Agrégation concours externe
Section : sciences industrielles de l’ingénieur
Option : sciences industrielles de l’ingénieur et ingénierie mécanique
Modélisation d’un système, d’un procédé, ou d’une organisation
Support : Compresseur centrifuge pour l'extraction pétrolière
Les sociétés actuelles sont devenues dépendantes du pétrole. La consommation mondiale actuelle s'élève à plus de 30 milliards de barils par an (soit 4,6 km3). Cette énergie primaire n'est cependant pas inépuisable et les technologies se développent afin, d'une part, de trouver de nouveaux gisements et, d'autre part, d'optimiser l'extraction des puits actuellement exploités. En effet, seulement 35% en moyenne de la quantité de pétrole disponible dans les réserves est extraite actuellement.
![](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/834/834-photo-plateforme-petroliere.jpg)
Figure 1 — Plateforme pétrolière.
![Compresseur centrifuge pour l'extraction pétrolière -2](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/834/834-photo-compresseur-coupe.jpg)
Figure 2 — Photographie d'un demi-cartouche de compresseur centrifuge équipé de l'arbre et des disques.
Pour améliorer le taux d'extraction, une solution consiste à réaliser des forages complémentaires à une certaine distance du puits, et d'y injecter du gaz sous pression afin de pousser le pétrole vers le puits d'extraction. Cette solution nécessite un compresseur à très haute pression et très fort débit (et donc de très grande puissance, de l'ordre de plusieurs méga-Watt).
La société Thermodyn (GE — Oil & Gas) conçoit et fabrique des compresseurs centrifuges pour les applications pétrolières et gazières. On distingue généralement quatre familles d'applications nécessitant des compresseurs aux performances différentes :
- les compresseurs de tête de réseau chargés du transfert du gaz d'un puits vers le réseau, ces compresseurs travaillent à pression d'entrée et de sortie quasi—constantes, mais doivent s'adapter à un débit très variable;
- les compresseurs de recompression sur les gazoducs chargés de compenser les pertes de charge régulières, ces compresseurs travaillent dans des conditions bien maîtrisées mais doivent présenter un bon rendement;
- les compresseurs d'injection et de soutirage chargés de gérer le stockage du gaz, ces compresseurs doivent admettre une gamme de pression et de débit très large;
- les compresseurs de réinjection dans un gisement de pétrole (figure 1) chargés de pousser le pétrole vers le puits, ces compresseurs sont conçus pour de très hautes pressions et très forts débits.
Ce dernier type de compresseur fait l'objet de cette étude. On s'intéresse plus particulièrement à un compresseur centrifuge à 6 étages injectant 1400 m3 »h’1 de gaz à 380 bar dans le puits (figure 2). L'arbre est mis en rotation à des vitesses de l'ordre de 11000 tr-min". Le gaz est comprimé dans chaque disque par effet centrifuge, puis ralenti dans un diffuseur avant d'être à nouveau comprimé dans l'étage suivant (figure 3).
![Compresseur centrifuge pour l'extraction pétrolière -3](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/834/834-schema-coupe-compresseur.png)
Figure 3 — Schéma du compresseur multi-étagé en coupe.
Le sujet propose au candidat de mobiliser ses compétences pour dimensionner les caractéristiques du compresseur en fonction des niveaux de performance à atteindre. Il se décompose en quatre parties :
- partie 1: dimensionner la géométrie du compresseur permettant d'assurer la compression (diamètres des disques et de l'arbre, nombre de disques, etc);
- partie 2 : spécifier la solution d'assemblage des disques sur l'arbre;
- partie 3 : valider le comportement vibratoire dans la plage de fonctionnement du compresseur;
- partie 4 : valider l'encombrement radial assurant un compromis raisonnable avec le rendement. Le tableau 1 donne un extrait du cahier des charges auquel doit répondre le compresseur, auquel s'ajoutent les contraintes technologiques importantes pour le dimensionnement :
- - vitesse périphérique maximale des disques 250 m - s“ '
- - vitesse optimale de l'écoulement en sortie de disque comprise entre Mach 0,3 et Mach 0,5.
![Compresseur centrifuge pour l'extraction pétrolière -6](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/834/834-image-6.jpg)
Tableau 1 — Extrait du cahier des charges fonctionnel.