Différents types de turbine à gaz

Différents types de turbine à gaz

Turbines à gaz

Appelée aussi turbine à combustion interne (TAC), la turbine à gaz est une machine rotative appartenant à la famille des moteurs à combustion interne. Elle produit l’énergie mécanique par le biais d’un arbre tournant à partir de l’énergie cinétique issu de la combustion des hydrocarbures (gaz, fuel…) après une détente dans la turbine.
Principe de fonctionnement
Une turbine à gaz opère selon un cycle thermodynamique ouvert dit de Brayton. Les transformations typiques d’un tel circuit ouvert sont :
Compression adiabatique du gaz froid avec un compresseur axial
Chauffage isobarique du gaz dans la chambre de combustion
Détente adiabatique du gaz chaud dans une turbine axiale
Refroidissement isobare
Une partie de la puissance mécanique retirée par la turbine sert à faire fonctionner le compresseur.

Différents types de turbine à gaz

Turbine à combustion interne
Dans une turbine à gaz à combustion interne, la phase de refroidissement est extérieure à la machine et se fait par mélange à l’atmosphère. Le cycle thermodynamique est le cycle de Brayton décrit précédemment et amélioré par différents organes complémentaires :
Récupération de chaleur à l’échappement.
Compression refroidie : la compression comprend deux étages (ou plus) séparés par un échangeur de chaleur (air/air ou air/eau) refroidissant l’air.
Détente à deux étages (ou plus) séparés par un ou des réchauffages additionnels.
Turbine à combustion externe
Dans une turbine à gaz à combustion externe, le chauffage et le refroidissement sont assurés par des échangeurs de chaleur. Le fluide qui y circule est en circuit fermé.
La turbine à gaz peut également être à cycle fermé et à combustion externe. Le chauffage et le refroidissement sont alors assurés par des échangeurs de chaleur. Le fluide évoluant reçoit sa chaleur d’une source extérieure par l’intermédiaire d’un échangeur se détend ensuite dans la turbine. Après un refroidissement convenable, il est repris par un compresseur qui le renvoi dans l’échangeur ou il reçoit un nouvel apport de chaleur et ainsi de  suite. Le fluide circule donc en circuit fermé. Cette disposition plus complexe permet l’utilisation de gaz particuliers ou de travailler avec une pression basse différente de l’ambiante.
Turbine à gaz à un arbre
Le compresseur et les sections de la turbine de ces machines se composent d’un seul rotor simple, où la turbine produit l’énergie nécessaire pour entrainer le compresseur ainsi que l’énergie pour entrainer la charge. Les turbines à un seul arbre sont favorables dans le cas où la charge est constante. Les turbines a un seul arbre sont aptes à l’entrainement des machines qui fonctionnent à vitesse constante, telle que les alternateurs et, pour cette raison, sont employées dans la génération d’énergie électrique.
Turbine à gaz à deux arbres
Une turbine à gaz à double arbre possède deux turbines indépendantes. La première turbine (haute pression) est rigidement raccordée au compresseur et l’entraîne. La deuxième turbine (utile) est mécanique non reliée à la turbine à haute pression ; elle produit la puissance utile de l’installation.

Turbines à vapeur

La turbine à vapeur est un moteur à combustion externe qui fonctionne selon le cycle thermodynamique de Rankine. Un fluide, préalablement chauffé ou surchauffé par une source extérieure (gaz fuel …), met en mouvement rotatif un arbre sur lequel sont fixés des aubes.
Contrairement à la machine alternative, une turbine à vapeur transforme de façon continue l’énergie thermique en énergie mécanique.
Principe de fonctionnement
Une turbine à vapeur simple fonctionne selon le cycle fermé de Rankine. L’eau traverse la pompe qui est acheminée vers une chaudière où elle est chauffée à l’aide d’un combustible fossile. De ce fait, l’eau sort sous forme de vapeur qui est ensuite détendue dans une turbine. La vapeur sortante de la turbine est refroidit sous forme de liquide dans un condenseur.

Chaudière de récupération de chaleur (HRSG)

La chaudière de récupération de chaleur est utilisée pour la production de la vapeur nécessaire à l’alimentation d’une turbine à vapeur. Une chaudière de récupération est un échangeur de chaleur qui permet d’exploiter l’énergie thermique des gaz d’échappements chauds. Les gaz d’échappements de la turbine à gaz y sont utilisés pour générer de la vapeur qui alimentera la turbine à vapeur. Ce procédé est donc plus efficace que la production de l’électricité au moyen de turbines séparées, c’est une association d’échangeurs thermiques.
La chaudière de récupération est composée d’un économiseur, d’un évaporateur et d’un surchauffeur.
Economiseur : l’eau est portée à une température d’approche, située à quelques degrés sous la saturation. Cette différence de température est une sécurité pour éviter le changement de phase (vaporisation) dans l’échangeur ;
Evaporateur : l’eau à l’état liquide reprise à la base du ballon est partiellement vaporisée puis renvoyée dans le ballon ;
Surchauffeur : la vapeur est surchauffée jusqu’à la température de consigne.
Généralement, la température à la sortie du surchauffeur est régulée par une désurchauffe, ce qui permet un contrôle plus facile en cas de modification des conditions de fonctionnement de la source du fluide chaud (par exemple une turbine à gaz).

