Introduction

L’objectif de cette exploration est de vous guider dans vos premiers pas d’utilisation de Thermoptim, en vous faisont découvrir les principaux écrans et fonctionnalités associés à un modèle de turbine à gaz simple.

Vous découvrirez l’agencement des écrans des points et des transfos, la manière dont ils peuvent être reparamétrés et calculés, les notions d’énergies utiles et payantes permettant de dresser les bilans énergétiques globaux.

Vous visualiserez les cycles dans le diagramme thermodynamique (h, ln(P)) et vous effectuerez des études de sensibilité du cycle à la température extérieure, la température d’entrée turbine et au taux de compression.

Dans sa forme la plus simple et la plus répandue, une turbine à gaz (aussi appelée turbine à combustion) est composée de trois éléments :

• un compresseur, centrifuge ou axial, qui a pour rôle de comprimer de l’air ambiant à une pression comprise aujourd’hui entre 10 et 30 bars ;
• une chambre de combustion, dans laquelle un combustible gazeux ou liquide est injecté sous pression, puis brûlé avec l’air comprimé, avec un fort excès d’air afin de limiter la température des gaz d’échappement ;
• une turbine, généralement axiale, dans laquelle sont détendus les gaz qui sortent de la chambre de combustion.

Sous cette forme, la turbine à gaz constitue un moteur à combustion interne à flux continu. On notera que le travail de compression représente environ 60 % du travail de détente.

Le terme de turbine à gaz provient de l’état du fluide de travail, qui reste toujours gazeux, et non du combustible utilisé, qui peut être aussi bien gazeux que liquide (les turbines à gaz utilisent généralement du gaz naturel ou des distillats légers comme le fioul domestique).

Paramétrage retenu

La turbine à gaz aspire de l’air à 25 °C et 1 bar, et le comprime à 16 bar dans un compresseur de rendement isentropique 0,85.

L’air comprimé entre dans la chambre de combustion brûlant du gaz naturel, puis les gaz brûlés sont détendus dans une turbine de rendement isentropique 0,85.

La température d’entrée dans la turbine est de 1065 °C et la combustion est supposée parfaite.

Aspects technologiques

Pour atteindre des taux de compression r de 20 ou 30, le compresseur est multiétagé, avec parfois une réfrigération intermédiaire destinée à réduire le travail consommé. Les rotors axiaux sont constitués d’un empilage de disques, soit montés sur un moyeu central, soit assemblés en tambour sur leur périphérie. Les matériaux utilisés vont des alliages d’aluminium ou de titane pour les premiers étages aux alliages d’acier et aux alliages réfractaires pour les derniers étages, qui peuvent supporter des températures atteignant 500 °C.

La chambre de combustion est normalement construite en alliage réfractaire. Divers types seront présentés plus loin.

Dans les turbines à gaz à cycle ouvert, les principales contraintes technologiques se situent au niveau des premiers étages de la turbine de détente, qui sont soumis au flux des gaz d’échappement à très haute température.

Les pièces les plus exposées sont en particulier les aubages du rotor, qui sont très difficiles à refroidir et, de plus, particulièrement sensibles à l’abrasion. Il importe donc d’utiliser un combustible très propre (absence de particules et de composants chimiques susceptibles de former des acides), et de limiter la température en fonction des caractéristiques mécaniques des aubages.

Les matériaux utilisés pour les aubages de la turbine sont des alliages réfractaires à base de nickel ou de cobalt, et on envisage de recourir à des céramiques dans l’avenir.

Chargement du modèle

Charger le modèle

Cliquez sur le lien suivant : Ouvrir un fichier dans Thermoptim

Découverte de Thermoptim

L’éditeur de schémas permet de décrire graphiquement et qualitativement le système étudié. Il comporte une palette présentant les différents composants représentables et un panneau de travail où ces composants sont placés et interconnectés par des liens vectoriels.

