Test d'Étanchéité à l'Air du Stator de Générateur

Rôle du test d'étanchéité dans les générateurs refroidis à l'hydrogène

Sur les gros turbo-alternateurs, le test d'étanchéité à l'air n'est pas un simple contrôle de « la pression a-t-elle chuté ou non ? ». Sur les machines refroidies à l'hydrogène notamment, ce test est le moyen pratique de vérifier si le générateur retient le gaz en toute sécurité. Dans les centrales à turbine à gaz, à vapeur et à cycle combiné, les générateurs de forte puissance génèrent une chaleur importante au niveau du stator et du rotor. Cette chaleur doit être évacuée de manière stable ; sinon, l'isolation vieillit, les températures des enroulements augmentent et la capacité de charge diminue.

Le choix de l'hydrogène n'est pas un hasard. Sa conductivité thermique est nettement supérieure à celle de l'air. Pour donner des ordres de grandeur, la conductivité thermique de l'hydrogène est d'environ 0,168 W/(m·K) ; celle de l'air est d'environ 0,026 W/(m·K). Autrement dit, l'hydrogène transporte la chaleur beaucoup plus facilement que l'air à volume égal. De plus, sa densité est très faible. À 0 °C et 1 atm, la densité de l'hydrogène est d'environ 0,09 kg/m³, tandis que celle de l'air est d'environ 1,29 kg/m³. Lorsque le rotor tourne, des pertes par frottement et par ventilation se produisent dans le gaz ; la faible densité offre ici un avantage.

La conséquence sur le terrain est la suivante : l'hydrogène refroidit bien tout en réduisant la résistance au gaz de la pièce en rotation. Sur les grandes machines, cette différence se ressent en termes de rendement, de température et de capacité de charge.

Mais l'hydrogène a aussi un côté difficile. Mélangé à l'air dans certaines proportions, il peut former un mélange inflammable et explosif. On considère qu'une concentration d'hydrogène dans l'air comprise entre environ 4 % et 75 % est dangereuse. C'est pourquoi, avant le remplissage d'hydrogène, la cuve, les raccords, les joints, la zone des refroidisseurs, le système d'huile d'étanchéité et le circuit gaz sont testés de la manière la plus fiable possible. Il ne s'agit pas seulement de la facture de gaz. C'est une question de sécurité.

Pourquoi le test est-il souvent effectué à l'air ?

Lors de la mise en service ou après maintenance, le premier contrôle n'est généralement pas effectué avec de l'hydrogène. Le système est d'abord pressurisé avec de l'air ou, selon la procédure, avec un gaz inerte approprié. L'objectif est de vérifier si la cuve et le circuit gaz tiennent la pression. Si le test est jugé acceptable, les étapes de purge sont appliquées ; l'air est évacué, le gaz intermédiaire nécessaire est utilisé et le système est préparé pour le fonctionnement à l'hydrogène.

Cet ordre peut varier selon le fabricant. Dans les documents de fabricants comme GE, Siemens, Alstom ou Mitsubishi, le volume, la pression d'essai, le temps d'attente, la limite d'acceptation et les étapes de purge peuvent être définis différemment. Néanmoins, la logique pratique reste la même : on vérifie le comportement de rétention de gaz du système avant d'introduire l'hydrogène.

Si la fuite est élevée alors que l'hydrogène est présent, plusieurs choses se dégradent simultanément. La consommation de gaz augmente. La pureté de l'hydrogène peut chuter. Le système d'huile d'étanchéité est davantage sollicité. Dans certaines zones, un risque d'accumulation d'hydrogène apparaît. Si de l'humidité et de l'air pénètrent, les performances de refroidissement se dégradent également. Ensuite, on commence à se demander « pourquoi le générateur chauffe-t-il ? ». La réponse se trouve parfois du côté du gaz, pas du côté électrique.

Logique des gaz derrière la mesure

Dans les tests d'étanchéité, la différence de pression semble à première vue la donnée la plus évidente. Si vous voyez 300 kPa au début et 290 kPa à la fin, vous dites « il y a une chute de 10 kPa ». Mais cette affirmation est incomplète en elle-même. Car la pression du gaz varie avec la température.

Si le gaz refroidit, la pression diminue. Si le gaz chauffe, la pression augmente. Même sans fuite, une variation de température crée un mouvement sur le manomètre. C'est pourquoi, dans le calcul des fuites du stator, il faut lire la pression non pas à l'état brut, mais en tenant compte de la température.

