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LES EQUIPEMENTS LES TURBINES

MANUEL DE FORMATION COURS EXP-PR-EQ140 Révision 0.1

Exploration et Production Les Équipements Les Turbines

LES EQUIPEMENTS LES TURBINES SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .....................................................................................................................5 2. LES FONCTIONS DES TURBINES ................................................................................6 2.1. INTRODUCTION.......................................................................................................6 2.2. EXEMPLES ...............................................................................................................6 3. LES CATEGORIES PRINCIPALES .................................................................................8 3.1. DIFFERENTS TYPES DE TURBINES ......................................................................8 3.2. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES DIFFERENTS TYPES ..........................12 4. FONCTIONNEMENT DES TURBINES ET DE LEURS AUXILIAIRES ..........................14 4.1. PRINCIPE GENERAL .............................................................................................14 4.2. COMPRESSEURS (Gas Generator en Anglais) .....................................................18 4.2.1. Technologie compresseur ...............................................................................18 4.2.2. Paramètres de suivi des compresseurs...........................................................19 4.3. CHAMBRE DE COMBUSTION ...............................................................................20 4.3.1. Généralités ......................................................................................................20 4.3.2. Alimentation de la chambre .............................................................................20 4.4. TURBINES DE PUISSANCE (Power Turbine en anglais).......................................23 4.4.1. Distributeur ......................................................................................................23 4.4.2. Roue de turbine...............................................................................................24 4.4.3. Technique de refroidissement .........................................................................25 4.4.4. Materiaux.........................................................................................................25 4.5. AUXILIAIRES ..........................................................................................................26 4.5.1. Aspiration d’air.................................................................................................26 4.5.1.1. Filtration .....................................................................................................27 4.5.1.2. Pre-filtrage par inertie.................................................................................28 4.5.1.3. Demister.....................................................................................................29 4.5.1.4. Coalescer ...................................................................................................29 4.5.1.5. Pre-Filtres...................................................................................................29 4.5.1.6. Filtres fins...................................................................................................29 4.5.1.7. Structure support........................................................................................30 4.5.1.8. Cartouches auto-nettoyantes .....................................................................31 4.5.1.9. Choix du systeme de filtration ....................................................................33 4.5.1.10. Silencieux.................................................................................................33 4.5.1.11. Entree de turbine......................................................................................34 4.5.1.12. Systemes auxiliaires ................................................................................35 4.5.2. Systeme d’echappement .................................................................................37 4.5.2.1. Types d’echappement ................................................................................38 4.5.2.2. Reduction de bruit ......................................................................................39 4.5.2.3. Precautions constructives ..........................................................................40 4.5.2.4. Types d’echappement ................................................................................41 4.5.2.5. Silencieux et conduits ................................................................................42 Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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4.5.2.6. Accessoires................................................................................................43 4.5.3. Circuits d’huile de controle et lubrification .......................................................45 4.5.3.1. Circuits des turbines aeroderivatives .........................................................45 4.5.3.2. Circuits d’huile des machines industrielles .................................................47 4.5.4. Systeme de combustible .................................................................................52 4.5.4.1. Generalites.................................................................................................52 4.5.4.2. Regulation du combustible fuel-gaz ...........................................................54 4.5.4.3. Qualites du combustible liquide..................................................................55 4.5.4.4. Regulation du combustible liquide..............................................................56 4.5.4.5. Regulation combustible dual fuel ...............................................................57 4.5.4.6. Systemes de gaz combustible multiples ....................................................58 4.5.5. Systeme de refrigeration et d’etancheite .........................................................59 4.6. LES BÂTIS DE TURBO-MACHINES.......................................................................61 4.7. LES SYSTEMES DE DEMARRAGE .......................................................................63 4.8. LES REDUCTEURS ET ACCOUPLEMENTS .........................................................66 4.8.1. Les reducteurs auxiliaires................................................................................66 4.8.2. Les reducteurs de puissance...........................................................................67 4.8.3. Les accouplements .........................................................................................70 4.9. LE SYSTEME ELECTRIQUE ..................................................................................73 4.10. ENVELOPPES DE CONFINEMENT (« ENCLOSURE ») ET SYSTEMES AUXILIAIRES ASSOCIES..............................................................................................75 4.10.1. Generalites ....................................................................................................75 4.10.2. Types d’enveloppe de confinement ...............................................................75 4.10.3. Auxiliaires d’enceinte de confinement ...........................................................78 4.11. REFRIGERATION D’HUILE ..................................................................................80 4.12. SYSTEME DE CONTROLE, REGULATION ET PROTECTION ..........................82 4.13. SYSTEME DE CONTROLE ET SEQUENCES .....................................................84 4.14. SYSTEME DE PROTECTION...............................................................................88 4.15. CONFIGURATION DU SYSTEME DE CONTROLE ET PROTECTION ...............89 5. PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT DES TURBINES ..........................................93 5.1. CYCLE DE BRAYTON ............................................................................................93 5.2. PERFORMANCES ..................................................................................................96 5.3. INFLUENCE DES FACTEURS EXTERIEURS .......................................................97 5.4. INFLUENCE DES FACTEURS INTERNES ............................................................99 5.4.1. Baisse de pression aspiration..........................................................................99 5.4.2. Baisse de pression a l’echappement ...............................................................99 5.4.3. Influence du combustible...............................................................................100 5.4.4. Soutirages du compresseur axial ..................................................................101 5.4.5. Injection de vapeur et injection d’eau ............................................................102 5.4.6. Refroidissement d’air.....................................................................................104 5.5. CAPACITES DES TURBINES ..............................................................................106 6. CONDUITE DES TURBINES.......................................................................................113 6.1. INTRODUCTION...................................................................................................113 6.2. PREPARATION POUR UN PREMIER DEMARRAGE..........................................114 6.2.1. CONTROLES PRELIMINAIRES ...................................................................114 6.2.2. Controle de la sequence de virage (Motoring procedure) « Crank mode » ..116 6.3. SEQUENCES PAR MODE OPERATOIRE AUTOMATIQUE (Principes) ..............117 6.3.1. Mode « OFF » ...............................................................................................117 Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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6.3.2. Mode « VIRAGE » (« CRANK ») ...................................................................117 6.3.3. Mode “RALENTI”( « IDLE »)..........................................................................118 6.3.4. Mode « AUTO » ............................................................................................119 6.3.5. Autorisation de demarrage « Permissive to start »........................................119 6.3.6. Protections (« TRIP ») ...................................................................................121 6.3.7. Limites operatives .........................................................................................121 6.4. SEQUENCES DE DEMARRAGE EN OPERATION..............................................122 6.4.1. Demarrage normal ........................................................................................122 6.4.2. Alarme de démarrage chaud (« Hot start ») ..................................................130 6.5. SEQUENCES D’ARRET .......................................................................................131 6.5.1. Arret normal (virage autorisé)........................................................................133 6.5.2. Arret d’urgence (virage non autorisé) ............................................................134 6.5.3. Ralentissement a la charge minimum (SDML Slow Deceleration to Minimum Load) .......................................................................................................................135 6.5.4. Séquence ralenti (STI Step to Idle) ...............................................................136 6.6. ARRET TURBO-COMPRESSEUR PRESSURISE ...............................................137 6.7. ARRET TURBO-COMPRESSEUR DEPRESSURISE ..........................................139 6.8. ROTATION A VIDE A L’ARRET (Effet « windmill ») .............................................140 6.9. POMPAGE ............................................................................................................141 6.9.1. Pompage du compresseur turbine ................................................................141 6.9.2. Pompage du compresseur entraine ..............................................................142 6.10. SEQUENCE DE LAVAGE DU COMPRESSEUR « OFF-LINE ».........................145 6.11. ACTIONS DE L’OPERATEUR ............................................................................146 6.11.1. Contraintes speciales ..................................................................................146 6.11.2. Limite T5.4...................................................................................................146 6.11.3. Basse pression d’huile.................................................................................146 6.11.4. Frottement rotor-stator gg au pompage (grippage) .....................................147 6.11.5. Redemarrage gg apres shutdown en charge ..............................................147 6.11.6. Vitesse pt nulle au redemarrage..................................................................147 6.12. MAINTENANCE PREMIER DEGRE ...................................................................150 6.13. PRECAUTIONS OPERATOIRES (Safety advices) .............................................151 7. TROUBLE SHOOTING................................................................................................153 7.1. TABLEAU DE CODIFICATION DES ALARMES ...................................................155 7.2. PARTICULARITES DES ALARMES .....................................................................158 7.3. NUMEROTATION DES PROCEDURES...............................................................160 7.4. PROCEDURES DE RECHERCHE DE PANNES..................................................161 7.5. TABLE DE CAUSES ET EFFETS .........................................................................161 8. GLOSSAIRE ................................................................................................................170 9. SOMMAIRE DES FIGURES ........................................................................................171 10. SOMMAIRE DES TABLES ........................................................................................175

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1. OBJECTIFS Le but de ce cours pour Opérateurs est de permettre une meilleure compréhension des TURBINES et de leurs principaux auxiliaires. Il n’est en aucun cas un cours pour Mécanicien-turbiniste ou Instrumentistes qui devront se référer aux documents spécifiques relatifs aux machines installées dans leur usine. La majorité des exemples se réferrent à la turbine PGT25+SAC de Nuevo Pignone.

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2. LES FONCTIONS DES TURBINES 2.1. INTRODUCTION Les turbines sont des équipements mécaniques rotatifs dont la fonction « moteur » permet d’entrainer des pompes, compresseurs ou générateurs électriques dans l’industrie pétrolière. Autres applications : propulsion aviation, marine, train, voitures (record de vitesse sur Lac Salé aux USA). On peut les utiliser en position d’attente« stand-by » ou de service continu « duty »

2.2. EXEMPLES

Figure 1: Exemple d’une turbine entrainant un générateur (AG9140 and AG9140RF gas turbine generator)

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Figure 2: Exemple d’une turbine entrainant un compresseur

Figure 3 : Exemple d’une turbine propulsant un navire Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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3. LES CATEGORIES PRINCIPALES 3.1. DIFFERENTS TYPES DE TURBINES On peut diviser les turbines en trois catégories principales : Turbine à vapeur (rendement 0,70 à 0,80) : l’énergie disponible est la vapeur fournie par de chaudières débitant dans un réseau de vapeur. Noter que ce rendement ne concerne que la turbine seule (organe de détente du cycle de Carnot) Turbines à gaz ou turbines à combustion (TAC) qui comprennent les turbines à cycle ouvert et celles à récupération d’énergie. Turbine à gaz à cycle ouvert « open cycle operation » (rendement 0,15 à 0,30) : l’énergie de combustion est disponible sous forme de gaz ou de liquide (kérosène, diesel-oil, distillats…). Le combustible solide (charbon pulvérulant) n’est pas utilisé car il détériore trop rapidement les ailettes par érosion. Le rendement est cette fois-ci un rendement global comparant l’énergie mécanique récupérable au pouvoir calorifique du combustible. Turbine à gaz avec récupération d’énergie (rendement 0,40 à 0,60) : o Cycle combiné oú l’énergie résiduelle des gaz d’échappement des turbines à gaz est utilisée pour produire de la vapeur utilisée pour générer de l’électricité Figure 4 : Cycle combiné (N.Pignone 2xMS9001)

o Cycle co- génération oú tout ou une partie des gaz est utilisée en série pour récupérer des calorie directement dans le process tandis qu’une autre partie va générer de la vapeur dans une chaudière entrainant à vapeur entrainant un turbo-générarteur (un appoint de combustible peut être fait dans cette chaudière). Noter que l’appoint en énergie dans la chaudière de récupération par post-combustion de l’oxygène résiduel peut se faire de façon globale pour le cycle combiné et la co-génération.

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o Cycle régénératif oú l’énergie résiduelle des gaz d’échappement des turbines à gaz est utilisée pour réchauffer l’air entrant dans la chambre de combustion (regénération). Figure 5 : Regénération (N.Pignone MS5002) Remarques : Les turbines à gaz sont différenciées selon leur procédé de fabrication. On trouve ainsi sur catalogue des turbines dites aéro-dérivatives car issues des techniques aviation (puissance maxi. Environ 45 MW) et des turbines dites industrielles issues de la technologie des turbines à vapeur (puissance maxi. Environ 265 MW). L’avantage des turbines aéro-dérivatives est légèreté et temps de maintenance inférieur à leur équivalente industrielle (24h d’arrêt pour 12000H overhaul), ainsi qu’un meilleur rendement thermodynamique (dû au taux de compression plus élevé jusqu’à 30). Leur inconvénient est un choix de puissance plus limitée sur catalogue. L’arbre du rotor de turbine, peut-être unique pour le générateur de gas et la turbine de puissance. La turbine à gaz est alors designée comme « single shaft » (un seul arbre) et « dual shaft » (double lignes d’arbres) dans le cas contraire. Figure 6: Schema représentatif d’une turbine à simple ligne d’arbre L’arbre unique oblige une même régulation de vitesse du récepteur et du compresseur d’air. Donc son application est exclusivement réservée aux générateurs de courant dont la vitesse est fixe. Figure 7: Schema représentatif d’une turbine à deux lignes d’arbre Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Ce système de contrôle est appelé « generator drive » (contrôle d’alternateur) en opposition à « mechanical drive » (contrôle mécanique) qui régule des vitesses différentes (pompe et compresseur). On entend parfois le terme de turbine à action (détente dans stator) ou à réaction (détente partagée dans stator et ailettes de roue). Ce qualificatif désigne le type d’ailette installé. Le nombre d’étages est moins important dans les turbines à action (gain d’espace et poids).

Avant

Arrière

Figure 8: Générateur de gaz (GG) aérodérivatif couplé à turbine de puissance (PT) industrielle (N.Pignone PGT 25 PLUS SAC) deux arbres

Figure 9: Turbine Industrielle (N.Pignone MS6001 single shaft) à un arbre sur bâti Le design de l’assemblage d’une turbo-machine tient compte de la maintenabilité afin de minimiser le taux de maintenance (démontage et remontage optimisé des éléments) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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AVANT

Carter d'entrée d'air

Compresseur Alimentation d'air Alimentation combustible

Chambre de combustion Manche à gaz Turbine HP (GG) Turbine BP (PT) Accouplement machine entraînée

Culotte d'échappement

ARRIERE Figure 10: Turbine Industrielle (Man-GHH ex-Hispano-Suiza THM 1304 dual shaft)

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3.2. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES DIFFERENTS TYPES Pour la motorisation de grande puissance, la turbine remplace le moteur alternatif ou le moteur électrique qui sont limités à environ 10 MW pour TEG ou TEK. Les turbines à gaz peuvent brûler une grande quantité de combustibles de qualité très différente, ce qui les rend attractives dans certaines applications. Spécialement si le fuel gaz disponible est gratuit et abondant la motorisation turbine est très interressante par sa fiabilité et disponibilité de l’équipement. Les opérations de maintenance sont inférieures en fréquence et durée à celle d’un moteur alternatif (fiabililité et disponibilité plus grande). De plus dans le cas d’une compression à fort débit, la turbine « dual shaft » permet une variation de vitesse donc une flexibilité d’opération du débit du compresseur plus importante que celle d’un moteur. Dans l’industrie pétrolière on trouve très souvent des turbines à gaz en production de surface tandis que les turbines à vapeur sont fréquentes dans le raffinage ou dans des process de surface complexes, là où différentes boucles de régulation/stabilisation de températures différentes sont nécessaires. Pour résumer par rapport aux autres moteurs : Entre moteur thermique et turbine à gaz la rapport puissance-poids et la fiabilité sont en faveur de la TAG. La souplesse d’utilisation de différents carburants dont le gaz naturel est aussi à faveur de la TAG. Le critère de vitesse variable peut également être à faveur de la TAG dual fuel. Entre moteur électrique et TAG, la disponibilité de réseau électrique sera le critère de choix. Sur catalogue on trouve des moteurs électriques puissants (125MW) Voir le tableau ci-après qui montre les applications entre turbine à vapeur, TAG industrielle et aérodérivative.

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On-shore si le process nécessite de la vapeur et si le prix du combustible influe sur le prix du produit vendu

On-shore si le prix du gaz influe sur le prix du produit vendu

Puissance très importante. Peu de maintenance si la conduite et le traitement de l’eau de chaudière sont bien faits

Economie d’énergie (la récupération d’énergie est liée au niveau des températures des fumées)

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Système lourd et major overhauls longs

Investissement et poids plus important

Maintenance accrue

Puissance limitée

Système plus léger que turbine industrielle et temps de maintenance réduit

Off-shore et on-shore si le prix du gaz n’influe pas sur le prix du produit vendu Gain de rendement global de l’installation (moins de combustible consommé)

Système lourd et major overhauls longs

Inconvénients

Puissance importante

Avantages

On-shore si le prix du gaz n’influe pas sur le prix du produit vendu

Utilisation

Table 1: Avantages et inconvénients des différents types de turbines

=> 1000 MW

60 – 80 % turbine seule

=> 60 %

Cycle cogénération (production électrique et préchauffage fluides process)

Turbine à vapeur

=> 50 %

Cycle combiné (production vapeur pour production électrique)

20 – 30 %

=> 40 %

=> 45 MW

Aérodérivative

20 – 30 %

Rendement

Cycle régénératif (Préchauffage air de combustion)

=> 265 MW

Puissance

Industrielle cycle simple ouvert

Turbine à gaz

Catégories

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4. FONCTIONNEMENT DES TURBINES ET DE LEURS AUXILIAIRES 4.1. PRINCIPE GENERAL (CYCLE SIMPLE OUVERT) Le shéma ci-après illustre les phases de fonctionnement et les principaux organes fonctionnels.

