Modélisation et Simulation numérique d`un cycle combiné gaz

Modélisation et Simulation numérique d’un cycle
combiné gaz-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 gaz-vapeur. Congrès International sur les Énergies Renouvelables et l’Environnement,
Mar 2009, Sfax, Tunisie. .
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IVième Congrès International sur les Énergies Renouvelables et l’Environnement
19-03-2009 - 21-03-2009, Tunisie
Modélisation et Simulation numérique d’un cycle combiné gaz-vapeur
1
N. El Gharbi1, A. Benzaoui2, M.Belhamel1
Centre de Développement des Energies Renouvelables BP. 62 Route de l'Observatoire Bouzaréah
16340 Alger (Algérie) Tel: 213 21 90 15 03 Fax: 213 21 90 15 60
2
Laboratoire de Thermodynamique et des Systèmes Energétiques
Département Energétique et Mécanique des Fluides Faculté de Physique USTHB BP 32
El Alia Bab Ezzouar 16111 Alger (Algérie) Tél / Fax : 213 21 24 73 44
[email protected]
Résumé
La consommation de l’énergie est restée très longtemps stable lorsque l’homme ne l’utilisait que
pour sa survie et ses besoins alimentaires. Une augmentation brutale des besoins en énergie est
apparue, celle-ci ne cessait de croître de façon explosive sous l’effet conjoint de l’augmentation de
la population et du développement industriel. Ce qui conduirait dans un proche avenir, à un
épuisement des ressources énergétiques fossiles non renouvelables et à une dégradation de
l’environnement. Nous sommes alors contraints de faire la recherche d’autres ressources d’énergie.
De préférence, nous nous orientons vers la recherche de ressources énergétiques qui soient durables
telle que les énergies renouvelables. Le solaire thermique, le photovoltaïque, la géothermie,
l’énergie éolienne et la biomasse sont toutes des sources régénérables. Il est nécessaire de les
intégrer et de les adapter à nos besoins. L’un des problèmes à vaincre est celui du transport de ces
énergies jusqu’aux points d’utilisation. Quand c’est possible, le transport de l’énergie électrique
semble le mieux adapté.
Or, la production de l’électricité à grande échelle par conversion de l’énergie solaire est possible en
concentrant le rayonnement solaire, grâce 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 gaz « cycle combiné ». Ces
centrales ‘gaz-vapeur’ sont conçues pour pouvoir récupérer les chaleurs dégagées dans les fumées
de la turbine à gaz, sortant à haute température pour être utilisées à la génération 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 logiciel qui pourrait nous aider à modéliser
les systèmes énergétiques, à établir un bilan exergétique 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 : énergie 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’énergie du rayonnement incident en énergie
électrique avec la meilleure efficacité possible et cela selon les étapes suivantes [1] fig.1 :
•
•
•
•
la concentration du rayonnement sur l’entrée du récepteur,
son absorption sur les parois du récepteur et la transformation de son énergie en chaleur,
le transport et éventuellement le stockage de cette chaleur,
sa délivrance à un cycle thermodynamique associé à un alternateur pour la production
d’électricité.
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19-03-2009 - 21-03-2009, Tunisie
fig.1 Centrale thermique solaire à concentration
I La production d’électricité
Parmi les techniques de conversion d’énergie 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 gaz dans la turbine, en vue de la production de vapeur dans une
chaudière de récupération (CR) [3] appelé aussi générateur de vapeur-récupérateur (GVR) [4] qui
elle-même sert à alimenter une deuxième turbine, selon le schéma simplifié ci-après, fig.2.
