Modélisation de la combustion du gaz naturel par réseaux de réacteurs avec cinétique chimique détaillée - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2008

Modelling of natural gas combustion based on reactor networks with detailed chemical kinetics

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

Résumé

In a conscious environmental context, the European legislation forces natural gas power plants to respect emission limits equal to 25 ppmvd for carbon monoxide (CO) and nitrous oxides (NOx). Financial penalties compel the owner to fine tune his machines. A numerical tool is developed as support for operators to find optimal tunings. This tool aims at predicting pollutant emissions accurately (few ppmvd), with a short response time (use on site) and for all configurations (geometry, operating conditions). However, modelling and simulating the formation of minor species in a turbulent reacting flow remains a scientific and numerical challenge due to the large spatial and temporal spectra involved. The solution proposed in this PhD relies on performing CFD computations (Computational Fluid Dynamics) based on simple chemical mechanisms in order to build up a network of 0D reactors which include detailed chemical kinetics. A general methodology is presented for splitting the flow into statistically homogenous zones, which, once connected, form a reactor network. Two reactor network models are defined and include or not turbulent fluctuations (probability density function) as well as residence time distribution in each reactor. Sensitivity studies of NOx emissions to air humidity, fuel flexibility or gas turbine load changes have been performed. Comparison with on-site measurements shows that the models are representative. Finally, a new modelling of the mean chemical source term is provided (lookup table method for the chemical source term and new probability density function) to enable an accurate prediction of NOx emissions directly from CFD computations.
Dans un contexte environnemental fort, la législation Européenne actuelle impose aux centrales thermiques à gaz des limites d'émission à 25 ppmvd pour le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d'azote (NOx). L'exploitant est alors contraint de régler finement ses machines pour éviter l'imposition de pénalités financières. Afin d'orienter les opérateurs vers les réglages optimaux, un outil numérique est développé. Il a pour but de prédire les émissions polluantes avec précision (quelques ppmvd), rapidité (utilisation sur site) et pour toutes sortes de configurations (géométrie, conditions de fonctionnement). Toutefois, modéliser et simuler la formation d'espèces minoritaires dans un écoulement turbulent réactif reste, aujourd'hui encore, un challenge scientifique et numérique en raison des larges spectres spatiaux et temporels mis en jeu. La solution proposée dans cette thèse consiste à réaliser un calcul CFD (Computational Fluid Dynamics) basé sur un mécanisme réactionnel simple en vue de construire un réseau de réacteurs 0D incluant une cinétique chimique détaillée. Une méthodologie générale est présentée pour le découpage de l'écoulement en zones statistiquement homogènes qui, une fois connectées, forment un réseau de réacteurs. Deux modèles de réseaux de réacteurs sont définis et prennent ou non en compte les fluctuations turbulentes (densité de probabilité) et une distribution des temps de séjour dans chaque réacteur. Des études de sensibilité des émissions de NOx à l'hygrométrie, à la variabilité combustible et aux changements de charge sont menées. La comparaison aux mesures sur site souligne la représentativité des modèles proposés. Enfin, une nouvelle modélisation du terme source chimique moyen est introduite (méthode de tabulation du terme source chimique et nouvelle densité de probabilité) pour permettre une prédiction affinée des émissions de NOx dès le calcul CFD.
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Dates et versions

tel-00549790 , version 1 (22-12-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00549790 , version 1

Citer

Vincent Fichet. Modélisation de la combustion du gaz naturel par réseaux de réacteurs avec cinétique chimique détaillée. Modélisation et simulation. Ecole Centrale Paris, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00549790⟩
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