Mémoire Biskra

Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire

Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique

Universit de Biskra

1BFacult des Sciences et de la Technologie

0BDpartement de Gnie Mcanique

Filire : Gnie Mcanique

Option: Systmes Energtiques Et Dveloppement Durable

Rf:

Mmoire de Fin d'Etudes

En vue de lobtention du diplme de:

MASTER

Prsent par: Propos et dirig par:

BENIDIR ABEDLAALI Dr. BENMACHICHE ABDELMOUMEN. H

Promotion : Juin 2013

Calcul nergtique de l'installation hybride

thermique pour la production d'lectricit

I

Je ddicace ce travail tous ceux qui m'ont soutenu de prs et de loin, A ma mre, et mon pre,

A mes surs et mes frres A mes proches A tous mes amis

II

Louange dieu qui nous a aid terminer ce travail et nous a donn le

courage et la patience.

Je remercie mon encadreur Dr. Abdelmoumne Hakim Benmachiche

pour le soutient et pour tout le bagage scientifique qui m'a transmis

durant ce projet Je tiens aussi remercie Dr. Fouad Khaldi pour son

aide raliser ce travail.

Je remercie l'ensemble des enseignants du dpartement de gnie

mcanique pour leur patience durant mes tudes

III

Ddicace I Remerciements.. II Sommaire.. III Liste des figures VI Liste des tableaux.. VIII Nomenclature IX Introduction gnrale. 1

Chapitre I: Gnralits sur les lments de linstallation

hybride thermique

I.1. Introduction. 3

I.2. Gnralits sur la turbine. 3

I.2.1.Turbine a gaz. 3

I.2.1.1. Dfinition.. 3

I.2.1.2. Les lments d'une turbine gaz.. 2

I.2.1.3. Classification des turbines gaz... 5

I.2.1.4. Principe de fonctionnement de la turbine gaz 9

I.2.1.5. Domaines dapplication des turbines gaz... 10

I.2.1.6. Avantages et inconvnients des turbines gaz. 11

I.2. 2. Turbine vapeur. 12

I.2.2.1. Dfinition.. 12

I.2.2.2. Classification des turbines vapeur.. 13

I.2.2.3. Principe dune turbine vapeur 17

I.2.3.Turbine gaz cycle combin.. 18

I.2.3.1. Dfinition . 18

I.2.3.2. Principe 19

IV

I.3. Gnralits sur les capteurs solaires 20

I.3.1. Centrales miroirs cylindro-paraboliques... 20

I.3.2. Fluides caloporteurs et fluides de travail. 23

I.4. Dfinition du problme... 24

Chapitre II: Calcul des paramtres de la turbine gaz

II.1. Introduction... 27

II.2. Etude thorique d'une turbine gaz... 27

II.2.1. Etude cycles thermodynamique d'une turbine gaz... 27

II.2.1.1. Le cycle idal de Brayton. 27

II.2.1.2. Le cycle rel.. 28

II.2.2. Etude de cycle de Brayton ...... 29

II.3. Calcul de la turbine gaz... 36

II.4. Organigramme de calcul 42

Chapitre III: Calcul des paramtres de la turbine vapeur

III.1. Introduction.. 43

III.2. Etude thorique 43

III.2.1. Cycle thermodynamique d'une turbine vapeur ST. 43

III.2.2. Chaudire de rcupration HRSG 47

III.2.2.1. Temprature du pincement et de l'approche... 49

III.2.2.2. Dbit de vapeur produite 50

III.2.3. Systmes vapeur du cycle de refroidissement ACC... 51

III.3. Calcul des paramtres de la turbine vapeur .. 52

Chapitre IV: Calcul des paramtres du champ solaire

IV.1. Introduction.. 61

IV.2. System champ solaire... 61

IV.2.1. champ solaire SF... 61

IV.2.2. Systme HTF. 63

V

IV.2.3. Gnratrice solaire de vapeur SSG 63

IV.3. Turbine gaz cy cle combin. 66

IV.4. Systme hybride solaire-gaz 68

Chapitre V: Rsultats du calcul par cycle-tempo

V.1. Introduction 70

V.2. Dessin linstallation hybride thermique par cycle-tempo.. 70

V.3. Calcul du linstallation hybride thermique par cycle-tempo. 73

V.3.1. Comment insrer les donnes 73

V.3.2. Paramtres de calcul de linstallation hybride thermique... 76

V.3.3. Calcul.. 78

V.4. Applications sur le code (cycle-tempo). 79

V.4.1. Influence de la puissance de la turbine gaz.. 80

V.4.2. Influence de l'changeur. 81

V.4.3. Influence de la pression soutirage.. 82

Conclusion. 83 Bibliographie

VI

Chapitre I: Gnralits sur linstallation hybride

thermique

Figure I.1 Les lments de la turbine gaz. 4

Figure I.2 Classification des turbines gaz 5

Figure I.3 Turbines gaz un arbre et deux arbres. 6

Figure I.4 Mode de travail... 7

Figure I-5 Reprsentation de cycle ferm et ouvert 8

Figure I.6 Les variations de pression et de temprature dans les diffrentes

sections de la turbine. 10

Figure I.7 Schma dune turbine vapeur.. 12

Figure I.8 Mode de fonctionnement de la vapeur... 14

Figure I.9 Turbine axial... 14

Figure I.10 Turbine radiale... 15

Figure I.11 Mode de transmission 16

Figure I.12 Turbine disque 16

Figure I.13 Turbine tambour. 17

Figure I.14 Turbine gaz cycle combin.. 18

Figure I.15 Principe fonctionne 19

Figure I.16 Montage d'un lment de rcepteur tubulaire sur un capteur

Cylindro-paraboliques.. 20

Figure I.17 Poursuite du soleil par un capteur cylindro-paraboliques. 21

Figure I.18 Concept de rcepteur tubulaire pour capteur cylindro-

paraboliques... 22

VII

Figure I.19 Schma d'une ferme de miroirs cylindro-paraboliques (haut),

et une vue latrale montrant comment un MCP concentre la lumire solaire

son point focal. 23

Figure I.20 Centrale hybride solaire-gaz hassi R'mel... 24

Figure I.21 Aperu de plante.... 25

Chapitre II: Calcul des paramtres de la turbine gaz

Figure II.1 Cycle thermodynamique thorique dune turbine gaz. 27

Figure II.2 Cycle rel dune turbine gaz 28

Figure II.3 Cycle thermodynamique sans poste de combustion... 29

Figure II.4 Reprsentation de la notion de travail d'un compresseur... 30

Figure II.5 Reprsentation de la notion de travail d'une turbine.. 31

Figure II.6 Le bilan thermique dans CC... 33

Figure II.7 Cycles thermodynamique avec DB 35

Chapitre III: Calcul des paramtres de la turbine vapeur

Figure III.1 Installation de turbine vapeur sans soutirage. 43

Figure III.2 cycle de Rankine... 44

Figure III.3 Cycle de Hirn avec une surchauffe g-a. 44

Figure III.4 Installation avec soutirage 45

Figure III.5 Cycle soutirage.. 46

Figure III.6 volution des tempratures dans une chaudire .. 47

Figure III.7 Reprsentation du pincement et de lapproche. 49

Figure III.8 Bilan d'nergie dans l'changeur.. 50

Figure III.9 Reprsentation les points les plus importent dans Diagramme 53

Figure III.10 Bilan thermique dans DEA 57

VIII

Chapitre IV: Calcul des paramtres du champ solaire

Figure IV.1 Une partie du champ solaire de SPPI 62

Figure IV.2 Cascade nergtique. 66

Figure IV.3 Diagramme d'un cycle combin... 67

Figure IV.4 Le systme hybride solaire-gaz de Hassi R'mel... 68

Chapitre V: Rsultats du calcul par cycle-tempo Figure V.1 Interface principale de cycle-tempo... 70

Figure V.2 Les lments de linstallation hybride thermique... 71

Figure V.3 Centrale hybride solaire-gaz hassi R'mel 72

Figure V.4 Fentre des donnes de compresseur.. 73

Figure V.5 Fentre des donnes La turbine gaz. 74

Figure V.6 Fentre des donnes de la turbine vapeur 75

Figure V.7 Rsultats finaux de Calcul du linstallation hybride thermique 78

Figure V.8 Influence de la puissance de la turbine gaz. 80

Figure V.9 Influence de l'changeur. 81

Figure V.10 Influence de la pression soutirage 82

Tableau IV.1 Spcifications de capteur solaire 61

Tableau IV.2 Paramtres d'opration champ solaire 62

Tableau V.1 Rsultats finaux de Calcul de linstallation hybride thermique 79

IX

Symbole Dfinition Unit cp Capacit thermique massique isobare (J/Kg k) h Enthalpie massique (J/Kg K) m Dbit massique (Kg/s) p Pression (bar)

P Puissance mcanique (W) PCi Pouvoir calorifique du gaz nature (J/Kg k) Q Quantit de chaleur (J/Kg) Q Flux de chaleur W rair Constant de l'air (J/Kg k) rgb Constant de gaz bruls (J/Kg k) T Temprature () w Travail (J/Kg) symboles grecs

Rendement

Taux de compression

Coefficient polytropique

Les indices 0 Ambiant

a L'air

c-c Chambre de combustion

e Ente

GN Gaz nature

ut Utile

X

s Sortie

p-c Poste de combustion

Abrviation

AC Compresseur de l'air

ACC Systme vapeur du cycle de refroidissement

CC Chambre de combustion

CH Refroidisseur

DB Poste de combustion

DEA Mlangeur

DECO La basse pression conomiseur

DEVA La basse pression vaporateur

DNI Irradiation directe normale la surface

DR Tambour

ECO Economiseurs

EVA Evaporateur

G Gnrateur

GT Turbine gaz

HRSG Chaudire de rcupration

HTF Le fluide caloporteur

PMP Pompe

SF Champ solaire

SHE Surchauffeurs

SSG Gnratrice solaire de vapeur

ST Turbine vapeur

Introduction gnral

1

Introduction gnrale

L'conomie algrienne repose essentiellement sur l'nergie (gaz et ptrole) et

pour produire de l'lectricit, injecter les matires dans les zones de raffinage, de

liqufaction et de transport on utilise des machines appeles turbines. Les plus

importantes sont les turbines gaz o son utilisation conduit des missions des

gaz bruls des trs hautes tempratures prs de 500C.

