Master_MOSLI_BENSEDDIK_BRAHIMI.pdf

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE Kasdi Merbah - Ouaregla FACULTE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIE ET SCIENCE DE LA MATIER

Dpartement dhydrocarbure et chimie

Mmoire

MASTER PROFESSIONNEL

Domaine : Sciences et Techniques Filire : hydrocarbures et chimie Option : forage

Prsent Par :

MOSLI HASSENE BEN SEDDIK DJAMAL EDDINE

BRAHIMI SMAIL

THME

Etude de turbine gaz MS5002b

Soutenu publiquement devant le jury:

Mr. Brahmia allaoua President Mr. Zerouati Ali Encadreur Mr. Ben mennine djamel Examinateur

Anne Universitaire 2012/2013

Je remercie en premier lieu ALLAH de mavoir donn cette

volont de toujours atteindre les objectifs que je me suis

fix

Je remercie Mr ZEROUATI pour tous les efforts quil a

fournie pour mettre se travail terme

Je remercie toutes les personnes qui ont particip de prs ou

de loin llaboration de ce projet

Remerciements

Sommaire

SOMMAIRE

page

Introduction gnral...01

I. Chapitre i: gnralit

I.1. prsentation du champ de Hassi R'mel..02 I.1.1. Dveloppement des champs de HASSI RMEL...02

I.1.1.1. Installations gazires du champ de HASSI RMEL..02 I.1.1.2. Projet BOOSTING.03

I.1.2. Production des champs de HASSI RMEL...04 I.1.3. Description du procde de la phase B...04 I.1.4. Les installations de la phase B.04

I.2. Dfinition...04

I.3. Historique de la turbine gaz05 I.4. Classification des turbines gaz ...05

I.4.1. Daprs le mode de construction..05 I.4.2. Daprs le mode de travail...06 I.4.3. Daprs le mode de fonctionnement thermodynamique..07

I.5. Le cycle thermodynamique de turbine bi-arbre.07 I.6. Principe de fonctionnement de la turbine gaz.08

II. Chapitre II: tude descriptive de turbine gaz MS5002b

Introduction..10 II.1. Caractristiques de la turbine MS 5002b..10 II.2. Section d'admission..11 II.3. Section compresseur.12

II.4. Section de combustion..13 I.4.1. Corps de combustion14 I.4.2. Bougie d'allumage15 I.4.3. Dtecteurs de flamme ultraviolets...16 I.4.4. Injecteur de combustible .16 I.4.5. Le rle de la chambre de combustion..16

Sommaire

II.5. Section turbine .17 II.5.1. Directrice de premier tage.17 II.5.2. Directrices deuxime tage17 II.5.3. Rotor de la turbine .18

III. Chapitre III: systmes de l'installation de turbine gaz MS5002b

Introduction..19 III.1. Systme de dmarrage.19 III.2. Systme de graissage...19

III.2.1. Pompe principale...19 III.2.2.Pompe auxiliaire.20 III.2.3. Pompe de secours..20

III.3. Systme de commande de combustible...20 III.4. Systme de refroidissement et d'tanchit.21 III.5. Systmes de protection22

III.5.1. Systme de protection de survitesse..22 III.5.2. Systme de protection de dpassement de temprature...22 III.5.3. Systme de protection et de dtection des vibrations23 III.5.4. Systme de protection et de dtection de flamme.23 III.5.5. Dispositif d'anti-pompage.23

IV. Chapitre IV: maintenance de turbine gaz MS5002b

Introduction..25 IV.1. Dfinition de maintenance..25 IV.2. Les formes de la maintenance.25 IV.3. Maintenance applique sur les turbines gaz ms5002b.26

IV.3.1. La maintenance systmatique (les inspections l'arrt)...26 IV.3.1.1. Une inspection du systme combustion (combustion inspection CI)26 IV.3.1.2. Inspections de la veine des gaz chauds (hot gaz parth inspection HPGI).27 IV.3.1.3. Rvision gnrale (major inspection MI)...28 IV.3.2. La maintenance conditionnelle (inspection en fonctionnement)..29

Conclusion ...29

Sommaire

V. Chapitre V: calcul nergtique et des performances de la turbine gaz MS5002b

introduction..30 V.1.donnees du constructeur et/ou de littrature des turbines a gaz bi-arbres ...31

V.1.1.paramtre de lair ambiant...31 V.1.2.Caractristiques de fonctionnement de turbine gaz .31

V.2.calcul des paramtres de la turbine a gaz (ms 5002b)...32 V.2.1.calculs des paramtres du compresseur axial..32 V.2.2.calculs des paramtres du chambre de combustion.33 V.2.3.section turbine gaz37

V.2.3.1.gnrateur de gaz (turbine haute pression thp)..37 V.2.3.2.paramtres de la turbine de puissance (turbine basse pression tbp).38

V.3.performances de la turbine39 V.3.1.le travail massique de la turbine haute pression thp39 V.3.2.la puissance de la turbine haute pression thp..40 V.3.3.le travail massique utile ou de la turbine basse pression tbp......40 V.3.4.la puissance utile de la turbine40 V.3.5.le rendement global de la turbine...40

V.4. les influence environnemental..41

V.4.1. la temprature ambiante.....41 V.4.2. la pression atmosphrique......43 V.4.3. l'humidit..........43 V.4.4. la poussier...43

Conclusion gnral..44

Rfrences bibliographiques.................................................................................................45

liste des tableaux

LISTE DES TABLEAUX :page

Tableau IV.1 : Inspections typiques de systme de combustion...26

Tableau IV.2 : Inspections typiques de la veine des gaz chauds..27

Tableau IV.3 : Inspections typiques de rvision gnrale28

Tableau IV.4 : modes de contrle des paramtres importants..29

Tableau V-1: Composition du gaz combustible33

Tableau V-2: la comparaison des rsultat obtenue...40

Tableau V-3 la puissance et le rendement de la turbine pour chaque mois..41

liste des figures

LISTE DES FIGURES :page

I.1: Rpartition des diffrentes installations sur le champ de HASSI RMEL.03

I.2 : schma de turbine mono-arbre..05

I.3 : schma de turbine gaz bi-arbre...06

I.4 : schma de turbine action et turbine raction06

I.5 : schma de cycle thermodynamique de turbine bi-arbre07

I.6 : schma de principe de turbine gaz bi-arbre09

II.1 : Schma de la section dadmission12

II.2 : Schma de rotor et stator du Compresseur axial....................................................13

II.3 : Schma de section de combustion14

II.4 : schma de chambre de combustion..15

II.5 : schma de bougie dallumage..15

II.6 : schma de Dtecteurs de flamme ultraviolets..16

II.7 : schma de directrice de premier tage.17

II.8 : schma de directrice de deuxime tage..18

II.9 : schma de rotor HP et rotor BP..........18

III.1 : schma de systme de graissage.20

III.2 : Schma de systme de commande de combustible21

III.3 : Schma de systme de refroidissement et d'tanchit...22

IV.1 : Les diffrents types de maintenance...23

V.1: Cycle rel de la turbine gaz30

V.2:Schma de principe du bilan de la chambre de combustion..34

liste des figures

V.3: courbe de k(T)=g.42

V.4: courbe de F(T)=Pu42

liste des nomenclatures

LISTE DES NOMENCLATURES:

Ta : la temprature ambiante [K] Pa : la pression ambiante [bars] : Taux de compression

Z : L'altitude [m] Pa: Pertes de charge d'entr[bars] Qc : Dbit de combustible [kg/s] Qa : Dbit d'air total [kg/s] Qac :Dbit d'air pour la combustion [kg/s] c : Rendement isentropique de compression Pci : Pouvoir calorifique infrieur du combustible [Kcal/m3] Pcc : Pertes de charge chambre de combustion [bar] cc : Rendement de la chambre de combustion m thp : Rendement mcanique de transmission compresseur - turbine THP is thp : rendement isentropique de la turbine HP NTHP : vitesse de rotation de la turbine HP [tr/min] is tbp : Rendement isentropique de la turbine BP NTBP : Vitesse de rotation de la turbine TBP [tr/min] Pec : Pertes de charge lchappement [bars] m tbp : Rendement mcanique de la transmission de turbine - charge P1 : la pression d'admission [bars] P0 : la pression atmosphrique au niveau de mer [bars] a : exposant isentropique d'air g : exposant isentropique de gaz CpT : chaleur spcifique [Kj/Kg.K] Cp(Ta,Tb) : chaleur spcifique moyenne [Kj/Kg.K] mair,r: la masse d'air rel mair,st :la masse d'air stchiomtrique : coefficient d'excs d'air is hp : rendement isentropique de dtente haute pression WTHP: le travail de turbine HP [Kj/Kg] WTBP : le travail de turbine BP [Kj/Kg] PTHP : la puissance de turbine HP [KW]

liste des nomenclatures

Wu : le travail massique utile [Kj/Kg] Pu : la puissance utile[KW] g : le rondement global Vm : volume massique [m3/Kg] M : la masse molaire [g/mol] m : lamasse [Kg]

Introduction gnrale

1

INTRODUCTION GENERALE

Les turbines gaz ont connus au cours dernires annes un dveloppement considrable dans des nombreuses applications industrielles. En particulier dans le domaine du transport et de rinjection du gaz.