fig.2 cycle combiné simplifié gaz-vapeur (Source [4])
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Chaque turbine fait tourner son propre alternateur et produit de l’électricité, généralement 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 fig.2, on considère les échanges d’enthalpies suivantes :
Qg
Wg
TAG
TAV
Wv
Qp
Qv
Qc
(1)
(2)
Avec :
Qg : la chaleur de la source chaude
(1) Qp : les pertes
Qv : la chaleur fournie au cycle à vapeur
Wg : le travail utile
(2) Qc : la chaleur rejetée au condenseur
Wv : le travail utile
Le rendement thermique ηcc du cycle combiné se calcule comme suit [4,8]:
η cc =
Wg + W v
Qg
= ηg +
Qv
ηv
Qg
Avec :
ηg : le rendement de la turbine à gaz
ηv : le rendement de la turbine à vapeur
Qv
dans l’expression de ηcc peut être écrit en fonction de l’efficacité d’une chaudière de
Qg
récupération ηCR car on a :
Le terme
η CR =
Qv
1 Qv
=
QP + Qv 1 − η g Q g
d’où :
η cc = η g + η CR (1 − η g )η v
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Cette expression montre que le rendement du cycle combiné dépend aussi bien du rendement de la
turbine à gaz 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 énergétiques et exergétiques 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 logiciel Thermoptim, la méthode d’optimisation utilisée est
celle du pincement [9].
Pour un débit de 100 kg/s, l’air entre dans le cycle à une température 10°C et une pression 1 bar, le
gaz de combustion utilisé est le gaz de Montoir à 10°C et 20 bar, les produits de combustion
résultants entrent dans la turbine à gaz à 1220 °C.
Dans le cycle à vapeur, la pression minimale est égale à 0.03 bar, la maximale est égale à 30 bars
dans le cycle combiné à un niveau de pression égale 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].
fig.3
simulation d’un cycle combiné à un niveau de pression
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fig.4
simulation d’un cycle combiné à deux niveaux de pression
IV Résultats numériques
Le bilan exergétique 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 largement 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 exergétiques 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.
La chaudière
1 niveau de pression 2 niveaux de pression
de récupération
Énergie payante Ep [kW]
49050
49050
Énergie utile Eu [kW]
124665
14705
Efficacité ηCR [%]
25,41
29,97
Tableau 1 : comparaison du bilan
exergétique dans une chaudière de récupération
Conclusion
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 gaz-vapeur avec des
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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 bibliographiques
[1] Bruno Rivoire, Le solaire thermodynamique, Version du 24 Avril 2002, IMP, Laboratoire
CNRS (site d’Odeillo).
[2] El Hadj Malick Kane, Intégration et optimisation thermo-économique et environnementale de
centrales thermiques solaire hybrides, Thèse de Doctorat, Ecole Polytechnique fédérale de
Lausanne, 2002 .
[3] Jean Marie Monteil, Techniques de l’ingénieur, Centrale à cycle combiné, théorie,
performances, modularité BE 8905.
[4] Renaud Gicquel, Systèmes Energétiques, tome 2, Presse de l’Ecole des Mines Paris.
[5] Revue Vivre EDF (Electricité De France) N°16, pp 24-25, Décembre 2003.
[6] Revue gaz d’aujourd’hui N° 7-8-9, pp 405-406, Septembre 1992.
[7] Revue REE (Revue de l’Électricité et de l’Électronique), N°11, pp 59-57, Décembre 1999.
[8] H. Jeanmart, Thermodynamique et Energétique, Les cycles combinés, 2006-2007
Document web : http://www.tgv-vise.be/documents/technique-1.pdf
[9] Victor-Eduard Cenusa, Contribution à l’amélioration du couplage thermodynamique entre
l’installation de la turbine à gaz et l’installation de la turbine à vapeur dans les centrales électriques
à cycles combinés gaz/vapeur, Thèse de Doctorat, Université Henri Poincaré, Nancy-I, octobre
2004.
[10] R.Gicquel, N.Rakotozafy, Fiche-guide de TD sur l’optimisation des cycles combinés par la
méthode du pincement. Document web : http://www.thermoptim.org/sections/enseignement/coursen-ligne/fiches-guides-td-projets/fiche-guide-td-fg11sur/downloadFile/attachedFile_f0/FicheGuideCyclesCombines.pdf?nocache=1224243526.26
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