Turbines à gaz stationnaires: Avancées technologiques Conférence à l Université Pierre & Marie Curie, Paris 8 Octobre 2013

Transcription

1 Turbines à gaz stationnaires: Avancées technologiques Conférence à l Université Pierre & Marie Curie, Paris 8 Octobre 2013 Michel Moliere : General Electric

2 Plan - Aspects généraux - Systèmes de Combustion - Les combustibles des Turbines à gaz - Aspects technologiques - Conclusion

3 Aspects généraux

4 Turbines à gaz (TG) heavy duty Traits généraux TG GE de modèle 6FA+e: 1 arbre; 76 MWe conditions ISO; η : 36.9% T 1, P 1; ; conditions ISO: 15 C, 1 atm 6 x Chambres: Tubo-annulaires T 4 = 605 C ouplage lternateur compresseur: R.C 15.6 Turbine: Tf C ω = 5231s -1 Les TG de techno. avancées ont de fortes températures de flamme et de forts rapports de compression pour augmenter le rendement

5

6 TG 9FA de GE: 261 MW ISO 37,1 % (arbre à 2 paliers) Palier No 1 Compresseur Turbine de détente Echap- -pement Entrée d air Palier No 2

7 Les définitions de la température de flamme (*) (*) température de flamme: T 3 ou T f

8 Tube

9 Cycles combinés à turbines à gaz (*) f C T B A e a b F 1 d c D S 2 3 E 4 (*) GTCC= Gas Turbine Combined Cycle

10 CCGT & Cogeneration 2) Cycle combiné Turbine à Vapeur (TV) Alternateur 2 Air Combustible Chambres de combustion Gaz de combustion Chaudière de Récupération (CdR) 1) Cogénération Procédé industriel/ Chauffage urbain Compresseur Turbine de détente Alternateur 1 Turbine à gaz (TG)

11 Centrale électrique à cycle combiné (2 groupes turbo-alternateurs TG 1 groupe turbo-alternateur TV

12 Centrale électrique à cycle combiné (2 groupes turbo-alternateurs TG 1 groupe turbo-alternateur TV Alternateur TV TV Entré d air (filtres) cheminée CdR Station électrique TG Alternateur TG

13 Systèmes de Combustion

14 Gas in

15 GTs operate outside Flammability range Yet it burns!

16 It burns thanks to some flame stabilization artifacts!

17

18

19

20

21

22

23 0% F 100% F

24 DIFFUSION PREMELANGE

25 DLN1: Typical Emission Profile: Turn Down Turn Down

26 Les combustibles des TG heavy duty

27

28 Des systèmes de combustion adaptés au PCI Fuel Lower Heating Value (LHV) Range MJ/Kg Ultra Low LHV Low LHV Natural Gas High LHV High H2 Fuels Furnace gases Biomass Gasification CH4 < 10%, H2 <10% N2 >40-60 % Weak NG Landfill Gas CH4 < 60 % N2 +CO2 = % Typically: CH4 90 % C X H Y 5 % CO2/N2 5 % Re-injection, LNG plants CH4 >60 % C2H6 up to 25% C3H8 up to 15% Refinery gas CO2 sequestration H2 = % C X H Y = 0-40 % Diffusion Flames Dual Fuel, Co-firing Fuel Doping Mid H 2 Fuels Coke Gasification, Syngas ( H 2 = %) Gas Turbine Combustor Types Premixed Flames DLN Combustors H2 < 5-10 % Diffusion Flames Diluent Injection Dual Fuel

29

30 Aspects technologiques

31 Evolution de la température de flamme (T f ): 3 disciplines-clefs: Métallurgie, Refroidissement; Revêtements Dans l augmentation de la T f, 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

32 Les Matériaux

33 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)

34 Dispositifs de fonderie spéciaux Solidification dirigée Four de fusion à induction, sous vide G gradient de température v vitesse de descente Mono cristallin

35 Croissance d un monocristal de superalliage Zone utile du moule Four Hélice de sélection du germe cristallin

36 Matériaux céramiques Céramiques réservées actuellement aux pièces chaude d aviation

37 Les procédés avancés de refroidissement

38 Refroidissement des pièces chaudes 1 er étage d aubes de TG 7FA) Emboîtement des extrémités d aube de 2 ème étage de directrice (TG 7FA 1 er étage de directrice de TG 7FA Diaphragmes dans labyrinthes de directrices

39 Canaux de refroidissement Bord de fuite Gaz chauds Bord d attaque

40 Refroidissement des pièces chaudes en boucle à la vapeur : TG de classe H air vapeur vapeur Avec le refroidissement en boucle à la vapeur, on dispose de plus d air dans les chambres de combustion moins d émission de NOx

41 Cooling hot parts with cycling steam steam cycle (CdR) Les calories extraites du 1 er étage TG par la vapeur sont récupérées dans la chaudière de récupération (CdR).

42 Simulation du refroidissement des aubes et des directrices : approche CFD

43 Les Barrières Thermiques (TBC = Thermal Barrier Coatings)

44 Barrières thermiques Directrices pièces de transition Zircone : 7YSZ (*) (*) 7YSZ: pellicule de zircone (ZrO 2 ) partiellement stabilisée avec 7% d yttrine (Y 2 O 3 )

45 Barrières Thermiques

46 Revêtements Plasma Atmosphérique - Principe Cathode Anode refroidie à l eau Revêtement Gaz générateur de plasma Isolant électrique Arrivée de la poudre Substrat à revêtir

47 Revêtements Plasma Equipement & applications Exemple d application: revêtement plasma d apatite sur prothèses de hanches en titane

48 Revêtements Plasma sous vide

49 Barrières Thermiques innovantes (aviation) Oxydes doubles à base de lanthanides à conductibilités thermiques variables ou constantes

50 Conclusion

51 Un ensemble complexe de contraintes de conception Coût du kwh Emission de CO2 Rendement Turn-down - Integration/réseaux Opérabilité Tf; design de la combustion NOx versus CO Emissions Fuel Flex Gaz; Gazole; autres

52 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

53 Divers

54 Une TG réelle chappement Palier No 3 «IGVs» = aubes fixes à orientation variable Turbine de détente Palier No 2 Compresseur Palier No 1 IGVs Admission d air