Les stratégies d’implémentation des moteurs W20V32 à la centrale électrique de Farcha révèlent des performances distinctes selon la qualité du combustible. Cette étude met en lumière des solutions économiquement viables pour optimiser l’efficacité énergétique tout en préservant l’environnement.
CHAPITRE IV : INTERPRETATION ET DISCUSSION DES RESULTATS
Paramètres physiques
Densité
La densité à 15°C est une propriété importante, puisque les organes d’injection (pompe et injecteurs) sont réglés pour délivrer un volume déterminé de carburant. La SRN a fixé une limite de 820-880 kg/m3 (norme ASTM D4052), l’analyse a donné un résultat de 853,4 kg/m3 qui est dans la fourchette de la borne maximale de Wärtsilä fixée à 1010 kg/m3. Les résultats s’écartant de l’intervalle fixé risqueraient un mauvais fonctionnement du moteur, soit par manque de calorie, soit par suite d’une combustion incomplète.
La viscosité cinématique
La viscosité du gasoil doit être satisfaisante pour le fonctionnement du moteur. La valeur obtenue à 20°C par le fournisseur de la centrale 4,822 mm2/s respecte bel et bien la barre fixée par la norme ASTM D445 (3 à 8 cSt ou mm2/s) de même que celle fixée par Wärtsilä de 4 à 14 cSt puisque la viscosité devra être suffisamment faible pour que la pulvérisation dans le cylindre soit très fine.
Cependant, une viscosité insuffisante pourrait provoquer le grippage de la pompe d’injection. À l’inverse, un carburant trop visqueux augmenterait les pertes de charge dans la pompe et les injecteurs, ce qui tendrait à réduire la pression d’injection, à détériorer la finesse de pulvérisation et finalement à affecter le processus de combustion.
Point d’écoulement
Dérivant directement de la valeur du point final de distillation et de la teneur en paraffines cristallisables, le point d’écoulement du gasoil est fixé à -12°C en hiver et -7°C en été. Sa valeur détermine les conditions de réchauffage à envisager par temps froid et peut être abaissée par des additifs appropriés. En outre, le test de filtrabilité doit être inférieur ou égal à 6°C en hiver (Wuithier, 1972). Pour ce paramètre, le constructeur Wärtsilä a fixé la norme maximale à 6°C selon ISO 3016, l’analyse de la SRN donne quant à elle 9°C pour une température maximale de 25°C. Nous pouvons dire, jusqu’ici cette valeur ne peut pas avoir une influence majeure sur notre combustible.
Distillation
Les spécifications ne touchent que les fractions lourdes du gasoil : moins de 65% distillés à 250°C et plus de 85% à 350°C. Faisant suite au kérosène, le gasoil a un point initial qui se situe aux environs de 220°C et ainsi, contient donc approximativement une gamme d’hydrocarbures compris entre Cl4 et C20. Le point 50% de la courbe de distillation A.S.T.M. est représentatif des propriétés moyennes : volatilité, viscosité, point de congélation. Le point 85% inférieur à 350°C limite la teneur en produits lourds et s’obtient aisément à l’unité de distillation (Wuithier, 1972). Le dépassement de cette norme correspond à une mauvaise sélectivité de la séparation gasoil- brut. Le constructeur n’a pas fixé les limites de la distillation.
Après avoir mis en revue les paramètres physiques du combustible, les caractéristiques chimiques seront aussi interprétées dans la prochaine partie.
Paramètres chimiques
La couleur
On distingue que le résultat de couleur obtenu par la SRN est inférieur à la limite fixée à 3 maximale, donc on peut déduire que le gazole satisfait à la norme. Bien que la couleur soit sans incidence directe sur les qualités d’utilisation des gazoles, l’évolution de cette dernière lors de stockage prolongé et le transport peut être nuisible.
Et de même à l’intérieur des moteurs, le gazole est soumis à la chaleur (circuit de retour des injecteurs, stationnement au soleil), au contact de l’oxygène et l’humidité de l’air (respiration des réservoirs). Ces situations peuvent conduire à une dégradation du carburant, et cette détérioration s’accompagne souvent par la formation de sédiments et de gommes.