Le calcul repose sur le rapport suivant :

Ici, la pression du stator n'est pas utilisée seule ; elle est évaluée conjointement avec la pression atmosphérique. Car la pression du stator lue sur le terrain est le plus souvent une pression relative. C'est-à-dire la valeur au-dessus de la pression atmosphérique. Pour se rapprocher de la pression absolue, on ajoute la pression atmosphérique :

Dans une centrale proche du niveau de la mer, l'approximation « 100 kPa, on passe » pour la pression atmosphérique ne pose parfois pas de problème majeur. Mais sur un site en haute altitude ou lors d'un test de réception exigeant, cette habitude fausse le calcul. Si la pression barométrique est réellement autour de 88-90 kPa, entrer 100 kPa n'est pas un arrondi anodin.

La même attention est nécessaire du côté de la température. Si la cuve du stator refroidit encore après la maintenance, un test effectué avant que l'équilibre thermique ne soit atteint mesurera davantage la transition thermique que la fuite. Sur le papier, la formule fonctionne correctement ; si les données sont mauvaises, le résultat sera également mauvais.

Une fuite peut-elle apparaître même lorsque la pression augmente ?

Oui, dans certains cas, la pression finale semble plus élevée qu'au début, mais comme l'effet de la température est plus important, le calcul peut encore indiquer une perte de gaz. L'inverse est également possible. La pression diminue un peu, mais la température a également baissé ; dans ce cas, la fuite réelle peut être inférieure à la différence de pression brute.

C'est pourquoi prendre une décision en notant uniquement la pression sur le formulaire de test est précipité. La pression, la pression atmosphérique, la température et le temps doivent être lus ensemble. C'est là que réside la logique du test.

Données utilisées dans le calcul

Le volume de gaz du stator représente le volume fermé testé. Dans l'aide du calculateur, il est indiqué qu'en présence du rotor, on peut généralement utiliser 110 m³, et sans rotor, 120 m³. C'est un bon rappel pratique, mais ce n'est pas une valeur exacte. Même pour deux générateurs de même classe de puissance, le volume de la cuve, la disposition des refroidisseurs et la géométrie interne peuvent différer. Il faut utiliser le volume indiqué sur la fiche de test du fabricant.

L'intervalle de temps affecte également directement le résultat. Les tests courts amplifient l'erreur de mesure. Par exemple, une différence de lecture de 1 kPa sur un test de 10 minutes peut se traduire par une valeur de fuite quotidienne importante. Un test plus stable de plusieurs heures semble généralement plus fiable. Bien sûr, il faut aussi que la température du système soit stabilisée.

Pour le début et la fin, trois valeurs sont relevées : la pression relative du stator, la pression atmosphérique et la température du stator. Elles doivent être lues en même temps ou à des moments très proches. Sur le terrain, il arrive parfois que les pressions soient notées d'abord, puis que les températures soient relevées en faisant le tour. Si la température de la machine change, ce petit décalage se répercute sur le rapport de test.

Il faut être prudent avec l'unité de pression. Si une pression absolue est saisie dans le champ de pression du stator, la pression atmosphérique sera ajoutée une deuxième fois. Cette erreur gonfle le résultat. Le calculateur attend une pression relative du stator ; la pression atmosphérique est saisie séparément.

Pour la température, la représentativité est également importante. Sur les grandes cuves, une température en un seul point peut parfois être insuffisante. Si la procédure de test exige plusieurs points de température, il faut utiliser une moyenne ou une température représentative définie. La facilité de « mettons 20 °C » n'est pas toujours correcte.

Formule et scénario à 110 m³

La formule principale du calculateur est la suivante :

Dans cette formule, \(Q\) donne le taux de fuite de gaz. \(V_1\) est le volume de gaz du stator. \(P_1\) et \(P_2\) sont les pressions relatives du stator au début et à la fin du test. \(B_1\) et \(B_2\) sont les pressions atmosphériques aux mêmes instants. \(T_1\) et \(T_2\) sont les températures du stator au début et à la fin. \(h\) est la durée du test.

Considérons un générateur avec un volume de 110 m³, rotor installé, et un test d'une heure. Au début, supposons une pression stator de 300 kPa, une pression atmosphérique de 100 kPa, et une température stator de 20 °C. À la fin, pression stator 290 kPa, pression atmosphérique toujours 100 kPa, et température toujours 20 °C. Le premier contrôle est :

Comme la température reste la même, cet exemple est relativement simple. La chute de pression est directement interprétée comme une perte de gaz. Mais sur le terrain, la plupart des tests ne sont pas aussi propres. La température de départ peut être de 23 °C et celle de fin de 27 °C. Ou la cuve peut refroidir lentement pendant le test. C'est pourquoi le calculateur intègre la température dans la formule.

