Surveillance de l’état de fonctionnement du groupe
turbogénérateur d’une centrale électrique

Description d’une centrale de production d’électricité 

Historique

A partir du XVIIe siècle les propriétés de l’électricité sont découvertes. Ainsi en 1799, Alessandro Volta crée la pile électrique. Il donnera son nom à l’unité de mesure de la force électromotrice et de différence de potentiel, le Volt (symbole : V). Le XIXe siècle voit la recherche s’accélérer. En 1831, Michael Faraday découvre que si un courant électrique peut produire un champ magnétique, l’inverse est possible : ainsi en mettant en mouvement un champ magnétique, on peut créer un courant électrique. Suivant ces découvertes, la dynamo est inventée par le belge Zénobe Gramme en 1868. Onze ans plus tard, Thomas Edison apporte avec l’ampoule électrique à incandescence une autre façon de faire de la lumière. La même année, en Suisse, la première centrale hydroélectrique voit le jour. A la fin du XIXe siècle, la production industrielle d’électricité devient possible et les premières applications techniques voient le jour : l’éclairage électrique, le télégraphe, le téléphone, …, etc. La deuxième révolution industrielle commence ! L’électricité investit de nombreux domaines comme l’industrie, les transports, l’éclairage public, …etc. 1.2.2 Fonctionnement général d’une centrale électrique Pour fonctionner, une centrale électrique (figure 1.1), doit produire une certaine énergie mécanique pour faire bouger les électrons à l’intérieur d’un alternateur. Ce sont ces électrons en mouvement qui se muent en électricité. Les énergies choisies pour cette mutation sont dites primaires. Selon la source d’énergie primaire utilisée : énergies fossiles (fioul, gaz, charbon), ou énergies nucléaires, on peut distinguer deux types de centrales de production d’électricité : Les centrales thermiques (turbines à vapeur, turbines à gaz, ou cycle combiné gaz/vapeur), et les centrales nucléaires. Cependant, l’électricité peut également être issue non pas d’une énergie mécanique, mais d’une énergie dite renouvelable telle que : l’énergie hydraulique, l’énergie éolienne, l’énergie solaires, …, etc. En conséquence, le fonctionnement des centrales électriques est finalement toujours à peu près identique. La centrale n’a d’autre but que d’actionner une turbine qui fait tourner un alternateur. Celui-ci produit du courant qui, avant d’être transporté dans les lignes à haute ou très haute tension, doit voir sa tension transformée à travers un transformateur électrique. Ce n’est que la façon dont est produite l’énergie primaire produisant l’énergie nécessaire pour actionner la turbine qui distingue réellement les centrales. Dans la section qui suit, une présentation détaillée sera consacrée à la turbine à gaz. Figure 1.1 Centrale de production d’électricité

