Laboratoire dAnalyse et de Synthse des Systmes Chimiques Professeur G. Heyen

Dpartement de Chimie Applique Facult des Sciences Appliques

Universit de Lige

Simulation et Aide au Dimensionnement des

Chaudires de Rcupration

Marie-Nolle Dumont Travail prsent pour lobtention du grade de Docteur en Sciences de lIngnieur

Summary Heat recovery steam generators (HRSG) play a very important role in combined cycle (CC) power plants, where steam is generated from a gas turbine exhaust and supplied at the appropriate pressure and temperature to steam turbines for further power generation. The power plants achieve an overall efficiency above 55% and are ideally suited for combined heat and power generation in utility systems.

The performance of energy conversion is improved by reducing exergy losses which implies reducing the temperature difference between the combustion gas and the steam cycle. Thus recent HRSG designs include up to three pressure levels with reheat in the steam cycle for maximum energy recovery and the use of high pressure, high temperature superheater and reheater in CC plants. Super critical boilers are also conceivable.

Since HRSG performance has a large impact on the overall efficiency of the CC power plant, an accurate simulation of the performance of the HRSG is necessary.

We present a steady state HRSG model to support design and rating simulations of vertical units. The simulation model, called FELVAL, divides the boiler in its rows. The row model can also be divided several times following the tube length, to better estimate the fumes temperature distribution across the hot gas path. Another model, called SUFVAL, carries out the design as well as the automatic generation of the FELVAL units and all the needed connections.

The log mean temperature difference (LMTD) method and the effectiveness-NTU ( -NTU) method are alternatively used to compute the overall heat transferred in each part of the HRSG. The problem of convergence of boiler models with more than one row in parallel is discussed. Good initialisation of the different variables is crucial to obtain convergence.

The models are tested on 2 references HRSG. The first one is an assisted circulation boiler that operates at 3 subcritical pressure levels. The second is a once through boiler able to operate above the critical pressure of water.

These new models were introduced into a commercial software of data reconciliation (VALI of Belsim sa) already used by the engineering and design departments of a HRSG manufacturer. They thus have a general-purpose package enabling them to make design, data reconciliation and simulation with the same software. Moreover, the use of FELVAL model will enable them to simulate any type of boiler and to obtain informations on the change of the temperatures inside the heat exchangers. This information is crucial for well monitoring closely the operation of a boiler, and better understanding its behaviour. This knowledge improvement allows to limit the overdesign and the safety margins and to reduce the investment costs.

-1-

Objectifs et mthode Cela fait plus de 30 ans que le LASSC (le Laboratoire dAnalyse et de Synthse des Systmes Chimiques) est spcialis dans la modlisation et la conception de procds. Au fil des annes, plusieurs logiciels ont t mis au point, permettant lvaluation de proprits thermodynamiques, la simulation de procds industriels complets, lidentification de paramtres physico-chimiques, la validation de mesures industrielles ou lintgration nergtique dun site. En 1986, le rsultat des recherches du laboratoire a conduit la cration de la socit Belsim sa qui commercialise le logiciel VALI. Plus rcemment, le LASSC sest intress aux algorithmes doptimisation ainsi qu la simulation dynamique des procds.

Le point de dpart de cette thse tait de dvelopper un outil de modlisation et de dimensionnement pour une chaudire circulation force mono tubulaire super critique. Contrairement une chaudire classique, il est rapidement apparu quune modlisation globale de lchangeur tait impossible puisque les parties conomiseur , vaporiseur et surchauffeur sont contiges. Dans un mme changeur cohabitent toutes les phases par lesquelles passe leau pour devenir de la vapeur surchauffe.

Entre lentre et la sortie de lchangeur, les grandeurs caractristiques de leau voluent, comme le montrent les deux graphiques ci-contre. Ils reprsentent la viscosit et la chaleur spcifique pression constante de leau entre 60C et 600C, les tempratures dentre et de sortie de lchangeur mono tubulaire.

Quelles valeurs devrait-on choisir pour modliser cet changeur : celles dentre, de sortie, des valeurs moyennes ? Dans ces conditions, il est vident que la modlisation dun changeur mono tubulaire ne peut se faire que par

parties.

Quelle partie choisir ?

Aprs avoir analys une chaudire mono tubulaire nappe par nappe, il est apparu que la partie maximale modliser ne pouvait tre que la nappe de tubes. Il fallait en effet choisir un intervalle suffisamment court afin que les variations des proprits physiques restent limites tout en gardant un nombre de modules, ncessaires pour reprsenter lensemble de lchangeur, raisonnable.

Figure 2 : volution de la chaleur spcifique avec la temprature diffrentes pressions

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500 600 700

temprature (C)

cp m

ass

(kJ/

kg/K

)

10 bar50 bar120 bar180 bar240 bar

Figure 1 : volution de la viscosit avec la temprature diffrentes pressions

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0.00045

0.0005

0 100 200 300 400 500 600 700

temprature (C)

visc

osit

(kg/

m/s

)

10 bar50 bar120 bar180 bar240 bar

P

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En continuant le mme raisonnement, il fallait galement disposer dun outil qui nous permette de vrifier que, sur lintervalle choisi, les valeurs moyennes entre lentre et la sortie de lintervalle taient suffisamment reprsentatives de lchange de chaleur que nous voulions modliser. Il fallait donc disposer dun outil qui puisse, son tour, modliser le tube dun changeur mono tubulaire laide dun nombre suffisant dintervalles.

La finalit de cette thse avait volu. Nous devions pouvoir modliser un lment tri phasique quelconque dun changeur mono tubulaire.

Pourquoi tri phasique ? Car leau circulant dans le tube pouvait tre aussi bien liquide, que vapeur, en cours de vaporisation ou super critique.

Pourquoi quelconque ? Car la longueur de llment nest pas fixe priori. Si sa longueur maximale correspond la longueur dun tube, sa longueur minimale dpendra uniquement de ce que veut reprsenter lutilisateur.

