ENIM SERGAZ
I. Introduction générale :
Pendant longtemps, des quatre éléments de la nature, seuls l’air et l’eau furent mis à
contribution comme sources d’énergie mécanique naturelle.
Ce n’est qu’en 1690 que Denis Papin conçut et démontra la possibilité de réaliser un
moteur capable de fournir sur place une énergie utilisable à des fins quelconques en
mettant en jeu le feu et l’eau dans une machine à vapeur. Ainsi, après avoir découvert que
le chauffage de l’eau, à haute température dans une enceinte, créait de la pression, il fut
très vite évident qu’on pouvait réaliser une machine motrice en introduisant la vapeur
d’eau d’un côté d’un piston.
Vers 1900, la mécanique des fluides avait fait suffisamment de progrès pour que les
turbomachines apparaissent avec principalement les pompes et ventilateurs centrifuges,
ainsi que les turbines à eau et à vapeur. Ces turbomachines se développèrent, notamment
sous l’impulsion d’Auguste Rateau. Il fallut attendre 1925 pour voir apparaître le premier
compresseur axial, puis 1944 pour que les premiers turboréacteurs prennent le relais des
moteurs à pistons d’aviation. Ces machines étaient encore lourdes et encombrantes.
L’apparition des compresseurs transsoniques centrifuges (1960) puis axiaux (1970) ainsi
que des turbines à aubes refroidies allait encore diviser par deux le poids de ces unités.
Ces machines hydrauliques et thermiques sont, dans le monde entier, l’objet d’une
évolution technologique considérable, par suite d’un développement de leurs applications
dans divers domaines : technologie du vide, chimie, pétrochimie, cryogénie, transport de
fluides, production d’énergie électrique, transports, etc.
La création de la société SERGAZ (société de service du gazoduc transtunisien) vise à
pousser le gaz naturel venant de gazoduc transtunisien dans les tuyauteries sous marines
du canal de Sicile. Elle assure dans les meilleures conditions de service recommandé, le
transfert, l’entretien et la livraison du gaz naturel Algérien en Italien à travers le territoire
Tunisien, et ce suite à un accord Algéro_Tuniso_Italien permettant la mise en place d’un
gazoduc transportant le gaz du gisement de Hessi Rmel (Algérie) jusqu’à atteindre l’Italie,
en suivant un initiraire s’étalant sur 2500Km, et passant par la Tunisie, Le taux de
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compression peut être augmenté suivant les cas en disposant les unités de compression en
série parallèle dans le cas ou plusieurs tuyauteries sous marines du canal de Sicile sont hors
service.
Circuit des tuyauteries de l’Algérie vers l’Italie
Le tronçon tunisien du gazoduc est constitué de deux conduites mises en parallèle, d’une
longueur de 370 cm et de 1,21 m (48’’) de diamètre chacune traverse en diagonale le
territoire tunisien de l’oued Saf Saf à la pointe du Cap Bon. Après son dédoublement, sa
capacité est portée à 25 milliards de m3.
Le transport du gaz est assuré par 12 stations de compression dont 5 localisés en Tunisie
(station de Feriana, de Sbeitla, de Sbikha, de Korba et d’El Haouaria) et 7 en Italie.
L’intervalle de la pression adoptée pour l’exploitation des gazoducs varie entre 50 et 75
bar. La valeur de 75 bar représente la pression maximale d’exercice en tout point des
gazoducs.
*Caractéristiques du gaz naturel :
La station de compression devra comprimer un gaz ayant une composition comprise entre
les trois valeurs suivantes :
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Gaz Lourd
e
Légère Normale
CH4 82 ,20 83,90 83,25
C2H6 7,17 7,37 7,50
C3H8 2, 35 1,50 1,92
n C4H10 0,75 0,33 0,53
i C4H10 0,40 0,17 0,29
n C5H12 0,20 0,09 0,15
i C5H12 0,14 0,06 0,09
C6H14 0,29 0,08 0,18
CO2 0,30 0,30 0,15
N2 6,20 6,20 5,94
Poids moléculaire 19,42 18,67 18,99
Poids spécifique
(0°C et 760 mmHg)
0,866 0,833 0,847
Pouvoir calorifique
inférieur LHV
(Kcal/Nm3)
8897 8562 8774
Rapport chaleurs
spécifiques (CP/CV) (à
15°C et 760 mmHg)
1,28 1,29 1,28
II. Présentation générale de la station de
compression gaz:
1- Description générale de la station :
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La station de compression du Cap Bon est du type automatique et exige
une présence continue du personnel. Elle a pour but l’acheminement du gaz
naturel venant des gazoducs transtunisien vers l’Italie à travers les cinq
pipelines sous marins du canal de Sicile.
La station a été conçue de telle sorte qu’elle puisse effectuer les
opérations de nettoyage sans interrompre le transport du gaz vers l’Italie.
Les unités de compression sont disposées de front, celles paires sont
situées à la droite de la salle de commande qui se trouve dans la position la
plus haute de la zone, alors que les unités impaires sont situées à la gauche
de la salle de commande.
Vue générale sur le circuit du gaz dans la station
Tuyauterie:
L’épreuve hydraulique des tuyauteries a été effectuée à une pression
égale à 1,5 fois la pression maximale du service qui est de 75 bars pour
la tuyauterie d’aspiration et peut même atteindre les 209 bars pour la
tuyauterie de refoulement. Les soupapes et la tuyauterie de la station ont
été, là où possible, enterrées pour contenir le niveau d’intensité sonore
dans des limites admissibles.
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Le dimensionnement des tuyauteries a été effectué de manière à obtenir
des vitesses de gaz qui ne dépasse pas les 15m/s.
Pour des raisons de sécurité, toutes les soupapes (en entrée et sortie de
la station, d’alimentation, des by-pass, d’aspiration et refoulement) sont
double est montées en série.
