amélioration des performances d’une installation de turbine à gaz par refroidissement de l’air...
TRANSCRIPT
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N Ordre........../Facult/UMBB/2012
REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE MHAMED BOUGARA-BOUMERDES
Facult des sciences de lingnieur
Mmoire de Magister
Prsent par :
LAISSAOUI Mohammed
En vue de lobtention du diplme de MAGISTER en :
Filire : nergtique et dveloppement durable
Option : Systmes nergtiques Avancs
TITRE DU MEMOIRE
Amlioration des performances dune installation de turbine
gaz par refroidissement de lair dadmission
Devant le jury compos de :
Mr MANSOURI Kacem Professeur UMBB Prsident
Mr GHENAIT Adel Maitre .Confrences A EMP Examinateur
Mr HACHEMI Madjid Maitre .Confrences A UMBB Examinateur
Mr BALISTROU Mourad Maitre .Confrences A UMBB Examinateur
Mr LIAZID Abdelkrim Professeur Enset/Oran Directeur de mmoire
Anne Universitaire 2011/2012
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Remerciements
Louange Dieu qui ma donn la force pour terminer ce modeste travail.
Jexprime toute ma reconnaissance au professeur LIAZID Abdelkrim Directeur du
laboratoire de recherche LTE de lENSET DORAN, qui a assur la direction de cette tude et
qui a rendu possible la soutenance. Ses comptences scientifiques et sa constante disponibilit
mont permis de mener bien ce travail. Mes sincres remerciements lui sont adresss. Je le
remercie de m'avoir encourag tre le plus court et le plus clair possible. Sa vigilance critique
ma permis d'viter de nombreux cueils.
Je tiens remercier sincrement tous les responsables de lcole doctorale EDEDD ; Pr.
Mohand TAZEROUT et Dr. Mourad BALISTROU pour leur aide durant cette formation.
Je remercie vivement tous les membres de mon jury, qui mont fait lhonneur dexaminer le mmoire.
Je remercie tous mes collgues de lEDEDD (SES et MPE) et tous ceux qui ont
contribus de prs ou de loin llaboration de ce modeste travail.
Mes derniers remerciements s'adressent toute ma famille. Je remercie tout
particulirement mes parents qui m'ont toujours aid, soutenu et encourag au cours de mes
tudes et, bien videmment, de cet mmoire qui sans leur soutien n'aurait pu tre ralise.
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ii
Rsum :
Les turbines gaz ont connues une grande importance dans le domaine industriel notamment
dans celui des hydrocarbures. Une installation de turbine gaz est conue pour fonctionner dans
des conditions thermodynamiques de temprature et de pression prcises par les standards ISO.
Malheureusement ces conditions ne sont pas toujours obtenues car elles varient dun jour un
autre, dune rgion une autre (sud, nord), et dun climat un autre (climat humide, aride, sec,
chaud, etc).
Les performances de linstallation dune turbine gaz sont inversement proportionnelles la
temprature ambiante puisque plus la temprature ambiante diminue plus la masse dair admise
dans le compresseur augmente ce qui influe directement sur les performances.
A cet effet notre travail consiste tudier lamlioration des performances dune installation de
turbine gaz par refroidissement de lair de ladmission lentre du compresseur. Plusieurs
techniques existent pour assurer le refroidissement de lair la prise du compresseur mais
chaquune a ses contraintes dutilisation.
Ainsi, lexpos aborde ltude dun systme de refroidissement dair par vaporation deau
(refroidisseur par ruissellent deau) qui est adaptable avec les zones sec et chaude comme celle du
sud dAlgrie (zone saharienne).
On a relev les donnes relles dune turbine gaz installe la zone gazire de HassiRMel (250
Km au sud dAlger) grce un stage pratique SONATRACH.
Pour la modlisation on travailler laide dun logiciel appel Engeneering equation Solver
(EES).
Les rsultats obtenus montrent que les performances de la turbine gaz tudie sont amliores
grce lutilisation dun refroidisseur o laugmentation de la puissance nette produite varie
entre 1.5 5 MW avec augmentation du rendement thermique de linstallation.
Un autre facteur qui nest pas ngligeable est le facteur environnemental. Le refroidisseur permet
de diminuer les missions des NOx de 1 jusqu 7 % par rapport au cas classique (sans
refroidissement).
Mots cls : Turbine gaz, Refroidissement par vaporation, temprature, Humidit
relative,Pression, Puissance.
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iii
Abstract:
The gas turbines are widely used in the industrial field and particularly in the petroleum one. It is
designed to operate at ISO standard conditions. However, we do not always find these stable
conditions, as they change from day to day, from one area to another and from one climate to
another.
The performance of gas turbines is inversely proportional to changes of air temperature. When
the ambient temperature decreases then the mass of air intake in the compressor increases which
directly affects the performance.
This work studies the performance improvement of the gas turbine power by intake air cooling.
There are several technologies for air cooling, but each one has its own constraints of use.
Thus, this work studies a system of air cooling by evaporative Cooler, which is adaptable to the
dry and hot areas like the south of Algeria (Sahara region).
There is actual data of a gas turbine installed in the area of HassiR'Mel (250 km south of
Algiers) obtained from an internship at Sonatrach
For this study, we used the software Engineering equation Solver (EES) for the modeling.
The obtained results show that the performance of the studied gas turbine have improved with the
use of a evaporative cooler where the increase in the net power is in the ranges from 1.5 to 5 MW
with increased thermal efficiency of the installation.
Another factor which is important is the environmental factor. The evaporative cooler reduces
emissions of NOx from 1 to 7% compared to the classical case (without cooling).
Key words: Gas turbine,Evaporator cooler, Temperature, Relative humidity, Pressure.
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vi
:
.
. 0 %06 15 OSI
.
.
. .
C2005SM ( ).
. 010
. )SEE(revloSnoitauqegnireenegnE
% 4.0 1.5 0.1 44.4
( .
. % 1 5) xON
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v
Sommaire
Introduction ......................................................................................................................................... 2
Chapitre I
Synthse bibliographique sur lamlioration de lefficacit des turbines gaz par humidification
de lair dadmission ................................................................................................................................ 4
1.1 Introduction ................................................................................................................................... 4
Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz ............................................. 18
2.1 Introduction ................................................................................................................................. 18
2.2 Refroidisseur vaporatif (Evaporativecooler) ............................................................................ 19
2.2.1 Principe de fonctionnement: .................................................................................................... 19
Refroidisseur vaporatif par module humidifi (Evaporatorecooler): ....................................... 19
Refroidissement par atomisation ou pulvrisation deau : ......................................................... 21
Avantages : ........................................................................................................................................ 22
2.3 Systmes de rfrigration mcaniques [9]: ................................................................................. 23
Type direct .................................................................................................................................. 23
Avantages .......................................................................................................................................... 24
Type indirect .............................................................................................................................. 24
2.4Systmes de rfrigration mcanique avec stockage ................................................................... 25
2.4.1Stockage de la glace [5] ........................................................................................................... 25
2.4.2 Stockage de leau froide [10] ................................................................................................... 26
2.5 Systme de refroidisseur par absorption [11] ............................................................................. 27
2.5.1 Le cycle de base dune machine absorption [11]: ................................................................ 28
Avantages du systme de refroidissement par absorption : .............................................................. 28
2.6Conclusion ................................................................................................................................... 29
Chapitre III.Thermodynamique des Turbines Gaz ............................................................................ 30
3.1 Note Historique sur le dveloppement des turbines gaz .......................................................... 30
3.2 Description des Composants dune turbine gaz ....................................................................... 31
3.2.1 Systme de ladmission Entre dair :................................................................................ 31
3.2.2 Compresseur ............................................................................................................................ 32
3.2.3 Chambre de combustion .......................................................................................................... 32
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vi
3.2.4 Turbine de dtente .................................................................................................................... 33
3.2.5 Echappement de la turbine gaz.............................................................................................. 33
3.3 Principede fonctionnement dune turbine gaz .......................................................................... 33
3.3.1 Evolution des gaz travers les diffrents composants dune turbine gaz ............................. 34
Fig. 3.4 : Evolution des gaz travers une TAG ................................................................................ 34
3.4 Les technologies des turbines gaz [15]: .................................................................................. 35
3.4.1 Turbine gaz un seul arbre ................................................................................................... 35
3.4.2 Turbine gaz deux arbres .................................................................................................... 35
3.5 Cycle thermodynamique des turbines gaz ................................................................................ 36
3.5.1 Etude de cycle idal de turbine gaz [16-14] : ....................................................................... 36