Le module, nomm FELVAL, a donc t dvelopp. Il a t cr suffisamment autonome pour pouvoir choisir en cours de rsolution, les quations de dtermination des coefficients dchange de chaleur et de pertes de charge adapts aux conditions moyennes de leau sur lintervalle choisi.

Cependant, cette souplesse de conception a un prix : comme ltat thermodynamique de leau nest pas connu priori pour chaque lment de tube, et quil peut donc varier en cours de rsolution du modle, il tait indispensable de mettre au point un algorithme de rsolution particulirement robuste associ une stratgie labore dinitialisation des variables.

Le problme du nombre de modules interconnecter les uns aux autres est ensuite apparu. Il fallait crer ces modules mais galement leur donner un nom. Il fallait galement crer les connections et dterminer comment les modules devaient tre relis les uns aux autres. Les connections entre les tubes dpendent principalement du nombre de nappes en parallle au sein de lchangeur. Selon les cas, la premire nappe de tubes peut tre relie la seconde nappe ou la troisime ou encore une autre. Tous les cas possibles ont d tre identifis.

La cration dune procdure systmatique semblait invitable. Elle a t cre sous la forme dun module indpendant, un super module nomm SUFVAL.

La seconde partie de cette thse concernait le dimensionnement des changeurs mono tubulaires. Elle a fait tout dabord lobjet dune procdure isole. Il est cependant vite apparu quil tait plus judicieux de lintgrer, comme premire tape facultative, au module SUFVAL . On peut ainsi, une fois le dimensionnement achev, construire et simuler la chaudire mono tubulaire avec les modules FELVAL.

Afin de disposer dune interface graphique conviviale, ces deux modules ont t intgrs au logiciel VALI de Belsim.

Dans une troisime partie, les procdures dveloppes pour raliser le dimensionnement dune chaudire mono tubulaire tout comme les quations utilises pour modliser un lment quelconque de cette chaudire devaient tre valids. Un prototype de chaudire circulation force de CMI nous a servi de rfrence. Des essais de fonctionnement 120 bar et 180 bar ont servi de base la validation des modles. Malheureusement, nous navons pas pu disposer dessais de fonctionnement en conditions super critique. Cette partie de notre travail, bien que valide dans la littrature, restera donc purement thorique.

Bien que notre thse sarticule autour de la modlisation dun lment tri phasique quelconque dun changeur mono tubulaire, rien nempche dutiliser cet lment pour modliser une partie dune chaudire circulation assiste. Cette particularit nous a permis de disposer pour la validation du module FELVAL dun nombre beaucoup plus important de donnes de base. Une chaudire construite par CMI Ankara a t totalement modlise laide de modules FELVAL. Nous avons ainsi pu constater que la modlisation des surchauffeurs apportait des informations fort apprcies des chaudiristes.

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Le travail dvelopp dans cette thse a servi de base deux articles : Mathematical modelling and design of an advanced once-through heat recovery steam generator (Dumont M.N. and Heyen G. 2004) et Row by row simulation of heat recovery steam generators : comparing different types of initialization as well as the LMTD and -NTU simulation methods (Dumont M.N. and Heyen G. 2007).

On peut conclure en soulignant que les tudes ralises sur la modlisation des chaudires mono tubulaires ne sont pas trs courantes. Cest certainement pourquoi APPLIED THERMAL ENGINEERING nous a dj contacts plusieurs reprises pour effectuer des review darticles sur le sujet.

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Organisation du travail Ce travail est divis en plusieurs chapitres et annexes. Les chapitres prsentent le pourquoi et le comment de la thse tandis que les annexes reprennent la description de lensemble des quations ncessaires la modlisation dune chaudire de rcupration horizontale sous-critique ou supercritique, circulation assiste ou circulation force ainsi que les modes demploi complets des modles dvelopps. Une analyse bibliographique complte sur laquelle repose le dveloppement de ce travail est galement prsente.

Chapitre I Introduction Ce chapitre prsente les diffrents types de chaudires et comment celles-ci sintgrent dans les diffrents cycles industriels. La gomtrie des chaudires y est dcrite et leurs principaux paramtres y sont expliqus.

Chapitre II Position du problme Quelle tait la ncessit de disposer dun nouveau modle pour modliser les chaudires? Comment fonctionne un bureau de conception et comment ce nouveau modle y sera-t-il exploit? Ce second chapitre pose les bases du problme et dmontre lutilit de cette thse.

Chapitre III tude de la cohrence des chaudires La premire tape dans le travail de lingnieur consiste souvent runir des donnes cohrentes qui serviront de base aux modles dvelopper. Loutil de validation permettant dobtenir ces donnes est dcrit dans ce troisime chapitre. Les chaudires de rfrence permettant lillustration de ce travail sont ensuite prsentes.

Chapitre IV Les modles dvelopps FELVAL et SUFVAL sont les deux modles mathmatiques dvelopps dans cette thse. Le chapitre 4 en dcrit la structure et passe en revue les quations qui sont exploites par ces modles.

Chapitre V Suivi de performance des chaudires Les nouveaux modles ont t utiliss pour modliser deux chaudires de rfrence. Les rsultats obtenus sont analyss dans ce cinquime chapitre. Les stratgies dveloppes pour initialiser les diffrentes et nombreuses variables y sont dcrites. On trouve galement une comparaison de lefficacit des mthodes NTU et DTLM pour la modlisation des chaudires de rcupration.

Chapitre VI Design des chaudires Ce sixime chapitre concerne le dimensionnement des chaudires de rcupration. Un exemple de dimensionnement dune chaudire circulation force y est dvelopp et les rsultats obtenus avec le modle SUFVAL sont prsents.

Chapitre VII Conclusion Ce dernier chapitre est consacr la synthse de ltude.

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Annexe I Calcul des surfaces de tubes ailetts Cette annexe est une compilation du calcul des diffrentes surfaces autour dun tube ailettes, ncessaires notamment pour dterminer les coefficients de transfert sur les diffrentes nappes dune chaudire de rcupration.

