Bilan énergétique et exégétique d'une centrale thermique.

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Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

- ÉÜÜÜÜíÚÇäÕáÇÊÇíÌæáæäßÊááÇíáÚáÇÉÓÑÏãá

- ÉÈÇäÚ

Année / 2020

ÉCOLE SUPERIEURE DE TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES

- ANNABA -

DEPARTEMENT DU SECOND CYCLE

FILIÈRE

GENIE INDUSTRIEL
MEMOIRE

Présenté en vue de l'obtention du diplôme d'Ingénieur d'État

Bilan énergétique et éxergetique d'une centrale thermique

Spécialité

Énergétique et Développement Durable

Par

Kriter Yahia et Hemara Toufik

Sous la direction de : Grade Établissement d'affiliation

Mallem Nassima MCB ESTI Annaba

Devant le jury

Président :

AZZOUZ Salah Eddine Pr. ESTI Annaba
Examinateurs :

NIOU Slimane MCB ESTI Annaba

BOUDINAR Nouam MCB ESTI Annaba

Remerciements

Remerciement :

En préambule à ce mémoire nous remerciant ALLAH qui nous a aidé et nous a donné la patience et le courage durant ces longues années d'étude.

Nous souhaitant adresser nos remerciements les plus sincères aux personnes qui nous ont apporté leur aide et qui ont contribué à l'élaboration de ce mémoire ainsi qu'à la réussite de cette formidable année universitaire.

Ces remerciements vont tout d'abord au corps professoral et administratif du département de génie mécanique pour la richesse et la qualité de leurs enseignements et qui déploient de grands efforts pour assurer à leurs étudiants une formation actualisée.

Nous tenons à remercier sincèrement Madame Mallem Nassima qui, en tant qu'encadrant de mémoire, elle a toujours montré l'écoute et la disponibilité tout au long de la réalisation de ce mémoire, ainsi pour l'inspiration, l'aide et le temps qu'elle a bien voulu nous consacrer pour que ce mémoire voit le jour On n'oublie pas nos parents pour leur contribution, leur soutien et leur patience. Enfin, nous adressons nos plus sincères remerciements à tous nos proches et amis, qui nous ont toujours encouragés au cours de la réalisation de ce mémoire. Merci à toutes et à tous.

Résumé

Résumé :

Le projet que nous avons réalisé consiste à évaluer les performances thermodynamiques de la centrale thermique d'Achouat située dans la wilaya de Jijel dont les capacités de production est de 210 MW. Nous avons à travers cette étude fait un bilan énergétique global qui nous a permis de déterminer les rendements des équipements suivants : la chaudière et la turbine avec ses trois corps ainsi que le rendement global du cycle.

La deuxième partie que nous avons traité, concerne une étude éxergétique de la chaudière et de la turbine dans le but d'évaluer les pertes au niveau de ces deux équipements clé.

Abstract:

The project that we carried out consists in evaluating the thermodynamic performances of the thermal power station of Achouat located in the wilaya of Jijel whose production capacity is 210 MW. Through this study, we made a global energy balance which allowed us to determine the efficiency of the following equipments: the boiler and the turbine with its three bodies as well as the global efficiency of the cycle.

The second part that we treated, concerns an energy study of the boiler and the turbine in order to evaluate the losses at the level of these two key equipments.

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Liste des figures

Liste des figures :

Figure I.1 Schéma d'une centrale thermique

Figure I.2 Turbine à combustible

Figure I.3 Les trois turboalternateurs de la centrale de Jijel

Figure I.4 La chaudière de la central de Jijel

Figure I.5 Le ventilateur de soufflage de la centrale

Figure I.6 Les cheminées des 3 groupes

Figure I.7 Corps HP

Figure I.8 Corps MP

Figure I.9 Corps BP

Figure I.10 Turbine à condensation de 210 MW à 3000 tr/mn en 3 corps

Figure I.11 Schéma du cycle de production

Figure I.12 Cycle de Carnot

Figure I.13 (a) Cycle de Rankine

Figure I.13 (b) Installation du cycle de Rnakine

Figure I.14 (a) Cycle de Hirn

Figure I.14 (b) Installation du cycle de Hirn

Figure I.15 (a) Cycle de Rankine à resurchauffe

Figure I.15 b) Installation du cycle à resurchauffe

Figure I.16 (a) Cycle à double resurchauffe

Figure I.16 (b) installation de Rankine à double resurchauffe

Figure I.17 (a) Cycle de Rankine à deux soutirages

Figure I.17 (b) Installation du Cycle de Rankine à deux soutirages

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

de mollier

Figure II.2 Système thermodynamique quelconque

Figure II.3 Système thermodynamique de la turbine.

Figure II.4 Système thermodynamique du réchauffeur

Figure II.5 Système thermodynamique du condenseur

Figure II.6 Système thermodynamique de la chaudière

Figure III.1 Schéma du cycle de production

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

Figure III.3 Diagramme h-s du cas réel de CHP

Liste des figures

Figure III.4 Diagramme h-s du cas réel de CMP Figure III.5 Diagramme h-s du cas réel de CBP Figure III.6 : Schéma thermodynamique de RHP3 Figure III.7 Schéma thermodynamique de RHP2 Figure III.8 Schéma thermodynamique de RHP1 Figure III.9 Schéma thermodynamique de RBP4 Figure III.10 Schéma thermodynamique de RBP3 Figure III.11 Schéma thermodynamique de RBP2 Figure III.12 Schéma thermodynamique de RBP1

Liste des tableaux

Liste des tableaux :

Tableau I.1 Les centrales de production électrique en Algérie Tableau I.2 caractéristiques nominales de l'alternateur Tableau I.3 caractéristiques de l'eau et d'hydrogène

Tableau I.4 caractéristiques nominales du condenseur Tableau I.5 caractéristiques des réchauffeurs à haute pression Tableau I.6 caractéristiques des réchauffeurs basse pression Tableau I.7 caractéristiques de la pompe alimentaire

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

Tableau III.2 : Composition volumique du gaz naturel algérien

Tableau III.3 : Les enthalpies de combustion des différents constituants du gaz naturel

II.2 Analyse éxergétique 40

II.2.1 Principe 40

Sommaire

Sommaire :

Remerciement Résumé

Liste des figures Liste des tableaux

Chapitre I : Généralités sur les centrales thermique et les cycles de production d'énergie

à vapeur

I. Introduction générale 10

II. Les centrales thermiques 11

II.2 Définition et principe de fonctionnement 11

II.3 Types de centrales thermiques 12

II.3.1 Les centrales à turbine à vapeur 12

II.3.2 Les centrales à turbine à combustible 12

II.3.3 Les centrales à cycle combiné au gaz naturel 13

II.4 Les avantages et les inconvénients des centrales thermiques 14

III. La production d'énergie électrique en Algérie 14

III.1 Capacité nationale de production d'énergie électrique en Algérie 14

IV. La centrale thermique d'Achouat 16

IV.1 Présentation de la centrale 16

IV.2 Caractéristiques techniques 16

IV.2.1 Fiche technique 16

IV.2.2 Equipement du cycle de production 17

IV.3 Poste d'eau 27

V. Cycles de production d'énergie à vapeur 30

V.1 Cycle de Carnot 30

V.2 Cycle de Rankine 31

V.3 Cycle de Rankine à surchauffe (cycle de Hirn) 32

V.4 Cycle à resurchauffe 33

V.5 Cycle à double resurchauffe 34

V.6 Cycle à soutirage 35

Chapitre II : Approche énergétique et éxergétique

II.1 Analyse énergétique 37

II.1.1 Introduction 37

II.1.2 Rendement thermodynamique 37

II.1.2.1 Rendement thermodynamique de la turbine 37

II. 1.2.2 Rendement thermodynamique de la chaudière 38

II. 1.2.3 Utilisation des réchauffeurs 39

	Sommaire
II.2.1.1 Exergie associée au transfert de flux de matière	40
II.2.1.2 Exergie associée au transfert de chaleur	42
II.2.1.3 Exergie associée au transfert de travail	42
II.2.2 Bilan d'exergie	42
II.2.3 Rendement exergétique	43
II.2.3.1 Turbine	44
II.2.3.2 Réchauffeur	44
II.2.3.3 Condenseur	55
II.2.3.4 Chaudière	55

Chapitre III : Résultats et discussion

III.1 Description du principe de fonctionnement 48

III.2 Bilan énergétique 52

III.2.1 Rendement thermodynamique de la turbine 52

III.2.2 Rendement thermodynamique de la chaudière. 55

III.2.2.1 Calcul du pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gaz

naturel 55

III.2.2.2 Calcul du rendement de la chaudière 57

III.2.3 Réchauffeurs 57

III.3 Bilan d'éxergie 66

III.3.1 Calcul du rendement éxergétique de la turbine 66

III.3.2 Calcul du rendement éxergétique de la Chaudière 69

Conclusion générale 71

Référence bibliographique 72

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

Chapitre I :

Généralités sur les centrales

thermique et les cycles de

production d'énergie à

vapeur

10

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

I.Introduction générale :

Malgré que l'Algérie commence à envisager des solutions écologiques en investissant dans les énergies renouvelables visant une puissance de 22 000 MW d'ici 2030 selon le Programme algérien de développement des énergies renouvelables et d'efficacité énergétique (PENREE) de 2012 `(1), sept ans après ce plan, les réalisations sont modestes : le solaire n'a produit que 0,7 % de l'électricité du pays en 2017, et l'éolien 0,01 %.

L'Algérie en 2019 est le 16^e producteur de pétrole, le 10^e producteur de gaz naturel et le 7^e exportateur de gaz naturel au monde, donc en effet la production et la consommation d'énergie, y compris dans le secteur de l'électricité, sont tirées des hydrocarbures à plus de 99 %.

Une centrale énergétique est le point de départ de notre consommation d'énergie. Il existe différents types de centrales énergétiques : Les centrales thermiques, solaires, éoliennes, nucléaire....etc. Dans ce qui se suit, nous détaillerons les centrales thermiques, leurs types et la production d'énergie électrique en Algérie.