Afin de rduire la pollution de ces gaz et de prserver l'environnement, plusieurs

recherches scientifiques ont t conduites sur la faon d'exploiter les gaz

dchappement, elles ont atteint tablir un cycle combin, qui ncessite

essentiellement une haute temprature pour produire la vapeur ncessaire pour

alimente la turbine vapeur.

Les dernires technologies avances ouvrent des perspectives intressantes pour

augmenter le rendement de la production d'lectricit, tels que les systmes

hybrides solaire-gaz qui fait la conjonction entre la turbine gaz cycle

combin et le champ solaire.

Dans ce travail de mmoire, on s'intresse l'tude nergtique de la premire

centrale hybride solaire-gaz en Algrie (Hassi R'mel), notre but dans cette tude

est d'analyser les caractristiques thermodynamiques de cette centrale (les

puissances produites par les turbines et leurs rendements thermodynamiques.).

Nous avons ralis ce travail sur cinq chapitres:

Le premier chapitre prsente un rappel gnral sur les lments du systme

hybride gaz-solaire (turbines gaz et vapeur, champ solaire).

Des calculs nergtiques dtaills de la turbine gaz ont t effectus dans le

deuxime chapitre. Nous avons aussi analys les caractristiques

thermodynamiques des diffrents lments de cette turbine (les tempratures,

les pressions, la puissance et le rendement).

Introduction gnral

2

Dans le troisime chapitre, on a ralis une tude nergtique de la turbine

vapeur, de la chaudire de rcupration et du systme de refroidissement.

Le quatrime chapitre est consacr l'tude du champ solaire employ pour

produire la vapeur supplmentaire pour aliment la turbine vapeur.

En ce qui concerne le cinquime chapitre nous avons confronts nos rsultats

avec ceux obtenus en utilisant le logiciel "CYCLE-TEMPO". Une tude de

l'influence de quelques paramtres sur la performance nergtique de la turbine

vapeur est prsente dans ce chapitre.

Chapitre I Gnralits sur linstallation hybride thermique

3

I.1. Introduction

Actuellement l'nergie solaire figure parmi les plus importantes sources

d'nergies. Elles sont utilises dans divers domaines industriels savoir son

emploi dans les installations hybride solaire-gaz pour produire la vapeur

ncessaire entrainer la turbine vapeur.

Dans ce chapitre, on dcrit les lments du systme hybride (turbine gaz,

turbine vapeur et champ solaire).

I.2. Gnralits sur les turbines

I.2.1. Turbine gaz

I.2.1.1. Dfinition

La turbine gaz est un moteur combustion interne de tous les points de vue.

Elle peut tre considre comme un systme autosuffisant. En effet, elle prend et

comprime l'air atmosphrique dans son propre compresseur, augmente la

puissance nergtique de l'air dans sa chambre de combustion et convertie cette

puissance en nergie mcanique utile pendant les processus de dtente qui a lieu

dans la section turbine. L'nergie mcanique qui en rsulte est transmise par

l'intermdiaire d'un accouplement une machine rceptrice, qui produit la

puissance utile pour le processus industriel.

Sous sa forme la plus simple, une turbine gaz comprend un compresseur axial

qui aspire l'air la pression atmosphrique; une chambre de combustion, o l'air

comprim est rchauff pression constante par la combustion d'une certaine

quantit de combustible (gaz naturel, gasoil ou krosne) et enfin une turbine de

dtente des gaz jusqu la pression atmosphrique. [1]


4

I.2.1.2. Les lments d'une turbine gaz

Dans sa forme la plus simple et la plus rpandue, une turbine gaz est

compose de trois lments:

Un compresseur, centrifuge ou plus gnralement axial, qui a pour rle de comprimer de l'air ambiant une pression comprise aujourd'hui entre 10et

30 bars environ;

Une chambre de combustion, dans laquelle un combustible gazeux ou liquide est inject sous pression, puis brl avec l'air comprim, avec un

fort excs d'air afin de limiter la temprature des gaz d'chappement;

Une turbine, gnralement axial, dans laquelle sont dtendus les gaz qui sortent de la chambre de combustion. [2]

Figure I.1: Les lments de la turbine gaz.


5

I.2.1.3. Classification des turbines gaz

On peut classer les turbines selon diffrents points:

Par le mode de travail.

Par le mode de fonctionnement thermodynamique.

Par le mode de construction.

Figure I.2: Classification des turbines gaz.

Classification des turbines gaz

Mode de construction Mode de travail Mode de fonctionnement

Mono arbre Bi arbre cycle ouvert cycle ferm raction action

Simple Rgnr


6

I.2.1.3.1. par le mode de construction

L'objectif pour lequel, on utilise la turbine gaz dfinit le type qu'on doit

choisir. Dans l'industrie, on trouve les turbines un seul arbre, dites aussi mono-

arbre. Elles sont gnralement utilises dans le cas o on cherche un

fonctionnement avec une charge constante (pour entraner les gnrateurs

d'lectricit). Un deuxime type, englobe les turbines deux arbres (bi-arbres);

elles ont l'avantage d'entraner des appareils charges variables (pompes,

compresseur,). Elles se composent de deux parties, la premire assure

l'autonomie de la turbine, la deuxime est lie la charge. Un troisime type

peut tre aussi cit, ce sont les turbines dites drives de l'aronautique; Elles ont

une conception spciale suivant le domaine dans lequel elles sont utilises. Dans

ce troisime type, la partie qui assure l'autonomie de la turbine existe toujours, et

l'nergie encore emmagasine dans les gaz d'chappement est utilise pour crer

la pousse, en transformant cette nergie (thermique et de pression) en une

nergie cintique de jet dans une tuyre (figure I.3). [3]

Figure I.3: Turbines gaz un arbre et deux arbres.


7

I.2.1.3.2. Par le mode de travail

On distingue deux types de turbine :

Turbine action

O lnergie thermique est transforme compltement en nergie cintique

dans la directrice. Lvolution des gaz dans la roue se fait sans variation de

pression statique P1>P2=P3.

Turbine raction

Une partie de lnergie thermique est transforme dans la roue en nergie

cintique et mcanique. Lvolution des gaz dans la roue se fait avec variation

de la pression statique P1>P2>P3. Le taux de raction caractrisera le %

dnergie thermique totale. [1]

Figure I.4: Mode de travail.


8

I.2.1.3.3. Par le mode de fonctionnement thermodynamique

Il existe deux cycles thermodynamiques :

Turbine gaz cycle ferm

Dans laquelle le mme fluide est repris aprs chaque cycle.

Turbine gaz cycle ouvert

Cest une turbine dont laspiration et lchappement seffectuent directement

dans latmosphre.

Figure I.5: Reprsentation de cycle ferm et ouvert.

Ce type de turbine qui est le plus rpandu se divise en deux classes :

Turbine cycle simple

Cest une turbine utilisant un seul fluide pour la production dnergie

mcanique, aprs la dtente les gaz possdant encore un potentiel nergtique

sont perdus dans latmosphre travers lchappement.


9

Turbine cycle rgnr

Cest une turbine dont le cycle thermodynamique fait intervenir plusieurs

fluides moteurs dans le but daugmenter le rendement de linstallation.

De nos jours la turbine gaz connat une large utilisation et dans diffrents

domaines et en particulier dans le domaine des hydrocarbures cause de leur

grande gamme de puissance et leurs propres avantages. [3]

I.2.1.4. Principe de fonctionnement de la turbine gaz

Une turbine gaz fonctionne de la faon suivante :

elle extrait de lair du milieu environnant; elle le comprime une pression plus leve; elle augmente le niveau dnergie de lair comprim en ajoutant et

en brlant le combustible dans une chambre de combustion;

elle achemine de lair pression et temprature leves vers la section de la turbine, qui convertit lnergie thermique en nergie mcanique

pour faire tourner larbre ; ceci sert, dun cot, fournir lnergie utile la

machine conduite, couple avec la machine au moyen dun accouplement et,

de lautre cot fournir lnergie ncessaire pour la compression de lair, qui

lieu dans un compresseur reli directement la section turbine;

elle dcharge latmosphre les gaz basse pression et temprature rsultant de la transformation mentionne ci-dessus;

La figure I.3 montre les variations de pression et de temprature dans les diffrentes sections de la machine correspondant aux phases de

fonctionnement mentionnes ci-dessus. [3]


10

Figure I.6: Les variations de pression et de temprature dans les diffrentes

sections de la turbine.