Annexe II Quelques dfinitions Les principaux nombres adimensionnels ainsi que les proprits physiques et leurs units sont rappel dans cette annexe.

Annexe III Gnralits sur les pertes de charge. Toutes les quations utilises pour la modlisation de lcoulement des fluides dans une chaudire de rcupration sont reprises dans cette annexe. Une application au cas particulier des chaudires y est galement dtaille.

Annexe IV Gnralit sur les transferts de chaleur Toutes les quations utilises pour la modlisation du transfert de chaleur dans une chaudire de rcupration sont dcrites. Le calcul des performances des changeurs de chaleur y est galement rsum.

Annexe V Manuel dutilisation de FELVAL et de SUFVAL Cette annexe est une copie du manuel dutilisation des modles dvelopps dans le cadre de cette thse et intgrs au sein du logiciel VALI (Belsim sa)

Annexe VI Bibliographie Ltude bibliographique qui a men la rdaction de cette thse est entirement reprise dans cette dernire annexe.

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Nomenclature a diffusivit thermique (m2/s) A surface

Ab surface du tube nu (m2/m) Afo surface des ailettes (m2/m) Ai surface interne du tube (m2/m) An surface de passage pour la fume (m) Ao surface externe totale du tube (Apo + Afo) (m2/m) Apo surface externe nette du tube sans les ailettes(m2/m) Aw surface moyenne de la paroi du tube (m2/m)

Cp chaleur spcifique pression constante (J/kg/K) d diamtre

df diamtre des ailettes (m) do diamtre du tube (m)

e paisseur de la paroi (m) G flux massique (kg/m2/s) hc coefficient moyen de convection extrieur (W/m2/K) hi coefficient moyen de convection intrieur (W/m2/K) hr coefficient de radiation (W/m2/K) j nombre de Colburn kext coefficient correctif l longueur (m) lf hauteur de lailette (m) LMTD (TLM) diffrence logarithmique de temprature nelem nombre de tubes dans une nappe Nr ou nrow nombre de ranges de tubes ntp nombre de tubes en parallle dans un changeur pl ou lp pas longitudinal (m) pt ou tp pas transversal (m) Q chaleur totale change (W) R rsistance (W/m2/K)-1

Rf rsistance due lencrassement interne Rfo rsistance due lencrassement extrieur Reo rsistance extrieure totale base sur la surface extrieure totale Rio rsistance intrieure totale base sur la surface extrieure totale Rto rsistance totale base sur la surface extrieure totale Rwo rsistance totale du tube base sur la surface extrieure totale

sf espacement entre deux ailettes (m) tf paisseur moyenne de lailette (m) T temprature (K)

Tb temprature du mlange To temprature moyenne des fumes Ti temprature moyenne intrieure Tf temprature au bout de lailette Ts temprature moyenne des ailettes Tw temprature moyenne de la paroi du tube

u vitesse du fluide (m/s) uL vitesse de la phase liquide uG vitesse de la phase gazeuse Uo coefficient dchange global (W/m2/K) w vitesse du fluide (m/s)

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WS largeur du segment dailettes (pour les ailettes crantes) (m) z hauteur (m)

Symboles grecs app coefficient dchange externe apparent tenant compte de lefficacit

des ailettes (W/m2/K) e coefficient dchange externe (W/m2/K) i coefficient dchange interne (W/m2/K) conv coefficient dchange intrieur lors de lbullition de type convectif

dun corps pur (W/m2/K) nucl coefficient dchange intrieur lors de lbullition de type nuclaire

dun corps pur (W/m2/K) r facteur de radiation externe conductivit thermique (W/m/K) masse volumique (kg/m3) viscosit cinmatique = / (m2/s) ou viscosit dynamique (Pa.s) ou (kg/m/s) ail efficacit de lailette

Principaux indices b, e, o extrieur i intrieur f ou ail ailette fo encrassement extrieur fi encrassement intrieur c convection r radiation in-line arrangement des tubes en ligne stag arrangement des tubes en quinconce lam laminaire turb turbulent

Table des matires

-Table des matires : 2-

SUMMARY ...........................................................................................................................................................1 OBJECTIFS ET MTHODE ......................................................................................................................................1 ORGANISATION DU TRAVAIL ...............................................................................................................................4

CHAPITRE I. LES CHAUDIRES................................................................................................................. INTRODUCTION................................................................................................................................................. I.2 LES CHAUDIRES CIRCULATION NATURELLE................................................................................................. I.3 LES CHAUDIRES CIRCULATION ASSISTE ..................................................................................................... I.5 LES CHAUDIRES CIRCULATION FORCE ....................................................................................................... I.6 LES CHAUDIRES DANS UN CYCLE TGV........................................................................................................... I.7

Chaudire 1P (180 bar) .............................................................................................................................. I.8 Chaudire 2P (180 bar et 15 bar)............................................................................................................... I.9

GOMTRIE DUNE CHAUDIRE DE RCUPRATION VERTICALE ..................................................................... I.10 UTILISATION INDUSTRIELLE ........................................................................................................................... I.12

Le cycle TGV............................................................................................................................................. I.12 La cognration ........................................................................................................................................ I.13 Le repowering ........................................................................................................................................... I.14

CAPACITS DU MARCH ................................................................................................................................. I.15 CHAPITRE II. POSITION DU PROBLME .............................................................................................