A Entrée d'air

CC

2 0

TT

C Q

3

4

1 Compression

Combustion

Echappement

Détente

Figure 11: Phases de fonctionnement et principaux organes fonctionnels Compression: Travail du compresseur rotatif (C) qui élève la pression de l’air. Combustion : Mélange air (A), combustible (Q) et combustion permanente. Détente : Dans la turbine (T) qui extrait l’énergie pour entraîner le compresseur (C) et dans le dispositif d’échappement. Plans de Références Ils sont numérotés afin de permettre la « référence » de l’écoulement. Ici : 0

1

2

3

4

Infini Amont

Entrée compresseur

Sortie compresseur

Entrée turbine

Sortie turbine

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Théorie de Fonctionnement d’une Turbine à Gaz (à deux lignes d’arbres) Les turbines à gaz Hispano-Suiza THM sont à deux lignes d’arbres avec turbine de puissance séparée (turbine libre). Le cycle de la turbine à gaz, c’est-à-dire la succession des états « pressions températures » qui caractérise l’évolution des gaz (air pur d’abord, puis gaz de combustion) à travers les différents organes de la machine, est schématisé ci-dessous. Turbine libre

Compresseur

Chambre de combustion

C 0

1

T 2

3

4

5 6

T

P

Figure 12: Cycle de la turbine à gaz Il se décompose : 0-1 : Perte de charge dans le système de filtration d’air (variable suivant le type de filtration). avec baisse de température (risque de givrage à l’entrée compresseur) 1-2 : Compression adiabatique de l’air ambiant par un compresseur axial (8 étages pour THM 1102 - 9 étages THM 1202 - 1203) suivi d’un étage centrifuge. 2-3 : Combustion continue dite à pression constante dans deux chambres de combustion tubulaires en « V » pour la TMH). Les pertes de charge de la combustion sont estimées à 3% de P2. 3-4 : Première détente des gaz chauds dans une turbine haute pression à deux étages dont la fonction est d’entraîner le compresseur (appelée générateur de gaz GG). 4-5 : Deuxième détente des gaz dans une turbine basse pression qui fournit la puissance utilisable sur un arbre indépendant (turbine libre ou turbine de puissance PT). 5-6

: Perte de charge dans la culotte d’échappement et la cheminée.

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On notera que l’ensemble du compresseur, des chambres de combustion et de la turbine haute pression constitue le générateur de gaz, dont le but est de fournir des gaz chauds et sous pression qui sont utilisés par la turbine de puissance. Le fonctionnement peut aussi être illustré par ce qu’il est convenu d’appeler le « diagramme d’écoulement des gaz » qui montre l’évolution des paramètres : pression P (vert), vitesse V (rouge), température t° (jaune), ci-dessous diagramme d’un turboréacteur :

Figure 13: Diagramme de fonctionnement d’une turbine L’énergie apportée par le combustible (100 %) est répartie de la manière suivante : fonctionnement des auxiliaires (10 %) fonctionnement du compresseur (50 %) travail disponible sur la sortie de la turbine de puissance (30 %) autres pertes (aspiration et échappement 10 %) Une turbine est faite un assemblage de plusieurs éléments dont le fonctionnement sera détaillé ci-après : Compresseur Chambre de combustion Turbine de puissance Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Les auxiliaires : Système d’aspiration d’air et nettoyage turbine Système d’échappement Système d’huile de lubrification et de contrôle Système de démarrage Système de combustible (Fuel Gaz, diesel oil, dual fuel etc …) Système de réfrigération et étanchéïté Les skids bâtis d’installation Réducteur principal sur turbo-alternateurs Réducteur pour auxiliaires Accouplements Les enveloppes de confinement («sound-proof enclosures ») Les systèmes de ventilation Les systèmes de refroidissement d’huile Système de contrôle

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4.2. COMPRESSEURS Sa fonction est de fournir la quantité d’air necessaire pour la combustion des gaz dans la turbine (en fonction de la charge à fournir) et aussi d’alimenter en air divers circuits de refroidissement.

4.2.1. Technologie compresseur L’ensemble compresseur comprend un ou plusieurs étages, un étage étant constitué d’un rotor suivi d’un stator. On rencontre des compresseurs de types axiaux, de types centrifuges et, dans certains cas, l’association des deux types en série. Le mobile compresseur (rotor) est relié à l’arbre turbine et il est supporté par des paliers encaissant les efforts axiaux et radiaux. Les pales, ou aubes, peuvent être taillées dans la masse ou fixées par chevilles, en queue d’aronde ou pied de sapin. Les alliages légers utilisés sont remplacés généralement par de l’acier pour les moteurs industriels. Le débit d’air comprimé assure les fonctions de comburant prélevé dans les derniers étages (30 %) et de réfrigérant prélevé dans les premiers étages par soutirage (70 %) Exemple d’un compresseur axial de suralimentation Le rotor comporte des pales larges qui sont soit rapportées, soit taillées dans la masse du disque. L’arbre, solidaire du rotor, est cannelé pour liaison avec le compresseur centrifuge d’une part, et le réducteur d’autre part. Anneau Disque Aube double rangée Pale Arbre Rotor

Diffuseur (ou stator)

Figure 14: Rotor et diffuseur d'un compresseur axial Remarques : Pour varier plus facilement la charge, certains compresseurs possèdent des aubes d’entrée à géométrie variable « inlet gate vane » (IGV) quelquefois couplées à des Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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aubes variables de distribution (VSV variable stator vane) sur la PT. Certains autres sont munis de vanne(s) de décharge ou soutirage « bleed valves » qui permettent d’évacuer l’excédent d’air à l’atmosphère en phase de démarrage, ou qui servent à fournir de l’air comprimé pour dégivrage air ou dans le process. Ce système est fréquent avec le compresseur axial qui a un débit variant peu quelque soit la vitesse (contrairement au comp.radial) Le stator est constitué de deux rangées d’aubes fixées entre deux anneaux cylindriques. Exemple de compresseur centrifuge Le rotor (en une ou deux parties) comprend la roue d’entrée et le rouet centrifuge. Il est monté sur l’arbre liant la turbine au compresseur. Sur certains modèles aérodérivatifs les ailettes du compresseur axial sont enfilées dans des rainures et de ce fait n’ont pas une rigidité parfaite entre elles à l’arrêt. La rigidité globale est obtenue par la force centrifuge en marche. Le stator est constitué par deux diffuseurs, l’un disposé radialement, l’autre axialement.

Figure 15: Roues et diffuseurs d'un compresseur centrifuge Les taux de compression varient de 8 à 30 selon les turbines.

4.2.2. Paramètres de suivi des compresseurs On suit les pressions et températures entrée et sortie de façon à prédire la date de nettoyage. L’analyse des vibrations permet également de connaître la condition des rotors des compresseurs surtout sur des modèles aérodérivatifs plus légers. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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4.3. CHAMBRE DE COMBUSTION 4.3.1. Généralités Le rôle de la chambre de combustion consiste à brûler un mélange de carburant et d’air et à délivrer les gaz issus de la combustion vers la turbine (transformation de l’énergie chimique potentielle contenu dans le carburant en énergie calorifique). Le rapport carburant/air pour obtenir une bonne combustion est d’environ 1/15 (richesse stœchiométrique m). On ne peut cependant admettre ce rapport idéal, car la t° en résultant serait trop élevée pour la turbine. La chambre admet donc un rapport beaucoup plus élevé (de l’ordre de 1/50) de façon à refroidir les gaz brûlés pour obtenir une t° acceptable devant les turbines. La combustion s’effectue dans une enceinte aménagée de façon à assurer l’écoulement d’air, la pulvérisation de carburant et la détente des gaz. La chambre doit par ailleurs assurer une bonne stabilité de la flamme, le fonctionnement dans une large plage de débit, la possibilité d’allumage, avec des conditions extérieures variables. Figure 16: Chambre de combustion T2 < T3 - P2 > P3 -m = Q/G

4.3.2. Alimentation de la chambre

Figure 17: Schema représentatif d’une chambre de combustion à écoulement direct Turbomeca (application aéronautique) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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En zone primaire, l’air est admis de façon à obtenir un mélange permettant une bonne combustion. On crée des zones riches et de re-circulation pour maintenir la flamme (étant donné que la vitesse d’écoulement est souvent supérieure à la vitesse de déflagration). Note : l’alimentation en carburant est traitée dans les pages suivantes. En zone secondaire, on dilue les gaz afin de diminuer la température des gaz avant la turbine. Le débit de l’air secondaire est 3 à 4 fois supérieur au débit d’air primaire. Il sert à optimiser l’atomisation (stabiliser de la flamme 5%), à réfrigérer l’enveloppe pour une une bonne répartition de température et un refroidissement des parois (40%) et à diluer les gaz brûlés (25%). Figure 18: Schema représentatif d’une chambre de combustion à écoulement inverse N.Pignone (application industrielle) Ecoulement dans une chambre Les schémas ci-dessous illustrent l’écoulement dans une chambre annulaire à injection centrifuge et une chambre à « écoulement inversé ».

Figure 19: Chambre de combustion annulaire à injection centrifuge pour combustion liquide (kérosène) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Chambre de combustion annulaire à « écoulement inversé » : C’est aussi une chambre annulaire mais coudée de façon à inverser l’écoulement d’air

Figure 20: Chambre de combustion annulaire à « écoulement inversé »

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4.4. TURBINES DE PUISSANCE (Power Turbine en anglais) Le rôle de la turbine de puissance est de transformer l’enérgie calorifique fournie lors de la combustion en énergie mécanique disponible sur l’arbre (de cette turbine de puiisance) L’ensemble turbine de puisance comprend un ou plusieurs étages, chaque étage étant constitué d’une rangée d’aubes fixes (distributeur) suivie d’une rangée d’aubes mobiles (roue de turbine).

4.4.1. Distributeur

Figure 21: Distributeur et roue de turbine d'une turbine de puissance Les aubes fixes sont généralement montées entre deux anneaux cylindriques. L’anneau extérieur se monte dans le carter turbine ou parfois même forme le carter turbine. L’anneau intérieur enveloppe l’arbre liant la turbine au compresseur. Le premier étage distributeur est, par ailleurs, fixé sur la bride arrière de la chambre de combustion. Les aubes distributeurs sont le plus souvent creuses pour permettre le passage d’air de refroidissement ou de pressurisation. Noter que certains constructeurs utilisent des distributeurs à aubes variables entre GG et PT pour avoir une plus large plage de variation de vitesse (VSV Variable Stator Vane chez N.Pignone) tout en conservant un rendement correct à charge partielle.

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4.4.2. Roue de turbine La roue est constituée d’un disque à la périphérie duquel on trouve les pales. Le disque est soit solidaire de l’arbre, soit monté sur celui-ci par un accouplement de type curvic-coupling. Pour limiter la conduction de température, ses faces avant et arrière sont refroidies par circulation d’air. Il comporte, en outre, des masses ou des cordons permettant l’équilibrage. Les pales de turbine peuvent être taillées dans la masse ou rapportées par un procédé quelconque. Le procédé le plus utilisé est la fixation dite en pied, qui permet de répartir convenablement les efforts. Les pales rapportées sont, par ailleurs, disposées de façon à réaliser l’équilibrage statique et dynamique du rotor. Le jeu entre l’extrémité des pales et le carter extérieur est d’une grande importance ; il doit être ajusté pour obtenir un bon rendement (fuite minimum) sans provoquer le contact des pales. Les stators sont souvent chemisés au droit des ailettes par une semelle de métal plus moux que les roues de turbine pour éviter des endommagements de rotor (structure nid d’abeille). Dans certaines turbines, des talons sont disposés en bout de chaque pale, de façon à former une couronne rotative et diminuer ainsi le risque d’endommagement par contact. Ce type de turbine est dit « à talon ». Mais en cas de shutdown en pleine charge, il y a risque de frottement des disques et même de léger flambage d’arbre si le rotor n’est pas viré rapidement.

Figure 22: Roue de turbine à tallon Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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4.4.3. Technique de refroidissement Le refroidissement des parties chaudes est d’une importance considérable puisqu’il permet d’augmenter le rendement et la vie des composants. D’une manière générale, il est réalisé par circulation d’air prélevé au niveau du compresseur. Ainsi, on refroidit les aubes distributeurs, les disques de turbines et même dans certains cas, les pales de turbine. Il existe différentes techniques de refroidissement des pales, techniques liées à la fabrication (par exemple : pales coulées, pré-formées, passages par électro-érosion).

Figure 23: Refroidissement des pales

4.4.4. Materiaux Etant donné les fortes contraintes, il est fait utilisation de matériaux à très haute résistance les recherches métallurgiques se poursuivent dans ce domaine.

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4.5. AUXILIAIRES Ce sont tous les éléments permettant de délivrer les fluides nécessaires au fonctionnement conforme aux normes prévues par le constructeur (air, huile, combustibles, eau etc…)

4.5.1. Aspiration d’air Le système d’aspiration d’air doit être conçu pour : Délivrer un air sans poussières, fumées, vapeur d’hydrocarbures pour éviter érosion ou dépots sur les ailettes, et en quantité suffisante pour fonctionner aux performances contractuelles prévues. S’affranchir des conditions atmosphériques locales (système anti-gel ou de réfrigération si nécessaire, protection contre des entrées d’eau de pluie) Respecter les limites locales de bruit ambiant Alimenter le compresseur sans vibrations aérodynamiques Arrêter les nuisances locales (insectes) Pièger autant que faire se peut les chutes d’objet Avoir une fiabilité en accord avec le cahier de charge Les éléménts suivants permettent de réaliser ces performances : batterie de filtres conduits silencieux coudes plenum d’entrée bell-mouth (convergent d’entrée du compresseur) Pour protéger les ailettes de l’érosion due à des solides/poussières en suspension, l’air est filtré dans une batterie de filtres placée à l’aspiration. L’air est conduit jusqu’à une boite d’entrée « plenum chamber » avant d’entrer dans le compresseur. Le matériel utilisé en aval du système de filtration est en acier inoxydable pour éviter d’aspirer des débris de Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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rouille. De même pour la fixation des éléments, on évite d’installer des boulons, clamps à ressort etc…

Figure 24: Schéma typique du système d’aspiration En général un grillage d’acier inoxydable est installé comme dernière protection avant l’entrée dans le compresseur. Lors des inspections le personnel doit impérativement faire les visites sans aucun corps étranger dans les poches. Pour éviter des vibrations aérodynamiques à l’entrée du compresseur la volute d’entrée (« bell-mouth ») est particulièrement étudiée. Remarque : En cas d’obstruction complète des filtres, pour ne pas collapser les conduits une soupape casse-vide est installée. Comme ce système est un by-pass des filtres, il faut arrêter immédiatement la turbine en cas d’ouverture. Normalement la turbine s’arrête par pressostat avant que cette soupape ne s’ouvre. 4.5.1.1. Filtration Les filtres fins de 5µm qui protègent les turbines sont souvent précedés d’élément permettant de retirer les plus grosses particules afin d’augmenter le délai de salissure de ces éléments. On trouve peut donc trouver en amont : un grillage anti-oiseau et anti-insecte (maillage 10 à 20) dans certaines régions Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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un filtrage par inertie (fig 25) un demister un pre-filtre un coalesceur les filtres fins à éléments ou à cartouches quelque fois auto-nettoyantes 4.5.1.2. Pre-filtrage par inertie

Figure 25: Piège à particules/poussières par inertie (Vane or Dust Louver) Perte de charge possible neuf 30 mm H2O (300 Pa) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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4.5.1.3. Demister Il sert à séparer les gouttelettes d’eau supérieure à 20 µm avec un rendement supérieur à 99%. Perte de charge neuf : 3 mm H2O (30 Pa) 4.5.1.4. Coalescer C’est un panneau de fibre de verre dans résine résistant à l’eau pour recueillir et évacuer/drainer l’eau amenée par l’air. Perte de charge négligeable. 4.5.1.5. Pre-Filtres I servent à pièger les particules entre 10 et 5 µm. Ces panneaux qui ressemblent à des coalesceurs, peuvent être de type visqueux, permettent de retarder l’encrassement de filtres fin donc permettent de diminuer le temps d’arrêt des turbines (downtime) 4.5.1.6. Filtres fins Appelés aussi filtres de finition ou à haut rendement, ils ont la vocation de ralentir l’encrassement (ils arrëtent les particules inférieures à 1 µm) Ils peuvent être conventionnels en papier sur armature métallique plane ou en dièdre.

Multi diehedral finishing filters

Finishing filters

Figure 26: Types de filtres Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Ils peuvent également être de type cartouches auto-nettoyantes. Ci-après, les caractéristiques d’une cartouche de ces filtres :

Figure 27: Example de caractéristiques d'une cartouche de filtre 4.5.1.7. Structure support Ci-après en exemple sont représentées plusieurs hottes : Hotte support de filtration à 3 entrées

Figure 28: Structure de filtration d’air à 3 faces

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Hotte anti-pluie et support de grillage et filtres

Figure 29: hotte anti-pluie

4.5.1.8. Cartouches auto-nettoyantes

Figure 30: cartouches auto-nettoyantes Dès que la pression différencielle atteint le seuil pré-réglé, le transmetteur de pression différencielle lance la séquence de nettoyage. Une vanne solénoïde ouvre l’air à 6 ou 7 bg sur un Venturi, ce qui détache à contre courant par effet de choc tous les dépots collés à la paroi du filtre. L’air provient de l’air service de l’usine ou d’un compresseur spécifique au package turbine, ou d’un soutirage du compresseur air des turbines après refroidissement. Il existe différentes batteries de cartouches auto-nettoyantes selon leur disposition : Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Figure 31: Différentes batteries de cartouches auto-nettoyantes

Figure 32: Filtration par cartouches auto-nettoyantes verticales (montage a)

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4.5.1.9. Choix du systeme de filtration

Table 2: Composition des systèmes de filtration En cas d’atmosphère trèe corrosive saline, il est conseillé d’utiliser des aciers martensiques (AISI 400) ou austénitiques (AISI 300) comme support de filtres. Dans cette application le demister est plus efficace que les filtres fins 4.5.1.10. Silencieux Les parois de conduits (ducts) et les coudes sont revêtus de laine de roche prise en sandwich entre plaques d’acier.