Etude de la compression ................................................................................................................... 37
Etude de la combustion .............................................................................................................. 38
Etude de la dtente ..................................................................................................................... 38
3.6 Etude nergtique du cycle rel de turbine gaz ........................................................................ 40
3.6.1 Cycle rel ................................................................................................................................. 40
Le travail rel de compression Wc rapport au kg de fluide en volution a pour expression : ........ 41
3.8 Pertes de charge en cours de combustion................................................................................... 45
3.9 Influence dagents externes sur la performance de la turbine ..................................................... 45
3.9.1 Effet de la temprature ambiante ............................................................................................. 45
3.9.2 Effet de la pression atmosphrique .......................................................................................... 46
3.10 Conclusion ................................................................................................................................ 47
Chapitre IV. Analyse et modlisation dun refroidisseur par ruissellement deau pour une
installation de turbine gaz HASSI RMEL ..................................................................................... 48
4.1 Historique du champ de HassiR'Mel........................................................................................... 48
4.2 Les installations gazires HassiR'Mel ...................................................................................... 48
4.3 Utilisation des turbine gaz par SONATRACH dans la rgion de HASSI RMEL : ............... 49
4.4Description de la turbine gaz MS 5002C : ............................................................................... 50
4.4 .1Caractristiques de la turbine gaz MS5002C ........................................................................ 50
4.5 Principe de fonctionnement dune turbine gaz type MS5002C ............................................... 51
4.6 Analyse et modlisation dun systme de refroidissement par ruissellement (vaporation
direct) pour une installation dune turbine gaz............................................................................... 52
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vii
4.6.1 Description du systme de refroidissement par ruissellement deau [17] ............................... 52
Gomtrie de mdia humide....................................................................................................... 53
Calcul de la consommation deau en recyclage par pompe ....................................................... 54
4.6.2 Effet de la gomtrie du refroidisseur sur le rendement dvaporation ................................... 55
4.7 Etude thermodynamique de la turbine ms5002c ......................................................................... 56
4.7.1 Etude et modlisation de la turbine gaz MS5002c avec refroidissement de lair
dadmission ....................................................................................................................................... 56
Calcul thermodynamique de la turbine gaz MS5002c: ........................................................... 57
Calcul de la temprature dadmission la sortie de refroidisseur : ................................................. 57
4.7.2 Rsultats et interprtation : ...................................................................................................... 61
Temprature dadmission : ......................................................................................................... 61
Dbit massique de lair ladmission : ...................................................................................... 61
Travail spcifique de la compression : ....................................................................................... 62
Dbit massique de carburant e/ rapport air/fuel : ....................................................................... 63
Dbit massique dchappement : ................................................................................................ 65
Puissance utile produite: ............................................................................................................. 66
Rendement thermique de linstallation : .................................................................................... 68
4.8 Etude des missions des NOx ..................................................................................................... 69
Conclusion gnrale .......................................................................................................................... 71
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viii
Liste des figures
Figure I.1 : Conception dun refroidisseur vaporatif............. 12
Figure 1.2 : schma dune installation dun TAG avec compression humide... 13
Figure I.3 : Variation de la puissance et de lefficacit en fonction de la temprature ambiante.. 14
Figure 1.4 : Reprsentation de performance de la TAG tudie en fonction de la temprature dadmission. 16
Figure. 1.5 : Reprsentation de la temprature dadmission et du rendement thermique pendant lanne 16
Figure 1.6 : Performance de la turbine gaz avec un serpentin de refroidissement.. 17
Figure 1.7 : Puissance nette produite sans et avec les diffrents systmes de refroidissement tudis. 17
Figure 1.8 : Installation dune turbine gaz avec refroidissement par stockage thermique... 19
Figure 1.9 : Schma dune roue desschante pour le refroidissement dair dadmission de turbine gaz. 21
Figure 1.10 : performances de TAG pour les diffrents types de refroidisseur pour les trois rgions tudies.. 22
Figure 1.11 : Production lectrique pour les deux modles tudies 23
Figure 1.12 : Schma de papier ondul utilise pour un refroidisseur vaporatif... 24
Figure 1.13 : Augmentation de la puissance en fonction de la temprature ambiante et lhumidit relative 24
Figure 2.1 : Reprsentation schmatique dune installation dune turbine gaz avec refroidissement de lair de
combustion
26
Figure. 2.2 : Refroidisseur vaporatif.. 27
Figure 2.3 : Refroidissement par pulvrisation deau.. 28
Figure. 2 4 : Cycle bas dune machine frigorifique par compression 30
Fig. ure 2 5 : Refroidissement de lair de combustion par machine compression type direct........ 31
Figure. 2 6: Refroidissement de lair de combustion par machine compression type indirect 32
Figure. 2.7 : Systmes de rfrigration mcanique avec stockage de glace 33
Figure. 2.8 : Systmes de rfrigrations mcaniques avec stockage deau froide. 33
Figure. 2.9 : reprsentation dun refroidisseur dair absorption pour les turbines gaz.. 34
Figure. 2.10 : Structure dune machine frigorifique absorption 34
Figure. 3.1 : Composants dune TAG simple. 38
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ix
Figure. 3.2 : Reprsentation de compartiment dadmission.. 39
Figure. 2.3 dfinition de la temprature de la flamme 40
Figure. 3.4 : Evolution des gaz travers une TAG 41
Figure. 3.5 : turbine gaz un seul arbre.. 45
Figure. 3.6 turbine gaz deux arbres 43
Figure. 3.7 : Cycle thermodynamique de turbine gaz.. 44
Figure 3.8 : Allure du rendement thermique en fonction de taux de compression dans une TAG cycle idale 47
Figure. 3.9 : Allure du rendement thermique en fonction de taux de compression dans une TAG cycle idale. 47
Figure 3.10 : Diagramme T-s pour un cycle rel sans perte de pression. 48
Figure. 3.11 : Variation de rendement thermique de cycle rel de TAG en fonction de taux de compression 51
Figure. 312 : Variation du rendement thermique du cycle rel de la TAG en fonction de taux de compression
Figure. 3.14: Influence de la temprature ambiante sur les performances dune turbine gaz simple 53
Figure. 3.15 : Effet de la pression atmosphrique sur les performances de TAG 54
Figure. 4.1 Schma de la turbine gaz MS 5002c 58
Figure. 4.2 Refroidisseur par ruissellement deau avec recerclage deau 60
Figure. 4.3 : Surface de ruissellement 60
Figure. 4.4 Gomtrie de mdia humide 60
Figure. 4.5 Abaque pour calculer le dbit de purge de refroidisseur. 61
Figure. 4.6 : Variation du rendement du refroidisseur en fonction de lpaisseur et de la vitesse
Figure-4.7 : Organigramme de modlisation
62
Figure. 4.8 : Rsultat de modlisation montrant la variation de la temprature dadmission avec et sans
refroidissement dair dadmission
67
Figure. 4.9 : Rsultats de modlisation montrant la variation de la temprature dadmission avec et sans
refroidissement dair dadmission
68
Figure. 4.10 : Rsultats de modlisation montrant la variation du travail spcifique au cours de lanne sans et avec
refroidissement de lair admission
69
-
x
Figure. 4.11 : Rsultats de modlisation montrant la variation du dbit de combustible au cours de lanne sans et
avec refroidissement de lair dadmission.
70
Figure. 4.12 rsultats de modlisation montrant Variation de rapport air fuel au coure danne sans et avec
refroidissement de lair dadmission.
71
Figure. 4.13 : Rsultats de modlisation montrant la variation de consommation spcifique de combustible 71
Figure. 4.14 : Rsultats de modlisation montrant la variation du dbit massique lchappement au cours
danne avec et sans refroidissement de lair dadmission.
72
Figure. 4.15 : Rsultats de modlisation montrant la variation de puissance nette au cours danne avec et sans
refroidissement de lair dadmission
73
Figure. 4.16 : Rsultats de modlisation montrant laugmentation de la puissance nette au cours de lanne due au
refroidissement de lair dadmission
73
Figure. 4.17 rsultats de modlisation qui montrent Variation de thermique dadmission.. 74
Figure. 4.18 : Rsultats de modlisation montrant laugmentation de rendement thermique au cours de lanne
due au refroidissement de lair dadmission.
75
Figure 4.19 : Rsultats de modlisation montrant les missions des NOx 76
Fig. 4.20 : Rsultats de modlisation montrant la diminution des missions des NOx dans le cas o on utilise le
refroidissement de lair de ladmission
77
Liste des Tableaux
Tableau 1.1 caractristiques thermodynamique de linstallation tudi par Stefano Bracco [2]. 18
Tableau 1.2 valeur de taux de compression pour linjection deau [2]... 19
Tableau 2.1 caractristique de leau pulvris:.. 34
Tableau 3.1 Historique de dveloppement de la turbine gaz MS5002 41
Tableau 4.1 les installations gazire de HassiRMel. 59
Tableau 4.2 Parc des turbine gaz installes HAssiRmel. 61
-
xi
Variable A
Cp
D
fr
H
HR%
m p
P
PCI
Q
Qv
T
V
Rp
W
Z
Liste des symboles
Dsignation Section
Chaleurs spcifiques pression constante
Dbit massique de leau dans le refroidisseur Rapport air fuel
Enthalpie
Humidit relative
Dbit massique de lair Pression
Puissance
Pouvoir calorifique infrieur
Quantit de chaleur
Dbit volumique
Temprature absolue
La vitesse
Rapport des pressions
Travail spcifique
Altitude
Unit [m]
[kJ/(kg.K)]
[kg/s]
[-]
[kj/kg]
en %
[kg/s]
[bar]
[KW
[kJ/kg]
[KW]
[m3/s]
[K]
[m/s]
[-]
[kJ/kg]
[m]
Variables grecques
Rendement
Taux de compression
Exposant isentropique
paisseur
[%]
[-]
[-]
[m]
Indices
1, 2, 3, 4
a
Adm
Amb
C
CC.