COMPTITIVIT DES FABRICANTS DE CHAUDIRE............................................................................................ II.2 FONCTIONNEMENT DUN BUREAU DE CONCEPTION ......................................................................................... II.3

Le dimensionnement thermodynamique ............................................................................................... II.3 Le dimensionnement gomtrique ........................................................................................................ II.4 Le dimensionnement final .......................................................................................................................... II.4 Le calcul des allures .................................................................................................................................. II.4

LOBJECTIF DE CE TRAVAIL ............................................................................................................................. II.5 UTILIT DUNE UNIT DE TYPE FELVAL AU SEIN DUN BUREAU DE CONCEPTION .......................................... II.6

CHAPITRE III. TUDE DE LA COHRENCE DES CHAUDIRES...................................................... LA VALIDATION DES MESURES .......................................................................................................................III.2 MTHODES DE VALIDATION ...........................................................................................................................III.2 AVANTAGES DE LA VALIDATION ....................................................................................................................III.5 LOGICIEL DE VALIDATION ..............................................................................................................................III.5 LA VALIDATION DUNE CHAUDIRE DE RCUPRATION..................................................................................III.7

Les mesures disponibles............................................................................................................................III.7 Les quations utilises...............................................................................................................................III.7

LES CHAUDIRES DE RFRENCE....................................................................................................................III.9 Ankara.....................................................................................................................................................III.10 OTB.........................................................................................................................................................III.13

CHAPITRE IV. LES MODLES DVELOPPS ....................................................................................... FELVAL ET SUFVAL...................................................................................................................................IV.2 QUATIONS UTILISES....................................................................................................................................IV.7

Calcul de U ............................................................................................................................................... IV.7 Calcul de A................................................................................................................................................ IV.8 Calcul de DTLM........................................................................................................................................ IV.8 Calcul de Pi........................................................................................................................................... IV.11

CHAPITRE V. SUIVI DE PERFORMANCE DES CHAUDIRES ......................................................... STRATGIES DINITIALISATION........................................................................................................................V.2 MODLISATION DES CHAUDIRES DE RFRENCE ...........................................................................................V.5

Chaudire dAnkara................................................................................................................................... V.5 Chaudire OTB ........................................................................................................................................ V.12

COMPARAISON LMTD-NUT.........................................................................................................................V.16 Conclusions.............................................................................................................................................. V.17

CHAPITRE VI. DESIGN DES CHAUDIRES............................................................................................ DIMENSIONNEMENT DUNE CHAUDIRE DE RCUPRATION CIRCULATION ASSISTE...................................VI.2

-Table des matires : 3-

DIMENSIONNEMENT DUNE CHAUDIRE CIRCULATION FORCE...................................................................VI.5 EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT DUNE CHAUDIRE CIRCULATION FORCE ..............................................VI.6

CHAPITRE VII. CONCLUSIONS .................................................................................................................. ANNEXE I. CALCUL DES SURFACES DE TUBES AILETTS ............................................................... ANNEXE II. QUELQUES DFINITIONS ..................................................................................................

1 LES PRINCIPAUX NOMBRES SANS DIMENSION ......................................................................................AII-2 1.1. Nusselt........................................................................................................................................ AII-2 1.2. Reynolds..................................................................................................................................... AII-2 1.3. Prandl ........................................................................................................................................ AII-2 1.4. Colburn ...................................................................................................................................... AII-2 1.5. Froude........................................................................................................................................ AII-2

2 COULEMENT DIPHASIQUE DANS UN TUBE : FRACTION SCHE ET RAPPORT DES DBITS MASSIQUES....AII-3 3 LE RAPPORT DES VITESSES, LA VITESSE DE GLISSEMENT ET LA VITESSE DE DRIVE .......................AII-3 4 FRACTION VOLUMIQUE DE VIDE ET FRACTION VOLUMIQUE DE LIQUIDE ..............................................AII-3 5 LES QUATIONS DE CONTINUIT DE PHASE ..........................................................................................AII-4 6 LES VITESSES SUPERFICIELLES ............................................................................................................AII-4 7 LE RAPPORT DES DBITS VOLUMIQUES ................................................................................................AII-4 8 VITESSE GAZEUSE, LIQUIDE ET HOMOGNE .........................................................................................AII-4 9 DENSIT ET VOLUME SPCIFIQUE DUN MLANGE ...............................................................................AII-5 10 LES PROPRITS PHYSIQUES ET LEURS UNITS ................................................................................AII-5 11 CONSTANTES PHYSIQUES ................................................................................................................AII-6 12 RELATION ENTRE LES UNITS DE BASE ET LES UNITS DRIVES.....................................................AII-6

12.1. Pression ..................................................................................................................................... AII-6 12.2. Viscosit dynamique................................................................................................................... AII-6 12.3. Viscosit cinmatique................................................................................................................. AII-6

ANNEXE III. GNRALITS SUR LES PERTES DE CHARGES. APPLICATION AU CAS PARTICULIER DE LA CHAUDIRE DE RCUPRATION. .......................................................................

1 GNRALITS .....................................................................................................................................AIII-2 1.1. Proprits des fluides................................................................................................................ AIII-2 1.2. Hydrostatique............................................................................................................................ AIII-2 1.3. Cinmatique .............................................................................................................................. AIII-2 1.4. coulement des fluides.............................................................................................................. AIII-2 1.5. coulement permanent des fluides parfaits .............................................................................. AIII-2 1.6. coulement permanent des fluides rels ................................................................................... AIII-3 1.7. coulement dans une conduite.................................................................................................. AIII-3

2 CALCUL DES PERTES DE CHARGE ........................................................................................................AIII-4 3 PERTE DE CHARGE EXTERNE...............................................................................................................AIII-4 4 PERTES DE CHARGES INTERNES ..........................................................................................................AIII-6

4.1. Perte de charge continue .......................................................................................................... AIII-6 4.2. Pertes de charges locales........................................................................................................ AIII-23

5 APPLICATION DES PERTES DE CHARGE AUX DIFFRENTS LMENTS DUNE CHAUDIRE ...................AIII-27 ANNEXE IV. GNRALITS SUR LES TRANSFERTS DE CHALEUR. APPLICATION AU CAS PARTICULIER DE LA CHAUDIRE DE RCUPRATION. .......................................................................