La production d'électricité à partir des centrales thermiques est la plus répandue et la plus ancienne dans le monde. En effet, le gaz, le charbon et le fioul, utilisés comme combustibles, sont des ressources naturelles abondantes. Les centrales thermiques, grâce à leur flexibilité et réactivité, constituent l'un des moyens les plus efficaces pour faire face aux variations de la demande d'électricité, et notamment aux pics de consommation. Elles sont capables de produire de l'électricité très rapidement et peuvent donc être sollicitées à tout moment.

L'objectif du présent mémoire est d'appliquer l'analyse énergétique et éxergétique dans le but de faire une évaluation des performances thermodynamiques de la centrale thermique d'Achouat située dans la wilaya de Jijel.

Le manuscrit est structuré en trois chapitres. Le premier donne une vue d'ensemble sur les centrales thermiques, la production électrique en Algérie, présentation de la centrale thermique d'Achouat et les cycles de production d'énergie à vapeur. Le second chapitre est consacré à introduire et à expliquer les fondements de l'approche énergétique et éxergétique. Enfin, le troisième et dernier chapitre résume les plus importants résultats concernant les performances thermodynamiques de la centrale d'Achouat.

11

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

II. Les centrales thermiques :

II.1 Définition et principe de fonctionnement :

La centrale thermique est une centrale électrique qui produit de l'électricité à partir d'une source de chaleur (charbon, gaz, fioul, biomasse ou déchets municipaux). La source de chaleur chauffe un fluide (souvent de l'eau) qui passe de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur). Cette vapeur entraine une turbine couplée à un alternateur qui transforme l'énergie cinétique contenue dans la vapeur en énergie mécanique de rotation, puis en énergie électrique grâce à une génératrice découvrant.

Les centrales thermiques fonctionnent à partir de ressources naturelles: charbon, fioul ou gaz. Le combustible, une fois brûlé, chauffe l'eau située dans des tubes qui tapissent les parois de la chaudière. La chaleur transforme ainsi l'eau en vapeur pressurisée, qui actionne la turbine, qui elle-même entraîne l'alternateur.

Figure I.1 Schéma d'une centrale thermique

La combustion : Un combustible (gaz, charbon, fioul) est brûlé dans les brûleurs d'une chaudière pouvant atteindre jusqu'à 90 mètres de hauteur et un poids de 9000 tonnes. Dans les centrales à charbon, le combustible est broyé sous forme de poudre, puis brûlé dans la

12

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

chaudière pour dégager de la chaleur. Dans les centrales au fioul, le combustible est chauffé pour le rendre liquide puis vaporisé en fines gouttelettes puis injecté par les brûleurs dans la chaudière. Quant au gaz, il est utilisé sous deux formes: naturel pour les cycles combinés au gaz naturel ou sidérurgique pour les centrales traditionnelles.

La production de la vapeur : La chaudière contient des tubes à l'intérieur dans les quels circule de l'eau froide. L'eau se transforme en vapeur de pression élevée sous l'effet de la chaleur, qui est alors envoyée vers les turbines, où sa dilatation entraine la rotation de cette dernière.

La production d'électricité La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif. Un transformateur de puissance augmente la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à très haute et haute tension.

Le recyclage : La vapeur qui a été utilisée est envoyée vers un condenseur, dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. Au contact de celle-ci, la vapeur se transforme en eau, qui est récupérée et envoyée à nouveau dans la chaudière pour recommencer un autre cycle. L'eau utilisée pour le refroidissement est restituée au milieu naturel ou renvoyée dans le condenseur. [1]

II.3 Types de centrales thermiques :

II.3.1 Les centrales à turbine à vapeur :

La turbine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d'état affectant le fluide moteur qui est en général de la vapeur d'eau. Elle transforme l'énergie thermique de la vapeur d'eau pendant la détente en énergie mécanique de rotation d'arbre pour entrainer un dispositif mécanique tournant. [1]

II.3.2 Les centrales à turbine à combustible :

Dans une turbine à combustion (TAC), l'électricité est générée grâce à la circulation de gaz d'échappement issus d'une chambre de combustion et traversant directement la turbine. La chambre de combustion est le plus souvent interne à la turbine, elle génère de la chaleur à partir d'un mélange d'air initialement comprimé et de fioul ou de gaz. Alors que le fioul

13

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

apporte une sécurité de fourniture, le développement des TAC gaz est aujourd'hui privilégié, notamment pour des raisons environnementales (émissions de gaz à effet de serre et d'éléments polluants moindres). Ce type de centrale démarre en seulement quelques minutes. [1]

Figure I.2 Turbine à combustible

II.3.3 Les centrales à cycle combiné au gaz naturel :

Un cycle combiné consiste à produire de l'électricité sur deux cycles successifs. Le premier cycle est semblable à celui d'une TAC: le gaz brûlé en présence d'air comprimé actionne la rotation de la turbine reliée à l'alternateur. Dans le second cycle, la chaleur récupérée en sortie de la TAC alimente un circuit vapeur qui produit également de l'électricité avec une turbine à vapeur (TAV).

Les centrales à Cycle Combiné Gaz (CCG) présentent l'avantage d'atteindre des rendements élevés, notamment par rapport aux TAC en cycle simple, ils permettent de réduire les émissions atmosphériques (dioxyde de carbone, oxyde d'azote, oxydes de soufre). Ces nouvelles installations contribuent à améliorer les performances environnementales. [1]

La cogénération :

La cogénération est un système de production simultanée de chaleur et d'électricité. La chaleur dégagée lors de la production d'électricité est récupérée pour chauffer des locaux ou utilisée pour alimenter des procédés industriels. Cette production combinée permet d'économiser 15 à 20% d'énergie primaire par rapport à la production séparée des mêmes quantités de chaleur et d'électricité. En outre, elle réduit de façon significative les émissions de CO2 par kWh produit. La cogénération est donc une manière de valoriser les pertes d'énergie et d'optimiser l'efficacité énergétique d'un système. [1]

14

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

II.4 Les avantages et les inconvénients des centrales thermiques :

Les avantages :

-Les centrales sont rapides à construire.

- Cette technologie offre une grande flexibilité d'utilisation qui permet de répondre

rapidement et précisément à la demande.

- Le thermique permet de construire des centrales de grande puissance.

- La production ne dépend pas de conditions extérieures autres que l'approvisionnement en

combustible.

Les inconvénients :

- Cette technologie engendre des émissions de produits polluants et de gaz à effet de serre.

-Le thermique utilise souvent des sources fossiles (charbon, fioul, gaz) dont les réserves sont physiquement limitées par la géologie terrestre et non-renouvelables à court et moyen terme.

III. La production d'énergie électrique en Algérie :

III.1 Capacité nationale de production d'énergie électrique en Algérie : Les centrales de production nationale :

Le parc de production national de l'énergie électrique est dominé par cinq (5) centrales à cycle combiné d'une puissance totale de 5007 MW représentant un pourcentage de 35.87%, elles sont suivies par seize (16) centrales à gaz d'un totale de 4701 MW, un pourcentage de 33.67%, et puis neuf(9) centrales à vapeur qui produisent un total de 3833 MW (27.46%), viendront ensuite treize(13) centrales hydrauliques avec un total de 269.208 MW soit 1.93%, et enfin 150 MW de la puissance totale nette est produite par la nouvelle centrale hybride de Hassi R'Mel qui représente 1.07% de la production totale. On les résume dans le tableau I.1 suivant :

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

15

Type de la
Centrale

	cycles de production	d'énergie	à vapeur	Site
	Nom de la central	Puissance nette nominale (MW)	Energie primaire (Combustible)
Turbine à gaz (TG)	Adrar	100	Gaz	Adrar
	Bab Ezzouar	108	Gaz	Alger
	Annaba	80	Gaz	Annaba
	Boufarik	96	Gaz	Blida
	Larbaa	500	Gaz	Blida
	Tilghemt	200	Gaz	Laghouat
	SKB	500	Gaz	Alger
	M'Sila	730	Gaz	M'Sila
	Kahrama	318	Gaz	Oran
	Hassi Messaoud I	120	Gaz	Ouargla
	Hassi Messaoud II	200	Gaz
	Hassi Messaoud Sud	72	Gaz
	Hassi Messaoud Ouest	492	Gaz
	F'Krina	300	Gaz	Oum el Bouaghi
	Relizane	465	Gaz	Relizane
	Tiaret I & II	420	Gaz	Tiaret
Total	/	4701	/	/
Thermiques à vapeur (TV)	Ras Djinet	672	Gaz/ Diesel	Boumerdes
	Jijel	588	Gaz/ Diesel	Jijel
	Marsat	840	Gaz/ Diesel	Oran
	Ravin Blanc	133	Gaz/ diesel	Oran
	Skikda3833	262	Gaz/ Diesel	Skikda
	Hamma II	418	Gaz/ Diesel	Alger
	Berrouaghia	500	Gaz	Media
	Touifza	220	Gaz	Nâama
	Marsat El Hadjadj	200	Gaz	Oran
Total	/	3833	/	/
Cycles Combinés	Hadjret Ennous	1227	Gaz	Tipaza
	SKS Skikda	880	Gaz	Skikda
	Koudiet Eddraouch	1200	Gaz	El Taref
	M'Sila	500	Gaz	M'Sila
	Targa	1200	Gaz	Aïn Timouchent
Total	/	5007	Gaz	/
Centrale Hydrauliques	Darguina	71.5	Eau	Bejaia
	Ighil Emda	24	Eau	Kherrata
	Mansouria	100	Eau	Jijel
	Erraguene	16	Eau	Jijel
	Souk El Djemaa	8.085	Eau	Tizi Ouzou
	Tizi Meden	4.458	Eau	Tizi Ouzou
	Ighzernchebel	2.712	Eau	Tizi Ouzou
	Ghrib	7.000	Eau	Ain Defla
	Gouriet	6.425	Eau	Tizi Ouzou
	Bouhanifia	5.700	Eau	Mascara
	Oued Fodda	15.600	Eau	Chlef
	Beni Behdel	3.500	Eau	Tlemcen
	Tessala	4.228	Eau	Mila
Total	/	269.208	Eau	/

cycles de production d'énergie à vapeur

16

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

Centrales	Hassi R'mel	150	Gaz-Solaire	Laghouat
Hybride

Tableau I.1 Les centrales de production électrique en Algérie

IV. La centrale thermique d'Achouat :

IV.1 Présentation de la centrale :

Pour satisfaire la demande en énergie électrique à l'Est du pays surtout en prévention de l'alimentation du complexe sidérurgique prévu dans la région de l'Est de Jijel et qui constitue un important client vu sa consommation de 320 MW, SONELGAZ a entreprit de réaliser un projet de construction d'une centrale thermique pour couvrir ce manque qui est de trois tranches chacune ayant une puissance nominale de (210 MW) soit au total (630 MW).

