Chapitre 2 : Présentation et analyse d’un banc d’essai expérimental
3. A NALYSE DU CYCLE DU PAT ETM ET METHODES DE CONDUITE DU BANC D ’ ESSAI
3.2. Les régulations automatiques et asservissements
1 4 is is p h h h h
= − − (28) 1 4 ( )( )pompe liq des
W = m +m h −h (29)
3.2. Les régulations automatiques et asservissements
Plusieurs algorithmes de régulation ont été développés et implémentés sur l’automate du PAT ETM afin de permettre d’atteindre les conditions de fonctionnement souhaitées pour un point d’essai. Le paragraphe suivant décrit les différentes méthodes de régulation du PAT ETM.
Régulation de la pression dans le GV
Le pourcentage d’ouverture de la VRP est un paramètre essentiel qui influence direc-tement le débit de vapeur qui sortira de l’évaporateur, et donc la pression qui règne dan s ce dernier. En effet, pour une température et un débit d’eau chaude donnés, ouvrir la VRP diminue la perte de charge dans la pseudo-turbine, permettant ainsi de laisser passer un débit de vapeur plus important impliquant en régime permanent une pression plus faible dans l’évaporateur. A l’inverse, la fermeture de la VRP augmente la perte de charge entre le GV (Générateur de Vapeur) et le condenseur, diminuant le débit de vapeur et augmen-tant la pression du GV. Ce degré de liberté va donc permettre de défi nir la pression dans le GV, le débit d’ammoniac circulant dans la boucle ZP et donc le niveau de puissance
souhaité. Dans le cas d’une centrale ETM réelle, ce degré de liberté ne serait pas présent puisque la pression haute dans le GV et le débit d’ammoniac ne sont piloté que par l’aspect thermique des quantités de chaleur transmises dans les échangeurs et par les car actéris-tiques de la turbine qui ne serait pas dans ce cas bridée par une vanne de détente.
En générale, la consigne qui est demandée par l’opérateur est une consigne de puissance ou une consigne de débit d’ammoniac. Néanmoins, il serait difficile d’asservir l’ouverture de la VRP directement en fonction de la puissance échangée à l’évaporateur ou du débit d’ammoniac pour deux raisons principales :
• Le calcul de la puissance du GV en fonction des enthalpies à l’entrée et en sortie (équation (21)) n’est valable qu’en régime permanent et ne permet donc pas une régulation de la VRP en instantanée lors des transitoires.
• Le débit de vapeur mesuré est une série temporelle avec des fluctuations impor-tantes liées à la présence de « paquets de vapeur ». Il n’est donc pas recom-mandé de définir la consigne d’un régulateur du type PID (Primitive Intégrale Dérivée) sur ce type de signal.
Pour ces deux raisons, l’ouverture de la VRP peut être définie soit manuellement, ou soit régulée par l’automate en fonction d’une consigne de pression dans le GV fournie par l’opérateur. Ce deuxième cas permet lors des phases de démarrage et des transitoires entre deux points de s’assurer que l’ouverture de la VRP va permettre de maintenir la différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur au niveau souhaité. Le schéma blo c de la régulation de la VRP est alors fourni en Figure 49.
Si le plan d’expérience prévoit toutefois de réaliser un point de fonctionnement avec une puissance et une pression de changement d’état bien définies, comme cela a été le cas sur les dernières campagnes, l’idéal est alors de déterminer, de façon préalable aux essais, la température de l’eau chaude et la température de changement d’état de l’ammoniac qu’il faudrait pour atteindre la pression et la puissance souhaitée. Un ajustement manuel de la consigne ou de l’ouverture de la vanne VRP est ensuite nécessaire pour atteindre en régime permanent le débit la puissance désirée, ainsi qu’un réglage des températures de l’eau chaude fournie par la PAC pour ajuster la pression de changement d’état de l’am-moniac.
