Fuite d’air dans la tuyauterie

Une tuyauterie sert à acheminer du fluide (de l’hydrogène ou de l’air ou encore du liquide de refroi- dissement dans l’exemple du système pile à combustible) entre différents composants d’un système. Pour la ligne d’air, d’une part la tuyauterie sert à acheminer l’air du compresseur vers la pile, en passant par l’humidificateur, et d’autre part, après consommation de l’oxygène de l’air par la pile, elle sert à évacuer cet air vers l’extérieur par l’échappement. Une tuyauterie, entre deux composants

Figure 3.19 – Simulation de la ligne d’air avec l’encrassement de l’électrovanne.

(le compresseur et l’humidificateur par exemple), est composé d’un tuyau et de joints de liaison entre chaque bout du tuyau et le composant relié.

Selon l’étude de sûreté de fonctionnement menée sur le système pile à combustible, une fuite dans la ligne d’hydrogène n’est pas tolérée car cela peut conduire à une explosion comme l’indique [ASC01] : les caractéristiques chimiques de l’hydrogène le rendent approprié aux fuites. Pour la ligne de refroidissement, une fuite peut provoquer une surchauffe de la pile et ainsi impacter son intégrité. Enfin pour la ligne d’air, une fuite peut impacter les performances du système et provoquer des baisses de rendement ainsi que la détérioration de certains composants, notamment le compresseur qui risque de fonctionner à un régime plus élevé pour compenser les pertes d’air dues à cette fuite.

Une fuite dans la tuyauterie représente une ouverture vers l’extérieur. Elle peut être due soit à une usure (normale ou anormale suite à un mauvais composant ou un mauvais assemblage) d’un joint, soit à une sur-pression dans la ligne causée par un fonctionnement à trop haut régime du compresseur, ou encore soit à une rupture de la tuyauterie, causée par un choc externe par exemple. Ces trois causes se caractérisent de la même manière concernant l’effet du défaut, seul le comportement change. Néanmoins, remarquons d’une part qu’une fuite due à une sur-pression dans la ligne, causée par un fonctionnement à trop haut régime du compresseur, est fort peu probable. En effet, celui-ci a normalement été conçu ou choisi selon des caractéristiques, notamment les puissances nominale et maximale, compatibles avec les exigences de bon fonctionnement de la ligne. D’autre part une fuite due à une rupture, causée par un choc externe par exemple, implique que ce choc externe aura sûrement impacté d’autres composants du système. Enfin pour les fuites dues à l’usure d’un joint, qu’elles soient normales ou anormales suite à un mauvais composant ou mauvais assemblage, elles auront le même comportement de défaut : elles apparaîtront progressivement mais avec une constante de progression plus faible pour l’usure normale.

Pour la suite, nous avons donc choisi de traiter un défaut de fuite d’air FLeakAirentre le compresseur

et l’humidificateur due à une usure normale et qui occasionne ainsi une ouverture dans la tuyauterie vers l’extérieur de plus en plus importante. La figure 3.20 ci-dessous représente la localisation d’une telle fuite entre le compresseur et l’humidificateur.

Figure 3.20 – Localisation du défaut de fuite.

Caractérisation du défaut

Lors d’une fuite, la tuyauterie (i.e. : le tuyau ou le joint de liaison entre le tuyau et un composant) est pourvue d’une ouverture vers l’extérieur. Pour une fuite due à une usure normale, l’ouverture se fait de plus en plus importante en commençant à nulle (i.e. : il n’y a pas d’ouverture). Bien que le comportement d’un tel défaut va ainsi être facilement obtenu, il faudra réaliser beaucoup plus de travail pour son effet, notamment pour son intégration.

Comportement : Une fuite due à une usure normale est un défaut apparaissant de manière pro- gressive (avec un coefficient d’augmentation très faible dans le temps) dès la mise en exploitation du système. Sa durée de présence est donc permanente. Les trois attributs du comportement du défaut

FLeakAir de fuite sont donc :

– Occurrence : à l’instant initial tn= 0.

– Force d’apparition : progressive. – Durée de présence : permanente.

Pour le coefficient a de progression, le comportement du défaut FLeakAirde fuite est donné, pour tout

t ∈ T0.01, par l’équation suivante :

df t(FLeakAir,0)(t) = a · t

Remarquons ici encore que comme pour les encrassements du compresseur ou de l’électrovanne, ce coefficient de progression a doit être très petit, et qu’il faudra donc rajouter un biais si nous souhaitons simuler ce défaut et en étudier son impact.

Effet : Ce défaut de fuite concerne la tuyauterie entre le compresseur et l’humidificateur. Nous avons dit qu’une fuite provoque une ouverture de la tuyauterie vers l’extérieur. Une manière de représenter réellement ce défaut de fuite est d’ajouter sur le tuyau une vanne s’ouvrant vers l’extérieur. Il va donc y avoir une perte de charge additionnelle en amont de la ligne. Nous n’allons pas décrire complètement l’effet de ces défauts dans les équations du modèle car nous n’avons justement pas décrit ces équations. Cependant, cette perte de charge va impliquer des perturbations sur certaines variables de la ligne (débit, pression, taux d’humidité, température, etc.).

Intégration du défaut

La figure 3.21 suivante montre l’intégration de ce défaut de fuite entre le compresseur et l’hu- midificateur dans le modèle MATLAB/Simulink© _{de la ligne d’air. La partie gauche représente la}

tuyauterie entre le compresseur et l’humidificateur sans l’intégration du défaut et la partie droite la représente avec l’intégration. Il s’agit d’une intégration par ajout de composants. Une nouvelle électro- vanne, contrôlée par un bloc signal de défaut paramétré selon le comportement dft(FLeakAir,tn), ainsi

qu’un bloc « source de fluide » représentant l’ouverture d’air vers l’extérieur, comme le même bloc représentant l’échappement de la ligne, ont été ajoutés.

Figure 3.21 – Intégration du défaut de fuite d’air dans la tuyauterie.

Simulation de la fuite

Ici encore et de la même manière que pour les encrassements du compresseur et de l’électrovanne, nous avons estimé qu’un comportement constant est équivalent au comportement faiblement progressif initialement introduit. Nous l’avons de ce fait obtenu en considérant le comportement suivant pour tout t ∈ T0.01 :

df t_(FLeakAir,0)(t) = 1

La figure 3.22 de la page 92 représente une simulation de cette ligne d’air avec ce défaut de fuite, toujours suivant le profil de consigne de débit donné au chapitre 2. Très peu de choses sont remarquables sur ce graphique. Remarquons néanmoins que sur la fenêtre temporelle [38; 41], où les consignes de débit et de pression sont élevées, les mesures réelles de débit et de pression sont beaucoup moins élevées que normalement (traits continus bleus des premier et deuxième graphiques). Concernant les commandes réelles du compresseur et de l’électrovanne, seule une comparaison « image à image » entre le fonctionnement normal et ce fonctionnement avec défaut pourrait nous permettre de remarquer des différences.