Notre travail est une contribution dans ltude dune turbine gaz de la station de compression; cette station a pour but de rcuprer les gaz moyenne pression des units de traitement M0 etM1 et de fournir les frigorifies ncessaires pour le refroidissement des gaz et rcupration de GPL des ces modules.

La grande puissance, le bon fonctionnement ainsi que les hautes performances des turbines gaz font delles un des moyens les plus sollicits pour lentranement des charges mcaniques (compresseur centrifuge de gaz).

Parmi les turbines utilises dans les centres industriels,les turbines MS5002b qui possdent deux arbres indpendants mcaniquement, fabriqu par NUOVO PIGNONE.

Nous avons ralis ce mmoire sur ltude de la turbine en insistant sur lorganisation et la maintenance de la turbine gaz en vu dobtenir un fonctionnement plus requis et ltude nergtique et de performance pour dterminer les diffrents paramtres. Ce travail est termin par ltude de l'influence de diffrents facteurs qui peuvent engendrs des problmes lors du fonctionnement de la turbine.

Chapitre IGnralits

2

I.1. PRESENTATION DU CHAMP DE HASSI RMEL : Le rservoir de gaz de Hassi Rmel se situe approximativement 500 Km au sud dAlger, une altitude de 760 m. Ce gisement stend sur une superficie de 3500 Km2 soit 70 Km environ dans la direction Nord-sud et 50 Km environ dans la direction ouest.

I.1.1. Dveloppement des champs de HASSI RMEL : Le dveloppement du champ de HASSI RMEL sest trouv troitement li au dveloppement de lindustrie du gaz dans le monde et les importantes rserves dceles par ce gisement, plus de 2000 milliards de m3 ont constitu un atout important pour lancer une politique dindustrie gazire de grande envergure pour le pays. Trois tapes importantes ont marqu le dveloppement du champ de HR : * Premire tape (1961) : Ralisation dune petite unit de traitement de gaz de 1,3 milliards de m3/an, cette ralisation a concid avec la construction de la premire usine de liqufaction de gaz en 1964. * Deuxime tape : La capacit de traitement des champs de HASSI RMEL atteint, aprs la nationalisation des hydrocarbures en 1971, 14 milliards de m3/an. * Troisime tape : Cette priode a permis de caractriser un plan de dveloppement qui concerne lensemble du champ en mesure de rpondre aux besoins nergtique du pays ainsi quaux besoins de nos partenaires. Ce plan a permis galement de doter HASSI RMEL dun modle dexploitation en mesure doptimiser la rcupration de diffrents produits. La capacit de traitement a t porte 94 milliards de m3/an par :

- La ralisation de 4 complexes de traitement de 20 milliards de m3. - Le forage de 150 puits producteurs.

- Le forage galement de 52 puits injecteurs. - La ralisation des rseaux de collecte et de dessert de 1000 Km, haute pression (en entre). - La ralisation de deux stations de rinjections de gaz dune capacit unitaire de 30 milliards de m3 et dune puissance unitaire de 600000 CV. - La ralisation dun rseau routire de 400 Km.

I.1.1.1. Installations gazires du champ de HASSI RMEL: Les champs de HASSI RMEL se composent de trois zones dexploitation (nord, centre et sud) entre lesquelles ont t intercale deux zones de rinjection.

Chapitre IGnralits

3

Zone nord : est constitue du module 3 et de la station de compression Nord. Zone centrale : est constitue des modules (0, 1 et 4).

- CSTF : le Centre de Stockage et de Transfert des Fluides (condenst et du GPL). - CTH : le Centre de Traitement dHuile. - SRGA : le Station de Rcupration des Gaz Associs. - CNDG : le Centre National de Distribution du Gaz. - lunit commune-phase B.

Zone sud : est constitue du module 2, la station de compression Sud.

FigureI.1: Rpartition des diffrentes installations sur le champ de HASSI RMEL

I.1.1.2. Projet BOOSTING: Lexploitation du gisement saccompagne avec une baisse de pression .Et tenant compte des conditions de fonctionnement des procds utiliss, de loptimisation de la rcupration des condensable et des caractristiques commerciales des diffrents produits, le BOOSTING du gaz brut est ncessit incontournable. Il se compose de :

- Le forage de puits additionnels.

- Modification du rseau de collectes existant.

- Trois stations BOOSTING pour la compression du gaz brut lentre des units.

6 km

N

HUILE

CTH 2

CTH 4

CTH 1

CTH 3

: Units de traitement gaz

: Station BOOSTING

: Centre de traitement dhuile

: Station de re injection de gaz

: Anneau dhuile

Zone sud

Zone centre

Zone nord

: Station de Rcupration des Gaz Associes

Chapitre IGnralits

4

I.1.2. Production des champs de HASSI RMEL : Le dveloppement final du champ permis datteindre les capacits de production suivantes :

100 milliards de m3 de gaz par an.

12 millions de tonnes de condenst par an.

3.5 millions de tonnes de GPL par an.

I.1.3. Description du procde de la phase B : les branchements communes dans la phase B sont constitues dun systme de contact (Glycol /Gaz) tel que :

- la dshydratation du Gaz de tte dethaniseurs des modules 0 et 1. - de lquipement pour la rgnration du Glycol. - du systme de compression du Gaz de tte dethaniseurs. - du systme de production et de stockage de propane pour lappoint du Rfrigrant.

Elle comprenne aussi des utilits des quipements auxiliaires communs.

I.1.4. Les installations de la phase B est : La zone de dshydratation au Glycol. La zone de compression de tte du dethaniseurs. La zone de production et du stockage de propane. La partie de rfrigration au propane. Les utilits.

Et la partie torche.

I.2. DEFINITION : La turbine gaz est un moteur combustion interne, dont le rle est la reconversion de lnergie thermique due la combustion d'un hydrocarbure en nergie mcanique (couple mcanique sur larbre de la turbine). La turbine gaz prend l'air atmosphrique et le comprime dans son propre compresseur, augmente la puissance nergtique de l'air dans sa chambre de combustion et convertie cette puissance en nergie mcanique utile pendant le processus de dtente qui a lieu dans la section turbine. L'nergie mcanique qui en rsulte est transmise par l'intermdiaire d'un accouplement en puissance utile une machine rceptrice alternateurs, pompes centrifuges, compresseurs de gaz...Etc.).

Chapitre IGnralits

5

I.3. HISTORIQUE DE LA TURBINE A GAZ: Dans lhistoire de la turbine gaz, on peut distinguer trois priodes : En 1791, lAnglais John Barber brevetait un appareil hybride puisque cette turbine gaz comportait un compresseur alternatif. Pour les turboracteurs, cest le Franais Lorin qui, en 1911, en fait breveter le principe.

Entre 1901 et 1906, les recherches des Franais Armengaud et Le Male aboutissent au premier turbomoteur autonome avec un rendement global 3%. En 1930: Brevets par Frank Whittle de moteurs raction daviation qui sont des turbines gaz

Annes 1950: utilisation des turbines pour la production dlectricit avec un rendement de 30%

Annes 60: diminution du cot du gaz, utilisation des turbines gaz se multiplie dans le domaine industriel notamment dans lindustrie ptrolier et de gaz.

I.4. CLASSIFICATION DES TURBINES A GAZ : I.4.1. Daprs le mode de construction :

Turbine mono-arbre : Le compresseur et les sections de la turbine sont monts sur un mme arbre ce qui permet de tourner la mme vitesse, ce type est utilis pour les applications qui nont pas besoin des variations de vitesse telle que lentranement des gnratrices pour production de llectricit.

Figure I.2 : schma de turbine mono-arbre

Turbine bi-arbre:La turbine gaz se compose de deux roues turbines indpendantes mcaniquement. La roue turbine HP entrane le rotor du compresseur axial et les accessoires, tandis que la roue BP deuxime tage sert entraner lorgane rcepteur (ex : lescompresseurs).

Chapitre IGnralits

Le but des roues turbines non relis est de permettre aux deux rdes vitesses diffrentes pour satisfaire aux exigences de charge variable de rcepteur.