Comb
Echap
ISO
opt
Ref
sec
T
U
va
Positions du cycle prsentes par les diffrents lments de la
turbine gaz.
Air.
Admission.
Ambiant.
Compresseur.
Chambre de combustion
Combustion.
Echappement.
Conditions standards.
Optimal.
Refoulement.
Sche.
Turbine.
Utile.
vaporateur
-
xii
Abrviations
B.P :
DLN :
H.P :
HRSG :
ISO :
TAG :
GE
TIT
TCO
Basse pression.
Faible de NOx sec.
Haute pression.
Gnrateur de vapeur de rtablissement de la chaleur
(heatre covery steam generator).
Organisation standard international.
Turbine gaz.
Gnrale lctrique
Temprature entre turbine
Temprature sortie compresseur
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Introduction gnrale
2
Introduction
Les turbines gaz, ces machines thermiques qui servent la conversion de lnergie thermique
en nergie mcanique (sur la base des transformations thermodynamiques) ont connu ces
dernires annes un dveloppement important dans de nombreuses applications industrielles en
particulier dans le domaine des hydrocarbures et les centrales thermiques.
En Algrie lindustrie du ptrole utilise essentiellement les turbines gaz pour produire
llectricit dans les zones isoles du territoire ainsi que dans le transport par pipe-lines des
hydrocarbures gazeux (gaz naturel) et liquides (condensats).
Dans la rgion de HassiRmel, zone de production de gaz naturel en Algrie on trouve plus de 80
turbines gaz rparties dans diffrentes units, savoir les modules de production de gaz, les
stations de rinjection des gaz (pour maintenir la pression de gisement) et les units de boosting
(afin de maintenir la pression de traitement).
Malgr leurs avantages, leur haute sensibilit linfluence de la temprature de lair ambiant qui
varie considrablement entre le jour et la nuit, lt et lhiver, fait que le rendement thermique
dexploitation de ces machines se trouve affect.
Gnralement les turbines gaz sont conues partir de conditions ambiantes bien prcises
(conditions ISO) savoir une temprature ambiante de 15C, une humidit relative de 60%, et
une altitude de 0 mtre. Cependant, en exploitation ces conditions ne sont pas toujours runies
puisquelles dpendent des conditions mtorologiques variables dun jour lautre et dune
rgion lautre (climat sec, humide, aride, chaud).A cet effet, les performances de la mme
turbine gaz ne sont pas constantes et varient au cours de lanne.
Le cycle dune turbine gaz est un cycle trs souple de sorte que ses paramtres de performance
puissent tre amliors, en ajoutant des composants supplmentaires au cycle simple.
Ce travail concernera ltude de leffet de plusieurs paramtres tels que la temprature ambiante,
la pression atmosphrique et lhumidit du climat sur les performances des installations des
turbines gaz.
Diffrentes mthodes (rgnration, refroidissement intermdiaire, prchauffage et injection
deau ou de vapeur deau, refroidissement de lair de combustion) ont t utilises afin
damliorer les performances des turbines gaz. Lavantage de toutes ces mthodes est
daugmenter la puissance spcifique compare un cycle sec de turbine gaz. Laddition de
-
Introduction gnrale
3
leau ou de vapeur deau dans le cycle de turbine gaz aide galement la diminution des
missions lchappement.
Le travail actuel consiste en lamlioration des caractristiques principales de la turbine gaz
utilise dans des conditions climatiques rudes par le refroidissement de lair la prise du
compresseur.
Plusieurs techniques sont dveloppes afin de conditionner les installations des turbines gaz sur
site. Parmi ces techniques, on trouve le refroidissement par vaporation deau (injection de
brouillard ou par ruissellement) et le refroidissement par lutilisation dun groupe frigorifique (
compression ou absorption). Lobjet de ce projet est daborder une tude sur lamlioration
des paramtres de performance de cette machine, en utilisant les systmes de refroidissement de
lair de combustion. Il sagit dun systme de refroidisseur vaporatif par ruissellement deau
install en aval du filtre dadmission pour faire vaporer une quantit deau dans lair en
prlevant la chaleur latente ncessaire lvaporation de lair lui-mme.
A cet effet, nous avons considr la turbine gaz GE MS5002C utilise dans lindustrie des
hydrocarbures dans la rgion de HassiRmel comme machine dapplication de notre tude.
Le prsent travail est rparti en quatre chapitres.
Dans le premier chapitre une synthse bibliographique sur les travaux qui traitent leffet
des conditions ambiantes sur les performances des installations des turbines gaz et les
techniques utilises pour lamlioration.
Le deuxime chapitre porte essentiellement sur lclairage des diffrentes technologies
utilises pour refroidir lair de combustion des turbines gaz.
Le troisime chapitre est une description gnrale des composants des turbines gaz
suivie de lanalyse thermodynamique du cycle idal et rel de la turbine gaz ainsi que limpact
des effets des conditions ambiantes du site.
Enfin le quatrime chapitre, reprsente ltude et la modlisation du refroidisseur par
ruissellement deau avec une application sur une turbine gaz relle installe HassiRmel.
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Chapitre I Synthse bibliographique
4
Chapitre I
Synthse bibliographique sur lamlioration de lefficacit des turbines gaz
par humidification de lair dadmission
1.1 Introduction
Les turbines gaz ne sont pas souvent installes dans des environnements idaux, et avec leur
exploitation elles peuvent subir diffrents climats tels que les climats chaud et froid, le climat
expos au brouillard, aux temptes de sable etc
Les performances des installations ne sont pas fixes, elles varient dune rgion une autre et
dune saison une autre. La temprature ambiante influe directement sur le rendement et la
puissance produite par la turbine gaz et le dbit massique de lair admis dans le compresseur
est inversement proportionnel la temprature ambiante.
Lorsque la temprature d'admission du compresseur diminue avec un dbit volumique constant,
le dbit massique sera augment ce qui influe directement sur l'accroissement de la puissance
produite ainsi que le rendement thermique. Donc les conditions environnementales ont un impact
direct sur les performances des installations de turbine gaz. Par une diminution de la
temprature ambiante au niveau de ladmission du turbocompresseur de 1C, lefficacit
augmente de 0.6 0.7% [1-21]. Pour cela des systmes de refroidissement dair sont dvelopps
afin damliorer les performances des installations de turbine gaz.
Plusieurs techniques sont utilises pour refroidir lair dadmission dans une turbine gaz. Parmi
les systmes on trouve le refroidissement par vaporation (par ruissellement et par Injection de
brouillard), le refroidissement par lutilisation des systmes de rfrigration ( compression,
absorption) et le refroidissement par stockage de lnergie thermique.
Dans ce qui suit nous citons quelques travaux mens sur les diffrentes configurations de
refroidissement de l'air d'admission qui existent afin d'amliorer les performances des
installations de turbine gaz.
Le travail de R. S. JOHNSON et al. [1], porte ltude thorique et la conception des
refroidisseurs vaporatifs (vaporateur traditionnel) et leurs applications pour les installations
industrielles des turbines gaz, tous les paramtres ncessaires sont inclus dans le calcul de ce
type de refroidisseur.
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Chapitre I. Synthse bibliographique
______________________________________________________________________________
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A travers un diagramme psychromtrique d'air humide on peut calculer la temprature humide
la sortie du refroidisseur, l'eau utilise pour le refroidissement. La figure (1.1) montre les
diffrents composants du refroidisseur vaporatif. Il est ncessaire daprs lauteur de prendre en
compte des spcifications concernant la qualit d'eau utilise (concentration en ions de calcium
et de bicarbonate, le PH)
Le travail de Stefano Bracco [2] porte sur une tude thermodynamique de l'effet de la
compression humide dans une installation d'une turbine gaz, en particulier l'analyse de
l'influence des conditions ambiantes sur les performances de la machine. Dans ce travail un
modle mathmatique a t labor et programm sous lenvironnement du logiciel MATLAB.
Les rsultats de cette modlisation ont t compars avec ceux existant dans la littrature. Les
valeurs du taux d'vaporation obtenues sont compares avec dautres rsultats de simulation
dautre afin de valider le modle utilis. Cette simulation d'aprs l'auteur permet d'tudier l'effet
de la compression humide et d'estimer les gains de puissance et du rendement
La compression humide consiste linjection de leau dans lecanal dadmission, figure (1.2).
Leau va svaporer dans lair de combustion, une quantit deau sera vapore travers les
tages du compresseur par prlvement de la chaleur dair due laugmentation de pression.
Cette technique permet de rduire les missions polluantes telles que les NOx.