La centrale thermique de Jijel est située à l'Est du pays à 210 km à vol d'oiseau, au bord de la mer méditerranée, elle est implantée à 10 km à l'Est de chef lieu de wilaya à proximité :

· Du port de DJENDJEN

· De L'aéroport FARHAT ABBAS

· De La route nationale 43

Elle s'étend sur une superficie de 60 Hectares. La centrale thermique est composée principalement de 03 turbos alternateurs (turbines à vapeur) d'une puissance unitaire de 210MW.

IV.2 Caractéristiques techniques :

IV.2.1 Fiche technique :

Nombre de groupes : 3

Combustible principal : gaz naturel (156 000 Nm³ /h)

Fluide de refroidissement : eau de mer (80 000 m³ /h)

Tension d'évacuation : 220 KV

Superficie du terrain : 60 Ha

Puissance d'extension prévue : 3 x 300 MW

Puissance nominale unitaire (bornes alternateur): 210 MW

Puissance nominale unitaire (bornes usine) : 196 MW

Puissance max unitaire continue (bornes alternateur) :215 MW

Cos ö nominal : 0.85

Puissance nominale installée (bornes usine) : 588 MW

Combustible de secours : fuel

17

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

Capacité de stockage du fuel : 40000 m3

Capacité de stockage d'eau déminée : 10000 m3 Capacité de stockage d'eau dessalée : 10000 m3

Figure I.3 Les trois turboalternateurs de la centrale de Jijel IV.2.2 Equipement du cycle de production :

IV.2.2.1 La chaudière :

Une chaudière est un composant d'une centrale électrique, appelée aussi Un générateur de vapeur qui est un réservoir contenant un fluide et muni d'un système de chauffage. Son but est de produire et stocker de l'énergie thermique dans ce fluide et d'utiliser cette énergie dans un autre lieu. Il destiné à extraire l'énergie calorifique du combustible et a la céder à la vapeur. La chaudière de la centrale de Jijel est une chaudière en dépression (circulation forcée des fumées), elle possède les caractéristiques suivantes :

-Débit nominal : 670 t/h.

-Pression de service de la vapeur primaire a la sortie de la chaudière : 140 bars.

-Température de la vapeur surchauffée : 545°C.

-Débit de la vapeur secondaire : 590 t/h.

-Pression de la vapeur secondaire a l'entrée de la chaudière : 28 bars.

-Pression de la vapeur secondaire a la sortie de la chaudière : 25 bars.

-Température de la vapeur à resurchauffer : 335 °C.

18

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

-Température de la vapeur resurchauffée : 545 °C. -Température de l'eau d'alimentation : 240 °C

Figure I.4 La chaudière de la central de Jijel IV.2.2.1.1 Constituants de la chaudière:

a. Chambre de combustion (foyer):

C'est dans cette enceinte que l'on brûle le mélange (air gaz), l'oxygène de l'air se combine avec le combustible en produisant de la chaleur et des gaz. C'est dans cette chambre que se dégage toute l'énergie calorifique du combustible (zone la plus chaude du générateur de vapeur).

Cette chambre est généralement formée de tôles réfractaires soudées entre elle ainsi que les différent écrans tel que :

-L'écran frontal

-Les deux écrans latéraux

-L'écran arrière

b. Les brûleurs:

Les brûleurs ont pour but d'engendrer et d'entretenir la combustion du combustible dont ils assurent le mélange homogène avec l'air ambiant. La chambre de combustion porte au total douze (12)

19

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

brûleurs mixtes gaz /fuel à tourbillonnements disposés en deux étages de six brûleurs chacun. Le premier étage est situé à une hauteur de 7.25 m et le deuxième est à 9.85m.

Chaque brûleur est constitué par :

-une boite d'air de combustion divisée en deux canaux : le canal intérieur pour l'air principal et le

canal extérieur pour l'air périphérique.

-un collecteur de gaz avec deux lignes pour le gaz d'allumage et le gaz principal.

-une torche.

-un tube pour installer la buse d'injection de fuel.

c. Ventilateurs de soufflage:

Ils ont pour but de fournir l'air nécessaire à la combustion au niveau des brûleurs. Les débits d'air brassés par ces ventilateurs sont très importants. Les ventilateurs de soufflage aspirent de l'air atmosphérique et refoulent cet air vers la chambre à travers un réchauffeur d'air.

Figure I.5 Le ventilateur de soufflage de la centrale.

d. Réchauffeur d'air rotatif :

C'est un chauffeur thermique dont le but est de :

-Récupérer une partie de la chaleur encore contenue dans les gaz de combustion -Elever la température de l'air comburant pour améliorer la combustion.

20

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

-De plus, dans les générateurs à vapeur, brûle du charbon pulvérisé, l'air chaud est utilisé pour faire sécher le charbon.

e. Ballon (réservoir):

C'est un réservoir cylindrique horizontal placé à la partie haute de la chaudière. Il a deux rouleaux d'appuis qui lui assurent un libre allongement lors de l'échauffement (de travail),il est muni de six colonne d'alimentation des écrans de la chaudière (lieu d'évaporation d'eau ),à l'intérieur du ballon on trouve 84 cyclones (les cyclones assurent la séparation de la vapeur de l'eau du mélange résultant de l'évaporation :sécheur de vapeur par mouvement centrifuge ).La partie supérieur du ballon contient de la vapeur (léger) et la partie inférieur contient de l'eau.

f. Ecrans vaporisateurs:

Dans les générateurs de vapeur moderne, les écrans vaporisateurs sont constitués presque uniquement des tubes d'écrans d'eau tapissant les parois de la chambre de combustion sous l'action de la chaleur dégagée par la flamme contenue dans les tubes d'écran se vaporisent sous forme de bulles.

g. Economiseur:

C'est un échangeur thermique qui a pour but de récupérer une partie de la chaleur restante dans les gaz de combustion pour élever la température de l'eau d'alimentation avant d'être introduite dans le réservoir.

h. Surchauffeur :

C'est un échangeur thermique dont le but est de récupérer une partie de la chaleur contenue dans les gaz de combustion et d'élever la température de la vapeur venant du réservoir à pression constante .La vapeur surchauffée est dirigé vers la CHP.

i. Resurchauffeur :

C'est un reconditionnement en température de la vapeur après l'échappement du corps haute pression (1'ere) détente) pendant le trajet dans le resurchauffeur la température s'élève une deuxième (2'eme) fois à pression constante puis elle sera véhiculer vers le corps moyen pression.

j. Cheminées:

21

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

C'est l'échappement des gaz de fumée de hauteur 80m. Les cheminées sont élevés a fin d'éviter le rabattement des gaz de combustion et obtenir leur plus grande dispersion dans l'atmosphère. Le

sommet des cheminées est protégé contre l'action des gaz et des agents atmosphériques par un couronnement en fonte où en cuivre rouge.

Figure I.6 Les cheminées des 3 groupes

k. ventilateur de tirage:

Le tirage naturel de la cheminée n'étant pas toujours suffisant pour assurer la circulation des gaz depuis le foyer .les ventilateurs de tirage peut être installés à la base de la cheminée, ils aspirent les gaz de combustion de leur sortie de la chaudière pour les refouler vers la cheminée.

l. Ventilateur de recyclage:

Il aspire les fumées a la sortie de la chaudière, les refouler dans celle-ci en face des brûleurs .cela permet :

-Augmenter le rendement de la chaudière.

-Protéger les tubes écrans frontaux des flammes des brûleurs.

IV.2.2.2 La turbine :

C'est une machine thermique dont le rôle est de transformer une partie de l'énergie calorifique en énergie mécanique par l'intermédiaire de la vapeur d'eau.

22

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

La centrale de Jijel est constituée de trois corps : HP, MP, BP. La vapeur venant de la chaudière attaque la turbine par le corps HP ou elle subit une première détente ; les

paramètres de la turbine sont réduits avant d'attaquer le corps MP la vapeur est conditionne de nouveau en pression et en température.

La vapeur détendu dans le corps MP attaque directement le corps BP de la turbine.

Figure I.7 Corps HP

Figure I.8 Corps MP

23

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

Figure I.9 Corps BP

Figure I.10 Turbine à condensation de 210 MW à 3000 tr/mn en 3 corps

Voici le schéma du cycle complet de production d'électricité de la centrale thermique à trois corps d'Achouat

24

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

Figure I.11 Schéma du cycle de production

Avec :

1-condenseur 13-corps basse pression

2-pompe d'extraction 1ier étage. 14- réchauffeur haute pression 1 (RHP1).

3-éjecteur. 15- réchauffeur haute pression 2 (RHP2).

4-condenseur de bouillée avec éjecteur. 16- réchauffeur haute pression 3 (RHP3).

5-pompe d'extraction 2émeetage. 17-générateur de vapeur

6- réchauffeur basse pression 1(RBP1). 18-économiseur

7-condenseur de bouillée sans éjecteur. 19- Surchauffeur.

8- réchauffeur basse pression 2 (RBP2). 20- Resurchauffeur

9- réchauffeur basse pression 3(RBP3). 21-corps haute pression.

10- réchauffeur basse pression 4 (RBP4). 22-corps basse pression.