I.2.1.5. Domaines dapplication des turbines gaz

Les domaines dapplication des turbines gaz se devisent en deux catgories :

A. Domaines fixes (utilisation industrielle) :

Entranement des compresseurs. Entranement des pompes. Entranement des alternateurs.

B. Domaines mobiles :

Pour la traction automobile. Pour la traction ferroviaire. Pour lapplication marine. Pour laviation (turboracteur et turbo hlice). [4]


11

I.2.1.6. Avantages et inconvnients des turbines gaz

Avantages Une puissance leve dans un espace restreint dans lequel un groupe

diesel de mme puissance ne pourrait pas tre log;

A l'exception de dmarrage et arrt, la puissance est produite d'une faon continue;

Dmarrage facile mme grand froid; Diversit de combustible pour le fonctionnement; Possibilit de fonctionnement faible charge.

Inconvnients Au-dessous d'environ 3000KW, prix d'installation suprieur de celui

d'un groupe diesel;

Temps de lancement beaucoup plus long que celui dun groupe diesel ; titre indicatif : 30 120 s pour une turbine, 8 20 s pour un groupe

diesel;

Rendement infrieur celui dun moteur diesel (cycle simple). titre indicatif : 28 33 % pour une turbine de 3000 KW, 32 38 % pour un

groupe diesel. [3]


12

I.2.2. Turbine vapeur

I.2.2.1. Dfinition

La turbine vapeur est un moteur thermique combustion externe,

fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle

se distingue par le changement dtat affectant le fluide moteur qui est en

gnral de la vapeur d'eau. Elle transforme lnergie thermique de la vapeur

deau pendant la dtente en nergie mcanique de rotation darbre pour entrainer

un dispositif mcanique tournant.[5]

Figure I.7: Schma dune turbine vapeur.


13

I.2.2.2. Classification des turbines vapeur

On peut classer les turbines vapeur selon :

La mthode de fonctionnement de la vapeur. Le sens d'coulement de la vapeur. La nature de fonctionnement thermodynamique. La mthode de transmission d'nergie thermique. Le mode de construction .

On plusieurs critres pour la classification de la turbine vapeur

A. La mthode de fonctionnement de la vapeur

On distingue les turbines suivantes :

Les turbines action

Ou la chute d'enthalpie est utilise en totalit dans la tuyre pour engendrer de

l'nergie cintique, quest transforme son tour en nergie mcanique dans la

roue figure I.8.a

La turbine peut tre monocellulaire, bicellulaire, ou multicellulaire. Dans les

deux derniers cas, la transformation de l'nergie cintique en nergie mcanique

a lieu en plusieurs tapes. Dans les canaux fixes intermdiaires, entre les canaux

mobiles, il n'existe aucune transformation d'nergie, seule la direction de la

vitesse est modifie.

Les turbines raction

Dans lesquelles une parti seulement de la chute thermique mise la position

de l'tage, est transforme en nergie cintique dans le distributeur; le reste est

transform en nergie cintique dans les aubages mobiles de la roue

figure I.8.b.


14

Figure I.8: Mode de fonctionnement de la vapeur.

B. Le sens d'coulement de la vapeur

Turbine axiale:

C'est type le plus utilis ou les aubes sont places radialement sur la roue ce

qui exige un dplacement de vapeur presque parallle l'axe de la turbine

figure I.9.

Figure I.9: Turbine axial.


15

Turbine radiale

Lcoulement de la vapeur se fait dans toutes les directions perpendiculaires

laxe de la turbine.

Figure I.10: Turbine radiale

C. La nature de fonctionnement thermodynamique:

Turbine condensation

La vapeur circule suivant un cycle ferm, et l'opration de dtente permet de

dtendre la vapeur jusqu' des pressions trs basses (0.05 bar). Gnralement ce

type de turbines est compos de turbines haute pression, moyenne pression et

basse pression.

Turbine contre pression

La vapeur circule suivant un cycle ouvert, l'chappement les pressions sont

toujours suprieures la sortie est utilise pour d'autres fins (schage, chauffage

industrie chimique,).


16

d. Le mode de transmission d'nergie thermique:

Transmission directe:

Lnergie mcanique produite est transmise directement la gnratrice la

mme vitesse de rotation figure I.11.a.

Transmission indirecte:

L'installation ncessite un rducteur de vitesse, comme c'est le cas de la

turbine de bateaux ou les vitesses d'hlices sont plus petites figure I.11.b.

Figure I.11: Mode de transmission.

e. Le mode de construction:

Turbine disque

Les roues disque sont construites sparment et cale sur un arbre. [6]

Figure I.12: Turbine disque.

a- transmission directe b- transmission indirecte


17

Turbine tambour

Les aubes sont cales sur un tambour rapport sur l'arbre.

Figure I.13: Turbine tambour.

I.2.2.3. Principe dune turbine vapeur

La turbine vapeur est un moteur thermique combustion externe,

fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Rankine. Ce cycle se

distingue par le changement dtat affectant le fluide moteur qui est en gnral

de la vapeur d'eau. Ce cycle comprend au moins les tapes suivantes:

Leau liquide est mise en pression par une pompe et envoye vers la chaudire

Leau est chauffe, vaporise et surchauffe, La vapeur se dtend et refroidit dans la turbine en fournissant de lnergie

mcanique,

La vapeur dtendue est condense au contact de la source froide sous vide partiel. [4]


18

I.2.3. Turbine gaz cycle combin

I.2.3.1. Dfinition

Un cycle combin de puissance est la juxtaposition de deux ou plusieurs

cycles thermodynamiques destins convertir plus efficacement l'nergie

fournie en travail en adaptant deux ou plusieurs fluides de cycle. Avec le

dveloppement de la turbine gaz, le terme cycle combin se rfre plus

spcialement un systme compos d'une turbine gaz, d'un rcuprateur de

chaleur gnrateur de vapeur, et d'une turbine vapeur. [7]

Figure I.14: Turbine gaz cycle combin.


19

I.2.3.2. Principe

Le principe d'un cycle combin consiste faire fonctionner en cascade une ou

plusieurs turbines gaz, suivies d'une centrale vapeur dont la source chaude

est la source froide des turbines gaz.

Dans ces conditions, les gaz d'chappement de la turbine gaz sont valoriss

dans une chaudire de rcupration o l'on produit de la vapeur qui est ensuite

dtendue dans une turbine condensation. Le cycle combin ainsi obtenu est un

mariage particulirement russi dans la recherche de l'amlioration du

rendement thermique : avec les matriels disponibles actuellement, les

rendements atteints dpassent 55 % et sont donc suprieurs ceux que l'on peut

esprer, mme moyen terme, des futures centrales vapeur les plus

avances.[8]

Figure I.15: Principe fonctionne.


20

I.3. Gnralits sur les capteurs solaires

Dans La centrale hybride de Hassi Rmel utilise les capteurs solaire cylindro-

paraboliques.

I.3.1. Les Centrales miroirs cylindro-paraboliques

I.3.1.1. Les diffrentes parties du collecteur cylindro-paraboliques

Le collecteur est la composante de base du champ solaire. Il est compos d'un :

Rflecteur (miroirs)

Sont composs de verre pauvre en fer, dont la transmistivit atteint 98%. Ce

verre est recouvert d'une pellicule d'argent en sa partie infrieure, et d'un enduit

spcial de protection. Un rflecteur de bonne qualit peut rflchir 97% du

rayonnement incident.

Figure I.16: Montage d'un lment de rcepteur tubulaire sur un capteur

cylindro-paraboliques.


21

Mcanisme de poursuite

Est pour le rle d'adapter l'inclinaison du capteur de manire ce que la

radiation solaire incidente soit toujours perpendiculaire au rflecteur. De cette

manire, la radiation est rflchie au foyer de la parabole et concentre sur un

tube rcepteur dans lequel circule le fluide caloporteur.

Figure I.17: Poursuite du soleil par un capteur cylindro-paraboliques.

La structure mtallique

Doit suffisamment solide pour rsister aux importantes contraintes mcaniques

lies au vent. Elle doit de plus tre munie d'extrmits assurant la compatibilit

entre les dilatations thermiques ingales de l'acier et du verre.


22

Le tube collecteur (labsorbeur)

Doit avoir les caractristiques suivantes

Bonne absorption du rayonnement : son coefficient d'absorption doit tre aussi lev que possible afin d'viter toute rflexion du rayonnement

incident.

Pertes thermiques limites : La temprature du tube dpassant gnralement 400C, les pertes par changes convectifs et radiatifs sont trs importantes.

Afin de les limiter, le tube est entour d'une enveloppe de verre sous vide. [9]

Figure I.18: Concept de rcepteur tubulaire pour capteur cylindro-paraboliques.

