Modélisation et Simulation numérique d un cycle combiné gaz-vapeur

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1 Modélisation et Simulation numérique d un cycle combiné az-vapeur N El Gharbi, A. Benzaoui, M. Belhamel To cite this version: N El Gharbi, A. Benzaoui, M. Belhamel. Modélisation et Simulation numérique d un cycle combiné az-vapeur. Conrès International sur les Éneries Renouvelables et l Environnement, Mar 2009, Sfax, Tunisie.. HAL Id: hal Submitted on 23 Feb 2017 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teachin and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d enseinement et de recherche français ou étraners, des laboratoires publics ou privés.

2 IVième Conrès International sur les Éneries Renouvelables et l Environnement Modélisation et Simulation numérique d un cycle combiné az-vapeur N. El Gharbi 1, A. Benzaoui 2, M.Belhamel 1 1 Centre de Développement des Eneries Renouvelables BP. 62 Route de l'observatoire Bouzaréah Aler (Alérie) Tel: Fax: Laboratoire de Thermodynamique et des Systèmes Enerétiques Département Enerétique et Mécanique des Fluides Faculté de Physique USTHB BP 32 El Alia Bab Ezzouar Aler (Alérie) Tél / Fax : n.elharbi@cder.dz Résumé La consommation de l énerie est restée très lontemps stable lorsque l homme ne l utilisait que pour sa survie et ses besoins alimentaires. Une aumentation brutale des besoins en énerie est apparue, celle-ci ne cessait de croître de façon explosive sous l effet conjoint de l aumentation de la population et du développement industriel. Ce qui conduirait dans un proche avenir, à un épuisement des ressources énerétiques fossiles non renouvelables et à une déradation de l environnement. Nous sommes alors contraints de faire la recherche d autres ressources d énerie. De préférence, nous nous orientons vers la recherche de ressources énerétiques qui soient durables telle que les éneries renouvelables. Le solaire thermique, le photovoltaïque, la éothermie, l énerie éolienne et la biomasse sont toutes des sources réénérables. Il est nécessaire de les intérer et de les adapter à nos besoins. L un des problèmes à vaincre est celui du transport de ces éneries jusqu aux points d utilisation. uand c est possible, le transport de l énerie électrique semble le mieux adapté. Or, la production de l électricité à rande échelle par conversion de l énerie solaire est possible en concentrant le rayonnement solaire, râce aux systèmes de centrales CSP (Concentrated Solar Power) pour actionner un cycle thermodynamique efficace et produire de l électricité en faisant tourner une ou des turbines à vapeur combinées à une ou des turbines à az «cycle combiné». Ces centrales az-vapeur sont conçues pour pouvoir récupérer les chaleurs déaées dans les fumées de la turbine à az, sortant à haute température pour être utilisées à la énération de la vapeur. L objectif dans ce papier est de montrer l optimisation et le rendement d un tel cycle en faisant une simulation numérique de ses constituants à l aide d un loiciel qui pourrait nous aider à modéliser les systèmes énerétiques, à établir un bilan exerétique et à connaître les éléments responsables des irréversibilités afin de chercher à les réduire. Les résultats ont montré qu une centrale à un niveau de pression comporte de fortes irréversibilités internes. Mots clés : énerie solaire, cycle combiné, simulation, modélisation. Introduction Une centrale thermique solaire à concentration comme toute installation thermodynamique solaire, doit remplir les mêmes fonctions pour transformer l énerie du rayonnement incident en énerie électrique avec la meilleure efficacité possible et cela selon les étapes suivantes [1] fi.1 : la concentration du rayonnement sur l entrée du récepteur, son absorption sur les parois du récepteur et la transformation de son énerie en chaleur, le transport et éventuellement le stockae de cette chaleur, sa délivrance à un cycle thermodynamique associé à un alternateur pour la production d électricité. 1

3 IVième Conrès International sur les Éneries Renouvelables et l Environnement fi.1 Centrale thermique solaire à concentration I La production d électricité Parmi les techniques de conversion d énerie solaire en électricité, la voie électro-thermo-solaire [2] à l aide d un cycle combiné. Son principe de fonctionnement réside dans la récupération de la chaleur de combustion des az dans la turbine, en vue de la production de vapeur dans une chaudière de récupération (CR) [3] appelé aussi énérateur de vapeur-récupérateur (GVR) [4] qui elle-même sert à alimenter une deuxième turbine, selon le schéma simplifié ci-après, fi.2. fi.2 cycle combiné simplifié az-vapeur (Source [4]) 2

