Turbine a gaz classe 3

• Ce document présente une révision détaillée des principes et des conceptions des turbines à gaz pour l'examen de classe 3 d'un mécanicien de machines fixes au Canada.
• Il couvre les avantages et les inconvénients des turbines à gaz.
• Sont répertoriés, leurs types et composantes principales, leur fonctionnement, les améliorations de cycle, la conception des compresseurs,
• Les turbines, les systèmes de régulation et les paramètres de marche.

Avantages des turbines à gaz modernes

• Grande capacité de production de puissance (jusqu'à 250 MW)
• Excellent rapport puissance/poids
• Utilisation d'une large gamme de combustibles
• Démarrage rapide
• Conception compacte avec peu de systèmes auxiliaires
• Grande disponibilité et fiabilité
• Possibilité de mise en service à distance

Inconvénients des turbines à gaz modernes

• Coûts de fabrication élevés
• Changement lent de vitesse
• Rendement réduit à faible puissance.
• Nécessité de systèmes additionnels pour atteindre des rendements comparables aux moteurs à essence

Types de turbines à gaz industrielles

• Il existe deux types principaux de turbines à gaz industrielles

Turbines à gaz de type aviation

• Dérivées des moteurs à réaction utilisés dans les avions
• Légères et compactes
• Faciles à entretenir et à remplacer
• À démarrage rapide
• Généralement moins durables
• Potentiellement plus efficaces que les moteurs alternatifs
• Capables d'utiliser du gaz naturel ou des combustibles liquides de bonne qualité

Turbines à gaz pour service sévère

• Conçues spécifiquement pour des applications terrestres
• Plus grandes et plus lourdes
• Très durables avec de longs intervalles entre les révisions
• Plus efficaces pour une même capacité
• Capables d'utiliser une large gamme de combustibles
• Flexibles dans leur configuration

Applications industrielles des turbines à gaz

• Production d'électricité
  • Charge de base: production continue d'électricité
  • Alimentation de secours: alimentation de secours
  • Demande de pointe: production pendant les périodes de demande élevée
• Entraînement d'équipements
  • Pompes
  • Compresseurs
• La taille des systèmes varie considérablement. Des microturbines de 28 kW aux centrales de plus de 250 MW.
• Les turbines à gaz sont particulièrement adaptées à la production combinée de chaleur et d'électricité, où la chaleur résiduelle est utilisée pour produire de la vapeur ou chauffer des procédés industriels.

Composantes principales des turbines à gaz

• Une turbine à gaz comporte trois composantes principales:
  • La section compresseur
  • La section combustion (chambre de combustion)
  • La section turbine

Principe de fonctionnement des turbines à gaz

• L'air ambiant entre dans le compresseur et comprimé à haute pression (1100-3000 kPa)
• Dans la chambre de combustion, le combustible est ajouté à l'air comprimé et brûlé, ce qui augmente la température à environ 2000°C.
• Les gaz chauds sont mélangés avec le reste de l'air comprimé pour atteindre une température d'environ 918°C.
• Ces gaz entrent dans la turbine, où ils se détendent en produisant de l'énergie mécanique
• Cette énergie alimente le compresseur et un générateur
• Le gaz sort de la turbine entre 500 et 640°C

Agencements à un arbre et à deux arbres

Agencement à un arbre simple

• Le compresseur, la turbine et la charge sont tous reliés et tournent à la même vitesse.
• Configuration la plus courante pour la production d'électricité où une vitesse constante est nécessaire.
• Plus simple mécaniquement, mais nécessite un grand moteur de démarrage.

Agencement à deux arbres

• Le compresseur est entraîné par une turbine à haute pression
• La charge est entraînée par une turbine à basse pression
• Il n'y a pas de liaison mécanique entre les deux turbines

Avantages de l'agencement à deux arbres

• Plus grande flexibilité: la charge peut fonctionner à différentes vitesses
• Un moteur de démarrage plus petit est nécessaire

Fonctionnement à cycle ouvert et à cycle fermé

Cycle ouvert

Dans un système à cycle ouvert:

• L'air est aspiré de l'atmosphère
• Comprimé et chauffé dans la chambre de combustion
• Détendus dans la turbine
• Rejetés dans l'atmosphère

Cycle fermé

Dans un système à cycle fermé:

• Le fluide de travail est contenu et recirculé dans le système
• Il est chauffé par un échangeur de chaleur externe.
• Le système comprend généralement un régénérateur et un refroidisseur

Avantages du cycle fermé

• Pressions et densités plus élevées du fluide de travail.
• Fluide de travail propre, réduisant la corrosion et l'érosion.
• Possibilité d'utiliser des combustibles moins coûteux

Inconvénients du cycle fermé

• Nécessite une alimentation en eau de refroidissement
• A des rendements d'échangeur de chaleur moindres
• Plus de complexité et de coûts

Installation type de turbine à gaz à cycle ouvert

• Une installation de turbine à gaz comprend plusieurs composantes et systèmes auxiliaires:
  • Bâtiments et enceintes
  • Systèmes d'admission et d'échappement
  • Systèmes auxiliaires
  • Réducteurs

Bâtiments et enceintes

Les turbines sont souvent placées dans des enceintes ou des bâtiments séparés pour:

• Protection de l'environnement
• Réduction du bruit
• Sécurité du personnel

Systèmes d'admission et d'échappement

• Filtration de l'air d'admission
• Chambre de surpression d'admission
• Systèmes de refroidissement de l'air d'admission (optionnel)
• Système d'échappement avec silencieux
• Échangeur de chaleur de récupération (optionnel)

Systèmes auxiliaires

• Système de combustible
• Système de lubrification
• Système hydraulique
• Système d'injection de vapeur (optionnel)
• Systèmes de dégivrage

Engrenages de réduction

• Nécessaires pour adapter la vitesse de la turbine à celle de l'équipement entraîné (générateur, compresseur, etc.)

