Fonctionnement des turbines à gaz

Voici des notes d'étude détaillées sur le fonctionnement des turbines à gaz :

Auxiliaires des turbines à gaz

• Les turbines à gaz modernes nécessitent plusieurs systèmes auxiliaires pour fonctionner efficacement et en toute sécurité.
• Ces systèmes auxiliaires comprennent : la lubrification, l'alimentation en carburant, le démarrage, l'admission d'air et le système d'échappement.
• Les systèmes auxiliaires essentiels, leurs principaux composants, les procédures d'exploitation et d'entretien sont utilisés pour maintenir les performances optimales des turbines à gaz.

Systèmes d'huile de lubrification

• Presque toutes les turbines à gaz utilisent un système d'huile de lubrification assurant la lubrification des surfaces de glissement dans les paliers et le refroidissement des paliers proches des sections chaudes.
• Différentes configurations sont possibles : un système intégré unique, des systèmes distincts pour la turbine et la charge ou des systèmes différents pour le moteur et la turbine de commande dans les modèles aéronautiques.
• Chaque système d'huile comprend son réservoir d'alimentation, filtres de propreté, pompes de pression, refroidisseurs maintenant la température et des dispositifs de protection et de surveillance.

Types de paliers dans les turbines à gaz 

• Les turbines à gaz de type aviation utilisent principalement des paliers antifriction (à rouleaux et/ou à billes) en raison des rotors relativement légers.
• Les paliers antifriction comportent un film comprimé spécial qui améliore la lubrification et prolonge la durée de vie.
• Les turbines à gaz pour service intensif nécessitent des paliers radiaux (lisses ou avec patins basculants) en raison des rotors plus lourds.
• Les paliers à patins basculants sont le type de palier radial le plus courant, intégrant cinq patins sur des tourillons individuels.

Systèmes de lubrification à huile utilisés dans l'aviation

• Une pompe volumétrique entraînée par une boîte de vitesses auxiliaire fournit la pression nécessaire aux paliers.
• L'huile traverse un filtre duplex à plein débit permettant le remplacement du filtre en marche.
• L'huile circule dans les paliers et s'accumule dans les fonds, avec une mesure de température à chaque conduite de reprise pour la détection de problèmes potentiels.
• Des détecteurs de fragments détectent les particules métalliques.
• L'huile est renvoyée par des pompes de reprise entraînées par la boite de vitesse.
• L'huile passe par des filtres supplémentaires, puis par des refroidisseurs duplex contrôlés thermostatiquement avant de retourner au réservoir.

Systèmes de lubrification à huile utilisés pour les applications intensives

• Le réservoir est plus grand que celui des turbines aéronautiques.
• L’huile est généralement minérale, moins résistante aux hautes températures que l’huile synthétique, mais plus économique.
• Un système de chauffage peut être inclus dans le réservoir, si cela est nécessaire.
• Trois pompes assurent la circulation de l’huile :
  • une commande par l'arbre du compresseur, en marche normale
  • une pompe pré/post motorisée (avant démarrage et arrêt)
  • une pompe de secours avec source d’énergie alternative.
• L'huile est nettoyée avec des filtres duplex remplaçables en marche, puis refroidie par un échangeur air/eau avant d'entrer dans les paliers.
• L'huile retourne ensuite dans le réservoir par gravité.

Système hydraulique des turbines à gaz

• Une pompe hydraulique, parfois installée après la pompe à huile lubrifiante principale, alimente en huile haute pression.
• Cette huile actionne l’appareillage de la turbine principale pour contrôler vitesse et charge.
• Le détecteur de vitesse de la turbine envoie son signal au robinet de commande de vitesse par l'intermédiaire du système hydraulique, qui module le débit de combustible vers la turbine.
• Le système hydraulique commande également les ailettes d'entrée variable, les ailettes de stator et les robinets de purge, ce qui garantit un fonctionnement optimal de la turbine dans diverses conditions.