4 IVième Conrès International sur les Éneries Renouvelables et l Environnement Chaque turbine fait tourner son propre alternateur et produit de l électricité, énéralement un tiers pour la turbine à vapeur et deux tiers pour la turbine à combustion [5,6]. Pour optimiser le rendement de l installation, on peut coupler plusieurs turbines à combustion et plusieurs chaudières de récupérations [4,7] II Optimisation d un cycle combiné Pour le cycle combiné de la fi.2, on considère les échanes d enthalpies suivantes : TAG W TAV W v Avec : p v c (1) (2) : la chaleur de la source chaude (1) p : les pertes v : la chaleur fournie au cycle à vapeur W : le travail utile (2) c : la chaleur rejetée au condenseur W v : le travail utile Le rendement thermique η cc du cycle combiné se calcule comme suit [4,8]: Avec : W + Wv v η cc = = η + ηv η : le rendement de la turbine à az η v : le rendement de la turbine à vapeur Le terme v récupération η CR car on a : dans l expression de ηcc peut être écrit en fonction de l efficacité d une chaudière de η CR v = + P v 1 = 1 η v d où : η cc = η + η 1 CR ( η ) η v 3

5 IVième Conrès International sur les Éneries Renouvelables et l Environnement Cette expression montre que le rendement du cycle combiné dépend aussi bien du rendement de la turbine à az et à vapeur que de celui de la chaudière de récupération. Ainsi, l étude thermodynamique de la chaudière de récupération et l influence des différents paramètres sur ces performances énerétiques et exerétiques devient indispensable. Dans la suite de ce travail, nous allons nous intéresser à l influence du nombre de niveaux de pression de production de la vapeur dans la chaudière de récupération. III Simulation numérique Notre simulation est faite en utilisant le loiciel Thermoptim, la méthode d optimisation utilisée est celle du pincement [9]. Pour un débit de 100 k/s, l air entre dans le cycle à une température 10 C et une pression 1 bar, le az de combustion utilisé est le az de Montoir à 10 C et 20 bar, les produits de combustion résultants entrent dans la turbine à az à 1220 C. Dans le cycle à vapeur, la pression minimale est éale à 0.03 bar, la maximale est éale à 30 bars dans le cycle combiné à un niveau de pression éale à 100 bars dans le cycle combiné à deux niveaux de pression, ce choix est fait pour un optimum où le rendement du cycle sera maximal [10]. fi.3 simulation d un cycle combiné à un niveau de pression 4

6 IVième Conrès International sur les Éneries Renouvelables et l Environnement fi.4 simulation d un cycle combiné à deux niveaux de pression IV Résultats numériques Le bilan exerétique des deux types de cycle combiné a confirmé que le rendement du cycle combiné à un niveau de pression est supérieur à celui du cycle combiné à deux niveaux de pression (56,86% devant 59,90%). La température d échappement est larement réduite dans le cycle combiné à deux niveaux de pression (84,77 C devant 145,57 C) Dans la chaudière de récupération il y a des importantes pertes exerétiques données par la différence de température entre les fumées et l eau/vapeur. Ces irréversibilités sont réduites on utilisant plusieurs niveaux de pression de production de la vapeur tableau 1. Conclusion La chaudière 1 niveau de pression 2 niveaux de pression de récupération Énerie payante E p [kw] Énerie utile E u [kw] Efficacité η CR [%] 25,41 29,97 Tableau 1 : comparaison du bilan exerétique dans une chaudière de récupération La mise en équation du rendement d un cycle combiné à montré que ce rendement dépend de celui de la chaudière de récupération, donc l étude de ce cycle passe par celle de la chaudière de récupération. La simulation numérique comparative d un cycle combiné az-vapeur avec des 5

7 IVième Conrès International sur les Éneries Renouvelables et l Environnement chaudières de récupération ayant un ou deux niveaux de pression de vapeur, sans resurchauffe, a montré que l amélioration des performances de ces cycles est obtenue en utilisant plusieurs cycles à vapeur à des niveaux de pression différents. Références biblioraphiques [1] Bruno Rivoire, Le solaire thermodynamique, Version du 24 Avril 2002, IMP, Laboratoire CNRS (site d Odeillo). [2] El Hadj Malick Kane, Intération et optimisation thermo-économique et environnementale de centrales thermiques solaire hybrides, Thèse de Doctorat, Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne, [3] Jean Marie Monteil, Techniques de l inénieur, Centrale à cycle combiné, théorie, performances, modularité BE [4] Renaud Gicquel, Systèmes Enerétiques, tome 2, Presse de l Ecole des Mines Paris. [5] Revue Vivre EDF (Electricité De France) N 16, pp 24-25, Décembre [6] Revue az d aujourd hui N 7-8-9, pp , Septembre [7] Revue REE (Revue de l Électricité et de l Électronique), N 11, pp 59-57, Décembre [8] H. Jeanmart, Thermodynamique et Enerétique, Les cycles combinés, Document web : [9] Victor-Eduard Cenusa, Contribution à l amélioration du couplae thermodynamique entre l installation de la turbine à az et l installation de la turbine à vapeur dans les centrales électriques à cycles combinés az/vapeur, Thèse de Doctorat, Université Henri Poincaré, Nancy-I, octobre [10] R.Gicquel, N.Rakotozafy, Fiche-uide de TD sur l optimisation des cycles combinés par la méthode du pincement. Document web : en-line/fiches-uides-td-projets/fiche-uide-td-f11- sur/downloadfile/attachedfile_f0/ficheguidecyclescombines.pdf?nocache=