Comment une turbine à gaz produit-elle de l’électricité dans une usine industrielle ?

Une turbine à gaz produit de l’électricité en comprimant de l’air, en le mélangeant à du combustible et en brûlant le mélange pour produire des gaz à haute température qui entraînent une turbine et un générateur.

Dans les installations industrielles, ce procédé fournit une électricité fiable et peut également apporter une chaleur utile à la production.

Comprendre le fonctionnement de chaque étape aide les ingénieurs d’usine et les responsables de l’énergie à évaluer le rendement, les exigences opérationnelles et le rôle des turbines à gaz dans les systèmes énergétiques intégrés.

Comment une turbine à gaz produit-elle de l’électricité ?

Une turbine à gaz convertit l’énergie chimique du combustible en puissance mécanique sur l’arbre. Un générateur transforme ensuite cette puissance mécanique en électricité destinée aux équipements de l’usine ou au réseau.

Le processus se déroule en continu lorsque le groupe est en fonctionnement. L’air entre dans la machine, passe par les étapes de compression et de combustion, puis se détend à travers les aubes de la turbine avant d’être évacué sous forme de gaz d’échappement chauds.

Contrairement à une turbine à vapeur, qui nécessite de la vapeur produite par une source de chaleur distincte, une turbine à gaz génère directement ses gaz de travail dans son système de combustion.

1. Admission et compression de l’air

L’air ambiant entre par un système d’admission, où des filtres éliminent les particules en suspension susceptibles d’encrasser ou d’endommager le compresseur. Le compresseur augmente ensuite la pression de l’air.

La compression nécessite une puissance mécanique importante. Une partie de la puissance fournie par l’arbre de la turbine entraîne le compresseur, tandis que la puissance utile restante peut entraîner un générateur ou d’autres équipements.

La température de l’air est importante, car l’air chaud est moins dense. Lors des journées plus chaudes, une turbine aspire généralement une masse d’air moindre, ce qui peut réduire la puissance disponible.

2. Mélange du combustible et combustion

L’air sous pression circule dans la chambre de combustion, où le combustible est injecté puis brûlé. Les gaz à haute température ainsi produits fournissent l’énergie nécessaire à l’entraînement de la turbine.

Le gaz naturel est un combustible courant, bien que certaines machines puissent utiliser des combustibles liquides ou d’autres mélanges autorisés. Les combustibles compatibles dépendent de la conception de la turbine et de son système de combustion.

Les systèmes de régulation de la combustion contrôlent l’alimentation en combustible et les températures de fonctionnement. Les exigences en matière d’émissions influencent également le choix de la chambre de combustion et peuvent nécessiter un traitement supplémentaire des gaz d’échappement sur le site de l’usine.

3. Détente dans la turbine

Les gaz chauds se détendent à travers des rangées d’aubes fixes et mobiles. En les traversant, ils transmettent leur énergie au rotor et font tourner l’arbre.

Selon la configuration de la machine, la turbine peut entraîner le compresseur et le générateur au moyen d’un arbre commun, ou une turbine de puissance distincte peut entraîner le générateur.

Les matériaux des aubes, les systèmes de refroidissement et les limites de fonctionnement sont importants, car les composants de la turbine doivent résister à des températures élevées et à des contraintes mécaniques pendant toute leur durée de vie.

4. Production d’électricité et évacuation des gaz

L’arbre en rotation entraîne un générateur qui produit de l’électricité par induction électromagnétique. Les équipements électriques conditionnent ensuite cette électricité, en assurent la protection et la distribuent aux charges de l’usine.

Les gaz d’échappement quittant la turbine restent chauds. L’usine peut les évacuer par une cheminée ou récupérer une partie de leur chaleur pour produire de la vapeur et alimenter d’autres procédés.

Que devient la chaleur des gaz d’échappement ?

Dans une installation à cycle simple, la turbine produit de l’électricité sans utiliser ses gaz d’échappement pour générer une puissance supplémentaire. Cette configuration est relativement simple et permet une exploitation flexible.

Dans une centrale à cycle combiné, les gaz d’échappement traversent une chaudière de récupération. La vapeur produite entraîne une turbine à vapeur raccordée à un autre générateur ou à un autre système d’entraînement par arbre.

Les cycles combinés produisent généralement davantage d’électricité à partir de la même quantité de combustible, mais ils nécessitent des équipements supplémentaires, des installations d’eau et une exploitation plus complexe. Leur adéquation dépend de la charge et des conditions du site.

Un système de cogénération, également appelé CHP, utilise la chaleur récupérée pour un procédé utile, par exemple la production de vapeur, le chauffage de l’eau ou le séchage industriel.

La cogénération peut améliorer l’utilisation totale du combustible lorsque l’usine a régulièrement besoin à la fois d’électricité et de chaleur. Son intérêt dépend de l’adéquation entre la chaleur récupérée et les besoins réels du procédé.

Le rendement électrique et l’utilisation totale du combustible sont deux mesures différentes. Les valeurs de cogénération peuvent inclure la chaleur utile en plus de l’électricité ; elles ne doivent donc pas être comparées directement au seul rendement électrique.

Quelle est la place d’une turbine à gaz dans une usine industrielle ?

Une turbine à gaz peut constituer une source principale d’électricité, compléter les achats d’électricité au réseau ou alimenter une installation industrielle dédiée. Le mode d’exploitation dépend des besoins du site.