1 RAPPEL DE TRANSFERT DE CHALEUR ................................................................................................. AIV-2 2 TRANSFERT DE CHALEUR DANS UNE CHAUDIRE DE RCUPRATION................................................. AIV-3 3 VALUATION DU COEFFICIENT DCHANGE DE CHALEUR INTERNE.................................................... AIV-5

3.1. Ecoulement mono-phasique ...................................................................................................... AIV-5 3.2. Ecoulement di-phasique............................................................................................................ AIV-6 3.3. Ecoulement super critique ...................................................................................................... AIV-10

4 VALUATION DU COEFFICIENT DCHANGE DE CHALEUR EXTERNE................................................. AIV-13 4.1. Coefficient de convection ........................................................................................................ AIV-13 4.2. Coefficient de radiation interne des gaz ................................................................................. AIV-19 4.3. valuation du rendement de lailette ...................................................................................... AIV-21 4.4. Estimation de la temprature du tube, des tempratures maximum et moyenne de lailette. . AIV-23

5 CALCUL DES PERFORMANCES DES CHANGEURS DANS UNE CHAUDIRE DE RCUPRATION ........... AIV-25 6 MTHODES DE DIMENSIONNEMENT ................................................................................................. AIV-26

6.1. Lcart de temprature logarithmique moyen......................................................................... AIV-26

-Table des matires : 4-

6.2. Le nombre dunits de transfert .............................................................................................. AIV-27 ANNEXE V. TUDE BIBLIOGRAPHIQUE ..............................................................................................

1 CHAUDIRES DE RCUPRATION .........................................................................................................AV-2 2 CYCLES COMBINS ..............................................................................................................................AV-3 3 TRANSFERT DE CHALEUR.....................................................................................................................AV-4 4 PERTES DE CHARGE .............................................................................................................................AV-5 5 TURBINES GAZ..................................................................................................................................AV-6

Chapitre I. Les chaudires

-I.2-

Chaudire n. f. Organe de chauffage dun liquide transporteur de chaleur ou de production de vapeur nergtique.

1 Introduction Il existe deux grands groupes de chaudires : les chaudires de rcupration qui permettent de valoriser lnergie thermique dun fluide chaud qui doit tre refroidi et les chaudires combustion, dans lesquelles un combustible est brl de manire transfrer lnergie ncessaire.

Les chaudires combustion sont conues en fonction des caractristiques du fluide caloporteur ou du fluide vaporiser, ainsi que de celles du combustible brler.

Les chaudires de rcupration ont, elles aussi, des caractristiques trs varies, dictes par les processus industriels auxquelles elles sont associes. Elles produisent soit de la vapeur de chauffe, utilise en dautres points de linstallation qui ncessitent un apport de chaleur, soit de la vapeur nergtique, dont la dtente dans des turbines permet dentraner certaines machines, telles que des compresseurs, des pompes ou alors des alternateurs connects un transformateur pour la production dlectricit.

Nous tudierons plus particulirement les chaudires de rcupration dans un cycle combin couramment appel cycle TGV (turbine gaz/vapeur), illustr la figure I-1. La chaleur contenue dans lchappement de la turbine gaz (560C-640C) est utilise par un cycle thermodynamique mettant en uvre une turbine vapeur.

Ce type de centrale prsente un rendement net actuellement proche de 55%. La technologie TGV constitue un excellent moyen de production de llectricit et est amene jouer un rle important dans les annes futures.

Les chaudires de rcupration peuvent tre horizontales ou verticales. Nous nous intresserons plus particulirement aux chaudires verticales construites par la socit CMI (Seraing Belgique) puisquelles vont servir au dveloppement des diffrents exemples de ce travail.

Figure I-1 : Exemple de cycle TGV un seul niveau de pression

-I.3-

Dans ces chaudires leau est rchauffe puis vaporise et surchauffe dans des tubes horizontaux.

Mme sil est possible de concevoir des cycles thermodynamiques bass sur diffrents fluides, les chaudires classiques utilisent exclusivement de leau liquide quelles rchauffent jusqu la temprature de saturation puis quelles vaporisent sous forme de vapeur sature. Trs gnralement, elles surchauffent ensuite cette vapeur, cest--dire quelles en lvent la temprature au-dessus de sa temprature de saturation. La vapeur ainsi produite peut galement constituer un fluide caloporteur ; elle est alors gnre une pression telle que sa temprature de condensation corresponde au niveau de temprature requis par les organes dutilisations ; on ne la surchauffe que lgrement, uniquement pour limiter les condensations parasites dans les conduites de transport et de distribution.

Mais, plus gnralement, cette vapeur est utilise comme fluide nergtique, dans un cycle ferm de production dnergie. Dans ce cas, on cherche optimiser les pressions et obtenir les tempratures de surchauffe les plus leves possibles dans un contexte conomique et technique raisonnable. Les rendements des cycles nergtiques auxquels elles sont associes sont, en effet, des fonctions de ces deux paramtres.

2 Les chaudires circulation naturelle Dans les chaudires circulation naturelle, la circulation du fluide dans lvaporateur est assure par la diffrence de densit entre leau qui descend du ballon et le mlange eau vapeur qui remonte vers le ballon (voir Figure I-2). La circulation naturelle est dautant meilleure que la diffrence de hauteur entre le ballon et les tubes est grande. Dans le ballon, il y a sparation des phases : la phase vapeur est envoye vers une ventuelle surchauffe tandis que leau la base du ballon est renvoye vers lvaporateur.

La chaudire un niveau de pression peut donc tre divise en trois zones bien distinctes :

Lconomiseur : leau liquide est rchauffe jusqu la temprature dapproche qui se situe quelques degrs sous la saturation. Cette diffrence de temprature est une scurit pour ne pas avoir de vaporisation lintrieur de tubes ;

Lvaporateur : leau reprise la base du ballon est partiellement vaporise puis renvoye dans le ballon ;

Le surchauffeur : la vapeur est soutire en haut du ballon et est surchauffe jusqu la temprature de consigne. Gnralement, la temprature la sortie du

Figure I-2: Chaudire circulation naturelle

Pompe dalimentationEcono

Evapo

Surchauffeur

ballon

-I.4-

surchauffeur est rgule par une dsurchauffe, ce qui permet un contrle plus facile en cas de modification des conditions de fonctionnement de la source de fluide chaud (par exemple une turbine gaz).

