PARTIE I : TURBINE A GAZ ET CYCLE COMBINEIII.1Introduction:La turbine gaz est caractrise par son cot relativement faible par rapport la turbine vapeur, et un dlai de construction court. Cependant, les turbines gaz conventionnels industriels ont une efficacit moindre, surtout la charge partielle.Actuellement le systme nergtique le plus efficace est la centrale de cycle combin, o la chaleur des gaz d'chappement est rcupre pour faire fonctionner une turbine vapeur. La puissance dun tel cycle peut atteindre 250 400 MW pour un rendement de plus de 58% [1].En comparant avec le cycle conventionnel, le cycle combin offre un certains nombre davantages : Rendement meilleur de gnration de puissance. Cot dinvestissement bas. Pollution rduite de lenvironnement.La seule condition est la ncessit dun carburant qui convient mieux, comme le gaz naturel.III.2.Turbine a gaz:La turbine gaz est une machine thermique flux continu, ralisant diffrentes transformations thermodynamiques, dans une succession dorganes comportant un compresseur, une turbine couple mcaniquement sur un arbre, et une chambre de combustion intercale entre ces deux derniers. Ce qui permet de transformer l'nergie contenue dans le combustible en nergie mcanique utilisable sur l'arbre de la turbine (machines industrielles). Dans son architecture la plus simple, la turbine gaz, qui aspire l'air ambiant et rejette des gaz brls l'atmosphre.III.3. Principe de fonctionnement:La turbine gaz est un moteur thermique ralisant les diffrentes phases de son cycle thermodynamique dans une succession dorganes traverss par un fluide moteur gazeux en coulement continu (figure (III -1)).

Figure III.1: fonctionnement dune turbine gaz compresseur axialPrincipes: Le compresseur (C), constitu dun ensemble de roues munies dailettes, comprime lair ambiant extrieur (E), simplement filtr, jusqu 10 15 bars, voir 30 bars pour certains modles. Du gaz (G), ou un combustible liquide atomis, est inject dans la chambre combustion (Ch) o il se mlange lair compress et senflamme.Les gaz chauds se dtendent en traversant la turbine (T), ou lnergie thermique des gaz chauds est transforme en nergie mcanique, la dite Turbine est constitue dune ou plusieurs roues galement munies dailettes et 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. 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.

Figure III.2:Variations de la Pression et de la Temprature le long de la machineLa turbine a gaz fonctionne en circuit ouvert. Le cycle thermodynamique rsultant qui est appel cycle de Brayton, est schmatis au moyen d'un diagramme enthalpie-entropie suivant:

Figure III.3: Schma de fonctionnement dune turbine gaz et cycle thermodynamique.o Compression de 1 2 : le compresseur, gnralement axial, sert comprimer l'air ambiant une pression qui peut atteindre dans les machines modernes entre 10 et 30 bars environ.La puissance de compression peut tre calcule comme suit :

o Combustion de 2 3 : le combustible, gnralement mthane ou autre driv ptrolier, inject sous pression (sensiblement constante) est brul avec lair comprim, o le fluide reoit de lnergie en y ralisant une raction chimique de combustion avec l'air.Lquation gnrale de la combustion pour un gaz naturel CxHy avec un excs dair est :CxHy + w(O2+3.76N2) xCO2+ y/2H2O+w( 1) O2 + 3.76 w N2Sachant que le gaz naturel algrien a la composition suivante: 91.2% methane (CH4). 7.4% ethane (C2H6) 0.8% propane (C3H8). 0.1% butane (C4H10). 0.5% autres.Dans ce cas, on a considr que les autres composants ne sont que le pentane (C5H12). Aprs calculs effectus, on a trouv les rsultats suivants :x = 1.113 y = 4.226 w= 2.1695 Et est le facteur thorique dair est gal 0.1281/FAR, et FAR est le rapport fuel /air de la chambre de combustion. alors:

La combustion est une oxydation du carburant avec un excs dair allant de 2 5% (valeur stchiomtrique infrieure) afin dobtenir des gaz brls une temprature admissible, gnralement < 1500C, pour les matriaux employs pour la turbine (aubes, disques, carters, etc.). [2]Une chambre de combustion renferme un tube flamme parois relativement minces dans lequel la combustion a lieu et le systme dinjection. Comparativement aux autres types de moteurs, les turbines gaz sont considres comme produisant de trs faibles niveaux de pollution de combustion. Les missions des turbines gaz les plus proccupantes sont les hydrocarbures non brls, de monoxyde de carbone, oxydes d'azote (NOx) et de la fume.Une conception russie de la chambre de combustion doit satisfaire de nombreuses exigences qui touchent le rendement et l'environnement. L'importance relative de chaque exigence varie en fonction de l'application de la turbine gaz, certaines exigences sont contradictoires, ce qui ncessite des compromis. Ces exigences peuvent tre classes comme suit : Haut rendement de combustion dans toutes les conditions d'exploitation. Production faible de gaz, de monoxyde de carbone, oxydes d'azote. Pas de fume visible (minimiser les polluants et les missions.) Faible chute de pression (3 4%). Combustion stable dans toutes les conditions d'exploitation. Inflammation fiable doit tre teinte trs basse temprature. Une faible variation de temprature pour une longue dure de vie. Dimension compatible avec l'enveloppe du moteur (pour des chambres noyes). Conception bas cot et entretien minimum.o Dtente de 3 4 : la dtente des gaz haute temprature sortant de la chambre de combustion est effectue dans la turbine, qui est gnralement axiale. La turbine fournit la puissance ncessaire l'entranement du compresseur et la production dune nergie mcanique. La puissance de la turbine est dfini par :

La temprature d'entre turbine est fixe par la technologie des matriaux et le cot des alliages utiliss, le gaz circulant dans la turbine peut atteindre 1370 C. L'obligation de refroidir la turbine limite le rendement thermique du cycle. Les technologies actuelles dveloppent des matriaux comportant la cramique et amliorent lefficacit du refroidissement.III.4.Rendement thermique :Le rendement des TG est de 25 35%, l'nergie apporte par le combustible est dtourne par le compresseur ou perdue sous forme de chaleur dans les gaz d'chappement. Il est envisageable de perfectionner un peu le rendement en augmentant la temprature dans la chambre de combustion (plus de 1200C), mais le problme de tenue des matriaux utiliss pour la ralisation de la partie turbine se pose. C'est en rcuprant la chaleur des gaz d'chappement (chauffage, production de vapeur...) que le rendement global de la machine peut dpasser 50%. On utilise alors la chaleur des gaz d'chappement (plus de 500 degrs) pour produire de la vapeur dans une chaudire.

Figure III.4 : Comparaison entre les turbines gaz de cycles amliors. [1]Si la puissance de sortie de la turbine gaz est connue (ou dtermine partir de l'quipement mcanique ou des mthodes de bilan thermique), le rendement de la turbine gaz est dtermin en divisant la puissance de sortie de la turbine par la puissance calorifique du carburant.

La composition actuelle du gaz doit tre utilise pour dterminer le pouvoir calorifique infrieur (PCI) du carburant.III.5.Flux thermique des gaz dchappement:Le flux de chaleur contenant dans les gaz dchappement apporte un intrt majeur pour son exploitation surtout dans le cas dun cycle combin, il peut tre dtermin par lexpression suivante :Qech = mg (he hr) Avec: Qech : flux de chaleur dchappement. mg : le dbit des gaz dchappement. he et hr : enthalpies dchappement et de rfrence respectivement.Un bilan nergtique du systme peut tre utilis pour estimer le flux de chaleur dans les gaz dchappement.III.6.Lxergie et Lanergie dans un Turbine a Gaz:Lnergie peut tre dcompose en deux parties : Une composante utile : lxergie. Une composante inutile ou indisponible : lanergie.Lexergie dun systme, par dfinition, est une fonction thermodynamique qui exprime la capacit du systme produire du travail en raison de son dsquilibre avec lambiance dans laquelle il se trouve. On peut dfinir lxergie dune source dnergie comme la quantit maximale de travail quil serait possible den retirer au moyen dun cycle thermodynamique moteur, lautre source tant en quilibre avec lambiance (tat de rfrence dfinir). On assimile lambiance une source infinie, monotherme et isobare. [12]Les nergies cintique, potentielle, voire lectrique, sont de l'exergie pure, car elles sont entirement transformables en travail.A loppos, lanergie est lnergie qui ne pourra jamais tre transforme en travail.III.7.Considrations de conception de la turbine gaz:La turbine gaz est le moteur le plus adapt aux besoins actuels tels que : les cots, le temps de planification et de ralisation, l'entretien, et les cots de carburant. Elle a galement le temps de ralisation le plus court, mais son inconvnient cest le taux lev de la chaleur utilise nanmoins les nouvelles turbines sont parmi les types les plus efficaces [4].La conception de n'importe quelle turbine gaz doit rpondre des critres essentiels bass sur des considrations oprationnelles. Parmi ces critres on cite: Rendement lev Haute fiabilit et disponibilit leve Facilit de service Facilit d'installation Conformit avec les normes environnementales Flexibilit de satisfaire les divers besoins de service et de carburant.Les deux facteurs, qui affectent plus le rendement de la turbine gaz, sont le rapport de pression et la temprature dentre. Le compresseur coulement axial qui produit la haute pression, a vu des amliorations dans le rapport de compression qui a t augment de 7:1 40:1.III.8.Facteurs influant sur les performances dune TG:Temprature dadmission : les performances dune TG sont influences par la densit ou flux dair entrant le compresseur. Les conditions ambiantes sont les plus videntes changer (15C et 1.013 bars). La figure suivante montre leffet de la temprature ambiante sur la puissance de sortie, et le flux de chaleur rejete. On voit aisment que la puissance est leve pour des tempratures relativement faibles.

