Modélisation et Simulation numérique d'un cycle combiné gaz-vapeur

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Submitted on 23 Feb 2017

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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. �hal-01474921�

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Modélisation et Simulation numérique d’un cycle combiné gaz-vapeur

N. El Gharbi¹, A. Benzaoui²,M.Belhamel¹

1Centre 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

2Laboratoire 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

n.elgharbi@cder.dz

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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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 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]:

_v

g v g

cc Q

W Q

W η η

η + = +

=

g v g

Q Avec :

ηg : le rendement de la turbine à gaz ηv : le rendement de la turbine à vapeur Le terme

g v

Q

Q dans l’expression de ηcc peut être écrit en fonction de l’efficacité d’une chaudière de récupération ηCR car on a :

g v g v

P v

CR Q

Q Q

Q Q η η

= −

= +

1 1

d’où :

ηcc =ηg +ηCR

(

)

TAG TAV

4

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.

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

La chaudière de récupération

1 niveau de pression 2 niveaux de pression

Énergie payante Ep [kW] 49050 49050

Énergie utile Eu [kW] 124665 14705

Efficacité ηCR [%] 25,41 29,97

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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/cours- en-ligne/fiches-guides-td-projets/fiche-guide-td-fg11-

sur/downloadFile/attachedFile_f0/FicheGuideCyclesCombines.pdf?nocache=1224243526.26