Performances des turbines à gaz expliquées : consommation spécifique, puissance et conditions du site

La puissance nominale d’une turbine à gaz n’est qu’un point de départ pour évaluer un projet. La comparaison la plus utile consiste à déterminer quelle quantité nette d’électricité la centrale peut fournir dans les conditions du site requises, quelle quantité de combustible elle consomme pour y parvenir et si elle peut maintenir ces performances sur la plage de fonctionnement prévue. Une machine affichant une puissance nominale supérieure peut fournir moins de puissance exploitable que prévu lors d’une journée chaude ou consommer davantage de combustible lorsqu’elle fonctionne à charge partielle.

Le taux thermique, la puissance électrique et les conditions du site doivent donc être évalués conjointement. Chaque valeur dépend d’un ensemble défini de limites et d’hypothèses, qui doivent être identiques pour pouvoir comparer les offres concurrentes.

Ce que le taux thermique vous apprend sur la consommation de combustible

Le taux thermique exprime l’énergie apportée à une centrale par le combustible pour chaque unité d’énergie électrique produite. Il est généralement exprimé en kJ/kWh ou en Btu/kWh. Un taux thermique plus faible signifie qu’il faut moins d’énergie du combustible pour produire la même puissance électrique dans les conditions indiquées.

La relation entre le taux thermique et le rendement est directe lorsque les deux utilisent la même base énergétique et les mêmes limites de centrale. Sur une base de kJ/kWh, le rendement électrique est égal à 3 600 divisé par le taux thermique. Ce calcul n’est utile que si les valeurs décrivent le même apport de combustible et le même point de mesure de la puissance électrique produite.

Deux distinctions modifient souvent la comparaison :

• Puissance brute ou nette : La puissance brute est mesurée aux bornes de l’alternateur. La puissance nette correspond à la puissance brute diminuée de la puissance électrique consommée par les auxiliaires à l’intérieur des limites convenues de la centrale. Un taux thermique net est généralement supérieur à un taux thermique brut, car il est calculé à partir de la puissance nette, plus faible.
• Pouvoir calorifique inférieur ou supérieur : Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) exclut la chaleur récupérable associée à la condensation de l’eau contenue dans les produits de combustion ; le pouvoir calorifique supérieur (PCS) l’inclut. Pour un même débit de combustible et une même puissance électrique produite, un taux thermique calculé sur la base du PCS sera plus élevé. Comparer une valeur PCI à une valeur PCS sans conversion peut faire paraître une offre plus efficace qu’elle ne l’est réellement.

Vérifiez également si la valeur indiquée concerne uniquement la turbine à gaz ou l’ensemble de la centrale. Une centrale à cycle combiné utilise la chaleur des gaz d’échappement de la turbine pour produire de l’électricité supplémentaire ; son taux thermique ne peut donc pas être directement comparé à celui d’une unité à cycle simple.

La puissance nominale ne correspond pas nécessairement à la puissance disponible sur site

Les fabricants publient généralement les performances correspondant à des conditions de référence spécifiées. Ces valeurs sont utiles pour une première sélection, mais ne remplacent pas un calcul de performance propre au site. Les conditions de l’air à l’admission, les pertes de charge, les propriétés du combustible et les limites de fonctionnement ont toutes une incidence sur la puissance disponible sur le site du projet.

Pour une obligation de fourniture d’électricité, définissez la puissance requise au point de livraison, et non uniquement aux bornes de l’alternateur. L’écart peut inclure les auxiliaires de la centrale, les pertes du transformateur et d’autres charges situées à l’intérieur des limites convenues. L’offre doit préciser lesquels de ces éléments sont inclus et lesquels restent hors du calcul.

Le point de fonctionnement considéré est également important. Une centrale conçue sur la base d’une température annuelle moyenne peut ne pas atteindre la puissance requise lorsque la demande culmine par temps plus chaud. À l’inverse, dimensionner l’équipement uniquement pour les conditions les plus sévères peut entraîner un fonctionnement inefficace à charge partielle pendant une grande partie de sa durée de vie. La décision dépend de la puissance requise, des conséquences d’un déficit et du nombre d’heures prévu à chaque niveau de charge.

Incidence des conditions du site sur les performances d’une turbine à gaz

Température ambiante et altitude

Lorsque la température de l’air à l’admission augmente, sa masse volumique diminue généralement. Le compresseur aspire alors une masse d’air plus faible pour un débit volumique donné, ce qui réduit généralement la puissance disponible de la turbine. Le taux thermique peut également se dégrader, mais l’ampleur de cette dégradation dépend de la machine et de ses systèmes de commande. Une altitude élevée produit un effet similaire en raison de la baisse de la pression atmosphérique : un air moins dense à l’admission signifie généralement un débit massique et une puissance disponible plus faibles.

Évaluez la puissance en fonction du profil de température du site plutôt que d’une seule valeur ambiante nominale. Les cas importants correspondent souvent aux conditions dans lesquelles la puissance est contractuellement requise et à celles où la majeure partie du combustible sera consommée. Ces conditions peuvent être différentes.

Pertes de pression à l’admission et à l’échappement

Les filtres à air, les silencieux, les conduits et les équipements de refroidissement de l’air d’admission entraînent des pertes de pression avant que l’air n’atteigne le compresseur. Côté échappement, les silencieux, les conduits et les équipements de récupération de chaleur créent une contre-pression. Ces deux types de pertes peuvent réduire la puissance et influer sur le taux thermique.

