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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE SEDDIK BENYAHIA DE JIJEL FACULTE DES SCIENCES DE LA TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE MEMOIRE DE FIN D’ETUDE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MASTER EN GENIE MECANIQUE THEME OPTION : ENERGETIQUE PRESENTE PAR :  BOUCHEBOUT Said LES MEMBRES JURY :  DEFFAS Chemseddine Dr : T.E. BOUKELIA ENCADREUR Dr : N. ADERGHAL PRESIDENTE Dr : A. LAISSAOUI EXAMINATEUR PROMOTION 2018/2019 ANALYSE 4E (ENERGIE-EXERGIE-ECONOMIQUE- ENVIRONNEMENTALE) D’UNE CENTRALE A TURBINE A GAZ Remerciement Univ-Jijel REMERCIEMENT Tout d’abord, nous remercions Allah le tout puissant de nous avoir donné le courage, la volonté et la patience de mener à terme le présent mémoire. A travers ce modeste travail, nous tenons à remercier vivement notre promoteur T.E BOUKELIA, Pour son encouragement et les conseils précieux et pour toutes les commodités qu’il nous a apportées durant notre étude et réalisation de ce projet. Nos remerciements les plus vifs s’adressent aussi aux membres de jury Dr : N. ADERGHAL (Présidente) et Dr : A. LAISSAOUI (Examinateur). Nos remerciements et notre estime a tous les enseignants du département de génie mécanique. Sans omettre bien sûr de remercier profondément tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à la réalisation du présent travail. Dédicace Univ-Jijel DEDICACE À nos chers parents, Qui nous ont toujours soutenus dans nos études, À nos frères et nos sœurs chacun avec son nom, À tous nos amis chacun avec son nom, À tous nos collègues chacun avec son nom, À tous nos enseignants chacun avec son nom, À chaque personne qui nous a aidés. Sommaire Univ-Jijel i SOMMAIRE Remerciement Dédicace Sommaire .................................................................................................................................... i Liste des figures ........................................................................................................................ iii Liste des tableaux ...................................................................................................................... vi Nomenclature ........................................................................................................................... vii Introduction générale .................................................................................................................. 1 Chapitre I. Généralité et Revue bibliographique sur les turbines à gaz I.1. Introduction .......................................................................................................................... 3 I.2. Généralité ............................................................................................................................. 3 I.2.1. Définition de la turbine à gaz ....................................................................................... 3 I.2.2. Historique de la turbine à gaz ....................................................................................... 3 I.2.3. Conversion d’énergie dans la turbine à gaz ................................................................. 4 I.3. Classification de la turbine à gaz ......................................................................................... 5 I.3.1. Selon le mode de construction ..................................................................................... 6 I.3.2. Selon le mode de fonctionnement thermodynamique .................................................. 8 I.3.3. Selon le mode de travail ............................................................................................... 8 I.4. Eléments principaux de la turbine à gaz .............................................................................. 9 I.4.1. Section du compresseur .............................................................................................. 10 I.4.2. Section de combustion ............................................................................................... 11 I.4.3. Section de turbine ....................................................................................................... 12 I.5. Principe de fonctionnement de la turbine à gaz ................................................................. 13 I.6. Applications des turbines à gaz .......................................................................................... 15 I.7. Revue bibliographique sur les turbines à gaz .................................................................... 15 I.8. Conclusion ......................................................................................................................... 19 Chapitre II. Modélisation Mathématique II.1. Introduction ...................................................................................................................... 20 II.2. Cycle thermodynamique des turbines à gaz ..................................................................... 20 Sommaire Univ-Jijel ii II.2.1. Cycle de Brayton....................................................................................................... 20 II.2.1.1. Cycle de Brayton idéal (réversible) ..................................................................... 20 II.2.1.2. Cycle de Brayton réel (irréversible) .................................................................... 21 II.3. Modélisation thermodynamique des turbines à gaz ......................................................... 22 II.3.1. Les Données disponibles auprès du fabricant ........................................................... 23 II. 3.2. Les données de l’utilisateur ..................................................................................... 24 II.4. Etude énergétique des centrales considérées .................................................................... 24 II.4.1. Pour un cycle simple ................................................................................................. 24 II.4.2. Pour un cycle régénératif .......................................................................................... 28 II.4.3. Pour un cycle avec refroidissement intermédiaire .................................................... 29 II.5. Etude éxergétique des centrales considérées .................................................................... 31 II.6. Etude économique des centrales considérées ................................................................... 32 II.7. Etude environnementale des centrales considérées ......................................................... 34 II.8. Organigramme de modèle de calcul ................................................................................. 