11-dégazeur. 23-corps moyen pression

12-bâche alimentaire. 24- Alternateur

La turbine à trois corps est conçue pour travailler avec les paramètres suivants :

- Puissance nominale 210MW

- Pression absolue de la vapeur vive en amont des vannes d'arrêt 127.5bar

- Pression absolue de la vapeur resurchauffée en amont des vannes d'interception 23bar

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Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

-Température de vapeur vive et resurchauffée 540°C -Pression de la vapeur à la sortie du CHP 27 bars -Température de vapeur à la sortie du CHP 330°C -Pression de vapeur à la sortie du CBP 0.05 bar -Débit de vapeur de la turbine 670 t/h

-Nombre de corps 3

-Nombre de soupapes de réglage du CHP 4

-Nombre de soupapes de réglage du CMP 4

-Nombre de vannes d'arrêt du CHP 2

-Nombre de vannes d'arrêt du CMP 2

-Nombre d'étages de service :

o au CHP 12

o au CMP 11

o au CBP 2 X 4

-Nombre de soutirage non réglables 7

-Température d'huile entrée turbine 40 à 45°C

-Température d'huile sortie turbine 70°C

-Vitesses critiques de rotation 1489-1862-1970-2487

-Valeurs des dilatations relatives rotor / stator

o CHP +4mm / -1,2mm

o CMP +3mm / - 2,5mm

o CBP +4,5mm / - 2,5mm

-Survitesse turbine 10 %

- Pression d'huile de graissage 0.98 bar

- Pression d'huile de régulation 20 bars

- Vitesse du vireur 3 à 4 tr/mn

- Nombre de paliers turbine 5

IV.2.2.3 L'alternateur :

L'alternateur reçoit de l'énergie mécanique lorsque la vapeur fait tourner la turbine : il convertit cette énergie mécanique en énergie électrique.

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

Pour notre cas, c'est un turbo-alternateur synchrone triphasé de type TLB-200-NT3, il est fabriqué en conformité avec les exigences des normes d'état de U.R.S.S. et la recommandation de la commission électrotechnique international.

Ce type d'alternateur a une puissance de 210000 KW et une fréquence de rotation de 3000tr/min.Les caractéristiques nominales de l'alternateur sont résumées dans le tableau suivant :

Paramètres	Valeurs
Puissance (KVA/KW)	247000/210000
Facteur de puissance	0.85
Fréquence de rotation (tr/min)	3000
Fréquence (Hz)	50
Nombre de phases	3
Couplage des phases	En étoile (Y)
Rendement	98.45-0.155
Tension au stator (V)	15750
Intensité au stator (A)	9060
Intensité au rotor (théorique) (A)	1940
Tension d'excitation (théorique) (V)	450
Rapport de court-circuit (r.c.c)	0.52

Tableau I.2 caractéristiques nominales de l'alternateur

Le refroidissement de l'alternateur se fait par l'eau et par l'hydrogène que sont caractérisées par :

L'hydrogène
Surpression	3 bars
Pureté	97.0 %
Température à la sortie des réfrigérants de gaz	40 °C
L'eau
Débit	111 l/min
Température à l'entré	20 °C
Chute de pression d'eau dans le réfrigérant	0.85 bars

26

Tableau I.3 caractéristiques de l'eau et d'hydrogène

27

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

IV.3 Poste d'eau : IV.3.1 Condenseur :

Le condenseur est destiné à fonctionner avec l'eau de mer, et constitué en deux demi-condenseurs isolable : l'un est indépendante de l'autre.

La vapeur qui arrive dans le condenseur depuis la turbine se met en contacte avec les surfaces froides des tubes de condensation, à l'intérieur duquel circule l'eau de refroidissement et se condense en transférant à l'eau de mer la chaleur d'évaporation.

Le vide est maintenu par le système des éjecteurs de vapeurs, qui évacue l'air et les gaz incondensables.

Débit nominal de la vapeur	421 t/h
Débit maximal	432 t/h
Pression dans le condenseur	52gr à T=20°C
Perte de charge hydraulique	0.54 bars à Q=27500m^3/h
Vitesse de circulation dans les le faisceau tubulaire	1.82 m/s
Pression maximale d'eau de circulation dans les boites à eau	2 bars
Nombre des tubes	16880
Diamètre des tubes	25/23.8mm
Langueur des tubes	9000mm

Tableau I.4 caractéristiques nominales du condenseur

IV.3.2 le dégazeur :

C'est un dispositif qui est caractérisé par : Un débit de 50 t/h.

Une capacité de 100 m3.

Une pression de 1.18 bars.

Son but principal est d'extraire les gaz dissocier dans l'eau : le dégazeur reçoit l'eau d'extraite en général qu'il préchauffe encore afin d'éliminer l'oxygène dissous pour éviter la corrosion au niveau du générateur de vapeur.

28

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

IV.3.3 les réchauffeurs :

IV.3.3.1 Les réchauffeurs à haute pression :

Il est constitué d'organes composés de valve de vapeur avec réchauffeur de vapeur encastré dans la valve .Il existe trois réchauffeurs haute pression by-pass HP recycle la vapeur vive de la chaudière. Ils sont caractérisés par :

Dénomination	Unité	RHP5	RHP6	RHP7
Pression vapeur dans chaque étage	Bars	12.2	26.7	39.2
Température de la vapeur soutirée	°C	378	329	449
Débit de l'eau d'alimentation	t/h	617	617	617
Pression à l'entrée RHP	Bars	186	184	182
Surface de chauffage totale	m2	775	703	775
Refroidisseur de condensat	M	93	93	52
volume espace eau	m ^3	3.9	3.9	3.8
Volume espace vapeur	m ^3	25.2	21.2	25.2

Tableau I.5 caractéristiques des réchauffeurs à haute pression

IV.3.3.2 Le réchauffeur à basse pression :

Il y a quatre (04) réchauffeurs BP qui recycle la vapeur de resurchauffé de la chaudière outre les corps MP et BP de la turbine dans le condenseur .il est composé de deux valves de vapeur avec capacité unitaire de 245t/h.

29

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

Désignation	Unité	RBP4	RBP3	RBP2
Surface de chauffeur	m 2	323	321	350
Refroidisseur de drainage	m 2		29
Refroidissement de vapeur	m 2	24
Pression maximale de service au corps	Bars	6.8	6.8	6.8
Pression maximale de service coté condensateur principal	Bars	15.7	15.7	15.7
Température maximale de l'eau	°C	160	130	160
Température maximale de la vapeur	°C	400	400	400

Tableau I.6 caractéristiques des réchauffeurs basse pression IV.3.3.3 Les réchauffeurs de réseau :

Se sont des échangeurs de chaleur à surface qui permettent d'augmenter la température de l'eau. Il existe deux réchauffeurs de réseau : un avec un éjecteur et l'autre sans.

IV.3.4 La pompe principale (alimentaire):

C'est une pompe centrifuge multicellulaire à corps segmenté. Leur rôle est d'alimenter le ballon chaudière en eau.

L'arbre est guidé par deux paliers radiaux et un palier axial coté refoulement, disposé derrière le palier radical pour absorber les poussées dans les deux sens, il maintient le rotor de la pompe dans sa position axiale.

Le graissage de la pompe se fait par huile sous pression.

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Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

La fréquence de rotation de la pompe principale est variable, elle est réglée automatiquement par coupleur hydraulique en fonction de la charge de chaudière par le régulateur d'alimentation de chaudière.

Le tableau suivant résume les caractéristiques principales de cette pompe :

Caractéristique	Valeur numérique
Débit	316 t/h
Pression a l'admission	13.69 bars
Pression refoulement	175 bars
Puissance absorbée	2021 KW
Vitesse	5191 tr/mn
Température de l'eau	168 °C

Tableau I.7 caractéristiques de la pompe alimentaire

V. Cycles de production d'énergie à vapeur:[2]

V.1 Cycle de Carnot :

Le cycle de CARNOT (Figure 1.9) est le cycle idéal suivant lequel une machine thermique motrice fonctionne en assurant le rendement thermique maximum possible. Il est composé de deux transformations adiabatiques 1-2 et 3-4 (avec échange de travaux : une détente et une compression) et de deux transformations isothermes et isobares 4-1 et 2-3 (avec échange de chaleur Q1 et Q2)

31

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

Figure I.12 Cycle de Carnot

Les quatre transformations composant le cycle de Carnot sont donc:

· 1-2 : Détente adiabatique de la vapeur (Q1-2 = 0) avec production de travail, Wd = Wt = W1-2 = H2 - H1

· 2-3 : Condensation isobare et isotherme de la vapeur humide (sans production de travail W2-3 = 0) avec rejet, par le fluide moteur, de la quantité de chateur Q2 au milieu extérieur, Q2 = Q2-3 = H3 - H2

· 3-4 : Compression adiabatique du fluide moteur (Q3-4 = 0) avec apport de travail W3-4. W_c = Wp = W3-4 = H4 - H3

· 4-1 : Apport, au fluide moteur, de la quantité de chateur Q1 à température et pression constantes (sans production de travail), Q1 = Q4-1 =H1 - H4. [2]

En utilisant ces équations, on obtient le rendement thermodynamique du cycle de CARNOT :

çth-CARNOT = 1 -1Q21 1Q11=1 - H2-H3

H1-H4

Le rendement thermodynamique du cycle de CARNOT a la valeur maximale possible qui puisse exister et donc le rendement thermodynamique de tout autre cycle travaillant entre les mêmes températures T1 et T2 lui sera inférieur.[2]

V.2 Cycle de Rankine :

Le cycle de Rankine (Figure 1.10) peut être considéré comme le cycle de base des turbines à vapeur. Le cycle de Rankine ne diffère du cycle de CARNOT que par le fait que la condensation du fluide moteur est complète (jusqu'à l'état de liquide saturé avec un titre de

32

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

vapeur X3=0, égal à la quantité de vapeur divisé par la quantité totale du mélange) et donc la compression est assurée par une pompe au lieu d'un compresseur, ce qui a pour effet de réduire énormément le travail de compression et d'augmenter énormément le travail disponible (utile). [2]

Figure I.13 (a) Cycle de Rankine (b) Installation du cycle de Rankine

La quantité de chateur Q1, fournit au fluide moteur totalement à pression constante, se compose alors d'une première quantité Q5-4 (avec augmentation de la température dans l'économiseur) pour porter celui-ci à l'état de liquide saturé (X4 =0) avec augmentation de la température suivit d'une deuxième Q4-1 pour l'évaporer à température constante (T4 = T1) jusqu'à l'état de saturation (X1=1). Ce cycle comporte une transformation en plus (5-4) que celui de Carnot.

