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%

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)

Les définitions de la “température de flamme” (*)

(*) température de flamme: ‘‘T3’’ ou ‘‘Tf’’

“Tube”

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

Systèmes de Combustion

in

Gas

GTs operate outside Flammability range… Yet it burns !

It burns thanks to some flame stabilization artifacts !

0% F 100% F

PREMELANGE

DIFFUSION

Turn Down

DLN1: Typical Emission Profile: “Turn Down”

Les combustibles des ‘‘TG heavy duty’’

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

Aspects technologiques

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

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

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

Matériaux céramiques…

Céramiques réservées actuellement aux pièces chaude d’aviation

Les procédés avancés de refroidissement

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

Canaux de refroidissement

Bord de

fuite

Gaz chauds

Bord

d’attaque

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).

Simulation du refroidissement des aubes et des directrices : approche CFD

Les Barrières Thermiques

(TBC = Thermal Barrier Coatings)

Barrières thermiques

Zircone : 7YSZ (*)

(*) 7YSZ: pellicule de zircone (ZrO2) partiellement stabilisée avec 7% d’yttrine (Y2O3)

Directrices pièces de transition

Barrières Thermiques

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

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 …

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

Divers

Palier No 2

Palier No 1 Palier No 3

Compresseur

Turbine de détente

Admission

d’air

Echappement

IGVs

Une TG réelle « IGVs » = aubes fixes à orientation variable