Systèmes à capteur linéaire

Les champs solaires sont souvent constitués de miroirs cylindro-paraboliques (Parabolic-Trough, PT) orientés nord-sud concentrant le rayonnement. ils sont pour la plus part dotés d’un récepteur sous vide situé sur la ligne focale du capteur contenant le fluide caloporteur qui peut être de l’huile synthétique, de l’eau ou autres. Ce fluide transporte la chaleur à la chaine de production d’électricité à des températures très élevées allant de 300 à 400°C. Cette filière s’est jusqu’à présent développée en un certain nombre de technologies les uns aussi important que les autres. Ils se classent selon le fluide caloporteur utilisé et le type de concentrateur :
Les systèmes cylindro-paraboliques à caloporteur huile.
Les systèmes cylindro-paraboliques à génération directe de vapeur (DSG).
Les systèmes à capteur linéaire de Fresnel (CLFR).
Les systèmes hybrides de cycle combiné à préchauffage solaire (ISCC).

 

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Généralités des centrales solaires
I.1 Introduction
I.2 Centrale solaire HASSI R’MEL(Algérie)
I.3 Centrale solaire de KURAYMAT (Egypte)
I.4 Centrale solaire de l’Espagne
I.5 Centrale solaire de Yazd (Iran)
I.6 Centrale solaire d’Aïn Béni-Mathar (Maroc)
I.7 Utilisation du CO2 comme fluide caloporteur
I.8 ISCCS avec deux champs solaires
I.9 Les centrales thermiques de la Californie
I.10Conclusion
Chapitre II : Etat de l’art des centrales solaires
II.1 Introduction
II.2 Turbines à gaz
II.2.1 Définition
II.2.2 Principe de fonctionnement
II.2.3 Différents types de turbine à gaz
a. Turbine à combustion interne
b. Turbine à combustion externe
c. Turbine à gaz à un arbre
d. Turbine à gaz à deux arbres
II.3Turbines à vapeur
II.3.1 Définition
II.3.2 Principe de fonctionnement
II.4 Cycles combinés
II.4.1 Chaudière de récupération de chaleur (HRSG)
II.4.2 Champ Solaire
II.4.3 Technologies de concentration solaire
II.4.3.1 Systèmes à capteurs linéaires
a. Systèmes cylindro-paraboliques à caloporteur huile
c. Systèmes cylindro-paraboliques à génération directe de vapeur
e. Systèmes à capteurs linéaires de Fresnel (CLFR).
g. Les systèmes hybrides de cycle combiné à préchauffage solaire (ISCC).
II.4.3.3 Centrales à tour (CRS)
II.4.3.5 Les systèmes paraboliques /Stirling(DS)
II.4.3.7 Fluides caloporteurs HTF
II.4.3.9 Générateur de vapeur direct (DSG)
II.4.3.11Comparaison entre le DSG est le HTF
II.4.3.13Générateur de vapeur solaire (SSG)
II.5 Système hybride
II.5.1 Cycle combiné solaire intégré ISCCS
II.5.2 Schémas d’intégration solaire dans les centrales thermiques
II.5.2.1 Centrale solaire avec stockage thermique
II.5.2.3 Centrale solaire
II.6Conclusion
Chapitre III : Positionnement du problème
III.1 Introduction
III.2 Caractéristiques du site d’implantation
III.3 Description générale de la centrale HASSI R’MEL
III.4 Mode opératoire de la centrale HASSI R’MEL
III.5 Les données techniques de la centrale
III.5.1 La turbine à gaz
III.5.2 La turbine à vapeur
III.5.3 HRSG
III.5.4 Le champ solaire
III.6 Méthode de calcul
III.6.1Cas turbine à gaz
a) La phase 1-2 : compression isentropique
b) La phase 2-3 : chambre de combustion
c) La phase 3-4 : détente de la turbine
III.6.2 Turbine à vapeur
a) La phase 11-6 : la pompe
a) La phase 6-9 : la chaudière
b) La phase 9-10 : détente de la turbine
c) La chaudière de récupération de chaleur
III.6.3 La partie solaire
Chapitre IV : Résultats et interprétations
IV.1 Introduction
IV.2 Diagramme fonctionnel de la centrale de HASSI R’MEL
IV.3 Diagramme TS du cycle de Rankine et du cycle Brayton
IV.4 L’échangeur de récupération de chaleur (HRSG)
IV.5 Effet du temps sur le rayonnement solaire (DNI)
IV.6 Effet du temps sur le rendement thermique de l’installation
IV.7 Effet du temps sur le rendement thermique de l’installation, le rendement de la turbine à gaz et sur le rendement de la turbine à vapeur
IV.8 Effet du temps sur le débit de vapeur solaire qui circule dans le générateur de vapeur solaire
IV.9 Effet de la puissance thermique en fonction du temps
IV.10 Effet du débit massique du fluide caloporteur (HTF) en fonction du temps
IV.11 Effet de la température d’entrée dans le compresseur sur la puissance thermique de l’installation
IV.12 Effet du taux de compression sur les rendements (ISCC, TAV et TAG)
Conclusion Général

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