Entretien du système d'huile

• Les vérifications régulières comprennent la vérification des fuites d'huile et la surveillance des pressions et des températures, généralement au quotidien.
• Ces paramètres sont souvent affichés électroniquement pour en faciliter le suivi.
• Il faut vérifier les détecteurs de fragments lorsque l’alarme se déclenche
• Un remplacement des filtres à huile est requis lorsque l'alarme de pression différentielle s'active, et il faut nettoyer l'extérieur du refroidisseur périodiquement.
• Des échantillons d'huile sont régulièrement prélevés pour analyse avec une vidange si nécessaire ; l'instrumentation est étalonnée et les dispositifs de protection sont testés périodiquement.

Carburant au gaz naturel idéal

• Le gaz naturel facilite une combustion plus efficace et produit moins d’émissions, tout en permettant une durée de vie plus longue du moteur.
• Le gaz naturel doit se situer dans une échelle de pouvoirs calorifiques spécifique et ne doit pas contenir de contaminants liquides.
• Le gaz naturel est souvent chauffé pour s'assurer qu'il ne contienne pas de liquide.

Adaptations nécessaires pour le carburant au gaz naturel

• Si un combustible à faible pouvoir calorifique est utilisé, il faut installer des injecteurs de combustible et des chambres de combustion spéciaux.
• Le système de gaz combustible doit être adapté pour gérer des débits plus élevés.

Système de gaz combustible

• Un compresseur, peut être nécessaire pour augmenter la pression d’une source basse pression.
• La pression doit être supérieure à celle de l’air comprimé acheminé à la section de combustion
• Des régulateurs et soupapes assurent la stabilité.
• Le robinet doseur de combustible assure l'apport d'une quantité appropriée de combustible, tout en évitant de dépasser la température maximale de la turbine.
• Un filtre empêche les contaminants d'entrer dans le système et élimine les liquides
• Certains systèmes incluent un échangeur de chaleur pour augmenter la température du combustible.

Entretien des systèmes de combustibles au gaz

• La routine comprend des vérifications quotidiennes des fuites de gaz et la surveillance des pressions et des températures grâce aux écrans de contrôle informatisés.
• Le remplacement des filtres doit être fait lorsque la pression différentielle atteint un niveau critique pour assurer un débit de combustible propre et constant vers la turbine.
• Les appareils doivent être régulièrement étalonnés afin d’assurer la sûreté du système.

Combustibles liquides

• Les turbines à gaz fonctionnent avec divers combustibles liquides allant des distillats légers comme le kérosène aux combustibles résiduels plus lourds et aux bruts à haute teneur en cendres.
• Les distillats légers ne nécessitent pas de traitement et les distillats mélangés à faible teneur en cendres nécessitent un traitement spécifique.
• Les produits résiduels bruts à haute cendre nécessitent un nettoyage et un traitement considérables.
• La durée de vie de la turbine diminue à mesure que la qualité du combustible baisse, entraînant des coûts de maintenances plus élevés.

Systèmes de combustibles à l’huile

• Avec réservoir qui sert au stockage et au traitement de combustible.
• Le traitement du combustible varie selon le type de combustible. Il peut inclure des centrifugeuses, des filtres, l'assèchement et le traitement chimique pour éliminer les substances nocives.
• Le système filtre et pompe l’huile traitée vers la turbine à gaz où elle subit une filtration supplémentaire.
• Un robinet doseur principal avec des robinets de sectionnement primaire et secondaire peut être installé.
• En cas de trop-plein, la pression différentielle et la pression du filtre sont surveillées à l’aide de vidanges installées sur les collecteurs.

Systèmes à deux combustibles

• Certaines turbines à gaz peuvent fonctionner avec deux combustibles, permettant à l’opérateur de basculer vers une option moins coûteuse ou avec moins d’entretien en cas de besoin.
• Ces systèmes doivent être capables d’assurer le transfert entre deux types de combustibles.
• Certains systèmes de pointe peuvent brûler simultanément un mélange de liquides et gaz offrant ainsi une flexibilité accrue.

