire les contraintes mécaniques sur les machines et augmenter leur durée de vie. De plus, l'économie électrique engendrée par la fermeture des vannes tiroirs est relativement faible : au maximum, les vannes tiroirs permettent de réduire de 60 % le débit traité pour une diminution d'énergie électrique d'environ 50 %.

7.2.2 Utilisation de variateurs de vitesse

Plusieurs études sur l'utilisation de variateurs de vitesse dans les stations de compression ont déjà été proposées dans le cadre de grands systèmes de réfrigération comme, par exemple, pour la station de compression du système cryogénique du tokamak franco-japonais JT60-SA [5]. Pour autant, de tels systèmes n'ont encore jamais été mis en place en cryogénie. L'utilisation d'un variateur de vitesse pour contrôler le débit dans les compresseurs présente pourtant de nombreux avantages par rapport à l'utilisation des vannes tiroirs :

Chapitre 7. Développement d'un système de pressions ottantes

 Le variateur permet d'atteindre un débit maximal plus élevé en fonctionnant à 60 Hz au lieu de 50 Hz ;

 Le variateur permet de travailler avec les vannes de bypass complètement fermées et donc de traiter un débit total moins important ;

 Un compresseur équipé d'un variateur peut atteindre 15 % du débit nominal contre seulement 40 % avec une vanne tiroir classique. La zone de fonctionnement est donc plus étendue avec un variateur de vitesse ;

 Le facteur de puissance (le rapport entre la puissance électrique active et la puissance appa-rente) avec un variateur est compris entre 0,8 et 0,9 contre un facteur compris entre 0,6 et 0,9 avec une vanne tiroir. Cela signie que le variateur de vitesse produit moins de puissance réactive. Le nombre de kilowattheures à payer sera donc plus faible ;

 La puissance électrique consommée avec un variateur est moindre qu'avec une vanne tiroir pour un même débit traité ;

 La relation entre la vitesse et le débit traité est parfaitement connue avec un variateur car on contrôle la vitesse de rotation du compresseur alors que la relation entre l'ouverture de la vanne tiroir et le débit est généralement mal connue car on modie le volume de compression. Selon certains constructeurs, la puissance électrique consommée par un compresseur piloté par un variateur de vitesse serait fonction du cube du débit traité alors que cette relation est quasi-linéaire en utilisant des vannes tiroirs, voir la Figure7.2.

Figure 7.2  Comparaison de la consommation électrique en fonction du débit traité entre un contrôle avec une vanne tiroir et un variateur de vitesse selon Siemens [68]

Dans le cas des compresseurs à vis utilisés dans les systèmes cryogéniques de grande taille, cette relation est peu able car la puissance électrique dépend du débit et du taux de compression qui est amené à varier signicativement. Nous proposons donc ici d'évaluer la puissance électrique consommée par les stations de compression du LHC selon le type de régulation utilisé.

7.2. Régulation des compresseurs A température ambiante, on peut facilement assimiler l'hélium à un gaz parfait. Dans ce cas, la puissance de compression isotherme peut être calculée par :

PisoT = ˙m · ¯R · T · ln

Pout

P_in 

, (7.1)

où ¯R = 2078 J.kg⁻¹.K⁻¹ est la constante spécique de l'hélium. La puissance réelle consommée par un compresseur est alors déduite en insérant un rendement isotherme ηT :

P = ^PisoT

η_T ^, (7.2)

Dans le cas des compresseurs à vis régulés à l'aide de vannes tiroirs, on peut estimer le rendement isotherme à partir d'une fonction quadratique du débit volumétrique (et donc de la position de la vanne tiroir). Après plusieurs mesures faites sur les compresseurs d'une station de compression du LHC, un rendement maximal de 50 % est observé pour les compresseurs du premier étage et de 46 % pour les compresseurs du deuxième étage, voir la Figure7.3.

40 50 60 70 80 90 100 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Débit volumétrique (%) R en de m en t i so th er m e (% )

Mesures premier étage Mesures deuxième étage

Figure 7.3  Evolution du rendement isotherme en fonction du débit volumétrique des com-presseurs du LHC régulés à l'aide de vannes tiroirs

Dans le cas d'un compresseur régulé à l'aide d'un variateur de vitesse, ce rendement est censé rester constant autour du rendement nominal. Ceci signie que la puissance électrique consom-mée sera moindre avec un variateur qu'avec des vannes tiroirs si le compresseur travaille dans une zone assez loin de la zone de fonctionnement nominal. Cependant, il faut également prendre en compte le rendement électrique du variateur de vitesse lié à l'électronique de puissance. Nous prendrons un rendement électrique de 95 %, valeur généralement constatée pour des variateurs de vitesses de cette puissance.

Au maximum, un variateur de vitesse permettrait donc de consommer jusqu'à 38 % d'électricité en moins sur un compresseur du premier étage et jusqu'à 41 % sur un compresseur du deuxième étage, voir la Figure7.4qui compare le gain énergétique entre les deux techniques de régulation.

Chapitre 7. Développement d'un système de pressions ottantes Eco^nom ies Econ^omies 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60