I.4.2. Daprs le mode de travail Turbine action

transformation thermodynamique du fluide se fait uniquement dansaubages fixes ). Les aubes mobiles nont quun rle jouer, c'est de transformer lnergie cintique acquise par la dtente au rotor. Lvolution des gaz dans la roue se fait sans variation de pression statique (p2 = p3).

Turbine ractionaussi bien dans les canaux fixeslnergie thermique est transforme dans la roue en nergie cintique et mcaniqueLvolution des gaz dans la roue se fait avec variation de la pression statique p> p3.

Figure

compresseur

6

Le but des roues turbines non relis est de permettre aux deux rdes vitesses diffrentes pour satisfaire aux exigences de charge variable de

Figure I.3 : schma de turbine gaz bi-arbre

le mode de travail :

Turbine action :Le principe de fonctionnement dune turbine action, est que la transformation thermodynamique du fluide se fait uniquement dans

Les aubes mobiles nont quun rle jouer, c'est de transformer lnergie cintique acquise par la dtente (p1> p2) en travail mcanique communiqu

Lvolution des gaz dans la roue se fait sans variation de pression statique

raction :Dans les turbines raction, nous savons que la dtente se fait aussi bien dans les canaux fixes que dans les canaux mobiles, clnergie thermique est transforme dans la roue en nergie cintique et mcanique

des gaz dans la roue se fait avec variation de la pression statique p

Figure I.4 : schma de turbine action et turbine raction

Chambre

HP BP compresseur

Le but des roues turbines non relis est de permettre aux deux roues de fonctionner des vitesses diffrentes pour satisfaire aux exigences de charge variable de lorgane

arbre

Le principe de fonctionnement dune turbine action, est que la

transformation thermodynamique du fluide se fait uniquement dans la directrice (entre Les aubes mobiles nont quun rle jouer, c'est de transformer

en travail mcanique communiqu

Lvolution des gaz dans la roue se fait sans variation de pression statique

Dans les turbines raction, nous savons que la dtente se fait

que dans les canaux mobiles, c--d quune partie de lnergie thermique est transforme dans la roue en nergie cintique et mcanique.

des gaz dans la roue se fait avec variation de la pression statique p1 > p2

: schma de turbine action et turbine raction

Charge

Chapitre IGnralits

7

I.4.3. Daprs le mode de fonctionnement thermodynamique : La turbine gaz cycle ouvertdont laspiration et lchappement seffectuent directement dans latmosphre, ce type de turbines qui est le plus rpandu se divise en deux classes : turbine cycle simple et turbine cycle avec rgnration ou mixte.

Turbine cycle simple : cest une turbine utilisant un seul fluide pour la production dnergie mcanique aprs la dtente les gaz possdant encore un potentiel nergtique sont perdus dans latmosphre travers la chemine.

Turbine cycle avec rgnration :Les pertes de chaleur causes par les gaz dchappement sont les plus importantes dans linstallation de turbine gaz. Pour cela le rendement des installations de turbine gaz peut tre augment, en conduisant les gaz dchappement dans un changeur thermique o ils rchauffent lair sortant du compresseur avant son entre dans les chambres de combustion on rcupre une partie de chaleur sensible de ces gaz qui se trouvait perdue dans latmosphre.

I.5. LE CYCLE THERMODYNAMIQUE DE TURBINE BI-ARBRE:

Figure I.5 : schma de cycle thermodynamique de turbine bi-arbre 1-2: Compression isentropique dans le compresseur. 1-2 : compression relle dans le compresseur. 2-3: Apport de chaleur pression constante dans la chambre de combustion. 3-4: Dtente isentropique dans la turbine (HP). 3-4 : dtente relle dans la turbine (HP). 4-5: Dtente isentropique dans la turbine (BP). 4-5 : dtente relle dans la turbine (BP). 5-1 : Echappement vers latmosphre

Chapitre IGnralits

8

Ltude du cycle thermodynamique dcrit rellement dans une turbine gaz devrait, en toute rigueur, tenir compte de toutes les imperfections des diffrentes parties de cette machine. Dans le diagramme T, S de figure I-4 ci-dessus, sont reprsentes la fois le cycle idal (1,2,3,4,5) et cycle rel (1,2,3,4,5) donc les valeurs de T2,T4, T5 sont donnes par les relations :

Le travail :

Wc = Cp(1,2) (T2-T1) WTHP =Cp(3,4) (T4-T3)

Le travail utile devient : Wu = WTBP = Cp(4,5) (T4-T5)

le rendement :

Cp,T3 T4

Cp,T3 T4

Cp,T4 T5

Cp,T4 T5

I.6. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA TURBINE A GAZ : Une turbine gaz fonctionne de la faon suivante :

elle extrait de lair du milieu environnant

elle le comprime une pression plus leve.

elle augmente le niveau dnergie de lair comprim en ajoutant et en brulant le combustible dans une chambre de combustion.

elle achemine de lair pression et temprature leves vers la section de la turbine, qui convertit lnergie thermique en nergie mcanique pour faire tourner larbre -turbine

La dtente se produit sur deux tages travers deux roues indpendantes mcaniquement, la premire roue dite roue HP est destin uniquement lentranement du compresseur dair et les accessoires attels larbre tandis que la deuxime roue dite roue BP (roue de puissance) et relier la charge (rcepteur).

Chapitre IGnralits

9

Figure I.6 : schma de principe de turbine gaz bi-arbre

CH

Chapitre IItude descriptive de turbine gaz MS5002b

10

INTRODUCTION :

Lobjectif de ce chapitre est de prsenter une tude descriptive des diffrentes sections et systmes de linstallation de la turbine gaz"MS 5002B" Les turbines gaz au niveau du champ de Hassi Rmel sont de modle MS 5002, elles sont utilises pour entraner des compresseurs centrifuges multi tages dans les stations de traitement de gaz

II.1. CARACTERISTIQUES DE LA TURBINE MS 5002B :[1] Marque ..GENERALE ELECTRIQUE Fabricant .....................................NUOVO PIGNONE Srie du model .....................................................MS 5002b Cycle .................................................................................................................................Simple

Rotation de larbre .....................sens inverse des aiguilles d'une montre Type de fonctionnement .Continu Vitesse de larbre HP.....5100 tr/min Vitesse de larbre BP.....4670 tr/min Commande.......MARK II Dbit carburant ..........2 Kg/s Systme de dmarrage .........Turbine dtente Rendement thermique .... 28% Attnuation du bruit..silencieux dadmission et dchappement selon les . exigences locales ;

Section du compresseur : Nombre des tages du compresseur axial........16; Type du compresseur......coulement axial, srie lourde ; Plan de joint.....bride horizontale ; Type daubes directrice dentre....variable ; Pression ladmission ................1,013 bar ; Pression de refoulement............6 bars ;

Section de la turbine : Nombre des tages de la turbine.02 ; Plan de joint.bride horizontale ; Directrice du premier tage..........fixe ; Directrice du deuxime tage.....variable ;


11

Section de combustion :

Type.......12 multiples foyers, types flux inverses ;

Configuration des chambres.....concentrique autour du compresseur ; Combustible ............ Gaz naturel ; Bougies dallumage...............................deux, types lectrodes ressort, auto rtractant; Dtecteur de flamme.........................deux, type ultraviolet ;

Ensemble paliers : Quantit.......04 ; Lubrification.......sous pression;

Pompes d'huile de graissage: Pompe de graissage principale.Entrane par arbre intgral avec le rducteur auxiliaire; Pompe de graissage auxiliaire...Entrane par moteur, verticale, centrifuge, immerge ; Pompe de graissage de secours.Entrane par moteur, verticale, centrifuge, immerge ;

II.2. SECTION D'ADMISSION : La section d'admission (figure II.1) d'une turbine gaz a pour but de diriger l'air ambiant dans l'admission du compresseur axial afin de garantir:

1- Une bonne filtration de l'air pour le bon fonctionnement de la turbine.

Les particules solides contenues dans l'air admis (surtout pour les atmosphres humide) peuvent se colles sur les bouts d'ailettes de compresseur, ainsi que sur la base des aubes de stator par effet des forces centrifuges, donc une perte de rendement du compresseur et une augmentation de la consommation spcifique de la turbine.

Des grains de sable non bloqus par le filtre pour le cas des turbines implantes dans le sahara, causent une usure rosive surtout aux hautes vitesses de rotation, cela peut changer le profil arodynamique des ailettes, et peut mme aller jusqu' l'arrachement des ailettes du compresseur.

La prsence des agents corrosifs par exemple: (Chlorure de Sodium prs de la mer et dans les rgions sales), peut induire une dgradation corrosive des quipements de la machine.