Figure I.1 : Conception dun refroidisseur vaporatif
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Chapitre I. Synthse bibliographique
______________________________________________________________________________
6
Le modle mathmatique permet d'tudier l'effet des conditions ambiantes sur les performances
du compresseur (taux de compression). Il tudier la compression humide avec et sans injection
deau. Il est bas sur la thorie de lair humide. Les quations gouvernantes sont rsumes dans
un tableau de cet article. Les rsultats de simulation obtenus sont compars avec un autre article
afin de vrifier la fiabilit du modle thermodynamique dvelopp. La turbine gaz
ANSOLDOV94.2 standard est l'objet de cette validation prliminaire. Les caractristiques de
cette turbine aux conditions ambiantes ISO sont montres dans le tableau suivant :
Tableau 1.1 : caractristiques thermodynamique de linstallation tudi par Stefano Bracco [2]
Mc(TISO)
(kgda/s)
(TISO) TCO
(C)
TIT
(C)
P
(MW)
Wc
(kJ/kgda)
T C ch
34.9 500 11.1 330.82 1150 174.1 337.16 0.87 0.85 0.99
L'efficacit de compression humide est lie fortement au taux de vaporisation d'eau en fonction
de la variation infinitsimal de temprature. Elle a t assimile constante durant la
compression.Le taux de vaporisation n'est pas constant il est vari en fonction de la pression de
l'air et de la temprature,
Figure 1.2 : schma dune installation dun TAG avec compression humide
-
Chapitre I. Synthse bibliographique
______________________________________________________________________________
7
Le tableau suivant montre les diffrentes valeurs du taux de compression pour lesquelles la
quantit d'eau injecte (2% de masse d'air) a t vapore compltement pour diffrentes valeurs
de temprature ambiante
Tableau 2 valeur de taux de compression pour linjection deau [2]
Suite la comparaison avec des rsultats (qui ont trouv que l'vaporation est termine 20% du
taux de compression total) le modle mathmatique est considr valable pour assimiler le
phnomne. L'auteur arrive montrer qu chaque 5C d'augmentation de la temprature
ambiante une perte de puissance est environ de 2 3% par rapport aux conditions ISO (15C),
figure (1.3). Le gain du rendement varie entre 0.3 1.3 % dans une fourchette de variation de la
temprature ambiante entre 10 et50 C.
Aprs cette tude, l'auteur prouve que cette technique de refroidissement est efficace parce
quelle facilite lutilisation des turbines gaz mme lorsque les conditions ambiantes sont
fortement variables. Laugmentation de puissance est de lordre de 14% et atteind 17% dans le
cas de prise en compte de leffet de brouillard en amont du compresseur.
Ltude de JABER et al. [3] traite de linfluence du refroidissement de lair la prise du
compresseur sur les performances dune centrale de turbine gaz installe MAKARA Power
Figure I.3 : Variation de la puissance et de lefficacit en fonction de la temprature ambiante
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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Plant AMMAN. Pour cela un modle de simulation a t tabli afin dvaluer les performances
de linstallation. Le type de turbine gaz est GT 6001 B (PG 6541-B) fabrique par General
Electric Power System, avec une puissance nominale de 20MW, cest une turbine gaz un seul
arbre cycle ouvert.
Les performances sont examines pour un ensemble de paramtres oprationnels, comprenant la
temprature ambiante, lhumidit relative, la temprature d'admission de la turbine de dtente et
le rapport de pression. Durant cette tude ils ont examins deux types de systme de
refroidissement savoir le refroidissement par vaporation et le refroidissement par changeur
serpentin. Pour les deux systmes de refroidissement, la temprature dadmission et
dchappement de la turbine de dtente sont constantes, la seule variation est la temprature de
lair ladmission du compresseur. Dans les deux systmes tudis ils ont vari la temprature et
l'humidit diffremment et chacun des deux systmes est caractris par sa capacit de
refroidissement, ce qui limite la temprature minimale l'entre du compresseur. Le but de
ltude est de fournir des informations sur les systmes de refroidissement proposs par lauteur
pour dduire une comparaison des performances avec la version de base de la turbine gaz c'est-
-dire sans refroidissement dair. Une reprsentation graphique de l'effet de la temprature
ambiante sur les performances de la turbine de MARAKA est donne dans la figure (1.4). Ils ont
observ que la puissance utile et le rendement thermique sont inversement proportionnels la
temprature d'admission. La perte de puissance nette est importante des tempratures leves.
Les rsultats obtenus par la simulation des performances de la turbine gaz tudie (avec
lutilisation dun systme de refroidissement par vaporation) sont reprsents sur les figures
(1.5 a et1.5 b) pour des efficacits de refroidisseur de 80 et 90% respectivement. Ils ont obtenu
une lgre hausse de lefficacit denviron 1% en comparaison avec les rsultats du scnario de
base pour la mme turbine gaz, alors qu'un accroissement defficacit de refroidisseur de 10%
se traduirait par une lgre augmentation de la puissance produite et du rendement thermique. La
quantit deau ncessaire est de lordre de 0.7% de la masse dair entrante dans le compresseur.
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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La figure (1.5) montre les rsultats de la variation du rendement et de la temprature dadmission
trouvs par lutilisation dun refroidissement par compression durant les jours de lanne.
D'aprs l'auteur le refroidisseur mcanique est capable de diminuer la temprature d'air la prise
du compresseur jusqu' 20C et plus suivant la ncessit quelque soit le taux d'humidit relatif.
L'augmentation relle de puissance nette enregistre est de 0.5 MW par rapport la puissance
produite, le COP du refroidisseur mcanique est gal 2. Ce dernier influe directement sur les
performances de la turbine gaz. En effet, un refroidisseur avec un bon COP consomme moins
d'nergie et par consquent l'efficacit nette est plus leve ainsi que la puissance nette produite.
Des rsultats similaires ceux trouvs par lauteur ont t signals par des chercheurs
a : Efficacit du refroidisseur : 80%
b : Efficacit du refroidisseur : 90%
Figure1.4 :Reprsentation de performance
de la TAG tudie en fonction de la
temprature dadmission.
Fig. 1.5 : Reprsentation de la
temprature dadmission et du rendement
thermique pendant lanne.
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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indpendants de diffrents pays. Ces rsultats reprsentent une amlioration d'environ 5-7%, ce
qui est en plein accord avec les travaux publis. En termes d'efficacit thermique, le systme de
refroidissement par vaporation est plus efficace que les refroidisseurs serpentin (refroidisseur
mcanique), figures (1.6) et (1.7). Ils ont estim que le cot approximatif du systme de
refroidissement par vaporation est environ 7-10 JD ou 10-15 US $ par kW install.
Les rsultats obtenus montrent que le systme de refroidissement par vaporation est capable de
renforcer la puissance et damliorer lefficacit de la turbine gaz d'une manire beaucoup
moins couteuse que le systme de refroidissement par serpentin en raison de sa forte
consommation d'nergie ncessaire pour faire fonctionner l'unit de rfrigration compression
de vapeur.
Figure 1.6 : Performance de la turbine gaz avec un
serpentin de refroidissement.
Figure 1.7 : Puissance nette produite sans et avec les
diffrents systmes de refroidissement tudis
R. Chacartegui et al [4] dans leur tude ont analys le refroidissement de lair dadmission dans
une turbine gaz pour une unit de cognration. Ils ont tudi une installation de cognration
situe au sud de lEspagne Cdiz ct de la mer. Elle se compose dune turbine gaz de type
General Electric modle GP 654B avec une puissance nominale de 38.340 kW et un rcuprateur
gnrateur de vapeur HRSG. Cette installation est une partie dune centrale chimique.
Afin de traiter ce projet lauteur divis ltude en trois parties, la partie essentielle est la partie
qui montre les systmes de refroidissement (CTIAC) qui existent afin de refroidir lair
ladmission du compresseur de la machine ainsi que leurs effets sur les performances de
linstallation avec une valuation des cots dinvestissement et dentretien.La deuxime partie
intresse ltude et la modlisation de linfluence du rcuprateur gnrateur de vapeur HRSG, et
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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le combustible sur laugmentation de la puissance. Enfin, dans la troisime partie lobjectif final
est dexprimer les variables principales qui caractrisent linstallation savoir la puissance nette
et le rendement thermique en fonction de la temprature dadmission de la turbine, lhumidit
relative et la pression.
D'aprs l'auteur les performances de la turbine gaz dpendent fortement de la temprature
d'admission, ils ont trouv quune augmentation de la temprature de 10C (par rapport aux
conditions ISO) rsulte une perte de puissance de l'ordre de 7% de la puissance nominale, les
pertes atteignent 15% de la puissance avec une temprature d'admission de 35C. Les diffrents
systmes de refroidissement CTIAC montrs sont :
Le refroidissement par vaporation
Refroidisseur absorption
Refroidisseur compression
Systme hybride absorption et compression
Systmes de stockage de lnergie thermique
la suite de ce travail, une analyse conomique a t effectue pour la centrale de cognration
considre, montrant les diffrents effets de systmes de refroidissement CTIAC. Les rsultats
de lanalyse conomique obtenus pour les diffrents systmes de refroidissements CTIAC sont
montrs dans larticle. Ils ont trouv que trois systmes de refroidissement sont intressants pour
cette centrale tudie savoir le refroidissement par rfrigration lectrique, de capacit de
refroidissement de 850 RT, un systme hybride dun refroidisseur absorption de capacit de
300RT dispos squentiellement avec un refroidisseur lectrique de capacit de 450RT. Le
troisime reprsente un refroidisseur de 600RT de capacit combine avec un systme de
stockage thermique de capacit de 750RT de stockage. Une comparaison entre le refroidisseur
lectrique et celui avec stockage thermique conduit l'auteur conclure que les deux systmes
prsentent des rsultats trs semblables l'exception que le systme de stockage a un plus grand
NPV (Net Present Value) et un faible investissement ainsi que les systmes par stockage
thermique seraient une option plus intressante.