Figure III.5 : Effet de la temprature dadmission. [3]Humidit : l'air humide, affecte galement le flux de sortie (massique et thermique), avant, cet effet tait jug ngligeable. Cependant, avec le dveloppement des TG et l'utilisation de l'humidit et linjection de leau et/ou de vapeur l'eau pour le contrle des NOx, cet effet est devenu trs considrable. La figure ci-dessous montre leffet de lhumidit. Figure III.6: Effet de lhumidit. [3]On constate que laugmentation de lhumidit rduit la puissance de sortie contrairement au flux thermique qui augmentePerte lAdmission et l'chappement : insertion de filtration, silencieux et de refroidisseur par vaporation ou chiller dans le cycle cause des pertes de pression.Carburant : lnergie thermique dpend de la composition du carburant et des produits de combustion. La figure ci-dessous montre leffet des diffrents carburants sur la puissance de la TG, en considrant le mthane come fuel.

Figure III.7: Effet de la composition du carburant. [3]L'conomie ralise dans les TG est obtenue par application de processus dpendant gnralement de l'utilisation efficace de l'nergie d'chappement, qui reprsente gnralement 60% 70% de l'nergie du combustible. L'utilisation de cette nergie peut tre soit dans la gnration de vapeur dans une chaudire (HRSG), ou galement peut tre utilise comme une source d'nergie directe.

PARTIE II: AMELIORATION DES PERFORMANCESDE LA TURBINE A GAZIII.9.Introduction:Actuellement, le cycle combin est la forme la plus efficace o le rendement est amlior par augmentation de la temprature entre turbine. Cependant, cela provoque une augmentation des missions des NOx et une rduction de la dure de vie des matriaux.Pendant lt, la puissance et le rendement des installations de turbines gaz se dgradent de manire significative, diffrentes solutions ont t dveloppes pour satisfaire le besoin nergtique et rduire leurs limites, et augmenter la puissance et le rendement thermique.III.10.Systme injection deau ou de vapeur:Le systme injection de vapeur augmente la puissance par laugmentation du dbit massique du fluide moteur. Cela permet daugmenter la puissance 50%. Cest une installation peu complexe et qui est intressante dans la saison chaude [5].Plusieurs configurations d'injection deau ou de vapeur dans le cycle de turbine gaz ont t proposes. L'injection d'eau qui a pour but daugmenter l'efficacit du systme, se fait dans les manires suivantes : injection de brumes dans le cycle de la turbine (MAT), injection de leau rcupre (RWI), et turbine air humide (HAT).Dans la TG injection de vapeur (STIG), une partie de vapeur produite dans la chaudire est injecte dans la chambre de combustion pour augmenter la puissance et l'efficacit du cycle.III.10.1.Injection de vapeur rgnre RSTIG: Kousuke Nishida et al, [6] ont utilis la chaleur des gaz dchappement pour produire de la vapeur qui sera injecte dans le cycle selon deux configurations : injection de vapeur rgnre dans la chambre de combustion ; Injection de vapeur rgnre avant la chambre de combustion.

Figure III.8: Injection de vapeur rgnre.(1) RSTIG1;(2) RSTIG2.[6]

