QUAND UNE PANNE PRECOCE DE PIECES CRITIQUES POUSSE ENGIE A LA RECHERCHE
Un partenariat efficace entre Shell, ENGIE Electrabel et ENGIE Laborelec
La centrale électrique de Knippegroen, construite par ENGIE Electrabel en 2007 et opérationnelle depuis 2010, a pour but de valoriser le gaz de haut-fourneau de l’usine voisine Arcelor-Mittal à Gand. La priorité absolue se résume sans le moindre doute à la disponibilité permanente de la centrale. Tout arrêt implique le torchage des gaz, ce qui va totalement à l’encontre de la philosophie bioresponsable. “Afin d’assurer cette continuité, nous devons pouvoir faire confiance au matériel et aux lubrifiants utilisés”, souligne Pieter Baten, Senior Mechanical Expert en charge des centrales ENGIE Electrabel à Bruges, Gand et Bruxelles.
VALORISATION DES GAZ DE HAUT-FOURNEAU
Disponibilité permanente
Depuis toujours, on cherche à valoriser de la meilleure façon qui soit les gaz de haut-fourneau produits par Arcelor-Mittal, anciennement Sidmar. Cette valorisation était prise en charge entièrement par ENGIE-Electrabel jusqu’en 2010, grâce à la centrale électrique de Rodenhuize, avant d’être confiée à la centrale électrique de Knippegroen. Les anciennes installations de la centrale de Rodenhuize datant de 1964 étaient en effet arrivées en fin de vie. Il faut pourtant bien avoir conscience que la disponibilité d’une centrale n’atteint jamais 100 % dans la pratique. Pour cette raison, la centrale Rodenhuize 4 sert aujourd’hui encore de back-up à celle de Knippegroen. Cela permet d’éviter qu’en cas d’arrêt (volontaire ou non), le gaz ne doive être rejeté dans l‘air. Actuellement, toute l’électricité produite par Knippegroen (entre 230 et 300 MW) est injectée sur le réseau haute tension d’Arcelor-Mittal.
Procédé
La valorisation du gaz de haut-fourneau se fait en principe toujours de la même façon, selon Pieter Baten: “La technique utilisée est essentiellement identique à celle que nous appliquions il y a 40 ans – une chaudière à vapeur couplée à une turbine à vapeur – même si aujourd’hui on atteint évidemment un rendement sensiblement plus élevé. La turbine à vapeur et l’alternateur, pour lesquels nous n’avons pas de back-up, sont les composants les plus importants du site. Pour toutes les autres machines et pièces nous avons une installation en doublon, mais pas pour la plus grande et la plus critique.”
Stratégie de maintenance
La centrale tourne à un rythme de cycles de deux ans en continu. “Nous devons ensuite l’arrêter, pour permettre la certification légale du site”, poursuit Pieter Baten. “Nous profitons de cette pause pour effectuer les travaux de maintenance également.”
“Si en tant que propriétaire et gestionnaire nous avons la possibilité de booster l’efficacité et la fiabilité des procédés, nous le ferons sans tarder, notamment grâce aux révisions et à la modernisation des machines.”
Un arrêt de ce type ne dure que deux semaines, alors qu’un gros entretien ('major shutdown') nécessite environ six semaines et doit se faire tous les dix ans (le prochain est prévu en 2020). Indépendamment de la maintenance prévue, il faut suivre de près l’installation afin d’être certain qu’elle fonctionne de manière optimale. “Si en tant que propriétaire et gestionnaire nous avons la possibilité de booster l’efficacité et la fiabilité des procédés, nous le ferons sans tarder, notamment grâce aux révisions et à la modernisation des machines.”
PROBLEME
Stabilisation de la charge variable
La disponibilité de la centrale est un point critique, car lorsqu’une panne survient, le gaz de haut-fourneau ne peut plus être valorisé. Bien que Knippegroen soit une installation récente, force a été de constater qu’une des pièces – la vanne proportionnelle – a été beaucoup moins fiable que ce qui était prévu.
Ces pièces sensibles, qui actionnent les régulateurs, doivent gérer le débit de vapeur en direction de la turbine, pour le réguler ou le bloquer. Un dysfonctionnement des vannes proportionnelles impliquent l’impossibilité de réguler ce débit et donc un flux trop faible ou trop important de vapeur qui accède à la turbine. Le problème pourrait être encore pire s’il concernait les vannes de blocage de la turbine, puisqu’en cas de panne cela pourrait empêcher l’arrêt d’urgence de la turbine à vapeur. Aucun doute sur le caractère critique de ces composants, donc.
Pannes
“Nous avons donc constaté que les vannes proportionnelles s’usaient beaucoup plus vite que prévu”, explique Pieter Baten. “Nous avions estimé une fréquence de remplacement d’une fois tous les deux ans, et au final, nous en étions à trois voire quatre remplacements par an. Les vannes semblaient toujours se boucher, ce qui empêchait toute régulation du débit. La machine continuait à tourner, mais en étant bloquée à un certain régime. Ces deux vannes sont en effet très sensibles aux matériaux auxquelles elles sont intégrées et aux jeux pourtant réduits au minimum pour un réglage le plus précis possible du débit, et tombaient en panne de manière beaucoup trop précoce, si bien que nous avons effectué une étude afin de cibler la cause du problème.”