12

2- Un dbit d'air admis rgulier afin de produire la puissance voulue. Le bouchage du filtre limite le dbit d'air admis, qui a pour consquences une chute de puissance, et une augmentation de la consommation spcifique.

La section d'admission comprend les lments principaux suivants: filtre d'admission, conduite, silencieux, coude, caisson d'admission et accessoires. L'air entre dans le filtre, traverse la conduite, le silencieux, le coude et le caisson d'admission et enfin le compresseur.[1]

Figure II.1 : Schma de la section dadmission

II.3. SECTION COMPRESSEUR : La section du compresseur axial comprend le rotor et le corps du compresseur de seize (16) tages de compression, les aubes variables de la directrice et de deux dflecteurs de sortie. Lair est comprim a travers dune srie d'aubes du rotor et les aubes du stator guident l'air et loriente dans l'tage suivant du rotor.[2] Le rle du compresseur axial, est essentiel, il se rsume en :

Assurer l'alimentation des chambres de combustion avec l'air comprim, pour l'opration de combustion;

Assurer un dbit et une pression de valeurs convenables pour avoir une puissance utile suffisante;

Assurer le dbit d'air ncessaire pour le refroidissement des pices exposes aux fortes contraintes thermiques


13

Figure II.2 : Schma de rotor et stator du Compresseur axial

La partie stator (corps du compresseur) est compose de quatre lments principaux qui sont: Corps cot aspiration: Le corps dadmission se trouve lavant de la turbine gaz, sa fonction est de diriger l'air de faon uniforme vers le compresseur, il porte le premier palier du stator.

Corps partie avant: contient les quatre premiers tages du stator, il transmet galement les charges de structure qui viennent du corps adjacent vers le support avant.

Corps partie arrire : Contient les derniers tages du stator, les orifices d'extraction prvus dans ce corps permettent de prlever l'air au niveau du dixime tage du compresseur. Cet air est employ pour refroidir, assurer les fonctions d'tanchit et contrler les pulsations au dmarrage et l'arrt.

Corps cot refoulement : Cest l'lment final et la pice coule la plus longue, situ mi-chemin entre les supports avant et arrire. Ce corps porte le deuxime palier de la turbine. Sa fonction est de contenir les sept derniers tages de compression et forme avec la paroi intrieure et extrieure le diffuseur du compresseur.

II.4. SECTION DE COMBUSTION : La section de chambre de combustion de la turbine gaz MS5002B comporte l'enveloppe de combustion qui est compose de douze corps de combustion extrieure, douze ensembles chapeau et chemises de combustion, douze ensembles de pices de transition et douze injecteurs de combustible, deux bougies d'allumage, deux dtecteurs de flamme, douze tubes foyer et divers garnitures. L'enveloppe de combustion soutient les douze corps de combustion et renferme les douze pices de transition. Cest un lment soud entourant la partie arrire du corps de refoulement du compresseur et recevant l'air de refoulement du compresseur flux axial.Le


14

combustible est envoy dans chaque chemise des chambres de combustion par un injecteur de combustible mont dans le couvercle de cette dernire et pntrant dans la chemise. Lorsque l'allumage se produit dans les tubes foyer, ils vont allumer le mlange air combustible des autres chambres.[1]

Figure II.3 : Schma de section de combustion

II.4.1. Corps de combustion: Les brides arrires des douze corps de combustion sont montes sur la surface verticale avant de l'enveloppe de combustion. Les ensembles chapeau-chemise se trouvent l'extrieur de chaque corps. Les injecteurs de combustibles monts dans les couvercles du corps de combustion pntrent dans les chambres et assurent l'alimentation en combustible


15

Figure II.4 : schma de chambre de combustion

II.4.2. Bougie d'allumage: La combustion du mlange de combustible et dair est dclenche par les bougies avec lectrodes rtractiles. Deux bougies sont installes dans chacune des deux chambres de combustion, (N9 et N10) et reoivent lnergie des transformateurs dallumage. Les autres chambres sans bougies, sont allumes travers les tubes-foyers dinterconnexion.

Figure II.5 : schma de bougie dallumage


16

II.4.3. Dtecteurs de flamme ultraviolets : Pendant la squence de lancement, on envoie une indication de prsence ou dabsence de flamme au systme de commande, gr par le systme de contrle de flamme. Le capteur de flamme est sensible la prsence des radiations ultraviolettes mises par la flamme aux hydrocarbures.

Figure II.6 : schma de Dtecteurs de flamme ultraviolets

II.4.4. Injecteur de combustible : Chacune des chambres de combustion est quipe dun injecteur de combustible qui pulvrise sous forte pression une quantit donne de combustible dans la chambre de combustion. Lecombustible gazeux est admis directement dans chaque chambre par les trous de dosage positionns au rebord extrieur du bout des injecteurs de combustible. II.4.5. Le rle de la chambre de combustion: Le rle de la chambre de combustion est de fournir la quantit de chaleur ncessaire pour le cycle de la turbine gaz. La forme des chambres de combustion est conue pour remplir les conditions suivantes:

La dure de vie la plus longue possible. Avoir un encombrement minimal. Garantir un bon allumage et une stabilit de la flamme. Assurer une combustion la plus complte possible. Eviter le dpt de carbone sur les brleurs et les parois, ainsi que des fumes. Rduire les pertes de charges.


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II.5. SECTION TURBINE : Cette section comprend les lments suivants: le corps de la turbine, la directrice de premier tage, la roue de la turbine premier tage (turbine HP), la directrice aubes variables de deuxime tage et la roue de la turbine de deuxime tage (turbine BP). Cette section comprend aussi le diaphragme (sparer les deux tages de la turbine et former le couloire de passage dair) ltanchitdair et la veine des gaz entre lesdivers tages. Pour permettre le montage du rotor et faciliter lentretient, le corps du stator est fondue en deux parties surface de contact horizontale.[2] II.5.1. Directrice de premier tage Elles sont supportes dans la veine de gaz par un dispositif de fixation prvu dans le corps de la turbine. L'air refoul par le compresseur partir des enveloppes de combustion vient dans l'anneau support de retenu des aubes creuses de la directrice, pour s'chapper par les trous d'extraction dans la veine de gaz vers l'chappement. Ce flux d'air permet le refroidissement des aubes de la directrice.

Figure II.7 : schma de directrice de premier tage

II.5.2. Directrices deuxime tage: Elles sont Composes d'aubes orientables, qui forment un angle variable avec la directrice d'coulement des gaz dans la section annulaire juste avant le deuxime tage de la turbine BP. On peut donner une rotation grce des axes qui dpassent des manchons prvus dans le corps de la turbine. Les leviers clavets l'extrmit de ces axes et sont relis par des biellettes des points de la couronne de contrle qui sont actionns par un piston hydraulique.


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Figure II.8 : schma de directrice de deuxime tage

II.5.3. Rotor de la turbine : La turbine gaz dispose de deux rotors spars : celui du 1er tage ou de la turbine haute pression, et le rotor de la turbine de 2me tage, ou de la turbine basse pression.

Les deux rotos de la turbine sont aligns dans la section turbine et sont mcaniquement indpendant lun de lautre, ce qui permet aux deux turbines de tourner des vitesses diffrentes.

La roue de la turbine du premier tage est boulonne directement sur le demi-arbre arrire du rotor du compresseur.

La roue de deuxime tage est boulonne sur larbre de la roue pour former le rotor de turbine basse pression (de puissance). Ce rotor est soutenue par deux paliers : le coussinet lisse N3 situ lavant du cadre dchappement et le palier de bute et coussinet lisse N4 situ dans un logement de palier boulonn larrire du cadre dchappement.

Figure II.9 : Schma de rotor HP et rotor BP

Chapitre IIIsystmes dinstallation de turbine gaz MS5002b

19

INTRODUCTION: Les systmes d'une turbine gaz jouent un rle trs important dans le fonctionnement de linstallation, car la continuit de service et la dure de vie de la turbine dpendent en grande partie de leurs caractristiques,leur prcision, la rapidit et leurs temps de rponse.

III.1. SYSTEME DE DEMARRAGE : Le but principal du systme de dmarrage est d'acclrer la turbine jusqu' la vitesse minimale d'autonomie. Le lancement de la turbine est assur par le moteur asynchrone qui fonctionne au travers dun convertisseur de couple pour assurer le couple de dmarrage ncessaire pour la turbine.

Le moteur de lancement fait crotre la vitesse du rotor de la turbine jusqu' 22% de sa vitesse nominale dans une minute, l'ensemble se stabilis pendant les cinq minutes qui suivent la vitesse de 22%, afin de permettre le balayage des gaz rsiduels, et l'alimentation avec le gaz combustible.

