Chapitre 2: Dimensionnement du cycle à vapeur
Dans ce chapitre, il est essentiellement question de produire
une énergie supplémentaire, à partir d'un cycle à
vapeur basé sur la récupération d'une partie de la chaleur
contenue dans les gaz d'échappement du groupe thermique N°8. En
réalité, la centrale G8 dispose d'un cycle à vapeur pour
alimenter ses consommateurs de vapeur. En effet, le fuel lourd nécessite
un chauffage avant utilisation compte tenu de sa forte viscosité.
Les consommateurs de vapeur de la centrale G8 sont
essentiellement:
> la cuve journalière;
> la cuve tampon;
> la cuve à boue;
> les séparateurs d'huile;
> les séparateurs HFO;
> le réchauffeur du booster.
Notons que les groupes thermiques N°6, 7 et 8 partagent
la même cuve de stockage HFO et cette dernière est
alimentée en vapeur par les chaudières des groupes thermiques
N°6 et N°7.
Dans la suite, nous apporterons des modifications au cycle
à vapeur existant, afin qu'avant d'alimenter les consommateurs de
vapeurs nous puissions produire une énergie supplémentaire.
2.1 Présentation des cycles à
vapeur
2.1.1 Cycle à vapeur existant
Les principaux éléments du cycle à vapeur
actuel de la centrale thermique N°8 sont:
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 20
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Ø une chaudière de récupération;
Ø deux pompes d'alimentation en eau de la chaudière
(une en marche et la seconde en secours);
Ø un condenseur.
La figure 3 nous donne un aperçu du cycle à vapeur
existant à la centrale G8 :
Figure 3 : Cycle à vapeur existant
2.1.2 Cycle à vapeur proposé dans le cadre
de l'étude
Les modifications apportées au cycle existant sont
essentiellement:
Ø l'ajout d'une turbine à vapeur pour la production
de l'énergie;
Ø les consommateurs de vapeur refroidiront le fluide
à la sortie de la turbine à vapeur.
Concrètement, il s'agira:
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Ø d'utiliser la vapeur produite pour actionner une turbine
à vapeur;
Ø d'arrêter la détente pendant que le
fluide est toujours dans un état de vapeur sèche;
Ø d'orienter le fluide à la sortie de la turbine
vers les consommateurs de vapeur où il sera refroidit pour permettre la
reprise du cycle.
La figure 4 nous présente un aperçu du nouveau
cycle à vapeur:
Figure 4 : Cycle à vapeur utilisé dans le
cadre de l'étude
2.2 Etude des composants du cycle à
vapeur
Le Cycle thermodynamique de notre installation à vapeur
correspond au cycle de Rankine. Sa représentation dans le diagramme TS
est indiquée sur la figure 5 :
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 21
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 22
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Figure 5 : Diagramme TS du cycle à
vapeur
L'eau du circuit thermodynamique subit des changements de phase
pour assurer le bon fonctionnement de la centrale à vapeur.
Les différentes évolutions de l'eau à
travers les sous-systèmes de l'installation à vapeur sont:
A-B : pompage adiabatique réversible;
B-C : apport de chaleur à pression constante dans la
chaudière par la chaleur des gaz d'échappement;
C-D : détente à travers la turbine à
vapeur;
D-A : échange de chaleur à pression constante dans
le condenseur.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 23
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
2.2.1 Hypothèses de dimensionnement
Dans les calculs qui suivent, nous avons retenu les
hypothèses suivantes :
> le régime est permanent ;
> l'écoulement est unidimensionnel ;
> l'apport ou l'extraction de chaleur dans les
échangeurs de chaleur se fait sans transfert de travail (P =
cte) ;
> les variations d'énergie mécanique sont
négligées ;
> l'apport ou l'extraction de travail (dans la pompe et la
turbine) se fait sans transfert de chaleur (transformations adiabatiques) ;
> les pertes de charges sont négligées.
2.2.2 Dimensionnement de la turbine à
vapeur
C'est la pièce maîtresse d'une centrale à
vapeur. C'est une machine qui extrait l'énergie thermique de la vapeur
sous pression et l'utilise pour produire un travail mécanique, travail
mécanique qui est ensuite transformé en énergie
électrique à l'aide d'un alternateur.