La diffrence de densit entre les phases vapeur et liquide saturation dcrot quand la pression augmente (voir Figure I-3). Cest pourquoi on ne rencontre pas de chaudire circulation naturelle trs haute pression (rarement au-del de 145 bar).

Les chaudires circulation naturelle nayant pas de pompe de circulation lvaporateur, prsentent lavantage dune faible consommation lectrique et de cots de maintenance limits.

Figure I-3 : volution de la densit de leau liquide et vapeur avec la pression de saturation

0 100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250Pression (bar)

Densit (kg/m) du point de saturation Densit vapeur Densit liquide

-I.5-

3 Les chaudires circulation assiste Lorsque la pression de la vapeur augmente, le tirage naturel dans les tubes de lvaporateur devient insuffisant. Une pompe de circulation est alors introduite dans la boucle de vaporisation pour vaincre les pertes de charge du mlange eau vapeur dplacer (voir

Figure I-5).

Cest un schma couramment rencontr pour des pressions comprises entre 100 et 180 bar. Pour des pressions suprieures, on rencontrera des chaudires circulation force.

Figure I-4 : Chaudire circulation force sans ballon de dmarrage

Pompe dalimentation

Econo Evapo Surchauffeur

Figure I-5 : Chaudire circulation assiste

Pompe dalimentationEcono

Evapo

Surchauffeur

ballon

Pompe decirculation

-I.6-

4 Les chaudires circulation force Les chaudires les plus modernes peuvent tre vaporisation totale (once-through boiler en anglais): elles ne comportent thoriquement plus de rservoir matrialisant la sparation eau vapeur (voir Figure I-4) et sont constitues dun grand nombre de tubes parallles lintrieur desquels leau se rchauffe, se vaporise, et se surchauffe en un seul passage.

Une chaudire circulation force diffre dune chaudire classique, circulation naturelle ou assiste, de par le nombre dlments qui la composent. En effet, une chaudire classique comprend un conomiseur, un vaporiseur avec ballon de sparation et un surchauffeur. Dans une chaudire circulation force, on ne peut plus faire la diffrence entre lconomiseur et le vaporiseur, et sil subsiste un ballon de sparation, non seulement sa taille est fortement rduite, mais en plus, son utilit est principalement limite la phase de dmarrage de la chaudire, pendant laquelle leau soutire la base du ballon est renvoye vers le dgazeur, le surchauffeur ntant oprationnel que lorsque le dbit de vapeur sortant du ballon est suffisant (voir Figure I-6).

Figure I-6 : Chaudire circulation force avec ballon de dmarrage

Pompe dalimentation

Econo

Evapo

Surchauffeur

ballon de dmarrage

-I.7-

5 Les chaudires dans un cycle TGV Dans un cycle combin, les chaudires de rcupration doivent tre conues de manire satisfaire plusieurs objectifs :

rduire les irrversibilits de transfert de chaleur, accrotre lefficacit du transfert de chaleur, minimiser la perte par enthalpie restante des fumes rejetes la chemine, permettre le rglage de la temprature de sortie de la vapeur surchauffe lentre

de la turbine vapeur,

pouvoir tre rapidement dmarre pour ne pas perturber le cycle combin, prsenter une perte de charge limite ct fume pour limiter la contre-pression

lchappement de la turbine gaz, ce qui en rduirait le rendement.

Afin de rencontrer ces objectifs, certaines mthodes sont systmatiquement utilises :

dterminer les niveaux de pression et organiser la circulation gnrale de faon minimiser la diffrence de temprature entre les fumes et leau/vapeur rchauffer,

adopter pour chaque changeur la circulation contre-courant, utiliser un rchauffeur dair lorsque le cycle le permet (pas de TG)

Considrons une chaudire de rcupration compose dun conomiseur, dun vaporateur et dun surchauffeur. Si leau et les fumes circulent contre-courant, la diffrence minimum de temprature entre les fumes et leau dfinira le point de pincement du procd.

Deux points de pincement apparaissent dans une chaudire de rcupration simple pression (voir Figure I-7): un point de pincement la sortie du surchauffeur (F1, E1) et un point de pincement lvaporateur (F3, E3). Le point de pincement dfinit la limite de rcupration correspondant lnergie maximum rcuprable dans les fumes. La connaissance des enthalpies des fumes aux points F1 et F3 permet de dterminer lnergie disponible tandis que les enthalpies de leau aux points E1 et E4 permettent de dterminer le dbit de vapeur pouvant tre gnr dans cette chaudire.

Figure I-7: volution des tempratures dans une chaudire contre-courant

E1

0

100

200

300

400

500

600

700

pincement1

F1

F2

F3

F4E2 E4

E5

E3pincement 2

Surchauffeur Evaporateur Econo

Temprature (C)

Variation denthalpie

-I.8-

( )( )

1 3

1 4

fume F Fvapeur

E E

Dbit H H pertesDbit

H H =

Par dfinition, lchange de chaleur est rversible lorsque les courbes de temprature se superposent. En pratique, cest impossible car mme en imaginant des surfaces dchange infinies, il subsisterait un palier pour la vaporisation de leau. On peut visualiser les irrversibilits du procd en reprsentant lvolution de la variation denthalpie en fonction du facteur de Carnot ( )0T T T (voir Figure I-8 et Figure I-9). Sur ce diagramme, laire comprise entre une courbe et lhorizontale T0 (15C) reprsente lexergie disponible. Laire comprise entre la courbe de refroidissement de la fume et la courbe dchauffement de leau reprsente lexergie perdue par change irrversible. Les poches dirrversibilit peuvent tre rduites en effectuant la vaporisation diffrents niveaux de pression. Le nombre de niveaux de pression restera cependant souvent limit 3 pour garder une structure conomiquement rentable.