I.3.1.2. Principe de fonctionnement

Ce type de centrale se compose dalignements parallles de longs miroirs

hmicylindriques, qui tournent autour dun axe horizontal pour suivre la course

du soleil.

Les rayons solaires sont concentrs sur un tube horizontal, o circule un fluide

caloporteur qui servira transporter la chaleur vers la centrale elle-mme. La

temprature du fluide peut monter jusqu 500 C. Cette nergie est transfre

un circuit deau, la vapeur alors produite actionne une turbine qui produit de

llectricit. [9]


23

Figure I.19: Schma d'une ferme de miroirs cylindro-paraboliques (haut), et une

vue latrale montrant comment un MCP concentre la lumire solaire son point

focal.

I.3.2. Fluides caloporteurs et fluides de travail

Leau et les huiles thermiques sont les fluides les plus utiliss actuellement.

Leau comme simple caloporteur montre ses limites : temprature peu leve,

changeur-vaporateur pour produire la vapeur. Les huiles ont aussi leurs limites

en temprature. Le risque de pollution conduit aussi carter les huiles

thermiques. Les recherches se concentrent donc sur les alternatives les plus

srieuses : la gnration directe de vapeur, lair sous pression (ou autre gaz), les

sels fondus. [9]


24

I.4. Dfinition du problme

Figure I.20: Centrale hybride solaire-gaz hassi R'mel.

Dans ce travail de mmoire, on s'intresse l'tude nergtique de la premire

centrale hybride solaire-gaz en Algrie. Il s'agit de le centrale hybride solaire-

gaz hassi R'mel. Elle a t inaugure le 14 Juillet 2011. Cette centrale a t

dnomm SPP1, du nom de lentreprise qui la ralise, (Solar Power Plant

One). Les principaux actionnaires de SPP1 sont : ABENER hauteur de 51%,

NEAL (New Energy Algeria), 20%, COFIDES (une compagnie espagnole de

financement de projets dans les pays en voie de dveloppement) 15% et

SONATRACH 14%.

Le centrale SPP1 est situe 494.5 km au sud de la capitale Alger, la limite

sud de la wilaya de Laghouat. Elle est implante sur un terrain qui stend sur

une superficie de 130 hectares. On y accde par la route nationale N 1.

Lexistence dun rseau lectrique le long de la RN 1 a favoris le choix de ce

site.


25

Figure I.21: Aperu de plante

La rgion de Hassi Rmel est caractrise par les conditions

mtorologiques : humidit relative de 24%, pression atmosphrique gale

0.928 bar, vitesses du vent qui varient entre 2.14 et 4.15 m/s, tempratures

extrmes qui varient de -10C en hiver +50C en t et insolation normale

directe DNI (Direct Normal Irradiation) qui peut atteindre un maximum de 950

W/m2 en t. [10]


26

Cette centrale est compose de deux parties, le champ solaire et

le cycle combin.

Le champ solaire est constitu de capteurs cylindro-paraboliques.

Le cycle combin est constitu de 2 turbines gaz (fonctionnant au gaz naturel)

dont la puissance nominale unitaire est de 40 MW. La chaleur de combustion de

ces turbines est rcupre dans deux chaudires horizontales circulation

naturelle. Ces dernires font fonctionner une turbine vapeur dune puissance

nominale de 80MW

Il est noter que le point fort de cette centrale hybride est lajout de la vapeur

produite par le champ solaire celle rcupre des turbines gaz pour alimenter

la turbine vapeur. La puissance lectrique produite par la centrale augmente en

consquence. [11]

Objectifs du travail

Dans ce mmoire, on s'intresse l'tude nergtique de cette centrale. Les

calculs dtaills de chaqu'un de ses lments a t effectus par un programme

dvelopp sous MATLAB. Pour valider nos rsultats, nous les avons confronts

aux rsultats obtenus en utilisant le logiciel "TEMPO".

Chapitre II Calcul des paramtres de la turbine gaz

27

II.1. Introduction

Le cycle de Brayton thorique est le cycle idal correspondant la turbine

gaz lmentaire. Il est principalement utilis pour la production dlectricit.

Il existe deux types de cycles de Brayton selon quil soit ouvert ou referm sur

latmosphre. Cest la premire variante qui retiendra notre attention puisque

cest celle qui est utilise dans les centrales lectriques (Turbines Gaz -Vapeurs).

II.2. Etude thorique d'une turbine gaz

II.2.1. Etude des cycles thermodynamiques d'une turbine gaz

II.2.1.1. Cycle idal de Brayton

Figure II.1: Cycle thermodynamique thorique dune turbine gaz.

1 2 : compression isentropique de l'air (compresseur).

2 3 : combustion isobare (changeur de chaleur).

3 4 : dtente isentropique (turbine).

4 1 : refroidissement isobarique (changeur de chaleur).

s v


28

II.2.1.2. Cycle rel

Figure II.2: Cycle rel dune turbine gaz.

Le cycle rel se diffrencie du cycle idal de la manire suivante :

La compression est adiabatique, de rendement isentropique c: en raison

des travaux de frottement, la temprature relle est plus leve que la

temprature thorique, et la transformation de compression nest plus

isentropique 1-2s mais 1-2, tel que2 > 2. La dtente dans la turbine est adiabatique, de rendement isentropique :

en raison des travaux de frottement, la transformation de la dtente ne

seffectue pas suivant un arc disentrope, mais suivant un arc tel que

4 > 4s.[12]


29

II.2.2. Etude de cycle de Brayton

La centrale Hassi R'mel contient deux turbines gaz identiques. Pour cela, on

va effectuer des calculs pour une seule turbine.

sans poste de combustion DB

Figure II.3: Cycle thermodynamique sans poste de combustion.

Refroidisseur (CH)

La chaleur dgage par l'air pendant son refroidissement avant son entr dans le

compresseur peut tre calcule comme suit : Qch = cpair T (.)


30

Compresseur (AC)

Figure II.4: Reprsentation de la notion de travail d'un compresseur.

Coefficient poly tropique de l'air air est :

air = cpaircpair rair (.) La pression la sortie de compresseur pR2R :

= p2p1 p2 = p1. (.) avec;

: Taux de compression Le travail isentropique fourni au gaz par le compresseur wsc:

wsc = cpair(T2s T1) = cpairT1 Ts2T1 1 (.) Transformation isentropique : T2sT1 = p2sp1 air1air = ()air1air ( .)

S

2s 2

1


31

wsc = cpairT1 ()air1air 1 (.) Le travail rel fourni au gaz par le compresseur wc :

sc = wscwc wc = wscsc (.) avec;

sc: Rendement isentropique du compresseur. La temprature la sortie de compresseur TR2R : wc = cpair(T2 T1) T2 = T1 + wccpair (.)

Chambre de combustion (CC)

Chaleur apporte au gaz au niveau de chambre de combustion Qcc: Qcc = cpmoy(T3 T2) (.) avec; cpmoy : Chaleur spcifique des gaz bruls

Turbine (T)

Figure II.5: Reprsentation de la notion de travail d'une turbine.

T

sT


32

Le coefficient adiabatique moyen moy :

moy = cPmoycPmoy rgb (.) Le travail isentropique fourni par le gaz la turbine wsT :

wsT = cpmoy(T4s T3) = cpmoyT3 T4sT3 1 (.) Transformation isentropique (p4 = p4s = p1 et p3 = p2s = p2 ) T4sT3 = p4sp3 moy1moy = p1p2moy1moy = 1moy1moy ( .)

wsT = cpmoyT3 1moy1moy 1 (.) Le travail rel fourni par le gaz la turbine wT :

sT = wTwsT wT = sT. wsT (.) avec;

sT: Rendement isentropique de la turbine. Temprature la sortie de turbine (l'chappement) TR4R: wT = cpmoy(T4 T3) T4 = T3 + wTcpmoy ( .)


33

Calcul des dbits massiques

Figure II.6: Le bilan thermique dans CC.

A partir de la figure II.6, on peut crire: mah2 + mGNPCi = (ma + mGN)h3 (.) En divisant cette quation par ma on aura :

h2 + mGNma PCi = 1 + mGNma h3 (.) On pose:

f = mGNma (.) avec; f Rapport des dbits dans une chambre de combustion. ma: Dbit de l'air. mGN: Dbit de gaz nature. h2: Lenthalpie d'entre la chambre de combustion. h3: Lenthalpie de sortie la chambre de combustion. PCi: Pouvoir calorifique du gaz naturel.

La chambre de combustion

mGNPCi ma h2 (mGN + ma)h3


34

L'expression (II.18) devient h2 + f PCi = (1 + f)h3 (.) f tant faible de l'ordre de 1 50 1 75 [] h2 + f PCi = h3 (.) Par suite on aura :

f = cpmoy(T3 T2)PCi (.) mge = ma + mGN (.) avec; mge: Le dbit de gaz chappement.

Bilan de cycle

Le travail utile wut: wut = |wT| |wc| (.) La puissance de compresseur Pc: Pc = ma. wc (.) La puissance de la turbine PT: PT = ma. wT (.) La puissance mcanique PGT: PGT = |PT| |PC| (.) Rendement de la turbine gaz GT:

GT = wutQcc (.)


35

Avec poste de combustion DB

Figure II.7: Cycles thermodynamique avec DB.

