Les turbines à gaz sont des composants essentiels des industries de production d'électricité et de l'aviation. Leur efficacité et leur fiabilité dépendent fortement de systèmes de refroidissement efficaces. Parmi les diverses méthodes de refroidissement, les systèmes de refroidissement à boucle ouverte ont suscité de l'intérêt en raison de leur simplicité et de leurs avantages économiques potentiels.

Principes de base du refroidissement en boucle ouverte

Dans un système de refroidissement à turbine à gaz à boucle ouverte, une partie de l'air comprimé provenant de la décharge du compresseur ou d'un courant de ventilateur séparé est extraite, acheminée par des passages internes à l'intérieur des pales, des palettes et des lisières de turbine, puis épuisée directement dans le circuit de gaz. Contrairement aux configurations de boucle fermée, qui font circuler un liquide de refroidissement dédié à travers un échangeur de chaleur, les systèmes à boucle ouverte utilisent le fluide de travail lui-même comme liquide de refroidissement pour passer avant qu'il ne se mélange avec le flux de gaz principal et continue à travers les étapes de la turbine.

La simplicité du refroidissement en boucle ouverte est l'avantage thermodynamique fondamental de ce refroidissement. Le liquide de refroidissement est toujours frais, exempt de contaminants qui pourraient s'accumuler dans un système de recirculation et à une température déterminée par les conditions de sortie du compresseur. Cependant, la pénalité est importante : l'air de refroidissement représente de l'air qui pourrait être utilisé autrement pour la combustion ou pour produire du travail dans la turbine.

L'efficacité du refroidissement d'un système à boucle ouverte est régie par le rapport entre les températures du liquide de refroidissement et celles du gaz chaud, le coefficient de transfert de chaleur entre le liquide de refroidissement et la paroi du composant, et la géométrie interne des canaux de refroidissement.

Exigences de refroidissement de niveau de composant

Lames et palettes à turbine

Les gicleurs à turbine et les pales tournantes du premier étage sont exposés aux températures les plus élevées du moteur, dépassant souvent 1500 °C dans les machines modernes. Sans refroidissement efficace, ces composants échoueraient en quelques minutes. Le refroidissement à air libre pour les pales et les vanes utilise généralement une combinaison de refroidissement convectif interne et de refroidissement par film.

La conception des trous de refroidissement de film a évolué de simples trous ronds à des fentes en forme de diffuseur qui améliorent la couverture et réduisent les pertes de mélange qui nuisent à l'efficacité de refroidissement. Les technologies de fabrication additive permettent maintenant la production de géométries internes complexes avec des canaux de refroidissement en forme qui suivent la courbure de la lame, obtenant des températures métalliques plus uniformes et réduisant le risque de points chauds.

Combusteur et gaz d'échappement

La gaine de combustion et la pièce de transition bénéficient également du refroidissement en boucle ouverte, bien que la charge thermique soit moins extrême que dans la section turbine. Les compresseurs utilisent le refroidissement par effusion ou par impingement avec de l'air fourni par le boîtier du compresseur. Dans le diffuseur d'échappement, l'air de refroidissement peut être injecté pour protéger les composants structurels du rayonnement thermique de la trajectoire de gaz en aval.

Résultats et efficacité

Sur une turbine à gaz à grande structure typique, jusqu'à 15 % de l'air de décharge du compresseur peut être utilisé pour le refroidissement dans des conditions de charge de base avec des températures de cuisson supérieures à 1400°C. Cet air saigné contourne le processus de combustion et ne fonctionne que dans les stades ultérieurs de la turbine après avoir été chauffé par le courant de gaz chaud. L'effet net est une réduction de la puissance et de l'efficacité thermique par rapport à une machine idéalement refroidie.

Par exemple, une turbine à gaz de 100 MW avec une fraction de 10 % de saignée par refroidissement pourrait sacrifier environ 5 MW de puissance et 2 à 3 points d'efficacité thermique par rapport à un moteur parfaitement refroidi. Cependant, les moteurs réels ne peuvent fonctionner sans refroidissement, de sorte que la comparaison est contre les solutions de refroidissement en boucle fermée ou les solutions de refroidissement avancées.Les systèmes en boucle fermée utilisant de la vapeur ou du CO2 comme réfrigérants peuvent réduire la pénalité de saignée parce que le liquide de refroidissement est recirculation et ne dilue pas la trajectoire principale du gaz.

