Refroidissement par air d'admission de turbine - Turbine inlet air cooling

Un système de refroidissement par air d'entrée installé dans une zone désertique sèche pour augmenter la puissance de la turbine

Le refroidissement de l'air d'admission de la turbine est un groupe de technologies et de techniques consistant à refroidir l'air d'admission de la turbine à gaz . La conséquence directe du refroidissement de l'air d'entrée de la turbine est l'augmentation de la puissance de sortie. Cela peut également améliorer l'efficacité énergétique du système. Cette technologie est largement utilisée dans les climats chauds avec des températures ambiantes élevées qui coïncident généralement avec la période de demande de pointe.

Des principes

Effet du refroidissement de l'air d'admission sur la puissance de sortie

Les turbines à gaz absorbent l'air ambiant frais et filtré et le compriment dans l'étage du compresseur. L'air comprimé est mélangé au carburant dans la chambre de combustion et enflammé. Cela produit un flux de gaz d'échappement à haute température et haute pression qui pénètre dans une turbine et produit la sortie de travail d'arbre qui est généralement utilisée pour faire tourner un générateur électrique ainsi que pour alimenter l'étage de compresseur.

La turbine à gaz étant une machine à volume constant, le volume d' air introduit dans la chambre de combustion après l'étage de compression est fixé pour une vitesse d'arbre donnée (tr / min). Ainsi, le débit massique d'air entrant est directement lié à la densité de l'air et au volume introduit.

{\ displaystyle {m} = {\ rho} {V}}

,

où est la masse, la densité et le volume du gaz. Comme le volume est fixe, seule la densité de l'air peut être modifiée pour faire varier la masse d'air. La densité de l'air dépend de l' humidité relative , de l' altitude , de la perte de charge et de la température. ${\ displaystyle m}$ ${\ displaystyle \ rho}$ ${\ displaystyle {V}}$ ${\ displaystyle {V}}$ ${\ displaystyle \ rho}$

{\ displaystyle \ rho _ {\, \ mathrm {air ~ humide}} = {\ frac {p_ {d}} {R_ {d} T}} + {\ frac {p_ {v}} {R_ {v} T}} = {\ frac {p_ {d} M_ {d} + p_ {v} M_ {v}} {RT}} \,}

où:

{\ displaystyle \ rho _ {\, \ mathrm {~ air humide}} =}

Densité de l'air humide (kg / m³)

{\ displaystyle p_ {d} =}

Pression partielle d'air sec (Pa)

{\ displaystyle R_ {d} =}

Constante de gaz spécifique pour l'air sec, 287,058 J / (kg · K)

{\ displaystyle T =}

Température (K)

{\ displaystyle p_ {v} =}

Pression de vapeur d'eau (Pa)

{\ displaystyle R_ {v} =}

Constante de gaz spécifique pour la vapeur d'eau, 461,495 J / (kg · K)

{\ displaystyle M_ {d} =}

Masse molaire d'air sec, 0,028964 (kg / mol)

{\ displaystyle M_ {v} =}

Masse molaire de vapeur d'eau, 0,018016 (kg / mol)

{\ displaystyle R =}

Constante de gaz universelle , 8,314 J / (K · mol)

Les performances d'une turbine à gaz, son efficacité ( taux de chaleur ) et la puissance produite dépendent fortement des conditions climatiques, qui peuvent diminuer les puissances de sortie jusqu'à 40%. Pour faire fonctionner la turbine aux conditions ISO et récupérer les performances, plusieurs systèmes de refroidissement par air d'admission ont été promus.

Technologies appliquées

Filtre-maison modifié pour placer l'échangeur de chaleur après l'étape de filtrage.

Différentes technologies sont disponibles sur le marché. Chaque technologie particulière a ses avantages et ses inconvénients en fonction de différents facteurs tels que les conditions ambiantes, le coût d'investissement et le temps de retour sur investissement, l'augmentation de la puissance et la capacité de refroidissement.

