Comprendre les impacts d’une mauvaise filtration de l’air sur le rendement des turbines à gaz

Contexte

L’encrassement, la corrosion et l’érosion des compresseurs de turbine à gaz sont tous liés à la qualité de l’air. L’encrassement des compresseurs peut être provoqué par des matières végétales naturelles ou des particules solides présentes dans l’air. Il peut également être dû à des risques de pollution atmosphérique d’origine humaine, comme les fumées de carbone ou d’hydrocarbures, qui créent une substance collante quand elle se dépose sur les aubes de la turbine.

Les pièces rotatives des turbines à gaz modernes ont un design et une structure complexes et disposent d’un profil critique pour une efficacité de fonctionnement maximale. Les aubes/diffuseurs à haute pression sont quelques fois munis de petits trous d’aération pour transporter l’air de refroidissement quand les températures de travail sont proches ou supérieures à la limite du matériau. Les lames de compresseur sont fabriquées à partir d’un alliage de métaux très sophistiqué pour assurer leur résistance et leur durabilité, et sont recouvertes d’une couche protectrice pour renforcer la durabilité. La filtration efficace est donc un facteur essentiel pour la durée de vie à long terme de la turbine à gaz.

On imagine alors l’importance de la filtration de la turbine à gaz et de l’impact que peut avoir une mauvaise filtration du système d’admission. Nous analysons dans cet article les impacts et en expliquons les causes.

Érosion

Les particules qui ont une masse suffisante pour user de manière irréversible les pièces rotatives internes sont généralement identifiées comme ayant un diamètre supérieur à 10 µm. Leur dureté, leur vitesse et leur concentration dans l’air peuvent provoquer une érosion qui évolue au fil du temps. Ces particules peuvent être éliminées par les filtres inertiels ou par les préfiltres, en toute facilité. Une particule de 10 µm de diamètre est considérée comme une très grosse particule alors que l’œil humain ne peut voir que des particules de >40 µm de diamètre. L’érosion entraîne des dommages irréversibles sur les turbines à gaz, mais elle peut être facilement évitée avec une filtration d’air adéquate.

Encrassement

Les polluants d’un diamètre de plus de 5 µm n’ont pas une masse suffisante pour provoquer d’usure, mais ils peuvent heurter la surface des pièces rotatives et statiques et altérer, en très peu de temps, le profil de l’aube par rapport à sa forme idéale. Ce phénomène, communément appelé encrassement de la turbine à gaz, est un problème très commun. L’impact de l’encrassement peut être très important et même si le lavage du moteur à l’eau avec des détergents et de grandes quantités d’eau propre peut rétablir l’efficacité, on observe toujours une détérioration lente et stable de l’efficacité et de la puissance du moteur. Il faut également noter que les mêmes petites particules qui provoquent l’encrassement du compresseur peuvent par ailleurs boucher les trous d’air de refroidissement situés au niveau des aubes ; Cela provoque une augmentation de la température de fonctionnement des pièces et une réduction de la durée de vie utile du moteur.

Corrosion

Il peut se produire une corrosion des parties basse pression (LP) et haute pression (HP) d’une turbine à gaz si des sels en suspension dans l’air traversent le système de filtration. Il s’agit d’un processus chimique qui ne dépend pas de la taille des particules mais de la présence d’humidité et d’une réaction électrolytique entre les sels et les métaux de différents types. L’ingestion de sel et d’eau en suspension dans l’air provoque une corrosion à basse température, alors que la combinaison de sel (NaCl) et de soufre en suspension dans l’air/le carburant aboutit à une sulfuration/oxydation à haute température ou à une corrosion par gaz chauds dans la section turbine de la turbine à gaz.

Corrosion due aux gaz chauds

La corrosion due aux gaz chauds est particulièrement préoccupante surtout dans les zones littorales et offshore où le NaCl est présent sous forme de particules sèches et de solution dans l’eau. Lorsqu’il est mélangé à du carburant acide (sulphureux), il provoque une dégradation accélérée des pièces chaudes clés de la turbine à gaz. C’est une cause courante de panne de moteurs dans les environnements offshore, bien souvent avant la fin de la durée de vie prévue d’une turbine à gaz.

Effet combiné de l’érosion et de la corrosion à basse température.

Une combinaison de ces effets peut provoquer une panne des aubes. L’érosion due à une mauvaise filtration peut provoquer l’élimination du revêtement protecteur de l’aube et par conséquent rendre l’aube sensible à la corrosion à basse température, produite par une combinaison de sel et d’eau. Une corrosion par piqûres développée près de la racine de l’aube pourrait finalement provoquer une panne catastrophique par détachement de l’aube à cause des charges excessives au niveau de la racine affaiblie de l’aube.

Conclusion

L’impact d’une mauvaise filtration de l’air sur les performances des turbines à gaz est entièrement lié à la qualité de l’air et donc à l’emplacement individuel d’une installation de turbine à gaz. C’est le milieu environnant qui déterminera la gravité du problème de qualité de l’air et l’impact potentiel d’une mauvaise filtration.

Les opérateurs ne peuvent pas uniquement se fier aux filtres de la turbine à gaz fournis par l’OEM et penser qu’ils sont bien adaptés. Pour protéger les machines rotatives des effets de l’encrassement, de l’érosion, de la corrosion et des gaz chauds, les fabricants de turbines à gaz (OEM) communiquent aux fournisseurs de filtration des exigences obligatoirement applicables en matière de qualité de l’air. En général, le niveau de ces exigences n’est pas particulièrement rigoureux, mais elles tiennent compte du fait qu’un lavage à l’eau et un entretien réguliers de la turbine à gaz seront également nécessaires. Pour la fourniture d’équipements originaux, cela permet à l’OEM de rester commercialement viable sur un marché compétitif tout en équilibrant les performances, la santé et la durée de vie de la turbomachine.

Un opérateur doit tenir compte des avantages commerciaux et environnementaux d’une filtration de l’air améliorée, notamment de la valeur d’une mise à jour à la filtration EPA. AAF peut collaborer avec vous pour analyser quantitativement ces avantages et vous donner plus de détails sur le coût total de possession pour que vous puissiez compenser toute augmentation des prix des filtres par les avantages commerciaux que vous en obtiendrez. Le plus grand défi dans ce scénario est que même dans le cas des problèmes les plus difficiles détectés en matière de qualité de l’air, les particules qui causent le plus de dommages restent invisibles à l’œil nu, et il est donc facile de comprendre pourquoi la gravité du problème n’est pas évidente. Une filtration de l’air optimisée peut protéger n’importe quelle turbine à gaz, quels que soient le site et l’environnement, et AAF travaillera avec vous pour trouver la bonne solution pour votre propre turbine à gaz. Grâce à sa grande gamme de solutions dédiées, AAF peut vous aider avec des produits leaders sur le marché qui élimineront les risques de panne des turbines à gaz et maintiendront leur efficacité et leur rendement énergétique.