La clé de la sélection des vannes pour les applications GNL difficiles

Enregistrer dans la liste de lecture Publié par Jessica Casey, rédactrice en chef adjointe de l'industrie du GNL, mardi 22 novembre 2022 14:00

La sélection appropriée de la vanne de régulation et de la soupape de décharge est essentielle pour la rentabilité des opérations du terminal GNL. Jean-Paul Boyer, Massimiliano Franco, Nagendra Maddula et Eugenio Sudati, Emerson, expliquent les paramètres de conception clés pour choisir les meilleurs composants.

Les installations de GNL présentent des problèmes punitifs pour les vannes. La combinaison de températures cryogéniques, d'un écoulement diphasique, de très hautes pressions et d'oscillations cycliques de pression et de température pousse ces composants à leurs limites. Pourtant, malgré ces conditions, les vannes doivent fonctionner de manière fiable, sinon l'ensemble de l'opération en souffre.

Cet article examine certaines des applications de vannes les plus courantes dans les installations de stockage et de regazéification de GNL, et discute des caractéristiques de conception critiques lors de la sélection des vannes pour ce service.

Le GNL est une alternative plus propre par rapport à la plupart des autres combustibles fossiles, et il est devenu un pilier du marché de l'énergie à faible émission de carbone. Le gaz naturel est purifié, sous-refroidi et liquéfié à environ -160 °C, puis expédié dans le monde entier vers des emplacements proches de son point d'utilisation. Là, le GNL est pompé dans des réservoirs de stockage, puis vaporisé en gaz selon les besoins pour être transféré vers d'autres sites via un pipeline ou fourni aux utilisateurs locaux (Figure 1).

Le processus illustré à la figure 1 montre un système de gaz d'évaporation de GNL (BOG) en boucle fermée dans lequel des compresseurs BOG sont utilisés pour reliquéfier les vapeurs de gaz déplacées d'un navire vers des réservoirs de stockage de GNL. Les réservoirs doivent être maintenus en permanence sous très basse pression, de sorte que les compresseurs BOG tirent continuellement les vapeurs du haut du réservoir. Les recondenseurs GNL éliminent la chaleur et reconvertissent les vapeurs en liquide, évitant ainsi le torchage et le gaspillage inutiles. En fin de compte, le GNL est vaporisé, puis soit pompé dans un pipeline pour le transport terrestre, soit directement acheminé vers les utilisateurs locaux.

Figure 1. Le déchargement, le stockage et la regazéification du GNL impliquent une variété d'applications de vannes très difficiles et exigeantes, chacune critique pour un fonctionnement efficace.

Les vannes marche/arrêt jouent un rôle essentiel dans l'ensemble de l'installation de GNL. Les vannes manuelles sont utilisées pour isoler divers équipements et doivent fournir une fuite nulle, malgré un fonctionnement sous des pressions très élevées et des conditions cryogéniques. Les vannes automatisées permettent de détourner le liquide et les vapeurs de GNL, et elles sont souvent nécessaires pour les applications d'arrêt de sécurité.

Toute vanne choisie pour cette application doit d'abord être conçue pour gérer les conditions du procédé, qui sont généralement cryogéniques. Les vannes cryogéniques ont généralement des capots allongés pour séparer la vanne de l'actionneur, et elles utilisent souvent des styles quart de tour et des conceptions de garniture environnementales spéciales pour réduire les émissions. Les vannes ne doivent pas piéger les liquides, c'est pourquoi les vannes à bille en C ou à triple décalage hautes performances sont couramment utilisées car elles n'offrent aucune fuite, même lorsqu'elles sont sous pression de chaque côté. Ceci est généralement réalisé en utilisant des sièges de couple métal sur métal, ainsi que des matériaux de construction spéciaux adaptés à la large plage de températures que la vanne peut rencontrer. Les styles de corps à entrée par le haut permettent d'entretenir les vannes automatisées tout en restant installées, ce qui réduit considérablement le temps nécessaire à la réparation des vannes.

Les vannes d'arrêt d'urgence de sécurité peuvent être spécifiées avec un temps de course très rapide nécessaire pour atteindre les performances requises. Ces solutions de niveau d'intégrité de sécurité (SIL) utilisent des composants embarqués dédiés et des conceptions de positionneurs hautes performances capables de contrôler la vitesse à la fin de la course, généralement appelée réinstallation.

Le GNL est souvent injecté dans les flux de vapeur pour fournir un refroidissement à l'aspiration des compresseurs, ainsi que dans la conduite de vapeur utilisée pour décharger le méthanier. L'application d'injection de GNL est difficile et utilise généralement une vanne de désurchauffeur cryogénique spécialement conçue.

Cette vanne utilise un capot allongé pour protéger l'actionneur, ainsi que des buses de pulvérisation soigneusement conçues pour fournir une atomisation complète sur une large gamme de débits de liquide et de vapeur. La vanne doit également fournir une fermeture très étanche lorsqu'elle n'est pas en fonctionnement pour éviter toute fuite de liquide dans la conduite de vapeur et créer des conditions d'écoulement à deux phases. Le corps de vanne doit être conçu pour permettre un entretien et un remplacement faciles des buses lorsqu'elles s'usent.

