Exploration d’une turbine à gaz à régénération

Turbine à gaz à régénération, taux de compression 16, température d’entrée turbine 1150 °C

Introduction
Chargement du modèle de la turbine à régénération
Limites de la régénération
Exercices d’application
Conclusion

Introduction

L’une des principales pertes d’un cycle de turbine à gaz est le rejet à l’atmosphère des gaz d’échappement qui sortent de la turbine alors qu’ils sont encore à température élevée.

Dans un cycle à régénération, on réchauffe partiellement l’air comprimé avant entrée dans la chambre de combustion, ce qui réduit d’autant la consommation de combustible. Il suffit pour cela d’insérer un échangeur de chaleur entre les gaz d’échappement et l’air comprimé.

Les microturbines à gaz, d’une puissance de quelques dizaines de kW, utilisent généralement ce cycle. Elles sont notamment utilisées en cogénération.

Il est toutefois clair que la régénération ne peut être effectuée que si la température de sortie turbine est supérieure à la température de sortie compresseur, ce qui n’est pas toujours le cas.

Dans cette exploration dirigée, nous commencerons par étudier le paramétrage de la combustion dans un cycle de turbine à gaz simple, puis nous nous intéresserons au cycle à régénération.

Cycle de référence

Dans la première partie de ce cours (MOOC CTC-MS), pour simplifier les choses, nous n’avons pas modélisé la combustion, nous contentant de considérer que l’air sortant du compresseur de la turbine à gaz était porté à la température maximale du cycle dans une transfo de type échange.

Pour remédier à cette simplification, nous utiliserons les notions sur la thermodynamique de la combustion qui ont été présentées en cours.

La turbine à gaz aspire de l’air à 15 °C et 1 bar, et le comprime à 16 bars dans un compresseur de rendement isentropique 0,85.

L’air comprimé entre dans la chambre de combustion brûlant du gaz naturel, puis les gaz brûlés sont détendus dans une turbine de rendement isentropique 0,85.

La température d’entrée dans la turbine est de 1150 °C et la combustion est supposée parfaite.

Charger le modèle de référence

Cliquez sur le lien suivant : Ouvrir un fichier dans Thermoptim

Vous pouvez aussi :

soit ouvrir le Catalogue d'exemples du menu « Fichiers de projet » (CtrlE) et sélectionner le modèle m2.7 dans la liste des modèles du chapitre Mooc CTC 2.
soit ouvrir le fichier de schéma (TAG.dia) grâce au menu “Fichier/Ouvrir du menu” de l’éditeur de schémas, et le fichier de projet (TAG.prj) grâce au menu “Fichier de projet/Charger un projet” du menu du simulateur.

Le paramétrage de la turbine à gaz étant analogue à celui que vous avez étudié en fin du MOOC CTC-MS, sauf pour la combustion, nous ne nous intéresserons ici qu’à ce composant.

Dans l’éditeur de schémas, la transfo combustion est représentée par un composant chambre de combustion comportant deux transfos en entrée, le comburant, ici de l’air en sortie de compresseur, connecté sur le port bleu à gauche, et le combustible connecté sur le port rouge situé dans sa partie supérieure.

Les gaz brûlés en sortent par le port vert à droite, ici connecté à la turbine.

Paramétrage de la combustion

Ouvrez la transfo ”chambre de combustion”.

L’état des points amont et aval est rappelé sur la gauche de l’écran, comme pour toute transfo. Le lien vers le combustible apparaît sous le bouton ”Calculer”. Si vous cliquez sur ”afficher”, l’écran de la transfo-point définissant le combustible s’ouvre, vous donnant accès au point défini par le combustible et ses variables d’état, ici la pression de 20 bars et la température de 15 °C.

Le combustible est un gaz composé dont la composition correspond à du gaz naturel tel qu’il est disponible au terminal méthanier de Montoir de Bretagne, en Loire Atlantique.

Le paramétrage de la combustion est défini dans la partie inférieure droite de la transfo. Ici, nous avons choisi l’option ”Calculer lambda”, la température de fin de combustion étant fixée à 1150 °C. Rappelons que lambda est le facteur d’air tel qu’il apparaît dans l’équation de la combustion.