Figure III.9: Rendement et puissance des cycles RSTIG.[6]Dans la figure ci-dessus, la puissance et le rendement des cycles RSTIG 1 et 2 sont compars par rapport au cycle simple, cycle de rcupration et cycle dinjection de vapeur.On voit bien que les rendements des RSTIG 1 et 2 sont plus importants que les autres. Le rendement max de RSTIG2 est plus lev que celui de RSTIG1, il atteint 42.4% pour un rapport de compression plus faible. Cela est d au fait que le dbit de vapeur dans RSTIG 2 est faible par rapport au RSTIG 1 et STIG, la diffrence de temprature dans la chaudire est minime, donc les pertes exergtique sont rduite. De plus le rapport de compression correspond au rendement optimal est faible.III.10.2.Injection de leau dans la chambre de combustion : Mircea Crdu et Malvina Baica [7], ont propos linjection de leau dans la chambre de combustion. Dans l'ensemble, l'installation se compose d'un compresseur d'air (1), chambres de combustion (2), turbine gaz (3), alternateur (4), pompe d'eau basse pression (5), installation de traitement de l'eau (6), pompe d'eau haute pression (7), et unit dalimentation en carburant (8). Figure III.10: Schma dinjection de leau dans la chambre de combustionOn dfinit = mw /mf, le coefficient dajout deau ncessaire pour obtenir la temprature dsire dans la chambre de combustion comme tant le rapport de la quantit d'eau injecte mw sur la quantit de carburant mf introduit dans la chambre de combustion.L'eau injecte est instantanment transforme en vapeur cause de la trs haute temprature (> 800 C), de cette faon, les gaz de combustion vacus sont un mlange de gaz et de vapeur.Figure III.11:Rendement thermique du cycle en fonction de la temprature de combustion.Daprs cette figure, il est clair que dans le domaine de i = 0.72 - 0.82, que les valeurs du rendement du cycle avec injection de leau est plus important que celui du cycle simple.Contrairement pour les valeurs de 0.82 - 0.92 ou le rendement du cycle simple est suprieur celui du cycle avec injection. Ce domaine correspond des tempratures de combustion entre 1050 et 1400C. On peut clairement conclure que le rendement du cycle avec injection de leau est meilleur que celui du cycle simple. Un autre avantage tirer, est quon peut construire linstallation avec injection de leau pour avoir le mme rendement et autres paramtres que la TG, la seule diffrence rside en temprature de la chambre de combustion sera moins leve, ce qui est profitable du point de vue technologies, et dautre part, on a rduction des missions de NOx, du fait de la rduction dexcs d air. Pour la mme raison, les dimensions du compresseur seront plus petites par rapport au cycle simple. Cependant, la centrale sera plus grande cause de linstallation du systme dinjection.III.10.3RWI cycle : Bhargava et al. [1], Ont men une tude comparative entre plusieurs cycles pour lamlioration des performances de la TG, entre autre, linjection de leau de rcupration dans le systme. Le cycle RWI est driv du cycle avec refroidissement (ICR), il compose essentiellement d'une TG modifie dans laquelle l'eau liquide est injecte dans le flux d'air avant d'entrer dans la chambre de combustion.

Figure III.12 : Schma de fonctionnement du cycle RWI. [1]Leau avant dtre injecte dans le cycle dair, est prchauffe dans le refroidisseur par la chaleur de lair comprim, ensuite dans lconomiseur par la chaleur des gaz dchappement.L'injection d'eau dans le cycle de RWI permet de rcuprer la chaleur des gaz dchappement. Mais le transfert de chaleur est limit en raison de fortes diffrences dans les capacits thermiques des deux fluides circulant contre courant dans l'changeur. Cette grande capacit calorifique dsquilibre entre les flux dans le refroidisseur est partiellement rcupre dans le cycle de RWI due l'injection de l'eau prchauffe, ce qui augmente le dbit et la chaleur spcifique du flux d'entre dans le rcuprateur ct froid. Ainsi, cette approche permet l'augmentation du dbit massique du cycle et amliore la capacit calorifique entre les deux flux permettant une croissance de la puissance et du rendement.Les rsultats obtenus pour linjection deau sont compars avec les cycles de refroidissement et rcupration.

Figure III.13: Performances du cycle RWI. [1]La figure ci-dessus montre une nette augmentation dans le rendement et travail lorsquon injecte de leau. Le rendement maximal obtenu dans le cycle RWI est de 52 % contre 49 % pour le cycle ICR la temprature entre turbine de 1500C.Du point de vue thermodynamique, ce cycle est limit par trois facteurs : une irrversibilit leve dans le procd de mlange gaz-liquide ; le flux deau est limit par la saturation du gaz et la fraction importante de vapeur haute temprature lchappement. [8]III.10.4.Injection de brume dans le compresseur : Linjection de gouttelettes deau dans le compresseur, o durant la compression, provoque une vaporation de leau qui diminue la temprature de manire continue.Kyoung et Horacio, [9] ont fait leurs tudes sur deux types de cycle, simple (WCG) et avec rgnration (RWCG).

Figure III.14 : Schma de fonctionnement dinjection de brume.Ils ont trouv que le refroidissement continu rduit le travail du compresseur et permet d'vacuer la chaleur mme un rapport de compression lev.