Chaleur apporte au gaz au niveau de poste de combustion: Qpc Qpc = cPmoy(T5 T4) ( .) Dbit de gaz la sortie de poste de combustion mg: mg = mge + mGN1 (.) Chaleur apporte au gaz dans la turbine gaz QGT: QGT = Qcc + Qpc (.) Le flux de chaleur QGT: QGT = mgQcc + mgeQpc (.) Rendement de la turbine gaz GT:

GT = wutQGT (.)

pc

QC

T

S

Poste de combustion

5


36

II.3. Calcul de la turbine gaz

Type GT SGT-800

Les paramtres ncessaires au calcul de la turbine gaz sont:

La pression ambiante aprs le filtre = , La temprature ambiante = Le combustible : gaz naturel = ( ) Le taux de compression = , La temprature l'entre de compresseur = La temprature la sortie de la C-C = Rendement isentropique du compresseur = , Rendement isentropique de la turbine

= ,

Dbit massique de gaz d'chappement = , Dbit massique de gaz nature dans poste combustion = , Capacit thermique massique isobare de l'air = ( . ) Constant de l'air = , ( . )


37

Sans DB Refroidisseur (CH)

D'aprs l'quation (II.1), on aura:

Qch = 1005 20 = 20100 La perte de charge dans le systme de refroidissement est estime 5,4 % [11] :

pp0 = 0,054 Donc p1 = 0,878 bar Compresseur (AC)

Coefficient poly tropique de l'air air est : D'aprs la relation (II.2), on aura:

air = 10051005 287,15 air = 1,4 La pression la sortie de compresseur p2: D'aprs (II.3), on a: p2 = 0,878 . 20,2 = 17,7 bar Le travail isentropique fourni au gaz par le compresseur wsc: On utilise l'quation (II.6):

wsc = 1005 . 288 . (20,2)1,411,4 1 ws2 = 393710 J Kg


38

Le travail rel fourni au gaz par le compresseur wc: D'aprs l'quation (II.7):

wc = 3937100,88 = 447397,74 J Kg La temprature la sortie de compresseur TR2R :

D'aprs la relation (II.8), on aura:

T2 = 15 + 447397,741005 = 460 c Chambre de combustion (CC)

D'aprs la rfrence [13] pour f tant faible de l'ordre de 1 50 1 75 on a Cpmoy = 1275 J Kg. K Chaleur apporte au gaz au niveau de la chambre de combustion Qcc: En appliquant la relation (II.9), on a: Qcc = 1275 (1200 460) = 943500 J Kg

Turbine (T)

Le coefficient adiabatique moyen moy :

A partir (II.10), on aura:

moy = 12751275 288.5 = 1.29


39

Le travail isentropique fourni par le gaz la turbine wsT: D'aprs la relation (II.13), on a:

wsT = 1275 .1473 120,21,2911,29 1 = 923084,4J Kg Le travail rel fourni par le gaz la turbine wT : En appliquant l'quation (II.14):

wT = 0,88 . (923084,4) = 812314,26J Kg Temprature la sortie de turbine (l'chappement) TR4R:

D'aprs l'quation (II.15), on aura:

T4 = 1200 + 812314,261275 = 562 c Calcul des dbits massiques

Rapport f :

A partir (II.21):

f = 894550045778 103 = 0.02 Le dbit massique d'air ma et du gaz naturel mGN : Utilisons (II.18) et (II.22), on peut crire :

ma = mge(1 + f) = 120,2(1 + 0.02) = 117.84 Kg s mGN = mge ma = 2,36Kg s


40

Bilan de cycle

Le travail utile wut : D'aprs (II.23), on a:

wut = |812314,26| |447397,4| = 364916,86J Kg La puissance de compresseur Pc : En appliquant la relation (II.24), on aura: Pc = 117.84. 447397,4 = 52721.31(KW) La puissance de la turbine PT: D'aprs l'quation (II.25), on a: PT = 120.2 . (812314,26) = 97640(KW) ULa puissance mcanique : On utilise la relation (II.26): PGT = |97640| |52721.31| = 44(MW) URendement de la turbine gaz :

A partir (II.27), on a:

GT = 364916,86943500 = 0,38 GT = 38%


41

Avec DB

Chaleur apporte au gaz au niveau de poste de combustion Qpc: D'aprs la relation (II.28), on a:

Qpc = 1275 (750 562) = 239700 J Kg Dbit de gaz la sortie de poste de combustion mg: A partir (II.29), on aura:

mg = 120,2 + 0,66 = 120,86 Kg s UChaleur apporte au gaz dans la turbine gaz :

En appliquant l'quation (II.30):

QGT = 943500 + 239700 = 1183200 J Kg ULe flux de chaleur : On utilise la relation (II.31), on aura: QGT = 120,2 943500 + 120,86 239700 = 142 MW URendement de la turbine gaz :

D' aprs (II.32):

GT = 364916,861183200 = 0,30 GT = 30%


42

II.4. Organigramme de calcul

Dbut

Entres les donnes : Capacit thermique massique isobare de l'air. : Constant de l'air : La pression ambiante : La temprature ambiante : Pouvoir calorifique de gaz nature : Le taux de compression : La temprature l'entre de compresseur : La temprature la sortie de la C-C : Rendement isentropique du compresseur : Rendement isentropique de la turbine Dbit massique de gaz d'chappement : Dbit massique de gaz nature dans poste combustion

p1, p2, air , wsc, wc, T2,Qcc, moy, wsGT, T4, wGT, f, ma, mGN , wut, Pc , PGT , PGT ,GT , Qcc

Fin

Chapitre III Calcul des paramtres de la turbine vapeur

43

III.1. Introduction

Les machines thermodynamiques fonctionnent avec plusieurs transformations

successives et rptitives formant un cycle. Dans la turbine vapeur, c'est la

vapeur d'eau qui est le fluide moteur. Le cycle de la vapeur d'eau est une suite de

transformations dans des systmes ouverts successifs (chaudire, turbine,

condenseur et pompe d'alimentation.).

III.2. Etude thorique

III.2.1. Cycle thermodynamique d'une turbine vapeur ST

Le fonctionnement d'une turbine vapeur peut tre modlis par un cycle de

Rankine.

Cycle de Rankine

Figure III.1: Installation de turbine vapeur sans soutirage.


44

On peut reprsenter le cycle de Rankine dans un diagramme entropique (T-S).

Dans ce cycle la compression et la dtente sont isentropiques, l'chauffement et

la condensation supposs isobares. A la sortie de la chaudire, la vapeur d'eau

peut tre surchauffe avant son entre dans la turbine. On obtient alors le cycle

de Hirn reprsent sur la Figure III.3.

Figure III.2: cycle de Rankine.

Figure III.3: Cycle de Hirn avec une surchauffe g-a.

b c

d

f

g

a []

[ . ]

c

d

f g

b

[]

[ . ]


45

On observe que la vapeur n'est pas surchauffe hors de la cloche de saturation.

Le cycle s'effectue avec les transformations thermodynamiques suivants :

[d-f] : rchauffage de l'eau avant vaporation.

[f-g] : vaporation complte sous pression et temprature constante.

[g-b] : dtente isentropique.

[b-c] : condensation complte sous pression et temprature constante.

[c-d] : compression isentropique jusqu' la pression d'entre chaudire. [14]

Cycle soutirage

Le principe des soutirages dans une turbine vapeur est dutiliser de la vapeur

qui a dj travaill dans la turbine pour rchauffer leau dalimentation.

Figure III.4: Installation avec soutirage.


46

On peut reprsenter le cycle soutirage dans un diagramme entropique

(temprature Entropie T-S).

Figure III.5: Cycle soutirage.

c = (ha hb) (hs hb)(ha hf) (.) L'utilisation des tables des proprits de l'eau (rgion surchauffe et rgion

sature) donne lenthalpie dans le chaque point.

Interpolation bilinaire

Dans la rgion surchauffe, les calculs se font par une interpolation bilinaire

de chaque fonction d'tat qu'on dsire calculer partir de variables d'entre.

Les calculs des proprits thermodynamique se fait partir des variables

d'entre (P,), (P, h), (P, T) ou (P, s) Comme par exemple pour le cas de l'entre (P, s), le principe consiste chercher

dans le tableau les 4 point de coordonnesPj, si, Pj, si+1, Pj+1, si, Pj+1, si+1


47

Qui entoure le point (P, s) auquel on veut connaitre les proprits

thermodynamiques de telle faon que Pj < < Pj+1 et si < < si+1 dh = dhdps dp + dhdsp ds (.)

dh = hj+1,i hj,iPj+1,i Pj,i P Pj + hj,i+1 hj,isj,i+1 sj,i s sj (.) III.2.2. Chaudire de rcupration HRSG

La centrale Hassi R'mel contient deux HRSG identiques. Pour cela, on va

effectuer des calculs pour une seule HRSG.

Le HRSG dans SPP1 est l'assemblage d'une basse pression conomiseur

(DECO), une basse pression vaporateur (DEVA), deux conomiseurs (ECO1 et

ECO2), vaporateur (EVA) avec un tambour (DR) et deux surchauffeurs (SHE1

et SHE2).

Gnralement le HRSG compos dun conomiseur, dun vaporateur et dune

surchauffeur, si leau et les fumes circulent contre-courant.

