Simulation Numérique de la Combustion Turbulent dans la Chambre de Combustion de la Turbine a Gaz MS5002C

Simulation Numérique de la Combustion Turbulent dans la Chambre de Combustion de la Turbine a Gaz MS5002C

< NADJIB. GHITI 1>*, < ABED ALHALIM. BENTEBBICHE 2 >*

< SAMIR. HANCHI 3>**

*Laboratoire de Mécanique Avancée - LMA, B.P : 32 Elia, 16111, Bab-Ezzouar, Alger.

** Laboratoire de Mécanique des Fluides, EMP, BP 17, Bordj El Bahri, Alger.

* [e-mail]

Résumé

Ce travail permet d'étudier la combustion dans un environnement simulant le fonctionnement d'une turbine à gaz à échelle réel. Un autre objectif est l'étude paramétrique de l'effet de l'excès d'air sur les émissions des espèces polluants. La connaissance des effets de ces paramètres est importante pour la conception de la chambre de combustion. Le modèle K Epsilon est utilisé pour étudie la turbulence ainsi que le modèle à équations de transport des espèces chimiques basé sur le modèle EDM (Eddy Dissipation Model) est utilisé pour l'étude de la combustion, la méthode des volumes finis est utilisée pour discrétisé les équations de transport. La section d'injection de l'air est constituée par 80 trous de diamètre 7.5 mm la somme des surfaces de ces trous assimilé comme une espèce annulaire de section équivalente égale à 3534.29 . Le trou d'injection du carburant est égal à 490.87 . Pour différents excès d'air, une configuration bidimensionnelle axisymétrique est choisie pour simplifier le calcul.

Mot Clés : Turbine à gaz, Combustion turbulent, Non pré_mélange, Modélisation.

1. Introduction

En pratique, la réduction maximum de NOX (en mélange parfait) est difficile à atteindre (Vanoverberghe [9]). Fric [2] montre que les fluctuations spatiales et temporelles du taux de mélange augmentent la production de NOX. Le prémélange doit être bien réalisé et ne doit pas comporter d'inhomogénéités. Si ces conditions ne sont pas remplies, il apparaît des points chauds fortement émetteurs de NOX par la voie du NO thermique. Les NOX supplémentaires issus d'un mauvais mélange sont aussi dus en grande partie à des poches de gaz contenant une quantité importante d'oxygène (Shih [6]).

Hayashi [3] note également que les effets de l'inhomogénéité du prémélange sur le NOX sont plus importants pour des températures élevées et des hautes pressions. Ceci est dû à l'augmentation exponentielle de la production de NO-thermique avec la température et l'augmentation du taux de réaction plus élevée que le taux de mélange avec la pression empêchant l'homogénéisation juste avant la réaction (Sood [7]).

Shih [6] obtient une augmentation de la richesse d'extinction pauvre avec un mauvais mélange (spatial et temporel). Dans ce cas, c'est la fluctuation temporelle qui est à l'origine d'une dégradation de la richesse d'extinction pauvre. A l'inverse un gradient spatial peut améliorer la richesse d'extinction pauvre selon le principe de la flamme pilote.

Avec un injecteur sans swirl, Shih [6] et Venkataraman [10], obtiennent une diminution des instabilités lorsque le prémélange est parfait. La même remarque à été constatée par Brossard [1] sur un brûleur avec un swirl. Pour Khanna [4] la diminution des instabilités en prémélange s'explique par un changement de la fréquence de coupure de la flamme (100 Hz en prémélange contre une fréquence supérieure à 400 Hz en prémélange partiel). Il constate également que la différence d'instabilité entre un prémélange parfait et un prémélange partiel diminue lorsque l'on augmente la richesse.

Au contraire de ces études, Seo [5] et Taupin [8] obtiennent une augmentation des instabilités en prémélange parfait. Notre objective est la réalisation d'un modèle numérique de la chambre de combustion de la turbine à gaz MS5002C.

