Analyse énergétique et éxergétique: la centrale thermique

Analyse énergétique et éxergétique: la centrale thermique

Chapitre II : Approche énergétique et éxergétique

II.1    Analyse énergétique :

II.1.1    Introduction:

Les machines fonctionnent par cycle. En appliquant le premier et le deuxième principe de la thermodynamique, on peut calculer le rendement de ce cycle.

Premier principe – principe d’équivalence : énergie-travail ↔ énergie-chaleur.

DU = W (cycle) + Q (cycle) = 0

Principe établi par joule/Helmholtz vers 1850 qui énonce que :

« Travail et chaleur sont les deux seules façons possibles d’échanger de l’énergie entre systèmes fermés, et lorsqu’un système thermodynamique fermé quelconque subit un cycle de transformations qui le ramène à son état initial, la somme du travail W et de la chaleur Q échangés est nulle » [4]

Deuxième principe – principe de hiérarchie : Sens d’évolution des transformations

DS (système) =S (échangée aves l’extérieur) + S (créée) = 0

Principe dû aux travaux de Carnot (1824) et Clausius (1854) qui énonce que :

« Le moteur à vapeur doit et ne peut fonctionner qu’entre deux réservoirs de chaleur dont les niveaux sont déterminés par leurs température ».

Enoncé de Clausius : « Le passage de la chaleur d’un corps froid vers un corps chaud n’a jamais lieu spontanément et sans modification simultanée du milieu extérieur ».

Enoncé de Kelvin : « A l’aide d’un système qui décrit un cycle et qui n’est en contact qu’avec une seule source de chaleur, il est impossible de recueillir du travail». [4]

II.1.2    Rendement thermodynamique :

Le rendement thermodynamique « ηth » ou tout simplement rendement d’un cycle thermodynamique « ηcycle » ou « η » représente le taux de conversion de la quantité de chaleur fournie au fluide moteur en travail cédé au milieu extérieur.

Sa valeur est toujours positive et inférieur à 1.

Il est donc exprimé par le rapport entre le travail du cycle ‘Wcycle’ (travail net ‘Wnet’) à la quantité totale de chaleur ‘Qch’ fournie au fluide moteur pendant tout le cycle soit :

(pdf)

II.1.2.1 Rendement thermodynamique de la turbine :

La turbine est une machine à une ligne d’arbre composée de corps HP (Haute Pression), MP (moyenne Pression), et BP (Basse Pression) qui servent à convertir un courant de vapeur (énergie thermique) provenant du générateur de vapeur en énergie mécanique qui sert à tourner l’arbre et à entrainer l’alternateur.

Ces corps sont By-passés et permettent un conditionnement de la vapeur.

Figure II.1 Représentation du cycle thermodynamique de la turbine dans le diagramme de mollier

Avec :

M1 : Représente les paramètres de la vapeur à l’admission de la turbine (température et pression), est défini sur le diagramme de Mollier, par l’intersection de l’isobare p1 et l’isotherme t1.

M3 : Représente l’état de la vapeur sortie turbine est situé sur l’isobare p2 (pression régnant dans le condenseur).

M1M2 :  Représente  la  ligne  de  détente  parfaite  de  la   vapeur   dans   la   turbine.

M1M3 : Représente la ligne de détente réelle de la vapeur dans la turbine.

h1 – h2 : énergie mise à disposition de la turbine h1 – h3 : énergie effectivement transformée

h3 – h2 : énergie dissipée dans les aubage de la turbine.

Et le rendement se calcule comme suit : h

= h1−h3

tur

h1−h2

II.1.2.2 Rendement thermodynamique de la chaudière :

Le terme chaudière définit un appareil qui transfère de l’énergie sous forme de chaleur et délivre de la vapeur sous pression ou de l’eau surchauffée sous pression.

La vapeur produite peut couvrir une large plage de température (saturée ou surchauffée) et de pression (sous- ou supercritique).

Les chaudières participent à la majorité des procédés thermodynamiques de production d’électricité et sont des appareils incontournables de l’énergie et de la thermique industrielle.

a.   Pouvoir calorifique du gaz naturel :

On appelle pouvoir calorifique d’un combustible, la quantité de chaleur fournie ou dégagée par la combustion complète de 1 kg de combustible solide ou liquide.

Le pouvoir calorifique Pc est fonction de l’état physique du produit de combustion. On distingue le pouvoir calorifique supérieur (Pcs) et inférieur (Pci).

–  Le pouvoir calorifique est dit supérieur Pcs (mesuré au calorimètre) si l’on suppose ramener à 25°c tous les produits de la combustion, la vapeur d’eau étant alors condensée (l’eau est à l’état liquide).

