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Au cours des dernières années, l'utilisation de centrales à cycle combiné à un seul arbre a régulièrement augmenté aux États-Unis. Les configurations à plusieurs arbres sont avantageuses dans certains cas de figure (par exemple, lorsque la flexibilité de l'agencement ou l'installation par phases sont nécessaires). être une option très efficace et économique pour les propriétaires et les exploitants de centrales cherchant à maximiser la valeur de leurs actifs.
Arbre simple vs arbre multiple 1 x 1
Dans une configuration à un seul arbre, les deux moteurs principaux (les turbines à gaz et à vapeur) se trouvent sur une ligne d'arbre reliée par un embrayage à décalage automatique synchrone (SSS) et entraînent un seul générateur commun (figure 1). Au-delà d'un générateur commun, les systèmes BOP (Balance of Plant) dans une configuration à un seul arbre sont également harmonisés, ce qui permet de réduire le nombre de composants individuels. Cela contraste avec les configurations à plusieurs arbres, où les turbines à vapeur et à gaz se trouvent sur différentes lignes d’arbre, soutenues par des systèmes BOP distincts et entraînant leurs propres générateurs indépendants.

La distance la plus courte entre deux points est une ligne droite. Une configuration à arbre unique signifie que la turbine à gaz et la turbine à vapeur sont agencées sur un arbre et entraînent le même générateur. Gracieuseté de Siemens

Avoir un seul générateur connecté au réseau et moins d’équipement BOP offre des avantages financiers, opérationnels et d'encombrement pour la configuration à un arbre. Par exemple, un générateur signifie un ensemble de gaines de bus, et un disjoncteur de générateur, un transformateur élévateur de générateur et un poste de manœuvre. Dans de nombreux cas, le choix d'une disposition à un seul arbre plutôt que d'une conception à plusieurs arbres peut entraîner des économies de dépenses en immobilisations de 3% à 5% pour l'installation.
Il est également possible d’obtenir un faible gain d’efficacité dans l’usine, puisqu'un grand groupe électrogène a un rendement légèrement supérieur à deux autres plus petits. Les configurations à un seul arbre nécessitent également moins de connexions mécaniques, ce qui se traduit par des pertes moindres. De même, la simplification des systèmes BOP, tels que les systèmes à huile lubrifiante, peut entraîner moins de maintenance, une disponibilité accrue et une demande en énergie auxiliaire moindre. Les configurations à un seul arbre ont une conception plus compacte que les multi-arbres, ce qui réduit l'encombrement de l'installation. Ceci est particulièrement avantageux sur les sites où des équipements doivent être enfermés dans un bâtiment, en raison de restrictions sonores ou météorologiques, par exemple.
Les configurations multi-arbres sont préférées pour répondre aux exigences d'agencement spécifiques ou lorsque la turbine à gaz est construite et exploitée des mois ou des années avant le développement du cycle combiné.
2 x à arbre unique vs 2 x 1 à arbres multiples
Deux installations à un seul arbre peuvent également être utilisées comme alternative aux configurations traditionnelles 2 x 1. Avec une turbine à vapeur pour chaque turbine à gaz, les arbres simples peuvent afficher un rendement plus élevé dans les scénarios de faibles charges (c'est-à-dire lorsqu'une seule turbine à gaz est en fonctionnement). C'est également le cas lors du passage d'un à deux turbines à gaz. Dans ce cas, chaque générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) produit de la vapeur pour sa propre turbine à vapeur. En conséquence, il n’est pas nécessaire d’amener le second générateur de chaleur à récupération de chaleur en mode de dérivation pour qu’il corresponde à la température et à la pression de la vapeur avant de se mélanger à la vapeur acheminée vers la turbine par le premier générateur de chaleur à récupération de chaleur.
La conception à arbre unique 2 x présente également l’avantage supplémentaire de permettre la construction par phases de trains à cycle combiné au cours de la phase d’installation de la centrale. Le fait de disposer de deux blocs de cycle combiné, chacun avec un groupe motopropulseur à un arbre, offre également des avantages en termes de disponibilité et de maintenance, car il permet de réparer un train pendant que l'autre est en fonctionnement. Dans certains cas, cela permettra aux exploitants de centrales de répondre plus efficacement aux besoins du marché. Inversement, toute maintenance sur un composant autre qu'une turbine à gaz dans une configuration 2 x 1 nécessite que toute la centrale soit hors service.
Les mêmes avantages que ceux mentionnés pour une installation multi-arbres 1 x 1 sont valables pour une installation 2 x 1: souplesse d’agencement et construction progressive de turbines à gaz à cycle simple.
Avantages du monde réel

Les avantages de l'utilisation d'une conception à un seul arbre pour le fonctionnement en cycle combiné ont été mis en évidence sur divers sites dans le monde, notamment:

le site récent de Panda Liberty (Figure 2) dans le comté de Bradford, en Pennsylvanie, et le site Panda Patriot dans le comté de Lycoming, en Pennsylvanie.

Tous deux ont été mis en service sous 2016 et ont été conçus pour utiliser le gaz de schiste de Marcellus afin d'alimenter leurs communautés de la manière la plus efficace qui soit. Les centrales disposent chacune de deux blocs d'alimentation à un seul arbre équipés de turbines à gaz Siemens de classe H.

La liberté pour tous. Les blocs de la centrale à arbre unique du projet Panda Liberty Power de 829-MW comprennent deux turbines à gaz SGT6-8000H, deux turbines à vapeur SST6-5000, deux générateurs à vapeur à récupération de chaleur, ainsi que le système de contrôle SPPA-T6. Gracieuseté de Siemens

Le fait de disposer de deux blocs de cycle combiné, chacun avec une chaîne motrice à un arbre, confère aux installations Panda un degré élevé de flexibilité opérationnelle, car elles peuvent fonctionner à la charge de l’installation 50% tout en conservant le même rendement que la charge de l’usine 100%. Un embrayage SSS permet à la turbine à gaz de démarrer et de produire de l'électricité rapidement, indépendamment de la turbine à vapeur. Lorsque la turbine à vapeur atteint la vitesse de synchronisation, l'embrayage SSS est embrayé et transfère le couple de la turbine à vapeur au générateur afin que l'installation puisse atteindre sa pleine charge.

Siemens continue d'élargir les limites de rendement et d'efficacité avec la dernière conception de cycle combiné à arbre unique SCC-9000HL. S'appuyant sur la technologie éprouvée de la classe H, la classe 9000HL offre une efficacité allant jusqu'à 63% en fonctionnement à cycle combiné et une puissance de sortie 25% supérieure. Le SCC-9000HL utilise des concepts de conception approuvés et validés permettant un fonctionnement en cycle combiné dans des configurations à un ou plusieurs arbres.

Pesant Options

Fort de son expérience dans la conception et la construction de centrales à cycle combiné à travers le monde, Siemens peut proposer plusieurs cas objectifs pour des configurations à arbre unique et à arbre multiple, ainsi que des approches novatrices pour maximiser les avantages des deux. Bien que les conceptions à arbre unique offrent des avantages en termes d’empreinte au sol, de disponibilité et d’efficacité, la décision n’est pas une affaire de "conception unique", car les configurations à plusieurs arbres offrent également des avantages distincts, en particulier pour les projets où la flexibilité et la construction progressive sont nécessaires. En fin de compte, la configuration offrant le meilleur rapport qualité-prix sur la durée de vie de la centrale sera dictée par les exigences de l'opérateur et de la charge, ainsi que par les variables spécifiques au site.

La source: Power Magazine
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