Turbine à gaz

Une Turbine à Gaz, appelée aussi turbine à combustion, est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs à combustion interne dont le rôle est de produire de l’énergie mécanique (rotation d’un arbre) à partir de l’énergie contenue dans un hydrocarbure (fioul, gaz…). 1.2.4 Domaines d’applications Les applications des turbines à gaz découlent directement de leurs avantages spécifiques. Ainsi, les turbines à gaz sont bien utilisées dans le domaine de la motorisation des avions. La propulsion navale fait également de plus en plus appel aux turbines à gaz notamment pour les navires à grande vitesse. En outre, les turbines à gaz sont employées pour l’entraînement de compresseurs et de pompes, dans le cadre de l’exploitation de pétrole et de gaz naturel. Le principal domaine d’emploi des turbines à gaz est la production d’électricité. En effet, il s’agit d’applications à régime constant et à charge relativement constante pour lesquelles le rendement de ces machines est le meilleur. La puissance varie de quelques centaines de kilowatt (KW) à près de 400 Mégawatt (MW). Les machines les plus puissantes sont en général associées à des turbines à vapeur dans des cycles combinés dont le rendement global tend actuellement vers 60%. En cycle simple, le rendement est de  l’ordre de 30 à 35% voire plus pour les grosses machines. L’avantage principal de l’utilisation des turbines à gaz consiste en un état de service très rapide. Des turbines à gaz sont opérationnelles à pleine charge dans un délai très court (Environ 10 mn), et c’est la raison pour laquelle elles sont souvent utilisées comme entraînements de réserve et en cas d’activité de pointe. L’inconvénient réside dans une consommation supérieure de carburant, comparée à celle d’un moteur diesel. Enfin, des efforts importants ont été entrepris par les constructeurs pour la préservation de l’environnement, et limiter la pollution de l’air par les turbines à gaz, en particulier en réduisant les rejets d’oxyde d’azote (NOx). L’utilisation de gaz naturel permet une émission faible de dioxydes de soufre (SO2) et de monoxyde de carbone (CO). 1.2.5 Principe de fonctionnement d’une turbine à gaz Dans sa forme la plus simple et la plus répandue, une turbine à gaz est composée de trois éléments essentiels (figure 1.2) :  Un compresseur d’air, centrifuge ou plus généralement axial, qui a pour rôle de comprimer de l’air ambiant à une pression comprise aujourd’hui entre 10 et 30 bars environ ;  Une chambre de combustion, dans laquelle un combustible gazeux ou liquide est injecté sous pression, puis brûlé avec l’air comprimé ;  Une turbine, généralement axiale, dans laquelle sont détendus les gaz brûlés qui sortent de la chambre de combustion. Sous cette forme, la turbine à gaz constitue un moteur à combustion interne à flux continu. On notera que le terme de turbine à gaz provient de l’état du fluide de travail, qui reste toujours gazeux, et non du combustible utilisé, qui peut être aussi bien gazeux que liquide (les turbines à gaz utilisent généralement du gaz naturel ou des distillats légers). Figure 1.2 Principe de fonctionnement d’une turbine à gaz Pour atteindre des taux de compression de 20 ou 30 bars, le compresseur est multi étagé (composé de plusieurs étages), avec parfois une réfrigération intermédiaire destinée à réduire le Chapitre I : Maintenance des machines tournantes et des structures 8 travail consommé. Les rotors axiaux sont constitués d’un empilage de disques, soit montés sur un moyeu central, soit assemblés en tambour sur leur périphérie. Les matériaux utilisés vont des alliages d’aluminium ou de titane pour les premiers étages aux alliages d’acier et aux alliages réfractaires pour les derniers étages, qui peuvent supporter des températures atteignant 500 °C. La chambre de combustion est destinée à chauffer l’air provenant du compresseur afin de lui apporter l’énergie nécessaire à faire mouvoir la turbine et à donner suffisamment de poussée à la tuyère. Cet apport de chaleur se fait par la combustion du dioxygène de l’air avec du carburant (gaz naturel ou fioul) injecté par une pompe, et enflammé par une bougie d’allumage (allumeur). Après avoir atteint son régime d’autonomie, l’allumage de la bougie est coupé (bougie d’allumage rétractable) et la flamme s’auto- entretient. Les gaz de combustion atteignent des températures supérieures à +1000 °C. En raison de l’apport d’énergie dans la chambre de combustion, la vitesse des gaz brûlés augmente. Le flux des gaz brûlés à haute température et haute pression, va s’acheminer vers les différents étages turbine pour se détendre, en faisant tourner la turbine à des vitesses élevées atteignant les 3000 tr/mn. La turbine généralement de type axial comprend un ou plusieurs étages de détente. Contrairement aux turbines à vapeur, il s’agit toujours de turbines à réaction. Deux grands types de turbines à gaz sont à distinguer :  Simple arbre : le compresseur et l’ensemble des étages de détente sont regroupés sur le même arbre entrainant également l’organe récepteur qui est l’alternateur.  Double arbres : le compresseur est sur le même arbre que les étages de turbine strictement nécessaires à son entrainement, les autres étages de turbine étant groupés sur un second arbre solidaire de la machine entrainée. Le mouvement de rotation de la turbine est communiqué à l’arbre qui actionne d’une part le compresseur, d’autre part une charge qui n’est autre qu’un appareil récepteur (alternateur, pompe…) accouplé à son extrémité droite. Pour la mise en route, on utilise un moteur de lancement accouplé au compresseur qui joue le rôle de démarreur. Le réglage de la puissance et de la vitesse de rotation est possible en agissant sur le débit de l’air en entrée et sur l’injection du carburant. Enfin, les gaz utilisés pour entraîner la turbine sont réacheminés pour être soit rejetés à l’atmosphère, soit dirigés vers une chaudière de récupération (dans le cas d’une turbine à cycle combiné).