Figure 33: Silencieux en construction

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Figure 34: Element de silencieux

Figure 35: Section typique des parois des conduits de silencieux Un silencieux avec paroi amortisseur en acier inoxydable ou aluminium est installé après le système de filtration. Cette paroi devra avoir un système anti-gel dans les zônes très froides. 4.5.1.11. Entree du compresseur Elle assure le changement de direction du débit d’air. La forme de la volute d’entrée est particulièrement calculée pour éviter toute perturbation aérodynamique qui entraine des vibrations. Figure 36: Shéma typique d’entrée d’air Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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4.5.1.12. Systemes auxiliaires Système anti-gel : Il est nécessaire pour des températures ambiantes entre 5 et -10°C pour protéger les parties sujettes à des points de refroidissement. Ces parties sensibles sont les bords d’entrée d’air des filtres et entrée des parois amortissantes du silencieux.

Figure 37: shéma typique d’un silencieux Le bord d’attaque des ailettes des aubes d’entrée à géométrie variable « inlet gate vane » (IGV) sont eux aussi sujets au givrage. Un système de dégivrage peut être installé à partir d’un soutirage d’air chaud depuis le compresseur axial de la turbine. Le système est automatisé en fonction de la température ambiante et de l’humidité relative (RHamb ) comparé à l’information du feed-back T2 température de sortie d’air des filtres.

Figure 38: Système anti-gel

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Système de nettoyage Lorsque le compresseur s’encrasse par déposition de poussières diverses (fouling) son rendement diminue, (par conséquence la puissance fournie par la turbine ègalement), et nécessite un nettoyage à partir d’une certaine valeur (en général après une diminution de sa performance de 5%) Le système le plus courant est une injection d’eau et de produit nettoyant en amont des IGV au moyen d’une couronne circulaire de gicleurs. L’opérateur prendra connaissance des instructions spécifiques du fabricant de la turbine, avant de procéder à tout nettoyage.

Figure 39: schéma du système de nettoyage à l’eau Pour information, autrefois existait un nettoyage « on-line » par impact à partir d’une pulvérisation de poudre calibrée obtenue à partir de noyaux de noix ou abricots ou grain de riz. Il existe 2 types de nettoyages : Le nettoyage en marche (on-line washing) Le nettoyage à l’arrêt (crank washing ou off-line washing) La séquence de nettoyage en marche consiste à démarrer la turbine sans l’allumer et à injecter le mélange nettoyant par séquences préréglées. Quand le réservoir du « cleaner » est vide la turbine s’arrête et le rinçage à l’eau déminéralisée commence avec les mêmes séquences. En fin de rinçage, la turbine est démarrée et reste au ralenti par timer le temps de séchage puis est à disposition pour son usage normal. Comme indiqué sur le shéma, le nettoyage en marche est 4 fois moins efficace que celui à l’arrêt réalisé (souvent après un arrêt de maintenance programmée).

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Figure 40: Efficacité du lavage

4.5.2. Systeme d’echappement Il est conçu avec les critères suivants : Suivi de la législation locale contre le bruit Compatibilité avec la puissance contractuelle demandée et le débit de fuel-gaz Protection du personnel contre les points chauds Prise en compte de la corrosion et érosion (selon la qualité des gaz brulés) Débit régulier ne perturbant pas la turbine (diminution des turbulences, fuites et limitation des contraintes thermiques de structure) Température statique constante lors des variations de régime pour éviter des contraintes thermiques internes (thermal transient). Fiabilité et disponibilité égale aux autres éléments Maintenabilité des points critiques à surveiller (inspection facile) Le système d’échappement et particulièrement le silencieux, génèrent des pertes de charge importantes (résistance de contre-pression : back-pressure) qui pénalisent les performances de la turbine. Les mêmes formules de calculs que le silencieux d’aspiration peuvent être appliquées.

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Installation: On peut trouver un diffuseur de sortie (exhaust plenum) Conduits d’échappement et coude Silencieux Tuyau d’échappement / cheminée Soufflets de dilatation Isolation thermique et accoustique Plateformes et escaliers/échelles de service Structure de maintien Auxiliaires (diverters, joints d’étanchéïté) 4.5.2.1. Types d’echappement Vertical Latéral Horizontal Axial (type turbine avion) Figure 41: Echappement vertical

Figure 42: Echappement latéral

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4.5.2.2. Reduction de bruit Des normes de limitation de bruit existent localement. A titre d’exemple la table ISO 50 cidessous montre une norme appliquée en Europe tandis que la courbe suivante montre les limitations aux USA.

Figure 43: Exemple de niveau de bruit autorisé aux Etats-Unis

Table 3: Niveaux de bruit A titre d’exemple, la norme ISO NR 50 ci-dessus indique les valeurs authorisées en Db par gamme de fréquence audible. La mesure est faite à 1m et à une distance définie dans le contrat. L’intensité du bruit varie selon la direction de la mesure. Pour le même bruit d’origine, une mesure en ligne (sortie directe d’échappement ou entrée directe d’aspiration turbine) est bien plus grande que la même mesure transversale. Amortir le bruit consiste à gainer le flux d’air ou de fumées d’un matériau isolant. Des persiennes isolantes à l’aspiration amortissent la mesure de bruit en ligne (fig.33).

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Le coude et le silencieux sont les deux éléments qui peuvent réduire sensiblement le bruit selon leur géométrie, le type de matériel utilisé (interne et externe), la présence ou non de volets. Le plus souvent, la réduction de bruit est réalisée par l’utilisation de matériaux absorbants (sandwich de laine de roche dans tôles support perforées ou non voir fig.33, 34, 35, 47 et 48). Le silencieux à l’échappement des turbines étant l’élément qui produit la plus forte contre pression, il est souvent limité seulement à une enveloppe lattérale isolante. Quelquefois un dispositif en ligne est installé comme des persiennes de guidage des fumées. 4.5.2.3. Precautions constructives Protection contre la température Les éléments diffuseur, coude, silencieux, conduit, sont soumis à des températures de 500 à 600°C et des débits de 40 à 50 m/sec. Le design du revêtement intérieur permet une libre dilatation des tôles et n’est pas préjudiciable à une augmentation de la contre pression. Bien choisi (AISI 409 S) il permet de lutter efficacement contre la corrosion et l’érosion. L’isolation (matériau composite avec laine de roche ou céramique) protège le conduit extérieur d’un excès de température. Avec ce design et des matériaux bien choisis on a 550°C dans le conduit et 360°C à l’extérieur ce qui permet l’utilisation de l’acier au carbone. Par ailleurs cette température doit être en accord avec la température maximale autorisé en fonction de la classification de zone (en cas de fuite de gaz ).

Figure 44: Section d’un conduit d’échappement Protection contre les vibrations dynamiques On limite volontairement la vitesse à 50 m/sec pour éviter une trop forte contre pression qui pénalise la performance de la machine, augmente le stress sur les coudes et volets internes et pour éviter les vibrations sur les éléments du silencieux et la structure.

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Position des points fixes Afin de limiter les déplacements relatifs droit des soufflets de dilatation, les points fixes sont définis (voir exemple ci-après)

Figure 45: Points fixes d’un échappement latéral 4.5.2.4. Types d’echappement Plénum de sortie

Diffuseur droit

Figure 46: PGT10 N.Pignone

Figure 47: MS9001FA N.Pignone

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4.5.2.5. Silencieux et conduits Silencieux Les panneaux amortisseur de bruit sont faits de laine de rôche (100 kg/m2 ) sandwich dans des tôles ajourées AISI 400

Figure 48: Silencieux Silencieux Ces panneaux doivent être suspendu avec une structure appropriée permettant la dilatation

Figure 49: Silencieux Tuyaux d’échappement (cheminée) Connecté au silencieux par une pièce de transition

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Joints d’expansion Pour relier les différents ensembles comme plénum à conduit et silencieux à conduit

Figure 50: Joint d’expansion de type textile C fibre de verre ou de rôche D composé des couches suivantes de l’extérieur vers l’intérieur : Tissus de verre renforcé et feuille PTFE pour résister aux agents chimiques extérieurs Fibre de verre ou feutre de céramique pour protéger de la chaleur Tissus métalliques pour absorber la dilatation et solidifier tous ces composants Bande d’acier pour assurer le dimensionnement et la protection de cet ensemble 4.5.2.6. Accessoires Ce sont des éléments utilisés dans la co-génération ou les cycles combinés. On y trouve les diverters, les vannes à opercules, celles à guillotine et les plaques pleines. Diverter C’est une vanne 2 voies qui permet de diriger l’échappement à l’atmosphère ou vers la chaudière de co-génération. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Un volet battant (shutter blade) permet de dévier le flot d’un côté ou de l’autre. Le contrôle peut être electro-mécanique ou électro-hydraulique.

Figure 51: Schéma de diverter Etanchéîté des volets Afin d’éviter aux gaz chauds de fuir par les bords du volet, un système d’étanchéïté par air a été mis au point.

Figure 52: Détail de l’étanchéïté d’un volet Vannes à opercules Elles ont été abandonnées à cause de leur peu de fiabilité due à une détérioration des portées par vibration puis augmentation rapide de la fuite à cause des gaz chauds. Vannes à guillotine Les murs sont renforcés d’une structure d’appui appropriée et la plaque guillotine est manoeuvrée hydrauliquement

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Figure 53: Vannes à guillotine Plaques pleines (blanking plates) Même système que la guillotine mais sans renforcement de structure. La plaque est très légère (épaisseur 10 mm) et se manœuvre avec un winch.

4.5.3. Circuits d’huile de controle et lubrification Un circuit d’huile assure les fonctions : stockage de l'huile, alimentation sous pression, filtrage, récupération, refroidissement, dégazage et contrôle de fonctionnement. 4.5.3.1. Circuits des turbines aeroderivatives Les turbines aviation ont des circuits d’huile très réduits (appelées souvent turbines à carters secs). De faibles quantités d’huile transitent par les circuits. Les pompes de reprises attelées (scavenge pumps) reprennent l’huile écoulée pour la faire revenir dans la caisse principale. Comme les réfrigérants sont compacts et les vitesses de la machine supérieures aux turbines industrielles les températures d’huile sont plus élévées et on utilise de l’huile synthétique plus stable et moins sujette à prendre feu. Les circuits d’huile d’une turbine aviation sont alors complètement séparés du circuit huile de la machine entrainée. Ce type de machine est maintenant moins utilisé dans l’industrie pétrolière que celui des turbines industrielles (heavy duty ou aérodérivatives adaptées) Le stockage de l'huile s'effectue dans un réservoir dans la cellule. L'alimentation est réalisée par une pompe de pression. Le circuit d'alimentation peut être à pression régulée ou à débit total. A l'extrémité de chaque ligne de pression, des gicleurs pulvérisent l'huile sur l'organe à lubrifier. Le filtrage est assuré, avant la lubrification, par des filtres de types cartouches. Le filtre est en général muni d'un clapet de dérivation et d'un indicateur de colmatage. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Figure 54: Circuits de graissage

Figure 55: Shema fonctionnel du système d’huile d’une turbine aéro-dérivative N.Pignone Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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La récupération de l'huile est en général immédiate (circuit type carter sec « leakproof box ») et plusieurs pompes sont mises en œuvre pour ramener l'huile au réservoir (pompes de reprise « scavenge pumps). Quelquefois le retour se fait par gravité. Le refroidissement de l'huile est, le plus souvent, réalisé par un radiateur à circulation d'air ; la régulation de température est possible grâce à un clapet thermostatique monté en by-pass. Le dégazage des organes lubrifiés met en œuvre un circuit de reniflards qui permet le retour des vapeurs au réservoir. Le contrôle de fonctionnement s'effectue en mesurant la pression et la température d'huile du circuit.

4.5.3.2. Circuits d’huile des machines industrielles Le système fournit l’huile des circuits suivants : Paliers turbine Machine entrainée Différents réducteurs (principal, auxiliaires …) Convertisseur de puissance, barrières d’étanchéïté Circuits de contrôle Circuits de puissance hydraulique Réservoir d’huile Il est installé le plus souvent dans le bâti des machines (baseplate) Sa capacité minimum est définie par le temps de rétention c'est-à-dire le temps nécessaire pour le vider la pompe principale en marche sans retour d’huile (fuite hypothétique). Le définition du temps de rétention (8 mn pour décantation, dégazage, désémulsion) se trouve dans l’API 616 et 614. Mais les fabricants ont tendance à tenir compte du « working capacity » (5 mn entre niveau mini et désamorçage de pompe) en dimensionnant les caisses pour avoir un temps de résidence du même ordre. Un réchauffage est installé pour maintenir la température au minimum requis pour le démarrage. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Figure 56: Schéma fonctionnel du circuit d’huile PGT5 et PGT10 de N.Pignone Pompes à huile La pompe à huile principale peut être entrainée par une pompe à engrenage attelée au réducteur auxiliaire ou celui de puissance ou par une pompe indépendante si la caisse à huile est séparée. Elle refoule dans le réfrigérant et les filtres avant d’alimenter les circuits de lubrification et contrôle. Une pompe électrique (A.C.) de stand-by est généralement installée pour suppléer un défaut de la pompe attelée (démarrage par pressostat). Cette pompe sert de pré et post lubrification de la machine (cooldown procedure).

Figure 57: Système d’huile d’une turbine aéro-dérivative N.Pignone Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Une troisième pompe électrique (D.C.) de secours (emergency) sur réseau secouru par batteries permet d’assurer la lubrification jusqu’à l’immobilisation de la machine, en cas d’indisponibilité du réseau électrique normal A.C. Cette pompe court-circuite le réfrigérant pour dépenser moins d’énergie. Réfrigérant Il est du type huile-air ou huile-eau. Une vanne thermostatique ajuste la température de sortie. L’huile sort vers les filtres. Filtres Ils sont généralement de type duplex avec un boisseau de transfert en marche et une vanne de contrôle de pression qui permet de maintenir le circuit sous pression en cas de colmatage des filtres (aussi au démarrage avant que l’huile ne soit à la bonne température). Les élément sont généralement de 10µm. Les circuits de distribution (headers) et de retour Les accumulateurs de pression pour palier les breakdowns Instrumentation de contrôle et de sécurité On y trouve: Les alarmes et shutdowns des niveaux du réservoir d’huile (LSL/LSLL, LSH/LSHH) Thermostats TSH sur circuit de lubrification des paliers Thermostats TSH sur caisse à huile Pressostats PSL/PSLL sur circuit de lubrification des paliers Pressostats PSL/PSLL sur refoulement pompe à huile principale Pressostat différenciel sur filtre à huile DPSL Indicateurs de pression local et distance Indicateurs de température local et distance Une PCV du circuit principal qui décharge l’excès d’huile au carter Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Circuits d’huile Circuit d’huile de Contrôle pour commander les vannes hydrauliques (circuit de pilotage) qui peuvent avoir des positions différentes dans les phases start-up, opération normale, arrêt normal et arrêt d’urgence. Pression égale à celle de lubrification (7 à 8 bg) Circuit d’huile de puissance pour manœuvrer / bouger les moteurs hydrauliques du fuelgaz, des IGV etc… Dans les turbines aéro-dérivatives les 2 circuits ont la même pression de fonctionnement (60 bg environ). Si un bloc hydraulique commande de sécurité reçoit un ordre d’arrêt depuis le panneau de contrôle des générateurs et purge l’huile de commande au tank. La chute de pression de contrôle, provoque la commutation de la servo-valve de la vanne d’arrêt fuel-oil (emergency stop valve). La vanne de fuel-oil se ferme brusquement et un signal du panneau de contrôle demande le verrouillage. Le même système est valide pour le fuel-gaz.

Figure 58: Schéma de commande de valve solénoïde d’une turbine aéro-dérivative N.Pignone Dans l’exemple, on voit l’electro valve de commande de fuel-gaz en position drainage donc vanne hors service. Ce qui arrive la turbine au ralenti avec l’électro-valve de fuel-oil qui reste en service, tandis que l’IGV reçoit un signal de réglage d’inclinaison d’aubage.

