Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Turboexpandern in der Gasleitungsbranche. Nach der Vorstellung der Bauarten werden Schaltschemen nach Stand der Technik erläutert, um nachfolgend auf die Ausnutzung des Kälteeffekts einzugehen. Hier sieht der Autor Potentiale in Hinblick auf Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit im Bereich der Weiterleitung von Erdgas zum Endverbraucher. Das kombinierte Schema, bei dem die Erdgas-Entspannungsanlage zusätzlich zur Reduktionseinheit parallel angeschlossen wird, ist in solchen Fällen sinnvoll. Das Erhitzen des Gases erfolgt hier über die Wärmepumpe vor der Entspannungsturbine oder es findet nach der Druckreduktion statt. In diesem Fall findet die Expansion bei den niedrigeren Temperaturen (0–5 °С) statt, indem die Temperatur am Auslass der GVS durch Wärmeentnahme im Kälteblock bis zu einem zulässigen Wert erhöht wird. Die Menge der produzierten Energie vermindert sich infolge der Temperatursenkung vor der Expansionsturbine, doch besteht die Möglichkeit, dabei Kälte zu produzieren und diese danach anzuwenden. Die Berechnungsergebnisse der thermodynamischen Eigenschaften sind dargestellt. Der Wärmeenergieverbrauch für die Erwärmung des Gases (Leistung der Wärmepumpe) und für die Leistung des Kälteblocks wird in dieser Arbeit erläutert. Des Weiteren werden Aspekte der Wirtschaftlichkeit und der Betriebssicherheit von Turboexpandern beleuchtet.

Le bon fonctionnement et les performances des turbines à vapeur sont liés à l’état de la vapeur et notamment au taux d’humidité qu’elle contient. EDF souhaite pouvoir maîtriser les phénomènes spécifiques à ces problématiques afin d’améliorer l’utilisation et l’évolution de ses turbines. Le sujet de recherche concerne la modélisation de la formation de l’humidité dans un corps de turbine et l’étude des couplages entre la phase liquide et les instationnarités. Dans ce contexte, la démarche adoptée est la suivante : la présence d’humidité est prise en compte à l’aide d’un modèle homogène, couplé à des modèles de condensation permettant de prendre en compte les phénomènes hors-équilibre thermodynamique : le grossissement et la nucléation des gouttes d’eau dans la vapeur. Pour mener à bien les calculs, des méthodes numériques adaptées aux gaz réels ont été utilisées et testées à l’aide d’un code monodimensionnel avant d’être intégrées dans le code 3D elsA. Deux types de modèles de condensation ont été mis en œuvre, considérant ou non la polydispersion des gouttes dans la vapeur. Les couplages instationnaires entre la condensation et l’écoulement principal ont été étudiés à différents niveaux d’observations (1D, 1D − 3D, 3D). Il a été montré que la méthode des moments apporte une richesse supplémentaire par rapport à un modèle mono-dispersé, et permet de mieux capter les couplages instationnaires entre l’humidité et le champ principal. / In addition to conventional turbomachinery problems, both the behavior and performances of steam turbines are highly dependent on the vapour thermodynamic state and the presence of a liquid phase. EDF, the main French electricity producer, is interested in further developing its’ modelling capabilities and expertise in this area to allow for operational studies and long-term planning. This PhD thesis explores the modelling of wetness formation and growth in a steam turbine and an analysis of the coupling between the liquid phase and the main flow unsteadiness. To this end, the work in this thesis took the following approach. Wetness was accounted for using a homogeneous model coupled with transport equations to take into account the effects of non-equilibrium phenomena, such as the growth of the liquid phase and nucleation. The real gas attributes of the problem demanded adapted numerical methods. Before their implementation in the 3D elsA solver, the accuracy of the chosen models was tested using a developed one-dimensional nozzle code. In this manner, various condensation models were considered, including both polydispersed and monodispersed behaviours of the steam. Finally, unsteady coupling effects were observed from several perspectives (1D, 1D − 3D, 3D), demonstrating the ability of the method of moments to sustain unsteady phenomena which were not apparent in a simple monodispersed model.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Turboexpandern in der Gasleitungsbranche. Nach der Vorstellung der Bauarten werden Schaltschemen nach Stand der Technik erläutert, um nachfolgend auf die Ausnutzung des Kälteeffekts einzugehen. Hier sieht der Autor Potentiale in Hinblick auf Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit im Bereich der Weiterleitung von Erdgas zum Endverbraucher. Das kombinierte Schema, bei dem die Erdgas-Entspannungsanlage zusätzlich zur Reduktionseinheit parallel angeschlossen wird, ist in solchen Fällen sinnvoll. Das Erhitzen des Gases erfolgt hier über die Wärmepumpe vor der Entspannungsturbine oder es findet nach der Druckreduktion statt. In diesem Fall findet die Expansion bei den niedrigeren Temperaturen (0–5 °С) statt, indem die Temperatur am Auslass der GVS durch Wärmeentnahme im Kälteblock bis zu einem zulässigen Wert erhöht wird. Die Menge der produzierten Energie vermindert sich infolge der Temperatursenkung vor der Expansionsturbine, doch besteht die Möglichkeit, dabei Kälte zu produzieren und diese danach anzuwenden. Die Berechnungsergebnisse der thermodynamischen Eigenschaften sind dargestellt. Der Wärmeenergieverbrauch für die Erwärmung des Gases (Leistung der Wärmepumpe) und für die Leistung des Kälteblocks wird in dieser Arbeit erläutert. Des Weiteren werden Aspekte der Wirtschaftlichkeit und der Betriebssicherheit von Turboexpandern beleuchtet.