Equipements auxiliaires d’une turbine à gaz

En plus des équipements principaux constituant une turbine à gaz (détaillés précédemment), on trouve d’autres équipements vitaux, dits équipements auxiliaires. Ces équipements indispensables, contribuent directement au fonctionnement des groupes turbogénérateurs, et présentent un impact très étroit sur leur disponibilité, ainsi que sur leurs performances. Parmi ces équipements auxiliaires, on peut citer :  Moteur de lancement servant à lancer la turbine lors de son démarrage jusqu’ à atteindre sa vitesse d’auto-sustentation.  Réducteur de vitesse. Chapitre I : Maintenance des machines tournantes et des structures 9  Pompe à huile auxiliaire de lubrification turbine.  Motopompe de soulèvement.  Motopompe vireur.  Compresseur gaz.  Compresseur à air.  Etc. Ces dernières décennies, les groupes turbogénérateurs à gaz sont dotés de systèmes contrôle/commande On-line très sophistiqués, destinés d’une part, pour la mise en service et arrêt de ces groupes, et d’autre part pour la surveillance et le réglage de tous les paramètres d’exploitation (Température, pression, vibrations, dilatations, …etc.) selon des normes établies par les constructeurs, et ce pour une meilleure performance des groupes, et leur protection contre tout dysfonctionnement ou incident. En outre, des opérations d’entretiens programmées sont généralement établies par les constructeurs selon des échéanciers bien respectés en fonction du nombre d’heures de marches ou bien du nombre de démarrages des groupes. Néanmoins, et malgré ces politiques de maintenance fiables, des études statistiques ont montré qu’environ 30% des indisponibilités des groupes turbogénérateurs sont dues à des défaillances, voire des incidents au niveau des équipements auxiliaires. C’est pour cette raison que tous ces équipements auxiliaires qui sont généralement de type machines tournantes doivent en permanence être contrôlées et entretenues afin de les rentabiliser, d’éviter des arrêts de production imprévus, des indisponibilités fortuites et des pertes économiques qui en découlent. C’est dans cet esprit que la maintenance est devenue une des principales priorités au sein des entreprises industrielles modernes. Cette nouvelle politique de maintenance a la lourde tâche non seulement d’augmenter la disponibilité des équipements mais également de garantir la sécurité des biens et des personnes. Il est donc important de développer des outils de diagnostic pour détecter de manière précoce les défauts pouvant apparaître sur ces différentes machines tournantes.

Types de maintenance

Selon la norme européenne NF EN 13306 [9], la maintenance est définie comme étant : « l’ensemble de toutes les actions techniques, administratives et de gestion, durant le cycle de vie d’un bien, destinées à le maintenir ou le rétablir dans un état dans lequel il peut accomplir une fonction requise » [10]. Les installations industrielles de nos jours sont généralement constituées d’un nombre important de machines tournantes telles que turbines, compresseurs, pompes, ventilateurs, moteurs, etc. L’augmentation de la productivité et la maîtrise des coûts dans un contexte de compétitivité économique nationale ou mondiale exigent que ces machines tournantes doivent être surveillées en permanence et entretenues afin d’accroître leur disponibilité, optimiser leur performance, réduire les incidents, et empêcher les arrêts machines non planifiés. Pour cela, il existe plusieurs façons d’organiser les actions de maintenance afin d’obtenir une disponibilité maximum au moindre coût [11]. Il en ressort les types de maintenance suivants :  Maintenance curative.  Maintenance préventive systématique.  Maintenance préventive conditionnelle. 

La maintenance curative

Elle correspond à une action de maintenance effectuée après une défaillance mécanique. Son utilisation est réservée aux équipements qui ne présentent pas un intérêt majeur dans le système de production et aucun risque pour le personnel en termes de sécurité [12]. 

La maintenance préventive systématique

Elle consiste à établir un échéancier, basé sur le temps de bon fonctionnement

La maintenance préventive conditionnelle

Elle fait appel à des indicateurs de performance pour prendre ou non des mesures correctives. Ces indicateurs peuvent être de différentes natures telles que l’analyse vibratoire, l’émission acoustique, l’analyse du bruit, la thermographie infrarouge, l’analyse des lubrifiants, …etc. Ce type de maintenance est coûteux à mettre en place car il nécessite l’intégration d’instruments de mesures sur le système étudié et fait appel à des compétences de plus en plus pointues. Cependant, elle reflète le mieux l’état de fonctionnement de l’équipement concerné. Ces mesures sont ensuite extrapolées pour en déduire la durée de vie résiduelle avant une panne [14]. Le choix entre ces différents types de maintenance dépend des politiques menées sur chaque équipement. Le coût d’une panne et la sécurité du personnel sont deux paramètres primordiaux quant au choix du type de maintenance. Une bonne politique de maintenance correspond à un bon dosage entre ces trois méthodes. Elle est basée essentiellement sur leur complémentarité.