Présentation de l’exercice
Cet exercice montre comment modéliser avec Thermoptim une turbine à gaz de petite puissance, appelée micro-turbine. Cette micro-turbine correspond à une machine existante, utilisée pour plusieurs applications, dont la cogénération.
Nous donnerons dans la séance S46 un exemple d’installation de cogénération faisant appel à cette machine.
Cet exercice reprend de manière plus concise ceux des séances S21 et S22, où la construction du modèle était progressive, avec une première étape (S21), dans laquelle on faisait l’hypothèse que la machine était traversée par un gaz unique, l’air, modélisé dans un premier temps comme un gaz parfait, et une deuxième étape (séance S22), où on tenait compte de la réaction de combustion qui prend place dans les machines industrielles.
(Séance réalisée le 22/02/05 par Renaud Gicquel)Principe de la turbine à gaz
Exercice TAG
- turbine à gaz
- conditions d’entrée : 15 °C, 1 bar
- débit d’air aspiré : 0,78 kg/s
- rapport de compression : 5
- rendement isentropique compression : 0,875
- température entrée turbine : 950 °C
- rendement isentropique détente : 0,885
- combustible CH4 `méthane
Thermoptim
- deux écrans au démarrage
- éditeur de schémas
- simulateur
Thermoptim
Thermoptim
Thermoptim
Thermoptim
Thermoptim
- interface schéma-simulateur
Thermoptim
Paramétrage du modèle
Lorsque les éléments du simulateur sont créés, Thermoptim initialise tous les points avec une pression de 1 bar et une température de 300 K, qu’il faut ensuite modifier en fonction des données du problème que vous étudiez.
Les deux activités qui suivent vont vous montrer comment paramétrer les points et les transfos, puis la suivante vous rappellera les valeurs que vous devrez saisir dans Thermoptim.
Paramétrage des points
- double-clic sur un lien orienté (flèche) ou sur une ligne de la table des points
- état d’une petite particule de matière
Paramétrage des transfos
- double-clic sur un composant
- évolution d’un débit-masse de fluide
Paramétrage des points et transfos
Paramétrez maintenant un à un les différents points, en veillant bien à entrer les valeurs des températures connues (T1, T3), ainsi que celles des pressions, car Thermoptim ne les détermine pas automatiquement. Pour cela, opérez comme suit :
- ouvrez le point 1, et entrez une température de 15 °C et une pression de 1 bar, puis cliquez sur “Calculer”
- ouvrez ensuite le point 2, et entrez une pression de 5 bars, puis cliquez sur “Calculer”
- ouvrez le point 3, et entrez une température de 950 °C et une pression de 5 bars, puis cliquez sur “Calculer”
Il n’est pas nécessaire de reparamétrer le point 4, puisque sa pression vaut 1 bar par défaut et que sa température sera recalculée ultérieurement.
Paramétrez ensuite les transfos, pour lesquelles, les options par défaut s’appliquent : la compression et la détente sont adiabatiques, calculées par rapport à la référence isentropique, et leurs rendements isentropiques sont connus. Pour cela, opérez comme suit :
- ouvrez la transfo “compresseur”, et entrez un rendement isentropique de 0,875, puis cliquez sur “Calculer”, ce qui détermine la température du point 2 (207,14 °C)
- le paramétrage de la chambre de combustion est expliqué dans l’activité suivante
- ouvrez la transfo “turbine”, et entrez un rendement isentropique de 0,885, puis cliquez sur “Calculer”, ce qui détermine la température du point 4 (600 °C)
Chaque transfo possède un type d’énergie qui permet de distinguer les énergies “payante”, “utile” et “autre”, en vue de déterminer le bilan global. Pour une turbine à gaz, l’énergie payante est l’énergie fournie à la chambre de combustion, et l’énergie utile la différence entre l’énergie produite par la turbine et celle consommée par le compresseur.
Comme dans Thermoptim les transfos compression et détente sont du type “énergie utile” et les chambres de combustion du type “énergie payante”, le paramétrage par défaut convient ici.
Thermoptim
Thermoptim
Comparaison avec un modèle gaz idéal
Cette séance vous a permis de construire un modèle réaliste de turbine à gaz, avec prise en compte de la réaction de combustion.
Vous pouvez maintenant comparer les résultats obtenus avec le modèle étudié séance S21, où l’on supposait que la machine était traversée par de l’air, sans changement de composition. Le tableau ci-dessous récapitule les résultats obtenus :
- en terme de puissance mécanique nette, l’erreur du modèle gaz parfait (GP) est de 11,5 %, et celle du modèle gaz idéal (GI) de 6,7 % par rapport au modèle avec combustion (C)
- en terme de puissance thermique apportée au cycle, elles sont respectivement de 15,6 % et 6, 9%
- les erreurs sur le rendement restent en revanche faible
- les erreurs sur les écarts de température dans le compresseur sont beaucoup plus faibles que dans la turbine, où elles atteignent des valeurs importantes (14 % pour le modèle GP)
En conclusion, même si le modèle (GI) n’est pas trop faux, dès lors que l’on dispose d’un environnement de modélisation comme Thermoptim, il est préférable de faire un modèle aussi juste que possible : ce n’est pas plus difficile et on ne fait pas d’erreur.
Les fichiers Thermoptim de projet et de schéma sont fournis dans l’archive jointe.
Relisez le récapitulatif de la séance 21 pour vous remémorer l’importance de savoir porter un regard critique sur les résultats fournis par un progiciel, et référez-vous éventuellement à la note intitulée “Méthodologie de construction et de vérification des modèles” (voir lien ci-dessous).