Le rendement thermique du cycle de Rankine est :

H2-H3 H1-H2

çth = Wd / Q1= 1 - =

H1-H3 H1-H3

On néglige le travail de compression alors 3 et 5 sont confondus et H5 = H3. [2]

V.3 Cycle de Rankine à surchauffe (cycle de Hirn) :

Le cycle de Rankine à surchauffe ou cycle de Hirn (Figure 1.11) ne diffère du cycle de Rankine simple que par une transformation supplémentaire 6-1, pendant laquelle le fluide moteur est surchauffé à une température supérieure à celle de saturation, en lui fournissant une troisième quantité de chaleur Q6-1 dans le surchauffeur. Ceci a pour effet d'augmenter

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Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

énormément le travail de détente et donc le travail utile est d'améliorer les conditions de travail de la turbine et donc son rendement interne puisque une grande partie des étages de la turbine fonctionnent avec de la vapeur sèche. En même temps le rendement thermique du cycle augmente.

Figure I.14 (a) Cycle de Hirn (b) Installation du cycle de Hirn

La quantité de chateur Q1, fournit au fluide moteur totalement à pression constante, augmentera et sera composé alors d'une première quantité Q5-4 (avec augmentation de la température dans l'économiseur) pour porter celui-ci à l'état de liquide saturé (X4=0) avec augmentation de la température suivit d'une deuxième Q4-6 pour l'évaporer à température constante (T4 = T1) jusqu'à l'état de saturation (X1=1), puis d'une troisième Q6-1 pour surchauffer la vapeur saturée jusqu'à T1 >T6 =Tsat.

Le rendement du cycle de Rankine à surchauffe est :

??2-??3 ??1-??2

= -??3 [2]

-??3

çth = Wd / Q1 = 1 - ??1 ??1

V.4 Cycle à resurchauffe :

On peut augmenter d'avantage le rendement thermique du cycle de Rankine à surchauffe en resurchauffant (7-8) le fluide moteur dans un resurchauffeur (c. a. d. double surchauffe). Et donc, par rapport au cycle de Rankine a surchauffe, ce cycle comprend une transformation supplémentaire (Figure 1.12) isobare 7-8 d'apport d'une quatrième quantité de chaleur Q7-8 dans le resurchauffeur et la détente se fait en deux étapes dans deux corps de turbine différents (1-7 dans la turbine haute pression THP et 8-9 dans la turbine basse pression TBP).

34

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

La resurchauffe entraine également l'augmentation du travail de détente et donc le travail utile et l'amélioration des conditions de travail des turbines et donc leur rendement interne puisque une grande partie de leurs étages fonctionnent avec de la vapeur sèche. [2]

Figure I.15 (a) Cycle de Rankine à resurchauffe (b) Installation du cycle à

Resurchauffe

V.5 Cycle à double resurchauffe :

On peut augmenter encore plus le rendement thermique du cycle de Rankine à resurchauffe par une deuxième resurchauffe (10-11) du fluide moteur dans un deuxième resurchauffeur (c'est à dire triple surchauffe) (Figure 1.13). Et donc, par rapport au cycle de Rankine a resurchauffe, ce cycle comprend une transformation supplémentaire isobare 10-11 d'apport d'une cinquième quantité de chaleur Q10-11 dans le deuxième resurchauffeur et la détente se fait en trois étapes dans trois corps de turbine différents (1-7 dans la turbine haute pression THP, 8-10 dans la turbine moyenne pression TMP et 11-12 dans la turbine basse pression TBP. Cette deuxième resurchauffe entraine aussi l'augmentation du travail de détente et donc le travail et la puissance utiles ainsi que le rendement interne des turbines car une plus grande partie de leurs étages fonctionnent avec de la vapeur sèche et donc dans de meilleurs conditions. [2]

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Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

Figure I.16 (a) Cycle à double resurchauffe

Figure I.16 (b) installation de Rankine à double resurchauffe

V.6 Cycle à soutirage :

Le rendement thermique du cycle à vapeur peut être amélioré d'avantage par récupération de chaleur (ou soutirages) en soutirant une fraction de la vapeur `á' qui sera utilisé pour préchauffer le liquide sortant du condenseur dans un échangeur à surface ou à mélange appelé aussi récupérateur avant de l'envoyer dans la chaudière (Figure 1.14). Ceci permet de réduire la quantité de chaleur Q1 fournit au fluide moteur mais avec la pénalité de réduire le travail de détente produit par la turbine car la fraction de la vapeur soutirée ne subira pas la détente totale jusqu'à la pression du condenseur et réduira le débit traversant le reste de la turbine après ce soutirage. [2]

36

Chapitre I Généralités sur les centrales thermique et les

cycles de production d'énergie à vapeur

Figure I.17 (a) Cycle de Rankine à deux soutirages

Figure I.17 (b) Installation du Cycle de Rankine à deux soutirag

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

Chapitre II :

Approche énergétique et

éxergétique

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

37

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.

?U = 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

?S (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 « çth » ou tout simplement rendement d'un cycle thermodynamique « çcycle » ou « ç » 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 :

?th =

Wcycle [2] Qch

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

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

38

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.

h1-h3

Et le rendement se calcule comme suit : ?_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

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

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) = 100

%CH4.Pci(CH4)+%C2H6.Pci(H6)+%C3H8.Pci(C3H8)+%C4H10.Pci(C4H10)

39

b. Calcul du rendement thermodynamique de la chaudière :

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

D_e. (h1 - h24)

?ch

Avec :

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 :

·

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

40

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 : ? ?? = 0 ? ? ?? ???????????????? = ? ?? ????????????????

Donc : ? ????h?? = ? ????h??

Avec :

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

II.2 Analyse éxergétique :

II.2 .1 Principe :

L'exergie d'un système est définie comme étant le maximum des travaux disponibles qui peuvent être réalisés par la combinaison système-environnement. Des valeurs d'exergie plus élevées signifient une valeur plus élevée de travail disponible.

L'analyse de l'exergie est tirée de la première et la deuxième lois de la thermodynamique. [3] On distingue trois formes d'exergie :

· Exergie associée au transfert de flux de matière.

· Exergie associée au transfert de chaleur.

· Exergie associée au transfert de travail.

II.2.1.1 Exergie associée au transfert de flux de matière:

L'Exergie associée au transfert de flux de matière (ËM) peut être décomposée en quatre termes :

ËM = Ëphy + Ëchim + Ëcin + Ëpot

Avec :

· Ëphy: Exergie physique.

· Ëchim: Exergie chimique.

· Ëcin: Exergie cinétique.

· Ëpot: Exergie potentielle

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

41

II.2.1.1.a Exergie physique:

C'est la quantité maximale de travail qui peut être récupérée lorsqu'un flux de matière est porté de son état initial (T0, P0) à l'état de l'environnement défini par (T, P) par un processus ne faisant intervenir qu'une interaction thermique avec l'environnement.

Cette composante est donnée par l'Equation:

Ëphy = m [(h - h0) - T0 (S - S0)]

Avec :

· m : débit massique du fluide.

· h: enthalpie massique du fluide.

· S: entropie massique du fluide.

· T0:Température de référence.

· h0: enthalpie massique de référence.

· S0:entropie massique de référence.

II.2.1.1.b Exergie chimique:

C'est le travail maximal qui peut être récupéré lorsque le flux est porté de l'état de l'environnement à l'état mort (ou état d'équilibre final) par un processus faisant intervenir seulement un transfert thermique et un échange de matière avec l'environnement.

L'exergie chimique est calculée par l'Equation suivante:

Ëchim = m [Ó xn (eCH ) n + RT0Ó xn ln xn]

Avec :

· m : débit massique du fluide.

· T0:Température de référence.

· x_n: la fraction molaire du kth gaz dans le mélange.

· eCH: La valeur de l'éxergie chimique standard.

· R: la constante universelle des gaz.

II.2.1.1.c Exergie cinétique :

Elle est donnée par l'Equation : Ëcin = m. Co2

2

Avec :

· m : débit massique du fluide.

· Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

42

Co : Vitesse du flux de matière par rapport à la surface de la terre.

II.2.1.1.d Exergie potentielle :

Elle est donnée par la relation suivante: Ëpot = m. g. Zo

Avec :

· m : débit massique du fluide.

· Zo : hauteur par rapport au niveau de la mer.

· g : accélération gravitationnelle.

II.2.1.2 Exergie associée au transfert de chaleur :

C'est le travail maximal qui peut être obtenu à partir d'une certaine quantité de chaleur (Q) disponible dans une source de chaleur à une température T constante et d'un puits de chaleur à T0 constante en utilisant une machine réversible.

L'expression de l'exergie associée au transfert de chaleur Q(T) est donnée par l'Equation :

ËQ = Q (?? - ????

???? )

Avec :

· Q: Quantité de chaleur fourni au système.

· Tf: Température à laquelle la quantité de chaleur est fournie au système

· T0:Température de référence.

II.2.1.3 Exergie associée au transfert de travail :

Le travail mécanique et le travail électrique sont des exergies pures .Ce sont des énergies ordonnées qui peuvent être complètement transformées en d'autres formes d'énergie. L'expression de l'exergie associée au transfert de travail est donnée par l'Equation : ËW = W Avec :

· W: travail produit par le système.

II.2.2 Bilan d'exergie :

Le bilan exergétique permet de faire une évaluation quantitative de la dégradation

énergétique, c'est-à-dire de calculer les conséquences des irréversibilités thermodynamique. Le bilan d'exergie autour d'un système en régime permanent est illustré par la figure 2.11 :

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

43

Figure II.2 Système thermodynamique quelconque L'équation du bilan est exprimée par:

? ËMe + ? ËQ = ? ËMs + ? ËW + ËP

Avec:

· ËMe : Exergie associée à la matière à l'entrée du système.

