Modélisation de la combustion du gaz naturel par réseaux de réacteurs avec cinétique chimique détaillée

Modelling of the natural gas combustion through reactor networks with detailed chemical kinetic

• Auteur / Autrice : Vincent Fichet
• Direction : Olivier Gicquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centrales à turbines à gaz

Simulation par ordinateur

Cinétique chimique

Gaz naturel

Résumé

Dans un contexte environnemental fort, les centrales thermiques fonctionnant au gaz naturel se voient imposer des seuils d'émissions sévères, actuellement 25 ppmvd pour le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d'azote (NOx). Des pénalités financières obligent l'exploitant à un réglage minutieux de ses machines. Un outil numérique est donc requis pour prédire ces émissions avec précision (quelques ppmvd), rapidité (utilisation sur site) et pour toutes sortes de configurations (géométrie, condition de fonctionnement). Modéliser et simuler la formation d'espèces minoritaires dans un écoulement turbulent réactif est un challenge scientifique et numérique du fait du couplage entre les larges spectres spatiaux et temporels mis en jeu. L'approche réseau de réacteurs propose de post-traiter un calcul CFD (Computational Fluid Dynamics) doté d'une chimie globale par calcul OD de réseaux de réacteurs dans lesquels la cinétique chimique est détaillée. Une méthodologie générale est développée pour le découpage de l'écoulement en zones statistiquement homogènes. Deux modèles de réseaux de réacteurs sont définis, prenant ou non en compte les fluctuations turbulentes (densité de probabilité) ainsi qu'une distribution de temps de séjour dans chaque réacteur. Des études de sensibilité à l'hygrométrie, à la variabilité combustible et aux changements de charge ont été ménées. La comparaison aux mesures souligne la pertinence des modèles proposés. Enfin, le modèle de combustion turbulente de CFD a été amélioré, et en particulier la forme de sa densité de probabilité (pdf), pour permettre une prédiction affinée des NOx par l'emploi d'une cinétique chimique tabulée

In a strong environmental context, thermal powerplants functioning with natural gas find themselves forced to respect severe emission thresholds, currently 25 ppmvd for carbon monoxyde (CO) and nitrous oxydes (NOx). Financial penalties compel the owner to fine tune his machines. A numerical tool is then required to predict these emissions with precision (few ppmvd), short response time (use on site)and for all configurations (geometry, operating conditions). Modeling and simulating minor species formation in a reacting turbulent flow is a scientific and a numerical challenge owing to the coupling of a large spatial and temporal spectra to be considered. The reactor network approach proposes to process CFD computations (Computational Fluid Dynamics) using a global chemistry before CD calculations of a reactor networks in which chemical kinetics are detailed. A general methodology is developed for the flow splitting into statistically homogeous zones. Two reactor networks models are defined, with of without considering turbulent fluctuations (probability density function)as well a residence time distribution in each reactor. Sensitivity strudies of NOx emissions to air humidity,fuel flexibility of gas turbine load charged have been performed. The comparaison with measurements emphasizes the relevancy of the suggested models finally, the CFD turbulent combustion model has been improved, espacialty the form of its probability density function (pdf, to enable a sharp prediction of NOx emissions using a tabulated chemistry