Brumisation

La nébulisation de l'air d'admission consiste à pulvériser de l'eau finement atomisée (brouillard) dans le flux d'air d'admission d'un moteur à turbine à gaz. Les gouttelettes d'eau s'évaporent rapidement, ce qui refroidit l'air et augmente la puissance de sortie de la turbine.

L'eau déminéralisée est typiquement pressurisée à 2000 psi (138 bars) puis injectée dans le conduit d'air d'admission à travers un réseau de buses de brouillard en acier inoxydable. De l'eau déminéralisée est utilisée afin d'éviter l'encrassement des aubes du compresseur qui se produirait si de l'eau à teneur minérale s'évaporait dans le flux d'air. Les systèmes de brouillard produisent généralement un jet d'eau, environ 90% du débit d'eau étant en gouttelettes de 20 microns de diamètre ou moins.

La nébulisation à l'entrée est utilisée dans le commerce depuis la fin des années 1980 et est une technologie de modernisation populaire. En 2015, plus de 1000 systèmes de brouillard d'entrée étaient installés dans le monde. Les systèmes de brouillard d'entrée sont «simples, faciles à installer et à utiliser» et moins coûteux que les autres systèmes d'augmentation de puissance tels que les refroidisseurs par évaporation et les refroidisseurs.

Le brouillard d'admission est l'option de refroidissement de l'air d'admission de turbine à gaz la moins coûteuse et a de faibles coûts d'exploitation, en particulier lorsque l'on tient compte du fait que les systèmes de brouillard n'imposent qu'une perte de charge négligeable sur le débit d'air d'admission par rapport aux refroidisseurs par évaporation de type média.

Les collecteurs de buses de brouillard sont généralement situés dans le conduit d'air d'admission juste en aval des filtres à air finaux, mais d'autres emplacements peuvent être souhaitables en fonction de la conception du conduit d'admission et de l'utilisation prévue du système de brouillard.

Lors d'un après-midi chaud dans un climat désertique, il est possible de se refroidir jusqu'à 40 ° F (22,2 ° C), tandis que dans un climat humide, le potentiel de refroidissement de l'après-midi chaud peut être de 10 ° F (5,6 ° C) ou moins . Néanmoins, il existe de nombreuses installations de brumisation d'entrée réussies dans des climats humides tels que la Thaïlande, la Malaisie et les États américains du Golfe.

La nébulisation à l'entrée réduit les émissions d' oxydes d'azote (NOx) car la vapeur d'eau supplémentaire éteint les points chauds dans les chambres de combustion de la turbine à gaz.

Compression humide

Les systèmes de brouillard peuvent être utilisés pour produire plus de puissance que ce qui peut être obtenu par le refroidissement par évaporation seul. Ceci est accompli en pulvérisant plus de brouillard que nécessaire pour saturer complètement l'air d'admission. Les gouttelettes de brouillard en excès sont transportées dans le compresseur de la turbine à gaz où elles s'évaporent et produisent un effet de refroidissement intermédiaire, qui se traduit par une augmentation de puissance supplémentaire. Cette technique a été employée pour la première fois sur une turbine à gaz expérimentale en Norvège en 1903. Il existe aujourd'hui de nombreux systèmes performants.

Plusieurs fabricants de turbines à gaz offrent à la fois des systèmes de brumisation et de compression humide. Les systèmes sont également disponibles auprès de fabricants tiers.

Le refroidissement par évaporation

Le refroidisseur par évaporation est un milieu rigide mouillé où l'eau est distribuée dans tout le collecteur et où l'air passe à travers la surface poreuse humide. Une partie de l'eau s'évapore, absorbant la chaleur sensible de l'air et augmentant son humidité relative. La température de bulbe sec à l'air est diminuée, mais la température de bulbe humide n'est pas affectée. Semblable au système de nébulisation, la limite théorique est la température du bulbe humide, mais les performances du refroidisseur par évaporation sont généralement d'environ 80%. La consommation d'eau est inférieure à celle du refroidissement par nébulisation.

