L’analyse de cas sur les moteurs W20V32 révèle que la qualité du combustible influence significativement leur performance. Cette étude met en lumière des méthodes innovantes pour optimiser l’efficacité énergétique tout en préservant l’environnement, un enjeu crucial pour la centrale électrique de Farcha.
METHODES
après :
Dans le cadre de notre travail, la démarche méthodique s’articule autour des points ci-
La documentation
La méthodologie déterminative et comparative liée au circuit combustible de la centrale électrique de Farcha :
- la séparation (centrifugation) du combustible par le séparateur ALFA LAVAL ;
- la caractérisation du LFO ;
- l’injection du combustible ;
- la compression (mesure de la pression maximale) ;
- la combustion dans le cylindre.
La documentation
Pour cette rédaction, nous avons passé en revue et exploité les documents pour avoir un aperçu général et la littérature existante sur le sujet. Les principaux sont :
- les documents du constructeur Wärtsila;
- les mémoires ;
- les articles.
La méthodologie liée au circuit combustible
Le circuit combustible a pour fonction d’alimenter les groupes de façon continue en combustible propre dans des conditions de température et de pression appropriées. Les moteurs étant de type diesel, ils peuvent fonctionner sous deux types de combustible à savoir le fioul lourd (HFO) et le fioul léger (LFO), d’où l’existence de deux circuits principaux de fioul :
- le circuit de HFO qui est le circuit principal ;
- le circuit de LFO qui est le circuit de secours et sur lequel repose le fonctionnement de la centrale.
Les principaux éléments constitutifs du système de fuel sont :
La station de dépotage : c’est le lieu où est dépoté le combustible des camions citernes et pompé vers les réservoirs de stockage de LFO et HFO au moyen des unités de pompe de déchargement. Le système compte des unités de pompe de déchargement séparées pour les fuels lourd et léger. (Wärtsilä, 2011).
La station de transfert qui permet de déplacer le HFO ou le LFO des réservoirs de stockages vers le réservoir tampon. Le transfert du LFO du réservoir tampon vers le réservoir quotidien
(ou journalier) est pris en charge par un séparateur où le carburant est également nettoyé. Si le réservoir journalier est plein, une canalisation de trop-plein sur le réservoir journalier renvoie le carburant vers le réservoir tampon (Wärtsilä, 2011).
Les réservoirs qui permettent de stocker le combustible sont :
- Le réservoir de stockage LFO de la Centrale. La fiabilité de fonctionnement de la centrale exige qu’une quantité suffisante de LFO soit toujours conservée. Le réservoir de stockage inclut un équipement permettant de surveiller le niveau et la température dans le réservoir. Une conduite de purge est également installée.
- Le réservoir tampon HFO stocke le combustible en vue d’un traitement par le système de séparation. Un réchauffeur dans le réservoir conserve le carburant à la température correcte. Le réservoir dispose d’une canalisation de purge et d’un tuyau d’aération.
- Le réservoir quotidien LFO stocke le carburant traité avant son alimentation dans le moteur. Un réchauffeur dans le réservoir conserve le carburant à la température correcte. Le réservoir inclut un équipement permettant de surveiller le niveau et la température dans le réservoir. Le réservoir dispose d’une conduite de purge.
Le séparateur LFO qui purifie le fuel sous une température minimale de 40ºC. Cette purification consiste à séparer le combustible de l’eau et des boues. Le LFO propre est envoyé dans la cuve journalière, les eaux huileuses sont pompées dans le tank à boues.
La station d’alimentation (feeder) transfert le carburant du réservoir de jour vers les unités de surpression. A partir des unités de surpression, le carburant continue à travers les unités de combustible vers les moteurs.
La station d’amplification (booster) qui augmente la pression et la température du LFO pour un fonctionnement. Le combustible boosté, se dirige vers l’unité de fuel.
L’unité de fuel qui contient un filtre de sécurité, fournit le fuel au moteur dans les conditions de pression et de température requises pour la combustion.
Le schéma ci-après vient mettre au clair le circuit d’alimentation des moteurs W20V32 détaillé dans la partie précédente.