Aprs le balayage, la flamme est ensuite enflamme, et le processus de dmarrage commence lacclration jusqu une vitesse de 60% de la vitesse nominale.Le passage de 22% 60% se fait dans environ 8mn. A cette vitesse le moteur de lancement est dcouple du compresseur axial et la turbine atteint la phase de son autonomie, o elle acclre jusqu sa vitesse nominale.

III.2. SYSTEME DE GRAISSAGE : Il assure la lubrification des pices en contact en mouvement dans la turbine gaz. Cest un systme dhuile sous pression en boucle ferme, comprenant un bac huile, des pompes, des changeurs de chaleur (rfrigrants huile), filtres, vannes et des dispositifs divers qui contrlent et protgent le systme. Lhuile de graissage conditionnpar le systme circule jusqu atteindre les paliers de la turbine, et les quipements de charge entrains. Le systme de graissage est quip de 3 pompes :

III.2.1. Pompe principale : Cest une pompe volumtrique,monte et entraine par le rducteur auxiliaire. Elle pompelhuile de graissage du rservoir vers les diffrents points de graissage de linstallation durant la marche normale.


20

III.2.2.Pompe auxiliaire: Elle est entraine par un moteur courant alternatif, sa fonction est de fournir de lhuile aux paliers et laccouplement lors du dmarrage et larrt de la turbine quand la pompe principale ne peut fournir une pression suffisante pour le fonctionnement en conditions de scurit.

III.2.3. Pompe de secours : La pompe centrifuge dhuile de graissage de secours fonctionne en cas o la pompe auxiliaire a t force hors service ou elle est incapable de maintenir la pression adquate de lhuile de graissage. Elle est entraine par un moteur courant continu (alimente par des batteries).

Figure III.1 : schma de systme de graissage

III.3. SYSTEME DE COMMANDE DE COMBUSTIBLE : Le rle de ce systme est d'assurer l'alimentation des chambres de combustion par le combustible (le gaz naturel pour le cas de la turbine tudie), avec la pression et le dbit appropris pour satisfaire toutes les exigences de lancement.


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Figure III.2 : Schma de systme de commande de combustible

Le gaz doit arriver la turbine sous pression, aprs filtrage, travers deux vannes situes en srie : la vanne arrt dtenteSRV et la vanne de contrle du combustible GCV (SRV servo commander la vanne SRV et GSV servo commander la vanne GCV). Le combustible, parfaitement dos, parvient au brleur (1 par chambre de combustion) travers un distributeur annulaire. La vanne arrt dtente a la double fonction darrter et de rgler la pression du gaz en aval (cette vanne tant commande par le systme de protection de la turbine).A cette rgulation il faut ajouter celle exerce par la vanne de contrle du combustible (GCV) laquelle souvre en fonction linaire par rapport au signal quelle reoit de larmoire de commande et de contrle.

III.4. SYSTEME DE REFROIDISSEMENT ET D'ETANCHEITE : Dans une turbine gaz, certaines parties sont exposes des contraintes thermiques trs leves. Leur refroidissement est indispensable, afin d'viter leur dtrioration. Pour cette raison, une partie de l'air frais soutire du compresseur axial, ainsi quune deuxime partie aspire de l'atmosphre sont envoyes pour le refroidissement des endroits critiques, et servir aussi l'tanchit (pressuriser les joints d'huile des paliers).


22

Les pices refroidies sont :

Les roues de la turbine du premier et deuxime tage;

La directrice du premier tage.

Le carter du rotor de la turbine. En effet, un excdent d'air de refroidissement serait positif pour la dure de vie des pices, mais ngatif pour le rendement de la machine, et vice-versa. En plus, l'air de refroidissement soutir du compresseur, ne va pas participer la combustion, donc il va rduire le travail utile obtenu.

III.5. SYSTEMES DE PROTECTION : III.5.1. Systme de protection de survitesse : Lors dun problme de survitesse un signal est mis par le contrleur lectrique pour arrter le carburant. Au-del dune valeur limite, une sorte de freinage mcanique (arrt de la machine) est dclench automatiquement. La masse de survitesse HP est assemble dans larbre du rducteur des auxiliaires. La masse de survitesse BP est place dans larbre de la turbine seconde tage

III.5.2. Systme de protection de dpassement de temprature : Le systme de protection de dpassement de temprature est lun des systmes de protection primaires de la turbine gaz. Le systme dclenche une alarme ds que ta temprature dpasse la limite fixe.

Figure III.3 : Schma de systme de refroidissement et d'tanchit

Air dtanchit Air de combustion Air de refroidissement

Generator cooling


23

III.5.3. Systme de protection et de dtection des vibrations : Le systme est constitu de plusieurs dtecteurs de vibrations. Il agit pour mettre la turbine soit en alarme soit en dclanchement. Les capteurs ou dtecteurs de vibrations sont rpartis stratgiquement en diffrents points de la turbine.

III.5.4. Systme de protection et de dtection de flamme : Le systme sert pour les trois fonctions principales suivantes :

Lorsque la vanne de rgulation qui contrle larrive du combustible pour lallumage est en fonctionnement et que les circuits dallumage sont sous tension dans la squence de dmarrage, la vanne darrt de combustible se dclenche si la flamme nest pas dtecte dans le temps rgl du temporisateur dallumage (gnralement 60 secondes). Et les circuits dallumage ne sont plus sous tension. Cela permet dviter un excs de concentration de combustible dans la turbine et dans le systme dchappement pour viter tout risque dexplosion dans les conduites.

Lorsque la flamme est tablie et dtecte au moment de lallumage dans la squence de dmarrage, la dtection de la flamme est utilise pour commander dautres phases de la squence de dmarrage pour la monte en rgime de la turbine.

Sil y a une disparition de flamme aprs que lallumage ait t tabli, la totalit du dbit de combustible alimentant la chambre est immdiatement arrte pour empcher le combustible non brl de pntrer dans lchappement.

III.5.5. Dispositif d'anti-pompage : Le pompage est marqu par la rupture complte de lcoulement continu travers le compresseur et rsulte en larges oscillations de dbit avec le temps ce qui ferait des endommagements importants sur les organes mcaniques La protection contre le pompage est donc une ncessit. Deux modes de protection sont appliques :

Dbit entrant rglable (variable) : En amont du compresseur axial est plac un tage d'aubes mobiles en rotation (variables) dites IGV, la fermeture de ces aubes permette de limiter le dbit d'air admis et cela lors du dmarrage, o la vitesse du rotor est encore faible, l'ouverture de ces aubes croit progressivement avec l'acclration de la turbine, jusqu' atteindre une ouverture complte correspondante au maximum de dbit et vitesse de rotation.


24

Vanne anti-pompage (VAP): Un piquage au niveau du 10e tage du compresseur vers l'atmosphre, sert vacuer une partie de l'air admis l'atmosphre afin d'viter la pulsation du dbit (retour de l'coulement).

Chapitre IV maintenance de turbine gaz MS5002b

25

INTRODUCTION: Les installations et les quipements se dtriorent sous laction de multiples causes ; surcharge en cours de fonctionnement, mauvaise exploitation, action des agents corrosifs, chimique, atmosphrique, etc. Ces dtriorations peuvent tre lorigine des arrts de fonctionnement (pannes), de la diminution de production, laugmentation des cots de faon gnrale.

IV.1. DEFINITION DE MAINTENANCE: Ensemble de toutes les oprations visant assurer un taux de disponibilit des quipements dans les meilleures conditions de cout et de scurit.

IV.2. LES FORMES DE LA MAINTENANCE: Les diffrents types de la maintenance sont illustrs dans le diagramme suivant :

Figure IV.1 : Les diffrents types de maintenance

MAINTENANCE

Maintenance prventive

Maintenance

systmatique

Maintenance corrective

Maintenancec

onditionnelle

Effectue des

intervalles rguliers

laide dun chancier

Effectue enFonction

de l'tat de machine

laide dindicateurs

Effectue aprs

toute panne


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IV.3. MAINTENANCE APPLIQUEE SUR LES TURBINES A GAZ MS5002B: IV.3.1. La maintenance systmatique (les inspections l'arrt): Elle ncessite le dmontage de la turbine diffrents degrs:

IV.3.1.1. Une inspection du systme combustion (combustion inspection CI): chaque 8000 h de fonctionnement;

Une inspection du systme combustion rclame un temps darrt relativement court de la turbine gaz afin de vrifier ltat des lments suivants :

Brleur.

Chambre de combustion (chemise, chapeau, douille dcoulement). Tubes dinterconnexion.

