Les Combustibles à Gain de Pression et leur Impact sur l'Efficacité des Turbines à Gaz

Les turbines à gaz de classe J, utilisées dans les centrales électriques industrielles de grande envergure, représentent l'état actuel de la technologie des turbines à gaz terrestres de haute puissance. Ces turbines sont capables d'atteindre des températures d'entrée de turbine (TIT) proches de 1600°C, avec un rapport de pression (PR) avoisinant 23:1 à 24:1. Cependant, les dernières évolutions ont permis d’atteindre des TIT supérieures à 1700°C, ce qui marque une amélioration significative des performances thermiques et de l’efficacité énergétique.

La principale motivation derrière ces avancées technologiques est l'optimisation de l'efficacité thermique, qui peut atteindre jusqu'à 64 % dans le cas des turbines à gaz de type J combinées à un cycle combiné (CC). Ce type d'efficacité est rendu possible grâce à l'intégration de technologies telles que les compresseurs à gain de pression (PGC) et les chambres de combustion à détonation pulsée (PDC), qui ont démontré un potentiel d'amélioration significatif en termes de rendement énergétique.

L'impact de ces modifications sur l'efficacité globale de la turbine dépend largement des choix de conception, tels que la température et la pression de la chambre de combustion, ainsi que de la manière dont les impulsions de détonation sont contrôlées. En fonction des configurations choisies, les turbines équipées de PDC peuvent non seulement offrir un gain en termes d’efficacité thermique mais aussi permettre une augmentation de la production d'énergie nette, ce qui se traduit par des sorties électriques plus importantes, jusqu'à 462 594 kWe dans certaines configurations.

Néanmoins, bien que le PDC soit prometteur, il nécessite des investissements importants dans le développement matériel et une recherche approfondie pour résoudre des problèmes spécifiques comme la fréquence de tir et la stabilité du flux gazeux dans le compresseur. La fréquence de tir, limitée à environ 100 Hz, doit être suffisamment constante pour garantir un flux de gaz chaud quasi-continu dans les premières étapes de la turbine, condition essentielle à son bon fonctionnement.

Les défis opératoires rencontrés par les turbines à gaz utilisant un PGC ou un PDC sont comparables à ceux des turbines Brayton classiques, mais ils sont exacerbés par la technologie de détonation pulsée. Il est essentiel de comprendre que ces technologies n'affectent pas seulement l'efficacité thermique et énergétique, mais qu’elles introduisent également des complexités supplémentaires en termes de conception et de maintenance. Cela inclut, entre autres, la gestion des émissions et la réduction de l'impact environnemental, des éléments clés dans la transition énergétique actuelle.

L'une des questions fondamentales pour le lecteur est de comprendre que, même si ces avancées sont théoriquement prometteuses, leur mise en œuvre dans des turbines à gaz à grande échelle nécessite un processus d'expérimentation et de tests intensifs. Les prototypes à grande échelle devront être construits et soumis à des tests rigoureux pour valider les hypothèses de performance et résoudre les éventuels problèmes liés à la fréquence de tir et à la stabilité du processus de combustion. Cette phase de validation est cruciale pour garantir que ces nouvelles technologies puissent être intégrées dans des applications industrielles de manière fiable et efficace.

Comment le vent affecte-t-il les performances des systèmes de refroidissement par air et comment l’optimiser ?

Une étude approfondie a montré que ces effets combinés peuvent entraîner une augmentation de la contre-pression de la turbine à vapeur d’environ 2 à 2,5 pouces Hg par rapport aux valeurs attendues, basées sur les courbes de performance, pour un même débit de vapeur et température ambiante. Les fournisseurs de condensateurs connaissent cette problématique et fournissent des courbes de correction de l'effet du vent pour leurs équipements. Cependant, l'expérience montre que ces corrections sont souvent trop optimistes. Cela est dû à la grande variabilité de l'impact du vent, qui dépend de nombreux facteurs : la topographie du site, la présence de structures proches, l'orientation des systèmes de refroidissement par rapport aux vents dominants, ainsi que d'autres facteurs pouvant influencer la vitesse du vent, sa direction, sa turbulence et sa rafale à l'entrée des refroidisseurs.

1. Le vent a un effet prononcé et défavorable sur l'efficacité volumétrique des ventilateurs, qui se dégrade avec l'augmentation de la vitesse du vent.

2. Certains ventilateurs sont plus affectés par le vent que d'autres et, dans certains cas, le vent peut même avoir un effet positif, c'est-à-dire augmenter l'efficacité volumétrique de certains ventilateurs (par exemple, lorsque le vent souffle dans la direction x).

