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.In light of the current alarming energy scenario and the intermittency of some renewable energies such as solar and wind, energy efficiency is gaining momentum. In the field of electricity production, the increased use of natural gas can be considered as a transitional solution to reduce our carbon footprint because of its relatively low GHG emission factor per kWh produced. Gas turbines could therefore be part of the short to medium term solution in our fight against climate change. Their operational flexibility is an indispensable asset in certain O&G applications as well as in hybridization with renewable energies. However, operating at partial load also degrades the efficiency of the gas turbine. In this perspective, this thesis seeks to investigate different solutions found in the literature that seek to improve the efficiency of gas turbines at partial load, adopting the point of view of the operator and not the manufacturer. The two solutions investigated are the GT Inlet Air Heating (IAH) and the Exhaust Gas Recirculation (EGR). A machine-oriented thermodynamic model is built to simulate the off-design behavior of a single-shaft gas turbine using the industrial software Thermoflow. First, the concept of IAH is applied to the presented model with two different control strategies. A sensitivity study presents an optimization potential that is subsequently applied to the reference control strategy. Then, an energy and exergy approach allow us to investigate the emerging technology of exhaust gas recirculation and apply it to an academic SSGT model adopting the reference control strategy. After investigating solutions in the literature, a combined inlet air heating and cooling upstream of the gas turbine with a GT downsizing is proposed. The purpose of this system is to push the gas turbines to operate around their rated point, cool the air to reach the maximum power and preheat the air at part load if the 'inferred' reference control strategy is applied to the TG. This system is applied to a theoretical case study to show the potential gain at the plant level