Certaines installations fonctionnent en continu, près de leur charge nominale. D’autres sont mises en marche pendant les périodes de forte demande, lorsque les tarifs du réseau sont défavorables ou lorsqu’un procédé nécessite une puissance supplémentaire.

Les turbines à gaz peuvent également entraîner directement des compresseurs ou d’autres équipements rotatifs. Dans cette configuration, la puissance sur l’arbre alimente le procédé sans être d’abord convertie en électricité.

Pour les usines qui envisagent une production sur site, la meilleure solution n’est pas nécessairement la turbine la plus puissante. C’est celle qui correspond aux besoins en électricité et en chaleur ainsi qu’aux heures de fonctionnement.

Quels facteurs déterminent le rendement et la puissance de sortie ?

Les performances publiées constituent un point de départ utile, mais une usine doit évaluer la production dans ses propres conditions. Plusieurs facteurs peuvent modifier la puissance fournie et la consommation de combustible.

• Conditions ambiantes : la température, l’altitude et l’humidité influent sur l’air admis et les performances de la turbine. Des températures élevées et une altitude importante réduisent généralement la puissance disponible.
• Charge de fonctionnement : le rendement peut diminuer à charge partielle. Examinez le profil de demande prévu au lieu de supposer que l’unité fonctionnera toujours à sa puissance nominale.
• Caractéristiques du combustible : le pouvoir calorifique, la pression, la composition et la stabilité de l’approvisionnement influent sur les exigences relatives aux équipements et sur la consommation de combustible. Vérifiez la compatibilité du combustible proposé avec les spécifications du fabricant.
• Consommations auxiliaires : les pompes, les équipements de refroidissement, la ventilation et les autres systèmes auxiliaires consomment de l’électricité. La puissance nette de l’usine est donc inférieure à la puissance brute du générateur.
• État des équipements : l’encrassement du compresseur, l’usure des composants et la dégradation des joints peuvent réduire les performances. Le plan de maintenance doit prévoir les inspections, le nettoyage et le remplacement des composants.

Lorsque vous comparez les solutions, demandez aux fournisseurs des performances garanties pour les conditions spécifiées du site. Vérifiez si les valeurs sont brutes ou nettes et quelles consommations auxiliaires elles incluent.

Pour la cogénération, comparez la chaleur récupérable à la température, à la pression et au moment où le procédé en a besoin. La chaleur qui ne peut pas être utilisée au moment où elle est disponible a une valeur pratique limitée.

Que doivent savoir les exploitants sur la fiabilité et la maintenance ?

La fiabilité de fonctionnement ne dépend pas uniquement de la turbine. L’approvisionnement en combustible, la filtration à l’admission, les systèmes de commande, la protection électrique et le refroidissement influent également sur la disponibilité de l’installation.

Les exploitants surveillent les températures, les vibrations, les pressions et d’autres indicateurs afin de détecter les évolutions de l’état de la machine. Le suivi de ces mesures dans le temps peut aider les équipes de maintenance à examiner les problèmes avant qu’ils ne s’aggravent.

Les calendriers de maintenance dépendent du modèle, des heures de fonctionnement, du nombre de démarrages, du combustible et du cycle de service. Les démarrages et arrêts fréquents peuvent avoir une incidence différente sur les intervalles d’inspection par rapport à un fonctionnement continu.

Avant de choisir un équipement, examinez la disponibilité des pièces de rechange, l’assistance technique et les arrêts planifiés nécessaires. Un prix initial plus bas ne compense pas forcément les arrêts prolongés ou des coûts de cycle de vie plus élevés.

Les limites d’émissions, les restrictions sur le bruit et les obligations en matière d’autorisations doivent également être prises en compte dès le début. Ces exigences peuvent influer sur le choix des équipements, le coût du projet et le temps nécessaire à la mise en service de l’usine.

Quels autres équipements peuvent être concernés ?

Les projets énergétiques industriels comprennent souvent plusieurs ensembles d’équipements. SINO-QNP fournit des turbomachines, notamment des turbines à gaz, des turbines à vapeur, des compresseurs et des générateurs, ainsi que des services d’ingénierie et de gestion de projet.

Pour les applications de pompage distinctes, sa gamme de pompes à boue comprend des modèles NF et PZ conçus et fabriqués conformément aux normes API.

Ces pompes peuvent être entraînées par des moteurs diesel ou électriques. Elles sont distinctes du processus de production d’électricité par turbine à gaz et doivent être sélectionnées en fonction de leur usage de pompage prévu.

Comment une usine doit-elle évaluer les différentes options ?

Commencez par établir un profil horaire de la demande en électricité et en chaleur, puis déterminez les heures de fonctionnement prévues, les combustibles disponibles, les modalités de raccordement au réseau et les besoins éventuels en capacité de secours.

Comparez les configurations à cycle simple, à cycle combiné et de cogénération en tenant compte de la puissance nette propre au site, des coûts de combustible et de maintenance, des dépenses d’investissement et de la valeur de la chaleur utilisable sur la durée de vie du projet.

Une turbine à gaz produit de l’électricité en transformant l’énergie du combustible en puissance sur l’arbre, tandis que ses gaz d’échappement peuvent contribuer à une production supplémentaire d’électricité ou fournir de la chaleur industrielle. La meilleure configuration dépend de la demande réelle de l’usine.