Par ailleurs, la chambre de combustion est supposée isobare, ce qui est paramétré par ”pression imposée” ”par le point amont”, ce qui signifie que la pression aval sera égale à la pression amont. Si l’option ”par l’utilisateur” avait été sélectionnée, la pression du point aval n’aurait pas été modifiée par le calcul, la valeur saisie par l’utilisateur étant considérée la bonne.

Notez bien qu’il faut que le corps en sortie d’une chambre de combustion soit un gaz composé non protégé, pour que Thermoptim puisse en modifier la composition.

Vous pouvez avoir accès à cette composition à partir de l’écran du point aval.

Glossaire

Adiabatique

Évolution sans échange de chaleur avec l’extérieur

Adiabatique réversible

Évolution adiabatique sans échange de chaleur avec l’extérieur et sans pertes par frottement

Chaleur

Transfert d’énergie thermique d’un système à un autre lorsqu’il y a une différence de température entre eux

Chaleur latente de changement d’état

Énergie qu’il est nécessaire de fournir ou de retirer pour qu’un changement de phase puisse se réaliser

Coefficient de performance (COP)

Généralisation pour les cycles récepteurs de la notion de rendement

Cogénération

Production combinée d’énergie thermique et d’énergie mécanique ou d’électricité

Combustion non stœchiométrique

Combustion avec excès ou défaut d’air.

Combustion stœchiométrique

Combustion sans excès ni défaut d’air où tout l’oxygène disponible est complètement consommé.

Compresseur hermétique

Compresseur dont le moteur est directement refroidi et lubrifié par le fluide thermodynamique, ce qui permet de se passer d’huile

Compresseur scroll

Compresseur scroll formé de deux spirales cylindriques, l’une fixe, l’autre mobile, de forme identique, qui roulent en glissant l’une sur l’autre, enfermant des poches de gaz de volume variable

Condensation

Transformation d’un corps de l’état gazeux à l’état liquide

Contre-courant

Configuration d’écoulement dans un échangeur la plus performante sur le plan thermodynamique

Courbes composites

Ensemble de deux courbes représentant d’une part le cumul des disponibilités en énergie d’un réseau d’échangeurs en fonction de la température, et d’autre part, celui des besoins en énergie.

Cycle

Série de transformations qui amènent un fluide à se retrouver dans son état initial

Cycle combiné

Intégration en une seule unité de production de puissance mécanique de deux technologies complémentaires en terme de niveau de température, généralement les turbines à gaz et les centrales à vapeur.

Cycle de Brayton

Cycle moteur d’une turbine à gaz composé d’une compression isentropique, d’un échauffement isobare, d’une détente isentropique, et d’un refroidissement isobare

Cycle de Brayton inverse

Cycle récepteur composé d’une compression isentropique, d’un refroidissement isobare, d’une détente isentropique, et d’un échauffement isobare

Cycle de Carnot

Cycle moteur composé d’une compression isentropique, d’un échauffement isotherme, d’une détente isentropique, et d’un refroidissement isotherme

Cycle de Hirn

Cycle de Rankine avec surchauffe

Cycle de Rankine

Cycle moteur d’une centrale à vapeur composé d’une compression isentropique, d’un échauffement isobare en deux étapes (chauffe à l’état liquide, vaporisation), d’une détente isentropique, et d’un refroidissement isobare

Cycle moteur

Cycle convertissant de la chaleur en travail

Cycle récepteur

Cycle permettant d’extraire de la chaleur à basse température ou de rehausser le niveau de température d’un fluide grâce à un apport d’énergie mécanique

Diagramme des frigoristes

Diagramme thermodynamique comportant l’enthalpie en abscisse et la pression en ordonnée, généralement avec une échelle logarithmique.

Diagramme entropique

Diagramme thermodynamique comportant l’entropie en abscisse et la température en ordonnée.

Diagramme psychrométrique

Diagramme thermodynamique comportant la température sèche t en abscisse et l’humidité spécifique w en ordonnée.