Entretien des circuits de combustibles à l’huile

• L’entretien régulier comprend l’inspection quotidienne des fuites de combustible de l’huile et la surveillance de la pression, de façon à ce que le système fonctionne adéquatement.
• Il faut nettoyer la centrifugeuse, réapprovisionner les produits chimiques et remplacer les filtres quand nécessaire.
• Une instrumentation adéquate avec procédures d’évaluation sont une partie essentielle des systèmes fonctionnant avec des combustibles de moindre qualité.

Émissions de NOx

• Le NOx (monoxyde d’azote et dioxyde d’azote) est généré durant la combustion lorsque l’azote et l’oxygène réagissent chimiquement dans l’air, contribuant ainsi aux pluies acides.
• Le taux de formation de NOx diminue avec la diminution exponentielle de la température.
• La réduction de la température de combustion est une stratégie efficace pour limiter ces émissions.
• La meilleure technique pour réduire le NOx consiste à réduire le ratio combustible-air qui augmente la formation de CO (monoxyde de carbone)
• Ce qui nécessite une balance différente.

Systèmes d’injection d’eau/de vapeur

• Ces systèmes réduisent les taux de NOx en abaissant les températures de combustion.
• L’eau et la vapeur doivent être pures pour éviter la corrosion des composantes dans la section chaude.
• L’eau ou vapeur peut être injectée dans la section de combustion à travers les buses à combustible ou mélangée dans un collecteur séparé, dépendant de la conception du système.
• Cette méthode réduit de manière efficace, les émissions de NOx et la puissance utilisée.

Systèmes à combustion à faible taux de NOx (Sec)

• Le brûlage fonctionne basé sûr un ratio pauvre de carburant-air.
• Les températures de combustion sont plus basses, nécessitant une zone de combustion plus large.
• Les anneaux sont activés par incréments dépendant de la puissance.
• Un anneau fonctionne à basse vitesse, un autre à vitesse moyenne et un troisième à vitesse maximale.

Systèmes de démarrage

• Il faut une source d’alimentation principale pour l’amorçage de la rotation du compresseur vers l’alimentation.
• Une fois l’amorçage obtenu, le système se désactive à l’arbre du compresseur.

Démarreurs pneumatiques

• Utilisent de l’air comprimé ou du gaz dilaté à haute pression dans une petite turbine pour entraîner le compresseur principal.
• Ceux-ci sont adaptés en particulier aux canalisations à gaz éloignées.

Démarreurs électriques

• Ces démarreurs se composent d’un alternateur et d’un entraînement à fréquence variable.
• Les démareurs électriques sont devenus les plus courants. Ils permettent un contrôle précis de la vitesse lors du démarrage de la turbine.

Composantes et fonctionnement des démareurs pneumatiques

• Il existe parfois une configuration à deux démarreurs dans certains systèmes pour assurer la redondance et la puissance de démarrage suffisante.
• L’utilisateur peut sélectionner la source la plus accessible d’air ou de gaz.
• Le démarreur transmet la puissance dans la partie avant du rotor à turbine à gaz avec une roue à vide.
• L’échappement de l’air est évacué directement à l’atmosphère dans un démareur de moteurs.
• La vanne de sectionnement, souvent pneumatique, permet de contrôler l’admission du liquide pour l’autorégulation du démareur qui gère l’amorçage.

Composants et fonctionnement des démareurs électriques

• Le démareur électrique utilise un alternateur et un variateur de fréquence, de contrôles précis dans la vitesse l'amorçage tout en minimisant la puissance.
• Le système fonctionne comme un démarreur pneumatique qui entraîne le compresseur jusqu’à ce que la turbine parvienne à opérer de manière autonome suite à l’amorçage.

