Etude de l'efficacité diphasique d'une pompe pour la compression du CO2

Study of a multiphase pump efficiency for CO2 compression

• Auteur / Autrice : El Mifdol Mohamed
• Direction : Gérard Bois, Philippe Pagnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbomachines

Dioxyde de carbone

Pompes

Résumé

L'IFPEN (Institut Français du Pétrole-Énergies Nouvelles) développe, depuis les années 80, un type de pompe polyphasique rotodynamique axiale pour le transport de pétrole brut et de gaz naturel utilisant une seule et même tuyauterie de production. S'agissant maintenant d'une technologie mature et commercialisée par des sociétés licenciées, IFPEN souhaite désormais étendre le domaine d'application de ces pompes polyphasiques dites de type "Poséidon" au conditionnement et au transport du CO2 en vue de son injection dans les aquifères salins profonds ou dans des réservoirs épuisés. Comme toutes les pompes ou les compresseurs, on caractérise le fonctionnement de ces pompes par des courbes qui donnent, en fonction du débit, une élévation de pression et un rendement pour une vitesse de rotation donnée. Dans le cas de pompes diphasiques, on associe généralement un paramètre supplémentaire que l'on appelle "efficacité diphasique". L'IFPEN définit l'efficacité diphasique comme le rapport du gain de pression réel de la pompe et du gain de pression idéal c'est-à-dire l'augmentation de la pression que subirait un fluide considéré comme homogène avec une masse volumique équivalente à celle d'un mélange diphasique connu. Ce paramètre supplémentaire est supposé quantifier la dégradation du gain de pression liée à la présence de gaz à la traversée de la pompe. La littérature montre que la dégradation des performances est liée à une accumulation de la phase dispersée dans une zone bien précise des canaux des rotors. La physique des phénomènes mis en jeu est relativement bien décrite et il est admis que les paramètres essentiels qui interviennent sur les dégradations sont liés à la taille des particules de gaz et à la force de traînée qui s'exerce sur elles. Compte tenu des équilibres des forces qui régissent les écoulements, les évolutions des bulles de gaz sont différentes en machines radiales de celles des machines axiales. Différents travaux portent sur la modélisation de ces écoulements utilisant des simulations numériques 3D surtout dans les machines radiales. Ils visent généralement à vérifier le comportement des bulles dans les canaux entre les aubes. Aucun d'entre eux cependant ne donne une évaluation de la dégradation des performances de la pompe, et même si des tentatives existent, elles ne s'appliquent qu'au point nominal de fonctionnement et pour des très faibles taux de gaz. L'objectif de notre étude est d'apporter un éclairage nouveau sur les évolutions de l'efficacité diphasique d'une pompe diphasique, en particulier en fonction de ses paramètres géométriques globaux, des paramètres physiques des fluides en présence, en particulier du CO2, et des conditions opératoires à l'entrée de la pompe. Pour ce faire, il est nécessaire de bien cerner les mécanismes responsables de la dégradation des performances des pompes poly-phasiques. Nous sommes parti du principe que l'efficacité diphasique traduisait à la fois une hétérogénéité du mélange liquide / gaz et une modification de l'écoulement au voisinage du bord de fuite des étages de la pompe sous l'effet de glissement entre la phase continue et la phase dispersée. L'objectif de nos travaux est d'apporter une contribution à la quantification de ces effets et en particulier ceux qui proviennent des modifications angulaires des écoulements au bord de fuite des aubages des roues de pompes.

IFPEN (French Institute of Petroleum and New Energy) develops, since the 80's, a type of multiphase axial rotodynamic pump for the transport of crude oil and natural gas in a single pipeline. This is now a well established technology used by many companies. Now, IFPEN wishes to extend the scope of these so-called "Poséidon" multiphase pumps to the CO2 compression aiming at an injection in the deep saline aquifers or in the depleted oil and gas reservoirs. Like all pumps and compressors, these pumps are characterized by the pressure rise and the performance as a function of the flow rate, for a given rotation speed. In the case of two-phase pumps, we usually need an additional parameter called 'two-phase efficacy'. IFPEN defines this efficiency as the ratio of the real and the ideal pressure gains (i. E. The pressure increase that would suffer the considered homogeneous fluid with a density equivalent to that of a well known two-phase mixture). This additional parameter should quantify the loss of pressure gain due to the gas presence. The literature shows that the loss of performance is due to an accumulation of the dispersed phase in a specific area of the rotor channels. The physical phenomena involved is relatively well described and it is recognized that the key parameters involved in the degradation are related to the size of the gas particles and the drag force acting on them. Given the balance of forces governing the flow, the evolution of gas bubbles are different in radial machines and axial machines. Different works are on the modelling of these flows using 3D numerical simulations especially in the radial machines. They are generally used to check the behaviour of the bubbles between the blades. However, none of them provides an assessment of the pump performance degradation, and although attempts exist, they are acceptable at the nominal operating point and for very low rates of gas. Our aim is to determine the behaviour of the two-phase efficacy, especially as a function of the pump geometric parameters, of the fluid parameters (especially for the CO2), and the operating conditions at the pump inlet. It would be necessary to clearly define the mechanisms responsible for the loss of performance of two-phase pumps. To achieved this point, we have assumed that the two-phase efficacy reflects both heterogeneity of liquid/gas mixture and a modification of the flow close to the trailing edge of the pump stages as a result of slippage between the continuous phase and the dispersed phase. The aim of our work is to quantify these effects, particularly those from the flow angular changes bat the trailing edge of the blades of the pump impellers.