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
Aspects généraux
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 - 1324 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
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
Les définitions de la température de flamme (*) (*) température de flamme: T 3 ou T f
Tube
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
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)
Centrale électrique à cycle combiné (2 groupes turbo-alternateurs TG 1 groupe turbo-alternateur TV
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
Systèmes de Combustion
Gas in
GTs operate outside Flammability range Yet it burns!
It burns thanks to some flame stabilization artifacts!
0% F 100% F
DIFFUSION PREMELANGE
DLN1: Typical Emission Profile: Turn Down Turn Down
Les combustibles des TG heavy duty
Des systèmes de combustion adaptés au PCI Fuel Lower Heating Value (LHV) Range MJ/Kg 5 10 20 40 50 60 120 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 = 40-50 % 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 = 50-100 % C X H Y = 0-40 % Diffusion Flames Dual Fuel, Co-firing Fuel Doping Mid H 2 Fuels Coke Gasification, Syngas ( H 2 = 20-50 %) Gas Turbine Combustor Types Premixed Flames DLN Combustors H2 < 5-10 % Diffusion Flames Diluent Injection Dual Fuel
Aspects technologiques
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
Les Matériaux
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 Four de fusion à induction, sous vide G gradient de température v vitesse de descente Mono cristallin
Croissance d un monocristal de superalliage Zone utile du moule Four Hélice de sélection du germe cristallin
Matériaux céramiques Céramiques réservées actuellement aux pièces chaude d aviation
Les procédés avancés de refroidissement
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
Canaux de refroidissement Bord de fuite Gaz chauds Bord d attaque
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
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).
Simulation du refroidissement des aubes et des directrices : approche CFD
Les Barrières Thermiques (TBC = Thermal Barrier Coatings)
Barrières thermiques Directrices pièces de transition Zircone : 7YSZ (*) (*) 7YSZ: pellicule de zircone (ZrO 2 ) partiellement stabilisée avec 7% d yttrine (Y 2 O 3 )
Barrières Thermiques
Revêtements Plasma Atmosphérique - Principe Cathode Anode refroidie à l eau Revêtement Gaz générateur de plasma Isolant électrique Arrivée de la poudre Substrat à revêtir
Revêtements Plasma Equipement & applications Exemple d application: revêtement plasma d apatite sur prothèses de hanches en titane
Revêtements Plasma sous vide
Barrières Thermiques innovantes (aviation) Oxydes doubles à base de lanthanides à conductibilités thermiques variables ou constantes
Conclusion
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
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
Divers
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