Roue à aubes

• Les grandes turbines à gaz ayant des rotors pesaient ont tendance à fléchir ou courber pendant le refroidissement suite à l’arrêt.
• Une roue à aubes cambrée doit être verrouillée afin d’empêcher les vibrations excessives pendant l’amorçage.
• Un moteur de tournage spécial permet de faire tourner l’arbre lentement lors d’arrêts.
• Il est conçu avec un cliquet hydraulique ou un moteur électrique qui tourne lentement.
• Le moteur et l’axe de la turbine s’arriment entre eux dépendant des engrenages.
• Les embrayages du mototracteur peuvent être activés durant le refroidissement ou désengagés lors du fonctionnement normal.

Systèmes d’admission d’air

• La fonction principale dans tout cela est la fourniture d’air propre qui est fournie à la turbine à gaz.
• Sa conception dépend du type de climat tel que ceux offshore, désertique ou arctique.
• Certaines caractéristiques se retrouvent dans ces systèmes, tels qu'un tamis en acier inoxydable pour débusquer les débris importants, suivis de filtres cylindriques destinés à la filtration principale.
• Souvent, les filtres sont établis à haute altitude où l’air est plus pur.
• Dans les milieux poussiéreux ou froids, cela peut se faire avec des rondelles nettoyantes où l’air comprimé enlève la poussière accumulée.

Types de filtres de prise d’air

• Des filtres cylindriques remplacent des filtres d’inertie qui se trouvent dans les anciens systèmes pour les turbines à gaz
• L’air comprimé est utilisé à titre de courant vers l’arrière pour en retirer les particules, ce qui prolonge la durée de vie.
• Ces systèmes doivent être adaptés avec des membranes qui retiennent la glace dans le climat froid.

Refroidissement d’entrée

• Les systèmes de refroidissement d’entrée minimiser la température de l’aire d’admission, ce qui améliore la puissance de sortie de la turbine.
• Les refroidissements sont menés via l’évaporation, où, lorsque l’eau s’évapore, cela absorbe une grande quantité de chaleur de l’environnement.
• En utilisant cette technique, il en résulte un refroidissement du flux d'air, créant une haute densité et grande masse pour la combustion.
• Le refroidissement peut aussi être fait avec un vaporisateur à brouillard et avec des blocs d’évaporation qui maximisent le contact air-eau.

Systèmes de prévention du givrage

• Le givrage, qui se produit dans les prises d’air ou dans les premières étapes du compresseur, se révèle catastrophique pour les ailettes.
• Les solutions antigivre qui s'offrent, comprennent les purges avec de l’air chaud du compresseur, les serpentins de chauffe dans les canalisations ou l’air chauffé provenant d’autres sources de chaleur, comme pour l’échappement.

Système d’échappement

• Les systèmes d’échappement dirigent les gaz extirpés de la turbine vers un lieu secure dans l’optique de réduire la pression sous laquelle elle est possiblement conçue.
• De plus, sa structure doit être robuste et résistante à la chaleur, en absorbant au besoin, les dispositifs d’atténuation sonores.
• Le système d’échappement est en mesure d’intégrer un échangeur de chaleur pour la régénération, ou dans les installations à cycle combiné. Par la suite, les gaz chauds de l’échappement traversent les chaudières de récupération avant d’être libérés dans l’atmosphère.
• Les systèmes de dérivation sont en mesure de dévier directement l’air aux alentours si le système de recouvrement thermique ne fonctionne pas. Et les brûleurs optionnels peuvent être installés pour optimiser la chaleur et accroître la récupération.

Étapes importantes du démarrage des turbines

• Le système automatise et supervise la préparation, le démarrage, la rotation, l’allumage, le réchauffement et le chargement, lesquelles devraient se fait selon une séquence et des durées déterminées.
• Le séquenceur est généralement gérée par un système de régulation automatisé qui assure une surveillance et un suivi du processus.
• Le démarrage est annulé si certaines exigences ne sont pas satisfaites et l'appareil sera arrêté.
• L'incrémentation de l'amorçage, affiché sur le panneau de commande, permet de suivre les étapes et d'intervenir si nécessaire.