Diffuseur

Organe permettant la conversion en pression de l’énergie cinétique d’un fluide

Économiseur

Échangeur de chaleur permettant de chauffer un fluide à l’état liquide

Efficacité

Rapport de l’effet énergétique utile à l’énergie payante mise en jeu

Efficacité d’un échangeur de chaleur

Rapport de la plus grande augmentation de température au sein des fluides à l’écart des températures d’entrée des deux fluides

Éjecteur

Organe permettant l’aspiration d’un fluide grâce à l’enthalpie d’un fluide moteur

Énergie interne

Somme des énergies cinétiques microscopiques (assimilables à l’agitation thermique des particules) et des énergies potentielles d’interactions microscopiques (liaisons chimiques, interactions nucléaires) des particules constituant ce système

Énergie payante

somme de toutes les énergies que l’on a dû fournir au cycle en provenance de l’extérieur

Énergie utile

Bilan net des énergies utiles du cycle, c’est-à-dire la valeur absolue de la somme algébrique des énergies produites et consommées en son sein participant à l’effet énergétique utile

Enthalpie

Généralisation aux systèmes ouverts de l’énergie interne pour les systèmes fermés.

Environnement

Ensemble de ce qui est extérieur au système considéré et avec lequel il interagit

État d’un système

La notion d’état d’un système représente « l’information minimale nécessaire à la détermination de son comportement futur ».

Évolution de référence

Évolution correspondant au fonctionnement de composants qui seraient parfaits, pour lesquels une variable ou une fonction d’état bien choisie reste constante et à laquelle on sait associer une équation simple d’évolution

Excès d’air

Air en excès par rapport à la réaction stœchiométrique.

Facteur d’air

Facteur multiplicatif de la quantité d’air dans une réaction non-stœchiométrique, ou bien encore inverse de la richesse.

Flash

Évaporation d’un fluide par laminage isethalpique à partir de l’état liquide

Fluide de travail

Fluide parcourant une machine thermique et subissant des évolutions ou transformations diverses

Fonction de parcours

Grandeur dépendant non seulement des états initial et final du système, mais aussi de la manière dont l’évolution prend place.

Fonction d’état

Une fonction d’état est une grandeur dont la valeur ne dépend que de l’état du système, et non pas de son histoire.

Fraction massique

Rapport de la masse de ce constituant à la masse totale du mélange

Fraction molaire

Rapport du nombre de moles de ce constituant au nombre total de moles dans le mélange

Fusion

Transformation d’un corps de l’état solide à l’état liquide

Gaz idéal

Modèle de fluide où l’on fait l’hypothèse que la taille des molécules et les interactions entre elles sont négligeables. Son énergie interne et son enthalpie ne dépendent que de la température.

Gaz parfait

Gaz idéal dont les capacités thermiques sont constantes

Générateur de vapeur

Échangeur de chaleur produisant de la vapeur à partir d’un liquide sous pression

Humidité relative

Rapport de la pression partielle de la vapeur d’eau à sa pression de vapeur saturante.

Humidité spécifique (ou absolue)

Rapport de la masse d’eau contenue dans un volume donné de mélange humide à la masse de gaz sec contenue dans ce même volume donné.

Irréversibilités

Les irréversibilités par hétérogénéité de température proviennent de la différence de température qui doit en pratique exister entre deux corps lorsqu’ils échangent de la chaleur.

Isenthalpique

Évolution pendant laquelle l’enthalpie reste constante

Isobare

Évolution pendant laquelle la pression reste constante

Isotherme

Évolution pendant laquelle la température reste constante

Isotitre

Évolution pendant laquelle le titre en vapeur reste constant

Laminage isenthalpique

Transformation adiabatique et sans travail.

Loi de pression saturante

Relation qui donne la pression de saturation d’un fluide en fonction de la température

Oxycombustion

Combustion réalisée avec comme comburant de l’oxygène pur ou un mélange d’oxygène O₂ et de dioxyde de carbone CO₂

Pincement d’un échangeur

Écart minimal de température entre les deux fluides qui traversent un échangeur de chaleur.

Point critique

État où la phase de vapeur pure a les mêmes propriétés que la phase de liquide pur. Il est caractérisé par la pression critique et la température critique

Pouvoir calorifique

Enthalpie libérée par la réaction de combustion.