Dans l'article l'auteur choisit le systme de refroidissement hybride avec une valeur de 45000
NPV comme rfrence en raison des critres NPV considrs comme rfrence conomique
principale. D'autres facteurs doivent tre pris en considration tels que la simplicit et le temps
d'installation. Sous ces considrations, le systme avec stockage thermique est clairement
favorable relativement au systme hybride.
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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La priode d'installation des systmes de refroidissement hybrides st plus longue, non seulement
parce qu'il est ncessaire d'installer deux rfrigrateurs et leurs intercommunications et
commandes, mais galement parce que l'un d'entre eux est un rfrigrateur d'absorption
fonctionnant avec de l'eau chaude produite dans la section finale du HRSG.
Le moment disponible pour l'installation de systme de refroidissement sera programm pour
concider avec les rvisions prvues de la centrale. Aprs toutes ces considrations le systme de
refroidissement CTIAC choisi pour la centrale tudie est le refroidisseur lectrique avec
stockage de glace.
Un autre travail a t ralis par Jean-Pierre Bdcarrats et Franoise Strub[5]sur le
refroidissement de lair dadmission des turbines gaz, avec un systme comprenant un rservoir
de stockage thermique avec lutilisation dun matriau de changement de phase encapsul. La
centrale modlise et examine est situe new Delhi dans un climat chaud et humide (an mois
daot). Le but de ltude est de concevoir les composants du systme de refroidissement et de
quantifier les profits dutilisation des systmes de stockage de froid. Le matriau de changement
de phase est encapsul dans des enveloppes sphriques (de diamtre 77 mm et dpaisseur
moyenne de 2mm) appeles nodules, le matriau des nodules est un mlange des polyolfines.
Un fluide frigoporteur (l'eau glycole) circule l'intrieur du rservoir et passe par les nodules
ce qui permet l'change thermique. Le schma de la figure (1.8) montre les diffrents
composants de linstallation tudie par les auteurs.
RT : Refrigration tons (1 RT est gal 12,000 Btu/h ou 3.52 kW)
Il y a deux modes de fonctionnement par rapport au systme de refroidissement d'air
d'admission. Le mode de charge et le mode de dcharge. Pendant le mode de charge le groupe
Figure 1.8 : Installation dune turbine gaz avec refroidissement par stockage thermique
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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frigoporteur fonctionne gnralement pendant les heures creuses de la demande, l'eau glycole
passe par le rservoir, ce qui traduit la cristallisation du matriau de changement de phase
contenue dans les nodules. Pendant le mode de dcharge le groupe frigorifique est en arrt, l'eau
glycole passe par l'changeur et le rservoir provoque le fondre du matriau de changement de
phase et refroidi l'air par l'changeur.
Les trois composants ncessaires sont modliss, savoir la turbine gaz, lchangeur et le
groupe frigorifique. La turbine choisie est un turbo-alternateur utilis pour la production
combine de la chaleur et d'lectricit, une modlisation de la puissance mcanique produite par
cette turbine en fonction de la temprature ambiante montre leffet de la temprature ambiante,
les rsultats montrent que la puissance produite est de 1115kW aux conditions ISO de
fonctionnement (15C et 60% d'humidit relative) et lorsque la temprature augmente de 1C la
puissance diminue de 9kW, ainsi 40C de temprature la puissance est de 890kW cest dire
une perte de 20% par rapport la puissance produite aux conditions ISO. Les caractristiques de
l'changeur de refroidissement d'air sont lies la taille de la turbine gaz, il est conu pour
refroidir l'air de 50C jusqu' 15C, avec un dbit massique de 6kg/s (le dbit maximum
ncessaire la turbine). Les auteurs ont choisi un jour standard pour la simulation, la
temprature durant ce jour varie entre 26C et 37C et l'humidit relative entre 50% et 80%. Ce
qui est difficile pour le refroidissement de lair. Ils ont reprsent l'effet du refroidissement d'air
sur la puissance produite pour trois tailles de rservoirs de stockage.
Aprs cette tude ils ont trouv que les conditions climatiques du site tudi (climat chaud et
humide) dfavorisent lutilisation du systme de stockage thermique parce que ces conditions
demandent plus dnergie thermique car un climat sec et chaud exige moi de puissance donc la
taille du rservoir est plus petite ainsi que le groupe frigorifique ce qui introduit un cot
dinvestissement rduit.
Amir Abbas Zadpoor [6] travaill sur le dveloppement d'un systme de refroidissement par
dessiccation amliore pour les turbines gaz. D'aprs l'auteur, le refroidissement par
vaporation est dfavorable pour un climat humide, alors l'utilisation d'une roue desschante peut
dshumidifier l'air avant de passer travers le refroidisseur vaporatif. Daprs cet article
plusieurs tudes sont faites sur les refroidisseurs direct, indirect et combin et montrent quune
roue desschante simple est moins efficace que le systme de refroidissement par vaporation
tag. Dans cette tude, des dshumidificateurs et des refroidisseurs par vaporation sont
ajoutes afin damliorer lefficacit des systmes de refroidissement par roue desschante
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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simple. Le systme propos dans cet article est compos de cinq roues desschantes comme
indiqu dans la figure (1.9). Deux cas extrmes sont tudis dans cet article pour ce systme, le
cas o lair aprs le rgnrateur est 100% frais FRAO (FreshRegeneration Air Option), et le cas
o lair de rgnration vient dune roue prcdente nest pas 100% frais NFRAO (Non-
FreshRegeneration Air Option).Trois endroits diffrents choisis, reprsentent un climat chaud et
sec, un climat chaud et modrment humide et enfin un climat chaud et humide, ont t
considrs pour tudier les effets des conditions climatiques sur les performances du systme
propos.
Les performances de la roue desschante plusieurs tages a t simule pour les trois
conditions climatiques mentionnes ci-dessus et les deux options diffrentes d'air de
rgnration. Ils ont utilis un code de calcul appel Novel Aire pour la simulation. Les pertes de
pression travers les roues sont proportionnelles avec le nombre des roues. La chute de pression
influence les performances des turbines (une chute de 24mmHg rsulte une perte de puissance et
de rendement de 0.3%-0.48%), les performances des deux types de turbine tudies sont
reprsentes dans la figure (1.10). Finalement ils sont arrivs montrer les points suivants :
Le systme devient sensiblement meilleur que celui du refroidisseur combin, seulement
lorsque le nombre des roues desschantes employes est suprieur ou gal deux.
Les performances sont meilleures dans les climats secs quhumides.
La diffrence entre les deux cas FARO et NFRAO est ngligeable, mais il est prfrable
demploy NFRAO cause de sa facilit de conception et dutilisation et dans les climats plus
humides la diffrence nest pas ngligeable.
Figure 1.9 : Schma dune roue desschante pour le refroidissement dair dadmission de turbine gaz
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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L'amlioration des performances ralises en utilisant le systme plusieurs tages
propos montre un comportement asymptotique en fonction du nombre des roues desschantes
pour le climat sec, et augmente linairement pour les climats humides.
Laugmentation du nombre des roues est faible pour les climats humides.
La puissance ncessaire pour le systme de refroidissement est essentiellement celle les
rchauffeurs.
Hasan HuseyinErdem, Suleyman HakanSevilgen[7] ont tudi leffet de la temprature ambiante
sur la production lectrique et la consommation de fuel pour un simple cycle de turbine gaz.
Dans cet article, deux modles de turbine gaz sont tudis pour sept rgions considres en
TURQUIE. Les pertes de puissance lectrique annuelle produite et l'augmentation de la
consommation de carburant sont compares avec ceux trouves en condition ISO de
fonctionnement de la turbine gaz. Durant cette tude les auteurs utilisent les valeurs moyennes
de la temprature pour analyser la turbine gaz pour les sept rgions. Les rsultats de cette
analyse sont reprsents graphiquement sur la figure (1.11). Les pertes de puissance se
produisent dans toutes les rgions o la temprature est au dessus de 15C. Les pertes de
production de l'lectricit dans des rgions chaudes varies entre0.71% jusqu' 2.87% compars
la production dans les conditions standards. Par contre, dans d'autres rgions une augmentation
de 1.32%-7.85% a t ralise. Dans toutes les rgions, quand la temprature est au-dessus de
15C et particulirement en t, une perte de production dans la gamme de 1.67%-7.22%
apparait. Par le refroidissement de l'air d'admission jusqu' 10C une augmentation de puissance
est enregistre dans la gamme de 0.37%-7.59%.