A titre indicatif, nous allons valuer les pertes exergtiques dans une chaudire un seul niveau de pression (180 bar) et les comparer aux pertes dans une chaudire deux niveaux de pressions (15 bar et 180 bar). La composition des fumes est la suivante :

Les donnes thermodynamiques sont calcules partir du modle IAPWS (Wagner W. 1998) pour leau et PTC4 (ANSI/ASME 1981) pour les fumes.

5.1. Chaudire 1P (180 bar) Pour pouvoir produire 1 kg de vapeur HP surchauffe 540C, en acceptant un point de pincement de 18C lvaporateur il faut 6.69 kg de fumes 600C. Ces fumes ressortent la chemine 151C. Les profils de temprature sont reprsents la Figure I-8.

T (C) tat H(kJ/kg) S (kJ/K/kg)15 liquide 80.05 0.22146357 liquide 1732 3.85221357 vapeur 2509 5.10579540 vapeur 3389.5 6.3733

Eau(180 bar)

FumeT (C) H(kJ/kg) S (kJ/K/kg)

151 128.37 0.58875600 622.76 1.3688

En fixant T0=288.15 K, on calcule :

lexergie perdue par la fume : 1 0 1804.8 kJE H T S= = lexergie reue par leau : 2 1536.8 kJE =

On en dduit la perte dexergie due lirrversibilit de lchange

1 2 268 kJ, soit 14.8% de E1E E E = =

-I.9-

Lanalyse de la Figure I-8 (facteur de Carnot en ordonne) montre quon pourrait rduire les pertes en insrant la production dune nouvelle quantit de vapeur sous la temprature de saturation de la vapeur HP. Cette vapeur doit donc tre une pression infrieure et peut tre surchauffe jusque T

-I.10-

En ajoutant un niveau de pression on a donc rduit les pertes dirrversibilit de presque 3%.

On peut galement rduire les irrversibilits dans une chaudire de rcupration en produisant de la vapeur supercritique (P > 220.64 bar). Le palier de vaporisation sattnue et on constate une meilleure concordance entre les courbes des fluides chauds et froids.

En pratique, ce sont les irrversibilits de lensemble du cycle TGV quil faudra rduire, en ce compris les irrversibilits dues la dtente de la vapeur dans les turbines. Cela se fera notamment en ajoutant une resurchauffe de la vapeur la sortie de la turbine haute pression.

6 Gomtrie dune chaudire de rcupration verticale

La chaudire verticale, quelle que soit sa configuration, est constitue de plusieurs changeurs de chaleur. Ces changeurs comprennent un collecteur dentre, une srie de tubes (le plus souvent ailetts pour augmenter lchange thermique) et un collecteur de sortie.

On dfinira compltement un lment de chaudire en donnant (voir figure I-11):

la direction dcoulement de leau par rapport aux fumes : co-courant ou contre-courant. Pour tre exact, il faudrait parler de courant crois puisque les fumes scoulent perpendiculairement aux tubes. On parlera cependant de contre-courant lorsque les fumes rencontrent dabord les tubes issus du collecteur de sortie (CS) de llment et de co-courant lorsquelles rencontrent dabord le collecteur dentre (CE);

le nombre de nappes de tubes (nrow), une nappe tant lensemble des tubes situs dans un mme plan et disposs perpendiculairement la direction des fumes;

le nombre de tubes dans une nappe (nelem); larrangement des tubes : en file ou en quinconce ;

Figure I-10 : volution de la temprature de l'eau dans la chaudire en fonction de la pression

Variation d'enthalpie

Temprature

eau 300 bareau 240 bareau 180 barFume

-I.11-

le nombre de passes de tubes (npass), le nombre de passes indique dans combien de nappes le fluide froid circule lors de son passage dun collecteur lautre;

le nombre de tubes en parallle (ntp), cest--dire le nombre de tubes faisant partie de la mme passe et situs dans le mme plan vertical. Il faut remarquer que le calcul du nombre de tubes en parallle nest pas identique selon larrangement des tubes dans le faisceau.

Si les tubes sont en ligne, on a logiquement nrowntpnpass

=

Si les tubes sont en quinconce, on a 1 *2

nrowntpnpass

= Cest pourquoi quand il y a autant de ranges que de passes, le nombre de tubes en parallle est de 0.5 lorsque les tubes sont arrangs en quinconce.

lcartement des tubes dans le sens de lcoulement des fumes, dfini comme le pas longitudinal (PL) ;

lcartement des tubes dans le sens perpendiculaire lcoulement des fumes, dfini comme le pas transversal (PT) ;

le diamtre, lpaisseur et la longueur des tubes ainsi que le type de mtal utilis ; le nombre dailettes par mtre de tube ainsi que le type, le diamtre et lpaisseur de

celles-ci.

Figure I-11 : Gomtrie de la chaudire de rcupration

1 nappe

ntp

1

2

4

CE

CS

CS

CE

CE

CS

Arrangement en ligne, 4 nappes

PT

PL

fum

e

Ecoulement

contre-courant

co-courant

contre-courant

1 nappe

ntp

0.5

1

2

CE

CS

CS

CE

CE

CS

Arrangement en quinconce, 4 nappes

PT

PL

fum

e

npass

4

2

1

nelem=5 nelem=5

-I.12-

7 Utilisation industrielle

7.1. Le cycle TGV Aujourdhui, les nouvelles centrales pour la production dlectricit sont frquemment de type TGV (cycle combin ou centrale turbine gaz/vapeur). Ce sont des cycles qui, comme leur nom lindique, combinent une turbine gaz avec une turbine vapeur ( condensation). La temprature leve des fumes la sortie de la turbine gaz permet de vaporiser et surchauffer leau entrant dans le cycle vapeur. La chaudire de rcupration constitue physiquement linterface entre la turbine gaz et la turbine vapeur.