[5_analyse-de-cas-impact-du-combustible-sur-les-moteurs-w20v32_13]
Figure 11: Schéma du circuit d’alimentation des moteurs W20V32 (Wartsila, 2011)
La séparation (centrifugation) du combustible par le séparateur ALFA LAVAL
L’unité de séparation (Annexe 4) est conçue pour épurer les combustibles et les huiles de lubrification des moteurs diesel ainsi que le mazout pour les moteurs à turbine à gaz dans les applications de marine et de centrales. Le combustible est envoyé dans le séparateur pour éliminer les particules solides et l’eau.
Le combustible propre quitte le séparateur par la sortie combustible tandis que l’eau et les boues séparées s’accumulent sur la périphérie du bol du séparateur en rotation. L’unité de commande supervise l’ensemble de l’opération, en effectuant des fonctions de surveillance, de commande et d’alarme. Le processus s’adapte automatiquement aux changements des conditions, comme une teneur en eau accrue dans le combustible non traité, une température élevée ou faible du combustible d’alimentation, etc.
L’unité de séparation de base comprend :
- un séparateur ;
- un équipement auxiliaire comprenant l’unité de commande (EPC50) ;
- équipement optionnel comme la vanne papillon, un réchauffeur, etc.
La caractérisation du LFO (qualité du combustible)
La spécification du fuel léger (LFO) est basée sur la norme ISO 8217 : 2005(E) et couvre les catégories de carburant ISO-F-DMX, DMA, DMB et DMC. Les valeurs figurant dans la colonne Installation indiquent la qualité du LFO spécifiée pour l’installation. Les valeurs figurant dans la colonne Moteur indiquent les limites extrêmes individuelles pour le moteur. Les carburants ayant une ou plusieurs valeurs proches de cette limite pourraient avoir une incidence négative sur la durée de service des composants (Wärtsilä, 2011). Le tableau 6 ci-après montre ces paramètres énumérés.
Tableau 6: Les caractéristiques du fuel léger LFO (Wärtsilä, 2011)
Paramètre | Limite de qualité du carburant | Unité | Référence de méthode de Test | |
Moteur | Installation | |||
Viscosité, min. | 4,0 | cSt à 40°C | ISO 3104 | |
Viscosité, max. | 14 | cSt | ISO 3104 | |
Viscosité d’injection, min. | 2,0 | – | cSt | ISO 3104 |
Viscosité d’injection, max. | 24 | – | cSt | ISO 3104 |
Densité, max. | 1010 | 965 | kg/m³ à 15 °C | ISO 3675 ou 12185 |
Eau, max. | 0,3 | 0,5 | volume % | ISO 3733 |
Soufre, max. | 2,0 | – | masse % | ISO 8754 |
Cendre, max. | 0,05 | – | masse % | ISO 6245 |
Vanadium, max. | 100 | – | mg/kg | ISO 14597 |
Sodium, max. | 30 | – | mg/kg | ISO 10478 |
Aluminium + silicium, max. | 15 | 25 | mg/kg | ISO 14597 |
Résidu de carbone, max. | 2,5 | – | masse % | ISO 10370 |
Asphaltènes, max. | 14 | – | masse % | ASTMD 3279 |
Point d’éclair (PMCC), min. | 60 | 60 | °C | ISO 2719 |
Point d’écoulement, max. | 6 | – | °C | ISO 3016 |
L’injection du combustible
- La pompe :
Le combustible sous pression pénètre dans le cylindre de la pompe via la chambre à faible pression et alimente l’élément de pompe en combustible. L’excédent de combustible est dirigé vers le circuit basse pression. La pompe d’injection met sous pression le combustible à injecter dans les cylindres et elle dispose d’un mécanisme régulateur (crémaillère et douille de
régulation) pour augmenter ou diminuer la quantité de combustible en fonction de la charge et de la vitesse du moteur. La pompe d’injection est contrôlée par le régulateur. Le piston plongeur, poussé par l’arbre à cames via le galet poussoir et ramené par l’action du ressort, effectue un mouvement de va-et-vient dans le cylindre suivant une course prédéterminée pour mettre le combustible sous pression.
L’injecteur :
L’injecteur comprend une buse et un support de buse. La pression de service de l’aiguille d’injection est contrôlée via la tige de poussée, le guide de ressort et le ressort en tournant la vis de réglage. Le combustible entre dans le support de buse sur le côté via une pièce de raccordement dans la chambre de la buse. La buse reçoit le combustible haute pression en provenance de la tuyauterie d’injection et l’injecte dans la chambre de combustion sous forme de pulvérisations très fines. Le combustible quitte la buse sur le côté du support.
