Principes et conceptions des turbines à gaz - PDF

Principes et conceptions des turbines à gaz Ce document présente une révision détaillée des principes et conceptions des turbines à gaz pour l'examen de classe 3 d'un mécanicien de machines fixes au Canada. Il couvre les avantages et inconvénients des turbines à gaz, leurs types et composantes princ...

Principes et conceptions des turbines à gaz Ce document présente une révision détaillée des principes et conceptions des turbines à gaz pour l'examen de classe 3 d'un mécanicien de machines fixes au Canada. Il couvre les avantages et inconvénients des turbines à gaz, leurs types et composantes principales, leur fonctionnement, les améliorations de cycle, la conception des compresseurs et turbines, les systèmes de régulation et les paramètres de marche. FL par francois lajoie-levesque Avantages et inconvénients des turbines à gaz Les turbines à gaz modernes présentent de nombreux avantages par rapport aux autres types de groupes moteurs : 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 fonctionnement à distance Cependant, elles présentent aussi quelques inconvénients : 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 : 1. Turbines à gaz de type aviation Dérivées des moteurs à réaction utilisés dans les avions, elles sont : 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 2. Turbines à gaz pour service sévère Conçues spécifiquement pour des applications terrestres, elles sont : 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 Les turbines à gaz industrielles sont utilisées pour diverses applications : Production d'électricité Charge de base : production continue d'électricité Puissance d'urgence : production de secours Puissance de pointe : production pendant les périodes de forte demande Entraînement d'équipements Pompes Compresseurs La taille des systèmes varie considérablement, allant de micro-turbines de 28 kW à des centrales de plus de 250 MW. Les turbines à gaz sont particulièrement adaptées pour 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 et principes de fonctionnement Une turbine à gaz comporte trois composantes principales : 1. La section compresseur 2. La section combustion (chambre de combustion) 3. La section turbine Principe de fonctionnement : 1. L'air ambiant entre dans le compresseur et est comprimé à haute pression (1100-3000 kPa). 2. Dans la chambre de combustion, le combustible est ajouté à l'air comprimé et brûlé, augmentant la température à environ 2000°C. 3. Les gaz chauds sont mélangés avec le reste de l'air comprimé pour atteindre une température d'environ 918°C. 4. Ces gaz entrent dans la turbine, où ils se détendent en produisant de l'énergie mécanique. 5. Cette énergie est utilisée pour entraîner le compresseur et une génératrice. 6. Les gaz sortent de la turbine à une température entre 500°C et 640°C. Agencements à un arbre et à deux arbres Arbre simple Dans cet agencement, le compresseur, la turbine et la charge sont tous reliés et tournent à la même vitesse. C'est la configuration la plus courante pour la production d'électricité où une vitesse constante est nécessaire. Elle est mécaniquement plus simple mais nécessite un grand moteur de démarrage. Arbre double Dans cette configuration : 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 Moteur de démarrage plus petit 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 Détendu dans la turbine Rejeté 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 : Nécessité d'une alimentation en eau de refroidissement Rendements des échangeurs de chaleur plus bas Complexité et coût accrus Installation type de turbine à gaz à cycle ouvert Une installation de turbine à gaz comprend plusieurs composantes et systèmes auxiliaires : Édifices et enceintes Les turbines sont souvent placées dans des enceintes ou des bâtiments séparés pour : La protection contre l'environnement La réduction du bruit La 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 dégivreurs 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 dans des conditions standard : Température de 15°C Niveau de la mer Gaz naturel comme combustible 60% d'humidité Sans pertes d'admission ou d'échappement Le rendement calorifique est 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 sont utilisées pour améliorer le rendement : 1. Régénération : utilisation de la chaleur d'échappement pour préchauffer l'air comprimé 2. Refroidissement intermédiaire : refroidissement de l'air entre les étages de compression 3. Réchauffage : réchauffage des gaz entre les étages de la turbine Cycle combiné L'intégration des turbines à gaz dans des systèmes à cycle combiné permet d'atteindre des rendements supérieurs à 60%. Conceptions de compresseur Deux types principaux de compresseurs sont utilisés dans les turbines à gaz : 1. Compresseurs centrifuges (radiaux) Caractéristiques : L'air entre au centre du rotor Accéléré par les ailettes et forcé radialement Conversion de la vitesse en pression par le diffuseur Avantages : simplicité, robustesse, faible longueur 2. Compresseurs axiaux Caractéristiques : 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 ces 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 combustion La chambre de combustion est utilisée pour chauffer l'air de travail après sa sortie du compresseur et avant son admission dans la turbine. Ses fonctions principales sont : Mélanger l'air et le combustible 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 : 1. Tubo-annulaire Plusieurs chambres de combustion disposées autour de l'axe de la turbine. 2. Annulaire Un tube à flamme concentrique entourant les bobines. 3. Tube simple Chambres disposées autour du moteur avec des tubes de flamme interconnectés. Chaque type a ses avantages et inconvénients en termes de performance, de poids et de complexité. Conception et fonctionnement de la section turbine La section 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 (tuyères) Aubes mobiles (augets) 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 super alliages à base de nickel et d'aciers résistants à la chaleur pour les aubes et les rotors. Les turbines fonctionnent 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 Le contrôle d'une turbine à gaz se fait principalement en variant le débit de combustible. Les éléments clés incluent : Régulation de 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 (entrée d'air, gaz d'échappement, paliers) Pressions (refoulement du compresseur, combustible) 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 influençant le rendement d'une turbine à gaz sont : 1. 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. 2. Pression de refoulement du compresseur Un rapport de compression plus élevé améliore généralement le rendement du cycle et la puissance produite. 3. Température d'entrée de la turbine Une température plus élevée augmente l'énergie disponible et donc le rendement, mais est limitée par les matériaux utilisés. Les concepteurs de turbines à gaz cherchent constamment à augmenter ces paramètres pour améliorer les performances. Les turbines modernes peuvent atteindre des rendements de cycle supérieurs à 40% en cycle simple, et jusqu'à 60% en cycle combiné. Puissance maximale et limites opérationnelles La puissance maximale d'une turbine à gaz est déterminée par plusieurs facteurs : Limites des matériaux du trajet de gaz chauds Durée de vie prévue des composants Coûts d'entretien Les fabricants spécifient généralement : 1. Une puissance nominale permettant une durée de vie normale 2. 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'urgence Cependant, un fonctionnement prolongé à la puissance maximale entraîne des coûts d'entretien plus élevés et un risque accru de panne. Les opérateurs doivent trouver un équilibre entre performance et durabilité.