Figure III.6: volution des tempratures dans une chaudire contre-courant


48

Section vaporateur

Dans cet vaporateur, en passant par les tubes, l'eau est chauffe jusqu'au point

de saturation pour la pression qu'il circule.

Section surchauffeur

La section de surchauffeur du HRSG est utilise pour scher la vapeur sature

tant spare dans le ballon de vapeur. Dans certaines units, on ne peut pas la

chauffe au-dessus du point de saturation et dans d'autres units, elle peut tre

surchauffe une temprature importante pour le stockage de l'nergie

supplmentaire. La section surchauffeur est normalement situe dans le flux de

gaz chaud, en face de l'vaporateur.

Section conomiseur

La section de l'conomiseur, parfois appele un prchauffeur, est utilise pour

prchauffer l'eau d'alimentation tant introduit dans le systme pour remplacer la

vapeur retire du systme par la sortie surchauffeur ou la perte d'eau par la

purge. Il est habituellement situ dans l'aval gazier les plus froides de

l'vaporateur. Les tempratures l'entre de l'vaporateur et la sortie de

l'conomiseur sont la proximit de la temprature de saturation pour la

pression du systme (temprature d'approche). La quantit de chaleur qui peut

tre prsente dans le gaz d'chappement est limite en raison de l'approche de

l'vaporateur, connu sous le nom de pincement. [15]


49

III.2.2.1. Tempratures du pincement et de l'approche

Deux expressions particulires sont frquemment utilises pour caractriser

lchange thermique dans la chaudire. Il sagit de :

Temprature de lapproche

Ecart de temprature de leau en sortie de lconomiseur par rapport ltat de

saturation dans le ballon.

Temprature du pincement

Ecart de temprature entre la sortie des fumes lvaporateur et la temprature

de saturation dans la boucle vaporatrice. [15]

Figure III.7: Reprsentation du pincement et de lapproche.


50

III.2.2.2. Dbit de vapeur produite

Le dbit de vapeur produite se calcule par un bilan dnergie autour du HRSG: e. mgCpmoy T5 Tg + Tpincement = mvsha [ msolairehe.solaire + (mvs msolaire)hf ] (.)

Figure III.8: Bilan d'nergie dans l'changeur.

Do l'on tire le dbit de vapeur :

mvs = e. mgCpmoy T5 Tg + Tpincement + msolaire(he.solaire hf)(ha hf) (.) e = 1sech

(.) avec;

sech : Le rendement de l'changeur. hs.solaire: Lenthalpie massique la sortie du champ solaire. Tg Temprature de la saturation.

f

g

Tg + Tpincement

Tge = T5

Tpincementt Tapproche

Tgs

a

c

T

Q

Gaz d'chappement


51

III.2.3. Systme vapeur du cycle de refroidissement ACC

Un condenseur refroidi par air (Air Cooled Condenser ACC) est adopt

comme une option pour condenser la vapeur. Cette technologie est prfrable au

traditionnel condenseur eau lorsque la disponibilit en eau est limite,

notamment Hassi R'mel, caractris par un climat aride.

Le Bilan d'nergie autour de l'ACC: mve(hb hc) = mairCpairTair (.) mair = mve(hb hc)CpairTair (.)


52

III.3. Calcul des paramtres de la turbine vapeur

ST

Type ST est:

Les paramtres ncessaires au calcul de la turbine vapeur sont:

Temprature d'entre de la turbine = Pression d'entre de vapeur = Temprature de condensation = Temprature de soutirage = Pression saturation de soutirage = ,

HRSG

Type HRSG Pression unique sans rchauffage

Les paramtres ncessaires au calcul de la HRSG sont:

Temprature du pincement = Temprature d'entre du DECO = Temprature d'entre du DEA = Temprature de sortie du DEVA = Temprature de sortie du DEA = Temprature de sortie de l'ECO2 = Temprature d'entre De la SHE2 = Rendement isentropique = ,


53

III.3.1.Calcul lenthalpie massique dans les points les plus importants

Figure III.9: Reprsentation des points les plus importants dans Diagramme T-S

A partir des tables internationales des proprits de l'eau (rgion sature et

rgion vapeur surchauffe) on lit, puis on calcul l'enthalpie massique (h) dans les

points les plus important du cycle

Point (a) l'entre de ST

A partir l'interpolation bilinaire (p, T) et la relation (III.2) [tableaux rgion

surchauffe], on aura: ha = h{Pa = 83bar, Ta = 560} ha = 3661 kJ kg sa = 7,027 kJ kg. K

a

s s'

f

e d

c b b'

g


54

Point (b) la sortie de ST

Calcul du titre x dans le point b':

sb = xsbv + (1 x)sbl x = sb sbl s bv sbl (.) En appliquant l'interpolation linaire [tableaux rgion sature]: sbl = sl{Tb = 52} sbl = 0,72944 kJ kg. K sbv = sv{Tb = 52} sbv = 8,04122 kJ kg. K On remplace dans l'quation (III.9), on aura:

x = 7,027 0,729448,04122 0,72949 = 0,86 Calcul d'enthalpie massique hb: hb = xhbv + (1 x)hbl (.) A partir l'interpolation linaire [tableaux rgion sature] : hbv = hv{Tb = 52} hbv = 2589,2kJ kg hbl = hl{Tb = 52} hbl = 217,6kJ kg


55

On remplace dans (III.10), on aura: hb = 0,86. 2589,2 + (1 0,86)217,6 hb = 2257,18kJ kg

Calcul l'enthalpie massique hb: is = hb hahb ha hb = is(hb ha) + ha (.)

donc, on aura: hb = 0,9(2257,18 3661,3) + 3661,3 hb = 2397,59kJ kg pb = p{Tb = 52} pb = 0,13697ba Point (s) de soutirage hs = hPa = 4,5bar, Ta = 200 }

En appliquant l'interpolation linaire [tableaux rgion vapeur surchauffe]: hs = 2862 kJ kg Point (c) la sortie d'ACC hc = hl = {Tc = 52} hc = 217,6kJ kg pc = 0,1369 bar


56

Point (d) la sortie de la pompe hd = (pd pc) + hc (.)

A partir l'interpolation linaire [tableaux rgion sature]

c = l{Tc = 52} c = 1,013 103 m3 Kg

D'aprs (III.12), on a : hd = 1,013(7 0,1369) + 217,6 hd = 224,55 kJ kg Point (L) la entre de DEA hL = hl = {TL = 140} hL = 589 kJ kg Point (e) la sortie de DEA he = hl = {Pe = 4,5bar}

En appliquant l'interpolation linaire [tableaux rgion sature]

he = 619,83kJ kg Point (n) la sortie de DEVA hn = hv = {Pe = 4,5bar}

A partir interpolation linaire [tableaux rgion sature] hn = 2740,84kJ kg


57

Point (f) la sortie d'ECO2 hf = hl = {Tf = 275} hf = 1210 kJ kg Point (g) la sortie de DR hg = hv = Tg = 300 hg = 2749 kJ kg Les Points l'entre et la sortie du champ solaire he.solaire = hl = {Te.solaire = 195 } he.solaire = 833 kJ kg hs.solaire = hv = {Te.solaire = 372 , pe.solaire = 87 bar} he.solaire = 3039kJ kg

III.3.2. Calcul de la quantit de vapeur soutire ()

Figure III.10: Bilan thermique dans DEA

Mlangeur

hs (1 )hL

(1 + 0,0092)he 1hn


58

A partir de la figure III.1, on peut crire: (1 + 0,0092)he = 1hn + hs + (1 )hL (.) (1,0092 he hL) 1hn = (hs hL) = (1,0092 he hL) 1hn(hs hL) (.)

avec;

1: Quantit d'eau entrante dans le DEVA

Calcul de la quantit de vapeur soutire () partir l'quation (III.14): = (1,0092 619.83 589) 0,0092 2740,84(3064 589) = 0,0045

= 0,45% III.3.3. Calcul les dbits

Dbit de vapeur d'eau produite par le systme solaire

Le dbit de vapeur produite par le systme solaire peut se calculer par un bilan

dnergie autour de la gnratrice solaire de vapeur : mHTFh = msolaire(he.solaire hs.solaire) (.) msolaire = mHTFh(he.solaire hs.solaire) (.) avec; mHTF: Le dbit du fluide caloporteur 102,6 Kg/s. h : Diffrence d'enthalpie HTF 248 KJ/Kg.