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Figure 59: Schéma hydraulique simplifié N.Pignone

Figure 60: Diagramme fonctionnel du fuel-oil N.Pignone Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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4.5.4. Systeme de combustible 4.5.4.1. Generalites Les turbines peuvent fonctionner avec une grande variété de combustibles à condition que ces produits soient préalablement correctement traités : Gaz naturel LPG (butane, propane) Gaz de raffinage avec une grande concentration d’Hydrogène Gaz provenant de la dégasification du charbon et autre gaz de faible pouvoir calorifique Crude-oil, fuel-oil et autre liquide conventionnels du marché Kérosènes Produits non conventionnels comme naphta et essences Produits résiduels comme les bunkers Methanol La plupart des turbines de l’industrie pétrolière sont du type dual-fuel (diesel-oil et fuelgaz). Le gaz naturel de gisement et le méthane provenant du traitement des gaz associés des champs de brut ont des qualités souvent différentes avec beaucoup plus de liquide et impuretés diverses pour le second (idem pour les gaz de raffinerie). Le gaz naturel est très facilement disponible et une fois traité a de bonne propriétés en terme d’allumage et de stabilité de flamme. Son taux d’émission d’oxyde d’azote et de résidues de fumées est faible donc facile à contrôler. En général son contenu de métal lourd est faible donc l’usure des ailettes dans les parties chaudes par érosion et attaque chimique est minime. Les paramètres à controler sont : La température Maximum en terme de limite métallurgique des parties chaudes La température minimum en terme de « dew point » du gaz qui par effet de torche (2000°C) brûlerait les premiers étages des partie chaudes (distributeur d’entrée et première roue). Par précaution il faut maintenir la température de fuel-gaz 15 à 20°C au-dessus du point de rosée du composant le plus lourd à l’entrée de la chambre de combustion. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Eviter des oscillations du pouvoir calorifique de plus de 10% Avoir une pression d’entrée de fuel-gaz stable Limite d’inflammabilité 15°C à l’atmosphère (sinon produit trop instable) Pas de sodium ou potassium (métaux alcalins) qui attaquent les parties chaudes Pas de contaminants solides (fer, sable, hydrates etc ….) qui errodent les aubes et ailettes. Pas de contaminants liquides (essences, condensats) qui ont le même effet de torche que le point de rosée du fuel-gaz Un grade de filtration correct Remarques : Si on prend en compte les dommages majeurs sur turbine, 40% des machines sont gravement endommagées par effet de torche dû à la présence de condensats : entrée de condensats par des lignes de purges communes partiellement obstruées qui remontent dans les turbines lors d’arrêts de maintenance prolongée clapet de non retour sur circuit commun de purge qui ne fonctionne plus Erreur de branchement des circuits de purge condensats à la construction purgeur oublié isolé qui s’engorge de condensats qui sont aspirés lors d’un redémarrage après shut-down KO drums facilement engorgés lors d’une arrivée massive de liquide (entrainement de condensats par exemple) Utilisation d’un circuit de fuel-gaz de secours sans tenir compte du changement de la composition du gaz donc sans correction de température de sortie réchauffeur etc… 30% par rupture d’ailette par corps étranger

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4.5.4.2. Regulation du combustible fuel-gaz On trouve en aval du système de filtration (demister) une vanne multi-fonction (arrêt de sécurité et contrôle de pression) SRV (stop pressure regulating valve) et une vanne de contrôle de la puissance GCV (Gas control valve) commandées électriquement par le tableau de contrôle de la machine. Vanne SRV d’arrêt et de contrôle de pression Elle contrôle et maintient une pression différencielle constante entre la pression de sortie de l’air de compresseur turbine GG et la pression de fuel-gaz lue en amont de la GCV. Ceci permet une bonne condition d’allumage et une bonne combustion dans les phases transitoires. Elle est la vanne d’isolation lors d’arrêt manuel ou d’urgence Pour des raisons de sécurité une vanne de purge à l’atmosphère est installée entre les 2 vannes SRV et GCV. On évite ainsi dans les phases d’arrêt et de ralenti d’avoir du fuel gaz sous pression qui migre dans l’échappement et provoque des explosions intempestives (particulièrement en cas de co-génération) Dans la séquence de démarrage, la SRV n’est ouverte que lorsque le compresseur de la turbine a atteint 20% de sa vitesse normale. Ceci afin que le balayage de la chambre de combustion et de l’échappement soit proprement terminé. On ventile ainsi les éventuelles poches de gaz avant l’allumage de la torche. Vanne GCV de contrôle de charge Elle contrôle la quantité de gaz envoyée sur les brûleurs en fonction de la charge demandée. Sa position est régulée. La sélection des internes de la vanne (détermination du Cv) est faite selon l’analyse du fuel-gaz (poids moléculaire). Il faut avoir la proportionnalité entre position et Cv quelque soit la course de la vanne.

Figure 61: Régulation du combustible fuel-gaz Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Figure 62: Système de Fuel-gaz N.Pignone 4.5.4.3. Qualites du combustible liquide Dans l’industrie pétrolière, le combustible liquide est majoritairement du diesel-oil (light gas oil) qui sert au démarrage des turbines et aussi de back-up au fuel-gaz. Les principaux paramètres à surveiller pour un combustible liquide sont : Pression d’aspiration des pompes minimum pour éviter la cavitation Courbe de viscosité versus température pour toujours avoir la viscosité optimum sur le nez des brûleurs permettant une parfaite atomisation (pas ou peu d’imbrûlés) Contenu en eau Contenu des cendres Contenu des minéraux comme Sodium, Calcium, Potassium, Vanadium, Plomb, pour éviter la corrosion des parties chaudes

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Contenu en soufre qui génère du dioxyde Soufre SO2 et avec le Vanadium comme catalyseur du SO3 qui génère l’acide sulfurique (point de rosée 150°C) pouvant détériorer les systèmes récupérateurs d’énergie (co-génération) Si on utilise des combustibles lourds (résidus de crackage) ils devront être traités en ajoutant du magnésium qui neutralise l’effet du pentoxyde de vanadium sur les parties chaudes. Ce traitement doit être précédé d’un lavage et d’une centrifugation du produit pour réduire le contenu de sodium dans les limites prescrites et éviter ainsi les phénomènes de corrosion (sulfates et vanadates). De plus ce traitement réduit le contenu de calcium qui comme le sodium, se dépose sur les ailettes et contribue rapidement à diminuer les performances de la machine. 4.5.4.4. Regulation du combustible liquide On trouve un système de filtration (souvent duplex), une vanne d’arrêt de sécurité (emergency fuel stop valve) dont le fonctionnement a été décrit précédemment dans le paragraphe de lubrification 4.5.3.2 (Fig. 59). En aval de la vanne d’arrêt se trouve un débimètre de fuel qui tourne proportionnellement à la puissance et à la vitesse demandée. En général le fuel-oil est alimenté par une pompe à déplacement positif entrainée par un engrenage auxiliaire ou un moteur électrique à vitesse fixe. Dans le cas d’une puissance partielle, une partie du diesel oil est recyclée en passant au travers de la vanne de contrôle de charge dont la position est définie par un signal donné du panneau de contrôle. Ce signal électrique est utilisé par le panneau de contrôle après comparaison de la charge demandée par l’opérateur et le feed-back de la quantité de fuel passant par les brûleurs (detectée par le transmetteur de débit « delivery transmeter ») Le transmetteur de débit est en fait une pompe tachimétrique dont les engrenages distribuent de façon égale le fuel dans la couronne de brûleurs et de manière proportionnelle à la charge. La vitesse de cette pompe est en fait mesurée et le signal envoyé au tableau de contrôle. En augmentant ou diminuant le fuel délivré, on augmente ou diminue les vitesses de la pompe et le signal de feed back transmis au tableau de contrôle suit la variation. Quand les signaux correspondants au feed-back et à la charge demandée sont égaux, le sytème se stabilise autour de la valeur fixe du fuël délivré qui est le bon pour la charge demandée. Un déplacement égal de chaque pompe permet de répartir également la charge dans tous les brûleurs. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Entre la pompe et les brûleurs il y a un filtre performant. L’air comburant provient du compresseur axial de la turbine et d’un compresseur d’air booster (CA) attelé ou entrainé par moteur électrique. En phase de démarrage un compresseur additionnel est en marche permettant de suppléer à l’air de la turbine insuffisant. Un réfrigérant réfrigère l’air turbine.

Figure 63: Compression d’air de combustion pour brûleurs fuel-oil Remarque : Dans un système dual-fuel, lors du passage au gas les tuyauteries de liquide sont purgées entre GCV et nez de brûleur pour éviter les bouchons de coke. Atomiseurs Ils sont conçus favoriser la fragmentation maximum du combustible. Le mélange avec l’air se fait en tournoyant en sens inverse. Ceci favorise l’allumage et réduit les imbrûlés. 4.5.4.5. Regulation combustible dual fuel La configuration la plus fréquente est fuel-gas et diesel-oil. La turbine peut démarrer sur un des fluides et passer sur l’autre après que la phase de démarrage soit terminée. Egalement lorsque la pression de fuel-gaz n’est plus suffisante, le système passe automatiquement en liquide. L’opérateur remet le fuel gaz après s’être assuré de la stabilité de son approvisionnement.

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Les changements de combustible se font de manière à ce que le total des énergies brûlées (combustible en diminution et combustible en augmentation) soient toujours égales (+/-10%) pendant le transfert.

Figure 64: Régulation combustible dual fuel 4.5.4.6. Systemes de gaz combustible multiples De la même manière on peut utiliser différents gaz comme combustible. Dans ce cas particulier, des systèmes de contrôle différents seront nécessaires (programme et Cv de vannes) si le coefficient de Wobbe de chacun a plus de 50% de différence. WI = HV / √ Tg * Sg WI: Indice de Wobbe HV: Pouvoir calorifique supérieur du Fuel-gaz Tg: Température absolue de Fuel gaz Sg: Densité Shilling

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4.5.5. Systeme de refrigeration et d’etancheite Chaque constructeur a ses propres solutions et développements technologiques. L’air d’étanchéïté est nécessaire pour éviter les fuites d’huile des labyrinthes d’étanchéïté de palier vers les parties très chaudes.

Figure 65: Diagramme simplifié d’air de réfrigération et d’étanchéïté N.Pignone L’air prélevé sur un ou plusieurs étages du compresseur sert à : La réfrigération : o des parties chaudes des premiers étages (ailettes des turbines et aubages de distribiteur) o des structures turbine et des échappements L’étanchéïté d’huile des paliers Eviter le pompage du compresseur d’air Remarques : Le retour d’air vicié des labyrinthes des paliers d’huile est récupéré dans un sytème de récupération de vapeur d’huile (des différents circuits) s’il existe

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Les prélèvements d’air du compresseur sont calculés très précisement pour optimiser les performances de la machine.

Figure 66: Schéma d’air d’étanchéïté de palier et extracteur de vapeurs d’huile N.Pignone

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4.6. LES BÂTIS DE TURBO-MACHINES Il sert à supporter les éléments suivants : Réservoir d’huile Pompes auxiaires diverses selon la configuration Système de démarrage Sytème de contrôle de combustible et d’arrêt Filtres d’huile et de combustible Réfrigérants à eau dans les réservoirs d’huile Pompes à huile de stand-by et de sauvegarde Panneau d’instrumentation Boîtes de connection De plus le bâti comprend les éléments permettant les opérations suivantes : Points de remplissage d’huile réservoir Points de drainage pour remplacement d’huile Passerelles de maintenance et opérations Points d’accrochage/supportage pour manutention des bâtis Points d’ancrage et de centrage pour installation des bâtis La structure du bâti est faite de poutrelles longitudinales et transversales en acier carbone.

Figure 67: Structure de bâtis N.Pignone Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Ci-dessous des exemples de configuration:

Figure 68: Exemple d’un bâtis auxiliaire, séparé du batis de la turbine

Figure 69: Exemple de bâtis séparé pour la turbine et la section de l'échappement

Figure 70: Exemple de bâtis pour turbine seule

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4.7. LES SYSTEMES DE DEMARRAGE Principe de base Ce système est nécessaire pour entrainer le compresseur à la vitesse minimum qui délivre la quantité d’air suffisante pour démarrer la combustion qui permettra l’accèlération de la turbine son auto alimentation. Le système de démarrage est différent selon les machines entrainées (design, poids etc …). On trouve souvent sur des petites machines des moteurs hydrauliques ou électriques. Sur des petits turboalternateurs « single shaft », l’alternateur peu servir de moteur au démarrage. Sur des machines lourdes et puissantes, on installe des moteur diesels ou des turbines de démarrage (à gaz ou à vapeur selon la disponibilité de l’usine). Figure 71: Courbe des couples résistant et moteur vs vitesse GG en phase de démarrage N.Pignone a, a’ : démarrage b, c : point immédiatement avant l’allumage (a-b circuits d’huile stable, c-d balayage) d, e : point immédiatement après l’allumage (changement de régime du démarreur) f : couple résistant Maximum après l’allumage (e-f stabilisation d’air terminée GG) g : couple résistant nul (auto-suffisance) h : Arrêt du démarreur Au début le couple résistant est maximum car la résistance dans les paliers est grande le temps de l’établissement des films d’huile. Il passe par un minimum jusqu’à ce que le balayage de la chambre de combustion commence. Avec le débit d’air du GG qui augmente la résistance remonte (de a à b).

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Au point b on stabilise la vitesse GG le temps du balayage. La vitesse du moteur de démarrage est constante (b,c) Il faut accélèrer en changeant la couple du démarreur (c,d) pour compenser le couple résistant qui augmente. Au point c le balayage est considéré suffisant, le combustible est admis et l’allumeur est en marche. L’allumage du combustible aide le démarreur à vaincre le couple résistant qui chute (b,e). Ensuite pendant l’accélération, il remonte le temps que le débit air du GG soit stable (f) puis rediminue. Figure 72: Courbe caractéristique Couple vs RPM du GG (N.Pignone) A partir du point (g) la turbine fournit assez d’air pour s’auto alimenter et pour vaincre ainsi ses propres pertes de charge et celles de ses équipements auxiliaires. Le démarreur est donc stoppé (h). Le point d’auto-suffisance varie d’une machine à une autre. Il est à environ (50 à 60% de la vitesse normale du GG). Les démarreurs par moteurs diesel avec les contrôleurs (régulateurs) existants, ne peuvent suivre exactement la courbe fig.55. On interpose un variateur de couple hydraulique (fig.54) dont on peut contrôler le fonctionnement en modulant l’entrée d’huile qui modifie son rendement donc sa vitesse de sortie. N1 : vitesse du moteur diesel / N2 : vitesse du GG

Figure 73: Convertisseur de couple N.Pignone Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Le système de contrôle hydraulique agit sur un ensemble de vannes d’entrée d’huile et de purge d’huile qui modulent la vitesse de sortie. A partir du signal du senseur de vitesse du générateur de gaz (GG), depuis le tableau de contrôle (séquence de démarrage) on commande la vitesse voulue pendant de balayage, puis la séquence d’accélération au moment de l’allumage. Figure 74: Système de démarrage par moteur diesel

Figure 75: Démarreur avec engrenage épicyclique N.Pignone

Figure 76: Démarreur par moteur hydraulique N.Pignone

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4.8. LES REDUCTEURS ET ACCOUPLEMENTS 4.8.1. Les reducteurs auxiliaires Les boites auxiliaires à engrenages sont utilisées pour entrainer les auxiliaires (pompes à huile, pompes à combustible etc …). Elles peuvent être plusieurs comme sur certaines turbines aérodérivatives (scavenge pumps). Les turbines industrielles n’ont souvent qu’une seule boite auxiliaire avec plusieurs arbres de sortie permettant d’entrainer les diverses pompes et l’arbre d’entrée du démareur.

Figure 77: Schéma d’un réducteur auxiliaire Les auxiliares à entrainer peuvent être : Pompe à huile principale de lubrification Pompe à huile hydraulique Pompe à combustible Pompe à huile d’étanchéïte (cas de compresseur de gaz entrainé) Compresseur d’air d’atomization Générateur auxiliaire

Figure 78: Réducteur auxiliaire

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Figure 79: Réducteur auxiliaire

4.8.2. Les reducteurs de puissance Ils servent à entrainer les machines. Ils adaptent la vitesse de sortie turbine à celle de la machine (générateur, compresseur, pompe etc…). Les turbines de grande puissance (>40-70MW) peuvent tourner à des vitesses correspondant à celles des générateurs. Pour les plus petites puissance, les turbines tournent trop vite (5000-10000 RPM) et nécéssitent un réducteur de vitesse pour tourner moins vite (3000-3600 ou 1500-1800 RPM correspondant à 50-60 Hz). Figure 80: Schéma d’un réducteur en marche Les réducteurs sont calculés et construits pour résister aux contraintes mécaniques maximales liées au fonctionnement électrique (couplage, retour de courant et court circuit). Le réducteur est construit avec des arbres creux (quill shafts) qui permettent d’installer des diamètres d’arbre correspondant aux contraintes maximum calculées. Ils servent de fusible de rupture en cas de surcharge mécanique. L’huile de lubrification des turbines et du générateur est la même pour les machines industrielles. Dans le cas des aéro-dérivatives, l’huile des réducteurs est celle de l’alternateur (circuits d’huile séparés).