Préparation au démarrage

• En préparation au démarrage, les électriciens, les équipes d’intervention d’air d’instruments et de régulation doivent enclencher tous les systèmes.
• L’opérateur peut réinitialiser le système en cas d’anomalie, généralement via le panneau de commande, sur l’écran de l’ordinateur.
• La séquence amorcée pourrait dépendre de la température de fonctionnement de l’appareil et des exigences de réglage de la puissance.

Amorçage

• Une turbine à gaz est généralement gérée à distance ou sur place avec une vanne sélective.
• Un système de régulation supérieur peut activer un amorçage distant, tandis que l’amorçage n’est possible localement qu’au panneau de commande.
• Durant les manœuvres, les ventilateurs se mettent en marche dans certains bâtiments pour purger les vapeurs et les substances nocives avant de démarrer la turbine.
• Le système d’amplification se met en marche afin d’assurer la prélubrification.

Rotations et commutations

• Le démarreur démarre la rotation du rotor de la turbine qui prend fin lors d’une vidange.
• Celle-ci sert à supprimer les émanations explosives à l’intérieure du système Après le dégagement, le rotor est en position de se rendre à une vitesse apte à supporter les conditions optimales de combustion.

Suite de l’injection

• L’essence sera enfin déversée dans les chambres de combustion et les allumeurs créent un jet qui s’ensuit d’une accélération.
• Le démarreur sera désactivé automatiquement.

Réchauffement et chargement des turbines

• Le moteur entre en phase de réchauffement quand la vitesse est atteinte.
• Les petites turbines générant de l’électricité d’appoint, il est de mise qu’elles se réchauffent tranquillement lorsque le temps le permet.
• Initialement, les valves sont en position ouverte, et l’on retrouve des ailettes de guidage fermé, des valves qui se fermeront, de même que des ailettes qui s’ouvriront progressivement selon la vitesse de la turbine.
• À la suite du réchauffement, le débit de combustible est augmenté et la charge est implémentée.
• Le condensateur est harmonisé en vitesse, en phase et dans son voltage avant d’être fermé au sectionneur.
• Le déchargement de l’amortisseur demande une fermeture lente des valves de recyclage.

Arrêt normal

• Initialement, une diminution de la vitesse est requis pour permettre le refroidissement.
• Le rotor diminuera tranquillement en permettant un refroidissement graduel des composantes.
• La poste lubrification se produit quand le liquide du pétrolier principal diminue.
• Au point où la pression sera adéquate, une pompe de lubrification démarrera et persistera jusqu’à ce que les coussinets de roulement soient refroidis.

Arrêts d’urgence

• Un appareil d’arrêt d’urgence ou une anomalie importante, comme des vibrations extrêmes enclenchera un arrêt rapide.
• La période de refroidissement normal se terminera sur le champs.
• La séquence d’arrêt suivra les mêmes procédures, mais sans la phase de ralenti.
• Ce type d’arrêt risque d’altérer des composantes, mais qui est tout de même prioriser afin de prévenir les dommages.

Nettoyage et entretien du compresseur

• La corrosion des hélices est la principale cause de détérioration du rendement des turbines.
• Différentes sources contaminent l'admission d'air ou des hélices d’huiles peuvent s’y greffer.
• Il en existe plusieurs méthodes dont le projection des matières abrasives ou le lavage liquide, quoique la meilleure soit le lavage hors ligne et les nettoyants liquides.

Fluides de lavage d'eau

• Le liquide peut être injecté avec des arroseurs utilisés pour amorcer, pour les hottes d’admission ou pour les volutes.
• L'injection se déclenche via un réservoir sous pression avec de l’air comprimé à l’intérieur, fixe installé sur un chariot.
• Un résultat réussi à l'issu d’un lavage est une augmentation de la pression de décharge et une réduction des températures.