2.2.2.1 Evaluation de la puissance
d'écoulement1
Considérons un écoulement stationnaire de la
vapeur à travers une turbine à vapeur:
Le travail nécessaire pour l'insertion à la
pression P1 d'un élément de vapeur
dans la turbine est Wins = P1Velement
; (1)
où Wins est le travail d'insertion (J)
et Velement est le volume de l'élément de
fluide (m3).
On définit ainsi la puissance d'insertion de
l'élément de vapeur par :
1 Cleynen O ; 2015. Thermodynamique de
l'ingénieur, collection Framabook, 361 p.
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
. . .
W = m p v = m p v ;
ins 1 1 1 (2)
1 1
De la même façon, pour que la vapeur sorte de la
turbine à son autre extrémité, il faut que le
système fournisse continûment une puissance nommée
puissance d'extraction :
. .
W = - m p v ;
ext (3)
2 2
La puissance d'écoulement est la somme nette de ces deux
puissances:
. . .
Wecoul W + W ;
ins ext (4)
2.2.2.2 Bilan
énergétique2
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 24
Considérons toujours un écoulement stationnaire
de la vapeur à travers une turbine à vapeur. D'une manière
générale, lorsqu'il pénètre dans le système,
l'élément de vapeur possède les énergies
suivantes:
· une énergie interne spécifique u1
;
· une quantité d'énergie mécanique
spécifique e = c1 + (5)
1 2 gz
m1 1
2
Le système reçoit donc les puissances
suivantes:
. .
· U = m u ;
1 (6)
1
. . 1 2
· Em1 = c + .
m( gz ) (7)
1 1
2
Les expressions (6) et (7)
sont de signes opposés à la sortie de la turbine:
. .
· U = - m u ;
2 (8)
2
2 Cleynen O ; 2015. Thermodynamique de
l'ingénieur, collection Framabook, 361 p.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 25
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
. . 1 2
· Em2
=-m(2c2+gz2)
|
. (9)
|
En appliquant le premier principe de la thermodynamique pour
les systèmes ouverts, on aboutit à l'équation suivante
:
. . . ö .
Q+ W+çW
ins+ U1+
Em1÷+çW
ext+ U2+ Em2 ÷
= 0 (10)
è ø è ø
En ré-exprimant cette équation en fonction des
grandeurs spécifiques et en tenant compte de l'expression de
l'enthalpie(h = u+ pv), on obtient l'équation
ci-dessous :
2 2) ù
Q+ vita = ii072
-h1)+ (c2 2c1 +g(z2 -
z1
û (11)
En prenant en compte les hypothèses de dimensionnement
ci-dessus définies (Ac 0) et (Az 0) , on obtient
l'expression de la puissance mécanique
produite par la turbine :
. .
W = m h - h .
a ( 2 1)
(12)
h1 et h2 sont respectivement les enthalpies
massiques de la vapeur à l'entrée et à la sortie de la
turbine et ils s'expriment en( kJ/ kg).
m . est le débit massique de la vapeur
en(kg/s).
A partir des caractéristiques de la vapeur à la
sortie de la chaudière, et en utilisant le logiciel steamtab companion
(annexe 1) ou les abaques de vapeur (annexe 5), les éléments
suivants peuvent être connus :
Ø l'enthalpie h1 massique
à l'entrée de la turbine ;
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 26
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
> l'enthalpie h2 massique à
la sortie de la turbine ;
. .
> le travail isentropique W = m
h -- h produit.
a ( 2 1)
Ensuite, connaissant le rendement isentropique (gins)
de la turbine, le travail réel produit est évalué selon la
formule :
. .
W réel = li isen ' m' (h2
-- h1) . (13)
2.2.3 Etude de la pompe à eau liquide
La pompe à eau est le mécanisme d'entrainement
du cycle vapeur proposé. Le fluide moteur sortant du réservoir
d'eau journalière à la pression PA, entre dans la pompe et voit
sa pression augmenter à la pression PB à la sortie de la pompe
tel qu'indiqué à la Figure 5.
La puissance fournie par la pompe pour assurer le
fonctionnement du cycle s'écrit comme suit:
. .
W = m h -- h
p e( B A)
(14)
hA est l'enthalpie de l'eau liquide à
l'entrée de la pompe et hB celle de l'eau à
l'entrée de la chaudière.
La puissance fournie par la pompe peut être aussi
exprimée en fonction de la différence de pression à
l'entrée et à la sortie de la pompe :
B
.
