Turbines à gaz stationnaires: Avancées technologiques
Conférence à l’Université Pierre & Marie Curie, Paris
8 Octobre 2013
Michel Moliere : General Electric
Plan
- Aspects généraux
- Systèmes de Combustion
- Les combustibles des Turbines à gaz
- Aspects technologiques
- Conclusion
Turbines à gaz (TG) “heavy duty”– Traits généraux
TG GE de modèle 6FA+e: 1 arbre; 76 MWe conditions ISO; η : 36.9%
Turbine: Tf - 1324°C
compresseur: R.C – 15.6
Couplage alternateur
T4 = 605°C 6 x Chambres: Tubo-annulaires
ω = 5231s-1
Les TG de techno. avancées ont de fortes températures de flamme et de forts rapports de compression pour augmenter le rendement
T1 , P1; ; conditions ISO: 15°C, 1 atm
Palier No 2
Palier No 1 Compresseur
Turbine de
détente
Echap-
-pement
Entrée
d’air
TG 9FA de GE: 261 MW ISO – 37,1 % (arbre à 2 paliers)
Cycles combinés à turbines à gaz (*)
1
2
f
3 4
C
D
A
E
B
F
a e
d
b
c
T
S
(*) GTCC= Gas Turbine Combined Cycle
CCGT &
Cogeneration
Chambres de combustion
Alternateur 1
Air
Compresseur Turbine de détente
Combustible
Turbine à Vapeur
(TV)
Procédé industriel/
Chauffage urbain
Chaudière de
Récupération
(CdR)
1) Cogénération
2) Cycle combiné
Alternateur 2
Turbine à gaz
(TG)
Gaz de
combustion
Centrale électrique à cycle combiné (2 groupes turbo-alternateurs TG – 1 groupe turbo-alternateur TV
TG Alternateur TG
Entré d’air (filtres)
TV CdR cheminée
Station électrique
Alterna- teur TV
Centrale électrique à cycle combiné (2 groupes turbo-alternateurs TG – 1 groupe turbo-alternateur TV
Des systèmes de combustion adaptés au PCI
Furnace gases Biomass Gasification CH4 < 10%, H2 <10% N2 >40-60 %
Ultra Low LHV
Refinery gas CO2 sequestration H2 = 50- 100 % CXHY = 0- 40 %
High H2 Fuels
Fuel Lower Heating Value (LHV) Range MJ/Kg
5 10 20 40 50 60 120
• Premixed Flames • DLN Combustors • H2 < 5-10 %
• Diffusion Flames • Diluent Injection • Dual Fuel
• Diffusion Flames • Dual Fuel, Co-firing • Fuel Doping
Weak NG Landfill Gas CH4 < 60 % N2 +CO2 = 40-50 %
Low LHV
Typically: CH4 90 % CXHY 5 % CO2/N2 5 %
Natural Gas
Re-injection, LNG plants CH4 >60 % C2H6 up to 25% C3H8 up to 15%
High LHV
Coke Gasification, Syngas ( H2 = 20 -50 %)
Mid H2 Fuels
Gas Turbine Combustor Types
Evolution de la température de flamme (Tf): 3 disciplines-clefs: Métallurgie, Refroidissement; Revêtements
Dans l’augmentation de la Tf , les techniques de refroidissement avancées comptent autant que
les alliages monocristallins
‘‘TBC’’ = Barrière thermique (Thermal barrier coating) ‘‘Single X’’ = mono-cristal ‘‘DS’’= alliage à solidification dirigée
Métallurgie : Alliages ‘‘équiaxes’’, à solidification dirigée et monocristallins
Alliages à base de nickel,
chrome et multiples éléments
d’alliage (Co, Ti, Fe, Mo, W, Re)
Dispositifs de fonderie spéciaux
Solidification dirigée
Mono cristallin Four de fusion à induction, sous vide
G – gradient de température
v – vitesse de descente
Croissance d’un monocristal de superalliage
Zone utile
du moule
Hélice
de sélection
du germe
cristallin
Four
Refroidissement des pièces chaudes
1er étage d’aubes de TG 7FA)
1er étage de directrice de TG 7FA 1er étage de directrice de TG 7FA
Emboîtement des extrémités d’aube de
2ème étage de directrice (TG 7FA
Diaphragmes dans labyrinthes de
directrices
Avec le refroidissement en boucle à la vapeur, on dispose de plus d’air
dans les chambres de combustion moins d’émission de NOx
Refroidissement des pièces chaudes en boucle à la vapeur : TG de classe ‘‘H’’
air
vapeur vapeur
Cooling hot parts with cycling steam – steam cycle
(CdR)
Les calories extraites du 1er étage TG par la vapeur sont récupérées dans la chaudière de récupération (CdR).
Barrières thermiques
Zircone : 7YSZ (*)
(*) 7YSZ: pellicule de zircone (ZrO2) partiellement stabilisée avec 7% d’yttrine (Y2O3)
Directrices pièces de transition
Revêtements Plasma Atmosphérique - Principe
Gaz
générateur de plasma
Cathode Anode
refroidie à l’eau
Arrivée de la poudre Isolant
électrique
Revêtement
Substrat à revêtir
Revêtements Plasma – Equipement & applications
Exemple d’application: revêtement plasma
d’apatite sur prothèses de hanches en titane
Barrières Thermiques innovantes (aviation)
Oxydes doubles à base de lanthanides à conductibilités thermiques variables ou constantes
… Un ensemble complexe de contraintes de conception …
Rendement
Emissions
Coût du kWh Emission de CO2
NOx versus CO
‘‘Fuel Flex’’
Opérabilité
Gaz; Gazole; autres
Turn-down - Integration/réseaux
Tf; design de la combustion
Conclusion Les turbines à gaz stationnaires font intervenir un nombre important de disciplines: thermodynamique; matériaux et procédés de fabrication (usinage; revêtements…); dynamique des fluides; combustion; etc.
Ces machines ont connu d’importantes évolutions technologiques en 30 ans avec une augmentation de plus de 10 points de rendement.
Les défis futurs concernent la maîtrise et l’amélioration conjuguée: - des performances énergétiques - des émissions - de la flexibilité vis à vis des combustibles (‘’fuel flex’’) - de l’opérabilité
Powering the World Responsibly