Figure 1.10 : performances de TAG pour les diffrents types de refroidisseur pour les trois rgions tudies
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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Le travail de R. Hosseini, A. Beshkani, M. Soltani [8] concerne une tude sur l'amlioration des
performances d'une installation d'une turbine gaz cycle combine implante Fares (IRAN).
Par l'utilisation d'un mdiade refroidissement par vaporation de l'air d'admission, ce systme est
modlis et valu. Le modle utilis prend en compte plusieurs paramtres de conception tels
que la vitesse de l'air l'admission, la forme gomtrique, la taille et l'paisseur des mdias de
refroidissement. Les mdias se composent de plusieurs couches minces onduleuses de papier
ondul spcial ou de papier rid par cellulose emball ensemble. La figure (1.12) schmatise la
configuration de papier ondul et le domaine physique. D'aprs cette modlisation, les auteurs
reprsentent graphiquement l'effet de la forme gomtrique des mdias et les nombres
adimensionnels sur leur efficacit.
Figure 1.11 : Production lectrique pour les deux modles tudies
Figure 1.12 : Schma de papier ondul utilise pour un refroidisseur vaporatif
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Chapitre I. Synthse bibliographique
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La figure (1.13) reprsente les rsultats de modlisation de la puissance en fonction de la
temprature ambiante pour plusieurs valeurs d'humidit relative. Il est bien clair que la puissance
est inversement proportionnelle l'humidit relative. Ils ont trouv d'aprs l'analyse des rsultats
qu'avec un nombre constant de Prandtl, l'efficacit diminue avec une augmentation de chute de
pression, au fur et mesure que la vitesse entrante d'air augmente.
Pour cette installation de turbine gaz Fares, la puissance produite est denviron 11MW avec
une temprature ambiante de 38C et 8% d'humidit relative, la temprature de l'air est baisse
jusqu'a 19C l'entre du compresseur (sortie du refroidisseur vaporatif), ce qui introduirait une
augmentation annuelle de 5280 KWh et pour des prix de vente de 2.5 Cents/KWh, 3 Cents/KWh,
et 4Centes/KWh, la dure d'amortissement est respectivement de 4.2 , 3.5 et 2.6 annes.
Figure 1.13 : Augmentation de la puissance en fonction de la temprature ambiante et lhumidit relative
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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Chapitre II
Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
2.1 Introduction
Les installations des turbines gaz sont conues pour fonctionner dans des conditions ambiantes
ISO savoir une temprature gale 15C, une pression atmosphrique de 1.013bars et une
humidit relative de 60%. Cependant, les conditions ambiantes ne sont pas stables pendant toute
l'anne (mme entre le jour et la nuit) d'un ct, et dune rgion une autre de l'autre ct. Alors
les performances des installations de turbines gaz sont toujours varies ou encore mdiocres
dans les priodes chaudes et sches lorsque la masse dair traversant linstallation est faible et la
temprature lentre du compresseur est plus leve.
A cet effet, on utilise des systmes de refroidissement dair en amont du compresseur afin
damliorer les performances de ces installations par laugmentation de la masse dair qui passe
par la machine. Ceci en abaissant la temprature de lair lentre du compresseur qui diminue
par la suite les missions des oxydes dazote dans la chambre de combustion.
Les systmes utiliss actuellement sont les suivantes :
Refroidissement par vaporation de leau,
Refroidisseur vaporatif ou refroidissement par ruissellement deau
Injection de brouillard
Utilisation des groupes frigorifiques compression
Rfrigration directe (un simple circuit)
Rfrigration indirecte (deux circuits)
Rfrigration mcanique avec stockage de la glace
Systme de rfrigration mcanique avec stockage de l'eau froide
Utilisation des groupes frigorifiques absorption.
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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Lemplacement de ces systmes de refroidissement est montr sur la figure (2.1).
2.2 Refroidisseur vaporatif (Evaporativecooler)
2.2.1 Principe de fonctionnement:
Le principe de refroidissement vaporatif est le mme que celui qui se droule dans la nature. On
vapore une masse deau traite dans le canal dadmission, la chaleur latente ncessaire
lvaporation provient de lair lui-mme. Lair qui sort aprs ce systme de refroidissement est
donc refroidit et humidifi. Le processus de refroidissement nexige par un apport dnergie. Les
refroidisseurs par vaporation deau sont appropris dans les zones chaudes et sches. Deux
techniques existent assurent le refroidissement par vaporation deau.
Refroidisseur vaporatif par module humidifi (Evaporatorecooler):
Le refroidissement par ruissellement deau comme montr sur la figure (2.2) consiste faire
passer l'air aprs filtrage par un mdia humidifi compos de surfaces ondules en papier de
cellulose trait, ce mdia jeu le rle d'un vaporateur conventionnel. L'eau scoule sur la surface
ondule du panneau vaporant, figure 2.2. Une partie de l'eau est vapore sous l'action de l'air
sec et chaud qui traverse le panneau vaporant. Le reste d'eau va tomber dans un bac situ en
dessous de lvaporateur. Lair la sortie du refroidisseur est refroidi et avant de passer par le
Turbine gaz
Fig 2.1 : Reprsentation schmatique dune installation dune turbine gaz avec refroidissement de lair de combustion
Arriv de lair
dadmission
Syst
me
de
refr
oid
isse
men
t
Fil
trag
e de
lai
r de
com
bust
ion
chappement
-
Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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compresseur de la turbine gaz, il passe par un systme dlimination des gouttelettes deau pour
assurer un bon fonctionnement du compresseur de la turbine gaz. Llment principal du
refroidisseur par ruissellement deau est le mdia humide, il est en papier ondul sous forme dun
nid dabeille. Leau scoule par un systme de distribution positionn en dessus du media.
Lefficacit des refroidisseurs vaporatifs avec mdia humidifi peut atteindre jusqu' 90%.
Fig. 2.2 : Refroidisseur vaporatif
Gnralement, il est recommand de placer le refroidisseur vaporatif aprs le filtre air
d'admission et non pas avant. Cet arrangement protgera les mdias contre la poussire et d'autres
contaminants aroports.
Avantages
Facile et rapide installer
Le cot estimatif pour l'installation est de 1/8 1/2 par rapport au cot de climatisation
frigorifie.
Le cot estimatif de l'opration (exploitation) est de 1/4 de celui d'air frigorifi.
Il fonctionne comme un laveur et nettoyeur d'air d'admission.
Une augmentation des puissances produites par la turbine gaz permet de couvrir les pics de
demande surtout dans les priodes chaudes.
Inconvnients
Limitation sur l'amlioration de capacit
Il nest pas adapt aux sites humides.
Consomme une quantit deau
Leau doit tre traite avant utilisation.
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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Refroidissement par atomisation ou pulvrisation deau :
Dans ce systme lhumidification est ralise partir de pulvrisation deau sous forme de petites
particules au moyen de buses datomisation haute pression (60 140 bar), figure (2.3). Leau
svapore dans lair, la temprature dair diminue et lhumidit spcifique augmente. Lefficacit
des humidificateurs pulvrisation peut atteindre 100%.
La taille de gouttelette deau pulvrise est trs fine (environ 10m 20m) donc elle svapore
facilement dans lair.
Figure 2.3 : Refroidissement par pulvrisation deau.
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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Avant dutiliser un systme de pulvrisation deau pour refroidir lair de combustion des turbines
gaz, leau doit tre traite dans une station de traitement ou de dminralisation. Les
caractristiques de cette eau sont rsumes dans le tableau ci-dessous :
Quantit des solides dissocis 5 PPM maximum
pH 6-8
Na + K 0.1 PPM maximum
Silica (SiO2) 0.1 PPM maximum
Chlorides 0.5 PPM maximum
Sulphate 0.5 PPM maximum
Tableau 1.3 caractristique de leau pulvris
Avantages :
Installation facile
Bas cot dinvestissement
Peut augmenter les performances des turbines gaz mieux que le refroidissement par
vaporation
Inconvnients :
Lamlioration de capacit est limite.
Il sadapte quavec les sites secs.
Il ncessite une pompe de grande puissante.
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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2.3 Systmes de rfrigration mcaniques [9]:
Dans ce systme la chaleur est prleve par lutilisation dun changeur de chaleur o un fluide
plus froid absorbe la chaleur de lair, ce qui rsulte son refroidissement. Le cycle
thermodynamique de rfrence est ralis dans une machine frigorifique compression, elle est
reprsente dans la figure (2.4).
Cette machine thermodynamique est constitue dun circuit ferm et tanche dans lequel circule
un fluide frigorigne ltat liquide ou gazeux selon les organes quil traverse. Ces organes sont
au nombre de quatre : lvaporateur, le compresseur, le condenseur et le dtendeur. L'utilisation
des systmes de refroidissement mcanique est applicable dans les lieux o l'humidit relative est
leve. Les machines frigorifiques compression sont utilises de deux faons diffrentes
savoir en mode direct ou indirect :
Type direct
Fig. 2 4 : Cycle bas dune machine frigorifique par compression
gauche: composants - droite : cycle thermodynamique
Source chaude
Source froide
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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Lair change directement la chaleur avec le fluide frigorigne qui circule dans la machine, donc
lair qui passe travers lvaporateur va refroidir.