Collecteurs de la station :
Trois collecteurs sont prévus :
Un collecteur d’aspiration, un collecteur intermédiaire et un collecteur de
refoulement.
Les tuyauteries des unités on été réalisées de façon à permettre à
chaque unité d’aspirer aussi bien du collecteur d’aspiration que du
collecteur intermédiaire, et refoulées aussi bien au collecteur
intermédiaire qu’au collecteur de refoulement.
- Collecteur d’aspiration :
Les unités de compression sont connectées au collecteur d’aspiration
conformément à la conception modulaire de la station.
Le collecteur d’aspiration est pressurisé par la MOV2, et peut être mis à
l’évent séparément des collecteurs après fermeture de la VMA4.
- Collecteur intermédiaire :
Le collecteur intermédiaire est utilisé en cas de fonctionnement en série,
par contre en parallèle, il est sélectionné puisque les MOV10-12 sont
fermées.
- Collecteur de refoulement :
Le collecteur de refoulement peut être mis à l’écart séparément des
autres collecteurs, après fermeture de la VMA6.
Inter change des collecteurs de la station :
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L’inter change des collecteurs n’est pas une opération courante et par
conséquent elle ne doit être effectuée qu’en cas de nécessité absolue.
Système collecteur de condensas et d’huile lubrifiante :
Les séparateurs MS X2 reçoivent d’éventuels condensas qui peuvent
se produire à cause du refroidissement opéré par les refroidisseurs à air,
mais surtout de l’huile lubrifiante, entraînée hors des joints étanches du
compresseur.
Le réservoir V2 est équipé d’indicateurs de niveau visible et d’alarme de
haut niveau HLA1 signalisée en salle de contrôle.
2- Appareillage de la station :
Le séparateur ne peut être entretenu que si l’on arrête la station en
fermant les MOV21-1-5.
-chaudières : pour le chauffage du gaz combustible E11-12-13-14-15 pour
TK et TG.
-silencieux pour évent de la station d’unité et d’équipement auxiliaire
ME1-3-2.
-filtres du gaz combustible MS1-2-3 d’alimentation TK : chaque filtre est
doté, autre que le drainage manuel, d’un système de décharge
automatique (H1LS-58-59-60), d’un indicateur niveau visible (LG51-52-
53), d’une alarme de haut niveau signalisée en salle de contrôle (HLA55-
56-57), d’évent et de soupapes de sûreté.
-filtres de gaz combustible et de démarrage MS6-7 pour l’alimentation
TG.
-filtres de gaz combustible MS8 pour l’alimentation TG.
-pompes centrifuges :
*Pompe horizontale P10A/B, eau d’incendie.
*Pompe horizontale P11 pressurisation réseau d’incendie.
*Pompe horizontale P9A/B alimentation installation de traitement de l’eau
potable.
*Pompe verticale P1 vidange réservoir essence.
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*Pompe submergée P12A/B alimentation réservoir eau d’incendie.
-pompes rotatives :
*Pompe rotative P3A/B-2-4-7-8 de circulation huile lubrifiante.
*Pompe rotative P5-6 chargement et déchargement huile lubrifiante.
-moteur Diesel : pompe 10B eau d’incendie.
-filtre réchauffeur E16 gaz service.
-filtre huile lubrifiante KS9-10.
-unité de traitement de l’huile lubrifiante.
-installation de traitement d’eau huileuse : les eaux huileuses sont
recueillies dans un puisard de 5m3 environ, l’installation de traitement est
un appareillage compact en tôles ayant les dimensions extérieures
suivantes : 1900×1550×720mm et se compose de : 2 filtres à sable, un
paquet séparateur à tôles, 2 pompes denses pour le dosage des réactifs,
soupape commandée à la main, tableau électrique.
Principe et différents modes de fonctionnement de la station :
En temps normal la station fonctionne avec des
turbocompresseurs en parallèle, mais dans certain cas, et en particulier
lorsque l’une des tuyauteries sous marine du canal de Sicile est hors
service, la station fonctionne avec des turbocompresseurs montés en
série parallèle, une TK aspire du collecteur d’aspiration et refoule dans le
collecteur intermédiaire, l’autre TK aspire dans ce cas du collecteur
intermédiaire et refoule dans le collecteur de refoulement. Ainsi, le
refoulement d’une TK devient l’aspiration d’une autre, afin d’augmenter
le taux de compression.
Salle de contrôle
TK2
TK4
TK6
TK8
TK10
TK1
TK3
TK5
TK7
TK9
Collecteur d’aspiration
Collecteur intermédiaireCollecteur de refoulement
Salle de Contrôledes unités paires
Salle de contrôle des unités impaires
T M P C
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Schémas représentatif des collecteurs de la station
Les chaudières :
Les chaudières pour le chauffage du gaz combustible afin d’augmenter son pouvoir
calorifique, aussi pour vaincre la chute de la température au niveau de la
détente, sont du type monobloc, à tube de flamme, chacune équipé d’un bruleur à gaz
naturel incorporé et de serpentin pour le chauffage du gaz.
Chaque chaudière marche entièrement pleine d’eau avec un réservoir d’expansion à
pression atmosphérique situé au dessus d’elle, le type d’installation est en plein air.
Chaque chaudière est équipée de by-pass et de vanne à trois voies sur l’entrée du gaz à
chauffer ; cette vanne actionnée par un régulateur de température sur le gaz de sortie.
La chaudière dispose d’un système d’alimentation muni de dispositif ON-OFF commandé
par un thermostat de haute et de basse température de l’eau.
De plus la chaudière est munie d’une flamme témoin continuellement allumé, d’un
dispositif d’arrêt automatique pour manque de flamme en cas du bas niveau ou haute
température d’eau.
En cas d’arrêt de la chaudière le gaz combustible du bruleur et de la flamme témoin sera
intercepté et en même temps la partie de la ligne en aval des vannes de sectionnement
sera mise à l’évent.