Dans le scénario de test fourni, le volume du stator est de 110 m³, la durée de 7,5 heures, les valeurs initiales sont P₁ = 502,61 kPa, B₁ = 100,38 kPa, T₁ = 23,75 °C ; les valeurs finales sont P₂ = 507,6 kPa, B₂ = 100,3 kPa, T₂ = 26,72 °C. Vous remarquerez que la pression finale du stator est plus élevée. Malgré cela, comme la température a également augmenté, l'interprétation de la quantité de gaz ne peut pas se faire uniquement en regardant l'augmentation de pression. C'est un bon exemple de test ; il évite les raisonnements par automatisme.

Interprétation sur le terrain du résultat

Lorsque le taux de fuite de gaz est converti en une valeur comme m³/jour, il devient plus facile de comparer des tests effectués sur des durées différentes. Mettre côte à côte un test de 2 heures et un test de 8 heures avec la seule différence de pression brute n'est pas correct. L'équivalent de fuite quotidienne est donc utile.

Cependant, il ne faut pas s'attendre à ce que le résultat prenne une décision à lui seul. La limite d'acceptation est définie dans la procédure du fabricant, les instructions d'exploitation de la centrale ou le plan de test de maintenance. Une valeur de fuite jugée acceptable sur un générateur peut être considérée comme excessive sur une autre machine. Le volume de la cuve, la pression de service de l'hydrogène, le système d'huile d'étanchéité, la configuration des refroidisseurs et l'âge de la machine influencent le résultat.

En fonctionnement à l'hydrogène, si la fuite est élevée, la consommation de gaz augmente d'abord. L'opérateur le remarque par le besoin d'appoint d'hydrogène. Mais le véritable problème est la sécurité et la pureté. Lorsque la pureté de l'hydrogène diminue, les performances de refroidissement se dégradent. S'il y a de l'humidité, un environnement indésirable se crée pour l'isolation. S'il y a un problème du côté de l'huile d'étanchéité, de l'hydrogène peut se mélanger au système d'huile ou des passages d'air/gaz dans le sens inverse peuvent se produire.

Les points de fuite ne sont souvent pas recherchés à un seul endroit. Les boîtes à bornes, les raccords des refroidisseurs, les surfaces de brides, les couvercles de trous d'homme, les zones d'huile d'étanchéité, les raccords du sécheur de gaz et les lignes d'instrumentation sont contrôlés. L'expérience le montre : parfois, ce que l'on pense être une grosse fuite provient d'un petit raccord d'instrumentation. Parfois, toutes les petites fuites se combinent et perturbent le comportement du système.

Détails les plus souvent négligés dans le test

• La pression barométrique est prise à la légère. Sur les centrales en haute altitude notamment, cette habitude fausse le résultat.
• Le test est commencé avant que la température ne soit stabilisée. Si la cuve est encore en train de chauffer ou de refroidir, le calcul dévie directement.
• Le volume du stator est saisi par hypothèse. La différence entre 110 m³ et 120 m³ est d'environ 9 % ; le résultat change dans la même proportion.
• Une pression absolue est saisie à la place de la pression relative. Cette erreur est silencieuse, mais elle fausse le résultat.
• Les valeurs de début et de fin sont lues avec une discipline différente. La fiabilité d'un test vient de la qualité de la mesure avant même la formule.

Bref résumé

Le test d'étanchéité du stator du générateur, en particulier sur les gros générateurs refroidis à l'hydrogène, est une étape de contrôle de sécurité avant le remplissage d'hydrogène. Le but du test n'est pas seulement de voir une chute de pression ; il s'agit de calculer le taux de fuite de gaz en lisant ensemble le volume, la durée, la pression atmosphérique et l'effet de la température.

L'hydrogène est un bon réfrigérant, il réduit les pertes autour du rotor et offre un avantage significatif sur les grandes machines. Mais si le contrôle des fuites est faible, cet avantage se transforme rapidement en problème de sécurité et d'exploitation. C'est pourquoi le résultat du test doit être évalué conjointement avec la qualité de la mesure et les limites d'acceptation du fabricant. La formule est un outil d'aide ; ce sont des données solides qui permettent de prendre une décision.