Stratégies optimales et flexibles de contrôle de turbines à gaz

par Joe Hachem

Projet de thèse en Energétique et génie des procédés

Sous la direction de Assaad Zoughaib.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Energétique et Procédés (laboratoire) , CES - Centre Efficacité énergétique des Systèmes (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-01-2019 .


  • Résumé

    Les turbines à gaz se développent fortement pour la géneration électrique ou pour l'entrainement mécanique de compresseurs ou de pompes. Les sites Oil & Gaz, le plus souvent non raccordés à un réseau électrique existant, génèrent l'électricité nécessaire pour leur autoconsommation. Généralement, les turbines à gaz qui y sont utilisées sont associées à une récupération de chaleur ou à un cycle vapeur formant ainsi un cycle combiné. De par la variabilité des conditions d'opération, et des exigences de fiabilité, les turbines à gaz fonctionnent rarement à leur point nominal. Un travail préliminaire réalisé précédemment a permis de caractériser le taux de charge opératoire lié à la flexibilité opérationnelle souhaitable. L'impact en termes de rendement a été chiffré à plusieurs points de rendement et une revue des solutions technologiques disponibles pour réduire la pénalité du fonctionnement à charge partielle permet d'identifier celles qui permettent d'agir sur le débit d'air du compresseur (turbines à double ou triple arbre, IGV (aubage de pré rotation)…), la modulation de la température en sortie de chambre de combustion mais aussi le recyclage de gaz d'échappement qui permet également de favoriser le captage de CO2 en aval de ces turbines. La plupart de ces solutions sont implantées sur ces machines mais introduisent un nombre de degrés de libertés important souvent réduit par des logiques de pilotages a priori qui ne permettent pas d'optimiser le rendement énergétique à charge partielle et ne s'adaptent pas à l'usage de ces machines. Une solution supplémentaire identifiée par une étude préliminaire permet grâce à une modification mineure de la machine (introduction d'un échangeur de pré chauffage de l'air en amont du compresseur) d'apporter une souplesse supplémentaire.

  • Titre traduit

    Optimal and flexible control strategies of gas turbines


  • Résumé

    Gas turbines are heavily developped for the electricity production. Oil&Gas sites, often ones far away from an already existing electric network, produce their own electricity for their autoconsummation. Generaly, the used gas turbines are associated for heat recovery or for vapor cycles forming therefore combined cycles. Given the variablity of the operating conditions, and the reliability needs, gas turbines rarely operate at their nominal point of design. A preliminary study made showed the load percentage related to the operational flexibility needed. The efficiency of the cycle is impacted and many available technological solutions were presented to reduce this efficiency loss at partial load operation like changing the air mass flow rate by using double or triple shaft gas turbine or the Inlet Guide Vanes (IGV), the temperature modification at the combustion chamber outlet but also the gas recycling at the exhaust that allow to favorize the CO2 capture whitin these gas turbines. Most of these solutions are implimented on machines, they introduce an important number of degrees of freedom which are reduced using the control strategies implemented by manufacturers which prevent the oprimization of the cycle efficiency at part load. A supplementary solution is also dentified due to a preliminary study that allows a minor modification to the machine (Introduce a heat exchange at the gas turbine exhaust to heat the compressor inlet air).