Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Cycles combinés avancés

Dans cette page sont présentés trois cycles combinés avancés mettant en œuvre des turbines à gaz. Ils constituent des alternatives aux cycles combinés classiques qui font l'objet d'une autre fiche thématique.

Cycle combiné à air

Dans un cycle combiné classique, les gaz d'échappement d'une turbine à gaz à haute température sont utilisés comme source chaude pour un cycle à vapeur. Dans un cycle combiné à air (figure ci-dessous), le cycle à vapeur est remplacé par un second cycle de turbine à gaz à air fonctionnant avec un rapport de compression et un débit d'air adéquat. En anglais on parle de air bottoming cycle.

Cycle combiné à air

L'intérêt d'un tel cycle est de ne pas nécessiter d'eau de refroidissement, d'être moins coûteux qu'un cycle combiné classique, et de pouvoir être envisagé si la régénération est impossible.

Cycle à faible rapport de compression et à basse température

On considère une turbine à gaz qui aspire 0,78 kg/s d'air à 15°C et 1 bar. Elle le comprime avec un rapport de compression égal à 5 et un rendement isentropique de compression = 0,875. En sortie de chambre de combustion la température d'entrée turbine est de 950°C, et le rendement isentropique de détente est de 0,885. On suppose que le combustible est du gaz naturel.

Pour le second cycle, on cherche le couple débit d'air/rapport de compression qui conduit aux meilleures performances, en prenant 0,95 comme efficacité de l'échangeur intermédiaire et des rendements polytropiques de 0,9 pour les compresseurs et turbines. Le synoptique du cycle dans Thermoptim est donné ci-dessous.

Synoptique du cycle combiné à air dans Thermoptim

Cycle à fort rapport de compression et à haute température

En prenant en compte un refroidissement intermédiaire pour le cycle bas, on obtient pour ce nouveau rapport de compression un rendement de près de 42,6 % (figure ci-dessous), alors que la régénération devient presque impossible.

Le rendement de ce cycle est plus faible que celui de d'un cycle combiné classique, mais son architecture est beaucoup plus simple.

Cycle combiné à air à haute pression avec intercooler

La fiche-guide de TD n°22 vous permet de vous initier à la modélisation d'un tel cycle et de ses variantes.

Cycle combiné à flash de vapeur

Les performances d'un cycle combiné classique dépendent directement de celles du générateur de vapeur récupérateur (GVR). Nous avons vu dans la deuxième partie de ce cours qu'un seul niveau de pression ne permet pas de refroidir suffisamment les gaz de la turbine, et qu'il est souhaitable d'en prévoir deux voire trois.

Une telle technologie est cependant réservée aux machines de forte puissance, pour des raisons à la fois techniques et économiques. Sur le plan technique, il est en effet très difficile de bien contrôler la répartition du débit total d'eau ou de vapeur entre les différents circuits. De fait les petits cycles combinés sont donc limités à un seul niveau de pression sans resurchauffe.

Schéma d'un cycle combiné à flash de vapeur

Pour dépasser cette difficulté, un nouveau cycle à flash de vapeur a été proposé [Dechamps, 1994], figure ci-dessus. En anglais on parle de water flashing bottoming cycle ou WFBC. L'intérêt d'un tel cycle est de réduire les irréversibilités dans le GVR et d'être moins coûteux qu'un cycle combiné à plusieurs niveaux de pression.

Le flux total d'eau liquide à la pression HP est vaporisé à la température de saturation correspondante. La plus grande partie de ce débit est alors surchauffée puis détendue dans une turbine à la pression BP, tandis que le reste du débit est détendu à l'état diphasique à cette pression BP, puis les phases liquide et vapeur sont séparées. Les deux flux de vapeur à la pression BP sont alors remélangés avant d'être resurchauffés et détendus à la pression de condensation dans une turbine. Le débit liquide à la pression BP est recomprimé à la pression HP dans une pompe et mélangé avec l'eau en sortie de la pompe de reprise située en aval du condenseur.

Le synoptique de la figure ci-dessus montre que le rendement obtenu est de 48,6 %, les gaz d'échappement pouvant être refroidis jusqu'à 115 °C, ce qui constitue une petite amélioration par rapport au cycle combiné à un seul niveau de pression de référence pour lesquels ces chiffres étaient respectivement de 48,6 % et 170 °C.

Cycle combiné à flash de vapeur

La fiche-guide de TD n°23 vous permet de vous initier à la modélisation ce cycle.

Dechamps P.J. A Study of Simplified Combined Cycle Schemes with Water Flashing, Proceedings of the Florence World Energy Research Symposium, FLOWERS'94, Florence, Italy, July 6–8, 1994.

Cycle combiné à recompression de vapeur

Un brevet a été déposé en 1978 par Cheng sur un nouveau cycle à recompression de vapeur (figure ci-dessous). En anglais on parle de steam recompression bottoming cycle ou SRBC. L'intérêt d'un tel cycle est de réduire les irréversibilités dans le GVR et d'être moins coûteux qu'un cycle combiné à plusieurs niveaux de pression.

Le flux total d'eau liquide sortant du condenseur est comprimé à la pression BP, puis échauffé jusqu'à la température de saturation correspondante. Une fraction de ce débit est vaporisée, puis comprimée à la pression HP dans un compresseur, tandis que le reste du débit est comprimé à l'état liquide à cette même pression par une pompe. Les deux flux sont alors remélangés avant d'alimenter le vaporiseur à haute pression, puis le surchauffeur et la turbine.

Schéma d'un cycle combiné à recompression de vapeur

Le flux total d'eau liquide sortant du condenseur est comprimé à la pression BP, puis échauffé jusqu'à la température de saturation correspondante. Une fraction de ce débit est vaporisée, puis comprimée à la pression HP dans un compresseur, tandis que le reste du débit est comprimé à l'état liquide à cette même pression par une pompe. Les deux flux sont alors remélangés avant d'alimenter le vaporiseur à haute pression, puis le surchauffeur et la turbine.

Dans l'exemple donné ci-dessous, le rendement obtenu est de 48,9 %, les gaz d'échappement pouvant être refroidis jusqu'à 117 °C, ce qui constitue aussi une petite amélioration par rapport au cycle combiné à un seul niveau de pression.

Synoptique du cycle combiné à recompression de vapeur

La fiche-guide de TD n°24 vous permet de vous initier à la modélisation ce cycle.

Cheng D.Y., Regenerative Parallel Compound Dual-Fluid Cycle Heat Engine, U.S. Patent 4,128,994, 1978b

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