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La chaudière ne s’arrête pas pour un manque de C.A de réseau, la chaudière est dotée en
outre d’un système autonome de la réduction de pression du gaz pour le bruleur et pour la
flamme témoin et de mesure de débit avec totalisateur du gaz combustible du bruleur.
Le démarrage et l’arrêt de la chaudière ont lieu au moyen d’un panneau local ; sur ce
panneau sont également placées les alarmes indiquant les causes d’arrêt.
Seule la signalisation de l’état de la chaudière est transmise en salle de contrôle.
Le système d’allumage effectue automatiquement les opérations suivantes :
- Lavage à l’air avant l’allumage.
- Allumage de la flamme- témoin.
- Allumage du bruleur principal.
III. Etude de l’alimentation électrique :
1. Dimensionnement de l’alimentation :
L’installation en question est ses équipements ont été choisis pour faire face aux exigences de
puissance dans les différentes conditions opérationnelles.
Alimentation électrique du réseau STEG :
L’alimentation du réseau STEG est caractérisée par une puissance de 1500KV.A avec une utilisation
normale de 700KV.A.
Transformateurs :
Chaque transformateur fournit la puissance maximale nécessaire pour un fonctionnement dans les
différentes conditions opérationnelles, sauf si on exige le fonctionnement de deux unités TR .
Turbogénérateur :
2 turbogénérateurs TG1 et TG2 mono arbre à cycle simple
Puissance : 1500KV.A
Temps de démarrage : 1 min
En cas de manque d’électricité à partir de réseau extérieur, le turbogénérateur assure la mise en
marche graduelle de toutes les parties auxiliaires des machines TK , limitant les chute de tension au
bornes du moteur le plus gros de 90kw à une valeur correspondante à 25%, à l’exception il pourrait
être nécessaire de mettre en fonctionnement les deux unités TG.
Chaque turbogénérateur est commandé par une salle de contrôle avec un panneau de contrôle de
la turbine et un autre réservé pour l’alternateur, il y a également la possibilité de commander la
fermeture de l’interrupteur du montant d’alimentation STEG.
Groupe électrogène de secours :
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Le groupe électrogène de secours est réservé pour la charge totale provenant de la barre A du
tableau des services auxiliaires TSA et pour permettre le démarrage direct de la pompe d’incendie
de 55KW, limitant la chute de tension au moteur à une valeur correspondante à 25%.
Générateurs de bord unité TK :
Les générateurs de bord des unités TK alimentent, au cours du fonctionnement normal, tous les
éléments auxiliaires des unités (lampes d’éclairage, pompes électriques etc.) et les correspondants
refroidisseurs à air du gaz.
Groupe de continuité TCC110/TCC24 :
Chaque branchement des tableaux à courant continu a été dimensionné pour la puissance
absorbée totale.Chaque batterie de la station 110VCC permet une autonomie de :
-une heure pour les services de la station.
-4 heures pour l’installation d’éclairage de secours.
2. Commande de l’alimentation électrique :
Le système d’alimentation électrique est commandé par 3 modes différents :
Manuel : dans ce type de commande l’agent responsable effectue toutes les opérations
nécessaires pour la bonne alimentation.
Automatique :
1) Coupure STEG.
2) Temporisation après intervention.
Relais de minimum tension 27A/B de 2mn.
3) Démarrage du turbogénérateur présélectionné ; soit TG 1 ou TG2 ou TG1/TG2.
4) Mise en charge de TG sélectionné, après 1mn.
NB : En cas d’anomalie sur le TG, après 5mn on aura le démarrage du 2ième TG.
5) en cas d’anomalie sur les TG et après 10mn (démarrage du Diesel Groupe) qui alimentera
la barre préférentielle.
NB : Le retour à l’état initial ne s’effectue que d’une façon manuelle.
Automatique PLC :
Idem que pour le mode automatique, mais le retour à l’état initial se fait après
vérification de l’alimentation par un temporisateur après 30mn.
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L’installation électrique est constituée de 2 grandes parties :
-la 1ière partie représente le centre de puissance (Power Center).
-la 2ième partie est réservée pour le tableau des services auxiliaires TSA.
Le système d’alimentation électrique est subdivisé en 2 parties par un conjoncteur 24A qui nous
permet de répartir l’alimentation pour chaque partie à part.
De part et d’autre du conjoncteur 24A, on trouve un turbogénérateur et un transformateur
abaisseur qui délivre une tension d’environ 30KV/380V à 50Hz. Ces 2 composants sont capables
seuls de fournir l’alimentation nécessaire pour toutes les unités de compression.
En cas de coupure d’alimentation, soit par la STEG ou par les TG, un groupe Diesel est dans ce cas
fonctionnel pour assurer l’alimentation électrique.
Un 3ième transformateur élévateur est placé pour l’alimentation des locaux.
En réalité, la fermeture et l’ouverture d’un interrupteur nécessite le suivi d’un ensemble
d’instructions bien déterminé et voilà un exemple de procédure pour le 52A.
3. Onduleurs et redresseurs :
On trouve dans la station :
-2 onduleurs qui assurent de façon continue l’alimentation 220V alternative pour l’alimentation de
la logique station (ordinateurs, imprimantes, périphériques etc.).
-2 redresseurs 380Vca/110Vcc équipés de 2 stabilisateurs (1,2) pour assurer l’alimentation de la
logique station, instruments au champ, signalisation des vannes, commande Power Center et TSA
etc. .
-2 stabilisateurs abaisseurs (3,4) 110V/24Vcc pour l’alimentation des vannes principales du
gazoduc.
-groupe de 92 éléments de batteries de secours de 1.5V, pour assurer l’alimentation 110Vcc en cas
de mise hors service des redresseurs (coupure STEG).