–   Le pouvoir calorifique est dit inférieur Pci (à utiliser dans les applications industrielles) si l’on suppose refroidir à 100°C les produits de combustion sans condensation de la vapeur d’eau (l’eau est à l’état vapeur), il se calcule par la formule suivante :

Pci (GN) = %CH4.Pci(CH4)+%C2H6.Pci(C2H6)+%C3H8.Pci(C3H8)+%C4H10.Pci(C4H10)

100

b.   Calcul du rendement thermodynamique de la chaudière :

On calcule le rendement par la méthode directe largement utilisée en industrie :

Avec :

(pdf)

De : Débit de la vapeur d’eau entrant dans la chaudière = 617 t/h

(h1 − h24): Différence d’enthalpie en amont et en aval de la chaudière en kJ/kg

d : Débit du gaz naturel (carburant) nécessaire pour la combustion =156000 Nm3/h PCIGN : pouvoir calorifique du gaz naturel en kJ/kg

Masse volumique du gaz naturel = 0.8 kg/m3

II.1.2.3 Utilisation des réchauffeurs :

Les réchauffeurs sont des échangeurs de chaleur instaurés dans les centrales thermiques de production d’électricité dans le but d’améliorer le rendement du cycle

On distingue deux types de réchauffeurs :

· Réchauffeur à haute pression (RHP) : situés après le condenseur, entre la pompe 2ème étage et le dégazeur.

· Réchauffeurs à basse pression (RBP) ; situés après la bâche alimentaire, entre les pompes alimentaires et la chaudière.

Le réchauffeur est adiabatique et ne produit aucun travail alors selon le premier principe de la thermodynamique : ∑ 𝑄 = 0 Þ ∑ 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 = ∑ 𝑄𝑠𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

Donc : ∑ 𝑚𝑒ℎ𝑒 = ∑ 𝑚𝑠ℎ𝑠

Avec :

m : débit de la vapeur, et h : l’enthalpie massique.

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Chapitre III : Résultats et discussion

III.1   Description du principe de fonctionnement :

L’eau (sous forme de mélange eau–vapeur) stockée dans la bâche alimentaire (Figure III.1, n°12) à T = 168°C, et P= 13,7 bar est refoulée vers l’économiseur (Figure 2.1, n° 18) de la chaudière (Figure III.1, n° 17) à travers les pompes alimentaire (Figure III.1, n° 13) (trois pompes alimentaires) et les réchauffeurs haute pression (Figure 2.1, n° 14-15-16) alimentés par les soutirages de vapeur à partir des deux corps haute pression (CHP) et basse pression (CBP) de la turbine, elle subit par conséquent un réchauffement, et sa température et sa pression changent et deviennent ; T = 244°C, P = 176,5 bar.

La vapeur passe par la suite tout d’abord par un surchauffeur (Figure III.1, n° 19) afin de la sécher et d’augmenter sa température.

Dès que la pression atteint la valeur 127,5 bars et la température T= 545 °C, la vapeur est dirigée vers l’entrée de la turbine (CHP) où elle subit une première détente.

A la sortie du corps à haute pression (CHP), les paramètres thermodynamiques sont respectivement : P= 28 bar et une température T = 330 °C.

Le diagramme enthalpique de Mollier et l’installation frigorifique

Ensuite, cette vapeur est resurchauffée avec un resurchauffeur (Figure III.1, n° 20) qui se trouve dans la chaudière, dans lequel elle atteint la température T= 545 °C.

Après cette resurchauffe, la vapeur est dirigée vers le corps à basse pression (Figure III.1, n°22) (CBP) avec une pression de P = 25 bar.

Ensuite elle s’écoule vers le corps à moyenne pression (Figure III.1, n° 23) (CMP) avec une température T= 158°C; à la sortie de ce dernier, la pression chute à une valeur P = 0,05 bar.

La vapeur collectée à la sortie du troisième corps de la turbine s’écoule par gravité dans un collecteur de vapeur pour arriver dans les deux puits du condenseur (Figure III.1, n° 1).

La vapeur, en traversant le condenseur, est refroidie par l’eau de mer et revient à son état liquide.

L’eau de refroidissement est ensuite rejetée la mer à l’aide d’un canal de rejet à ciel ouvert. Pour favoriser et accélérer la condensation, une dépression est créée par l’éjecteur (Figure III.1, n° 3).

Après le refroidissement de l’eau qui devient sous forme d’eau condensée T = 39°C, cette dernière est aspirée par des pompes d’extraction premier étage (Figure III.1, n° 2) constituées de deux pompes, l’une travaille et l’autre en réserve.

A l’aide des pompes deuxième étage (Figure III.1, n° 5) (trois pompes, deux en service et une en réserve), l’eau extraite de ce poste est refoulée dans la bâche alimentaire (Figure III.1, n° 12) en passant par les réchauffeurs basse pression (Figure III.1, n° 6-8-9-10) alimentés par les soutirages des vapeurs de corps à basse pression (CBP) et moyenne pression (CMP) de la turbine pour augmenter la température du condensât jusqu’à T = 168°C.

A l’entrée de la bâche alimentaire, le condensât passe par un dégazeur qui permet de faire un dégazage physique pour évacuer les gaz non condensables (O2.CO2) afin d’éviter la corrosion.

Le cycle est terminé. La combustion se fait au gaz naturel ou au Gas-oil (ce dernier est un combustible de réserve).

Après cette description générale du fonctionnement de l’installation présentée ci-dessus, on a essayer de réaliser une analyse énergétique et éxergétique de la centrale thermique d’Achouat malgré la situation sanitaire actuelle qui nous a pas permis d’avoir tous les paramètres thermodynamiques de fonctionnement.