Bougies dallumage.

Dtecteurs de flammes. [3]

Tableau IV.1 : Inspections typiques de systme de combustion

TBC : Revtement de Protection Thermique. Protection extrieure des chambres de combustion et des pices de transition.

Le boroscope se compose d'un gnrateur de lumire, d'un conducteur de lumire flexible et d'un appareil optique rigide avec lentille haute qualit.

Chapitre IV maintenance de turbine

IV.3.1.2. Inspections de la veine des gaz chauds (hot gaz parth inspection HPGI):16000 h de fonctionnement

Le but de ce niveau dinspection est dexaminer les pices de la turbine les plus soumises aux contraintes par les tempratures leves du systme des gaz de combustionvisite comprend essentiellement

Directrices, touts les tages.

Aubes du rotor, tous les tages.

Anneaux de protection

Tableau IV.

Notes : (1)inspection au boroscope, accs au carter intermdiaire de la turbine.(2)inspection visuelle directrice ou au boroscope du caisson dadmission.

IV maintenance de turbine

27

Inspections de la veine des gaz chauds (hot gaz parth inspection HPGI): h de fonctionnement :

Le but de ce niveau dinspection est dexaminer les pices de la turbine les plus soumises es par les tempratures leves du systme des gaz de combustion

visite comprend essentiellement :

Directrices, touts les tages.

Aubes du rotor, tous les tages.

Anneaux de protection extrieurs, tous les tages. [3]

Tableau IV.2 : Inspections typiques de la veine des gaz chauds

inspection au boroscope, accs au carter intermdiaire de la turbine.inspection visuelle directrice ou au boroscope du caisson dadmission.

IV maintenance de turbine gaz MS5002b

Inspections de la veine des gaz chauds (hot gaz parth inspection HPGI):chaque

Le but de ce niveau dinspection est dexaminer les pices de la turbine les plus soumises es par les tempratures leves du systme des gaz de combustion ; cette

typiques de la veine des gaz chauds

inspection au boroscope, accs au carter intermdiaire de la turbine. inspection visuelle directrice ou au boroscope du caisson dadmission.

Chapitre IV maintenance de turbine

IV.3.1.3. Rvision gnralec'est une rvision gnrale qui est faite chaque

Le but dune rvision gnrale est dexaminer toutes les pices intrieures du stator et du rotor, de ladmission de la chambre des filtres jusquaux systmes dchappement y compris le rducteur de charge et la machine conduite.

(1) mthodes principales dinspection

(2)Y compris les zones adjacentes aux joints labyrinthes.(3)Anneaux de protection

IV maintenance de turbine

28

Rvision gnrale (major inspection MI) : une rvision gnrale qui est faite chaque 32000 h de fonctionnement

Le but dune rvision gnrale est dexaminer toutes les pices intrieures du stator et du rotor, de ladmission de la chambre des filtres jusquaux systmes dchappement y compris

ducteur de charge et la machine conduite.[3]

Tableau IV.3 : Inspections typiques de rvision gnrale.

principales dinspection : visuelle, par ressuage, par les ultrasons.Y compris les zones adjacentes aux joints labyrinthes. Anneaux de protection extrieure, concentrique aux diamtres extrieurs des aubes.

IV maintenance de turbine gaz MS5002b

h de fonctionnement

Le but dune rvision gnrale est dexaminer toutes les pices intrieures du stator et du rotor, de ladmission de la chambre des filtres jusquaux systmes dchappement y compris

: Inspections typiques de rvision gnrale.

: visuelle, par ressuage, par les ultrasons.

, concentrique aux diamtres extrieurs des aubes.


29

IV.3.2. La maintenance conditionnelle (inspection en fonctionnement): Elle comprend la somme des observations faites durant le fonctionnement de l'unit. Des donnes en opration devrant-tre enregistres pour permettre d'valuer les performances de l'quipement, les besoins d'entretien et d'intervention lorsque ces relevs indiquent des alarmes qui vont dclencher la turbine par la suite. [3] Le tableau suivant montre les paramtres importants contrler ainsi que leurs modes de contrle.

Les paramtres Mode de contrle I E S P

-Vitesse de rotation de la turbine HP et BP +

- Temprature l'chappement. + + + -Temprature l'entre de la turbine + + + + - Vibration au niveau des paliers + + + +

- Risque de pompage + + +

- P filtre air +

- Temprature sortie du compresseur + + - Contrle prsence de la flamme + + - Haute temprature des paliers + + + - Temprature d'huile de graissage + + +

I: indication E: enregistrement S: signal d'alarme P: protection

Tableau IV.4 : modes de contrle des paramtres importants

Conclusion : Il est vivement recommand de faire marcher le groupe charge nulle pendant quelque minutes chaque mois pour asscher lhumidit qui se serait accumule lintrieur des conduites et autres composants en raison des variations de temprature et dhumidit atmosphrique. Cela permettra aussi de faire r-circuler le lubrifiant, recouvrant ainsi les pices mobiles dune huile de graissage qui les protgera de la corrosion.

Chapitre V calcul des performances de la turbine gaz (MS5002b(

30

INTRODUCTION:

Les calculs nergtiques ont pour but de dterminer les performances dans les conditions dexploitation de ces machines (MS5002b) en utilisant les paramtres du site et permettent de vrifier leur aptitude nergtique dans ces conditions de fonctionnement et de dterminer ventuellement linfluence des paramtres climatiques sur les performances de ces machines

Le cycle thermodynamique de la machine la fois idal (1, 2, 3, 4, 5) et rel (1, 2', 3,4',5') est reprsent dans le diagramme (T, S) de figure.1suivante :

Figure V-1: Cycle rel de la turbine gaz


31

V.1.DONNEES DE TURBINES A GAZ BI-ARBRES : V.1.1.Paramtre de lair ambiant :

- Temprature ambiante Ta=20c - pression ambiante d'aprs l'quation (3)

V.1.2.Caractristiques de fonctionnement de turbine gaz : Donnes du constructeur

- Taux de compression : =6 - L'altitude Z=750m - Pertes de charge d'entrer Pa= 0,0119 bars - Dbit de combustible : Qc=2kg/s - Dbit d'air total : Qaa=100,4 kg/s - Dbit d'air pour la combustion : Qac=95kg/s - Rendement isentropique de compression : c=0,88 - Pouvoir calorifique infrieur du combustible (gaz naturel) - Pci=8500Kcal/m3 - Tableau de composition du combustible (voir page 34) - Pertes de charge chambre de combustion Pcc= 0,224 bar - Rendement de la chambre de combustion : cc=0,97 - Rendement mcanique de transmission compresseur - turbine THP, mthp=0,98 - rendement isentropique de la turbine HP : isthp=0,88 - vitesse de rotation de la turbine HP : NTHP =5100tr/min - Rendement isentropique de la turbine BP : istbp=0,87

-Vitesse de rotation de la turbine TBP : NTBP =4670tr/min - Pertes de charge lchappement Pec = 9,81.10 -3 bars

- Rendement mcanique de la transmission de turbine - charge : m tbp=0,97 - Puissance utile Pu =24970KW - Rendement de l'installation g =0,28

La prsentation de ces donnes relles permettent de calculer les paramtres fondamentaux avec les quelles fonctionne chaque partie de cette machine et d'autre part, certains de ces donnes serviront pour la comparaison aux rsultats de calcul.


32

V.2.CALCUL DES PARAMETRES DE LA TURBINE A GAZ (MS 5002b): V.2.1.Calculsdes paramtres du compresseur axial :

Temprature ladmission du compresseur T1: T1=Ta....(1) T1=293,15 K La temprature du compresseur de la turbine est considre gale la temprature ambiante.

Pression de dadmission du compresseur P1:

P1= Pa-Pa..(2) O : Pa : la pression atmosphriquedans la zone dinstallation de la turbine. Pa : chute de pression dans le canal d'admission

. 1 ,, ,

...(3) P0 : la pression atmosphrique au niveau de la mer, P0 = 1,0133bar Pa = 0,9264 bar donc 0,9264 0,0119 = 0,9145 P1 = 0,9145bar

Pression P2 et temprature T2 de fin de compression isentropique: P2=P1......(4) P2= 0,9145 . 6 = 5,487

.