Régulation du niveau dans le condenseur
En régime permanent, le débit d’ammoniac liquide doit toujours être égal au débit d’ammoniac vapeur. Si le débit vapeur est supérieur au débit liquide, le condenseur se remplit et l’évaporateur se vide, et inversement dans le cas contraire. Comme énoncé pré-cédemment, le débit de vapeur est régulé par l’ouverture de la VRP en fonction des con-signes de l’opérateur. Il est alors nécessaire d’ajuster le débit liquide afin de maintenir le niveau dans les échangeurs aux valeurs souhaitées. Le niveau mesuré dans le condenseur est plus sensible aux variations de charge en ammoniac que celui dans le GV, puisqu’il est mesuré dans le pot sous le condenseur, de section beaucoup plus faible que celle de la zone d’échange de l’évaporateur. La VRN sera donc asservis à un contrôleur dépendant d’une consigne sur le niveau du condenseur, comme le montre la Figure 50. Le niveau dans le condenseur ne doit pas être trop bas pour ne pas risquer un défaut d’alimentation de la PAF, ni trop haut pour ne pas noyer des tubes qui ne participerait alors plus à la condensation de l’ammoniac. La consigne de niveau idéale doit donc être entre 28 et 35 %. En pratique, la régulation automatique du niveau dans le GV est activée lors des phases de démarrage et des transitoires entre deux points de fonctionnement afin d’éviter un arrêt d’urgence sur niveau bas condenseur ou le noyage de ce dernier. En revanche, lorsque le régime permanent est établi, il est préférable de verrouiller l’ouverture la VRN en mode manuel afin d’éviter une ouverture ou une fermeture brusque de la vanne après un saut du flotteur qui reste parfois bloqué dans certaines positions.
Régulation du débit de désurchauffe
Le débit de désurchauffe pour l’injection de gouttelette est un paramètre essentiel pour s’assurer que le cycle du PAT ETM fonctionne de la même façon qu’une centrale ETM réelle. Une trop forte injection de gouttelette reviendrait à considérer un rendement de turbine irréaliste car potentiellement supérieur à 100 % et la présence d’un surplus de liquide qui viendrait ruisseler sur les tubes du condenseur et ainsi dégrader ses perfor-mances thermiques. Une injection de gouttelette insuffisante reviendrait à c onsidérer le fonctionnement d’une turbine équivalente avec un très faible rendement isentropique, donc une très faible production électrique équivalente. Le débit de désurchauffe doit donc être déterminé en fonction du rendement isentropique souhaité de la pseudo-turbine. Ainsi, en utilisant la définition du rendement isentropique et les bilans de masse et d’éner-gie fournis dans les équations (23), (24) et (25), nous pouvons définir le processus de régulation du débit de désurchauffe comme fourni en Figure 51. Les mesures en aval de la PAF (T5, P5 et
m
liq), en sortie de l’évaporateur (T2 et P2) et en aval du désurchauffeur(P3) ainsi qu’une consigne de rendement isentropique ηis,t permettent de calculer l’enthal-pie spécifique h3 en entrée du condenseur et d’en déduire le débit de désurchauffe
m
desnécessaire pour atteindre cette valeur. La valeur de rendement isentropique de la pseudo-turbine qui a été fixée sur le PAT ETM est de
is,t =0,87.Régulation des débits d’eau chaude et d’eau froide
Les débits d’eau chaude et d’eau froide sont fixés par une consigne de l’opérateur. Il existe alors deux façons d’atteindre cette consigne sur le PAT ETM :
• En modifiant l’ouverture des vannes de bridage VRQ1
• En modifiant la fréquence des pompes de circulation EPEC1 et EPEF1.
La Figure 52 présente le schéma bloc de la régulation du débit d’eau chaude, celui de l’eau froide étant identique. En pratique, les deux modes de régulations ne doivent p as être actifs en même temps. Il convient lors du démarrage de fixer dans un premier temps la fréquence de la pompe à 80 % et d’activer la régulation par ouverture de la VRQ. Une fois la valeur de consigne quasiment atteinte, l’ouverture de la VRQ est fixée et la régu-lation de la fréquence de la pompe est activée pour un réglage plus fin. Une fois le débit souhaité atteint, les deux régulations peuvent alors être désactivées. La fréquence de la
Figure 52. Schéma bloc de principe de régulation du débit d’eau chaude par ouverture de la VRQ et modulation de la fréquence de la pompe EPEC1
pompe et l’ouverture de la vanne sont alors fixées afin d’obtenir un débit d’eau le plus stable possible.
Régulation des températures d’eau chaude et d’eau froide
L’ouverture des vannes VRT1 et VRT2 peuvent être modulées par un PID dans le but de respecter une consigne de température en entrée de l’évaporateur. Néanmoins, il a été constaté en cours d’essai que cette régulation a tendance à perturber le débit global d’eau circulant dans les échangeurs. Aussi, il est recommandé de régler la température manuel-lement en utilisant les différents leviers disponibles et présentés en 2.2.