Les systèmes à boucle ouverte sont également confrontés au défi de la sensibilité à la température ambiante.Les jours chauds, l'air d'entrée du compresseur est moins dense, réduisant le débit massique à travers le moteur et augmentant la température de sortie du compresseur. Cet air de refroidissement plus chaud est moins efficace pour éliminer la chaleur des composants, exigeant soit des fractions saignées plus élevées, soit une dégradation de la turbine pour éviter les événements de surtempérature.

Comparaison avec les systèmes en boucle fermée

Les systèmes de refroidissement en boucle fermée, aussi appelés systèmes de refroidissement indirects, font circuler un liquide de refroidissement (généralement de la vapeur, de l'eau ou d'un fluide supercritique tel que le CO2) à travers les composants de la turbine, puis à travers un échangeur de chaleur externe avant de revenir à la section chaude. Le liquide de refroidissement reste séparé de la voie principale du gaz, ce qui élimine les pertes de mélange inhérentes au refroidissement en boucle ouverte.

  • Efficacité thermique:[ Les systèmes à boucle fermée obtiennent un rendement de 1 à 3 points de pourcentage plus élevé dans les configurations de cycles combinés en raison de la réduction des besoins en air de refroidissement.
  • Coût de capital: Les systèmes à boucle ouverte coûtent 20 à 40 % de moins à installer parce qu'ils ne nécessitent aucun échangeur de chaleur externe, aucune pompe ou système de traitement du liquide de refroidissement.
  • Complicité de maintenance:[ Les systèmes à boucle ouverte ont moins de composants sujets à l'usure et moins d'interfaces qui peuvent fuir, réduisant ainsi le fardeau de maintenance.
  • Portée d'exploitation :[ Les systèmes à boucle fermée peuvent maintenir l'efficacité du refroidissement à travers une gamme plus large de températures ambiantes et de conditions de charge sans nécessiter d'air saigné supplémentaire.
  • Effet environnemental:[ Les systèmes à boucle ouverte rejettent l'air chauffé directement dans le panache d'échappement, contribuant à la pollution thermique et au bruit localisés; les systèmes à boucle fermée rejettent la chaleur par une tour de refroidissement ou un condenseur, qui peut être atténué plus facilement.

Pour les applications où la haute efficacité est la priorité absolue – comme les grandes centrales à cycle combiné – les systèmes à boucle fermée justifient souvent leur coût supplémentaire. En revanche, les centrales à crêtes de cycle simples et les moteurs de production aérodynamique, où le coût en capital et le démarrage rapide sont critiques, les systèmes à boucle ouverte demeurent le choix dominant.

Considérations environnementales et réglementaires

Aux États-Unis, l'Environmental Protection Agency (EPA) fixe des limites aux structures d'admission d'eau de refroidissement en vertu de l'article 316b) de la Clean Water Act, et des règlements similaires s'appliquent aux rejets thermiques. Bien que les systèmes à boucles ouvertes refroidies par air ne comportent pas de retrait d'eau, le rejet de gaz d'échappement chauds peut encore soulever des préoccupations en vertu des règlements locaux sur la qualité de l'air et les îles de chaleur.

Les émissions sonores provenant des évents de refroidissement en boucle ouverte constituent une autre considération environnementale. Les trous de refroidissement et les dégagements de pointe de la pale à haute vitesse génèrent un bruit aérodynamique à large bande pouvant dépasser 90 dB près du boîtier de la turbine.

À mesure que les exigences de durabilité se renforcent, la consommation d'eau des équipements de production d'électricité est examinée. Le refroidissement à l'air libre n'utilise pas d'eau, ce qui constitue un avantage important dans les régions arides. Cette caractéristique rend les systèmes à l'air libre attrayants pour les centrales électriques des zones sujettes à la sécheresse ou où les droits sur l'eau sont limités.

Faisabilité économique et coût du cycle de vie

D'un point de vue économique, la faisabilité des systèmes de refroidissement en boucle ouverte dépend du profil d'exploitation prévu, du coût du carburant et des intervalles d'entretien. Pour les installations de base qui fonctionnent plus de 6000 heures par année, la pénalité d'efficacité du refroidissement en boucle ouverte se traduit par des coûts importants de carburant sur toute la durée de vie de l'installation.

Toutefois, pour les installations en pointe fonctionnant moins de 2000 heures par année, l'avantage en capital des systèmes à boucle ouverte domine l'analyse économique. La réduction de l'investissement initial améliore le rendement des capitaux propres et réduit le risque financier associé aux fluctuations des prix de l'électricité. De plus, la complexité d'entretien réduite des systèmes à boucle ouverte – aucun échangeur de chaleur de refroidissement à nettoyer, aucune pompe à entretenir et aucun joint à remplacer – peut réduire les dépenses d'exploitation annuelles de 5 à 10 p.