3. En général, l'efficacité volumétrique de l'ensemble du système ACC souffre des effets du vent, avec une baisse moyenne d'environ 20% lorsque la vitesse du vent atteint 10 m/s. Ces résultats sont confirmés qualitativement par les données de puissance des moteurs des ventilateurs obtenues sur le terrain.

Il est également intéressant de noter que la recirculation de l'air chaud ne nécessite pas nécessairement l'intervention du vent comme facteur déclencheur. Dans certaines conditions, la recirculation peut se produire de manière « autonome ». Cela a été démontré dans un article de Gunter et Shipes datant de 1971, qui montre que la recirculation se produit lorsque la vitesse du flux d'air chaud, corrigée par la densité, est inférieure à la vitesse de l'air ambiant. Cela peut se produire même en l'absence de vent.

Les tests de performance commerciaux des systèmes ACC sont régis par le code de test de performance ASME PTC 30.1. Ce code prescrit plusieurs ajustements à apporter au débit de vapeur mesuré : qualité de la vapeur, pression barométrique, puissance des ventilateurs, pression du condensateur et température d'entrée. Ce "capacité" est utilisée comme critère pour déterminer si le système passe ou non le test. Toutefois, ce critère est un indicateur trompeur pour évaluer l'impact de la performance de l’ACC sur la production d’énergie de la turbine à vapeur, notamment en ce qui concerne la pression de condensation dans l’ACC. En outre, bien que le code inclut une méthode pour mesurer le vent et un seuil maximal de 5 m/s, il existe de nombreuses données montrant que le vent peut affecter négativement la performance des ACC même à des vitesses inférieures à cette limite.

Enfin, les données les plus fiables pour évaluer la performance du système peuvent être obtenues à partir de la mesure du débit de vapeur, de la puissance des ventilateurs et de la qualité de la vapeur, en utilisant des logiciels spécialisés comme THERMOFLEX. Ces outils permettent d'examiner l'impact de diverses conditions de fonctionnement, comme le nombre de cellules actives, l'efficacité volumétrique, la recirculation de l'air, et la dégradation des composants.

Comment le système de commande de puissance-vitesse-fréquence réagit-il aux perturbations dans un générateur de moteur principal ?

Lorsqu'une machine rotative, comme un générateur ou un moteur, fonctionne dans un réseau, l'équilibre entre la puissance fournie et la demande de charge doit être maintenu pour éviter toute déviation de la fréquence du réseau. L'interaction entre la vitesse du rotor, le couple et la puissance constitue la base du système de commande de fréquence. La relation fondamentale qui lie ces grandeurs peut être exprimée par l'équation suivante :

Cependant, lorsque des perturbations surviennent, comme une variation de la demande de charge, un déséquilibre entre ces deux couples peut entraîner une accélération ou une décélération du rotor. Cela est expliqué par l'équation du mouvement qui relie la variation de la vitesse angulaire à la différence entre le couple mécanique et le couple électrique :

où $J$ est le moment d'inertie combiné du moteur primaire et de son générateur, et $T_a$ est le couple d'accélération. La réponse à cette perturbation est liée à l'énergie cinétique stockée dans le système rotatif, qui peut être exprimée par l'équation :

L'inertie du système est caractérisée par une constante $H$, définie comme le rapport de l'énergie cinétique au carré de la vitesse angulaire de référence. L'inertie joue un rôle crucial dans la capacité du moteur à réagir aux variations de charge. En effet, plus l'inertie est grande, plus le moteur prendra du temps pour ajuster sa vitesse en réponse à une perturbation de la fréquence. Ce phénomène peut être mesuré par la constante d'inertie $H$, généralement exprimée en secondes. Par exemple, les turbines à gaz de grande taille ont une constante $H$ de l'ordre de 10 secondes, tandis que les moteurs à gaz plus petits peuvent avoir une valeur de $H$ proche de 5 secondes.

Une perturbation de la charge provoque un changement de fréquence qui peut être quantifié. Par exemple, dans le cas d'un générateur à turbine à gaz fonctionnant à 60 Hz, une chute de charge de 10 % peut entraîner une variation de la fréquence de 0,3 Hz par seconde. Cela peut avoir des implications importantes pour la stabilité du réseau, car une accélération trop rapide ou une décélération incontrôlée de la fréquence peut mettre en danger le bon fonctionnement du générateur et des appareils qui en dépendent.