· ËMs : Exergie associée à la matière à la sortie du système.

· ËQ: Exergie associée à une quantité de chaleur.

· ËW: Exergie associée à un travail mécanique.

· ËP: pertes d'éxergie.

II.2.3 Rendement exergétique :

Un autre paramètre dans l'analyse exergétique d'un système est déterminé le rendement de l'exergie, qui est le pourcentage de l'exercice du combustible fournie à un système par rapport à l'exercice du produit. En outre, la différence entre 100 % et la valeur réelle de rendement éxergétique, exprimé en pourcentage, est le pourcentage de l'éxergie du combustible gaspillée dans ce système sous forme de destruction et de perte d'éxergie.

Le rendement exergétique est exprimé par :

ËPr

flex =

Ëf

Avec:

· ËPr: l'exergie du produit.

· Ëf: l'exergie du combustible fourni à un système.

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

44

II.2.3.1 Turbine :

Le bilan exergétique (Figure 2.12) de la turbine s'exprime par:

E Ee,T = E Es,T + WTur + EP,T

· Ée : Exergie entrante au système.

· És : Exergie sortante du système.

· W: Travail mécanique produit de la turbine.

· ÉP: pertes d'éxergie de la turbine.

Figure II.3 Système thermodynamique de la turbine

Les Pertes exergétiques dans la turbine s'expriment: ÉP,Tur = E Ée,Tur - E És,Tur - WTur

Le rendement exergétique de la turbine est donné par:

Ilex,Tur = WTur / (EEe,Tur - EEs,Tur)

II.2.3.2 Réchauffeur:

Le bilan exergétique (Figure 2.13) est donnée par : E Ée,Réch = E És,Réch + ÉP,Réch Les pertes exergétiques dans le réchauffeur sont évaluées par l'expression suivante: ÉP,Réch = E Ée,Réch - E És,Réch

Avec :

· É_e : Exergie entrante au système.

· É_s : Exergie sortante du système.

· ÉP: pertes d'éxergie du réchauffeur.

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

45

Figure II.4 Système thermodynamique du réchauffeur

Le rendement exergétique du réchauffeur est donné par: ?ex,Réch = ? Ës,Réch / ? Ëe,Réch

II.2.3.3 Condenseur :

Le bilan exergétique (Figure 2.14) du condenseur est donné par : ? Ëe,Cond = ? Ës,Cond +

ËP,Cond

Les pertes exergétiques dans le condenseur sont donnée par : ËP,Cond = ? Ëe,Cond - ?

Ës,Cond

Le rendement exergétique du condenseur est donné par :

?ex,C = ?Ës,C / ?Ëe,C

Figure II.5 Système thermodynamique du condenseur II.2.3.4 Chaudière:

Le bilan exergétique de la chaudière (Figure 2.15) est donnée par: Ëq + ? Ëe,ch = ? Ës,ch + ËP,ch

Les pertes exergétiques dans la chaudière sont donné par :

Chapitre II Approche énergétique et éxergétique

ËP,ch = Ëq + ?Ëe,ch - ?Ës,ch

Le rendement exergétique de la chaudière est donné par:

?ex,ch = (?Ës,ch - ?Ëe,ch) / Ëq

?Ëe,ch

Ëq
?Ës,ch			ËP,ch

46

Figure II.6 Système thermodynamique de la chaudière

Chapitre III Résultats et discussion

Chapitre III :

Résultats et discussion

Chapitre III Résultats et discussion

48

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. 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.

Chapitre III Résultats et discussion

49

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 1^er 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)

50

Chapitre III Résultats et discussion

5-Pompe d'extraction 2^ème 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

Chapitre III Résultats et discussion

51

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 :

Point	Pression (bars)	Températures (C°)	Débit (t/h)	Enthalpie (kJ/kg)	Entropie (KJ/kg.K)
1	127.5	545	617	3459.82	6.5
2	39.2	378	31.2	3171.7	6.7
3	28	330	43.4	3080.8	6.7
4	28	330	564.8	3080.8	6.7
5	25	545	564.8	3562.09	7.4
6	12.2	449	14.8	3369.2	7.5
7	6.8	345	25.2	3152.01	7.4
8	6.8	240	19.1	2929.63	7
9	6.8	160	27.4	2741.49	1.9
10	1.1	158	500.5	2784.76	7.6
11	1.18	70.2	19.6	2687.92	0.9
12	0.05	38	432	2573.4	8.4
13	0.05	39	432	161.39	8.4
14	8	39	576.3	161.39	0.5
15	20	40	576.3	167.39	0.5
16	18	61	576.3	255.31	0.8
17	15.7	101	617	424.41	1.3
18	15.7	130	617	546.31	1.6
19	15.7	160	617	675.41	1.9
20	13.7	168	617	710.36	2
21	186	162	617	797.21	1.9
22	184	195	617	873.35	2.2
23	182	162	617	943.95	1.9
24	176.5	244	617	1058.2	2.7

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

Chapitre III Résultats et discussion

52

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)

On a par définition: ?_CHP = (h1 - h4)/( h1 - h4s)

AN : ?HP=?CHP = (3459.82 - 3080.8)/(3459.82 - 3010) = 0.843

??????? = 84,3%

Chapitre III Résultats et discussion

53

Figure III.3 Diagramme h-s du cas réel de CHP

· Corps à moyenne Pression (CMP) :

D'aprés la figure III.3, on tire h12s ? 2490 kJ/kg: enthalpie massique réversible isentropique de l'état 12 situé à la sortie de la turbine MP (voir figure III.1)

Avec h12 = 2573,4 kJ/kg : enthalpie massique réelle du point 12 et h10 = 2784,76 kJ/kg enthalpie massique du point 10 situé à l'entrée de la turbine MP (d'après le tableau III.1 et figure III.1)

On a par définition: ?_CMP = (h10 - h₁₂)/( h10 - h12s)

AN : ?MP=?CMP = (2784,76 - 2573.4)/(2784,76 - 2490) = 0,717

??????? = 71,7%

Chapitre III Résultats et discussion

54

Figure III.4 Diagramme h-s du cas réel de CMP

· Corps à basse Pression (CBP) :

D'aprés la figure III.4, on tire h10s ? 2600 kJ/kg: enthalpie réversible isentropique de l'état 10 situé à la sortie de la turbine BP.

Avec h10 = 2784,76 kJ/kg : enthalpie massique réelle du point 10, et h5 = 3562,09 kJ/kg enthalpie massique du point 5 situé à l'entrée de la turbine BP (d'après le tableau III.1 et figure III.1).

On a par définition: ?_CBP = (h5 - h₁₀)/( h5 - h10s)

AN : ?BP=?CBP = (3562,09 - 2784,76)/(3562,09 - 2600) = 0,808

??????? = 80,8%

Chapitre III Résultats et discussion

Figure III.5 Diagramme h-s du cas réel de CBP

· Détermination du rendement des trois corps :

?T =((h1 - h4) + (h10 - h12) + (h5 - h10))/((h1 - h4??) + (h10 - h12??) + (h5 - h10??))

?T =1377.58/1706.67

?T =80.71%

III.2.2 Rendement thermodynamique de la chaudière :

Avant de calculer le rendement thermodynamique de la chaudière, il faut d'abord déterminer le pouvoir calorifique inférieur du fuel utilisé pour la combustion et qui est le gaz naturel.

III.2.2.1 Calcul du pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gaz naturel : Le tableau suivant donne la composition volumique du gaz naturel algérien:

Constituants	N2	CO2	CH4	C2H6	C3H8		C4H10	Pourcentage (%)
5,5	0,21	83,45	7,4	2,45	1

55

Tableau III.2 : Composition volumique du gaz naturel algérien

Chapitre III Résultats et discussion

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) se calcule à partir des enthalpies de combustion des différents constituants du gaz naturel, en utilisant les enthalpies de formation suivantes :

Substance	Nom	Etat physique	Enthalpie de formation ????? ?? en o J/kmol (à 25°C et 0,1 MPa)		Masse molaire (g/mol)	CO2
Dioxyde de carbone	Gaz	- 393520	44,011		CH4
Méthane	Gaz	- 74850	16,043		C2H6
Ethane	Gaz	- 84680	30,070		C3H8
Propane	Gaz	- 103850	44,097		C4H10
Butane	Gaz	- 126150	58,123		H2O
Eau	Gaz	- 241820	18,015

Tableau III.3 : Les enthalpies de combustion des différents constituants du gaz naturel

· Methane: CH4 + 2O2 ? CO2 + 2 H2O

?hcomb(CH4)

0 = ?h_f⁰(CO2) + 2. ?h_f⁰ (H2O) - ?h_f⁰(CH₄) = -393520 - 2.241820 + 74850
= -802310 kJ/mol

On a PCI (CH4) =

-??????? (??????) ????????

???????? = ?????????? .

· Ethane: C2H6 + ???? O2 ? 2 CO2 + 3 H2O ?hcomb(C₂H₆ )

0 = 2. ?hf⁰(CO2) + 3. ?hf⁰ (H2O) - ?hf⁰(C2H6)

2.393520 + 3.241820 - 84680

30,07

= ??????????, ??

????

? ?????? (????????) =

????

· = ????????????

????,??????

56

Propane: C3H8 + 5 O2 ? 3 CO2 + 4 H2O

?hcomb(C₃H₈)

0 = 3. ?hf ⁰(CO2) + 4. ?hf ⁰ (H2O) - ?hf ⁰(C3H8)

? ?????? (????????) =	3.393520 + 4.241820 - 103850		= ??????????,???? ????/????

· Butane: C4H10 + ?????? O2 ? 4 CO2 + 5 H2O ?hcomb(C₄H₁₀)

0 = 4. ?hf⁰(CO2) + 5. ?hf⁰ (H2O) - ?hf⁰(C4H10)

? ?????? (??????????) =	4.393520 + 5.241820 - 126150		= ??????????, ???? ????/????