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III. Etude d’une unité de compression TK :
Schémas représentatif d’une unité de compression
La station contient 10 unités de compression identiques .Chaque unité
est composé de 3 parties :
le groupe d’équipement auxiliaire
la turbine à gaz
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le multiplicateur et le compresseur centrifuge
1- Le groupe d’équipement auxiliaire
Cette partie du turbocompresseur se compose essentiellement de :
a- La turbine de lance: c’est une turbine à expansion qui assure le
démarrage de la machine. Le gaz de démarrage est directement refoulé
dans la turbine de lance pour l’animer d’un mouvement rotatif qui fera
tourner le premier arbre. Cette turbine est reliée au
réducteur par un embrayage composé d’un moyeu d’accouplement à
dents de loups.
Lorsque le couple de la turbine de lance transmit à la turbine est
inversé (dans les environs de 60% de la vitesse du deuxième arbre), la
turbine de lance se désaccouple automatiquement.
Turbine de lance
b- Le générateur de Bord : c’est un générateur électrique qui permet
d’alimenter tous les auxiliaires du turbocompresseur (ventilation,
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refroidissement du gaz (air cooler), refroidissement de l’huile (oil
cooler), agitation et chauffage de l’huile d’étanchéité (dégazeur),
moteurs pour les pompes d’étanchéité à air, éclairage du
turbocompresseur) et de le rendre indépendant du réseau
électrique extérieur. Ce générateur entre en jeu lorsque le premier
arbre atteint 92% de son plein régime.
c- Le réducteur : Il actionne la pompe principale de lubrification et le
générateur de Bord.
d- Les pompes de lubrification : le circuit de l’huile de lubrification
possède 3 pompes : une pompe principale mécanique (à
engrenages) entraînée par l’arbre du réducteur, une pompe
auxiliaire (simple étage) entraînée par un moteur à courant
alternatif et une pompe de secours entraînée par un moteur
électrique à courant continu. Les pompes auxiliaires sont
actionnées lors du démarrage et de l’arrêt de la turbine car en ces
moments la pompe mécanique ne peut pas fournir assez de
puissance.
e- Les aéroréfrigérants :
La station se trouve obligée de refroidir le gaz comprimé (refoulé
par les unités de compression), pour cela elle utilise deux
aéroréfrigérants : un pour le gaz, l’autre pour l’huile de lubrification.
Dans ces réfrigérants, le fluide à refroidir est mis en circulation par
une pompe et traverse un ensemble de tubes ou profilés dont la
paroi extérieure est soumise à une circulation d’air forcée par
l’intermédiaire d’un système de ventilation.
2. turbine à gaz :
La turbine à gaz à deux arbres à entraînement mécanique modèle
5002.
C’est une machine utilisée pour entrainer un compresseur centrifuge
à charge.
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L’extrémité avant du socle de la turbine à gaz comprend une chambre
de d’admission de l’air et le conduit contenant le silencieux à l’entrée
qui affaiblit le bruit haute fréquence et un séparateur air inertiel
éliminant les matières étrangères avant l’admission de l’air dans la
turbine.
Cycle thermodynamique de la turbine à gaz
La turbine à gaz à deux roues turbine indépendantes
mécaniquement .La roue turbine premier étage, ou haute pression,
entraine le rotor du compresseur et les accessoires entrainés par
l’arbre. La roue turbine deuxième étage ou basse pression entraine le
compresseur de charge.
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Le but des roues turbines non reliées est de permettre aux deux roues
de fonctionner à des vitesses différentes pour satisfaire aux exigences
de charge variable du compresseur centrifuge.
Fiche technique :
Turbine à gaz modèle MS5322RB bi arbres à cycle régénératif :
Puissance 32000 CV
Vitesse rotor compresseur et 1er étage turbine HP 5100 tours/min
Vitesse du rotor 2éme étage turbine BP 4670 tours/min
Température gaz d’échappement 525°C
2-1 Principe de fonctionnement :
Un gaz de démarrage propulsé vers la turbine de lance l’anime d’un mouvement rotatif qui lui
permet de lancer l‘arbre d’haute pression (HP) à 20% de sa vitesse maximale pendant un durée de
deux minutes, c’est la procédure de lavage de la turbine HP. Le compresseur axial aspire l’air (à la
pression atmosphérique) qui passe ensuite dans un échangeur (régénérateur) pour être réchauffer
par les gaz d’échappement de la turbine et retourne dans les chambres de combustion à des
températures très élevées. Ce cycle régénératif permet d’économiser le combustible.
L’air est ensuite envoyé aux chambres de combustion pour être mélanger au gaz combustible (Fuel
gaz) sous pression. Une étincelle allume le mélange air-combustible.
Ce mélange explosif (gaz à haute pression), dirigé à travers des convoyeurs, vient heurter les
ailettes fixes du premier rotor (arbre d’haute pression HP) provoquant sa rotation. Cette rotation
entraîne le fonctionnement du compresseur et les auxiliaires qui lui sont liés.
Les gaz chauds augmentent la vitesse du rotor HP, ce qui augmente la pression de l’air fourni à la
combustion.
Les produits de combustion (gaz à haute pression et à haute température) vont d’abord se
détendre dans la turbine HP à travers les aubes fixes puis dans la turbine BP à travers les aubes
mobiles pour finalement s’introduire dans les conduites du régénérateur (gaz à pression
atmosphérique et à haute température).
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Lorsque cette pression atteint une certaine valeur, le rotor de la turbine basse pression (BP) va
commencer à tourner et les rotors des deux turbines vont accélérer jusqu’à la vitesse de service
pour entraîner le compresseur centrifuge en rotation.
c – Les principales composantes d’une turbine à gaz :
c1- Compresseur axial :
Le compresseur axial est du type subsonique à 16 étages avec un étage d’aubes de pré-rotation à
l’aspiration et deux étages d’aubes de redressement au refoulement. Le stator se compose de
quatre corps disposés en série et bridés. Dans le premier on trouve le coussinet de palier porteur et
le palier de butée.