Et ces derniers pouvant endommager le système d’injection ou laisser des dépôts dans le moteur. Le gasoil doit donc avoir une composition stable de sa fabrication à son utilisation comme carburant, c’est pourquoi il est préférable d’utiliser des additifs qui permettent d’améliorer la stabilité de la couleur du produit (Lalaoui, 2015).
Indice de cétane
Dans le moteur diesel, il est nécessaire que le gazole présente une structure chimique favorable à l’auto-inflammation. Cette qualité s’exprime par l’indice de cétane IC. Les spécifications européennes imposent, pour les zones à climat tempéré, un indice de cétane minimal de 49 ; les valeurs observées en station-service se situent le plus souvent entre 49 et 55. L’indice de cétane ne joue pas le même rôle essentiel que l’indice d’octane dans l’optimisation moteur-carburant ; en particulier, il n’exerce pas d’incidence directe sur le rendement du moteur.
Cependant, un indice de cétane élevé contribue à améliorer de nombreuses qualités d’utilisation : démarrage aisé, bruit moins intense, notamment au ralenti à froid, émissions moins élevées de fumées noires. Par ailleurs, l’accroissement d’indice de cétane permet de réduire les rejets de polluants à l’échappement (Guibet, 1997).
Le combustible fournit, a un IC de 49, or la valeur minimale est de 45 selon ASTM D976, il faut dire que cette caractéristique est respectée. Cela nous révèle d’avoir obtenu une bonne qualité d’aptitude qui est directement reliée au délai d’inflammation du carburant dans la chambre de combustion après son injection. Il est donc hautement souhaitable de produire des gazoles qui ont des IC très élevés, et ces derniers favorisent un démarrage aisé.
Teneur en résidus de carbone
La limite maximale de cette teneur fixée par le constructeur est 2,5% soit 0,025 en masse de résidu carbone, or le LFO dépoté par la SRN a une teneur en résidu de carbone est de 0,045%. Cette valeur largement au-dessus de la norme peut entraîner la formation de dépôt dans la chambre de combustion (cylindre) et dans le système d’échappement, en particulier sous charges faibles. Ces résidus doivent faire l’objet d’un traitement préalable (séparation) avant que le gasoil passe dans le moteur.
Teneur en soufre
Le soufre dans le carburant peut provoquer de la corrosion à froid et de l’usure corrosive, notamment à faibles charges. Avec le vanadium et/ou le sodium, le soufre contribue aussi à la formation de dépôts dans le système d’échappement, normalement sous la forme de sulfates. Les dépôts peuvent aussi causer de la corrosion à haute température. Le gasoil a une teneur en soufre de 0,0195, or la valeur maximale prévue par Wärtsilä est 2% massique, à cet effet on peut dire qu’il n’y a pas un impact majeur dû à cette spécification.
Corrosion à la lame de Cuivre
La corrosion à la lame de cuivre est utilisée comme une épreuve pour déterminer l’apparition des composés soufrés (Wuithier, 1972). La lame de cuivre polie est immergée dans un échantillon d’essence super que l’on chauffe à une température de 50°C, pendant 3 heures, puis on la retire, la rince et la sèche avant de la comparer avec les autres lames (Naftal, 2015).
S’agissant du gasoil étudié, l’analyse fournie par la SRN donne une valeur de 1b (Norme ASTM D130), respectant ainsi la limite maximale. Pour cette caractéristique, le constructeur n’a
rien prévu. Toutefois, se référant au travail de Lalaoui (2015), on remarque que ce résultat est conforme c’est-à-dire, la présence des composés sulfurés dans ce gasoil n’est pas corrosive. Dans le cas inverse, la présence de soufre combinée organiquement se transforme en anhydride sulfureux qui, en présence de la vapeur d’eau forment un acide sulfurique dilué particulièrement corrosif. Et quand le moteur tourne, ses fumées nocives polluent l’atmosphère ; à l’arrêt, le moteur se refroidit et, par condensation, les produits de combustion piquent la corrosion directe des réservoirs et des conduites d’aspiration (Wuithier, 1972).
