Optimal and flexible control of gas turbines

Contrôle optimal et flexible des turbines à gaz À la lumière du présent scénario énergétique inquiétant et l’intermittence de certaines énergies renouvelables comme l’énergie solaire et éolienne, l’efficacité énergétique prend incontestablement de l’ampleur. Dans le domaine de la production électrique, l’utilisation accrue du gaz naturel peut être considérée comme une solution de transition pour réduire notre empreinte carbone en raison de son facteur d'émission de GES relativement faible au kWh produit. Les turbines à gaz pourraient donc faire partie de la solution court-moyen terme dans notre lutte contre le changement climatique. Leur flexibilité opérationnelle présente un atout indispensable dans certaines applications O&G ainsi que dans l'hybridation avec des énergies renouvelables. Cependant, fonctionner à charge partielle, c'est aussi dégrader le rendement de la turbine à gaz. Dans cette perspective, ce travail de thèse cherche à investiguer différentes solutions dans la littérature qui cherchent à améliorer le rendement à charge partielle des turbines à gaz, en adoptant le point de vue de l’opérateur et non du constructeur. Les deux solutions investiguées sont le pré-chauffement de l’air de la TG et la recirculation des gaz d’échappements. Un modèle thermodynamique orienté machine est conçu pour simuler le comportement hors-conception d’une turbine à gaz mono-arbre à l’aide du logiciel industriel Thermoflow. Tout d’abord, le concept du pré-chauffement de l’air est appliqué au modèle présenté avec deux différentes stratégies de contrôle. Une étude de sensibilité présente un potentiel d’optimisation qui est par la suite appliqué à la stratégie de contrôle de référence. Ensuite, une approche énergétique et éxergétique nous permet d’investiguer la technologie émergente de la recirculation des gaz d’échappement et l’appliquer à la turbine à gaz mono-arbre académique de Thermoflow adoptant la stratégie de contrôle de référence. Après avoir investigué des solutions de la littérature, un système de pré-chauffement de refroidissement de l’air en amont de la turbine à gaz avec sous-dimensionnement au niveau d’une centrale électrique est proposé. Ce système a pour but de pousser les turbines à gaz à fonctionner aux alentours de leur point nominal, refroidir l’air pour atteindre la puissance maximale et pré-chauffer l’air à charge partielle si la stratégie de contrôle de référence ‘inferred’ est appliquée à la TG. Ce système est appliqué à un cas d’étude théorique pour montrer le gain potentiel au niveau de la centrale.