Figure III.15 : Performances du cycle injection de brume. [9]Le rapport de compression pour lequel le rendement est maximal, varie avec le rapport dinjection deau. Le maximum obtenu est de 51.5 % pour un rapport de compression de 25 et un taux dinjection deau de 9 %. Contrairement au cycle sec avec rgnration, le rendement est de 45 % pour un rapport de compression de 7.Donc le RWCG peut maintenir un rendement lev des rapports de compression lev. Dans le RWCG, lchange thermique dans le rgnrateur diminue avec la pression mais augmente avec linjection deau. Le travail spcifique net des cycles WCG et RWCG augmente avec laugmentation du rapport de compression et de la quantit deau injecte, pour atteindre une croissance de 65 %. [9]III.10.5Turbine gaz avec lair humide HAT : Kavanagh et Parks [10], ont men une tude comparative entre deux cycles humides (HAT), la turbine air humide et le cycle TOPHAT (TOP humid air turbine).La turbine gaz air humide est le cycle le plus rcent tre propos pour lamlioration des performances des centrales nergtiques. Lavantage de ce cycle est sa simple conception. La chaleur des gaz vacus de la turbine est utilise pour la rcupration avant la combustion et aussi pour chauffer leau dans le procd dhumidification de lair comprim.Le transfert thermique et massique dans la tour dhumidification permet daugmenter le dbit massique du fluide ce qui engendre une augmentation du travail net et du rendement. [11]

Figure III.16 : Schma de conception de la turbine air humide.Lair est comprim dans un compresseur basse pression, ensuite refroidi par de leau puis comprim haute pression, lair comprim est dirig vers lvaporateur aprs avoir t refroidi. Dans lvaporateur lair se charge avec des gouttelettes deau chaude, ensuite rentre dans la chambre de combustion aprs un prchauffage travers lchange thermique des gaz de la turbine. Les flux deau sortant du refroidisseur et de lconomiseur sont mixs avant dentrer dans lvaporateur.Plusieurs travaux ont t raliss pour ltude des performances de ce cycle. La figure(II.10.a) ci-dessous, donne le fonctionnement optimal de ce cycle, pour un rendement et un travail spcifique de 51.7% et 680 kJ/kg respectivement. [10]

Figure III.17 : Performance du cycle HAT. [10]Le rapport de compression et efficacit du rcuprateur influent directement sur le rendement et le travail net de la turbine. Laugmentation du rapport de compression accroit la temprature de fonctionnement dans les refroidisseurs (IC et AC), ce qui engendre laugmentation de la temprature de leau, et fournit donc un transfert massique et thermique plus important dans lvaporateur ce qui mne laugmentation du travail net de la turbine.Dautre part, lorsque lefficacit diminue, linfluence de la rcupration de le la chaleur des gaz de la turbine sur le rendement diminue et le transfert thermique dans lconomiseur augmente, il y a obtention deau temprature leve, ce qui est profitable pour lchange thermique et massique dans lvaporateur.Les rsultats obtenus pour ce cycle TOPHAT : Figure III.18 : Schma de conception de la turbine TOPHAT. [10]

Figure III.19 : Performance du cycle TOPHAT. [10]Le rendement maximum est de 53.4 % qui correspond un travail spcifique de 709 kJ/kg, ce qui correspond un gain de 14 % et 115 % pour le rendement et le travail net, respectivement, et ce par rapport un cycle simple. Il a t constat que la croissance du rapport de compression augmente le rendement, l'exception o lefficacit du rcuprateur est de 0.95, o un rapport de compression optimum de 30 a t identifi.Gnralement, laugmentation du rapport de compression favorise lamlioration du rendement du cycle ainsi que le travail net.Dans la table suivante on rassemble les avantages et limites des cycles HAT et RWI.

Tableau III.1 : Comparaison entre HAT et RWI [1].III.11.Conclusion:On peut dire que la cognration offre les meilleures performances du point de vue rendement et puissance. Daprs la synthse prcdente, lamlioration des performances dune TG se fait, soit par augmentation du rendement globale du cycle, ou bien par laugmentation du dbit du fluide moteur pour accroitre la puissance et rduire la consommation.Dans des travaux antrieurs, on a ralis des soutirages plusieurs nivaux dans la chaudire pour fonctionner des turbines diffrentes pressions dans le cas dun cycle combin.Dautre part, les dernires recherches se focalisent sur linjection de leau dans le compresseur, qui permet de diminuer la temprature dans le compresseur, ce qui engendre laugmentation de lefficacit de la compression et par ailleurs une augmentation du dbit, et ainsi amlioration du rendement et de la puissance.