Refroidisseur à compression de vapeur

Modification du filtre à air d'entrée de la turbine pour placer le serpentin de refroidissement provenant de l'usine de refroidissement à compression d'ammoniac

Dans une technologie de refroidisseur à compression mécanique , le liquide de refroidissement circule à travers un échangeur de chaleur à serpentin de refroidissement qui est inséré dans le boîtier de filtration, en aval de l'étage de filtrage. En aval de la bobine, un récupérateur de gouttelettes est installé pour recueillir l'humidité et les gouttes d'eau. Le refroidisseur mécanique peut augmenter la puissance et les performances de la turbine mieux que les technologies mouillées en raison du fait que l'air d'admission peut être refroidi en dessous de la température du bulbe humide, indépendamment des conditions météorologiques. Les équipements de refroidissement par compression ont une consommation électrique plus élevée que les systèmes d'évaporation. Le coût en capital initial est également plus élevé, mais l'augmentation de la puissance des turbines et le rendement sont maximisés, et le surcoût est amorti en raison de l'augmentation de la puissance de sortie.

La majorité de ces systèmes impliquent plusieurs unités de refroidissement et la configuration des refroidisseurs peut avoir une grande influence sur la consommation d'énergie parasite du système. La configuration à contre-courant en série peut réduire le travail du compresseur nécessaire sur chaque refroidisseur, améliorant le système de refroidissement global jusqu'à 8%.

D'autres options telles qu'une compression entraînée par la vapeur sont également utilisées dans l'industrie.

Refroidisseur à absorption de vapeur

Dans la technologie des refroidisseurs à absorption de vapeur , l'énergie thermique est utilisée pour produire du refroidissement au lieu de l'énergie mécanique. La source de chaleur est généralement la vapeur résiduelle provenant du cycle combiné, et elle est contournée pour entraîner le système de refroidissement. Par rapport aux refroidisseurs mécaniques, les refroidisseurs à absorption ont un faible coefficient de performance , cependant, il faut tenir compte du fait que ce refroidisseur utilise généralement de la chaleur perdue, ce qui diminue le coût de fonctionnement.

Combinaison avec stockage d'énergie thermique

Un réservoir de stockage d'énergie thermique est un accumulateur thermique naturellement stratifié qui permet le stockage de l'eau glacée produite pendant les heures creuses, pour utiliser cette énergie plus tard pendant les heures de pointe pour refroidir l'air d'entrée de la turbine et augmenter sa puissance de sortie. Un réservoir de stockage d'énergie thermique réduit les coûts d'exploitation et la capacité de l'installation de réfrigérant. Un avantage est la production d'eau glacée lorsque la demande est faible, en utilisant l'excès de production d'électricité, qui coïncide généralement avec la nuit, lorsque la température ambiante est basse et que les refroidisseurs ont de meilleures performances. Un autre avantage est la réduction de la capacité de l'installation de refroidissement et du coût opérationnel par rapport à un système de refroidissement en ligne, ce qui entraîne des retards pendant les périodes de faible demande.

Avantages

Dans les régions où il y a un refroidissement à la demande, les périodes de pointe quotidiennes d'été coïncident avec les températures atmosphériques les plus élevées, ce qui peut réduire le rendement et alimenter les turbines à gaz. Avec les technologies de compression mécanique à vapeur, le refroidissement peut être utilisé pendant ces périodes afin que les performances et la puissance de sortie de la turbine soient moins affectées par les conditions ambiantes.

Un autre avantage est le coût inférieur par kilowatt de refroidissement d'admission supplémentaire par rapport au kilowatt de turbine à gaz nouvellement installé. De plus, le kilowatt de refroidissement d'admission supplémentaire utilise moins de carburant que le nouveau kilowatt de turbine en raison du taux de chaleur plus faible (rendement plus élevé) de la turbine refroidie. D'autres avantages peuvent inclure l'augmentation du débit massique de vapeur dans un cycle combiné , la réduction des émissions des turbines (SOx, NOx, CO2) et l'augmentation du rapport puissance / volume installé.

Le calcul des avantages du refroidissement par air de la turbine nécessite une étude pour déterminer les périodes de récupération, en tenant compte de plusieurs aspects tels que les conditions ambiantes, le coût de l'eau, les valeurs de la demande électrique horaire, le coût du carburant.

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