Conception d’une centrale électrique en altitude : 10 pièges à éviter

Les centrales de cogénération locales sont l’une des solutions rentables adoptées par les entreprises du secteur minier. Cependant, la conception de telles centrales à haute altitude implique de nombreux défis qui nécessitent une expertise de pointe.

1. La performance des génératrices, composantes principales d’une centrale électrique, est en général évaluée en usine, au niveau de la mer, avant la livraison au site. Dans l’optique de leur application à haute altitude, un facteur de déclassement (derating factor) doit être appliqué, ce qui réduit considérablement la puissance nette produite par ces génératrices. En fonction de l’altitude, cette réduction peut atteindre 40 %. De plus, la densité de l’air étant plus faible, le turbocompresseur du moteur a une capacité de compression inférieure à celle au niveau de la mer, ce qui contribue également à la diminution de la puissance globale du moteur. Ce point est crucial pour la détermination de la capacité initiale de la centrale, car il a une incidence directe sur la quantité de moteurs nécessaire.

2. Le refroidissement peut également s’avérer problématique à haute altitude : en général, les radiateurs sont conçus pour dissiper la chaleur générée par le moteur, qui est calculée au niveau de la mer et dans des conditions atmosphériques normales. À haute altitude, la densité de l’air étant plus faible, un volume d’air plus important est nécessaire pour dissiper la même charge que celle au niveau de la mer. Cela signifie que les radiateurs doivent être surdimensionnés pour dissiper correctement la chaleur générée.

3. Le rendement des moteurs électriques est également affecté à haute altitude. L’air étant moins dense, la capacité d’autorefroidissement du moteur peut être fortement réduite. Par conséquent, un facteur de déclassement (entre 0,82 et 0,77 selon la température extérieure) doit également être appliqué pour obtenir le calcul exact du rendement.

4. Une densité d’air plus faible peut également représenter un défi pour la conception des compresseurs à gaz. Au niveau de la mer, la spécification du débit en pieds cubes par minute (CFM) ou en pieds cubes standards par minute (SCFM) est anodine, puisque leurs valeurs sont approximativement égales. Toutefois, à haute altitude, la différence entre le débit en pieds cubes réels par minute (ACFM) et en pieds cubes standards par minute (SCFM) devient considérable. Cet aspect doit alors être revu et précisé avec le fabricant pour éviter un mauvais dimensionnement et sélection du compresseur.

5. Plus l’altitude est élevée, plus l’écart entre la pression relative et la pression absolue est important, en particulier lors du pompage de fluides. Il convient donc d’accorder une attention particulière aux fluides « proches du niveau de saturation » ou « au niveau de saturation » ainsi qu’à leurs propriétés thermodynamiques à différentes pressions et températures (par exemple : la vaporisation (flash) de l’eau dans des équipements, cavitation de pompes), et ce, afin d’éviter tout état indésirable du fluide dans le procédé.

6. Dans le même ordre d’idées, le pompage de fluides en circuit fermé nécessite une attention particulière lors de la conception des réservoirs d’expansion; en général, les fabricants pressurisent initialement les réservoirs d’expansion à 1 ATM. En revanche, à haute altitude, cette variable doit être soigneusement calculée en tenant compte des points hauts et bas du réseau. Elle doit également être confirmée auprès du fabricant avant la sélection finale de l’équipement.

7. Les génératrices sont typiquement équipées de pompes à huile entraînées par le même arbre moteur pour la lubrification du vilebrequin et des autres composants du moteur. En général, ces pompes sont conçues pour fonctionner au niveau de la mer. Si les variables essentielles de leur conception ne sont pas adaptées à la haute altitude, notamment la pression à l’entrée de la pompe (NPSH), de la mousse d’huile pourrait se former dans le carter. L’accumulation des bulles d’air formées dans l’huile peut alors provoquer une panne de la pompe ou des conséquences plus graves. À titre d’exemple, dans l’une de nos applications, la pompe d’huile a dû être déplacée du moteur sur une plateforme séparée à terre pour assurer son bon fonctionnement.

8. De plus, à haute altitude, lorsque l’air est utilisé comme isolant électrique dans des équipements (génératrices, boîtes à câbles, transformateurs, câbles haute tension, disques durs d’ordinateurs, etc.), l’espacement entre les pièces sous tension doit être adapté et le facteur de déclassement approprié doit être appliqué pour garantir une bonne isolation entre les composants. Ce dégagement peut atteindre 1.4 fois la valeur nominale.

9. Le facteur humain doit également être pris en compte à haute altitude, car les niveaux de productivité diminuent conjointement avec les niveaux d’oxygène. Cette réalité peut rapidement entraîner des difficultés si elle n’est pas prévue dans le budget. Le manque de personnel spécialisé pose également un défi, surtout sur les sites très éloignés.

10. Enfin, et en fonction de l’éloignement de la centrale, la complexité logistique – échéancier de livraison, transport, installation des équipements sur le site et autres – doit être correctement évaluée pour éviter les retards. Ainsi, il est préférable de favoriser les équipements préfabriqués pour ce type d’application.

Les éléments décrits ci-dessus ne sont certainement que quelques-uns des aspects à prendre en compte durant la conception d’une centrale électrique exploitée dans une zone éloignée et à haute altitude. Naturellement, la complexité varie en fonction de nombreux facteurs. Il est donc important de faire preuve de rigueur lors de la conception de tout équipement utilisé dans ces conditions, de remettre en cause les données techniques du fabricant et de faire appel aux services de professionnels qui ont une expertise reconnue dans la mise au point de ces types de centrales.

Si vous avez des question à ce sujet, faites appel aux experts BBA.