Dans le corps intermédiaire sont aménagées deux chambres pour l’extraction de l’air de
refroidissement et d’étanchéité du 4éme et du 10éme étage. Le dernier corps est couplé au corps
de la turbine au moyen d’une bride verticale.
Tous les corps sont constitués de deux parties : une moitié inférieure et une partie supérieure.
Le rotor du compresseur axial se compose de 16 étages reliés par des tirants .Les aubes mobiles ont
un pied en queue d’aronde et sont installés sur la périphérie du disque. Les aubes fixes sont
montées sur le disque au moyen d’encastrement en marteau.
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L’extrémité avant de l’arbre du compresseur est couplée au moyen d’un joint à engrenages à
graissage continu au réducteur des auxiliaires. L’extrémité arrière est couplée à la première roue de
la turbine au moyen d’un cylindre d’espacement.
Avant le premier étage du compresseur axial sont installé les aubes de pré-rotation IGV (Inlet Guide
Vanes) ou aubes orientables de la directrice) reliées au premier corps du compresseur. Ces aubes
de pré-rotation sont utilisées lors du démarrage et de l’arrêt de la turbine pour permettre au
compresseur axial d’absorber moins de puissance et pour régler le débit de l’air.
Lors du démarrage les aubes de pré-rotation sont fermées ; elles s’ouvrent progressivement
pendant l’accélération de la turbine.
c2 - Chambre de combustion :
12 chambres de combustion à courant inversé sont montées en saillie sur la partie avant de la
cabine. Chacune de ces chambres contient un brûleur, un tube-foyer et un tube de propagation du
gaz.
Deux bougies d’allumage rétractiles sont installées sur deux chambres de combustion tandis que
sur les deux chambres de combustion installées en face contiennent deux détecteurs de flammes.
Toutes les chambres de combustions communiquent entre elles à l’aide de tubes-foyers ou tube
passe flamme qui a pour but d’allumer toutes les chambres en phase de démarrage et d’équilibrer
la pression à l’intérieur de ces chambres.
Une chambre de combustion est divisée en quatre parties :
1- la zone où entre l’air primaire (nécessaire à la combustion)
2- la zone où entre l’air secondaire (pour terminer la combustion)
2- la zone où entre l’air de refroidissement (une pellicule d’air protégeant les tubes de flamme)
3- la zone où entre l’air de dilution (pour réduire la température des gaz à des valeurs
tolérables pour les directrices et pour les aubes de la turbine)
Mise à part l’intérieur, toutes les parties internes des chambres de combustion sont fabriquées en
acier austénitique et en alliage de type supérieur.
c3 - Directrices :
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Les directrices
Le gaz produit par la combustion pénètre dans la directrice à une température de l’ordre de 1000°C
où la première détente aura lieu. Cette détente est suivie d’une deuxième et dernière détente dans
le deuxième étage. La détente a lieu presque entièrement dans les directrices des deux étages.
L’anneau de la directrice du premier étage se compose de 12 segments, un à la sortie de chaque
chambre de combustion. Chaque secteur se compose de 3 aubes directrices.
L’intérieur des directrices est refroidi au moyen d’un fort courant d’air provenant du compresseur
axial.
Les aubes mobiles sont montées en pieds de sapin à la périphérie des disques de la turbine et se
distinguent par un col long et fin entre le profil et le pied, servant à faire baisser la température de
ce dernier. Les matières constituant les aubes sont des alliages spéciaux à base de nickel.
Les aubes mobiles
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Positionnement des aubes
3- Multiplicateur et compresseur centrifuge :
a - Multiplicateur :
Un multiplicateur de vitesse de type MAAG GB47 avec un rapport de 2.21 raccorde l’arbre de
puissance de la turbine au compresseur centrifuge du gaz.
Le multiplicateur est à arbre parallèle et dentue hélicoïdale simple. La denture est cimentée et
trempée avec flancs rectifiés avec précision pour augmenter leur résistance à l’usure et la flexion et
avoir une haute précision. La disposition avec denture hélicoïdale simple offre une capacité de
charge extrêmement élevée avec une grande sécurité de fonctionnement sous un faible volume et
avec un poids réduit.
Le carter est en fente, il est constitué par une partie inférieure contenant les paliers et un
couvercle. Les coussinets en acier sont lisses et garnies de métal antifriction. La poussée axiale
causée par la denture hélicoïdale est absorbée par de simples épaulements. Les paliers et la
denture sont lubrifiés à l’huile sous pression fournie par une pompe. La pression est de 1.2 à
1.5kg/cm2. L’huile de graissage de la denture est projetée directement sur les dents du pignon par
des gicleurs sur le carter. Un appareillage est disposé pour le contrôle de la température des
paliers, la pression de l’huile de lubrification et le contrôle des vibrations.
La liaison entre turbine et multiplicateur est réalisée au moyen d’un accouplement denté
permettant un léger décalage radial et axial. Cet accouplement se compose de 3 parties :
-2 noyaux fixés sur les arbres à accoupler.
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-un manchon mobile.
-Les noyaux sont exécutés avec denture intérieure. Les dentures sont usinées pour présenter du jeu
qui est composé du jeu de montage, du jeu à l’état dévié (pour éviter le coincement) et de
gonflements dans le cas de l’assemblage fretté, vue qu’en service l’accouplement supporte un
désalignement des axes donc l’existence d’un mouvement relatif entre les dentures du noyau et le
manchon, la lubrification est nécessaire. Cette lubrification est avec circulation continue d’huile
injectée.
b - Compresseur centrifuge :
Le compresseur centrifuge a été conçu pour comprimer les gaz à haute pression. Le gaz naturel
passe de la pression de 66 bars à l’entrée, à 152 bars à la sortie, grâce à un compresseur de type
BCL404/A entraîné par la turbine à gaz au moyen d’un multiplicateur de tours un joint
d’accouplement.