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Pour des re-injection de gaz, il faut quelquefois augmenter la vitesse de turbine pour entrainer le compresseur. De la même manière que pour les générateurs, dans la cas de turbine aéro-dérivative, l’huile du multiplicateur sera la même que celle de la turbine de puissance. Figure 81: Réducteur de vitesse de générateur

Les paliers doivent être protégés des températures hautes (TSH / TSHH) et vibrations (XH / XHH). Les carters de réducteur sont soit en fonte moulée soit en acier soudé. Dans ce dernier cas l’espace entre paliers support est réduit au minimum Les engrenages sont de 4 types : Engrenage hélicoïdal simple (1), à butées (qui absorbent la pousée latérale) Engrenage hélicoïdal simple (2) à collier (qui absorbe une faible pousée latérale) Engrenage (3) à chevron (autoéquilibré permet de fortes puissances pour le même débit d’huile qu’avec simple hélicoïde) Engrenage épicycloïdal (permet grand ratio de vitesse, de puissance, pour un très faible encombrement)

Figure 82: Multiplicateur de vitesse pour compresseur

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Figure 83: Schéma des différents types d’engrenages

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4.8.3. Les accouplements Ils sont de 2 types: Accouplements à denture lubrifiés (crowned tooth gear coupling) Accouplements secs à diaphragme élastique Accouplements à denture lubrifiés Ils sont les plus anciens et continuent à être très utilisés. Le fonctionnement correct de ces accouplements dépend de plusieurs facteurs comme un alignement correct à pleine charge, une bonne filtration (car des dêpots se forment par centrifugation), une précision de fabrication et une bonne qualité des matériaux. Les effets à chaque demi-tour d’un défaut d’alignement sont représentés. Figure 84: Schéma d’un accouplement à denture

On comprend que le frottement use les dents et que une huile mak filtrée a un effet abrasif qui accélère l’usure. Figure 85: Effet d’un mauvais alignement sur un accouplement cannelé La dimension des dents est déterminée par le constructeur après avoir calculé la force axiale maximum. FMax = f * CMax / D f=

Coefficient de friction sur les dents

CMax = Couple Maximum transmis D=

Diamètre primitif de la denture

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Nota : Quand les machines bougent entre position froid et position régime stabilisé, le mouvement est obligatoire et débattement angulaire permis peut être supérieur à celui des accouplements à membranes toutefois la particularité des dentures est que même avec un très bon alignement en marche, l’accouplement devient raide en déplacement axial et est alors source de poussée axiale importante sur la (les) butée(s). Accouplements secs à diaphragme élastique Ils ont l’avantage de simplifier l’installation car ils ne nécessitent pas d’huile de refroidissement. Ci-dessous exemples à simple disque et à disques multiples

Figure 86: Schéma d’un accouplement à simple disque

Figure 87: Schéma d’un accouplement à disques multiples On supprime l’usure par friction au détriment d’une légère poussée axiale absorbée par la flexibilité des disques. Ce type de coupling supporte un légèr désalignement sans problème. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Types d’effort / stress subis par ce type d’accouplement flexible : Axial (Sa) pendant les changements de régime (∆ température) Torsional (τ) selon le couple transmis Centrifuge (Sc) par rotation Thermique (St) par la chaleur transmise par l’arbre Alternatif par désalignement angulaire (Sα) et radial (Sr) Figure 88: Photo d’un accouplement à disques multiples

Le calcul du diaphragme consiste à déterminer pour plusieurs désalignements : Le coefficient de sécurité (Sm) : Sm = Sa + Sc + St / 2 + √ {[ Sa + Sc + St / 2 ]2 + τ2

}

Le stress axial (Sa) : (Sa) = (Sα) + (Sr) On regarde ensuite sur la table de Goodman la valeur du coefficient de sécurité à utiliser. Selon l’ambiance corrosive on utilise de l’inoxydable serie 300 ou un alliage nickel IN718.

Figure 89: Calcul du diaphragme

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4.9. CABLES ET BOITIERS ELECTRIQUES C’est tout le système permettant de connecter la turbine et les auxiliaires. Il comprend les cables, conduits, gouttières et boites de connection de: Toute l’instrumentation (F&G protection, senseurs, système FF etc …) Toute l’électricité (éclairage et puissance) Il est conforme aux normes de sécurité en vigueur dans l’usine. Matériel soumis à température ambiante

Figure 90: Matériel électrique et instruments soumis à température ambiante Les matériaux sont choisis pour résister à la temperature ambiante et si possible l’emplacement le plus favorable est choisi pour les senseurs (air de ventilation) Matériel soumis à vibrations Toutes les attaches de conduits ou goulottes doivent être freinés pour éviter qu’ils ne se détachent en marche. Figure 91: Système d’attache de conduits par boulons auto blocants

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Installation de senseurs internes à la machine C’est le cas du pressostat de mesure de pression du compresseur GG, du thermomètre de température d’huile etc… Un presse-étoupe spécial permet la compression d’un joint plastique (B) qui serre les cable (E) dans les orifices de passage (D) et isole le fluide interne de l’extérieur grâce au serrage du joint entre l’écrou (A) et la lanterne (C) Figure 92: Presse-étoupe électrique De plus en condition explosionproof (Eex)e les cables dans les conduits sont étanchés par une résine homologuée à chaque passage de boitiers. Connections électriques Elles suivent les standards internationaux choisis relatifs à la certification demandée. Les câbles et les boites de jonctions sont numérotées en accord avec la specification de la construction et pré-commissioning voir Fig 72). Les boites de jonction sont groupées logiquement autour de la turbine et différenciées par signaux instrumentation, alimentation electrique de puissance A.C., D.C., éclairage etc….

Figure 93: Exemple de numération de cables instruments Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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4.10. ENVELOPPES DE CONFINEMENT (« ENCLOSURE ») ET SYSTEMES AUXILIAIRES ASSOCIES 4.10.1. Generalites Les salles des machines servent à : Se protéger des agressions exterieures (intempéries, air ambient pollué etc …) Réduire le bruit ambiant extérieur Confiner les risques incendie

4.10.2. Types d’enveloppe de confinement On trouve 3 confinements différents: Enceinte machine fixée sur le bâti (compacte donc très répandue en off-shore) Enveloppe anti-bruit fixée sur le sol Hangar Dans chaque cas, des dispositifs sont prévus pour permettre la maintenance complète de la machine.

Figure 94: Exemple d’enceinte machine fixée sur le bâti

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Figure 95: Exemple d’enveloppe anti-bruit fixée au sol

Figure 96: Exemple d’enveloppe anti-bruit fixée au sol avec enceinte machine sur bâti

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Figure 97: Exemple de hangar (arrangement 1)

Figure 98: Exemple de hangar (arrangement 2) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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4.10.3. Auxiliaires d’enceinte de confinement On y trouve: Système électrique (voir paragraphe 4.9) Système de ventilation Système éclairage Système de lutte incendie Sytème de détection incendie Système de réchauffage Système de ventilation Sa fonction consiste à maintenir une température convenable pour le matériel et personnel, avant le démarrage et pendant l’opération. Pour cela, l’enceinte peut-être pressurisée (cas d’installation en extérieur) ou sous vide en cas d’installation sous hangar d’une turbine fuel-gaz (car l’évacuation de ventilation pressurisée sous hangar induit une zône à risque donc une zône classifiée).

Figure 99: Exemple d’enceinte pressurisée Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Pour se protéger des nuisances externes, la quantité d’air nécessaire est prise en aval du filtre turbine et distribué dans plusieurs bouches d’aération calibrées spécifiquement situées sur les endroits à réfrigérer. Les ouvertures d’évacuation et leurs conduits sont designés anti-bruit.

Figure 100: Exemple d’enceinte dépressurisée Système d’éclairage Un système d’éclairage normal et secouru est installé au droit des points à inspecter. Lutte incendie et detection de feu L’installation suit la norme demandée (NFPA, etc…) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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En général l’extinction se fait à partir de bouteilles de CO2 (basse pression de capacité 200%) disposées dans un local tempéré dans des contrées chaudes, pour éviter des surpressions La décharge des bouteilles est commandée par thermostat ou cellule photo-électrique qui détecte une température haute. La décharge initiale ouvre une partie des bouteilles et produit une grande concentration de CO2 dans le compartiment. Dans le même temps les volets d’entrée et sortie des ouvertures du compartiment sont fermées par leur propres vérins grâce au même signal qui a déclenché les bouteilles. Pour compenser les fuites par les volets et maintenir la pression de CO2 une décharge graduelle de la deuxième partie des bouteilles est réalisée automatiquement. La détection de feu consiste à des détections de gaz qui donnent une alarme et arrêtent la machine. C’est souvent un système sélectif (voting systeme) Système de réchauffage Il est nécessaire dans les zônes froides. Il évite trop de condensation lors d’arrêts prolongés. Ce sont des résistances chauffantes de caisses à huile et les réchauffeurs d’ambiance dans les enceintes de confinement

4.11. REFRIGERATION D’HUILE L’huile est réchauffée par frottement au contact des paliers et par conduction au contact des parties chaudes. Il faut donc constamment la refroidir. Le procédé est le suivant : Réfrigération huile-eau en circuit ouvert Réfrigération eau-air en circuit fermé Réfrigération huile-air Réfrigération huile-eau en circuit ouvert Le réfrigérant est positionné dans le tank d’huile ou à l’extérieur. L’eau de réfrigération provient de l’extérieur de l’usine (rivière, mer etc…). La pompe à huile P débite à contre courant de l’eau. La température de l’huile est régulée par la vanne 3 voies (VTR) du circuit d’eau à partir du senseur installé sur la sortie d’huile du réfrigérant.

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En circuit ouvert, l’eau est rejetée dans le milieu ambiant (elle est raremant réfrigérée dans une tour de condensation avant d’être rejetée).

Figure 101: Réfrigération huile-eau en circuit ouvert Réfrigération eau-air en circuit fermé Ce dispositif est très utilisé en zône tempérée et froide. La régulation est identique à la précédente. Il permet de maintenir constant la température d’eau de réfrigération. Lors de froid il faut maintenir l’eau hors gel par additif chimique (glycol) ou par réchauffage. Dans ce cas il est conseillé d’installer des alarmes.

Figure 102: Réfrigération huile-eau en circuit fermé Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Réfrigération huile-air Un aéro-réfrigérant d’huile est utilisé comme point froid. La régulation est au travers d’une vanne 3 voies comme précédemment.

Figure 103: Réfrigération huile-air

4.12. SYSTEME DE CONTROLE, REGULATION ET PROTECTION Chaque constructeur dispose d’un système centralisé local (control panel) pour assurer le contrôle, la régulation et la protection de ses machines (SPEEDTRONIC pour N.Pignone/GE, ALLEN BRADLEY pour SOLAR/Caterpillar etc…). Ce système est programmé pour assurer les multiples fonctions qui sont nécessaires à toutes les opérations de la machine. Pour mener à bien ces fonctions, le système gère une série de paramètres sous forme de signaux entrées/sorties. Ce sont les signaux des transmetteurs de turbine ou machine extérieure (transmetteurs de pression, températures, position de vannes, détection incendie etc…) qui transitent aux travers de boites de jonctions de la turbine et autres boitiers interfaces d’entrée/sortie du système. On y trouve également les signaux de contrôle et protection venant de l’usine. D’un point de vue opérationnel, le panneau de contrôle est séparé en sous-systèmes: Système de contrôle et séquences Système de protection Dans ces sytèmes les fonctionnalités suivantes sont assurées : Contrôle du débit de combustible, des opérations des auxiliaires pendant les phases de démarrage et arrêt de machine et pendant les arrêt d’urgence et les séquence de refroidissement de turbine. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Synchronisation et couplage des alternateurs Contrôle du combustible et des gaz d’échappement pendant l’opération Commande des mesures protectrices en cas de défaut Enregistrement de tous les paramètres de fonctionnement de turbine et auxiliaires avec archivage d’historique. La figure montre le diagramme fonctionnel du système Speedtronic.

Figure 104: Diagramme fonctionnel du système de contrôle (Speedtronic) On peut y voir que le panneau de contrôle local, échange des informations avec l’usine et la salle de contrôle à partir de laquelle des ordres de « marche, arrêt, stop, arrêt d’urgence » etc…peuvent être envoyés à la turbo-machine. Le contrôle du débit de combustible se fait au moyen de signaux traités par le panneau de contrôle local, en fonction de la charge demandée (ou de la vitesse en considèration du type de régulation demandée soit alternateur en réseau ou seul / Droop ou Iso etc…) Le signal est envoyé au servo-moteur de la vanne combustible comme décrit au paragraphe 5.5.4. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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4.13. SYSTEME DE CONTROLE ET SEQUENCES Un diagramme typique du contrôle de combustible fuel-gaz est donné dans la figure suivante :

Figure 105: Diagramme de contrôle du combustible La demande est entrée par l’opérateur (increase/decrease) ou par le contrôle du réseau en automatique (main load). On y voit : La séquence de démarrage Le contrôle de vitesse avant que l’alternateur ne soit connecté au réseau ou de charge après son couplage. Le contrôle de la température d’échappement (qui est une butée de charge si on atteint la température Max authorisé) Les circuits secondaires comme le contrôle des émissions de fumées ont été supprimés du diagramme pour simplifier ce cours.

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Contrôleur de séquence de démarrage Il contrôle la quantité de combustible durant les phases du démarrage à partir de l’ordre de démarrage, jusqu’à la synchronization à charge zéro. La quantité de combustible varie en fonction de l’état d’avancement de la séquence selon la courbe représentée. Quand le temps est arrivé pour avoir le système de démarrage prêt pour une opération (exemple moteur diesel de démarrage en réchauffage) accélérer la moteur de lancement jusqu’à la bonne vitesse, avoir le balayage de la chambre de combustion terminé, la vanne de contrôle de combustible doit être en position pour délivrer la bonne quantité de fuel nécessaire à l’allumage (contrôle de la course). Après la stabilisation de la flamme, le combustible doit être réduit un moment pour maitriser réchauffer lentement les parties chaudes de la turbine et éviter les chocs termiques. Quand le temps de réchauffage turbine est fini, l’accélération peut se faire avec un certain gradient d’augmentation de température jusqu’à la vitesse GG de 100% (sans charge). A ce point la séquence est terminée et le turbo-générateur est prêt à être couplé après synchronization. Le contrôleur de séquence de démarrage a en mémoire toutes les séquences élémentaires et les temps de début et fin de chacune d’entre elles.

Figure 106: Séquence de démarrage d’un turbo-générateur

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Contrôleur de vitesse (charge) Ce système rentre en service à la fin de la séquence précédente de démarrage quand l’alternateur est couplé au réseau. Le couplage de alternateurs a été vu dans le cours électrique. En général sur une usine de plusieurs alternateurs couplés, un seul a sa régulation en position « Isochrone » (régulation de vitesse donc de fréquence du réseau) et les autres sont en « Droop » (régulation de charge). Une seule machine sur le réseau est en ISO, mais les autres machines sont en Droop. La turbo-machine qui entre sur un réseau existant est en Droop et lorsque l’opérateur augmente la charge, le controleur de fuel va ouvrir davantage la vanne de combustible sur cette machine, et le contrôleur de la machine en Iso va diminuer son combustible pour réguler la fréquence du réseau. Controleur de température à l’échappement (limiteur) Ce système limite les contraintes thermiques des parties les plus chaudes (premiers étages de roue et distributeurs) pour préserver leur durée de vie. Le système est toujours actif. Il consiste en une mesure de température d’échappement par plusieurs capteurs (en quantité suffisante pour augmenter la fiabilité car ils sont fragiles). Cette valeur est comparée à tout instant à la limite de référence qui dépend du ratio de compression du GG et de la température ambiante (voir calcul ISO paragraphe 5.5).

Figure 107: Limitations opératoires du débit de combustible La figure est la représentation thermodynamique Entropie versus température, dans les cas limites opératoires avec des températures ambiantes au Maximum et minimum de leur valeurs contractuelles. Dans ces conditions la limitation est représentée essentiellement par la température TLIMISO à ne pas dépasser pour avoir une durée de vie normale des parties chaudes.

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Quand la température ambiante chute de TISO à Tmin le taux de compression du GG augmente puisque la masse volumique de l’air augmente. Le cycle thermodynamique devient celui en pointillé. De manière à ne pas dépasser la limite de température ISO (TLIMISO) la valeur limite de température d’échappement doit être changée de TLIM2 à TLIM3 Le sytème de contrôle de débit de combustible, recalcule les nouvelles valeurs de limitation en température et quantité de combustible admissible dans ces conditions en utilisant les algorithmes thermodynamiques entrés dans le programme du controleur. Le même raisonnement est valide pour la limite supérieure de température plus grande que TISO raison pour laquelle la valeur de température échappement monte à TLIM4 Le cycle thermodynamique devient celui en ligne fine. De manière à à ne pas dépasser la limite de température ISO (TLIMISO) la valeur limite de température d’échappement doit être changée de TLIM2 à TLIM4 Quand la température ambiante chute de TISO à Tmin le taux de compression du GG augmente et la pression d’entrée de la turbine augmente. Si on ne corrige pas la température tolérée à l’échappement, la conséquence est avec un taux de détente plus fort et une même température de fin de détente, la température de début de détente sera plus forte. Hors le but de la régulation du contrôle de température d’échappement est bien de celui de contrôler la température du début de détente pour protéger la turbine. Il faut donc corriger la température d’échappement régulée pour stabiliser la température de début de détente lorsque la boucle de température d’échappement est celle de contrôle de la machine. C’est toujours le cas sur un turbo-alternateur par exemple, la consigne de charge est la « base load » ou « peak load » couplé au réseau. Donc quand la tempéreature ambiante baisse, la consigne de température d’échappement baisse également et elle peut monter en cas d’augmentation de température ambiante avec une limite maxi. C’est la mesure de P2 (prérefoulement du compresseur) qui permet de faire cette correction. Ce qui a été dit ci-dessus est valide pour les températures entre TMAX et Tmin Si on se trouve dans ces limites températures ambiantes et que l’opérateur veut augmenter la charge, la machine ne réagira pas. On a atteint la perforrmance maximum que peut donner la machine dans ces conditions ambiantes. On dit qu’on « est en contrôle de température d’échappement (T5) ». La philosophie de contrôle ci-dessus s’applique à tous les autres paramètres de contrôles (vitesse, accélèration, etc…) et est basé sur le principe que la commande la plus conservative (en terme de limitation par sécurité) est prioritaire dans le contrôle de la vanne de combustible. Ceci est valide dans la logique MINIMUM de la fig.104. Par exemple dans la séquence de démarrage après l’allumage, si le système ne réussit pas à délivrer 100% de sa puissance (cas d’une panne), l’accélèration sera plus basse que prévu sur la courbe de référence, il y aura une demande supérieure du combustible pour compenser. Le débit d’air sera diminué et le combustible augmenté. On risque d’avoir une température d’échappement Maximum. Dans ce cas, la limitation de température Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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échappement est prioritaire et régule à la fermeture la vanne combustible jusqu’à ce que la température devienne normale. En général les valeurs références de températures sont enregistrées sous forme de courbes dans la logique du contrôleur local où l’on trouve : La courbe de contrôle La courbe d’alarme La courbe de verrouillage (block curve/shut-down) Bien sûr ces valeurs sont supérieures dans le cas de marche en charge de pointe (« peak load ») qu’en charge normale (« base load service »)

4.14. SYSTEME DE PROTECTION Ce système intégré dans le panneau local de contrôle protège la turbine de : Températures hautes Vibrations hautes Survitesse Défaut de flamme Pression anormales d’huile de lubrification, de contrôle et hydraulique Pression anormale d’alimentation et d’injection du combustible Protection pour les fonctions liées à la machine entrainée Ces systèmes sont basés sur la redondance (duplication ou triplication) des circuits pour fiabiliser la machine. Il existe un monitoring en ligne d l’instrumentation. Si un de deux instruments (ou deux de trois) est en défaut, on n’arrête pas la machine. Ceci augmente la disponibilité de l’équipement. L’opérateur peut choisir le moment de l’arrêt pour réparation de l’instrumentation. Le système reconnaît les vraies pannes et fait le shut-down. Ce type de contrôle est réalisé pour le Speedtronic par un programme appelé SIFT (Sofware Implemented Fault Tolerance)

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4.15. CONFIGURATION DU SYSTEME DE CONTROLE ET PROTECTION

Figure 108: Configuration du système de contrôle et protection Les caractéristiques de ce système sont : Microprocesseurs 16bits avec multiples redondances Pour tous les paramètres critiques de contrôle ou de sécurité, les senseurs sont reliés à la logique 2/3 « dual voting » Protection contre les défauts du système et propagation d’erreurs par le programme SIFT qui augmente la fiabilité et disponibilité de la machine en analysant les données acquises par les processeurs des systèmes de contrôle et de protection. Mémoire historique des principales données opératoires. L’interface homme-machine (HMI) consiste à un écran et un clavier qui fournissent toutes les informations concernant les données opératoires en cours. Une imprimante permet de transcrire les données archivées. Les commandes sont entrées par l’opérateur au moyen de la souris ou autre moyen (écran tactile). Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Les données de communication entre l’interface opérateur et le contrôleur sont transmises via un processeur d’interface I, connecté au processeur central C, qui à son tour est connecté aux 3 processeurs redondants identiques R, S, et T. La table suivante montre l’arrangement redondant des senseurs de paramètres critiques des systèmes de contrôle et protection.