36 II.9. Conclusion ........................................................................................................................ 37 Chapitre III. Résultats et Discussions III.1. Introduction ..................................................................................................................... 38 III.2. Validation ........................................................................................................................ 38 III.3. L’effet de variation de la température ambiante sur la performance de la TAG......... 40 III.4. L’effet de variation de taux de compression sur la performance de la TAG .................. 44 III.5. L’effet de la variation de température de combustion sur la performance de la TAG .... 49 III.6. Conclusion ....................................................................................................................... 53 Conclusion générale ................................................................................................................. 54 Références ................................................................................................................................ 56 Résumé…………………………………..……………………………………………………59 Abstract……………………………………………………………………………………….60 ملخص…………………………………………………………………………………………..61 Liste des figures Univ-Jijel iii LISTE DES FIGURES Chapitre I. Généralité et Revue bibliographique sur les turbines à gaz Fig. I.1 Le premier brevet relatif d’une turbine à gaz...................................... 4 Fig. I.2 Les étapes de la conversion de l’énergie…………………………………... 5 Fig. I.3 Classification des turbines à gaz…………………………………….. 6 Fig. I.4 Schéma d’une turbine à gaz mono-arbre……………………………. 6 Fig. I.5 Schéma d’une turbine à gaz bi-arbre………………………………... 7 Fig. I.6 Schéma d’une turbine à gaz avec régénération……………………… 8 Fig. I.7 Schéma d’une turbine à action et à réaction………………………… 9 Fig. I.8 Schéma représente les éléments principaux d’une turbine à gaz……. 10 Fig. I.9 Schéma représente la position de compresseur axial dans une turbine à gaz 10 Fig. I.10 Schéma représente le Rotor et le Stator d’un compresseur axial……. 11 Fig. I.11 Schéma représente la position chambre de combustion dans un turbine à gaz 12 Fig. I.12 Schéma représente la directrice et la roue de turbine……………….. 12 Fig. I.13 Schéma représente la position de la turbine dans une turbine à gaz… 13 Fig. I.14 La variation de la pression et de température dans les différentes sections de la TAG aux phases de fonctionnement 13 Fig. I.15 Diagramme de fonctionnement d’une turbine à gaz………………… 14 Fig. I.16 Schéma des différentes options de refroidissement de l'admission d'air dans la turbine à gaz étudiée 16 Fig. I.17 Les configurations étudiées de la turbine à gaz……………………... 17 Fig. I.18 Le système de nébulisation installé dans une centrale à turbine à gaz 18 Chapitre II. Modélisation Mathématique Fig. II.1 Cycle thermodynamique de Brayton………………………………... 20 Fig. II.2 Cycle idéal (réversible) de Brayton…………………………………. 21 Fig. II.3 Diagramme T −S du cycle réel de Brayton………………………… 22 Fig. II.4 (a) cycle simple, (b) cycle régénératif, (c) cycle avec refroidissement intermédiaire……………………………………….. 22 Liste des figures Univ-Jijel iv Fig. II.5 Présentation de section de la compression de compresseur…………. 24 Fig. II.6 Présentation de section de la combustion………………………………….. 26 Fig. II.7 Présentation de section de la détente………………………………... 27 Fig. II.8 Diagramme T −S de cycle de Brayton régénératif…………………. 28 Fig. II.9 Section de la compression d’un cycle avec refroidissement intermédiaire 30 Fig. II.10 Organigramme de modèle calcul……………………………………. 36 Chapitre III. Résultats et Discussions Fig. III.1 Validation du modèle développé avec les données de constructeur GE 39 Fig. III.2 L’évolution de rendement énergétique en fonction de la température ambiante 40 Fig. III.3 L’évolution de rendement éxergétique en fonction de la température ambiante 41 Fig. III.4 L’évolution de la puissance nette en fonction de la température ambiante 42 Fig. III.5 L’évolution de débit massique de carburant en fonction de la température ambiante 43 Fig. III.6 L’évolution d’émission de CO2 en fonction de la température ambiante 43 Fig. III.7 L’effet de variation de taux de compression sur le rendement énergétique 44 Fig. III.8 L’effet de variation de taux de compression sur le rendement éxergétique 45 Fig. III.9 L’effet de variation de taux de compression sur la puissance nette 46 Fig. III.10 L’effet de variation de taux de compression sur le débit massique de carburant 47 Fig. III.11 L’effet de variation de taux de compression sur l’émission de CO2 47 Fig. III.12 L’effet de variation de taux de compression sur le coût total d’investissement 48 Fig. III.13 L’effet de variation de température de combustion sur le rendement énergétique 49 Fig. III.14 L’effet de variation de température de combustion sur le rendement éxergétique 50 Fig. III.15 L’effet de variation de température de combustion sur la puissance nette 50 Liste des figures Univ-Jijel v Fig. III.16 L’effet de variation de température de combustion sur le débit massique de carburant 51 Fig. III.17 L’effet de variation de température de combustion sur l’émission de CO2 51 Fig. III.18 L’effet de variation de température de combustion sur le coût total d’investissement 52 Liste des tableaux Univ-Jijel vi LISTE DES TABLEAUX Chapitre II. Modélisation Mathématique Tab. II.1 Les données de fabricant de la turbine à gaz GE MS 5002C………. 23 Tab. II.2 Les données supplémentaires de la turbine à gaz…………………… 24 Tab. II.3 Fonctions de coût en termes de paramètres thermodynamiques pour les composants du système………………………………………….. 32 Tab. II.4 Les constantes utilisées dans les équations du tableau précédent…… 33 Tab. II.5 Les propriétés molaires des compositions de la combustion………... 34 Chapitre III. Résultats et Discussions Tab. III.1 Les paramètres statistiques………………………………………….. 39 Tab. III. 2 Les valeurs de coût d’investissement total (en M US$) en fonction de la température de combustion……………………………………. 52 Nomenclature Univ-Jijel vii NOMENCLATURE Symbole Définition Unité AC Rapport Air-Combustible - Cp Capacité thermique massique isobare kJ/kg. K Cv Capacité thermique massique isochore kJ/kg. K C Coût total US$ Ex Exergie kJ h Enthalpie kJ/kg m Débit massique kg/s m Masse kg M Masse molaire kg/kmol N Nombre de mol kmol p Pression bar P Puissance kW PCI Pouvoir calorifique inferieur kJ/kg Q CC Quantité de chaleur kW q Quantité de chaleur spécifique kJ/kg S Entropie kJ/kg. K T Température °C Ta Température ambiante °C W Travail spécifique kJ/kg Z Coût de chaque composant US$ Symboles grecs ηen Rendement Energétique de la turbine à gaz % ηex Rendement Exergétique de la turbine à gaz % ηs Rendement isentropique % ηméc Rendement mécanique % ηCC Rendement de la uploads/Geographie/ m-gm-ene-2019-02.pdf