Pression partielle

Pression qu’exercerait ce constituant s’il occupait seul le volume V du mélange, sa température étant égale à celle du mélange.

Pressuriseur

Organe d’un réacteur nucléaire à eau pressurisée servant à maintenir la pression dans le circuit primaire

Prélèvement ou soutirage

Fraction du débit principal de fluide qui est extraite afin d’assurer un préchauffage du fluide avant entrée dans l’économiseur

Rendement

Rapport de l’effet énergétique utile à l’énergie payante mise en jeu

Rendement de Carnot

Rendement d’une machine thermique idéale décrivant un cycle entre deux sources de chaleur

Rendement isentropique

Permet de caractériser les performances des compresseurs et turbines qui ne sont pas parfaits, de telle sorte que la compression et la détente suivent des adiabatiques non réversibles

Rendement polytropique

Rendement isentropique infinitésimal

Richesse

Rapport du nombre de moles de combustible contenu dans une quantité déterminée de mélange, au nombre de moles de combustible contenu dans le mélange stœchiométrique, ou encore inverse du facteur d’air.

Réchauffe ou resurchauffe

Se dit d’un cycle où le fluide partiellement détendu est réchauffé avant poursuite de la détente

Régénération

Utilisation d’une partie de la chaleur disponible après détente d’un fluide pour le préchauffer

Sublimation

Transformation d’un corps de l’état solide à l’état gazeux

Supercritique

État d’un fluide dont la pression est supérieure à sa pression critique

Surchauffeur

Échangeur de chaleur permettant de chauffer une vapeur à une température supérieure à celle de vaporisation

Systèmes ouverts et fermés

Un système thermodynamique désigne une quantité de matière isolable de son environnement par une frontière fictive ou réelle. Ce système est dit fermé s’il n’échange pas de matière avec l’extérieur à travers ses frontières ; sinon il est dit ouvert.

Séparateur

Organe servant à séparer un fluide en équilibre liquide–vapeur en divisant son débit en deux parties, l’une correspondant au liquide, et l’autre à la vapeur

Température

Mesure du degré d’agitation des molécules du fluide de travail : plus elles sont agitées, plus sa température est élevée

Température de figeage

C’est la température à laquelle ont été figés les imbrûlés lors de certaines réactions de combustion, et donc celle qu’il faut utiliser dans la loi d’action de masse pour calculer Kp et retrouver la composition des gaz brûlés.

Thermocoupleur

Mécanisme qui complète les échangeurs de chaleur en permettant à des composants autres que des transfos « échange » de se connecter à une ou plusieurs transfos « échange » pour représenter des couplages thermiques

Titre d’un mélange diphasique d’un corps pur

Rapport de la masse de vapeur à la masse totale (vapeur + liquide)

Transformation irréversible

Une transformation est dite irréversible dans les deux cas suivants :

la transformation inverse n’est pas réalisable sans modification profonde de l’appareillage (mélange, combustion…) ;
elle renferme une cause d’irréversibilité du type frottement ou viscosité.

Transformation réversible

On appelle transformation réversible entre deux états d’équilibre 1 et 2 une évolution fictive qui jouit des deux propriétés suivantes :

elle est suffisamment lente à tous points de vue (vitesses, échanges de chaleur et de matière…) pour qu’on puisse l’assimiler à une suite continue d’états d’équilibre ;
elle constitue la limite commune de deux familles de transformations réelles dont l’une mène de 1 à 2, et l’autre de 2 à 1.

Travail utile

Travail mis en jeu au niveau des parois mobiles d’une machine fonctionnant en système ouvert

Turbine à gaz aérodérivée

Turbine à gaz dérivée de l’aviation, variante d’un turboréacteur

Tuyère

Organe permettant la conversion en énergie cinétique de l’enthalpie d’un fluide

Vaporisation

Transformation d’un corps de l’état liquide à l’état gazeux

Vaporiseur

Échangeur de chaleur permettant de vaporiser un fluide

Variables d’état

Ensemble des grandeurs physiques (ou propriétés thermodynamiques) (températures, pressions…) nécessaires et suffisantes pour caractériser complètement un système à un instant donné.