Figure 109: Senseurs redondants Quelques senseurs sont connectés individuellement sur un des 3 processeurs. D’autres par exemple les thermo-couples de l’échappement sont partagés par les 3 processeurs. De cette manière les processeurs échangent les mêmes données et calculent individuellement la valeur relative de la température d’échappement. Chaque processeur traite les données acquises ; les valeurs des données passent par le programme SIFT. La valeur finale va sur le programme d’algorithme des contrôleurs de contrôle et de séquence qui à leur tour produisent les actions requises (commande des actuateurs de combustible ou des IGV’s, etc…) On peut expliquer cette chaine de transfert de données en observant le diagramme de l’asservissement en position de la servo-vanne de contrôle de combustible La position de la servo-vanne est contôlée par 3 processeurs (R, S, T) et par le feed-back de position venant de 2 transformateurs variables (LVDT). Chaque processeur compare les 2 signaux de feed-back et choisissent le plus haut (l’autre est considéré défficient). Ce Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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signal de position est comparé sur un sommateur au signal du sortie du processeur. La différence (signal d’erreur) transite via une fonction de transfert vers un convertisseur digital/analogique puis un amplificateur de courant qui alimente une des 3 bobines d’entrainement de l’asservissement. Chaque convertisseur alimente sa bobine et la vanne se déplace dans le sens demandé. En cas de panne d’un processeur les 2 autres restant en service augmentent leur débit en courant pour compenser la perte de leur voisin.

Figure 110: diagramme d’asservissement en position de la servo-vanne de contrôle de combustible Le processeur C réalise les tâches suivantes : Collecte les données de monitoring et les affiche grâce à l’interface I Contrôle la mémoire tampon (buffer) d’alarmes Génère les données de diagnostic Collecte les données des processeurs R, S, T les valide (prend part au contrôle par voting) et signale la présence d’anomalies s’il y en a, les affiche par l’interface machine-homme I pour permettre à l’opérateur de décider s’il doit prendre action de maintenance ou reparation. Par souci de contrôle des logiques « protection machine » (survitesse, flamme, synchronization) , cette configuration est fournie avec un module P séparé tri-redondant (modules X, Y et Z) qui reçoivent les signaux de senseurs dédiés comme expliqué en début de paragraphe. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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La validation des instruments (voting) est faite par la carte de déclenchement (trip) associée à ce module ; cette carte contrôle le système de vérouillage (shut-down) qui active la vanne solenoïde 20HD qui appartient au circuit d’huile contrôle hydraulique (section drainage). En option une interface pour DCS peut-être installée pour échanger des données et des fonctions (contrôle ou alarmes) de l’usine.

Figure 111: function disponible pour l’interface opérateur et DCS Fonctions disponibles pour l’opérateur Il dispose d’un écran VGA couleur (CTR), d’un clavier et d’une imprimante. Les fonctions accessibles sont les mêmes que celles de l’interface DCS (voir figure 77)

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5. PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT DES TURBINES 5.1. CYCLE DE BRAYTON Il est nécessaire de le connaître pour expliquer le fonctionnement des turbines et l’influence des paramètres de fonctionnement. Le cycle est montré à la figure 11 du châpitre 4. Ses courbes représentatives (Pression vs Volumes et Enthalpie vs Températures) sont montrées ci-après. Définition des abréviations: W

Puissance utile sur l’arbre de la machine entrainée

Wc

Travail spécifique de compression du point 1 au point 2 en KgJ/Kgair asp

WT

Travail spécifique de détente du point 3 au point 4 en KgJ/Kggaz

Q1

Chaleur donnée par la chambre de combustion du point 2 au point 3 en KgJ/Kggas

Q2

Chaleur perdue à l’échappement du point 2 au point 3 en KgJ/Kggas

Cpm

Chaleur spécifique à pression constante (moyenne des valeurs entre les températures extrèmes des points de fonctionnement considérés)

HR

Consommation spécifique (KJ/KWh) inverse du rendement thermodynamique (η)

Ggas

Débit massique du gaz chaud délivré à l’entrée de la turbine GG

Garia Débit massique de l’air délivré à l’entrée du compresseur d’air η

Rendement thermodynamique (KWh/KJ)

Définition des températures de sortie de la chambre de combustion : Ce critère est important car c’est celui qui fixe le maximum d’énergie que peut consommer la machine (donc sa puissance). TA température d’entrée dans la turbine (moyenne des températures plan A) TB température de combustion / « firing temperature » (moyenne plan B) TC température de combustion ISO / « ISO firing temperature » (moyenne plan C)

Figure 112: Températures sortie chambre de combustion Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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TC est calculé selon la procédure ISO 2314 (balance thermique fonction des débits d’air et combustible) TA est la moyenne des températures mesurées en sortie de chambre de combustion TB est la moyenne des températures mesurées à l’entrée de la première roue. C’est le point 3 du cycle de Brayton. Cycle de Brayton Du point 1 au point 2 : travail de compression de l’air correspondant à 1 Kg d’air (KJ / Kg) Wc = Cpm(T1-T2) * (T2 -T1 ) Du point 3 au point 4 : travail d’expansion des fumées correspondant à 1 Kg de fumée (KJ/Kg) WT = Cpm(T3-T4) * (T4 -T3 ) Du point 2 au point 3 : chaleur apportée dans la chambre de combustion Q1 = Cpm(T2-T3) * (T3 -T2 ) Du point 4 au point 1 : chaleur perdue à l’échappement Q2 = Cpm(T4-T1) * (T4 -T1 ) Quand Q1 , Q2 , W1 , et W2 sont connus on peut calculer les paramètres significatifs suivants : -

η : rendement thermodynamique = (Q1 - Q2) / Q1 W : travail disponible sur la ligne d’arbre = Ggaz * WT - Gair * Wc

On observe que le rendement thermodynamique (η) augmente si Q2 diminue c'est-à-dire si on dissipe moins de calories à l’atmosphère.

Figure 113: Cycle de Brayton Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Effets des rendement thermodynamique et taux de compression sur la puissance disponible Le cycle de Brayton (P, V et S, T) permet de voir l’influence des pressions, températures, chaleurs spécifiques, exposants polytropiques etc …mais d’autres courbes avec d’autres paramètres sont intéressants à connaître : Température de combustion T3 Taux de compression du compresseur d’air Rendement thermodynamique Puissance spécifique (inverse de la consommation spécifique) Ils sont représentés à la figure et on y voit : Pour une même température de combustion T3 : le rendement maximum est atteint en augmentant le taux de compression le rendement maximum ne correspond pas à la puissance spécifique maximum Plus on augmente la température de combustion T3 en même temps le taux de compression, plus on dispose de puissance sur la ligne d’arbre. Mais le rendement ne s’améliore pas forcement sur les turbines sans récupération d’énergie à l’échappement car les pertes par frottement d’air à aspiration et celles de l’échappement augmentent. La valeur de T3 est limitée par la technologie des ailettes (environ 1300°C). A taux de compression constant, puissance spécifique constante et température constante T3, le rendement peut doubler si on récupère l’énergie à l’échappement. Donc la consommation diminue.

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Figure 114: Effets des rendement thermodynamique et taux de compression sur la puissance disponible

5.2. PERFORMANCES La gamme de turbine est proposée sur catalogue constructeur avec des performances correspondant aux conditions ISO ( voir ci-dessous ). Le constructeur fournit les courbes de fonctionnement aux conditions du site définies par dans le contrat (site rated power) : Puissance de sortie d’arbre versus vitesse d’arbre Chaque courbe tiendra compte du Maximum et minimum de tempérarture ambiante. Dans chaque cas, plusieurs courbes pourront représenter, le rendement thermique, les températures d’échappement, les vitesses de la turbine de puissance (cas de 2 lignes d’arbre), …pour chaque vitesse d’arbre la valeur du couple de sortie PT. On pourra trouver aussi des courbes de facteur de correction de la puissance versus altitude ou pression atmosphérique. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Conditions ISO Température d’entée d’air ambiant : 15°C (59°F) Pression totale d’air ambiant : 1013,3 mb a (14,693 psia) Humidité relative : 60% Pression statique à l’échappement : 1013,3 mb a (14,693 psia) La puissance nominale est mesurée à la sortie d’arbre de la turbine de puissance pour machine entrainée autre que générateurs (pompes, compresseurs, propulsion etc…) ou à la sortie du réducteur ou expanseur de vitesse. Pour un générateur la puissance est mesurée sur les bornes de sortie de courant.

5.3. INFLUENCE DES FACTEURS EXTERIEURS Ce sont les paramètres suivants : Température ambiante Altitude ou pression baromètrique Humidité relative Influence de la température ambiante

Figure 115: Influence de la température ambiante La figure montre les influences. Quand la température ambiante augmente, la masse volumique de l’air aspiré (γ) diminue, donc le débit d’air aspiré, le débit d’air à Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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l’échappement, la puissance diminuent tandis que la consommation spécifique HR (kJ/kWh) augmente. Influence de l’altitude Avec l’altitude, la pression d’air à l’aspiration diminue donc la masse volumique d’air compressé (γ) diminue et par conséquent la puissance diminue du facteur de correction indiqué. Figure 116: Influence de l’altitude Influence de l’humidité ambiante Si l’humidité relative augmente, la masse volumique de l’air aspiré (γ) diminue, donc le débit d’air aspiré, le débit d’air à l’échappement, la puissance diminuent tandis que la consommation spécifique HR (kJ/kWh) augmente. Cette influence est très faible (la puissance bouge de 0,5% et le Heat Rate de moins de 1%) Figure 117: Influence de l’humidité ambiante

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5.4. INFLUENCE DES FACTEURS INTERNES Ils sont les suivants: Baisse de pression aspiration à l’entrée du compresseur d’air Baisse de pression à l’échappement de la turbine Influence du combustible Soutirage d’air du compresseur axial Injection de vapeur Injection d’eau Refroidissement par evaporation

5.4.1. Baisse de pression aspiration Les éléments installés en amont (filtres d’air, silencieux, volets de contrôle/obturation dans les conduits/gaines etc…) peuvent faire chuter la pression et donc la masse volumique de l’air entrant dans le GG. Ceci diminue la puissance disponible et augmente la consommation spécifique comme déjà mentionné.

5.4.2. Hausse de pression a l’echappement (ou hausse de la contre-pression) La chute de pression est due aux éléments installés en aval de la PT (silencieux, longueur des gaines et diverters dans le cas de récupération d’énergie, etc…). Ceci a pour but d’augmenter la résistance par friction, donc d’établir une contre-pression qui diminue la détente de la PT, donc sa puissance et ceci augmente la consommation spécifique. Le tableau ci-dessous est un exemple. Les chiffres sont spécifiques à chaque machine.

Table 4: Valeurs des variations de puissance, consommation sécifique et température versus chutes de pression aspiration et échappement

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5.4.3. Influence du combustible Les meilleures performances sont réalisées par l’utilisation de fuel-gaz naturel plutôt que par le diesel-oil. En fait la puissance de sortie PT ramenée aux performances ISO, dans les mêmes conditions opératoires (environnement, chutes de pression etc …) sera 2% meilleure et la consommation spécifique sera 0,7 à 1% plus basse selon le modèle de machine. Ces performances sont encore plus remarquables si l’on compare à des fuel lourds ou des bunker C. Ce comportement est dû à la meilleure combustion obtenue avec gaz naturel car le taux de carbone et hydrogène est bien supérieur et la quantité d’eau contenue est vaporisée lors de la combustion ce qui donne un meilleur rendement calorifique. De plus avec un combustible liquide, l’atomisation n’est pas toujours excellente donc la combustion peut être moins bonne que celle du gaz. Les fuels gazeux (« low btu gas ») qui ont un pouvoir calorifique plus bas que les fuel-gaz naturels, affectent les performances turbine. Comme le pouvoir calorifique diminue (Kj/Nm3), le débit massique du combustible demandé est plus important pour amener la même quantité d’énergie (Kj/h). Cette addition de poids de fluide même s’il n’est pas compressé, provoque une augmentation de puissance et une diminution de la consommation spécifique, par les effets suivants : L’augmentation de poids de gaz augmente le volume du fluide dans la chambre de combustion donc la détente (travail utile) donc le taux de compression dans le compresseur qui arrive près de la limite de pompage Cette augmentation de débit de fuel-gaz, impose des conduits d’alimentation d’un diamètre supérieur. Cet état de fait peut être accentué si le gaz est chaud (production à partir du charbon chaud) Les gaz de faible pouvoir calorifique sont souvent saturés en vapeur d’eau dans les procédés anti-pollution, ce qui rend les fumées d’échappement mieux conductrice de chaleur et par conséquent augmente la température des conduits de fumées. Remarques : Pour le fuel-gaz, la quantité de condensat (essences) authorisée dans 1000Ft3 (28,3 m3) de combustible est 0,1 gal (0,37 l) aux conditions ISO. Il est recommendé de fonctionner 50°F (27,7°C) au-dessus du point de rosée tout en restant au-dessus de 300°F (148,8°C) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Pour le combustible liquide, la filtration devra être de 20µm absolu. La composition chimique est donnée pour chaque fabricant.

5.4.4. Soutirages du compresseur axial Cet air peut être nécessaire au souflage des pipes en phase construction ou à des procédés de production dans l’industrie chimique. A l’exception de machine construite pour l’aviation, il est possible d’extraire/soutirer 5% d’air sans en affecter les performances. Dans la mesure où le design a été étudié (piping, casing, control system), on peut extraire de 6 à 20% d’air selon les types de chambre de combustion. La courbemontre comment le soutirage influe sur la puissance de sortie et la consommation spécifique (heat rate) en tenant compte de la température ambiante.

% Heat rate

% Power

Figure 118:Influence du soutirage sur la puissance et la consommation spécifique

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Remarques : La qualité de l’air brûlé doit avoir les spécifications suivantes : 95% doit avoir moins de 0,004 grain/1000Ft3 ou 0,0003g/28,3 m3 5% doit avoir moins de 0,04 grain/1000Ft3 ou 0,003g/28,3 m3 En ambiance marine la valeur moyenne du sodium à l’entrée doit être inférieur à 0,00045 ppm et 0,003 ppm maximum en pointe. L’eau maximum authorisée est 0,5% du débit massique d’air aspiré à 42°F (5°6C). A température inférieure à 42°F (5°6C) aucune eau n’est authorisée.

5.4.5. Injection de vapeur et injection d’eau Elles servent à: Augmenter la puissance Diminuer les rejets d’oxyde d’azote (NOx) Réduction de niveau NOx Cette technique a démarré dans les années 70. L’injection n’est possible que dans les chambres de combustion ayant une chambre spéciale en voûte. L’injection est limitée pour ne pas perturber la combustion mais suffisante pour diminuer de façon conséquente les emissions NOx. La quantité d’eau ou vapeur injectée est proportionnelle à la mesure de NOx monitorée par le contrôleur. Ce procédé augmente la puissance de la turbine à cause de l’augmentation de fluide dans la turbine. Dans le cas d’injection de vapeur la consommation spécifique (heat rate) diminue également, ce qui n’est pas le cas avec l’eau d’injection car il faut qu’elle se vaporise. En condition de « marche peak » (pour modèle SP 25 PLUS de N.pignone 1250 h/an authorisé) on peut utiliser l’injection d’eau mais cela implique un temps plus court entre 2 maintenances (disponibilité de l’équipement réduite). Ces temps sont variables selon les modèles de machine. Noter que chaque constructeur impose une spécification pour les qualités eau ou vapeur.