Les charges du réseau peuvent être divisées en deux catégories principales : les charges résistives, qui ne dépendent pas de la fréquence, et les charges inductives, comme les moteurs, qui sont sensibles à la fréquence. Cette distinction a un impact direct sur la façon dont le réseau réagit aux variations de fréquence. Lorsque la fréquence diminue, la vitesse des moteurs diminue également, ce qui affecte leur consommation d'énergie. Cela contribue à un phénomène d'auto-régulation du réseau, où une baisse de la fréquence entraîne une réduction de la consommation d'énergie par les moteurs synchrones.

L'ajout d'un régulateur de vitesse peut encore améliorer la réponse du système aux variations de charge. Deux types de régulateurs sont couramment utilisés : le régulateur de vitesse à pente (droop) et le régulateur de vitesse isochrone. Le régulateur de vitesse à pente permet de moduler la vitesse en fonction de la charge, tandis que le régulateur isochrone, qui combine un contrôle proportionnel et une réinitialisation intégrée, permet de maintenir une fréquence stable indépendamment des variations de la charge.

En conclusion, la gestion de la fréquence d'un générateur dans un réseau est une question complexe qui repose sur l'équilibre entre inertie, amortissement, et contrôle de vitesse. Ces éléments sont essentiels pour garantir la stabilité et la fiabilité du réseau électrique, en particulier lors de perturbations imprévues. La compréhension du rôle de ces paramètres et de leur interaction est fondamentale pour concevoir des systèmes de commande efficaces qui peuvent réagir aux variations de charge tout en maintenant une fréquence stable et une performance optimale du générateur.

Quel est l'impact des expériences opérationnelles sur la conception des réacteurs nucléaires haute température à gaz ?

Les changements apportés à la conception de l'AVR, issus de l'expérience opérationnelle, ont été intégrés dans la conception du réacteur à thorium haute température de 300 MWe (750 MWth) (THTR), qui a fonctionné entre 1985 et 1988. L'AVR a également servi de base pour la technologie transférée en Chine afin de construire le HTR-10 et le HTR-PM (voir Tableau 9.3). Cette évolution s'inscrit dans un contexte historique marqué par l'émergence de réacteurs nucléaires couplés à des turbines à gaz à cycle fermé, utilisant de l'hélium comme fluide de travail, une idée qui a été proposée dès 1945 par C. Keller, l'un des inventeurs du cycle AK. Toutefois, dans les années 1940, cette technologie en était à ses balbutiements, et Keller était visiblement en avance sur son temps.

L'un des éléments clés de cette évolution a été le développement de la technologie des turbines à gaz industrielles, en particulier celles utilisées dans les moteurs d'avions à réaction, qui ont permis d'atteindre des niveaux d'efficacité similaires à ceux des turbines à vapeur des centrales à combustibles fossiles. Cette avancée a permis l'utilisation de superalliages à base de nickel dans le chemin des gaz chauds, permettant ainsi des températures d'entrée des turbines (TIT) allant jusqu'à 850°C, voire un peu plus. De ce fait, les rendements ont dépassé 40 %. Comme l'a souligné McDonald dans un article de 1978, sans augmenter la température maximale du combustible dans un HTGR, la température de sortie du fluide caloporteur pouvait être élevée jusqu'à 982°C (1800°F). Ces prévisions, bien qu'anciennes, se sont avérées étonnamment précises.

En ce qui concerne les cycles thermodynamiques utilisés pour la conversion d'énergie, le choix du cycle est directement influencé par la conception du réacteur et la taille de celui-ci. Le débit de fluide caloporteur, combiné à la température d'entrée et de sortie du fluide, détermine les performances du cycle thermique. Les différences de température entre le fluide caloporteur et le fluide de travail du moteur thermique déterminent l'efficacité théorique du cycle. Un cycle direct, basé sur un moteur Carnot, offre une efficacité maximale théorique, tandis que dans un cycle indirect, la température de rejet de chaleur est influencée par les températures d'approche des échangeurs de chaleur.

Un autre aspect essentiel à comprendre pour le lecteur est l'importance de la technologie de matériaux. L'évolution des superalliages métalliques et l'innovation dans les matériaux réfractaires, capables de supporter des températures de plus en plus élevées sans dégradation, sont essentielles pour garantir la durabilité et la performance des réacteurs haute température à gaz. L'efficacité énergétique dépend non seulement de la conception du réacteur, mais aussi de la capacité des composants à résister à des conditions thermiques extrêmes.

Les progrès réalisés dans le domaine de l'aéronautique ont permis d'adopter des technologies de turbine à gaz dans les centrales nucléaires, augmentant ainsi les rendements énergétiques. Ces développements sont essentiels pour rendre viable la production d'énergie nucléaire à grande échelle dans le cadre de cycles thermodynamiques à haute température, en particulier dans le contexte des besoins énergétiques futurs et de la lutte contre le changement climatique.