La teneur en eau
L’apparition de l’eau dans le gasoil provient des phénomènes de condensation lors des différentes phases de stockage en présence d’air et réservoir en métal léger, et ces derniers favorisent la formation d’émulsions dans le carburant. Elle est souvent exprimée en % du volume (Gayet, 2005)
La norme internationale ASTM D 95 prescrit une méthode de détermination de l’eau dans les produits pétroliers dont le point d’ébullition est inférieur à 390 °C. Elle couvre des teneurs allant de 0,003 % à 0,1% (ASTM D95, 2013). L’eau est produite dans nos réservoirs essentiellement par la condensation et arrive par l’air des évents ou lors du remplissage des cuves.
S’ajoutent encore à ces phénomènes naturels et dans certaines régions une pollution d’un autre ordre, qui entraîne aussi la dégradation du carburant comme la pollution par les boues et les particules diverses (Yatcher, 2014). Wärtsilä a fixé 0,3% de volume d’eau maximale soit 0,003 (Norme ISO 3733). Sachant que la présence de l’eau dans le gasoil peut être fatale pour ces moteurs à savoir :
- une source de développement de micro-organismes qui créeront des boues et obstrueront les filtres ;
- des phénomènes de corrosion peuvent apparaitre prématurément endommageant le système d’injection et les cuves de stockage.
C’est pour ces raisons, que la teneur en eau dans le gasoil est fixée très strictement par la norme. Une teneur faible garantie une meilleure qualité produite (moins de risque de corrosion et de contamination bactérienne), et de plus les cuves de distribution ont un piquage situé au- dessus du niveau bas et tous les véhicules sont équipés d’un filtre à gasoil faisant office de piège à eau (Barbusse et Plassat, 2005).
Point éclair
Le point éclair est la température la plus basse à partir de laquelle un produit pétrolier dégage assez de vapeurs pour former un mélange inflammable dans des conditions normalisées (Petit et Poyard, 2004). Il faut noter que Wartsila a fixé le point d’éclaire (PMCC) minimal à 60°C suivant la Norme ISO 2719. Le combustible livré qui fait l’objet de notre analyse possède un point éclaire de 66°C (ASTM D93). Cette valeur obtenue respecte le seuil fixé et caractérise la teneur en produits volatils permettant de connaître jusqu’à quelle température ce LFO pourrait être chauffé sans danger.
Teneur en cendres
Ce sont les sels et oxydes minéraux qui demeurent à l’état solide après combustion complète du gasoil, parmi eux, on trouve principalement le silicium, le fer, le calcium, le sodium et le vanadium, ce dernier représentant dans certains cas 50% des cendres totales. Les spécifications prévoient des traces de cendres non dosables dans le gasoil pour éviter les dépôts solides sur les parties froides telles que les soupapes et la formation d’un amalgame abrasif avec l’huile de graissage. En outre, la teneur en sédiments doit être nulle (Whuitier, 1972). Le constructeur Wärtsilä a prévu pour ses moteurs selon la norme ISO 6245, la caractéristique de la teneur en cendre une limite maximale de 0,05% en masse.
La consommation spécifique
La détermination avec précision des caractéristiques du moteur en fonctionnement n’est pas possible uniquement par le calcul, compte tenu, en particulier des hypothèses simplificatrices utilisées. C’est pourquoi les essais s’ajoutent aux calculs afin de permettre une analyse plus ou moins exacte des données liées à la performance. La norme requise pour ce paramètre est de 210 g/kWh. Les valeurs en moyenne CSP de G1 et G7 sont respectivement 220,9 g/kWh et 205,7 g/kWh. Il faut relever que la CSP en moyenne du G1 est assez importante que celles du G7 et G1 évaluées dans un travail antérieur au Tchad par Azinamangsou (2015) où la moyenne CSP de janvier à Mars 2015 est de 197,66 g/kWh.
