Optimisation des performances d'une turbine à gaz avec des mesures d'humidité précises

Les opérateurs ont pour principal objectif d'assurer le niveau de fonctionnement maximal des turbines. Dans le contexte économique actuel, tout ce qui peut accroître le rendement, et donc le profit, est le bienvenu. Du point de vue environnemental, il est aussi important que les turbines tournent le plus efficacement possible tout en produisant un minimum d'émissions. Heureusement, le rendement d'une turbine à gaz peut être amélioré de plusieurs manières. Contrôler l'humidité et la température de l'air entrant dans le cycle de combustion est l'un des points les plus importants puisqu'il a un effet direct sur l'efficacité, les émissions et la fiabilité opérationnelle de la turbine.

De l'air plus froid et plus dense augmente le rendement et l'efficacité

L'effet de la densité de l'air sur l'efficacité de la turbine à gaz est bien connu : l'air d'admission plus dense augmente le débit massique, ce qui améliore le rendement et l'efficacité de la turbine. La densité de l'air est inversement proportionnelle à la température, ce qui signifie que l'augmentation de la température diminue la densité de l'air et réduit par conséquent l'efficacité et la puissance de la turbine à gaz.

Le refroidissement de l'air d'admission, en particulier dans les environnements chauds, est fréquemment utilisé pour corriger la perte d'efficacité due à la haute température de l'air. Même une petite diminution de la température de l'air peut entraîner une augmentation significative de la puissance de sortie.

Une diminution de 1 °C de la température de l'air peut augmenter la sortie de 0,5 %.

Plusieurs techniques sont utilisées pour refroidir l'air d'admission. Une des plus courantes est le brumisateur, un système qui injecte de l'eau dans le flux d'air via des injecteurs pour refroidir l'air au fur et à mesure que les gouttelettes d'eau s'évaporent. La brumisation offre aussi l'avantage de réduire les émissions de NOx produites par le processus de combustion via l'augmentation de l'humidité de l'air. Outre le refroidissement de l'air d'admission dans des conditions chaudes, l'humidité peut aussi jouer un rôle important pour empêcher la formation de givre par temps froid. Lorsque l'air humide est sur le point de geler, des systèmes antigel sont nécessaires pour protéger le compresseur contre tout dommage dû au mouvement rapide des particules de glace.

Un contrôle optimal requiert des informations d'humidité précises

En raison de la vitesse élevée de l'air dans le système d'admission d'air, il faut éviter que des gouttelettes d'eau et particules de glace pénètrent dans le compresseur et la turbine et entraînent de l'érosion et des dommages coûteux. D'un point de vue pratique, cela signifie que l'humidité de l'air doit être maintenue en-deçà des niveaux de saturation. Autrement dit, pour éviter la condensation, la température de point de rosée de l'air qui pénètre dans le système doit être inférieure à la température de l'air et à la température de surface dans le système. Le système de commande doit avoir une marge de sécurité qui autorise des incertitudes de mesure ainsi que des fluctuations et des irrégularités dans les propriétés de l'air qui est mesuré. Cependant, plus les marges requises pour prendre en compte les incertitudes de mesure sont grandes, plus la perte de potentiel d'efficacité est importante. C'est pourquoi une fiabilité de mesure élevée s'avérera très rentable. Une mesure précise du point de rosée permettra au refroidissement, à la brumisation ou même au chauffage de s'effectuer le plus près possible des seuils de condensation ou de givrage dans le système.

Différents moyens d'exprimer l'humidité

Selon l'application, on utilise des termes différents pour exprimer l'humidité. On parle, entre autres, d'humidité relative, de température du point de rosée et de température au thermomètre mouillé.

L'humidité relative (HR) est le ratio entre la pression partielle de la vapeur d'eau et sa pression de saturation à une température donnée. L'HR s'exprime en pourcentage et s'utilise généralement pour décrire l'humidité de l'air ambiant. L'inconvénient de son utilisation est sa forte dépendance à la température. Par exemple, si l'HR est de 85 % et la température de 20 °C, une diminution de la température de l'air de 2 degrés seulement fera passer l'HR à 96 %. Si l'on utilise l'HR pour mesurer l'humidité de l'air dans l'entrée d'une turbine, il conviendra de ne pas oublier cette relation de causalité, car même sans refroidissement ou chauffage, la température de l'air varie dans le système d'arrivée d'air. Le principal effet est le refroidissement dû à l'accélération de l'air à l'embouchure évasée du compresseur, susceptible de provoquer une chute de température de plusieurs degrés. Ce refroidissement risque d'entraîner une formation de givre, même lorsque la température ambiante est supérieure à 0 °C.

La température du point de rosée (Td) est la température à laquelle l'air, lorsqu'il est refroidi à pression constante, devient totalement saturé par la vapeur résultant de la formation de condensation. À une HR de 100 %, la température ambiante est identique à celle du point de rosée, mais lorsque cette dernière est inférieure à la température ambiante, l'air se dessèche et le risque de formation de condensation est donc moindre. Le point de rosée a pour principaux avantages le fait qu'il ne dépend pas de la température et qu'il fournit directement la marge par rapport aux conditions de condensation.

La température au thermomètre mouillé (Tw) est la température indiquée par un thermomètre enveloppé dans une gaine mouillée. La température au thermomètre mouillé et la température ambiante peuvent s'utiliser pour calculer l'humidité relative ou le point de rosée. Tw est un moyen traditionnel de détermination de l'humidité, mais il a été remplacé en grande partie par des mesures directes, en raison d'une précision limitée et des compétences requises pour l'utilisation et la maintenance de cette méthode. Tous les paramètres d'humidité susmentionnés dépendent de la pression, mais pour les applications impliquant une admission d'air, les chutes de pression sont généralement infimes et n'ont pas d'effet significatif. À titre d'exemple, à 20 °C et 1 013 mbar, une baisse de pression de 20 mbar entraînera une réduction de 1,7 % de l'HR ou de 0,3 °C de Td.

Facteurs affectant la précision

De nombreux facteurs influent sur la précision de la mesure de l'humidité - le plus évident étant la technologie de base liée aux capteurs. Les capteurs à polymère à couche mince ont prouvé qu'ils satisfaisaient aux besoins les plus critiques dans la surveillance de l'air d'admission : précision, robustesse, stabilité sur le long terme et faible besoin de maintenance. Même si l'air entrant est très proche de la saturation et présente même une formation de condensation, la précision du capteur doit être maintenue. Un défi pour un capteur d'humidité dans un air se condensant est le fait que si le capteur est mouillé, les mesures continueront d'indiquer des conditions saturées jusqu'à ce qu'il soit sec – même si l'air lui-même n'est plus saturé. Pour surmonter ce problème, Vaisala a mis au point une technologie brevetée de chauffage de la sonde qui permet de maintenir la température de celle-ci à un niveau supérieur à la température de l'air environnant, de manière à éviter toute condensation sur le capteur. Selon le système et la position exacte dans l'installation, il est aussi possible que le capteur d'humidité soit exposé à des projections directes d'eau. Des accessoires de montage spécifiques sont disponibles pour empêcher cela.

Dans les centrales électriques et les environnements pollués, il se peut que l'air d'admission contienne des contaminants susceptibles d'affecter la précision à long terme du capteur. Pour relever ce défi, des capteurs perfectionnés peuvent être configurés avec une fonction de purge chimique nettoyant automatiquement le capteur en provoquant l'évaporation des éventuels contaminants.