Le sigle BCL404/A définit un compresseur centrifuge conçu pour les hautes pressions (comme
indiqué par la lettre A) ayant une seule phase de compression, en forme de baril à diaphragme lisse
un arbre avec 4 roues de diamètre nominal 400mm. (C pour closed)
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La carcasse est fournie de brides orientées vers le haut (aspiration 12’’, refoulement 8’’) qui
permettent l’accouplement aux tuyaux d’aspiration et de refoulement.
Le compresseur comprend principalement un ensemble statorique (corps, extrémités supérieures,
diaphragmes, étanchéités et paliers) et un ensemble rotatif (rotor constitué par un arbre, des roues
et un tambour d’équilibrage).
II.Principe de fonctionnement d’une unité de compression :
1- Séquence de démarrage :
-Start.
-Ouverture complète des rideaux récupérateurs et remplissage d’huile du réservoir sur élevé
(compresseur).
-Lavage du compresseur centrifuge avec le gaz pour deux minutes (en ouvrant la vanne de
pressurisation « MOV X02, X03 » en gardant la vanne d’évent ouverte « X05 »).
-Pressurisation du compresseur en fermant la vanne d’évent jusqu’à l’intervention des deux
pressostats différentiels situés sur la vanne d’aspiration principale (MOV X01).
Dans ce cas, on aura l’ouverture des deux vannes principales (Aspiration et refoulement) et par
conséquence les deux vannes de pressurisation se ferment.
-Un consentement électrique autorise au Speed-Tronic de déclencher la turbine de lance et la faire
tourner.
-Lorsque la vitesse de la turbine de lance atteint 18%, on procède au lavage de la turbine HP pour
deux minutes.
-Ouverture des vannes régulatrices du combustible (speed-ratio) et (contrôle-valve) qui jouent
d’une part le rôle d’un accélérateur et d’une part d’une vanne d’arrêt.
Au même temps deux bougies d’allumage installées sur deux chambres de combustion seront
alimentées par une haute tension (15000 V) pour assurer l’allumage du gaz combustible.
-Grâce à l’énergie thermique provoquée, la vitesse de la turbine HP est augmentée jusqu’à 50%.
-A ce moment, la deuxième turbine BP commence à tourner.
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-A 60% de la vitesse de la turbine HP, la turbine de lance se retire sans s’imposer à la progression de
la séquence de démarrage.
-Deux pompes mécaniques d’huile (lubrification et commande) liées à travers un réducteur au
premier arbre, assurent les pressions d’huile suffisantes à 90% de la vitesse HP, par la suite un
générateur de bord est lié mécaniquement en HP assurant l’auto alimentation électrique.
A ce moment, on aura l’arrêt des pompes électriques et la signalisation de la fin de la séquence de
démarrage (à 92% HP et 57% BP) et l’insertion du générateur de bord.
Ainsi, la machine est en marche.
2- Rôle de la SCS :
L’augmentation de vitesse est demandée par un régulateur à distance jusqu’à l’alignement avec les
autres machines en marche. A ce moment, le chef de roulement intervient pour mettre la machine
en charge, en fermant la vanne régulatrice d’anti pompage.
3- Sécurité :
La protection de la machine est contrôlée par des instruments situés sur la machine elle-même,
assurant à tout moment le relevé des différents points de mesure (vitesse, vibration, température,
pression, etc.).
Un signal d’alarme activé sur les panneaux de la SCU, indique tout mauvais fonctionnement au sein
de la machine.
Les dispositifs d’arrêt d’urgence sont installés en cas d’anomalie.
4- Séquence d’arrêt :
Il existe cinq modes d’arrêt pour la machine :
Arrêt normal : ce type d’arrêt est effectué soit à travers la salle de contrôle, soit à
partir du tableau SCU. Il est réalisé par les instructions suivantes :
- Commande d’arrêt.
- Diminution graduelle de la vitesse jusqu’à une valeur minimale (57% BP).
- Désinsertion du générateur de bord et arrêt du gaz combustible.
- Ralentissement jusqu’à 0 tr/min, en gardant la compresseur centrifuge pressurisé pour
une durée de 6h, après il se met à l’évent automatiquement.
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- Phase de refroidissement de la machine (Cool down) qui dure 16h, en maintenant les
pompes de lubrification en marche avec la ventilation.
- Un système de virage hydraulique permet une rotation périodique (chaque 3 min) de
l’arbre HP.
- A la fin du cool down, on a la fermeture des pompes, de la ventilation et des rideaux
récupérateurs.
Arrêt d’urgence sans évent du compresseur :
- Coupure du gaz combustible.
- Désinsertion du générateur de bord.
- Ouverture de la vanne de décharge air compresseur axial (blow-off) pour protéger ce
dernier du pompage.
Motifs : Soit une commande manuelle située au champ ou sur SCU, ou par un instrument
de protection.
Arrêt d’urgence avec évent du compresseur :
On répète la même procédure que celle de l’arrêt d’urgence sans évent, mais avec la mise à l’évent
du compresseur centrifuge.
Arrêt d’urgence avec évent du compresseur et auxiliaire :
La même chose que l’arrêt d’urgence avec évent, de plus la mise à l’évent du système réduction gaz
combustible et starting gaz.
Arrêt d’urgence pour incendie :
Idem, comme l’arrêt d’urgence avec évent compresseur et auxiliaire, de plus il déclenche le
système d’anti-incendie (eau mousseuse pulvérisée).
VI. Comportement thermodynamique d’une turbine à gaz :
1- Cycle thermodynamique :
Après avoir présenté les différentes composantes d’une TAG, nous pouvons examiner les
fonctionnements des turbines à gaz sous l’aspect thermodynamique.
