Optimization of Gas Turbine Cogeneration Systemfor Various Heat Exchanger Configurations Optimisation des systèmes de turbine à combustion en cogénération pour différentes configurations des échangeurs de chaleur

Abstract

The present paper investigates and compares the performance of three configurations of Gas Turbine systems allowing cogeneration of heat and electricity, on the basis of an irreversible regenerative Brayton-Joule cycle. The proposed model is developed for two different cycle constraints, namely, an imposed heat transfer rate released by the fuel combustion, or an imposed maximum cycle temperature. The model also includes the irreversibility due to the friction in the compressor and turbine, and due to the heat losses in the combustion chamber and heat exchangers. Energy efficiency for the system without and with cogeneration, and the exergetic efficiency are used in order to emphasize the cogeneration advantages, but also to help the designer to choose the best configuration of the Gas Turbine system that suits to his needs. Experimental data from a real operating microturbine were used to validate the model. The power output and the energy and exergetic efficiencies are optimized with respect to a set of operating parameters. The optimum values of the Gas Turbine engine parameters corresponding to maximum power output and respectively to maximum thermodynamic efficiency are discussed. The results show same optimal values of the compression ratio corresponding to almost all maximum performances for an imposed heat transfer rate released by the fuel combustion, excepting the maximum exergetic efficiency that requires higher optimal values of the compression ratio than the maximum exergy rate one. A performance comparison of the three configurations is done and future perspectives of the work are proposed. Cet article explore et compare les performances des trois configurations de systèmes de turbine à combustion permettant la production combinée de chaleur et d’électricité, sur la base du cycle irréversible régénératif de Brayton-Joule. Le modèle proposé est développé pour deux contraintes différentes sur le cycle, notamment le flux de chaleur produit par combustion imposé ou la température maximale du cycle imposée. Le modèle considère également l’irréversibilité due au frottement dans le compresseur et la turbine et celle due aux pertes de chaleur dans la chambre de combustion et les échangeurs de chaleur. Le rendement au sens du premier principe du système sans et avec cogénération et le rendement exergétique rendent compte des avantages de la cogénération, et aident le concepteur à choisir la meilleure configuration de turbines à combustion en fonction de ses besoins. Des données expérimentales d’une microturbine opérationnelle ont été utilisées pour valider le modèle. La puissance fournie et les rendements au sens du premier principe et exergétique sont optimisés par rapport à un ensemble de paramètres de fonctionnement. Les valeurs optimales des paramètres du moteur à turbine à combustion qui correspondent au maximum de puissance fournie, respectivement au maximum de rendement thermodynamique sont discutées. Les résultats montrent que la plupart des performances maximales correspondent aux mêmes valeurs optimales du taux de compression pour le flux imposé, sauf le rendement exergétique maximum qui demande des valeurs plus élevées du taux de compression que celles pour le maximum du flux d’exergie. Une comparaison des performances de ces trois configurations et les perspectives sont proposées.