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Augmentation de puissance L’injection de vapeur se fait depuis 30 ans. La figure montre les effets de l’injection de vapeur sur la puissance. Figure 119: Influence de l’injection de vapeur sur la puissance On injecte à la sortie du compresseur d’air pour ne pas avoir de déficite d’air dans les chambres de combustion. La vapeur doit être surchauffée pour éviter la présence d’eau (au moins 25°C plus chaude que l’air) et à une pression supérieure à la pression d’air de 4 bg maximum. Sa quantité doit être celle nécessaire à la diminution de NOx requise par le contrôleur à la puissance du moment. Quand la valeur de NOx est correcte l’authorization est donnée d’augmenter l’injection de vapeur pour augmenter la puissance. Remarque : Certains modèles de turbine sont difficilement modifiables pour avoir le contrôleur NOx efficace. Avant tout up-grade, il est nécessaire de consulter les « end users » de ces mêmes turbines et particulièrement celles déjà modifiées. Les inconvénients principaux sont : la fiabilité du contrôle la disponibilité de l’équipement qui diminue (maintenance accrue) l’encrassement plus rapide des ailettes compresseur

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5.4.6. Refroidissement d’air Refroidissement d’air par évaporation d’eau La figure montre clairement l’influence de la température d’aspiration sur les performances : puissance et rendement augmentent quand le température baisse.

Figure 120: Réfrigérant par évaporation Cette température peut être baissée artificiellement en évaporant de l’eau devant les filtres d’aspiration. Les goutelettes d’eau forment un film liquide sur les plaques d’un évaporateur traversé par l’air d’aspiration. . L’eau de l’évaporateur prend à l’air sa chaleur de vaporisation et donc abaisse sa température. En contre partie l’air se charge en humidité relative. Les possibiilités de refroidissement sont montrées sur la figure 121, l’échange se faisant suivant la courbe « constant enthalpy ». La température de fin d’échange dépend de l’efficacité de l’évaporateur. Ces flux à contre-courant permettent un échange adiabatique-isenthalpique (voir figure 121 et 122). Un démister extrait l’eau pour éviter des dépots sur les ailettes. On peut voir le bénéfice du refroidissement de l’air : la puissance augmente quand la température d’aspiration baisse et la consommation spécifique diminue. Cette technique est très interressante car le gain de baisse de température est très supérieur à la perte par effet d’augmentation d’humidité. Malheureusement ces systèmes sont utiles dans les deserts là où l’eau est rare. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Refroidissement d’air par chiller Dans les ambiances où l’humidité relative dépasse 60% sans que la température ne soit très haute, l’usage d’un chiller est très interressante.

Figure 121: Refrigeration par chiller L’air est réfrigéré pendant un cycle fermé dans un process par absorption. De cette façon les limites d’humidité relative et de température du système précèdent par évaporation sont éliminés. On peut voir le shéma de ce système figure 100. Un circuit fermé d’eau froide réfrigère l’air dans un échangeur à ailettes. La vapeur sert uniquement à donner de l’énergie au fluide refrigerant. Le demister est nécessaire à la séparation d’eau résiduelle dans les phases de démarrage. La comparaison des 2 systèmes se trouve sur les courbes psychrométriques figure101. La ligne a-d représente le fonctionnement de l’évaporateur d’eau : on change d’humidité relative sans échange d’énergie et la température descend de Ta à Td. La ligne a-b-d représente le refroidissement par chiller : on change d’humidité relative en refroidissant et condensant toute l’humidité. De Ta à Tb on ne fait qu’augmenter l’humidité relative les condensats n’apparaissent que lorsqu’on refroidit de Tb à Tc faisant passer Kgwater/Kgair sur un niveau plus faible.

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Figure 122: Comparaison entre évaporateur d’eau et chiller

5.5. CAPACITES DES TURBINES Elles sont designées selon la norme API standard 616 pour une performance contractuelle (site rated power) correspondant aux conditions contractuelle du site (site rated condition). Site condition rated values Température ambiante maximum Pression d’entrée/aspiration minimum Puissance requise pour une pression d’échappement maximum Plage des variations baromètriques et températures sur la zône Conditions des conduits entrée et sortie (niveaux de bruit et température de peau) Plage de composition du ou des combustibles Power rated conditions C’est la puissance développée sur la machine entrainée (générateur ou sortie du réducteur pour un compresseur) quand la turbine est opérée avec les paramètres désignés dans les conditions contractuelles du site (liste ci-dessus) et les paramètres constructeurs contractuels suivants: Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Température de combustion Vitesse GG Rendement thermique (thermal efficiency) Remarques Le rendement thermique :

η=

Energie à la sortie arbre de turbine Energie du combustible à l ' entrée ( pouvoir calorifique inf érieur )

L’énergie est calculée à partir du « low heating value » du fuel gaz calculé comme suit. Le pouvoir calorifique est la valeur mesurée de l’énergie du combustible après avoir complètement brûlé dans les conditions Standard (60°F ou 15°C et 14,696 psia ou 101,325 kPa). Le LVH (low heating value) ou NHV (net heating value) assume que l’eau contenue est brûlée et ressort sous forme de vapeur à l’échappement. Son énergie n’est pas comptabilisée. Quand cette valeur est calculé en volume Standard (Sm3 ou Scf), le gaz est considéré comme Idéal donc avec un facteur de compressibilité Z = 1. Pour avoir le LVH en gaz réel il faut utiliser la méthode suivante : H = x1H1 + x2H2 +…..+ xnHn avec x1 , x2 … fractions de môles des composants du gaz H1 , H2 …Idéal LVH donné dans les tables Le LVH Idéal du gaz H est corrigé en divisant par de facteur de compressibilté Z du gaz réel aux conditions Standard. On obtient alors HR qui sert dans le calcul du rendement.

Courbes de Performances normalement demandées au fabricant Un ensemble de courbe (figures ci-dessous) montrant: Les vitesses turbine versus les conditions contractuelles du site. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Chaque figure doit être fonction de la température ambiante (toute la plage du Maximum au minimum). Sur chaque figure plusieurs courbes doivent montrer le rendement thermique, la température échappement, la charge turbine, la vitesse de la turbine de puissance (si 2 lignes d’arbre), …sur chaque turbine la vitesse de l’arbre/la valeur du couple de sortie Des figures additionelles doivent monter les corrections de puissance versus altitude ou pression atmosphérique. Sur cette première figure ci-dessous la puissance est ISO et l’exemple est celui d’une machine de « base load » 31372 KW.

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Figures 123: Performances turbine Contrôle des performances en marche Régulièrement, le service condition monitoring demande aux opérateurs une stabilisation du process pendant 2 heures avant d’initier un relevé de performances qui comporte : Prélèvement d’échantillon de combustible Enregistrement au même moment de tous les paramètres thermodynamiques nécessaires au cacul de performance turbine: ƒ Conditions externes (température ambiante, pression baromètrique, humidité relative) ƒ Conditions internes vues paragraphe 6.4 (température ambiente T0, temp.aspiration T1, temp.entrée PT T4 , pression à l’aspiration, pression d’air sortie GG, vitesses des lignes d’arbre, débit de combustible) Enregistrement au même moment de tous les paramètres machine entrainée : ƒ Pour alternateur Puissance active, apparente et cosφ ƒ Pour un compresseur prélèvement de gaz pour analyse, données pour calcul de débit, pressions et températures avant et après compression, vitesse du compresseur ou de la PT Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Après avoir reçu la composition du gaz, un calcul permet de ramener la performance aux conditions ISO et d’analiser les résultats par comparaison aux courbes originales. En règle générale on peut déterminer l’état d’encrassement des ailettes du compresseur en marche « butée de température échappement ». Avec une machine 1 arbre, elle réagit comme si la température ambiante augmentait (baisse de débit d’air et du taux de compression du GG). Avec une machine 2 arbres en régulation NGG maxi on est dans le même cas. . Dans un premier temps pour un encrassement avec chute de pression de moins de 5% la température d’entrée de PT ne varie pas. Mais lorsque l’excès d’air de combustion commence à mlanquer, la température augmente. Il faut alors programmer un nettoyage. Il est interressant de faire tous les ans un controle de performance après lavage. Ceci permet de contrôler l’état d’usure du compresseur (performance taux de compression versus vitesse) et des parties chaudes (rendement thermique) à partir des calculs de puissance des machines entrainées. Si les instruments de site sont calibrés, malgrès leur imprécision, les résultats montrent des tendances qui permettent d’orienter la maintenance. Valeur limite Comme déjà vu paragraphe 5, la valeur limite est la température de sortie chambre de combustion/entrée turbine. Selon les fabricants qui connaissent la perte de charge des roues du GG, cette température de référence peut être prise entre GG et PT (les valeurs maxi sont alors minorées de la perte de charge)

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6. CONDUITE DES TURBINES Cette partie de cours decrit les principes généraux liés à la conduite des turbomachines, mai ne se substitue en aucun cas à la documentation du constructeur, que l’opérateur devra bien connaître !!! Les chiffres donnés sont à titre indicatifs et représentent un oprdre de grandeur.

6.1. INTRODUCTION Avant d’opérer la turbo-machine, les opérateurs doivent connaître toutes les situations normales et anormales (shutdown) et les actions (réactions) du système de contrôle face à ces situations. Il faudra donc étudier le manuel du constructeur (packager). S’assurer que ce manuel contient toutes les procèdures opératoires. De la façon d’opérer la machine dépend largement la durée de vie de ses constituants donc le schedule des opérations de maintenance (majors overhauls). Un journal machine (logbook) de tous les paramètres opératoires devra être conservé pour que les mainteneurs planifient une maintenance optimisée. Le contenu du logbook doit être le suivant : Dates et heures des démarrages et shutdowns Durée de marche et quantité de démarrages Relevé des instruments pris deux fois par jour à la charge normale du process Relevé de tous les changements de charge ou vitesse Résumé des actions correctives prises à l’apparition des alarmes ou shutdowns Historique des modifications, réglages et des pièces de rechange consommables remplacées (filtres etc …) Maintenance préventive ou corrective exécutée Dates d’installation ou remplacement et heures de marche des pièces principales à durée de vie limitée remplacées (pièces des parties chaudes comme pièces de transition, distributeur premier étage etc …)

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Abréviations et acronyms GC

Gas compressor

GG

Gas Generator

GT / PT Gas turbine / Power turbine PCS

Process Control System

UCP

Unit Control Panel

HMI

Human Machine Interface

MOS

Minimum Operating Speed

ITR

Instrument Technical Room

T5.4

GG exhaust temperature

ESD

Emergency Shutdown System

TE

Turbine enclosure

Ce châpitre comporte la liste des contrôles pour démarrage, redémarrage et les actions à prendre face aux différentes situations de shutdown. L’étude des séquences automatiques liées à ces actions permet une recherche de panne plus facile.

6.2. PREPARATION POUR UN PREMIER DEMARRAGE 6.2.1. CONTROLES PRELIMINAIRES Il faut suivre le manuel du fabricant. Nous résumons ici les opérations à faire : . S’assurer que les niveaux des caisses à huile soient normaux et que le système de remplissage (reposition) d’huile soit opérationnel. S’assurer que le tuyautage et les gaines de refroidissement, l’étanchéïté et ventilation d’air soient sans poussière et que toute les connections soient bien serrées. S’il y a eu inspection dans les conduits d’aspiration d’air, il est très important qu’un producteur accompagne un inspecteur lors de la dernière visite avant fermeture. Chacun d’eux devra faire la visite sans rien dans les poches et sans autre matériel que leur lampe torche pour éviter toute perte d’objet. S’assurer que tous les circuits process soient alignés et l’instrumentation étalonnée

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S’assurer de l’alimentation du Système de contrôle (PCS) de la turbo-machine (Speedtronic ou Allen Bradley) pour disposer des sécurités et fonctions de démarrage / marche S’assurer que les sécurités de l’enceinte / enclosure soient sans alarmes o Tous les capteurs de détection F&G o Perte de ventilation o Drainage humidité Réarmer dans le l’armoire locale (UCP) le système F&G pour permettre les actions suivantes : o Ouvrir les volets anti-feu/dampers entrée et sortie du système de ventilation des enceintes machines en commandant les vannes solénoïdes correspondantes. o Ré-armer dans la salle électrique l’alimentation des ventilateurs des enceintes. Ils démarreront si aucune sécurité ne les verrouille. S’ils ne démarrent pas chercher les points de verrouillage (les points de shut-down) et solutionner les interdictions. Le ventilateur DC ne démarrera que si le timer de fin de refroidissement (de la séquence cool-down du PCS) a dépassé le temps pré-réglé (environ 30 à 60 mn) o Balayage de(s) enceintes machines : une fois le(s) ventilateur(s) démarré(s), un timer contrôle le temps de purge à partir d’un débimètre (differential flow) tenant en compte un débit minimum pour s’assurer d’une bonne ventilation. La séquence de démarrage ne se poursuit que si cette opération est finalisée. Vérifier le bon fonctionnement des systèmes de réfrigération d’huile et air (s’il existe) Contrôler que toutes les vannes d’alimentation d’huile soient ouvertes et que que le débit d’huile de lubrification par les voyants de retour des paliers soit normal. Vérifier que toutes les températures de capteur soient proches de la température ambiante. Sinon prévenez la maintenance. Contrôler tout le système fuel : que les valves de contrôle fuel soient en position fermées, ainsi que les purges de drainage liquide fuel (si démarrage liquid fuel). Les vannes du fuel metering devront être en position démarrage. Les vannes de ventilation/purge du fuel gas ajustées pour démarrage au gaz. Contrôler que les IGV et SVS soient à la position requise correcte Contrôler les organes process agissant sur les alarmes, verrouillage de la séquence de démarrage Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Remarques : Dès que l’alimentation A.C. est établie le PCS est en marche et stoppe les auxiliaires D.C. La position sécurité de la machine est PCS en marche, séquence de refroidissement en cours (cooldown) terminée et machine considérée prête au redémarrage. Des verrouillages peuvent provenir de la machine entrainée. Par exemple pour un compresseur avec « dry mechanical seal », le circuit d’huile ne peut être démarré que si le circuit d’azote du seal est déjà en service, pour éviter de contraminer la garniture avec l’huile du circuit. Toutes les alarmes et verrouillages du HMI doivent avoir été ré-armés

6.2.2. Controle de la sequence de virage (Motoring procedure) « Crank mode » Ce contrôle est obligatoire pour un premier démarrage et est conseillé après une maintenance importante (major overhaul) ou après arêt d’urgence « hot start ». Après que les contrôles préliminaires précédents aient été faits, pour un premier démarrage uniquement, dé-énergiser le système d’allumage et fermer manuellement le fuel (shut-off valves). Cette disposition n’a pas lieu d’être en temps normal. Lancer la séquence. La turbine démarre jusqu’à une vitesse GG stabilisée (environ 2200 RPM) pour 3 mn de balayage. Pendant ce temps, contrôler les pressions d’huile. En cas de pression trop basse desserrer le piping pour purger l’air et retrouver un fonctionnement normal des pompes à huile. Après ce contrôle, la machine est redisposée normalement. Pour un premier démarrage il faut impérativement tester les survitesses GG et PT ainsi que toutes les séquences automatiques existant dans les programmes. Remarque : Le contrôle de la machine devra se faire avec les EPI (PPE) d’usage (protection contre le bruit, les brûlures par contact, les risques de projection d’huile…)

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6.3. SEQUENCES PAR MODE OPERATOIRE AUTOMATIQUE (Principes) Afin d’étudier des exemples concrets, les documents joints sont extraits de documentation N.Pignone. Chaque moteur ou vanne solénoïde dispose d’un contrôle manuel sur l’écran (HMI). On peut y accéder par sa sélection sur les programmes du PCS configurés sur l’écran de contrôle. La sélection par défaut reste le contrôle « Automatique ». La sélection des modes opératoires se fait par le Selecteur Principal (« Maestro Selector ») qui est le programme de sélection accessible depuis l’écran HMI. La position par « défaut » de ce sélecteur est « OFF ».

6.3.1. Mode « OFF » Cette séquence peut être choisie quand la turbo-machine est stoppée et quand la séquence de refroidissement (cooldown) est terminée. Quand la commande « OFF » est acceptée, il n’est plus possible de démarrer la turbomachine depuis le tableau local (UCP). Toutes les fonctions manuelles de contrôle et monitoring des circuits turbo-machine et de ses auxiliaires sont disponibles si leur condition de sécurité sont satisfaites.

6.3.2. Mode « VIRAGE » (« CRANK ») Le mode « virage » peut être sélectionné seulement lorsque le GG a cessé de tourner. Si la turbo-machine est démarrée sur cette position « crank », le GG est démarré jusqu’à la vitesse de « crank »/balayage « purge» de la chambre de combustion. Selon le type de turbine celà correspond à environ 2000 RPM et un temps de balayage déterminé par timer (environ 3 mn). Le GG se stabilise à cette vitesse jusqu’à ce que l’opérateur initie l’ordre de STOP et que l’arrêt se fasse. Si le sélecteur principal est modifié de fonction CRANK à fonction IDLE, AUTO ou MANUAL, pendant le balayage ou après qu’il ait eu lieu, l’unité continue sa séquence de démarrage. Si l’unité a été redemarré en position démarrage après l’alarme « hot start », l’unité maintient sa vitesse à environ 2000 RPM, jusqu’à ce que l’opérateur modifie la fonction à IDLE, AUTO ou MANUAL.