Avantages
Ils donnent une meilleure amlioration que les systmes par vaporation deau.
Une temprature dair ladmission constante.
Inconvnients :
Le prix dinstallation et dexploitation lev.
Il demande une charge supplmentaire afin de faire fonctionner le groupe frigorifique.
Il est nocif aux composantes de la turbine gaz en cas de fuites.
Il ncessite une maintenance priodique.
Type indirect
Dans un systme de refroidissement indirect on trouve deux circuits : primaire et secondaire. Le
circuit primaire est le circuit du groupe frigorifique (production de froid) o le fluide moteur ou
frigorigne scoule, le second est le circuit de transport de froid et il sappelle le circuit du
fluide frigoporteur.
Les fluides frigoporteurs qui sont utilises ne sont pas nocifs l'installation de la turbine gaz en
cas de fuites. Parmi ces fluides l'air et l'eau.
Avantage :
Fig. 2 5 : Refroidissement de lair de combustion par machine compression type direct
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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Peut augmenter les performances de la turbine gaz mieux que les refroidisseurs par
vaporation (par mdias et pulvrisation).
Pas sensible la temprature humide de l'air ambiant.
Pas de danger concernant les fuites et les dperditions de fluide frigorigne.
Inconvnients :
Cot dinstallation lev.
Il exige une charge supplmentaire par rapport au systme direct afin de faire fonctionner
le circuit secondaire (circuit du fluide frigoporteur).
2.4Systmes de rfrigration mcanique avec stockage
Deux techniques de stockage du froid sont utilises. Le stockage de glace et le stockage de leau
froide.
2.4.1Stockage de la glace [5]
La glace est fabrique par un groupe frigorifique compression et stocke dans un rservoir (voir
figure au- dessous), ensuite l'eau passe par le rservoir et sera refroidie et transporte ce froid
l'air de combustion par un changeur de chaleur
La glace fabrique la nuit o la demande est faible est exploite le jour lorsque la demande atteint
le pic.
Fig. 2 6: Refroidissement de lair de combustion par machine compression type indirect
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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2.4.2 Stockage de leau froide [10]
Il porte sur le mme principe que le stockage de glace sauf que dans ce systme on stocke l'eau
froide dans le rservoir.
Fig. 2.8 : Systmes de rfrigrations mcaniques avec stockage deau froide
Fig. 2.7 : Systmes de rfrigration mcanique avec stockage de glace
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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2.5 Systme de refroidisseur par absorption [11]
A la diffrence des groupes compression qui ont besoin dlectricit, les groupes frigorifiques
absorption permettent de produire du froid en utilisant une source de chaleur.
Ces machines sont utilises essentiellement dans le cas o lon dispose dnergie gratuite en
vapeur surchauffe, apport solaire, ou les gaz dchappement des turbines gaz, pour faire
fonctionner une machine absorption.
Fig. 2.9 : reprsentation dun refroidisseur dair absorption pour les turbines gaz
Fig. 2.10 : Structure dune machine frigorifique absorption
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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2.5.1 Le cycle de base dune machine absorption [11]:
Schmatiquement une machine absorption liquide comporte les lments reprsents dans la
figure (2.10).Cette machine comprend comme toutes les machines compression lensemble de
condenseur, vaporateur, dtendeur dans lequel ne transite que le frigorigne pur (leau). Cet
ensemble est connect la partie chimique du procd (absorbeur et dsorbeur).
Le condenseur : composant analogue celui de la machine compression, cest la temprature
du fluide caloporteur alimentant le condenseur qui fixe la temprature de condensation et donc la
pression dans lensemble dsorbeur /condenseur. La condensation du frigorigne ncessite le
dgagement dune quantit de chaleur Qcond( trajet 7-1 de la figure (2.10)).
Lvaporateur : la sortie du condenseur, le frigorigne liquide se dtend travers le dtendeur
(1-2), puis svapore, produisant la puissance Qvap. La temprature et la pression dvaporation
dans lensemble vaporateur/absorbeur est fixe par la temprature de la source froide (mdium
refroidir).
Le bouilleur ou dsorbeur : la solution dilue (riche en frigorigne) va recevoir la quantit de
chaleur Qdes, ce qui provoque la dsorption d'une partie du frigorigne dissous dans la solution.
Le dsorbeur produit ainsi une vapeur de frigorigne (7) et une solution concentre (pauvre en
frigorigne) (6). Cet organe effectue une concentration (5-6) du sorbant (XLi B) ou un
appauvrissement en frigorigne (XH2O)
Labsorbeur : la vapeur sortie de l'vaporateur (3) y rencontre la solution concentre (pauvre)
provenant du dsorbeur (8). Elle est absorbe par cette solution qui s'enrichie en frigorigne. La
chaleur Qabs dgage par cette transformation exothermique est vacue par un fluide caloporteur
la temprature Tm en sortie d'absorbeur (4). On obtient ainsi une solution dilue (riche en
frigorigne), Ce composant effectue donc une dilution (trajet 8-4) du sorbant (XLiB) ou un
enrichissement en frigorigne (XH2O)
Avantages du systme de refroidissement par absorption :
Il permet d'amliorer les performances des installations de turbine gaz mieux que les
systmes de refroidissement par vaporation d'eau.
une faible consommation d'nergie lectrique que le systme compression
Pas sensible la temprature humide d'air ambiant.
Il permet de valoriser la chaleur perdue par les gaz d'chappement.
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Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz
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Inconvinients :
Un cot d'investissement lev
Un temps d'implantation lev en comparaison avec d'autres systmes de
refroidissement.
Il n'est pas applicable avec les installations d'une turbine gaz ouverte.
2.6Conclusion
Plusieurs systmes de refroidissement existent pour le conditionnement des turbines gaz, mais il
faut tudier le choix du systme adapt avec le site dinstallation (condition ambiantes) parce que
les conditions ambiantes (temprature et humidit relative) varient dune rgion une autre
rgion, et chaque systme des priorits par rapport un autre.
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Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz
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Chapitre III
Thermodynamique des Turbines Gaz
3.1 Note Historique sur le dveloppement des turbines gaz
Les applications pratiques des turbines gaz se sont produites la premire fois de 1939 1941.
En 1939, la socit Suisse Brown Boveri a utilis une turbine gaz pour produire de l'lectricit.
galement en 1939, le premier vol d'un avion actionn par une turbine gaz dveloppe par Hans
vonOhain a eu lieu en Allemagne. Une autre turbine gaz d'avion a t dveloppe par Frank
Whittle, qui a actionn un avion en 1941 en Angleterre. partir de ces applications la turbine
gaz a t dveloppe au point o aujourd'hui c'est la centrale la plus importante d'avions en
service [12]. Les progrs obtenus dans le domaine de la technologie des matriaux et dans la
recherche approfondie sur la combustion ont donn comme rsultats des amliorations rapides
des performances en termes de puissance spcifique et rendement en augmentant la temprature
maximale dans le cycle thermodynamique. Le tableau suivant montre lhistorique des progrs de
la turbine gaz type MS5002 depuis 1970 (le modle sur lequel on a effectu notre tude) [13]
Tableau 3.1 Historique de dveloppement de la turbine gaz MS5002
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Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz
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3.2 Description des Composants dune turbine gaz
Dans le cas le plus simple une turbine gaz est constitue par un filtre dentre dair, un
compresseur, une chambre de combustion, une turbine de dtente et le systme dchappement
vers latmosphre, figure (3.1).
Fig. 3.1 : Composants dune TAG simple
3.2.1 Systme de ladmission Entre dair :
Il comporte un systme de filtration gnrant une perte de charge modlise par un
coefficient de perte de charge, qui peut tre cal sur une perte de charge de 0,6 % pleine
puissance. Dans le cas o la turbine gaz dispose dun systme de refroidissement en amont
du compresseur la temprature ne doit pas descendre au-dessous de 5 7C pour viter les
problmes de givrage. Le refroidissement seffectue par des systmes vaporation deau ou
par lintermdiaire dun groupe frigorifique soit de compression ou absorption. Le premier
et le dernier de ces systmes induisent une perte de charge supplmentaire de lordre de 0,25
%. Les deux premiers sont efficaces en cas dair chaud et sec et utilisent lenthalpie de
vaporisation de leau pour refroidir lair en accroissant son humidit respectivement 90 % et
95 %.
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Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz
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Fig. 3.2 : Reprsentation de compartiment dadmission
3.2.2 Compresseur
Son rle est de comprimer lair avant son admission dans la chambre de combustion, il utilise
plus de la moiti de la puissance produite par la turbine de dtente.
3.2.3 Chambre de combustion
Se traduit par une perte de charge de lordre de 6 % [14]et par un chauffement de lair li la
combustion du gaz avec un rendement gnralement de 98%. Comme sa connaissance
conditionne la dure de vie des parties chaudes, la tempratureT3 en entre turbine est limite.