2. Formulation Mathématique

Les équations qui régissent l'écoulement sont :

2.1 Equation de continuité

=0 (1)

2.2 Equation de quantité de mouvement

Traduite par les équations de Navier-Stokes, elle exprime tout simplement la loi fondamentale de la dynamique appliquée à un fluide Newtonien. Les équations de quantité de mouvement écrites suivants xi (i =1, 2) sont

U _j (2)

U _j (3)

2. 3 Modèle k -å (RNG)

La version standard du modèle (k- proposée par Launder et Spalding [11], suppose les relations des tenseurs des contraintes suivantes :

(4)

(5)

Où :

Est la viscosité turbulente déterminée à partir de l'énergie cinétique de turbulence et de sa dissipation å régie par les équations suivantes :

(6)

(7)

Ou :

G= et

Les constantes du modèle apparaissent dans les équations (6), (7) sont :

= 0.0 = 1.44, 1.92, = 1.0, et = 1.3.

Les effets des taux des contraintes moyennes et rotation moyenne sur la diffusion turbulente sont étudiés par l'utilisation du modèle de groupe de renormalisation RNG k-å. Yakhot et al. [12], utilise des équations de même forme que le modèle standard k- å. Le modèle RNG k-å propose différents coefficients évalués par RNG qui varient suivant le rapport entre la turbulence et l'échelle des temps de contraintes moyennes n :

,

Avec =

Tandis que

Pour modéliser l'interaction entre la combustion et la turbulence, une méthode basée sur la Pre PDF présumée est utilisée.

2.4 Modèle chimique

La modélisation de la combustion est effectuée par le modèle EDM (Eddy dissipation Model). Ce modèle est basé sur le concept que la réaction chimique est rapide par rapport au procédé de transport dans l'écoulement. Quand les réactifs se mélange à l'échelle moléculaire, ils forment instantanément les produits. Ce modèle suppose qu'on peut relier directement le taux de réaction au temps nécessaire pour mélanger les réactifs à l'échelle moléculaire. En écoulement turbulents, ce temps est donné par les propriété des tourbillons, il est proportionnel au temps de mélange définit par l'énergie cinétique de turbulence K et le taux de dissipation Epsilon, on considère les espèces chimique suivants , , , , , .

Taux de production de l'espèce i. par réaction chimique.

L'équation chimique considérée est la suivante :

CH4 + 2 (O2+âN2) CO2 + 2H2O + 2*âN2

3. Géométrie de la chambre de la turbine à gaz MS5002C

La MS5002C est utilisée à la Sonatrach de Hassi Messaoud comme une centrale de production de l'électricité, sa puissance est de 10 MGW. Elle est dotée d'une chambre de combustion tubulaire portant 12 tubes à flamme, sa consommation arrive jusqu'à 260000 en gaz naturel.

Le tube à flamme de la MS2005C est d'une forme cylindrique, une longueur de 1115 mm et un diamètre de 275 mm. Il contient un seul injecteur de types P17 avec un diamètre de 60.16 mm, tandis que le trou d'injection est de l'ordre de 25 mm. La pression est égale à 18 bars.

Air

Gaz

Axe de symétrie

Paroi

Figure 1 : Configuration axisymétrique de notre chambre

de combustion.

4. Résultats et interprétation

Stoechiométrique 20 % excès d'air 40 % excès d'air 60 % excès d'air Figure (2) : Contours de la température statique pour un écoulement axisymétrique pour différent excès d'air.

Stoechiométrique 20 % excès d'air 40 % excès d'air 60 % excès d'air Figure ( 3 ) : Contours du méthane pour un écoulement axisymétrique pour différentes excès d'air.

Les résultats du champ de température et du taux de réaction chimique sont présentés pour différents débits massiques d'air. Le débit de carburant est fixé à Figure (2), (12), (16). On observe la compétition entre l'écoulement et la propagation de la flamme qui entraîne des hauteurs de découlement plus importants avec une vitesse d'injection (débit) d'air plus forte. On observe alors le contournement de l'écoulement proche de la zone de réaction.