Les causes de ce décalage sont nombreuses mais nous pouvons souligner que les pompes et injecteurs envoient trop de combustible dans les chambres de combustion. Une grande quantité de gasoil dans le cylindre ne sera pas totalement consommée (combustion incomplète), ce qui entrainerait une perte pour l’entreprise. Le cas du G7 témoigne que ce moteur est en bon
fonctionnement car sa CSP en moyenne est inférieure à 210 g/kWh donnant un rendement meilleur à la centrale. Il est à noter que ce moteur a subi une révision juste au début notre étude.
Facteur de charge
Cet indicateur de performance permet d’évaluer l’exploitation du moteur. Un facteur de charge se rapprochant de 100% témoigne une exploitation se rapprochant de la puissance nominale (8777 kWh). Lorsqu’il est en-dessous de 75%, cela veut dire que le moteur tourne à faible charge nominale, dégageant beaucoup de fumée donc moins économique pour la centrale.
Pour une période d’utilisation de 907 heures au premier trimestre de l’année 2020, le moteur G1 a réalisé une charge moyenne de 74,66 %. Cette exploitation n’est pas rentable pour l’entreprise car ce moteur a fourni beaucoup d’effort pour vaincre certaines contraintes (résistance), ce qui corrobore sa consommation élevée de combustible.
Cette charge de 74,66% en 2020 est inférieure à 81%, résultat obtenu en 2015 par Azinamangsou. Quant au G7 qui a fonctionné deux mois sur trois, avec une charge moyenne de 80 % pour une période d’activité 1209 heures, ce facteur de charge obtenu reflète une production électrique efficace de ce
générateur (G7) et bien évidemment sa faible consommation en gasoil.
La Pression maximale
La mesure de la pression maximale qui est un paramètre déterminant l’équilibre du moteur et permet l’étude des états des segments, l’injecteur et des pompes à injection. Cette étude est liée aux données de la température. Lorsque l’écart de pression entre les cylindres opposés est grand, cela engendre une contrainte sur l’arbre manivelle d’où la température des paliers croit. Sous l’effet thermique, les paliers se dilatent et éventuellement une casse du moteur.
Le cran crémaillère permet de déceler les températures anormales des chambres de combustion. D’après le tableau 10 qui présente les bancs A et B du moteur G1, on constate que la pression maximale la plus basse est 130,9 bars et celle la plus élevée est 162,9 bars du 5ème cylindre du banc A. Au niveau du banc B, le cylindre 6 présente une P°max élevée de 170,3 bars. On peut simplement dire que les cylindres qui ont des P°max au-dessus de la moyenne témoignent une injection plus rapide du gasoil dans la chambre et entraineraient une combustion incomplète du combustible.
De même, l’analyse des résultats permet de savoir qu’au niveau de G7, le banc A nous donne une P°max élevée de 166,4 bars (cylindre 7) et le banc B montre une P°max élevée de 164,1 bars (cylindre 3). Cela montre les anomalies des pompes et injecteurs de ces différents
cylindres du G7 qui ont des pressions maximales au-dessus de la moyenne qui est de 156,47 bars (moyenne de banc A) et 157,54 bars (moyenne de banc B).
Questions Fréquemment Posées
Quelle est l’importance de la densité du carburant pour les moteurs W20V32?
La densité à 15°C est une propriété importante, car les organes d’injection sont réglés pour délivrer un volume déterminé de carburant. Une densité en dehors de la fourchette fixée pourrait entraîner un mauvais fonctionnement du moteur.
Comment la viscosité du gasoil affecte-t-elle le fonctionnement des moteurs?
La viscosité du gasoil doit être satisfaisante pour le fonctionnement du moteur. Une viscosité trop faible peut provoquer le grippage de la pompe d’injection, tandis qu’une viscosité trop élevée peut augmenter les pertes de charge et affecter le processus de combustion.
Quels sont les effets d’une mauvaise qualité de carburant sur les moteurs?
Une mauvaise qualité de carburant peut entraîner une combustion incomplète, des dépôts dans le moteur, et endommager le système d’injection, ce qui affecte les performances des moteurs.