Extrait : Whitepaper : Grandeurs d’influence et de mesure sur les turbines à gaz et leur importance pour l’optimisation du rendement et des émissions

Les turbines à gaz dans les utilisations industrielles


Turbine à gaz
Grâce à leurs performances particulières dans le domaine des régimes de pointe, les turbines à gaz ont fait leurs preuves comme composants déterminants et fiables dans de nombreuses applications industrielles. Les turbines à gaz sont très fréquemment utilisées dans la production d’électricité et de chaleur ainsi que dans l’industrie du pétrole et du gaz. Dans l’alimentation électrique industrielle, les turbines à gaz couvrent les périodes de pointe et assurent la production de chaleur de chauffage. Les centrales à turbines à gaz, les centrales à cycle combiné et les centrales de cogénération sont des domaines où elles sont souvent utilisées. La combinaison de turbines à gaz et de turbines à vapeur permet de réaliser une efficacité énergétique particulièrement élevée. Dans l’industrie du pétrole et du gaz, les turbines à gaz sont utilisées pour l’entraînement mécanique de pompes, de compresseurs et de générateurs dans le cadre du transport et du traitement des matières premières. Les turbines à gaz sont exploitées avec des combustibles liquides ou gazeux, tels que le gaz naturel, l’essence, le diesel, le fioul ou le pétrole. Afin d’optimiser le processus, qui consomme beaucoup de combustible et rejette beaucoup de gaz de combustion, en vue d’une efficacité maximale, l’interaction complexe entre les paramètres des gaz de combustion et le réglage du processus de combustion dans la turbine à gaz est essentielle et forme la base d’un rendement optimal. Pour le technicien de maintenance, il importe de comprendre le fonctionnement du processus de combustion et l’influence des grandeurs de mesure individuelles sur les performances et sur l’émission de polluants des turbines à gaz.

Principe de fonctionnement des turbines à gaz


Composants d’une turbine
Les turbines à gaz sont des machines thermodynamiques à combustion interne qui se composent de trois éléments : un compresseur en amont, la chambre de combustion au centre et la turbine proprement dite. La construction, la puissance et la taille des turbines à gaz varient en fonction de l’application et du domaine d’utilisation. Mais le principe de fonctionnement est toujours le même et est basé sur le cycle thermodynamique selon James Prescott Joule (« cycle de Joule »). L’air est comprimé par l’intermédiaire des ailettes d’un compresseur à un ou plusieurs étages et ensuite mélangé au combustible gazeux ou liquide dans la chambre de combustion où le mélange s’enflamme et brûle. La combustion de ce mélange d’air comprimé et de gaz produit un gaz chaud qui peut atteindre des températures supérieures à +1 000 °C et qui se détend en traversant la turbine en aval :
l’énergie thermique y est transformée en énergie mécanique. Dans la turbine de détente, les gaz chauds et riches en énergie se détendent et atteignent quasiment la pression ambiante tout en réduisant leur vitesse. Pendant le processus de détente, les gaz de combustion cèdent de la puissance à la turbine. Environ 2/3 de cette puissance est nécessaire pour entraîner le compresseur (aspiration d’air). Un alternateur directement accouplé transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Côté basse pression, environ 1/3 de la puissance utile est alors à disposition pour un deuxième arbre, par exemple pour entraîner un générateur, un rotor, un compresseur ou une pompe, avant que les gaz chauds ne soient acheminés vers une chaudière de récupération en aval pour produire de la chaleur de chauffage.

Analyse correcte des concentrations de gaz de combustion


Plage de travail optimale entre « riche » et « pauvre »

La concentration des gaz de combustion dégagés fournit des informations importantes sur l’efficacité de la combustion et sur les possibilités pour l’augmenter. Les valeurs de CO et de NOx fournissent des informations sur l’état actuel de l’installation et le respect des limites d’émission. L’alimentation en air entre « riche » et « pauvre » et la température corrélée dans la chambre de combustion influencent le comportement d’émission de la turbine à gaz.

Défis lors de la mise en service, de l’exploitation et de la maintenance


Mesures en cas de concentration de gaz très faible ou très élevée

Lors des mesures des émissions des turbines à gaz, le défi consiste à mesurer précisément aussi bien des concentrations de gaz très faibles que très élevées. Les turbines à gaz réglées de manière optimale ne rejettent que de très faibles quantités de CO et de NOX (<10 ppm) au bon point de fonctionnement. Pourtant, des concentrations de gaz élevées peuvent apparaître par exemple au moment du démarrage de l’installation aux fins d’essai. La réduction des émissions de NO2 ainsi que le défi d’éviter des pertes dans la chambre de combustion sont des facteurs importants pour garantir un fonctionnement efficace de la turbine à gaz.

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