Les pertes doivent être évaluées dans des conditions de fonctionnement réalistes, en tenant compte notamment de l’encrassement des filtres et de la configuration d’échappement prévue. Un calcul de performance fondé sur une admission propre présentant de faibles pertes peut ne pas représenter le fonctionnement à l’approche de la limite de remplacement des filtres. De même, les performances d’une turbine évaluée avec une simple cheminée d’échappement ne peuvent pas être considérées comme identiques lorsqu’elle est raccordée à un équipement de récupération de chaleur.

Humidité, combustible et eau de refroidissement

L’humidité peut influer sur les propriétés de l’air à l’admission et sur les performances des systèmes de refroidissement par évaporation. La composition du combustible et son pouvoir calorifique ont une incidence sur le débit de combustible, la combustion et les systèmes de contrôle des émissions ; les variations peuvent également influer sur les limites de fonctionnement. Les spécifications du combustible utilisées dans le calcul de performance doivent représenter l’approvisionnement prévu, y compris la plage autorisée, et pas seulement une composition nominale.

Pour les projets à cycle combiné, la température et la disponibilité de l’eau de refroidissement peuvent influer sur le cycle vapeur et, par conséquent, sur la puissance totale de la centrale. Une évaluation de la seule turbine à gaz ne tiendra pas compte de cet effet.

Le rendement à pleine charge ne représente qu’une partie du coût d’exploitation

Un taux thermique à pleine charge est utile lorsqu’une unité fonctionne près de sa puissance nominale pendant de longues périodes. Toutefois, pour les centrales qui s’adaptent à la demande, les performances à charge partielle peuvent avoir une plus grande influence. Lorsque la puissance varie, les réglages des systèmes de commande et l’énergie nécessaire aux auxiliaires peuvent faire évoluer le taux thermique net. Une unité affichant un meilleur taux thermique à pleine charge ne consommera pas nécessairement moins de combustible sur une année.

Demandez une courbe de performance couvrant la plage de charge prévue et associez-la au nombre d’heures de fonctionnement attendu à chaque point. Tenez compte des démarrages, des arrêts et des périodes à charge minimale lorsqu’ils ont une incidence significative sur la consommation de combustible et la disponibilité. Vous obtiendrez ainsi une estimation plus pertinente de la consommation que celle fondée sur la multiplication d’un taux thermique unique par la production annuelle.

Le refroidissement de l’air d’admission implique un compromis similaire. Il peut permettre de récupérer une partie de la puissance par temps chaud en abaissant la température de l’air à l’entrée du compresseur, mais il faut tenir compte du coût de l’équipement, de sa consommation électrique auxiliaire, des pertes de pression et, pour certains systèmes, de la consommation d’eau. Son intérêt dépend de la fréquence à laquelle une puissance supplémentaire est nécessaire lorsque les températures sont élevées et de la mesure dans laquelle cette puissance nette supplémentaire justifie les coûts associés.

Définissez les limites de performance et d’essai avant de comparer les offres

Une évaluation technique rigoureuse commence par un ensemble commun de conditions pour tous les soumissionnaires. Demandez la puissance garantie et le taux thermique dans les conditions définies du site, ainsi que des courbes indiquant l’évolution des performances en fonction de la température et de la charge. L’offre doit préciser explicitement les points suivants :

• Le point de mesure électrique, les charges auxiliaires incluses et la base brute ou nette.
• La composition du combustible, la base de pouvoir calorifique et les conditions d’approvisionnement prévues.
• La température ambiante, la pression, l’humidité ainsi que les pertes supposées à l’admission et à l’échappement.
• La configuration de la centrale, notamment la récupération de chaleur, le refroidissement de l’air d’admission et les équipements de contrôle des émissions.
• Les conditions de fonctionnement associées à chaque valeur, telles que la charge, la configuration des équipements et les conditions de refroidissement pertinentes.
• La méthode d’essai des performances, l’instrumentation, les procédures de correction, l’incertitude de mesure et le traitement des écarts par rapport aux conditions d’essai.

Les normes d’essai applicables et les exigences contractuelles doivent être spécifiées de manière cohérente dans la demande de renseignements et convenues avant la finalisation des garanties. Les courbes de correction sont particulièrement importantes lorsqu’il est impossible de réaliser un essai dans les conditions exactes de garantie : elles définissent la manière dont les résultats mesurés sont convertis sur la base convenue.

Pour une centrale électrique complète, ces limites ont également une incidence sur les interfaces entre les fournisseurs d’équipements et les parties responsables de la conception, de la construction et de la mise en service. SINO-QNP propose des servicesEPC pour des projets de centrales électriques, notamment l’ingénierie, les systèmes auxiliaires et la mise en service. Pour un tel périmètre, l’étape suivante consiste à aligner les hypothèses de performance de la turbine sur la configuration réelle de la centrale et à définir les responsabilités relatives à chaque perte et à chaque charge auxiliaire.

La meilleure offre n’est pas simplement celle qui affiche le taux thermique le plus bas ou la puissance nominale la plus élevée. C’est celle qui satisfait aux besoins en puissance nette dans les conditions pertinentes du site, fournit un profil de consommation de combustible crédible pour le régime de fonctionnement prévu et définit les performances selon des modalités vérifiables par des essais.