...(5)

La chaleur massique moyenne : La chaleur spcifique de lair Cp la temprature T


33

Les valeurs deT2, CpT,CP(T1, T2)et de asont dtermines respectivement partir des quations(5),(6), (7) et (8) en procdant par itration avec une valeur initiale de achoisi* =1,4 : T2 = 486,553 K CPT1= 0,994 kj/(kg.K) CPT2= 1,013 kj/(kg.K) CP(T1, T2) =1,015kj/(kg.K) * =1,394

Pression P2 et temprature T2 de fin de compression polytropique: P2'=P2(9) P2'=5,487 bars

Calcule de T2': Le rendement de compression isentropique est dfini par :

,- %&','""%&','."."..(10) Donc

/ $ %&','""01%&','. :.(11)

!2",". %3'.".(),%3' "(),

"." ... (12)

Les valeurs de T2', CpT2', CP(T1, T2') sont dtermines respectivement partir des quations (11),(6) et (12) par itration avec une valeur initiale de CP(T1,T2') choisi, CP(T1, T2') = CP(T1, T2) : T2' = 512,926 K Aprs plusieurs itrations, les valeurs de T2' et CP(T1, T2') et CpT2' sont : T2' = 512,374 K CpT2' = 1,016Kj/Kg.K CP(T1, T2') = 1,0175 Kj/Kg.K

V.2.2.Calculs des paramtres du chambre de combustion: Le calcul nergtique de la chambre de combustion permettra de dterminer les paramtres de fin de combustion tant donn que les paramtres de dbut de combustion sont celles de fin de compression.

Pression de fin de combustion P3: P3 = P2' - Pcc,.(13) P3=5,487-0,224

P3=5,263 bars


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Temprature de fin de combustion T3:

La valeur de la temprature T3 est dtermine du bilan de la chambre de combustion suivant :

Figure V-2:Schma de principe du bilan de la chambre de combustion

4-. C267. ,789T. T $


35

Le combustible utilis dans la turbine gaz est un gaz naturel provenant de l'usine de gaz HASSI RMEL et dontla composition est prsentedans le tableau suivant :

Compos Gaz Symbole Formule chimique

Fraction molaire

Masse molaire

Mthane C1 CH4 73,69 16,049 Ethane C2 C2H6 21,26 30,08

Propane C3 C3H8 1,11 44,11 Iso-butane iC4 iC4H10 0,08 58,141

Normal-butane nC4 nC4H10 0,49 58,141 Iso-pentane iC5 iC5H12 0,36 72,17

Normal-pentane nC5 nC5H12 0,37 72,17 Azote N2 N2 2,17 28,013

Dioxyde de carbone Co2 Co2 0,35 44,01 Masse Molculaire 21,26

Tableau V-1: Composition du gaz combustible Raction chimique de la combustion : La combustion provient de l'oxydation des diffrents composant du gaz naturel selon les

raction suivantes :

CmHn + ( m + n/4) O2 mCO2 + (n/2) H2O CH4 + 2 O2CO2 + 2H2O

C2H6 + 7/2 O2 2CO2 + 3H2O

C3H8 + 5 O23CO2 + 4H2O

C4H10 + 13/2 O24CO2 + 5H2O

C5H12 + 8 O25CO2 + 6H2O

Dtermination la masse d'air stchiomtrique :

la quantit d'oxygne pour la combustion d'un composant CmHn est ni ni =( m + n/4).xi .....(18-1) La quantit molaire d'oxygne ncessaire est obtenue par : n(02)min= 2(0,7369) + 7/2 (0,2126) + 5(0,0111) +13/2 (0,0008+0,0049) + 8(0,0036+0,0037)

n(02)min= 2,36885 moles

La masse d'oxygne ncessaire est donc :

m(02) min = n(02)min .MO2 = 75,83 g


36

Comme l'air est compos de l'oxygne et de l'azote avec les proportions suivant :

- en volume 79 % d'azote et 21 % d'oxygne - en masse 76,8 d'azote et 23,2 % d'oxygne

Alors la masse totale d'air minimale ncessaire la combustion est :

m(air)min = m(02) min/0,232 = 326,9 g

La masse du combustible correspondante est :

mc = xi.Mi= 20,33g...(18-2)

xi= fraction molaire du composant i du gaz

Mi= les masse molaire du composant i du gaz

D'o le rapport stchiomtrique :

G?+,Z[ JZZ\ ]/?+JZZ\ ]^ -_J`^Z[?`a\....(18-3)

G?+,Z[ 326,920,33 16,08

Calcul la masse d'air rel :

Le dbit massique de lair pour la vitesse de rotor 5100 tr/min est : Qac= 95 Kg/s

Dbit massique du gaz combustible: Qc= 2 Kg/s

G?+,+ c1c1 .(18-4)

Calcul dexcs dair : Donc, le coefficient dexcs dair : = mair, r/mair, st

47,516,08 2,954 Les valeurs de CP(T0, T3) et de T3 sont dtermines partir des quations (17) et (16) par itration avec une valeur initiale de T3 choisi Note:gnralement la valeur de la tempraturede fin de combustion suprieure 1100 K et inferieure 1300 K [4] ,donc utilise la temprature moyenne, T3=1200 K , de lquation (17) calcule de CP(T0, T3) puis de (16) recalcule de T3 et ainsi de suite : CPT3 = 1,1177kj/(kg.K) T3 = 1189,979 K


37

V.2.3.Section turbine gaz : La section turbine est compose de la turbine haute pression(THP) et de la turbine basse pression (TBP). La premire entraine directement le compresseur lair qui fournit le dbit dair de linstallation. La deuxime est la turbine motrice de puissance. Les deux turbines peuvent fonctionnes des vitesses de rotation diffrentes.

Calculs des paramtres de turbine : V.2.3.1.Gnrateur de gaz (turbine haute pression THP) :

Calcule de temprature de fin de dtente relle T4' : Lapuissance de la turbine HP est utilise pour lentrainement du compresseur dair, donc : - "f . ,J [g2 4. !""./ .(19) PC: puissance de la compresseur PTHP: puissance de la turbine haute pression

"f 4- $ 4-. !2")"V.. ) V/ c.%&''."."

0h ij3 .........................................(20)

V/ ) c.%3''."."

c1Qc1.%3'B'k..0 hij3...(21)

!2"B,"k. %3'B"B(),%3'k. "k.(),

"B"k. .....(22)

La valeur de la temprature T4 et CpT'4 sera dtermine de la relation (21) et (6) et pour cela il faut la chaleur spcifique moyenne au de la dtente haute pression CP(3,4') est suppose en premier gale CP(2,3) qui est dtermine de lquation suivante:

CS7/,7) 0,9102 $ ,(W $ 0,1187.7. Q 7B

................................................................(23)

Donc CP(3,4') = CP(2,3)=1,15 Kj/Kg.K La valeur de la temprature T4 est calcule de lquation (21) T4' = 985,553 K Puis par plusieurs itrations jusqu fixer les valeurs: CPT4' = 1,0652Kj/Kg.K CP(T3, T4') =1,3389Kj/Kg.K T4' =1014,019 K

Calcule de la temprature de fin de dtente isentropique T4 partir du rendement isentropique de dtente haute pression :

,?Z g2 %2'B'k."B"k.%2'B'k"B"k ...(24) V ) %2'B'k."B"k.%2'B'k.0Tl j3 ...(25)


38

!m")"V %2'B"B(),%2'k"k(),"B"k ...(26) Considrons CP(T3, T4) = CP(T3, T4') Calcule CPT4 par l'quation (6) Puis calcul de T4 et de la mme faon que pour la dtente relle,recherche par itration des valeurs: CPT4= 1,0624Kj/Kg.K CP(T3, T4) =1,3108Kj/Kg.K T4=985,733 K

Calcul la pression la sortie de la turbine HP exprime par

V ) "k"Bnj3 nj3 o

....(27)

L'exposant isentropique ghpest donn par :

*pg2 %2'B'k%2'B'k,( 1,28......(28)

D'o

23,2979,1189733,985263,5

28,028,1

4 =

=P

P4 = 2,23 bars P4' = P4= 2,23 bars

V.2.3.2.Paramtres de la turbine de puissance (turbine basse pression BP) : Pression dchappementP5etP5':

P5= P1 + Pech..(29)

Avec : P1 = 0,9145 bars

Pech est donne gale : Pech = 9,81 . 10 -3 bars

d'o

P5 = P5' = 0,924 bars

La temprature de fin de dtente isentropique T5:

V/ qk.nr3 nr3

.......(30)


39

!mV/ %2'k."k.(),%2'q"q(),"k."q ...(31)

L'exposant isentropique gbp est dtermin par :

*p`2 %2'k.'q%2'k.'q+......(32)

Avec r =0, 287 KJ/kgK Les valeurs de CPT5 et de CP(T4', T5) et de T5 sont dtermines partir des quations (6) et (31) et (30)par itration avec une valeur initiale de gbp choisi ex : gbp =ghp , de (31) calcule de CP(T4', T5) puis de (30) recalcule de T5 et ainsi de suite : : gbp =1,3453 CPT5= 1,0449kj/(kg.K) CpT5T4' = 1,1183kj/(kg.K) T5 = 809,1461 K