L'augmentation de la vitesse d'injection d'air conduit à une élévation de la hauteur du découlement, cette dernière si elle est importante elle peut atteindre le cas d'extinction de la flamme, comme il est montré dans le cas du 300 et 400 % d'excès d'air.

Muniz et Mungal ont étudié l'influence de la vitesse de l'air sur les hauteurs de découlement et montrent ces hauteurs en fonction de la vitesse de l'air pour différentes vitesses de combustible. Un comportement linéaire est observé. Celui-ci permet de définir et données (hauteurs de découlement), pour des vitesses de l'air variables.

Les résultats que nous avons obtenus sont proches de expérience de Muniz et Mungal.

Stoechiométrique 20 % excès d'air 40 % excès d'air 60 % d'excès d'air Figure ( 4 ) : Contours d'oxygène pour un écoulement axisymétrique pour différent excès d'air.		Stoechiométrique 20 % excès d'air 40 % excès d'air 60 % excès d'air Figure (5 ) : Contours dioxyde de carbone pour un écoulement axisymétrique pour différent excès d'air.
Figure (5 ) CO sur une distance de X=200 mm le long de la chambre de combustion.	Figure ( 6 ) CO sur une distance de X=1000 mm le long de la chambre de combustion.

Figure ( 7 ) CH4 sur une distance de X=200 mm le long de la chambre de combustion.

Figure ( 9 ) O2 sur une distance de X=200 mm le long de la chambre de combustion.	Figure ( 10 ) O2 sur une distance de X=1000 mm le long de la chambre de combustion.
Figure (11) Taux de réaction sur une distance de X=200 mm le long de la chambre de combustion.	Figure (12) Taux de réaction sur une distance de X=1000 mm le long de la chambre de combustion.
Figure ( 13 ) NO sur une distance de X=1115 mm le long de la chambre de combustion.	Figure (14) Taux de réaction sur une distance de X=1115 mm le long de la chambre de combustion.
Figure (15) CO2 sur une distance de X=1115 mm le long de la chambre de combustion.	Stoechiométrique 20 % excès d'air 40 % excès d'air 60 % excès d'air Figure (16) : Contours de taux de réaction chimique pour un écoulement axisymétrique pour différent excès d'air. .

On remarque la présence d'un grand tourbillon torique qui forme une zone de recirculation. Cette dernière est générée par la forme de la chambre de combustion qui présente un élargissement brusque. Le cisaillement entre le fluide du jet et le fluide en stagnation dans la chambre (tube à flamme).

La température maximale de combustion est très élevée elle atteinte une valeur de 2400 K, cela nécessite de prendre en considération l'effet de ces contrainte thermique sur le métal de construction de la chambre et de l'attelage turbine, et aussi explique le multi perçage effectuée sur la paroi de tube à flamme pour une raison d'alléger cette température.

En examinant les allures de la température, nous pouvons remarquer que la température de la flamme augmente avec la richesse (diminue avec l'excès d'air), elle atteindre une valeur maximale pour une richesse voisine de l'unité (mélange stoechiométrique).

Les graphes plotés montrent la variation radiale des concentrations (normalisées par les valeurs maximales) des différents espèces pour différents sections. On remarque la consommation complète du méthane et partielle de l'oxygène (à cause de l'excès d'air) pour donner l'eau et le dioxyde de carbone. Ces graphes aussi montrent la variation des concentrations de chaque espèce en fonction de la richesse (excès d'air).

Analysons celle du méthane, on remarque que sa consommation est incomplète dans le cas stoechiométrique, connaissant que dans ce cas théorique la quantité d'air fournit est strictement nécessaire pour une combustion complète et qu'elle est en réalité insuffisante, cela explique le résidu du méthane. Contrairement ce résidu diminue jusqu'à une dissipation totale tout en augmentant la quantité d'air. On remarque que le cas de 60 % d'excès d'air est idéal pour une consommation complète du méthane.

Cas du  : il est clair que l'augmentation de l'excès d'air (diminution de la richesse) provoque une diminution du pourcentage de.