Les compresseurs centrifuges sont sujets à une condition catastrophique appelée surtension, qui se produit lorsque l'aspiration ou le refoulement d'un compresseur est bloqué ou restreint. Lorsque cela se produit, le compresseur peut soudainement être soumis à une condition destructrice où la vapeur claque vers l'avant et vers l'arrière à travers le compresseur plusieurs fois par seconde. Quelques cycles de surtension endommageront les paliers de butée et, si on les laisse continuer, la surtension détruira les composants internes du compresseur.

Les surtensions sont évitées en installant une vanne de contrôle anti-surpression qui renvoie la décharge du compresseur vers l'aspiration pour maintenir le débit dans la machine.

La soupape anti-pompage doit être suffisamment grande pour laisser passer une partie importante du débit du compresseur. Il doit également agir très rapidement, passer de 0 % à 100 % d'ouverture, ou toute position intermédiaire, en moins de 2 secondes, tout en maintenant un contrôle précis. Ceci est accompli à l'aide de positionneurs haute capacité et haute précision, d'actionneurs linéaires dédiés, de surpresseurs pneumatiques et de réservoirs de volume d'air. L'ensemble de l'ensemble doit être soigneusement conçu, puis soumis à des tests approfondis avant l'installation pour garantir un fonctionnement correct et fiable.

Les vannes anti-pompage doivent fournir une fermeture très étanche en fonctionnement normal, puis laisser passer instantanément un débit étroitement contrôlé, malgré une chute de pression très élevée. Certaines vannes sont spécialement conçues avec une bande morte de garniture pour permettre des tests de course partielle sans passer un débit de vapeur important, ce qui augmente le temps de fonctionnement par rapport aux tests de course complète, qui doivent être effectués lorsque l'unité est hors ligne.

Les réservoirs de stockage de GNL contiennent de grandes quantités de GNL à des températures cryogéniques. Si ce contrôle de température est perdu, ou si les compresseurs BOG tombent en panne, le GNL commencera à se vaporiser et soumettra le réservoir à une surpression importante en très peu de temps. Par conséquent, ces réservoirs doivent être protégés par une ou plusieurs soupapes de surpression de réservoir de stockage (Figure 2). Une très grande capacité est indispensable pour ces vannes, ou chaque réservoir nécessitera un grand nombre de vannes pour une protection adéquate. Des conceptions pilotées de haute qualité sont nécessaires pour fournir une capacité élevée et une étanchéité appropriée, et elles peuvent être spécifiées avec des performances pop ou modulantes pour répondre aux exigences de l'application. La conception pilotée permet également à la soupape de décharge de gérer la contre-pression des collecteurs évasés. Certaines conceptions offrent l'option de surveillance sans fil pour détecter les vannes de décharge ouvertes ou qui fuient, fournissant au personnel de l'usine les données nécessaires pour réduire considérablement les pertes de produit et les rejets dans l'environnement.

Figure 2. Les systèmes de dégazage des réservoirs, y compris des composants tels que la soupape de sécurité pilotée Anderson Greenwood 9300H d'Emerson, doivent maintenir un joint étanche aux bulles à quelques pour cent du point de consigne, puis laisser passer des volumes très élevés de liquide et de vapeur de GNL lorsque mis en service.

En plus des évents de surpression sur les réservoirs de stockage, des dispositifs de protection contre la pression sont utilisés dans une installation de GNL pour protéger l'équipement contre la surpression. Chaque fois que du GNL est piégé entre deux vannes, il peut rapidement commencer à se vaporiser et générer des pressions extrêmement élevées. De petites soupapes de décharge thermique protègent la tuyauterie et les joints des soupapes en évacuant cette vapeur. Dans d'autres applications, les soupapes de décharge pilotées offrent une protection contre les surpressions pour tous les types de réservoirs, échangeurs et divers équipements de traitement.

Les vannes de décharge en service GNL doivent être soigneusement conçues pour gérer le débit diphasique et les températures cryogéniques courantes dans ces applications. Les vannes doivent également être très étanches, même lorsqu'elles sont soumises à des pressions proches du point de consigne, puis s'ouvrir de manière cohérente et fiable lorsque le point de consigne de décharge est atteint.

Les conceptions de pilotes modulants fournissent la ventilation minimale requise pour soulager la condition de surpression, et ils ont la capacité de soulager des débits très élevés si nécessaire. Ils sont également insensibles à la contre-pression de décharge. Comme les soupapes de décharge de réservoir, ces soupapes de décharge de pression peuvent être équipées d'une surveillance sans fil pour détecter les vannes de fuite ou de purge. Cela peut être critique lorsque la vanne se déverse dans un collecteur évasé, car les fuites et les opérations de dégazage ne sont pas facilement détectées dans ces types d'applications.

Il est important de comprendre les principales caractéristiques de conception lorsqu'il s'agit de sélectionner des vannes pour le service GNL. Il est également essentiel de choisir des conceptions de vannes qui ont fait leurs preuves en matière de performances constantes et fiables pour une application donnée. Le procédé GNL soumet les vannes à des conditions très difficiles et pénibles, et le prix d'une défaillance peut être très coûteux et endommager l'équipement.

Lors de l'examen des options, il est judicieux de consulter les partenaires d'automatisation des vannes de régulation et des soupapes de décharge pour évaluer les conceptions disponibles et sélectionner la meilleure option pour une application particulière. Une sélection rigoureuse peut prolonger considérablement la durée de vie, réduire les temps d'arrêt, réduire considérablement les émissions et améliorer la rentabilité de l'usine.

Lire l'article en ligne sur : https://www.lngindustry.com/special-reports/22112022/the-key-to-valve-selection-for-challenging-lng-applications/

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