59

En remplaant dans l'quation (III.16), on aura:

msolaire = 102,6 248(3039 833) msolaire = 11,5

Dbit de vapeur surchauffe

Dans la HRSG, la temprature pincement est: Tpincement = 25 T8 = Tg + Tpincement don: T8 = 300 + 25 = 325 On utilise la relation (III.5) et (III.6) pour trouver le dbit de vapeur surchauffe: mvs = 35Kg s

Dbit de vapeur soutire ms = . mvs (.) ms = 0,0045 35 = 0,157Kg s Dbit de vapeur chappe mve = mvs ms (.) mve = 35 0,157 = 34,843Kg s Dbit de l'air (ACC)

Calcul du dbit de l'air d'aprs (III.8): mair = 34,843 (2397,59 217,6)1,005 10 = 7558 Kg s


60

III.3.4. Calcul de la temprature de chemine

On utilise le bilan massique et d'nergie sur le rcuprateur de chaleur: e. mgCPmoy(T5 T12)= mvsha + msolaire(he.solaire hs.solaire) (mvehc + mshs) (.) T12 = T5 mvsha + msolaire(he.solaire hs.solaire) (mVehc + mshs) e. mgCPmoy (.) On remplace dans la relation, on aura: T12 = 144 III.3.5. Puissance de la turbine vapeur wTV = (ha hb) (ha hs) (.) wTV = (3661 2397,59) 0,0045 (3661 3064) wTV = 1260,7KJ Kg PTV = mvs(ha hb) ms(ha hs) (.) PTV = 35 (3661 2397,59) 0,157 (3661 3064) PTV = 44 MW III.3.6. Calcul du rendement de la turbine vapeur

On utilise l'quation (III.1), on aura :

TV = (3661 2397,59) 0,0045(3064 2397,59)(3661 1210) TV = 0,50 = 50%

Chapitre IV Calcul des paramtres du systme de champ solaire

61

IV.1. Introduction

Les centrales solaires thermodynamiques utilisent une grande quantit de

miroirs qui font converger les rayons solaires vers un fluide caloporteur chauff

haute temprature. Pour ce faire, les miroirs rflchissants doivent suivre le

mouvement du soleil afin de capter et de concentrer les rayonnements tout au

long du cycle solaire quotidien. Le fluide produit de llectricit par le biais de

Turbine gaz cycle combin. Ce systme a t dnomm systme hybride

solaire-gaz.

IV.2. Systme champ solaire

IV.2.1. Champ solaire SF

Le champ solaire compos de 56 boucles, est constitu de capteurs cylindro-

paraboliques, rpartis sur deux surfaces. Chaque surface contient 28 boucles de

quatre modules, rpartis en 2 ranges. Le module est form de 12 segments

comportant chacun plusieurs miroirs (Figure IV- 1). Les capteurs de type de LS-

3 sont aligns sur une ligne nord-sud, pour suivre le soleil d'est en ouest.

Les spcifications de LS-3 collecteur et les paramtres doprations sur champ

solaire est prsent sur les le tableau IV- 1 et IV- 2 respectivement. [11]

Tableau IV.1 : Spcifications de capteur solaire.

Paramtres

Valeurs

Surface d'envergure

545 mP2

Taux de concentration

82

efficacit optique

0,80 %

Envergure

5,76 m

Longueur

99 m


62

Tableau IV.2 Paramtres d'opration champ solaire.

Figure IV.1: Une partie du champ solaire de SPPI.

Paramtres

Valeurs

nombre de capteur parabolique

244 N

nombre de lignes

56 N

HTF temprature d'entre

293 C

HTF temprature de sortie

393 C

surface du champ solaire

183120 mP2

Module


63

IV.2.2. Systme HTF

Le fluide caloporteur HTF circulant dans la boucle dans le champ solaire est

une huile synthtique; Therminol PV-1, ses proprits thermo fonction de la

temprature peuvent tre trouvs dans la rfrence [16].

IV.2.3. Gnratrice solaire de vapeur SSG

Le SSG est l'assemblage d'un conomiseur (ECO), un vaporateur (EVA) avec

un tambour (DR) et une surchauffeur (SHE).

La puissance nette de sortie de la centrale est proportionnelle au dbit flux de

vapeur en expansion dans le ST, il est la somme du dbit flux de vapeur gnre

dans HRSG et qui a gnr dans le SSG.

Le fonctionnement de la centrale hybride est sous la condition obligatoire que le

HTF circule travers le SSG la temprature d'entre constante, 393C, et la

temprature de sortie constante, 293 C, mais peut tre avec un taux de dbit

massique variable. La limite haute de la temprature est impose parce que

l'exposition long terme de l'organique HTF au de l de 400 C des

tempratures peut conduire la dcomposition thermique du fluide. La

dcomposition thermique du fluide se produit lorsque la chaleur applique au

fluide peut causer la rupture des liaisons molculaires, ce qui entrane la

dgradation des proprits physiques du HTF.

Le taux de dbit de flux vapeur solaire est proportionnel au taux dbit massique

HTF. Et le taux de flux massique HTF varie suivant l'intensit DNI. En d'autres

termes, en fonction du temps pendant la journe et aux conditions climatiques.

La valeur de calcul du taux de dbit massique HTF est de 200 kg/s, il est la

rsultante de DNI assum 751 W/ mP2P. Cette valeur de DNI est capable de

gnrer 22,6 kg/s de la vapeur solaire. Puis, la sortie de l'conomiseur, 22,6

kg/s de l'eau sous pression retire du HRSG et est envoy au SSG.


64

Aprs prchauffage et l'vaporation, la vapeur rsultante est sature surchauffe

et envoy l'HRSG 372 C. La vapeur dun solaire se mlange avec la vapeur

sortante de la SHE1. La vapeur passe travers toute l'SHE2 avant de l'tendre

dans la ST. A la conception de charger le ST, avec 34,7 kg/s de la vapeur

surchauffe 560 C et 80 bars. [11]

Les relations suivantes permettent de faire des calculs simples du systme

solaire:

Le champ solaire reoit l'nergie du rayonnement solaire incident: Qs = DNI. A (. ) avec; A La surface totale des miroirs. DNI Irradiation directe normale la surface. En appliquant (IV.1), on aura: Qs = 751 183120 = 137523,12 KW

La chaleur utile transporte par la HTF au SSG est respectivement : QHTF = mHTFhHTF (.) avec; mHTF: Le dbit massique de HTF. h Diffrence d'enthalpie HTF. Daprs l'quation (IV.2), on a: QHTF = 200 (499 251) = 49600 KW


65

Les rendements nergtique champ solaire et gnratrice solaire de vapeur sont

dfinis, respectivement, comme suit :

SF = QHTFQs (.) et

SSG = msolaire(he.solaire hs.solaire)QHTF (.) avec;

heau: Diffrence d'enthalpie de l'eau. A partir (IV.3) et (IV.4) on aura:

SF = 49600 137523,12 = 0,36 SF = 36% et

SSG = 11,5 (3039 833,47)25444,8 = 0,996 SSG = 99,6 %


66

IV.3. Turbine gaz cycle combin

Le concept de cycle combin est de lier un cycle haute temprature, le cycle

de Brayton avec un cycle basse temprature. Le cycle de Rankine, aid par un

changeur de chaleur.

Les gaz d'chappement de la turbine gaz sont utiliss pour produire de la

chaleur disponible du cycle de vapeur. Le transfert d'nergie sera ralis par un

gnrateur de vapeur rcupration de chaleur HRSG. [17]

Figure IV.2: Cascade nergtique.

Le rendement du cycle combin peut tre exprime par:

CC = GT + ST eHRSG(1 GT) (.) et

CC = PGT + PsTQGT (.)

Turbine gaz

HRSG

Turbine vapeur

1

e HRSG (1 - GT)

GT

(1 - GT)

ST e HRSG (1 - GT)


67

On peut dmontrer la relation (IV-5) comme sont:

= wQ w = Q (.) CO = (wGT + wST)QTG (.) QST = QGT wGT QST = QGT (GT QGT) wST = ST QST wST = ST [QGT (GT QGTTG)]eHRSG

CC = GT + eHRSGST(1 GT)

Figure IV.3: Diagramme d'un cycle combin

D'aprs la relation (IV.6)

cc = 44 + 44142

cc = 0,60 cc = 60 %

a

s s'

f

e d

c b b'

g

T

S

2S

1

2

3

5

s4 4


68

IV.4. Systme hybride solaire-gaz de Hassi R'mel

Le systme hybride solaire-gaz de Hassi R'mel combine le d'un champ solaire

et le cycle combin (CC) compos de deux turbines gaz une unit de turbine

vapeur.

Figure IV.4: Le systme hybride solaire-gaz de Hassi R'mel.

Le travail du systme hybride solaire-gaz de Hassi R'mel w : w = 2wGT + wST (.) D' aprs (IV.8) on a:

w = 2 (364916,86) + 1260700 = 1990533 J Kg


69

La puissance du systme hybride solaire-gaz de Hassi R'mel P: P = 2 PGT + 2 PST (.) On remplace dans (IV.10): P = 2 44 + 2 44 = 176 MW Le Rendement du systme hybride solaire-gaz de Hassi R'mel :

= PQGT + Qs (.) A partir (IV.11) on aura:

= 176142 + 137,5 = 0,63 = 63 %

Chapitre V Rsultats du calcul par cycle tempo

70

V.1. Introduction

Le programme du code Cycle-tempo a t dvelopp par TU Delft (Delft

University of Technology), il est utilis pour la modlisation thermodynamique

et l'optimisation des systmes de production d'lectricit, de chaleur et de froid.

V.2. Dessin du systme hybride par cycle-tempo

Premirement: on cliquant sur le bouton nouvelle page nous obtenons le

texte suivant.

Figure V.1: Interface principale de cycle-tempo.

New


71

Deuximement : Pour dessiner linstallation hybride thermique, on prend

les composants du cycle qui existant dans le menu des outils situs sur la

droite de l'cran et on le met dans l'espace du dessin, comme illustr dans la

figure.