Rendement et puissance nominale des turbines à gaz

• Les turbines à gaz sont classées selon leur puissance produite à l'arbre de sortie.
• La puissance nominale est spécifiée selon les conditions standard:
  • Température de 15°C
  • Niveau de la mer
  • Gaz naturel comme combustible
  • 60% d'humidité
  • Sans pertes d'admission ou d'échappement

Rendement calorifique

• Il est déterminé par le rapport entre la puissance nominale et le taux d'énergie du combustible.
• Les turbines à gaz modernes peuvent atteindre des rendements entre 35% et 40% en cycle simple.

Améliorations de cycle

Trois méthodes principales utilisées pour améliorer le rendement:

• Régénération: utilisation de la chaleur d'échappement pour préchauffer l'air comprimé
• Refroidissement intermédiaire: refroidissement de l'air entre les étages de compression
• Réchauffage: réchauffage des gaz entre les étages de la turbine

Cycle combiné

• L'intégration des turbines à gaz dans des systèmes à cycle combiné conduit à des rendements supérieurs à 60 %.

Conceptions de compresseur

Deux types principaux de compresseurs sont utilisés dans les turbines à gaz:

• Compresseurs centrifuges (radiaux)
  • L'air entre au centre du rotor
  • Accélérés par les ailettes et forcés radialement
  • Conversion de la vitesse en pression par le diffuseur
  • Avantages: simplicité, robustesse, faible longueur
• Compresseurs axiaux
  • Fonctionnement inverse d'une turbine
  • Alternance d'ailettes mobiles et fixes
  • Compression progressive de l'air
  • Utilisés dans la plupart des grandes turbines à gaz
• Le choix entre ses deux types dépend de la taille et de l'application de la turbine à gaz. Les petites turbines utilisent souvent une combinaison de compresseurs centrifuges et axiaux.

Chambres de combusion

• La chambre de combustion sert à chauffer l'air de travail après qu'il soit sorti du compresseur et d'être admis dans la turbine
• Ses fonctions principales sont:
  • Mélanger l'air et les combustibles
  • Assurer une combustion complète
  • Refroidir les gaz de combustion à une température acceptable pour la turbine
• Il existe trois types principaux de chambres de combustion:
  • Tubo-annulaire
  • Annulaire
  • Tube simple
• Chaque types possède ses avantages et inconvénients en termes de performance, de poids et de complexité

Conception et fonctionnement de la section turbine

la section de la turbine extrait la puissance des gaz chauds provenant de la chambre de combustion. Ses principales caractéristiques sont:

• Types de turbines
  • Turbines axiales (plus courantes)
  • Turbines radiales
• Composants principaux
  • Aubes fixes
  • Aubes mobiles
• Refroidissement des aubes
• Utilisation d'air ou d'eau pour réduire la température du métal et augmenter la durée de vie des aubes

Matériaux

• Utilisation de superalliages à base de nickel et d'aciers résistant à la chaleur pour les aubes et les rotors
• Les turbines fonctionnement à très hautes températures et sous de fortes contraintes, ce qui nécessite des matériaux et des techniques de fabrication spéciales

Systèmes de régulation et instrumentation

Systèmes de régulation

• La régulation d'une turbine à gaz se fait principalement en variant le débit des combustibles Les éléments clé sont:
  • Régulation de la vitesse
  • Contrôle du débit de combustible
  • Protection contre les conditions anormales
  • Séquence de démarrage et d'arrêt automatique
• Instrumentation*
• Les principaux paramètres mesurés sont:
  • Vitesse du rotor
  • Températures
  • Pressions
  • Vibrations
  • Débit de combustible
  • Production de puissance
• Interface opérateur*
• Permet le contrôle et la surveillance de la turbine, incluant le démarrage, l'arrêt et la modification des paramètres de fonctionnement

Paramètres de marche et effets sur le rendement

• Les principaux paramètres affectant le rendement d'une turbine à gaz sont:
• Température de l'air admis*
• Une température plus basse augmente la densité de l'air, permettant un débit massique plus élevé et donc une puissance accrue.
• Pression de refoulement du compresseur*
• Un rapport de compression plus élevé améliore généralement le rendement et la puissance produite
• Température d'entrée de la turbines*
• Une température plus élevé accroit l'énergie disponible et donc le rendement, mais est limitée par les matériaux utilisés

Puissance maximale et limites opérationnelles

• La puissance maximale d'une turbine à gaz est déterminée par plusieurs facteurs
  • Limites des matériaux du trajet des gaz chauds
  • Durée de vie prévue des composants
  • Coûts d'entretiens
• Les fabricants spécifient généralement
  • Une puissance nominale permettant une durée de vie normale
  • Une limite de puissance de pointe pour un fonctionnement de courte durée

L'utilisation de la puissance maximale peut être justifiée pour:

• La production de charge de pointe
• Les situations d'urgences
• Cependant, un fonctionnement prolongé à la puissance maximale entraîne des coûts d'entretiens plus élevés et un risque accru de pannes
• Les opérateurs doivent trouver un équilibre entre performance et durabilité