W p = ò vdp = vL(PB --
PA) (15)
A
Avec, PA et PB en (Pascal) et vL en
m3/kg
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 27
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
2.2.4 Etude de la chaudière de
récupération
La chaudière de récupération est un
échangeur de chaleur qui permet de récupérer une partie
des calories contenues dans les gaz d'échappement du groupe N°8
pour produire de la vapeur. La chaudière de récupération
est ravitaillée en eau à partir de la pompe à eau liquide.
Ainsi, l'eau y pénètre à la pression PB où elle
recevra une certaine quantité de chaleur à pression
constante. La puissance Q ch fournie par
la chaudière à l'eau s'exprime selon :
. .
Q e ( C B ) (16)
chaudière = m h - h
La détermination de cette quantité de chaleur
nécessite donc la connaissance des caractéristiques de l'eau
à l'entrée et à la sortie de la chaudière.
2.2.5 Etude du condenseur
C'est un échangeur de chaleur dont le rôle est de
rejeter toute la chaleur dont l'ingénieur ne sait plus faire usage.
L'eau sortant de la turbine à vapeur y est
refroidie à pression constante. La puissance Qcond
perdue par la vapeur dans le condenseur s'exprime selon la formule :
. .
Q = m h - h
e ( A D )
cond (17)
2.3 Application
Dans cette section, il s'agit, sur la base des formules
établies dans les sections précédentes, d'évaluer
les éléments suivants:
Ø la quantité de la chaleur
récupérable par la chaudière;
Ø la puissance mécanique disponible sur l'arbre de
la turbine; Ø la puissance supplémentaire produite.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 28
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
L'évaluation de ces différents
éléments nécessite la connaissance de l'enthalpie de la
vapeur à l'entrée et à la sortie de la chaudière et
de la turbine à vapeur. Connaissant les données de pression et de
température, l'enthalpie de vapeur peut être
déterminée à partir du Logiciel Steamtab Companion (annexe
1)
Le tableau 3 ci-dessous nous présente les
paramètres à l'entrée et à la sortie de la
chaudière:
Tableau 3 : Caractéristiques du fluide à
l'entrée et à la sortie de la chaudière
|
Chaudière
|
Entrée
|
Sortie
|
|
Température (°C)
|
76
|
333
|
|
Pression (bar)
|
9
|
9
|
|
Débit massique
(m3/h)
|
3
|
3
|
2.3.1 Calcul de la puissance
récupérée par la chaudière
2.3.1.1 Caractéristiques de l'eau à
l'entrée de la chaudière
Le fluide à l'entrée de la chaudière est
à l'état liquide car T e <T
sat (En effet, à 9 bars la température de vapeur
saturée est de 175,35°C).
La figure 6 nous donne les caractéristiques de l'eau
liquide à l'entrée de la chaudière.
2.3.1.2 Caractéristiques de l'eau à la
sortie de la chaudière
Nous sommes en présence de vapeur surchauffée
à la sortie de la chaudière car T s > Tsat
(En effet, à 9 bars la température de vapeur saturée
est de
175,35°C).
Les caractéristiques de la vapeur à la sortie de
la chaudière, déterminées à l'aide du logiciel
steamtab companion sont données sur la figure 7.
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Figure 6 : Caractéristiques de l'eau à
l'entrée de la chaudière
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 29
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Figure 7: Caractéristiques de l'eau à la
sortie de la chaudière
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 30
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
2.3.1.3 Application numérique
D'après la section 2.2.4, la puissance thermique
transférée à l'eau dans la
. .
chaudière est Q = m h - h ;
ainsi : avec hC = 3124 ,22 kJ / kg ,
e ( C B )
chaudière
.
hB = 318,225kJ/ kg et m 3m 3 / h
e = , on obtient:
.
Qchaudière = 2338,3kW
2.3.2 Evaluation de la puissance produite
2.3.2.1 Caractéristiques de la vapeur à
l'entrée de la turbine
Les caractéristiques de la vapeur à
l'entrée de la turbine sont celles de la vapeur à la sortie de la
chaudière ; ainsi:
hC = 3124,22 kJ/kg et sC =7,29538
kJ/kg°C.