Temprature de fin de dtente relle T5 :

,?Z `2 %2'k.'q."k."q.%2'k.'q"k."q .....(33) / V/ .0Tl r3%2'k.'q"k."q%2'k.'q. .....(34)

!m"V."/ %2'k."k.(),%2'q."q.(),

"k."q. .....(35) Considrons CP(T4', T5') = CP(T4', T5) Calcule CPT5' par l'quation (6) Puis calcul de T5' et de la mme faon que pour la fin de la dtente relle, recherche par itration des valeurs: CPT5'= 1,0476Kj/Kg.K CP(T4', T5') =1,1209Kj/Kg.K T5' =836,2056 K

V.3.PERFORMANCES DE LA TURBINE: V.3.1.Le travail massique de la turbine haute pression THP :

WTHP = CP (T3, T4').(T3 - T4') ...(36)

WTHP =1,3389.(1189,979-1014,019)

WTHP = 235,5918Kj/Kg


40

V.3.2.La puissance de la turbine haute pression THP:

PTHP = (Qac + Qc) .WTHP = (Qac + Qc).CP (T3, T4').(T3 - T4')........(37)

PTHP = (95+2). WTHP

PTHP = 22852,402 KW

V.3.3.Le travail massique utile ou de la turbine basse pression TBP:

Wu = CP(T4', T5').(T4' - T5')...(38)

Wu = 1,1209.(1014,019 836,2056)

Wu = 199,3167Kj/Kg

V.3.4.La puissance utile de la turbine est : Pu= Wu .Qgc.(39) = Cp(4'5')(T4'-T5'). (Qc+Qac) = 199,3167. ( 2 + 95) Pu = 19333,7181 KW

V.3.5.Le rendement global de la turbine est par dfinition : ,p tij.(40) Pth: la puissance thermique [g -?. 4- . ,--...(41)

0,2533 =,p Dans le tableau V-2 sont prsentes les valeurs des performances du constructeur et des rsultats de calcul de cette tude. Tableau V-2: la comparaison des rsultats obtenus aux valeurs du constructeur

Rendement global g (%) Puissance utile Pu (KW)

28 24970 Donner de constructeur

25,33 19333,7181 Rsulta de calcule

Tableau V-2: la comparaison des rsultats obtenues

Daprs les rsultats obtenus du calcul thermodynamique, les performances calcules sont un peu diffrentes de celle du constructeur. Car certaines conditions de fonctionnement relles sont diffrentes des conditions nominales utilises par le constructeur. Rellement il y a des


41

facteurs (la temprature, la pression et lhumidit) qui prsentent une influence diffrente sur les performances de la machine. Mais ces performances restent dans une marge pour un fonctionnement acceptable de la machine.

V.4. INFLUENCE DES PARAMETRES Uneturbine gaz emploie de lair atmosphrique, donc, ses performances sont considrablement influences par tous les facteurs qui ont un effet sur le dbit massique de lair refoul au compresseur.

Ces factures sont :

V.4.1. la temprature ambiante : Les valeurs de calcul des performances de la turbine pour les tempratures des diffrents mois de lanne sont illustres dans le tableaux V-3 et sur les figures V-3 et V-4

Tableau V-3 la puissance et le rendement de la turbine pour les diffrents tempratures mois de lanne.

Mois JAN FIV MAR AVR MAI JUI

T[K] 282,65 283,15 287,65 292,15 296,65 302,65 PU[KW] 19590,24 19578,034 19468,143 19358,17 19248,11 19101,24

G[%] 25,67 25,65 25,51 25,36 25,22 25,03 Mois JULL AUT SEP OCT NOV DEC

T[K] 307,15 305,15 299,65 293,15 286,65 283,65 PU[KW] 18991 19040,003 19174,693 19333,7181 19492,571 19565,83

G[%] 24,88 24,95 25,12 25,33 25,54 25,64

tableau V-3 la puissance et le rendement de la turbine pour chaque mois


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FigureV-3: courbe de k(T)=g

FigureV-4: courbe de F(T)=Pu

Daprs le calcul thermodynamique, on constate que laugmentation de la temprature ambiante influe sur les valeurs performances de la turbine gaz MS5002b. En effet il est noter que plus cette temprature augmente, plus la puissance et le rendement global diminuent. donc on a propos dans les priodes chaude lair admis dans le compresseur est refroidi jusqu une temprature acceptable dans un changeur annexe.

.

.

.

.

.

.

.

g[%]

T[K]

T[K]

Pu [KW]


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V.4.2. La pression atmosphrique : Si la pression atmosphrique diminue par rapport la pression de rfrence, le dbit massique de lair diminue (en raison dune rduction de sa masse volumique) et la puissance utile est proportionnellement rduite parce quelle est proportionnelle au dbit massique du gaz. Au contraire, les autres paramtres du cycle thermodynamique ne sont pas influencs.

V.4.3. L'humidit: En effet, l'air humide est plus lger que lair sec, car le poids molculaire de leau est 18g/mol tandis que le poids molculaire moyen de lair est 28.95g/mol . Donc si l'humidit relative augmente, la puissance dbite diminue.

V.4.4. La poussire : Lorsque la concentration de poussire dans latmosphre augmente cause du vent de sable la quantit dair admise dans le compresseur diminue ce qui fait diminuer la puissance de notre turbine.

Conclusion gnrale

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CONCLUSION GENERALE

Cette tudenous permis de connatre les caractristiques, la structure de la turbine gaz, de bien comprendre son fonctionnement et son utilit dans les diffrents domaines industriels.

Le bon fonctionnement de la turbine dpend du programme de maintenance prventive dans le but est de maintenir les quipements en bon tat de marche, dtecter les problmes existants diagnostiquer la nature et la gravit des pannes mcaniques qui surviennent et comment rechercher les solutions ces problmes.

Les calculs thermodynamiques ont montr que les performances de ces machines sont influences par la temprature de lair ambiant qui varie considrablement durant les diffrentes saisons.

On constate que la temprature des gaz dchappements est leve ce que implique une grande perte dnergie lchappement do lide de rcupration de cette nergie indispensable pour amliorer le rendement de linstallation.

La turbine gaz contribue dans une large mesure aux motorisations actuelles. Leur avantage de lgret en impose lusage dans laronautique, tandis que dans le domaine des fortes puissances (production dlectricit) elles se dmarquent par leur adaptation des cycles combins ou de cognrations trs performantes. Les moteurs explosion eux ont leur puissance limite environ 10 MW pour des raisons de masse et dencombrement.

rfrences bibliographiques

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REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES : [1] Document de lentreprise, "Manuel dutilisation de la turbine gaz MS 5002b",Nuovo Pignone, Florence, 1987.

[2] Document de lentreprise, "Manuel dutilisation de la turbine gaz MS 5002c", NuovoPignone,Florence,1999.

[3] Document de lentreprise, "Manuel de maintenance ",NAFTOGAZ ,HMD ,2001.

[4] J.KRYSINSKI, "Turbomachines", Thorie Gnrale Office des publicationsUniversitaire,Alger,1994.

[5] M.RABAH,"turbine Gaz ", Cours, cole nationale polytechnique ,2003.

[6] H. BOUZID, " valuation de la quantit du CO2 mise par La Turbine Gaz" ,mmoire fin dtude master acadmique, mcanique nergtique, Univ. Lagouat ,2012.

RESUME: Ce travail a t ralis sur ltude dune turbine gaz industrielle MS5002B utilise dans une station ptrolire. Ltude de lorganisation et le calcul des performances dans des conditions dexploitation de linstallation et qui nous ont a permis de vrifier laptitude nergtique de fonctionnement de la machine dans ces conditions et ltude de linfluence de la temprature ambiante sur ces performances et les moyens utilises pour remdier la baisse de puissance en priode chaude. Limportance de la maintenance et lapplication de son programme permettant la prservation du bon tat de fonctionnement de linstallation.

Mots cls : turbine gaz MS5002b; organisation; performances; influence des paramtres,

:

MS5002B .

. .

: MS5002b

SUMMARY: This work has been done on the study of an industrial gas turbine MS5002B used in an oil station. The study of organization and calculation of performance in the operating conditions of the facility and we were allowed to check the energy capacity of machine operation under these conditions and the study of the influence the ambient temperature on the performance and the means used to address power reduction in hot weather. The importance of maintenance and the implementation of its program for the preservation of the good working of the system.

Keywords: gas turbine MS5002b, organization, performance, influence of parameters,

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