Le pouvoir calorifique inférieur du gaz naturel (GN) est déterminé en fonction du pouvoir calorifique de chaque constituant ainsi que leurs compositions volumiques, comme suit :

%CH4.PCI(CH4)+%C2H6.PCI(H6)+%C3H8.PCI(C3H8)+%C4H10.PCI(C4H10)

PCI (GN) = 100

PCI (GN) = 83,45.50010+7,4.47483,2+2,45.46352,13+ 45713,92 100

PCI (GN) = 46839,87 ????

????

Chapitre III Résultats et discussion

III.2.2.2 Calcul du rendement de la chaudière :

D'après la méthode directe, on calcule le rendement de la chaudière comme suit :

D_e. (h1 - h24)

?ch

Avec :

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

?ch	617000. (3459,82 - 1058,2)		= 0,2535

57

????? = ????,???? %

III.2.3 Réchauffeurs :

On va utiliser les débits massiques relatifs (notés Y) tirés des bilans énergétique des réchauffeurs, pour calculer la chaleur fournie (qin) et le travail net (wnet) dans le but de définir le rendement global du cycle thermodynamique [Ohio].

On commence par les réchauffeurs à haute pression.

· RHP3 (Figure III.1 n°16) :

Soit Y2 le débit massique relatif au point 2

Chapitre III Résultats et discussion

58

Figure III.6 : Schéma thermodynamique de RHP3 Le bilan énergétique : m2.h2 + m.h23 = m2.h2L +m.h24

Avec : Y2 = m2 ??

alors : m2 = m. Y2

On remplace l'expression de m2 dans l'équation du bilan:

??????-??????

m.Y2.h2 + m.h23 = m.Y2.h2L + m.h24 Donc : Y2= ????-??????

Les enthalpies ont été calculées à partir du site Application numérique :

Point	P (bar)	T (C°)		h(kJ/kg)	2
39.2	378	3171.7		2L
39.2	215	920.96		23
181.5	219	943.95		24
178.5	244	1058.2

Y2= 1058.2-943.95 = 0.05

3171.7-920.96

· Chapitre III Résultats et discussion

59

RHP2 : (numéro15 sur le schéma) Soit Y3 le débit massique relatif au point 3

Figure III.7 Schéma thermodynamique de RHP2

Le bilan énergétique : m3.h3 + m2.h2L+ m.h22 = m.h23 + (m3+m2).h3L

Avec : Y3 = m3 ??

donc : m3= Y3.m et m2= m.Y2

Donc : m.Y3.h3 + m.Y2.h2L + m.h22 = m.h23 + m. (Y3+Y2).h3L

?Y3=

????-??????

Application numérique :

(??????-??????)-????.(??????-??????)

Point	P (bar)	T(°C)		h (kJ/kg)	3
28	330	3080.8		3L
28	191	812.45		22
184	195	837.34		23
181.5	219	943.95		2L
39.2	215	920.96

Y3= (943.95-837.35)-0.05.(920.96-812.45) 3080.8-821.45

= 0.045.

· Chapitre III Résultats et discussion

60

RHP1 :

Soit Y6 le débit massique relatif au point 6

Figure III.8 Schéma thermodynamique de RHP1

Le bilan énergétique : m6.h6 + (m3+m2).h3L+ m.h21 = m.h22 + (m2+m3+m6).h6L

Y6.m.h6 + m.(Y2+Y3)h3L+m.h21=m.h22+m.(Y2+Y3+Y6).h6L

Avec : Y6 = m6 ??

Donc : Y6 = (h????-h????)-(Y??+Y??).(h????-h????) h??-h????

Application numérique :

Point	P(bar)	T(°C)		h(kJ/kg)	6
12.2	449	3369.2		6L
12.2	166	701.76		21
28	191	812.45		3L
28	191	812.45		22
184	195	837.34

Y6 = (837.35-728.74)-0.095.(812.45-701.76) 3369.2-701.76

= 0.0367.

· Chapitre III Résultats et discussion

61

RBP4 :

Soit Y7 le débit massique relatif au point 7

Figure III.9 Schéma thermodynamique de RBP4

Le bilan énergétique :

m7.h7 + m.h18 = m7.h7L + m h19

Avec : Y7 = m7

??

Y7.(h7- h7L) = h19 - h18 Donc : Y7 = ??????-??????

????-??????

Application numérique :

Point	P(bar)	T(°C)		h(kJ/kg)	7
6.8	345	3152.01		7L
6.8	126	529.62		18
15.7	130	546.31		19
15.7	160	675.41

Y7 = 675.41-546.31 3152.01-529.62

= 0.049

· Chapitre III Résultats et discussion

62

RBP3 :

Soit Y8 le débit massique relatif au point 8

Figure III.10 Schéma thermodynamique de RBP3

Le bilan énergétique : m8.h8 + m7.h7L + m.h17 = (m8+m7).h8L + m.h18

Y8.(h8 - h8L) = Y7.(h8L - h7L) + (h18 - h17)

Avec : Y8 = m8 ??

Donc : Y8 = (??????-??????)-????.(??????-??????) ????-??????

Application numérique :

Point	P(bar)	T(°C)		h(kJ/kg)	8
6.8	240	2929.63		8L
6.8	97	406.87		17
15.7	101	424.41		7L
6.8	126	529.62		18
15.7	130	546.31

Y8 = (564.31-424.41)-0.049.(529.62-406.87) 2929.63-406.87

= 0.053

· Chapitre III Résultats et discussion

63

RBP2 :

Soit Y9 le débit massique relatif au point 9.

Figure III.11 Schéma thermodynamique de RBP2

Le bilan énergétique :

m9.h9 + m.h16 + (m7 + m8).h8L = m.h17 + (m9 + m8 + m9).h9L

Avec : Y9 = m9

??

Y9.(h9 - h9L) = (h17 - h16) + (Y8 - Y7).(h9L - h8L), Donc : Y9

= (??????-??????)-(????+????).(??????-??????)

????-??????

Application numérique :

Point	P(bar)	T(°C)		h(kJ/kg)	16
18	61	255.31		9
6.8	160	2741.49		9L
6.8	57	239.16		8L
6.8	97	406.87		17
15.7	101	424.41

Y9 = (424.41-255.31)-(0.053+0.049).(406.87-239.16) 2741.09-239.19

= 0.06.

· Chapitre III Résultats et discussion

RBP1 :

Soit Y11 le débit massique relatif au point 11

Figure III.12 Schéma thermodynamique de RBP1

Le bilan énergétique : m11.h11 + m.h15 + (m8+m7+m9).h9L = m.h16 + (m9+m7+m8+m11).h11L

Avec : Y11 = m11

?? ? Y11.(h11-h11L) = (h16-h15) + (Y8+Y7+Y9).(h11L-h9L).

? Y11 = ??????-????????

(??????-??????)- (????+????+????).(??????-????????)

64

Application numérique :

Point	P(bar)	T(°C)		h(kJ/kg)	11
1.18	70.2	2687.92		11L
1.18	36	150.92		15
20	40	167.39		16
18	61	255.31		9L
6.8	57	239.16

Y11 = (255.31-167.39)-(0.049+0.053+0.06).(239.16-150.92) (2687.92-150.92)

= 0.029.

Chapitre III Résultats et discussion

II.1.2.3.a Calcul de la chaleur fournie :

Selon [Ohio] : qin = (h1-h24) + [1-(Y2+Y3)].(h5-h4)

qin = (3459.82-1058.2) + [1-(0.05+0.045)].(3562.09-3070.93)

qin = 2846.11 kJ/kg

II.1.2.3.b Calcul du travail net :

On a : le travail total (net) est la somme des travaux des trois corps de la turbine, ainsi : Wnet=WCHP+WCMP+WCBP

· Corps à haute pression :

WCHP = (h1-h2) + (h2-h4).(1-Y2)

On a: WCHP = (h1-h2) + (h2-h4).(1-Y2) = (3459.11-3171.7)+(3171.7-3070.93).(1-0.05)

WCHP =383.14 kJ/kg

· Corps à moyenne pression :

On a : WCMP = z.(h10-h12) - Y7.(h7-h12) - Y9.(h9-h12) - Y8.(h6-h12) - Y11.(h11-h12)

Avec : z= 1 - (Y6+Y2+Y3)

WCMP = 121.86 kJ/kg

· Corps à basse pression :

WCBP = (h5-h6).[1-(Y2+Y3)].(h6-h10).z

WCBP = 682.19 kJ/kg Alors : Wnet= 682.19+121.86+383.14

Wnet= 1187.19 kJ/kg II.1.2.3.c Calcul du rendement :

On a : Þ=

qin

= 1187.19

2846.11

= ??, ????????

Wnet

65

? = 41.71%

Chapitre III Résultats et discussion

66

III.3 Bilan d'éxergie :

En ce qui concerne l'analyse éxergétique, par manque de données, nous avons procéder seulement au calcul du rendement éxergétique de la turbine et de la chaudière.

III.3.1 Calcul du rendement éxergétique de la turbine :

On calcule le rendement des rois corps de la turbine séparément ;

· Corps à haute pression (CHP) :

Le bilan exergétique s'exprime par : ?Ëe(CHP) = ?Ës(CHP) + ?(CHP) + ËP(CHP) Tel que :

· Ëe : Exergie entrante au système.

· Ë_s : Exergie sortante du système.

· W: Travail mécanique produit de la turbine.

· ËP: pertes d'éxergie de la turbine.

a. Calcul des termes de l'équation:

Premier terme: Puissance éxergétique entrante :

?Ëe (CHP) = Ë1 = m1 [ ( h1 - h0) - T0 (S1 - S0)]

Avec: Ë1: puissance éxergétique du point 1

A.N : ?Ëe (CHP) = 1000

3600 * 617[ ( 3459.82 - 104.92) - 298.15 (6.5 - 0.3)] ?Ëe(CHP) = 258175.0806 ????.