2.3.2.2 Caractéristiques de la vapeur à la
sortie de la turbine
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 31
2.3.2.2.1 Choix de la pression de fin de
détente
Etant donné l'utilisation du fluide à la sortie
de la turbine à vapeur pour alimenter les consommateurs de vapeur,
l'usage d'une turbine à contrepression s'impose (Hammou Y 2010).
En effet, ce type de turbine n'exploite pas la détente jusqu'au
bout, ce qui permet d'avoir assez de chaleur en fin de détente.
Considérons une turbine idéale (détente isentropique):
Ainsi sDcents = sC = 7,29538 kJ/kg°C
On constate en utilisant l'abaque N°3 des abaques de
vapeur que: SDcents > SV0,1 4Mpa =7,2461 kJ/kg°C, ce
qui signifie que pour toute pression
supérieure à 1,4 bar nous avons de la vapeur
sèche.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 32
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Pour des besoins de dimensionnement, nous prendrons dans la suite
PS = 2bar .
2.3.2.2.2 Détermination de l'enthalpie de fin de
détente
Considérons encore une turbine idéale:
L'abaque N°3 nous montre que SDcents >
SV0,2Mpa = 7,1269kJ / kg°C .
La vapeur est donc sèche tout au long de la détente
isentropique. L'enthalpie au point D' s'obtient donc par hDcents =
hV0,2Mpa = 2706,2kJ / kg
A partir de la valeur de l'enthalpie à la sortie de la
turbine idéale on calcule l'enthalpie à la sortie de la turbine
réelle :
. .
W réel = I isen x W isen
Þ hD -- hC = I isen(hDcents --
hC )
D'où hD
=Iisen(hDcents --hC)+hC
En prenant3 I isen = 80%
on obtient hD= 2789,804 kJ/kg
Un coup d'oeil sur l'abaque N°3 des abaques de vapeur
(annexe 5) nous montre que hD > hV0,2Mpa = 2706,2kJ /
kg : La vapeur est donc sèche tout le
long de la détente.
La figure 8 nous présente les caractéristiques de
l'eau à la fin de la détente.
3 Cette valeur de rendement a été
choisie selon la technologie des turbines à vapeur actuellement
disponibles sur le marché (0,80 < I isen < 0,90)
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Figure 8 : Caractéristiques de la vapeur à
la fin de la détente
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 33
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
2.3.2.3 Application numérique
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 34
En rappel, le travail réel fourni par la turbine s'exprime
par W = m h - h
réel ( D C )
.
; ainsi, avec hD = 2789,804kJ/kg ; hC
= 3124 ,22kJ/kg et m = 3m3 /h ,
on
.
obtient W réel = 278,68kW.
La puissance électrique est évaluée à
l'aide de la formule
.
suivante: P el = lel X
W où l el est le rendement
électrique.
réel
Ainsi, pour4
lel = 90% , nous obtenons une puissance
électrique d'environ
250,812 kW.
2.4 Synthèse
La mise en place de la turbine à vapeur va permettre de
produire une puissance d'environ 250 kW. La puissance produite sera
injectée dans le réseau électrique. La figure 9
présente le diagramme unifilaire général.
Le tableau 4 présente les caractéristiques de la
vapeur alimentant notre turbine à vapeur:
Tableau 4 : Caractéristiques de la vapeur au
niveau de la turbine
|
Turbine à vapeur
|
Entrée
|
Sortie
|
|
Pression (bar)
|
9
|
2
|
|
Température (°C)
|
333
|
160
|
La vapeur à la sortie de la turbine à vapeur est
acheminée vers les consommateurs de vapeur où elle sera refroidie
avant de retrouver le réservoir d'eau journalière.
4 Cette valeur de rendement a été
choisie selon la technologie des turbines à vapeur actuellement
disponibles sur le marché (0,90< l el
<0,96)
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 35
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Figure 9 : Diagramme unifilaire
général
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
2.5 Conclusion
L'ajout théorique de la turbine à vapeur dans le
cycle à vapeur existant au niveau de la centrale thermique G8 a permis
de produire une puissance électrique d'environ 250 kW. Cette production
d'énergie supplémentaire équivaut en réalité
à une réduction de la consommation en énergies primaires
du groupe thermique N°8.
Dans le chapitre suivant, nous nous intéresserons aux
aspects environnementaux et financiers de la mise en place du cycle à
vapeur.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 36
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 37
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
| 