La temprature entre turbine ISO (telle que dfinie par la norme ISO 2314) suppose que
tout le dbit dair lentre de la turbine gaz passe dans la chambre de combustion et quil ny a
pas de prlvement dair sur le compresseur et que lentre dair et son chappement seffectuent
sans perte de charge. Cest la valeur la plus basse.
La temprature lentre de la roue de turbine est calcule en considrant que lair la
sortie de la chambre de combustion est parfaitement mlang avec lair de refroidissement de la
directrice dentre. Cest une valeur intermdiaire denviron 80 C plus leve que la prcdente,
ce qui signifie que le dbit dair de refroidissement des aubes et cavits en aval est de lordre de 8
% du dbit total.
La temprature de sortie de la chambre de combustion est calcule avec le dbit dair qui
traverse les tubes flamme, soit environ 80 % du dbit dair lentre du compresseur. Cest la
plus leve avec encore environ 80 100 C dcart avec la prcdente. Le dbit dair qui
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Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz
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traverse les tubes flamme est accessible par la mesure de la courbe dbit-rduit/perte de charge
dun tube flamme au banc partiel et de leur perte de charge sur machine.
Fig. 2.3 dfinition de la temprature de la flamme
3.2.4 Turbine de dtente
Produit du travail mcanique par la dtente des gaz de combustion pour entraner le
compresseur ou lalternateur.
3.2.5 Echappement de la turbine gaz
Influe par la perte de charge qui est cre par tous les lments en aval : diffuseur dchappement
(de 0,5 1 %), grille de tranquillisation (0,5 %), systme de rchauffe des gaz (0,3 %), chaudire,
vannes et coudes, chemine.
3.3 Principede fonctionnement dune turbine gaz
Une turbine gaz fonctionne de la faon suivante :
elle extrait de lair du milieu environnant ;
elle le comprime une pression plus leve ;
elle augmente le niveau dnergie de l'air comprim en ajoutant et en brlant le combustible
dans une chambre de combustion ;
elle achemine la fume pression et temprature leves vers la section de la turbine qui
convertit l'nergie thermique en nergie mcanique pour faire tourner l'arbre. Ceci sert, d'un ct,
fournir l'nergie utile la machine conduite, couple avec la machine au moyen dun
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Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz
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accouplement et, de lautre ct fournir l'nergie ncessaire pour la compression de l'air, qui a
lieu dans un compresseur reli directement la section turbine ;
elle dcharge l'atmosphre les gaz basse pression et temprature rsultant de la
transformation mentionne ci-dessus. Les conditions de conception standard sont par convention
classifies comme des conditions ISO, avec les valeurs de rfrence cites plus haut.
3.3.1 Evolution des gaz travers les diffrents composants dune turbine gaz
Le compresseur (C), constitu dun ensemble de roues munies dailettes, comprime lair extrieur
(E), simplement filtr, jusqu 10 15 bars, voire 30 bars pour certains modles.
Du gaz (G), ou un combustible liquide atomis est inject dans la chambre de combustion (Ch)
o il se mlange lair compress et senflamme. Les gaz chauds se dtendent en traversant la
turbine (T), o lnergie thermique des gaz chauds est transforme en nergie mcanique. La dite
turbine est constitue dune ou plusieurs roues galement munies dailettes. Les gazbrls
schappent par la chemine (Ec) travers un diffuseur. Le mouvement de rotation de la turbine
est communiqu larbre (A) qui actionne dune part le compresseur, dautre part une charge qui
nest autre quun appareil (machine) rcepteur (ice) (pompe, alternateur...) accoupl son
extrmit droite. Pour la mise en route, on utilise un moteur de lancement (M) qui joue le rle de
dmarreur, figure (3.4). Le rglage de la puissance et de la vitesse de rotation est possible en
agissant sur le dbit de lair en entre et sur linjection du carburant.
Fig. 3.4 : Evolution des gaz travers une TAG
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Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz
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3.4 Les technologies des turbines gaz [15]:
3.4.1 Turbine gaz un seul arbre
Le compresseur et les sections de la turbine de ces machines se composent dun seul rotor
simple, o la turbine produit lnergie pour entrainer le compresseur ainsi que lnergie pour
entrainer la charge. Les turbines un seul arbre sont favorables dans le cas o la charge est
constante. Les turbines un seul arbre sont aptes lentranement des machines qui
fonctionnent vitesse constante, telle que les alternateurs et, pour cette raison, sont employes
dans la gnration d'nergie lectrique.
Fig. 3.5 : turbine gaz un seul arbre.
3.4.2 Turbine gaz deux arbres
Et dans les applications o la puissance est rgle en variant la vitesse de la machine conduite,
on utilise normalement des turbines gaz deux arbres, figure 3.6. Dans ce cas, la turbine est
divise en deux sections spares mcaniquement :
Une section haute pression, qui fonctionne vitesse constante dans une plage de
puissances, et entrane exclusivement un compresseur axial.
Une section basse pression lie la machine conduite par l'intermdiaire d'un
accouplement. Cette section peut changer sa vitesse de rotation indpendamment de la section
turbine haute pression
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Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz
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Fig. 3.6 turbine gaz deux arbres
3.5 Cycle thermodynamique des turbines gaz
Le cycle de base selon lequel une turbine gaz fonctionne est le cycle idal de Brayton, travers
lequel nous dfinissons tous les paramtres nergtiques qui rgissent une turbine gaz, et par la
suite ltude du cycle rel nous permettra dvaluer le comportement des turbines gaz au cours
de leurs fonctionnements dans le cas pratique dans lequel en prend en considration toutes les
diffrentes imperfections qui peuvent laffecter.
3.5.1 Etude de cycle idal de turbine gaz [16-14] :
Ltude du cycle thermodynamique correspondant au schma est particulirement facile, cette
tude prsente un grand intrt pratique, car la plupart des turbines gaz sont ralises base du
cycle de Brayton. La conversion de la chaleur dgage de la combustion du carburant en nergie
mcanique dans une turbine gaz est ralise suivant ce cycle. Il est reprsent dans un
diagramme h-s comme indiqu dans la figure (3.7). Le cycle de Brayton ou Joule comme
comporte deux processus isentropiques (adiabatiques et rversibles) et un processus isobare, les
grandeurs principales qui fixent le cycle thermodynamique de turbine gaz sont :
La temprature minimale T1 (temprature ambiante dans le cas du cycle ouvert)
La temprature maximale T3 du cycle fixe par la temprature maximale admissible en
entre de la turbine
Le rapport de pression ou taux de compression Rp=P2/P1
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Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz
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On cherche connaitre les performances de linstallation en fonction des paramtres
caractristiques que sont :T1 ,T3 et Rp=P2/P1
Dans le cycle idal de Joule les processus : la compression (1-2) et la dtente (3-4) seproduisent
dans le compresseur et la turbine respectivement et sont supposs isentropiques. La chaleur
additionne (2-3) dans lchangeur de chaleur (chambre de combustion) et le rejet (4-1) se
produisent pression constante. Dans la figure (3.8) les gaz la sortie de la turbine sont vacus
dans latmosphre; donc le processus (4-1) ne se produit pas au sein de lunit. Dautres
hypothses pour le cycle idal de Joule sont comme suit :
1- Les pertes de pression dans les changeurs de chaleur et les passages reliant les quipements
sont ngligeables.
2- Le fluide de fonctionnement est un gaz parfait.
Le cycle idal de Joule dans les diagrammes p-v et T-s est montr sur les figures (3.7)
respectivement.
Fig. 3.7 : Cycle thermodynamique de turbine gaz
En considrant que le compresseur et la turbine comme des machines parfaites dont le rendement
polytropique est gal lunit.
3.5.2 Etude des diffrentes squences
Etude de la compression
La temprature au refoulement du compresseur est donne par :
1
2 2
1 1
............................. .1sT P
IIIT P
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Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz
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Le travail de compression Wc, rapport au kilogramme de fluide en volution, a pour expression :
1
WC=h2-h1=Cp (T2-T1)=Cp T1 ( -1)..........III.2
avec 2
1
P
P= , le rapport de compression
Etude de la combustion
La chaleur fournie par la combustion est donne par :
1
Q=Cp (T3-T2)=CpT1 (r- )..........III.4
avec : 3
1
Tr
T
La temprature maximale du cycle est fixe par le constructeur. Elle varie entre 900C et 1500C.
Etude de la dtente
La pression et la temprature absolue au dbut et en fin de la dtente sont lies par la relation
suivante :
1
3 2
4 1
................... .5T P
IIIT P
Le travail fourni par la dtente est crit par la relation :
1
1WT=Cp(T3-T4)=Cp T3(1- )............III.6
Le bilan nergtique global du cycle pour un kilogramme de fluide passant par la machine
scrit :
-Le travail net rcupr au cours du cycle Wnet est gal :
Wnet =WT -WC=Cp(T3-T4)-Cp (T2-T1).III.7
En mettant en vidence le rapport des tempratures T3/T1 qui caractrise le niveau technologique
de la machine on obtient lexpression suivante :
Wnet =CpT1[T3/T1(1-T4/T3)-(T2/T1-1)].III.8
En exprimant les rapports de temprature T4/T3 et T2/T1 en fonction du rapport de compression
on arrive :