Turbine à gaz à air humide
Turbine à gaz à air humide
Le cycle Humid Air Turbine (HAT) se présente comme indiqué ci-dessous. Il utilise comme fluide de travail le système "eau – air", ce qui permet d'améliorer sensiblement la puissance et l'efficacité par rapport au cycle de turbine à gaz simple.
L'air aspiré est comprimé (1-4) à environ 25 bars avec un refroidissement intermédiaire et un refroidissement post-compression (4-5), pour réduire le travail correspondant tout en récupérant de la chaleur pour préchauffer de l'eau, avant d'être introduit dans un saturateur.
L'air est ensuite saturé en eau dans le saturateur. L'air humide est préchauffé dans un récupérateur (6-7) par échange avec les fumées détendues (9-10), puis dirigé vers la chambre de combustion, où il sert de comburant à un combustible. Les gaz brûlés sont détendus dans la turbine (8-9), puis refroidis sans le récupérateur puis pour préchauffer l'eau avant entrée dans le saturateur (10-11).
L'eau qui entre en 1e est échauffée dans les différents échangeurs avant d'être introduite dans le saturateur (5e).
Cycle HAT
L'air aspiré est comprimé à environ 25 bars avec un refroidissement intermédiaire pour réduire le travail correspondant tout en récupérant de la chaleur pour préchauffer de l'eau avant son introduction dans un saturateur, et un refroidissement post-compression.
L'air est ensuite saturé en eau dans un saturateur. L'air humide est préchauffé dans un récupérateur par échange avec les fumées détendues, puis dirigé vers la chambre de combustion, où il sert de comburant à un combustible. Les gaz brûlés sont détendus dans la turbine, puis refroidis sans le récupérateur puis pour préchauffer l'eau avant entrée dans le saturateur.
Comme dans un cycle de turbine à gaz à injection de vapeur, l'apport d'eau augmente le débit-masse qui traverse la turbine, ce qui explique le gain sur les performances.
En faisant varier l'humidité de l'air sortant du saturateur, il est possible de moduler la puissance du système.
Le cycle est beaucoup plus simple qu'un cycle combiné, et ne fait pas appel à des composants coûteux, de telle sorte que son coût d'investissement est relativement faible (400 US$/kW pour une puissance installée de 300 MW).
Westinghouse a proposé une variante du cycle appelée cycle Cascaded Humidified Advanced Turbine (CHAT), et annoncé des rendements très élevés (de 55% à 63–65% avec un rapport de compression de 80 et une température d'entrée turbine de 1500 °C).
Le schéma du cycle dans Thermoptim est donné ci-dessous. Il fait appel au saturateur présenté dans la modélothèque. Étant donné que la quantité d'eau d'appoint nécessaire n'est pas connue a priori, on a prévu un débit d'arrivée d'eau supérieur aux besoins. En sortie du saturateur, un diviseur permet de séparer l'eau en excès de celle qui est recyclée.
Références livre
Chapitre 2 du tome 3 (prévu pour une publication en 2008)
Fiches-guides de TD
Il n'y a pas de fiche-guide de TD traitant de la turbine à gaz à air humide.
Exercices et activités personnelles
Un exercice vous est proposé. Son corrigé succinct vous fournira les fichiers Thermoptim permettant de modéliser le cycle présenté ci-dessus.
Références
P. CHIESA, G. LOZZA, E. MACCHI, S. CONSONNI, An assesment of the thermodynamic performance of mixed gas-steam cycles : part B –water injected and HAT cycles, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 117, pp. 499–508, july 1995.
M. NAKHAMKIN, E.C. SWENSEN, J.M. WILSON, G. GAUL, M. POLSKY, The Cascaded humified advanced turbine (CHAT), Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 118, pp. 565–571, july 1996.