"Les vannes semblaient toujours se boucher, ce qui empêchait toute régulation du débit."
IRREGULARITES DE L’HUILE
Le premier pas dans la bonne direction dans cette quête de cause et de solution a été réalisé par ENGIE Laborelec, un centre de compétences technique (dont ENGIE est actionnaire) qui se charge depuis le début des analyses des huiles de lubrification de la centrale de Knippegroen.
“Dès le départ, ils ont remarqué que la teneur en eau était bien trop élevée pour cette application”, explique Koen Balman, Expert Lubricating Oils chez ENGIE Laborelec. “Par la suite, les résultats des tests ont révélé la présence de traces d’oxydation dans l’huile. Comme elles viennent se fixer sur les parois des vannes proportionnelles, cela peut mettre à mal le bon fonctionnement de la centrale .”
CAUSES & CONSEQUENCES
Type, fréquence de renouvellement ou filtration
Afin de donner suite à ces résultats (dont un test MPC et une analyse de particules), il fallait commencer par mettre le doigt sur l’origine de ces irrégularités. Il est apparu rapidement que le problème ne venait pas du type d’huile. En effet, il n’y a que peu de possibilités de choix du type d‘huile pour ce genre d’applications. L’huile lubrifiante – Shell Turbo DR 46, un ester phosphate synthétique résistant à l’inflammation – convient parfaitement au design de l’installation.
Pieter Baten: “Nous ne procédons au renouvellement de l’huile que lorsque ENGIE Laborelec nous le conseille. Dans la mesure où des échantillons sont régulièrement prélevés et analysés (4 fois par an), il ne peut pas être question d’un problème lié au type d’huile ou lié au suivi du bain d’huile.”
Ou une autre raison?
C’est finalement grâce à Shell, un des partenaires d’ENGIE Electrabel et des parties directement impliquées depuis la conception de la centrale de Knippegroen, que l’on fera la lumière sur cette question.
Pieter Baten: “Le responsable technique de Shell a constaté que le problème ne survenait pas sur les plus vieilles installations, même similaires, sans vannes proportionnelles. En effet, dans les installations équipées de vannes proportionnelles, l’huile de lubrification circule à un régime fixe depuis la turbine à vapeur tout au long des conduites. Mais ce déplacement assez lent le long des conduits de la nouvelle installation permet des variations de température lorsque l’huile suit la boucle. Dans le réservoir, l’huile est chaude, puis elle refroidit en passant dans les conduites, et chauffe à nouveau en arrivé à la vanne brûlante, pour ensuite encore refroidir dans les conduites qui la ramènent au réservoir. L’huile s’oxyde donc beaucoup plus vite, et les éléments oxydés créent un dépôt sur les vannes.”
SOLUTION
Elimination de l’eau & filtration
La solution pour éliminer l’eau présente dans l’huile a été proposée par ENGIE Laborelec et consistait à installer un système qui souffle un flux constant d’air ultra sec juste au-dessus de l’huile. Cela permet d’éliminer les traces éventuelles d’eau dans l’huile. Par après, lorsque l’on a détecté des traces d’oxydation, un système de filtration supplémentaire a été installé.
“Suite à la mise en service de l’unité de filtration (Varnish Removal Unit), nous avons obtenu un meilleur contrôle et une stabilité nettement supérieure du bain d’huile”, ajoute Pieter Baten. Toutefois, la cause principale du problème – la stagnation de l’huile dans la boucle – n’était toujours pas résolue.
Fuite artificielle
La solution définitive a finalement été trouvée avec l’installation d’un by-pass, grâce à une idée soumise par l’expert de Shell. “Lors d’un arrêt programmé en 2016, nous avons décidé d’apporter les modifications nécessaires pour créer une fuite dans le cylindre d’huile”, explique Pieter Baten. “En créant une fuite, on s’assure qu’il y ait suffisamment de débit pour maintenir le tout à température.”
CONCLUSION
Grâce à plusieurs actions – élimination de l’eau, filtration supplémentaire et modification de l’installation grâce à une fuite artificielle – la centrale présente enfin des résultats d’analyse stables de son huile.
“Au lieu de trois à quatre remplacements des vannes par an avant d’intervenir, nous n’avons pas encore dû le faire une seule fois de manière non planifiée”, conclut Pieter Baten.
“Nous en avons juste remplacé deux lors du petit entretien, si bien que la fiabilité de l’installation de la centrale de Knippegroen est aujourd’hui optimisée! Le partenariat avec Shell se déroule à merveille et se traduit surtout par une assistance technique tout au long de nos procédés. Et l’implication lors des analyses de l’huile et de la recherche de solutions prouve que l’alliance entre Shell, ENGIE Laborelec et Electrabel est promise à des résultats positifs sur le long terme.”
"L’implication lors des analyses de l’huile et de la recherche de solutions prouve que l’alliance entre Shell, ENGIE Laborelec et Electrabel est promise à des résultats positifs sur le long terme.”