Figure V.2: Les lments de linstallation hybride thermique.


72

Troisimement : nous relions entre les composants du cycle, en fonction

de la qualit du fluide qui passe entre eux.

Figure V.3: Centrale hybride solaire-gaz hassi R'mel.


73

V.3. Calcul du linstallation hybride thermique par cycle-tempo

V.3.1. Comment insrer les donnes

Nous prenons comme exemple l'insertion des donnes sur le compresseur, la

turbine gaz et la turbine vapeur.

Nous double-cliquons sur chaque lment, puis nous introduisons les donnes

suivantes sur les tiquettes.

AC

Temprature de sortie POUT = 17,74 bar Rendement isentropique ETHAI = 0,88 Rendement mcanique ETHAM = 0,99

Figure V.4: Fentre des donnes de compresseur.


74

GT

Temprature dentre TIN = 1200 Temprature de sortie TOUT = 550 Rendement mcanique ETHAM = 0,99

Figure V.5: Fentre des donnes de la turbine gaz


75

ST

Pression d'entre PIN = 83bar Temprature d'entre TIN = 560 Rendement mcanique ETHAM = 0,99 Rendement isentropique ETHAI = 0,9

Figure V.6: Fentre des donnes de la turbine vapeur.


76

V.3.2. Paramtres de calcul de linstallation hybride thermique

GT

Modle

Pression ambiante 0,928 bar Temprature ambiante 35 Compresseur dadmission Temprature de l'air 15 Rapport de pression de compresseur 20,2 Rendement isentropique du Compresseur 0,88 Temprature d'entre de la turbine 1200 Rendement isentropique de la turbine 0,88 Le dbit massique d'chappement 120,2 Kg/s La temprature d'chappement 550 Pouvoir calorifique du gaz naturel LHV 45778 KJ/Kg Puissance de sortie 40MW

HRSG

Type Pression unique sans rchauffage

Le dbit massique Fuel dans la poste de combustion 0,66Kg/s Temprature de l'approche 25 Temprature du pincement 25 Pertes de pression ct des gaz de combustion 0,025 Pertes de pression ct l'eau / vapeur 16bar Temprature d'eau entre 60 Temprature de chemine 100 Rendement isentropique 98,50%


77

ST

Modle

Temprature d'entre de la turbine 560 Pression d'entre de vapeur 83bar Dbit massique de vapeur 35Kg/s Temprature de condensation 52 Rendement isentropique 0,9 Puissance de production complte 40MW

Systme champ solaire

Temprature d'entre d'eau 195 Pression d'entre d'eau 93 Temprature de Sortie la vapeur 372 Dbit massique eau / vapeur 22,6/ Temprature d'entre HTF 392 Temprature de Sortie HTF 292 Dbit massique HTF 205/ Les pertes de pression ct l'eau / vapeur 5,8 Les pertes de pression ct HTF 2 Rendement isentropique 98%


78

V.3.3. Calcul

Pour effectuer le calcul et obtenir les rsultats finaux, on clique sur le bouton

de calcul. De cette faon nous pouvons obtenir des rsultats comme la montre la

figure ci-dessous.

Figure V.7: Rsultats finaux de Calcul de linstallation hybride thermique.

Pm = 40785.15 kW

Pm = 95219.65 kWP = -54403.00 kW

Pel = 40000.32 kW

Pel = 40000.04 kW

0.9530 259.41 120.860 -1158.82

5555

0.9530 326.97 120.860 -1084.07

5454

92.10 295.06 11.310 1316.15

5353

94.10 195.00 11.310 833.47

5252

92.10 304.99 11.310 2739.36

5151

83.00 560.00 34.704 3543.165050

92.10 304.99 11.782 2739.36

4949

0.8780 15.00 117.735 -136.814848

4747

88.20 276.97 23.394 1219.68

4646

4545

87.20 372.00 11.310 3039.75

87.20 372.00 11.310 3039.75

4444

12.00 292.00 102.661 251.67

4343

12.50 317.06 102.661 309.72

4242

14.00 392.00 102.661 499.59

4141

13.50 379.71 102.661 466.49

4040

14.00 392.00 102.661 499.59

3939

87.20 372.00 34.704 3039.75

3838

0.9530 631.20 120.860 -732.02

0.9530 631.20 120.860 -732.023737

0.9530 750.38 120.860 -587.47

3636

0.9530 583.49 120.860 -788.91

3535

4.500 147.91 0.321 2743.39

3434

0.9530 201.91 120.860 -1221.55

0.9530 201.91 120.860 -1221.55

3333

0.9280 100.00 120.860 -1331.01

3232

0.1363 52.00 34.485 217.69

0.1363 52.00 34.485 217.69

3131

0.1363 52.00 34.485 2352.83

3030

0.9530 207.12 120.860 -1215.91

2929

4.500 147.91 0.321 623.22

2828

5.000 147.91 0.321 623.28

2727

2626

4.500 140.00 34.485 589.26

4.500 140.00 34.485 589.26

2525

1.013 35.00 7284.592 -78.65

2424

2323

1.013 45.00 7284.592 -68.54

2222

87.20 372.00 23.394 3039.75

2121

89.20 195.05 23.394 833.47

2020

89.70 301.97 128.391 1355.70

1919

88.20 301.90 128.391 1633.54

1818

1717

94.10 195.00 34.704 833.47

1616

4.500 147.91 35.025 623.22

1515

4.500 201.85 0.219 2862.38

1414

7.000 140.03 3.395 589.56

1313

1212

7.000 52.04 34.485 218.47

1111

88.20 301.90 23.394 2745.84

1010

4.500 140.00 37.880 589.26

99

7.000 60.00 37.880 251.73

88

96.10 149.23 34.704 634.66

77

33.00 25.00 0.660 -3990.96

66

0.9530 550.00 120.200 -568.78

0.9530 550.00 120.200 -568.78

55

17.54 1200.00 120.200 232.2144

17.74 453.44 117.735 320.65 33

0.9280 35.00 117.735 -116.56

22

33.00 25.00 2.465 -3990.96

11

280

220

39

38

37

36

35

34

33

32

31

H

30

H

29

H 28

27

26

25 24

23

22 21

20 19

18

17

16

14

H

13

H

12

H

11

H

10

H

9

H

8

H

7

6

5

4

3

21

s.solaire

e.solaire

g

f

e

nL

d

c

b

s

a

12

11

10

9

8

7

6

5

4

32

1

0

HRSG1

ACC

SF

SSG1

GTPP1

HTF

PMP

PMP

DR

SHE

EVA

ECO

ST

AIR

CD

STEAM

DEA

PMP

PMP WATER

FLUEGAZ

Stack

DECO

WATER

PMP

DEVA

PMP

ValveECO1

ECO2

PMP

EVADR

STEAM

FLUEGAZ

SHE1

SHE2

DB

Gaz

FLEUGAZ

GT

CC

Gaz

AC

CH

AIR

p T

m hm = Massflow [kg/s]p = Pressure [bar]T = Temperature [C]h = Enthalpy [kJ/kg]P = Pow er [kW]Pm = Mechanical Pow er [kW]Pel = Electrical Pow er [kW]


79

Tableau V.1: Rsultats finaux de Calcul de linstallation hybride thermique.

V.4. Applications sur le code (cycle-tempo)

Dans cette partie de travail, nous avons tudi l'effet des paramtres

thermiques : la pression soutirage P (soutirage), puissance de la turbine gaz

P(GT) et l'changeur [T R (pincement)R +T R(approche)R] sur la puissance de la turbine

vapeur produite. Pour faire les calculs ncessaires nous avons utilis le code

Cycle-tempo.


80

V.4.1. Influence de la puissance de GT sur la puissance de ST

Lorsque nous changeons la valeur de la puissance de la turbine gaz la

puissance de la turbine vapeur change.

P(GT) [KW] P(ST) [KW]

9177,52 39799,38 24385,99 39898,38 40000,32 40000,04 56025,23 40104,38 72466,02 40211,44 89328,63 40321,26

Figure V.8: Influence de la puissance de la turbine gaz.

On constate une augmentation linaire de la puissance de la turbine vapeur

en fonction de la puissance de la turbine gaz

39799,38

39898,38 40000,04

40104,38 40211,44

40321,26

39500 39600 39700 39800 39900 40000 40100 40200 40300 40400

P(ST) [KW]

P(GT) [KW]


81

V.4.2. Influence de l'changeur

Nous constatons que, en changeant les valeurs des tempratures de pincement

et d'approche [TR (pincement)R +T R(approche)R], la puissance de la turbine vapeur

change.

+ P(ST) [KW] 30 40585,2 40 40279,33 50 40000,04 60 39742,03 70 39501,65

Figure V.9: Graphe l'influence de l'changeur.

Dans ce graphe on reprsente l'volution de P(ST) en fonction de

[T R(pincement)R +TR (approche)R].

On note : chaque fois que la valeur de [T R(pincement)R +TR (approche)R] augmente la

puissance de la turbine vapeur diminue.

40121,72

39881,75 39860 39798

39759

39500

39600

39700

39800

39900

Documents

Mémoire Biskra