Le schéma fondamental d’une turbine à gaz est le suivant :
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Schéma de principe d’une turbine à gaz
Schémas d’écoulement d’un cycle simple diagramme (P-V)
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Cycle thermodynamique T-s d’une turbine à gaz simple
Le cycle thermodynamique à prendre en considération pour pouvoir comprendre le
fonctionnement est représenté dans les figures suivantes par les coordonnées p-v (plan de
Clapeyron) et par les coordonnées T-S (plan entropique)
L’air à température ambiante est comprimé par un compresseur axial multi-étage entrainé par la
turbine. Après la compression (1→2) l’air pénètre dans la chambre de combustion ou, en
réagissant avec le combustible, il atteint la température maximale du cycle(3) à pression constante,
puis il se détent sous forme du gaz brulé, à travers les étages de la turbine (3 →4). Après la détente
les gaz d’échappement s’échappent dans l’atmosphère : il s’agit d’un cycle simple ouvert. La
compression (1-2 ’) et la détente (3-4’) appartiennent au cycle idéale. On a:
ηc = wcis
w cr é =
T2’−T 1
T2−T 1
ηc représente le rendement de la compression qui dans le cas des compresseurs axiaux est
d’environ 0,87 -0 ,9.
ηT = wTré
wTis =
T3−T 4
T3−T4 ’❑
ηT représente le rendement de la turbine que d’environ 0,86-0,88.
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2- Puissance et rendement de la turbine :
Pour effectuer la compression de l’air il faut effectuer un travail qui, en termes de chaleur, vaut de
1 à 2 pour chaque kilogramme d’air comprimé :
WC= Cp (T2 – T1)
(Avec Cp=chaleur spécifique à pression continue)
Tandis que le travail produit par la détente du gaz dans la turbine équivaut, toujours pour 1 kg d’air,
à :
WT=Cp (T3 – T4)
Le travail que la turbine fournit à l’extérieur est égal à la différence entre WT et WC (étant donné
que le compresseur est entraîné par la turbine).
Si on appelle G le débit de l’air aspiré (mesuré en Kg /h) nous pouvons dire en première
approximation que la puissance fournie à la machine est égal à :
Nu = G Cp [(T3 – T4) – (T2 –T1)]. 1
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Dans le cas d’une machine d’entrainement, le rendement est défini comme étant le rapport entre
le travail obtenu par unité de masse du fluide parcourant le cycle (exprimé en unités thermiques)
et la chaleur fournie à ce fluide. Dans notre cas, le rendement sera égal à :
η = W utile
Q reçu =
C p[(T 3– T 4 )– (T 2– T 1)]C p (T 3 –T 2)
3. Facteur influençant la puissance et le rendement de la turbine :
Le rendement et la puissance augmentent rapidement en fonction de l’élévation de la température
T3 .Tous les 50C d’élévation de la température il ya une augmentation de puissance d’environ 10%
et une amélioration de rendement d’environ 1,5%
Parmi les autres paramètres qui influencent sensiblement les prestations de la turbine à gaz nous
trouvons :
a) température ambiante(T1)
b) pression atmosphérique(P1)
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C) pertes de charge à l’aspiration du compresseur axial
d) perte de charge à l’échappement de la turbine
a) température amiante :
Observons le schéma. Supposons que T1 augmente le long de la courbe, la valeur de P1 étant
constante. On obtient ainsi un accroissement du travail de compression par unités de masse de l’air
aspiré ainsi qu’une diminution total de l’air comprimé (du fait que poids spécifique de l’air aspiré
diminue).par conséquent, il ya diminution de la puissance et de rendement de la turbine à gaz
Si l’on prend comme référence une température ambiante égale à 15 °C (normes ISO) nous avons,
tous les 10°C d’augmentation, une baisse de puissance d’environ 8% et une baisse de rendement
d’environ 2%
b) pression atmosphère :
On prend comme poids de référence la pression atmosphérique au niveau de la mer (760 mm de
mercure –Norme ISO).Lorsque celle-ci diminue(ou lorsque l’altitude augmente), la puissance de
turbine à gaz diminue de façon linéaire, tandis que le rendement de la turbine demeure inchangé.
Ceci est du au fait baisser, à volume égal, la masse volumique d’air comprimé influençant la
puissance en fonction linéaire.
c) perte de charge à l’aspiration :
En générale on installe en amont des ouïes d’aspiration du compresseur axial un filtre à air ,un
silencieux et une conduite dont la longueur dépendra des nécessités de l’installation.
Ces éléments provoquent une perte de charge, c'est-à-dire une baisse de la pression P1 à l’entrée
du compresseur ce qui entraine une diminution de la valeur de P2 et ce qui influence l’aubage de
pré-rotation de la turbine à gaz.
En moyenne on peut dire qu’il ya diminution de puissance de l’ordre de 2% et diminution de
rendement de l’ordre de 1% tous les 100 mm d’eau de perte de charge.
d) perte de charge à l’échappement de la turbine :
En général une conduite et un silencieux sont installés en aval de l’ouïe d’échappement de la
turbine. Ceux-ci provoquent une perte de charge dans le qu’ils produisent une contre –pression à
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l’échappement influençant directement l’ampleur de la détente dans la turbine .pour 10 mm d’eau
de perte de charge on a 1% de baisse de puissance et de rendement.
Ces quatre grandeurs (T1, P1 , ΔP aspiration et ΔP échappement)doivent être toujours prises en
confirmation pour corriger les prestation nominales de la turbine à gaz .
4-Application :
Rendement d’une turbine à gaz avec un cycle simple :
On a déjà étudié le comportement thermodynamique de la turbine à gaz avec un cycle
simple et on a arrivé à la formule citée ci-dessous :
ηS = W utile
Q reçu =
C p[(T 3– T 4 )– (T 2– T 1)]C p (T 3 –T 2)
Avec :
Cp : chaleur spécifique à pression continue.