Pour le, il apparaît clairement que la concentration de l'oxygène augmente avec l'augmentation de l'excès d'air, c'est aussi bien logique puisque la composition de l'air est purement d'oxygène et d'azote.

Dans les différentes stations et pour les trois espèces, on voie que la variation de la hauteur de propagation de chacun de ces espèces est proportionnelle avec la longueur de tube, ce qui détermine les zones de réaction.

Cas du polluant  : on remarque que la concentration maximale du se présente à la stoechiométrie où la température est maximale, cette concentration est inversement proportionnelle avec l'excès d'air.

La production du commence de prendre une valeur minimale au voisine de la quantité d'excès d'air de 60 %.

Conclusion

Pour minimiser les émissions nocives et les imbrûlés issus de la combustion, ainsi pour diminuer la température, on utilise un excédant d'air. Dans ce mode de combustion dit pauvre, on consomme théoriquement tout le combustible, ce qui nous donne une combustion complète et moins d'imbrûlés, ce régime de combustion favorise l'apparition des instabilités par exemple le flash back, le lift et même l'extinction de la flamme.

Afin d'éviter ces problèmes et d'après les résultats obtenus dans notre étude, le meilleur choix d'excès d'air pour une combustion idéal dans la chambre de combustion de la turbine à gaz MS5002C doit être dans les environs de 60 %.

Réellement cette turbine travaille avec ce rapport, d'après l'ingénieur turbiniste responsable de cette turbine.

L'une des plusieurs solutions découvertes est l'utilisation de l'hydrogène qui est un combustible propre et qui a un grand pouvoir calorifique. L'ajout de l'hydrogène aux combustibles avec des proportions bien déterminés (exemple 10%) augmente du mélange et tend à stabiliser la flamme.

De cette façon, on peut des économies sur le combustible, si l'hydrogène utilisé est d'origine renouvelable, et minimiser les émissions nocives.

Bibliographies

[1] Brossard.C, Lee.S-Y, Mordaunt.C, Broda.J-C and Santoro.r.J. Effects of swirl injector design and other important parameters on gas turbine combustion instabilities.

[2] Fric.T.F. Effects of fuel-air unmixedness on NOX emissions. AIAA 92-3345

[3] Hayashi.S, Yamada.H, Shimodaira.K and Machida.T. NOX emissions from nonpremixed, direct fuel injection methane burner at hight-temperature and elevated pressure conditions. 27th Symposium on combustion pp1833-1839 (1998)

[4] Khanna.V.K. A study of the dynamics of laminar and turbulent fully and partially premixed flames. Thesis of the Virginia Polytechnic and State university (2001)

[5] Seo.S. Parametrique study of lean premixed combustion instability in a pressurized model gas turbine combustor. Thesis of Pennsylvania 1999

[6] Shih.W.P, Lee.J.G and Santavicca.D.A. Stability and emissions characteristics of a lean premixed gas turbine combustor. Twenty six Symposium (international) on combustion pp2771-2778 (1996)

[7] Sood.V.M, Shekleton. Ongoing development of a low emission industrial gas turbine combustion chamber. Journal of Engineering for power vol 102 pp549-554 July 1980

[8] Taupin. B. Etude de la combustion turbulente à faible richesse haute temperature et haute pression. Thèse de l'INSA de Rouen (2003).

[9] Vanoverberghe.K Flow, turbulence and combustion of premixed swirling jet flames Thése de l'université de Leuven . Belgique (2004)

[10] Venkataraman.K.K, Preston.L.H, Simons.D.W,Le.B.J, Lee.J.G and Santavicca.D.A. Mechanism of combustion instability in a lean premixed dump combustor. Journal of Propulsion and Power vol 15 No6 (1999) pp909-918.

[11] Launder et Spalding « Lectures in Mathematical Models of Turbulence », Academic Pess, London (1972).

[12] Yakhot V. and S. A. Orszag «Renormalization group analysis of turbulcnce. 1. Basic theory.'' Journal of Scientific Computing 1: 3-51. 1986.