La disponibilité des pièces et du support de service influe également sur la faisabilité. Les conceptions de refroidissement en boucle ouverte sont matures et bien comprises par la chaîne d'approvisionnement. Les lames et les vanes de remplacement avec des profils de trous de refroidissement standard sont facilement disponibles auprès de plusieurs fabricants, ce qui permet de maintenir les délais d'approvisionnement courts et les prix concurrentiels.

Applications dans l'aviation contre production d'électricité

Dans les turbines à gaz aéronautiques, le refroidissement en boucle ouverte est pratiquement universel. Les contraintes de poids et d'espace d'un aéronef rendent les systèmes en boucle fermée impossibles et les courts cycles d'exploitation réduisent l'importance des gains d'efficacité à long terme. Les moteurs militaires, en particulier, exigent des rapports poussée-poids élevés et une réponse rapide aux gaz, que les systèmes en boucle ouverte produisent grâce à leur faible inertie et à la disponibilité immédiate de l'air de refroidissement.

Dans la production d'électricité, le choix entre le refroidissement en boucle ouverte et le refroidissement en boucle fermée dépend de l'application. Les grandes installations à cycle combiné qui fonctionnent à la charge de base favorisent le refroidissement en boucle fermée pour une efficacité maximale. Les centrales à cycle simple, les générateurs de secours et les turbines mécaniques pour les pipelines et les compresseurs utilisent généralement le refroidissement en boucle ouverte en raison de son coût en capital moins élevé, de son démarrage plus rapide et de son entretien plus simple.

L'utilisation de la climatisation en boucle ouverte dans les petites turbines à gaz modulaires (1-20 MW) conçues pour les ressources énergétiques distribuées est une tendance émergente : ces unités sont souvent installées dans des sites éloignés ou urbains où l'approvisionnement en eau est limité et le personnel d'entretien est peu nombreux.

Innovations technologiques et orientations futures

Plusieurs développements technologiques améliorent la faisabilité des systèmes de refroidissement à boucle ouverte. La fabrication additive (AM) permet la fabrication de pales à turbine avec des géométries complexes de refroidissement interne – comme les structures de réseau et les canaux de ramification – qui assurent un transfert de chaleur plus efficace avec une perte de pression plus faible. AM facilite également la production de trous de refroidissement en forme de film avec des angles d'expansion qui réduisent l'énergie cinétique du liquide de refroidissement sortant, réduisant ainsi les pertes de mélange.

Les composites à matrice céramique (CMC) représentent une autre percée. Les CMC peuvent fonctionner à des températures de 150 à 200 °C supérieures aux superalliages à base de nickel tout en nécessitant moins d'air de refroidissement. Le moteur GE9X utilise des liners et des liners de combustion de turbines de CMC, permettant des températures de cuisson plus élevées sans augmenter la pénalité pour saigné de refroidissement.

Les systèmes de refroidissement hybrides qui mélangent les caractéristiques de boucle ouverte et de boucle fermée sont également en cours de développement. Dans un concept, les vanes de première étape sont refroidies avec un circuit de vapeur en boucle fermée (pour capter la région de température la plus élevée sans perdre de temps) tandis que les pales rotatives utilisent le refroidissement à air libre (pour éviter la complexité des joints rotatifs pour la vapeur).

Conclusion

La faisabilité des systèmes de refroidissement à turbine à gaz à boucle ouverte dépend des exigences spécifiques de chaque application – contraintes en matière de coûts d'investissement, profil d'exploitation, prix du carburant, conditions ambiantes, environnement réglementaire et capacité de maintenance.Pour les applications où la simplicité, le coût initial faible et le démarrage rapide sont les plus importants – comme les centrales électriques à crête et les moteurs d'aviation – les systèmes à boucle ouverte demeurent le choix le plus pratique.

Pour les installations à cycle combiné à charge de base où chaque fraction d'un point de pourcentage d'efficacité se traduit en millions de dollars en économies de carburant sur la vie, les systèmes à boucle fermée continueront de dominer. Toutefois, l'écart entre les deux approches se rétrécit et les futures conceptions de turbines peuvent bien combiner les meilleures caractéristiques des deux.

Pour de plus amples renseignements sur les technologies de refroidissement des turbines à gaz et leurs implications thermodynamiques, les ressources suivantes fournissent des directives faisant autorité : le programme ASME de refroidissement des turbines à gaz [, le ][GE Power Turbine Portfolio. Les normes de l'industrie de l'Organisation internationale de normalisation (ISO) et de l'American Petroleum Institute (API) sont également des références précieuses lorsqu'on précise les exigences du système de refroidissement pour un projet particulier.