La compression (mesure de la pression maximale)
La mesure des pressions est faite à un niveau de charge de 100% (moteur en marche) à l’aide d’un appareil de mesure des grandes pressions de type Kistler 2516B11. L’appareil est monté sur la soupape d’indication puis on ouvre la vanne de la soupape et la valeur de la pression affichée par le Kistler est lue en bars.
La combustion dans le cylindre
Le fonctionnement des moteurs thermiques repose sur la combustion de carburant (gasoil). Tous les carburants utilisés sont à base de carbone (C) et d’hydrogène (H). Et la combustion parfaite d’un hydrocarbure est conduite à la présence suffisante de dioxygène O2, des alcanes et le dioxygène se transforment essentiellement en dioxyde de carbone (CO2) et en eau (H2O), suivant cette réaction (Pirson et al., 2004) :
Alcane + O2 CO2 + H2O + Energie
L’analyse en laboratoire d’échantillons de carburants purs non additivés montre que le gazole est constitué (en masse) de 87 % de carbone et 13 % d’hydrogène.
L’allumage se fait par compression du mélange air carburant, et l’introduction du mélange dans les cylindres se fait de manière séparée. La combustion est généralement décrite par trois phases (Nohra, 2009) :
- la première phase débute avec l’injection du carburant dans le cylindre ;
- la deuxième phase est l’inflammation du mélange ;
- la troisième phase est la combustion par diffusion du mélange durant laquelle plus de 75% du combustible est brûlé.
Parlant de la combustion par diffusion, des photographies de la combustion effectuées à l’ultra cinéma à travers un paroi transparente de la culasse ont montré qu’une partie importante du combustible brûle au début avec une flamme trop peu lumineuse pour impressionner les pellicules. Puisque le taux de luminescence et de chaleur dégagée tend à croître beaucoup plus vite que le taux de pression ; on atteint en quelques degrés de vilebrequin une flamme brillante de combustion de carbone libre avec une température maximale de l’ordre de 2500°C. Cette flamme brillante persiste jusqu’à 90°C après le PMH puis s’évanouit en rougissant.
Le contrôle de la combustion implique, au total, que l’on ait su accélérer convenablement les réactions chimiques précédant l’auto-inflammation.
Pour cela, on peut mettre en œuvre deux techniques :
- Système à chambre ouverte. On s’évertue à posséder une zone extrêmement chaude dans laquelle ou au voisinage de laquelle les particules de combustible subissent une transformation physique et une réaction chimique, l’évaporation et l’auto-allumage du combustible s’étendant progressivement, et plus ou moins brutalement en fonction de la turbulence, vers les zones plus froides.
- Système à chambre séparée. On associe dans une préchambre la présence d’une température élevée et celle d’une quantité 1imitée d’air comburant ; par surcroît, un étranglement peut freiner la vitesse d’expulsion des gaz produits.
La tâche d’obtenir une bonne combustion appartient donc, au total : à la chambre de combustion et à l’injecteur. Mais la combustion se poursuit, après la fin de l’injection, et ce dans des conditions de plus en plus imparfaites au fur et à mesure que l’excès d’oxygène diminue. Il en résulte une perte de rendement, perte qui va en croissant tandis que se déroule le cycle, puisque le rapport de détente diminue. Par surcroît, toute calorie dégagée qui ne se transforme pas en travail se transmet soit aux gaz brûlés et à l’azote, soit aux structures de moteur, et augmente nocivement leurs températures (Papa, 2003).
Ainsi prend fin le matériel et les méthodes utilisés pour résoudre le problème posé pendant cette étude dont les résultats seront illustrés dans les prochaines lignes.
Questions Fréquemment Posées
Quelle est l’importance de la qualité du combustible pour les moteurs W20V32?
Ce travail souligne l’importance de la qualité du combustible pour le bon fonctionnement des moteurs.
Quels types de combustibles peuvent être utilisés par les moteurs W20V32?
Les moteurs étant de type diesel, ils peuvent fonctionner sous deux types de combustible à savoir le fioul lourd (HFO) et le fioul léger (LFO).
Comment le circuit combustible de la centrale électrique de Farcha fonctionne-t-il?
Le circuit combustible a pour fonction d’alimenter les groupes de façon continue en combustible propre dans des conditions de température et de pression appropriées.