T1 : température ambiante à l’entrée du compresseur axial.
T2 : température à la sortie du compresseur axial (l’entrée de la chambre de combustion).
T3 : température à la sortie de la chambre de combustion (l’entrée de la turbine).
T4 : température à la sortie de la turbine.
Application numérique :
Cp= 0.24 Kcal /Kg. °C T1= 28.2 °C
T2= 302.82 °C T3=966,6 °C (température de la flamme donnée par le constructeur)
T4= 535 °C
Tout calcul fait, on obtient le résultat suivant : ηS =0,236
Rendement d’une turbine à gaz avec un cycle régénératif :
Le cycle d’une turbine à gaz est un cycle très souple de sorte que ses
paramètres de performance, c’est-à-dire le rendement et le travail net
spécifique, puissent être améliorés en ajoutant les composants
supplémentaires à un cycle simple.
A cet effet, différentes méthodes (régénération, refroidissement
intermédiaire, préchauffage et injection de la vapeur d’eau) ont été utilisées
afin d’améliorer les performances des cycles de turbines à gaz. Dans cette
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optique, les 10 unités TK de la société SERGAZ sont équipées d’un cycle
régénératif.
L’énergie des gaz d’échappement, à la sortie de la turbine, est utilisée
pour chauffer l’air comprimé sortant de compresseur afin d’obtenir la vapeur
surchauffée à haute température au niveau de la chambre de combustion.
Cycle régénératif de la turbine à gaz
Soient :
T1 : température ambiante à l’entrée du compresseur axial.
T2 : température à la sortie du compresseur axial (l’entrée de régénérateur).
T3 : température à la sortie de régénérateur (l’entrée de la chambre de combustion).
T4 : température à la sortie de la chambre de combustion (l’entrée de la turbine haute
pression).
T5 : température à la sortie de la turbine basse pression.
mair : Débit massique en air entrant dans la chambre de combustion.
mfuel : Débit massique en fuel nécessaire pour la combustion.
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mc : Débit massique du gaz brulé après la combustion.
*Analyse de la chambre de combustion
Bilan de la chambre de combustion
La réaction chimique de combustion peut être écrite en utilisant une formule
générale CnHm pour le carburant d’hydrocarbure et un coefficient d’air
théorique λ :
CnHm + λ (n+m
4 )[O2 + 3.76 N2]→n CO2+ m/2 H2O
+ [(λ-1).(n+m4 )] O2+[3.76 λ(
n+m4 )] N2
Le rendement de la TAG en cycle régénératif est donné par :
ηR = W utile
Qℜç u =
mc [ (T 4 –T 5 )– mair (T 2– T 1 ) ]mair (T 4 – T 3 )
En tenant compte de la conservation de débit on aura : mair ˙+mfuel=mc
Application numérique :
T1= 28.2 °C T2= 302.82 °C T3=508.12 °C
T4=966,6 °C (température de la flamme donnée par le constructeur) T5= 535 °C
mair = 123.42 Kg /s
mfuel = 0 ,58 Kg/s mc= 124 Kg/s (d’après le catalogue du constructeur)
Tout calcul fait, on obtient le résultat suivant : ηR =0,345
CONCLUSION : le rendement de la turbine à gaz est bien amélioré par l’intervention d’un cycle
régénératif.
VII- Assistance à quelques travaux d’entretien:
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1-Etalonnage d’un thermostat HTSA 1B :
Pour étalonner un thermostat, On a suit les étapes suivantes :
- On met le bulbe du thermostat dans le thermacal model 20A et on fixe
notre température suivant la valeur désirée.
- On branche le multimètre dans les bornes de microswich.
- On augmente la température progressivement jusqu’à le set
étalonnage 70 °C.
- On laisse un peu du temps pour stabiliser la température jusqu’à la fin
de course (le multimètre nous indique un contact ouvert)
- Il faut agir sur le vice de réglage pour ajuster la température désirée.
2- Etalonnage d’un pressostat basse pression LPSA 5-CB de collecteur
intermédiaire:
Afin d’étalonner ce pressostat, on a suit le démarche présenté ci-
dessous :
- Sectionner les vannes d’alimentation du gaz de pressostat.
- Débrancher les câbles de pressostat et brancher au lieu
desquels les fils de l’ampèremètre.
- Débrancher les tubes de pressostat alimentés du gaz.
- Brancher la pompe d’étalonnage après avoir l’étalonner à zéro.
- Augmenter la pression graduellement à travers la pompe
hydraulique en attendant un signal de contact.
- Décharger la pompe en diminuant graduellement la pression
jusqu'à que la valeur zéro Ohm sera affichée dans
l’ampèremètre.
Si le pressostat n’est pas réglé à la valeur désirée, on doit le
régler forcement à l’aide d’un vis.
2-Etalonnage d’un transmetteur :
De même pour étalonner un transmetteur, On a suit les étapes
suivantes :
- Brancher en série le milliampèremètre avec l’alimentation.
- régler le zéro sur le 4 mA.
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- Appliquer une pression sur le transmetteur avec une pompe
hydraulique de tel sorte que à 100 bar le milliampèremètre indique
20mA et 50% indique 12 mA sinon on fait le réglage en girant sur le
champ.
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VIII- Conclusion :
A la lumière de mon stage je peux conclure que le SERGAZ présente
un service d’une grande importance sur le plan national que sur le plan international, Ceci grâce à
un staff de service présentant à la fois la grande discipline et le respect mutuel.
En définitive, ce stage d’une durée d’un mois m’a permis d’exploiter mes acquis théoriques tel
que la thermodynamique appliquée, aussi bien que sur le plan relationnel, il m’a offert
l’opportunité d’explorer la vie professionnelle.
Enfin, Ce stage a donc été fort captivant sous tous rapport.
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