Deuxième terme: puissance éxergétique sortante: ?Ës(CHP) = Ë2 + Ë3 + Ë4 (*)

Avec:

Ë2 = m2 [(h2 - h0) - T0 (S2 - S0)], puissance éxergétique du point 2

Ë2= 1000 3600

* 31.2[(3171.7 - 104.92) - 298.15 (6.7 - 0.3)]

Ë2 =10041.37333 = ????

Ë3 = m3 [( h3 - h0 ) - T0 (S3 - S0)], puissance éxergétique du point 3

Ë3 = 1000 3600

* 43.4 [( 3080.8 - 104.92)- 298.15(6.7 - 0.3)]

Ë3 = 12871.95778????

Ë4 = m4 [(h4 - h0) - T0 (S4 - S0)], puissance éxergétique du point 4

Ë4 = 1000 3600

* 564.8 [(3080.8 - 104.92) - 298.15 (6.7 - 0.3)]

Chapitre III Résultats et discussion

67

Ë4=167513.4044????

En remplaçant chaque terme dans l'équation (*) on obtient la puissance éxergétique du CHP ?Ës(CHP) = 10041.37333 + 12871.95778 + 167513.4044.

?Ës(CHP) = 190426.7355 ????

Troisième terme: puissance éxergétique du travail produit par le CHP

On a ?(CHP) = m1 * W(CHP). Où: m1 : débit total de la vapeur d'eau en tonne par heure

A.N : ?T,Hp = 1000

3600 * 617 * 383.14.

?T,Hp = 65665.93889 ????

Quatrième terme : perte de la puissance éxergétique du CHP ËP(CHP) = ?Ëe,T,Hp - ?Ës,T,Hp - ?T,HP

ËP(CHP) = 258175.0806 - 190426.7355 - 65665.93889.

ËP(CHP) = 2082.4062????

Calcul du rendement exergétique du CHP:

On a : ?ex, (CHP) = ?(CHP) / (?Ëe, (CHP) - ?Ës, (CHP) ).

65665.93889

A.N : ?ex, (CHP) = (258175.0806-190426.7355).

?ex, (CHP) = 96.92 %.

· Corps à moyenne pression (CMP) :

On procéde à la même méthode de calcul que pour la turbine CHP

Le bilan exergétique s'exprime par : ?Ëe, (CMP) = ?Ës, (CMP) + ?(CMP) + ËP(CMP).

Calcul des termes de l'équation:

On a :

?Ëe, (CMP) = Ë5 = m5 [ ( h5 - h0) - T0 (S5 - S0)]

?Ëe, (CMP) = 1000

3600 * 564.8[ ( 3562.09 - 104.92) - 298.15 (7.4 - 0.3)]

?Ëe, (CMP) =210278.9622????

Et :

?Ës, (CMP) = Ë6 + Ë7 + Ë8 + Ë9 + Ë10 . Ë6 = m6 [ ( h6 - h0 ) - T0 (S6 - S0)].

Ë6= 1000 3600

* 14.8[ ( 3369.2 - 104.92)- 298.15 (7.5 - 0.3)]

Ë6 =4594.577778????

Ë7 = m7 [( h7 - h0 ) - T0 (S7 - S0)]

Chapitre III Résultats et discussion

68

_ 1000 Ë7 3600

* 25.2[(3152 - 104.92)- 298.15 (7.4 - 0.3)]

É7 =6511.575Kw

Ë8 = m8 [(h8 - h0 ) - T0 (S8 - S0)].

· _ 1000 E8 3600

* 19.1[(2929.63 - 104.92)- 298.15 (7 - 0.3)]

É8 =4388.251528Kw

Ë9 = m9 [(h9 - h0) - T0 (S9 - S0)].

1000 Ë9 = 3600

* 27.4[(2741.49 - 104.92)- 298.15 (1.9 - 0.3)]

É9=16436.42278Kw

Ë10 = m10 [(h10 - h0) - T0 (S10 - S0)].

1000 Ë10 3600

* 500.5[(2784.76 - 104.92) - 298.15 (7.6 - 0.3)]

É10 =69978.93681Kw

Donc:

?Ës, (CMP) = 4594.577778 + 6511.575 +4388.251528 +16436.42278 + 69978.93681.

?És, (CMP) = 101909.7639 Kw

ET on a:

W(CMP) = m5 * W(CMP).

W(CMP) = 1000

3600 * 564.8 * 682.19.

?(CMP) =107028.0311Kw

ET on a :

ËP (CMP) = ?Ëe, (CMP) - ?Ës, (CMP) - W(CMP)

ËP(CMP) = 210278.9622 -101909.7639 - 107028.0311.

ÉP(CMP) = 1341.1672Kw

Le rendement exergétique dans le CMP:

Ilex, (CMP) = W(CMP) / (?Ëe, (CMP) - ?Ës, (CMP)).

107028.0311

Ilex, (CMP) = (210278.9622-101909.7639 ).

Ilex, (CMP) = 98.76 %.

· CBP :

Le bilan exergétique s'exprime par :

?Ëe, (CBP) = ?Ës, (CBP) + W(CBP) + ËP(CBP) .

Calcul des termes de l'équation:

On a :

?Ëe, (CBP) = Ë10 = m10 [ ( h10 - h0) - T0 (S10 - S0)]

?Ëe, (CBP) =10003600 * 500.5[ ( 2784.76 - 104.92) - 298.15 (7.6 - 0.3)]

Chapitre III Résultats et discussion

?Ëe, (CBP) =69978.93681Kw

ET on a:

?Ës, (CBP) = Ë11 + Ë12 .

Ë11 = m11 [ ( h11 - h0 ) - T0 (S11 - S0)]

Ë11 = 3600

* 19.6[ ( 2687.92 - 104.92)- 298.15 (0.9 - 0.3)]

1000

69

Ë11=13089.04333Kw

Ë12 = m12 [ ( h12 - h0 ) - T0 (S12 - S0)]

Ë12= 1000 3600

* 432 [ ( 2573.4 - 104.92)- 298.15(8.4 - 0.3)]

Ë12= 6415.8Kw Alors :

?Ës, (CBP) =13089.04333 + 6415.8.
?Ës, (CBP) = 19504.84333Kw

ET:

?(CBP) = m10 * W(CBP) .

?T,Bp = 1000

3600 * 500.5 * 121.86.

?(CBP) =16941.925Kw

ET on a :

ËP(CBP) = ?Ëe(CBP) - ?Ës(CBP) - ?(CBP)

Ë(CBP) = 69978.93681 - 19504.84333 - 16941.925.

ËP(CBP) = 33532.16848Kw

Le rendement exergétique dans le corps à basse pression:

flex, (CBP) = ?(CBP) / (?Ëe, (CBP) - ?Ës, (CBP) )

16941.925

flex, (CBP) = (69978.93681 -19504.84333)^. ?ex, (CBP) = 33.56 %.

III.3.2 Calcul du rendement éxergétique de la Chaudière:

Le bilan exergétique s'exprime par : Ëq + ?Ëe,ch = ?Ës,ch + ËP,ch. Calcul des termes de l'équation: On a :

?Ëe,_ch = Ë4 + Ë24 .

Ë4 = m4 [ ( h4 - h0 ) - T0 (S4 - S0)]

Chapitre III Résultats et discussion

70

_1000 Ë4 3600

* 564.8 [ ( 3080.8 - 104.92)- 298.15 (6.7 - 0.3)]

Ë4 =167513.4044????

Ë24 = m24 [ ( h24 - h0 ) - T0 (S24 - S0)]

Ë24= 1000 * 617[ ( 1058.2 - 104.92)- 298.15 (2.7 - 0.3)] ³⁶⁰⁰Ë24 =26945.67542????

Et on a :

?Ëe,ch = 167513.4044 + 26945.67542.

?Ëe,ch = 194459.0798????

Alors :

?Ës,_ch = Ë1 + Ë5.

Ë1 = m1 [ ( h1 - h0) - T0 (S1 - S0)]

_ 1000 Ë1 3600

* 617[( 3459.82 - 104.92) - 298.15 (6.5 - 0.3)]

Ë1 =258175.0806????

Ë5 = m5 [ ( h5 - h0) - T0 (S5 - S0)]

1000 Ë5 = 3600

* 564.8[ ( 3562.09 - 104.92) - 298.15 (7.4 - 0.3)]

Ë5 =210278.9622????

Donc:

?Ës,ch =258175.0806 + 210278.9622.

?Ës,ch =468454.0428????

Et on a :

ËQ =?? (1 - ??0

???? ).

ËQ = 2060230.196 * (1 - 298.15 673.15 )

ËQ = 1147717.928Kw

ET:

ËP,ch = ËQ + ?Ëe,ch - ?Ës,ch .

ËP,ch = 1147717.928 + 194459.0798 + 468454.0428.

ËP,ch = 1810631.051????

Le rendement exergétique dans la chaudière:

?ex,ch = (?Ës,_ch - ?Ëe,_ch) / ËQ.

?ex,ch = (468454.0428 - 194459.0798 )/ 1147717.928.

?ex,ch = 23.87%.

71

Conclusion

III.4 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.

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References bibliographiques

References bibliographiques:

[1] Université 8 Mai 1945-Guelma Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Génie Electrotechnique et Automatique : Notes de Cours Production d'Energie Electrique

[2] cours thermodynamiques et installations énergétiques Université des Sciences et de la

Technologie d'Oran Mohamed BOUDIAFFaculté de Génie Mécanique Département de Génie Mécanique 2017

[3] Amirabedin Ehsan , M. Zeki Yilmazoglu"Design and Exergy Analysis of a Thermal Power Plant Using Different Types of Turkish Lignite",Researcher at Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Gazi University, Ankara, Turkey,2011

[4] Eric Goncalvès da Silva, Jean-Paul Thibault. Cycles thermodynamiques des machines thermiques.Engineering school. Institut polytechnique de Grenoble, 2008, pp.153. cel-00556977 [5] https://www.afgnv.org/wp-content/uploads/2018/12/Annexes-Circulaire-Douanes-GNC-2019.pdf)

[6] https://www.lelementarium.fr/focus/gaz-naturel/

[7 https://www.afgnv.org/wp-content/uploads/2018/12/Annexes-Circulaire-Douanes-GNC-2019.pdf