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6.3.3. Mode “RALENTI”( « IDLE ») Les systèmes auxiliaires sont normalement disposés, le système de fuel-gaz et l’allumage sont réarmés et en service. Le démarreur est alimenté et la rampe de montée en vitesse à 2000RPM suit celle de la séquence de démarrage normal Le timer de d’allumage (5mn) est démarré. Pendant ce temps le balayage de chambre de combustion et échappement a lieu (3mn) Si l’allumage a lieu dans le temps imparti, la vitesse GG reste au ralenti (« idle » 6800 RPM) Si pendant la séquence de démarrage l’allumage n’a pas lieu dans le temps imparti, la séquence automatique suivante est démarrée : Le démarreur continue la séquence de balayage (2000 RPM pendant 5 mn) Arrêt du démarreur Arrêt des auxiliaires de démarrage (pompe à huile du compresseur et ventilateurs d’enceinte) Pendant le démarrage, seule la protection TAHH entrée PT est inhibée jusqu’à ce que la flamme soit détectée. Ce mode sert surtout à contrôler que la séquence de démarrage fonctionne bien. Si la turbo-machine est démarrée sur position ralentie, elle démarre et le GG se stabilise à la vitesse de ralenti pendant 30 mn. Passé 20 mn une alarme est actionnée, et l’arrêt est actionné 10 mn après. Si pendant cette action le sélecteur principal est mis sur AUTO, la turbo-machine poursuit son cycle de démarrage. Remarque : Après une période de maintenance importante, le mode ralenti est indispensable pour contrôler la totalité de la turbo-machine avant de passer en mode « auto ». Pour ce contrôle les opérateurs devront avoir un permis chaud, s’assurer que les verrouillages de portes des TE sont inhibés. On peut alors contrôler que les circuits sous pression n’ont aucune fuite, qu’aucune vibration (contrôler également les valeurs aux paliers) ou bruit anormal n’existe, que la montée en température de l’huile de sortie palier est normale (23°C max entre entrée et sortie de paliers), avant d’autoriser la montée en allure portes TE fermées. Il est interressant à la montée en allure de contrôler la valeur maximum des vibrations au passage de la vitesse critique. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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6.3.4. Mode « AUTO » Sur ce mode la PT atteint sa vitesse maximum, le démarrage est complet. Si le démarrage a lieu en AUTO, la PT atteint sa vitesse maximum puis la charge est transferrée automatiquement. Sur un générateur mode « ISO », la vitesse sera régulée automatiquement, sur un générateur mode « droop » la charge sera régulée, sur un compresseur la pression de refoulement sera régulée. En mode « MANUAL », la séquence de démarrage se fait jusqu’à la vitesse minimum de la PT. Mais le couplage au réseau et le transfert de charge est manuel au travers du HMI. Remarque : L’opérateur devra continuer à contrôler les mêmes paramètres que ceux suivis en phase de ralenti et analyser toutes les alarmes qui surgissent.

6.3.5. Autorisation de demarrage « Permissive to start » Les exemples ci-après (Fig.106) montrent les contrôles automatiques qui ont lieu avant que le programme n’initie l’ordre de démarrage d’un turbo-générateur. Elles sont précisées de manière détaillée dans la documentation technique de chaque fabricant qu’il faudra connaitre. Elles sont spécifiques de chaque machine même si globalement la philosophie reste la même. Les autorisations sont discréminées en 2 listes différentes turbine et process. Conditions préliminaires turbine: « Master Selector » sur OFF Vitesses GG et PT nulles T5.4 inférieur à 400°C Vannes fuel-gaz positions fermées Circuit d’huile disposé Niveau normal dans les caisses d’huile Portes d’enclosure fermées Portes du caisson de filtration d’air fermées Conditions préliminaires process : Voltage normal sur batteries de secours Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Aucune sonde de vibration activée Ventilation DC de secours sans défaut Pompe huile DC de secours sans défaut Pas de défaut sur les démarreurs de moteurs Pas de défaut sur système F&G Pas de détecteurs de chaleur en défaut Pas de détecteur de présence de gaz en défaut Position correcte des dampers de ventilation enclosure Vannes process en position correcte Circuit d’azote des dry seals disposé

Figure 124:Conditions préliminaires au démarrage Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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6.3.6. Protections (« TRIP ») Les conditions de verrouillage du Système et leur action dans les programmes sont montrés dans la figure des limites opératives ci-dessous. Ces ordres de verrouillage sont donnés dans les programmes/séquences suivants : Arrêt normal (cool stop) Décélèration au minimum de charge Mise au ralenti Arrêt d’urgence la machine sans dépressurisation du process Arrêt d’urgence avec dépressurisation du process Les actions immédiates se font : Alarme puis affichage actions sur HMI Verrouillage des programmes permissives (« to start », « to run », “to crank”, “to wash”) Verrouillage des vannes de fuel-gaz (prise de tête, les 2 vannes de blocage et la vanne intermédiare de purge, vanne de contrôle de débit) Lancement des séquences ou ordres (décélération, verrouillage des ordres de démarrage, désarmement de l’allumage, démarrage séquence d’huile de refroidissement, démarrage post-run séquence de la ventilation enclosure) Sur process (fermeture vannes asp., ref. et pressurisation, ouverture vannes recirculation, purges/blowdown asp.et ref.)

6.3.7. Limites operatives La table ci-dessous montre les limites au niveau des étages de roue de PT (maximum températures fonction des matériaux utilisés), températures et pression d’huile aux paliers ( maximum fonction de la qualité du métal anti-friction des paliers), vibrations aux paliers (fonction du jeu et diamètre d’arbre)

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Table 5: Limites opératives de la PGT25+SAC

6.4. SEQUENCES DE DEMARRAGE EN OPERATION 6.4.1. Demarrage normal Avant et pendant la séquence de démarrage certaines alarmes et trips sont inhibés pour éviter leur apparition sur HMI : PALL huile de lubrification GG (avant que vitesse GG n’atteigne 4500 RPM) Perte de signal de vitesse PT avant l’allumage Perte de flamme Défaut de température T5.4 Sous réserve que les conditions points 6.3.1 soient certifiées, la séquence est démarrée en sélectionnant l’ordre Marche (« Start ») sur l’écran de HMI. Les opérations de démarrage sont détaillées dans le document ci-après.

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Remarque : Pour un premier démarrage ou après une maintenance importante (major overhaul), il est impératif de tester physiquement le fonctionnement de toutes les vannes turbine et process leur fin de course, indicateur de position ainsi que l’étanchéïté des circuits qu’ils soient intérieur ou extérieur à l’ « enclosure ». Il faudra donc dans ce cas initier le démarrage à vide (paragraphe 6.5.3), inhiber les trips de portes « enclosure » et faire une inspection (permis chaud nécessaire). Les étapes du démarrage normal sont comme suit : Démarreur engagé GG tourne et se stabilise à 1700 RPM Après 2 mn la séquence d’allumage démarre Les vannes fuel s’ouvrent Après 5 sec. la torche s’allume La PT démarre avant que GG arrive à la vitesse de ralenti A la vitesse de ralenti le démarreur s’arrête 5 mn de réchauffage avant de monter en allure Contrôler les paramètres (Table 6) Accélérer à la charge désirée en montant progressivement en allure Contrôler toujours les paramètres (Table 6) Utiliser les tables de Trouble Shooting pour éliminer les défauts

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Figure 125: Séquence de démarrage (1) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Figure 126: Séquence de démarrage (2) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Figure 127: Séquence de démarrage (3) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Figure 128: Séquence de démarrage (4) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Figure 129: Séquence de démarrage (5) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Figure 130: Séquence de démarrage (6) Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Table 6: Paramètres minimum à contrôler

6.4.2. Alarme de démarrage chaud (« Hot start ») Pendant le démarrage, la moyenne des températures échappement est gardée en mémoire. Si la température est >621°C, une alarme « hot start » est déclenchée et un timer de 2 heures est démarré. L’opérateur doit tenir compte du risque de frottement thermique. Dans un des cas listés fig.115, ne pas démarrer avant une investigation plus profonde, et avoir solutionné les causes de l’alarme/shutdown.

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Pendant les 2 heures suivantes le redémarrage ne peut se faire qu’après avoir initié une séquence virage « motoring » (paragraphe 6.3.2). Si tout est normal, l’opérateur mettra la machine en « auto ». Après 2 heures d’arrêt (timer), la machine peut se redémarrer directement en « auto » Remarque : Le redémarrage à chaud est la conséquence d’un démarreur défaillant (manque de vitesse), d’un excès de fuel au démarrage, d’un excès de dosage de fuel pendant la rampe d’accélèration, d’une position trop ouverte des aubes mobiles de stator (VSD). Voir la table de “trouble shooting” du fabricant.

6.5. SEQUENCES D’ARRET En condition opérative anormale (déviation des limites opératoires), il existe 3 niveaux d’action : Alarme (l’opérateur corrige le défaut) Alarme et mise au ralenti de la machine (power cutback) et si défaut non solutioné shut-down normal Shutdowns Un arrêt est dit normal (normal shutdown) quand il est commandé par l’opérateur pour des raisons qu’il juge utiles de process ou d’anomalies machines non encore détectées par le contrôle automatique. Un arrêt est dit d’urgence (emergency shutdown) quand il est initié par le système automatiquement ou parce que l’opérateur juge la situation dangereuse pour la machine ou le personnel. Le système de contrôle automatique comprend 5 séquences différentes : L’arrêt normal (virage GG autorisé) L’arrêt d’urgence (virage GG non autorisé) Descente rapide en allure de ralenti puis arrêt (STI) Descente lente en allure de ralenti puis arrêt (SDML) Démarrage avorté puis arrêt

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Table 7:Cause et effet (1) Page 132 de 174

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6.5.1. Arret normal (virage autorisé) La séquence d’arrêt normal passe par une vitesse de ralentissement/refroidissement machine (cooldown) avant de fermer les vannes de fuel-gaz. En général la vitesse de descente en allure est 2 fois plus rapide que la montée sur les machines industrielles. L’ordre d’arrêt peut être donné par l’opérateur (HMI software STOP button) ou automatiquement pour une des raisons suivantes : VSV regulator fault logic Turbine wheelspace temp. High (T5.4) Fuel metering valve null shift high high 2 or more ventilation dampers detected closed Avec un de ces ordres la séquence suivante est déclenchée : Diminution de la charge sur PT à la charge mini : La vitesse GG diminuée à vitesse de ralentie 7600 RPM avec rampe de descente pré-réglée (3mn). La vanne anti-surge / by-pass est ouverte dans cette séquence (sur process compression) tandis que la diminution de charge à lieu par transfert de puissance et découplage (sur réseau électrique). Après signal de découplage, GG arrive à la vitesse de ralenti 6800 RPM, un timer réglable (5 mn) compte le temps de cette séquence. On peut à tout moment revenir à la charge/vitesse normale pendant ces 5 mn (normal restart depuis HMI). Après 5 mn, réglage de la vanne contrôle de fuel à zéro et fermeture des 2 vannes shut-down de fuel-gaz (shut-off valves. Solénoïde de vanne anti-surge dé-énergisée. Quand la séquence est terminée, la pompe principale AC est arrêtée pour éviter de une entrée d’huile dans les garnitures sèches. Remarques : Une séquence d’arrêt peut provoquer un frottement (blocage thermique) par différence de dilatation (contraction) des matériaux. Les bords d’ailettes (blades) peuvent toucher la semelle du stator (shroud). Pour l’éviter le temps de ralenti doit être contrôlé et il est conseillé de rester un certain temps en régime de ralenti (5 mn en Idle). Pour les turbines liquid fuel ou dual, il est conseillé de purger le manifold liquid-fuel avant chaque démarrage pour éviter une surchauffe (donc risque de blocage thermique). La ventilation de l’enclosure est maintenue. Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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6.5.2. Arret d’urgence (virage non autorisé) Cette action peut être initiée automatiquement ou par l’opérateur. Toutes les vannes de fuel (shut-off valves et metering) sont fermées, les alarmes vitesse basse et pression d’huile sont by-passées, les vannes de ventilation et drainage sont ouvertes selon la séquence correspondante. Il est impossible de ré-armer une séquence de démarrage tant que la vitesse GG n’a pas diminuée à 400 RPM. Il faut immédiatement enclencher la séquence de ralenti si l’on peut ou le vireur s’il existe ou la procédure de virage (motoring procédure 6.2.2 ou 6.3.2). Si l’arrêt d’urgence est dû à une des alarmes listées dans le tableau fig.116, une investigation approfondie doit être menée avant tout redémarrage. Remarques : Les risques de frottement rotor sont élevés par différence de contraction mais aussi par flambage de l’arbre (bending shaft) sur les machines industrielles. Normalement le frottement a disparu après quelques heures (4 à 5 heures). Avant de démarrer, il faut impérativement s’assurer de la libre rotation de la machine soit à la main soit par procedure de virage (paragraphe 6.2.2). Sur les turbines dotées de systèmes de contrôle NOx, le manifold d’eau doit être isolé en même temps que le fuel, car il y a risque de refroidissement brusque de la chambre de combustion (donc risque de cassure). Il devra être purgé avant le redémarrage. Si on peut, il vaut mieux choisir une séquence de « descente rapide en allure de ralenti » puis arrêt .

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Figure 131: liste des alarmes devant être contrôlées avant redémarrage

6.5.3. Ralentissement a la charge minimum (SDML Slow Deceleration to Minimum Load) Il est provoqué par les alarmes suivantes: TDALL différentiel de temp. Entrée-Sortie réchauffeur basse Défaut senseur T2 Trop de senseurs T5.4 en défaut Variation du deplacement aubes distributeur PT nul PALL Alimentation de gaz basse Températures de retour d’huile turbine haute Variation du deplacement vanne fuel-gaz nul Support de Formation: EXP-PR-EQ140-FR Dernière Révision: 14/05/2007

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Un des dampers de ventilation d’enceinte fermé Ordre de décélération (SDML) depuis aspiration compresseur TAHH et TALL temperature d’huile turbine Quand la turbine est en opération normale et que le SDML est activé (signal de « power cutback function »), la consigne de charge de la PT diminue à la vitesse opératoire minimum (MOS) 70% de la vitesse de design. Le signal SDML reste affiché à l’écran jusqu’à ce que le défaut soit corrigé et que l’opérateur ré-arme la séquence de démarrage et que la vitesse opératoire soit retrouvée. Si l’opérateur a demandé l’arrêt avec cette séquence la machine s’arrête 10 secondes après avoir atteint la vitesse de ralenti. Les vannes de fuel sont fermées (shut-off valves), les sécurités de basse vitesse GG et pression huile by-passées, les purges et ventilation ouvertes.

6.5.4. Séquence ralenti (STI Step to Idle) Il est commandé par une des conditions suivantes: Erreur signal de position des aubes stator (différentiel haut) TAHH fuel-gaz Faute de régulation sur la logique de position VSV PDAHH différentiel filtre à air (aspiration) PDAHH filtres huiles pompe attelée Quand la turbine est en opération normale et que le STI est activé, la vitesse GG est ramenée à la vitesse de ralenti, le plus vite possible. Cette séquence permet une décélèration plus rapide que la précédente. Un timer de 30 mn permet à l’opérateur de rectifier le défaut. Après ce temps, l’arrêt est initié. Il a lieu après 10 secondes d’attente pour permettre au système de ramener la machine à une position stable de fonctionnement (les servo-moteurs IGV et VSS) Les vannes de fuel sont fermées (shut-off valves), les sécurités de basse vitesse GG et pression huile by-passées, les purges et ventilation ouvertes. Après 10 sec.la machine s’arrête. Le signal STI reste affiché à l’écran jusqu’à ce que le défaut soit corrigé et que l’opérateur ré-arme la séquence de démarrage et que la vitesse opératoire soit retrouvé. Sinon après 30 mn a lieu un arrêt pressurisé.

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6.6. ARRET TURBO-COMPRESSEUR PRESSURISE Le déclenchement a lieu pour les raisons suivantes : Conditions d’arrêt du Système de contrôle de la turbine Sécurités process du Scrubber d’aspiration du compresseur (LAHH, PAHH, PALL) Températures hautes des gaz d’échappement entrée GG et PT Pression différentielle filtres huile de lubrification très haute Toutes vibrations hautes ou déplacement d’arbre GG, PT, machine entrainée Toutes températures hautes sur paliers GG, PT, machine entrainée Ordre de s/d depuis UCP ou ESD Niveau de la garde hydraulique du plénum filtration air turbine (LAHH) KO drum fuel gas (LAHH) Tension batteries de secours (plus de 5mn avec tension minimum) Position de vannes incorrectes Distributeur d’huile (PALL) Perte d’alimentation principale A.C Etat du moteur du débimètre fuel-gaz TAHH températures de refoulement du compresseur TAHH huile démarreur TAHH différence entre températures échappement et moyenne des sondes température haute Survitesse moteur démarrage, GG, PT Quand une de ces conditions est détectée, la séquence d’arrêt pressurisé suit les étapes suivantes :

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Le contrôle de fuel-gaz est ramené à zero et les 2 vannes d’arrêt et de mise en purge du circuit sont actionnées. Pour éviter des alarmes intempestives pendant le ralentissement certaines alarmes sont inhibées ou forcées. ƒ ƒ ƒ ƒ

Températures à l’échappement Perte de flame Vitesses GG et PT Pression d’huile de lubrification quand GG au-dessous 4500 RPM

Les timers des séquences choisies sont ré-armés. Lors de l’arrêt la moyenne des températures échappement est gardée en mémoire. Si la température est >621°C, dès que vitesse GG621°C, dès que vitesse GG