Le simulateur permet de quantifier puis de calculer le modèle décrit dans l’éditeur de schémas. Il comporte les listes des différents points, transfos, nœuds et échangeurs du modèle.

Affichez ces deux fenêtres et étudiez leur contenu.

Ce document vous fournit davantage d’informations sur ces deux écrans.

Référez-vous pour plus d’explications à l’exploration de découverte de Thermoptim accessible depuis le menu situé en haut à gauche de l’écran du navigateur.

Composants principaux du modèle

Énergie mécanique

Puissances mises en jeu

Souvenez-vous que les énergies ou les puissances reçues par un système sont comptées positivement, et celles qu’il fournit à l’extérieur sont comptées négativement. Dans les écrans de Thermoptim, elles sont donc positives ou négatives, selon les cas.

Toutefois, dans ces exercices, n’entrez que les valeurs absolues des puissances mises en jeu (en kW)

Paramétrage du modèle

Paramétrage retenu

L’état du point 1 en entrée de compresseur est connu : température de 25 °C et pression atmosphérique, supposée égale à 1 bar pour simplifier les choses.

Le compresseur a été paramétré de la manière suivante : adiabatique, référence isentropique, de rendement isentropique égal à 0,85, et système ouvert. Son rapport de compression est calculé comme le rapport de la pression du point aval (2) à celle du point amont (1). Il vaut 16.

La combustion n’est pas modélisée en tant que telle dans ce modèle simplifié. Elle est remplacée par une transfo de type “échange” qui permet de porter à 1065 °C la température de l’air comprimé. Son paramétrage ne pose pas de problème particulier

L’évolution (3–4) est une détente adiabatique irréversible de 16 bar à 1 bar, de rendement isentropique η = 0,85.

Tracé du cycle dans le diagramme (h, ln(P))

Première étape : chargement du diagramme des frigoristes de l’air

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Deuxième étape : chargement d’un cycle pré-enregistré correspondant au projet chargé, dont le tracé a été préalablement affiné afin d’être plus précis

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Analyse du cycle

Le point 1 se trouve proche de l’axe des abscisses, à l’intersection entre l’isotherme verticale T = 25 °C et l’isobare P = 1 bar. La compression adiabatique non réversible conduit au point 2, sur l’isobare P = 16 bar.

La variation d’enthalpie entre les points 1 et 2 est proportionnelle à la puissance consommée par le compresseur.

L’échauffement dans la chambre de combustion conduit au point 3, à l’intersection de l’isobare P = 16 bar et de l’isotherme T = 1065 °C.

La variation d’enthalpie entre les points 2 et 3 est proportionnelle à la puissance fournie à la chambre de combustion.

L’évolution (3–4) est une détente adiabatique non réversible de 16 bar à 1 bar. La variation d’enthalpie entre les points 3 et 4 est proportionnelle à la puissance générée par la turbine.

Variation des performances lorsque la température de l’air varie

Diminution de la puissance utile

L’augmentation de la température de l’air a pour effet de diminuer de la puissance utile

À titre de comparaison, voici les valeurs des performances du cycle avec température d’air de 25 °C (première partie de l’exploration)

Bilan premier principe

puissance produite par la turbine

valeur du rendement

Détermination du rendement isentropique lorsque l’état du point de sortie est connu

Il est ainsi possible de paramétrer une compression ou une détente connaissant soit son rendement isentropique, soit l’état de son point aval.

Conclusion

Cette exploration vous a permis de découvrir Thermoptim et de commencer à utiliser ce progiciel pour effectuer des paramétrages d’un modèle simple.

Vous pouvez en effectuer d’autres pour analyser la sensibilité du modèle à divers paramètres, comme par exemple le rendement isentropique de la turbine.

Nous vous recommandons de lire la documentation de Thermoptim, et notamment les deux premiers tomes de son manuel de référence.

D’autres explorations dirigées vous permettront d’étudier des variantes de ce cycle permettant d’en améliorer les performances.