Amélioration Des Performances d’Une Installation de Turbine à Gaz Par Refroidissement de l’Air d’Admission

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

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.

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.

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.

vi

:

.

. 0 %06 15 OSI

.

.

. .

C2005SM ( ).

. 010

. )SEE(revloSnoitauqegnireenegnE

% 4.0 1.5 0.1 44.4

( .

. % 1 5) xON

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

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

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

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

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

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.

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.

Chapitre I. Synthse bibliographique

______________________________________________________________________________

5

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


______________________________________________________________________________

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


______________________________________________________________________________

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


______________________________________________________________________________

8

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.


______________________________________________________________________________

9

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.


______________________________________________________________________________

10

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


______________________________________________________________________________

11

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.


______________________________________________________________________________

12

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


______________________________________________________________________________

13

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


______________________________________________________________________________

14

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


______________________________________________________________________________

15

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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16

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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17

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

Chapitre II. Les techniques de refroidissement dair dadmission des turbines gaz

______________________________________________________________________________

18

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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19

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


______________________________________________________________________________

20

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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21

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.


______________________________________________________________________________

22

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.


______________________________________________________________________________

23

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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24

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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25

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


______________________________________________________________________________

26

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


______________________________________________________________________________

27

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


______________________________________________________________________________

28

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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29

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.

Chapitre III. Thermodynamique des turbines gaz

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30

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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31

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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32

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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33

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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34

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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35

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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36

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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37

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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38

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 :

Documents

Amélioration Des Performances d’Une Installation de Turbine à Gaz Par Refroidissement de l’Air d’Admission