C’est pour cela, nous avons pris quelques paramètres manquants des travaux précédents effectués au sein de cette centrale, par conséquent le calcul n’a pas été complété et détaillé.

Dans la figure ci-dessous, est indiqué les points choisis (utilisés pour l’étude thermodynamique) dans le schéma simplifié de la centrale thermique d’Achouat.

Figure III.1 Schéma du cycle de production

Avec :

1- Condenseur                                                                       6-Réchauffeur basse pression 1(RBP1).

2- Pompe d’extraction 1er   étage.                                            7-Condenseur de bouillée sans éjecteur

3- Ejecteur.                                                                           8- Réchauffeur basse pression 2 (RBP2)

4- Condenseur de bouillée avec éjecteur.                             9- Réchauffeur basse pression 3(RBP3)

5- Pompe d’extraction 2ème étage.                                       10- Réchauffeur basse pression 4 (RBP4).

11-Dégazeur.                                                                 18-Economiseur

12- Bâche alimentaire                                                                   19- Surchauffeur.

13- Pompes alimentaires                                                              20- Resurchauffeur

14-   Réchauffeur haute pression 1 (RHP1).                                  21-Corps haute pression

15-   Réchauffeur haute pression 2 (RHP2).                                  22-Corps basse pression.

16-   Réchauffeur haute pression 3 (RHP3).                                  23-Corps moyen pression

17- Générateur de vapeur                                                             24- Alternateur.

Et dans la figure qui suit, on donne le schéma du cycle avec les paramètres des points choisis

Figure III.2 : Schéma de la centrale thermique avec les paramètres des points choisis

Nous avons aussi regroupé les différentes grandeurs d’état de chaque point dans le tableau suivant :

Tableau III.1 : Grandeurs d’état des différents points de la centrale

III.2 Bilan énergétique :

Dans ce qui suit, nous avons seulement (faut de données) procéder au calcul du rendement de la turbine et de la chaudière, ainsi que le rendement global de l’installation.

III.2.1  Rendement thermodynamique de la turbine :

À cause des irréversibilités, la déviation du comportement réel de la turbine par rapport au comportement isentropique idéalisé peut être prise en compte.

Nous utilisons donc le processus réel sur un diagramme h-s pour calculer le rendement des trois corps de la turbine.

· Corps à haute Pression (CHP) :

D’aprés la figure III.2, on tire h4s » 3010 kJ/kg enthalpie massique réversible isentropique de l’état 4 situé à la sortie de la turbine HP (voir figure III.1)

Avec h4 = 3080.8 kJ/kg enthalpie massique réelle du point 4 et h1 = 3459,82 kJ/kg enthalpie massique du point 1 situé à l’entrée de la turbine HP (d’après le tableau III.1 et figure III.1)

III.3     Conclusion générale:

L’application de l’analyse énergétique et éxergétique a été effectué dans ce présent projet de fin d’étude afin d’évaluer les performances thermodynamiques de la centrale thermique de production électrique d’Achouat située dans la wilaya de Jijel et dont la puissance est de 210MW.

Le bilan thermique ou énergétique fondé sur le premier principe de la thermodynamique bien que correcte demeure incomplet puisqu’il est basé sur le premier principe de la thermodynamique qui parle de l’équivalence entre le travail et la quantité de chaleur qui a servie à sa production, mais néglige le fait que toute la quantité donnée de chaleur ne peut être transformée entièrement en travail.

C’est pour cette raison que le bilan exergétique est utilisé en complément au bilan énergétique car le rendement, basé sur le concept de l’exergie définie comme étant le travail maximal qu’on peut tirer d’une quantité de matière, prend en considération la dégradation d’énergie due à l’accroissement d’entropie qui accompagne toute transformation réelle.

Après avoir mentionné la production électrique de notre pays et les différentes centrales thermiques à travers le territoire, nous avons décrit la centrale étudiée d’un point de vue technique.

Ensuite, le bilan énergétique nous a permis de calculer le rendement global du cycle qui est de 41,71% avec un rendement de chaudière égal à 25,35% et un rendement de 80,71% en ce qui concerne la turbine répartit sur les trois corps de la turbine comme suit : 83,3% pour le corps à haute pression (CHP), 80,8% pour le corps à basse pression (CBP), et 71,7% en ce qui concerne le corps à moyenne pression (CMP).

Enfin, le bilan éxergétique nous a donné un aperçu sur les pertes éxergétiques surtout au niveau de la chaudière qui enregistre un rendement éxergétique de 23,87%.

Les causes de ces pertes sont dues essentiellement aux irréversibilités au niveau de la chaudière dues à la combustion et au transfère de chaleur dans les échangeurs.

Elles sont de différentes natures :

• Pertes par les fumées.
• Pertes par les imbrulés.
• Pertes par les purges.
• Pertes par les parois

Ces pertes ne peuvent être éliminées mais des règles de conduite et d’entretien permettent de les réduire au minimum et d’augmenter l’efficacité de la chaudière.