Chaque chaudire est unique. Elle est directement tributaire des performances et contraintes de le TAG, ainsi que du cycle vapeur choisi par les concepteurs de la centrale. Le choix final est fait en valuant le rapport cot/bnfice des diffrentes possibilits. La solution trois niveaux de pression est plus intressante du point de vue nergtique mais reprsente un investissement supplmentaire par rapport celle deux niveaux de pression tant donn la prsence dun vaporateur supplmentaire qui est un appareil assez coteux. Il y a donc un compromis trouver.

Le rendement dune centrale classique est compris entre 38% et 45% selon la taille de linstallation et le nombre de soutirages vapeur. Le rendement des turbines gaz, qui influence directement la rentabilit de la production dlectricit, se situe entre 35% et 40%, lmission de CO2 tant moins de la moiti de lmission dune centrale charbon classique de puissance quivalente. Dans une centrale TGV, les rendements des turbines gaz et vapeur ne sont pas aussi levs que dans les cycles simples, mais leur combinaison donne tout de mme un rendement denviron 55 %. La baisse du rendement du cycle vapeur est due la moins bonne qualit de la vapeur (produite dans une chaudire de rcupration la place dun gnrateur de vapeur o les fumes sont plus chaudes) ainsi qu la simplification du cycle vapeur (suppression de nombreux soutirages intermdiaires lors de la dtente de la vapeur) Quant la baisse du rendement de la turbine gaz, elle est due la haute temprature des gaz en fin de dtente, ncessaire pour assurer un change thermique suffisant dans la chaudire de rcupration et la contrepression induite par la chaudire.

Figure I-12 : Exemple de cycle combin

-I.13-

Dans la chaudire de rcupration dun cycle combin, lchange de chaleur se fait principalement par convection, contrairement au transfert de chaleur dans un gnrateur de vapeur de centrale thermique classique qui se fait non seulement par convection mais surtout par rayonnement.

7.2. La cognration La cognration consiste produire de la vapeur ncessaire un processus industriel en utilisant les gaz dchappement dune turbine ou dun moteur gaz, en lieu et place dune chaudire classique comme on en rencontre sur la plupart des sites industriels. Dans son principe, une cognration au gaz est un cycle combin (TGV) o on a supprim la turbine vapeur (voir Figure I-14).

La cognration a du sens sur le plan nergtique uniquement si la chaleur produite est utilise bon escient. Si on ne valorise pas la chaleur produite par une installation de cognration, on obtient une unit de production dlectricit avec un rendement infrieur celui des centrales TGV actuelles.

En cognration, la chaudire de rcupration est linterface entre la turbine gaz et le

Figure I-14 : Exemple de cognration

TAG

CHAUDIERE de rcupration

FUMEE

DEGAZEUR

pompesalimentaires

Applications industrielles

Figure I-13: Exemple de production combine chaleur-force

TAG

CHAUDIERE de rcupration

FUMEE

DEGAZEUR

TAV A CONTRE-PRESSION

pompesalimentaires

Chauffage urbain

Applications industrielles

-I.14-

consommateur de chaleur.

Un cycle combin dont on soutire une partie de la vapeur de la turbine vapeur peut aussi tre considr comme de la cognration, on parlera galement de production combine chaleur-force. Dans ce cas, la turbine vapeur sera contre-pression car la vapeur la sortie de la turbine nest pas condense mais dvie vers un rseau vapeur en vue dapplication thermique industrielle ou urbaine (chauffage urbain) (voir Figure I-13). Auparavant, on pouvait galement rencontrer ces units de chauffage urbain sans TAG (par exemple dans lunit qui tait exploite par INTERVAPEUR Verviers)

7.3. Le repowering Le repowering se prsente comme une manire efficace damliorer les performances dune centrale classique existante (cycle vapeur seul) en y greffant un cycle gaz. On obtient donc un cycle combin (TGV) dont le rendement est bien plus lev que le rendement dune centrale classique tout en profitant des installations existantes (turbine vapeur, condenseur, tour de refroidissement,). Le cot du repowering est donc modr compar au cot dune installation TGV neuve. Lors dun repowering, la chaudire combustion est remplace par une chaudire de rcupration puisquil sagit dutiliser lenthalpie disponible la sortie de la turbine gaz en lieu et place du gnrateur de vapeur.

Certains schmas envisagent dutiliser leffluent dune TAG comme comburant prchauff pour une chaudire combustion classique, qui devient alors une unit de postcombustion. Cette alternative ne permet plus dutiliser de prchauffeur dair. Elle se complte bien par une installation de chauffage urbain, o la chaleur bas potentiel qui serait utilise par le prchauffeur dair classique, peut tre employe pour le production deau chaude.

Figure I-15 : Exemple de repowering CHAUDIERE combustion

(gnrateur de vapeur)

CONDENSEUR

DEGAZEUR

TAV A CONDENSATION

pompesalimentaires

pompes d'extraction

CYCLE VAPEUR

TAG

CHAUDIERE de rcupration

FUMEE

-I.15-

8 Capacits du march Deux paramtres importants interviennent dans le march des chaudires de rcupration :

la consommation lectrique augmente ;

les accords de Kyoto, qui engagent les pays signataires rduire leurs missions de gaz effet de serre.

Puisque la consommation lectrique crot, le parc lectrique va devoir tre agrandi. En Belgique, il va peut-tre falloir remplacer les centrales nuclaires qui devraient tre progressivement arrtes lhorizon 2015. Pour des raisons essentiellement conomiques, les cycles prsentant les meilleurs rendements seront choisis. Il sagit des cycles TGV pour la production centralise dlectricit tandis que la cognration apparat comme une solution alternative conomiquement intressante la production centralise, pourvu bien entendu quexistent des besoins de chaleur proximit. La production dlectricit partir des nergies renouvelables serait cologiquement plus intressante, mais elles ne peuvent en aucun cas assurer la production de base de llectricit en Belgique.

Afin de rduire les missions de gaz effet de serre, les centrales thermiques classiques au charbon, grandes productrices de ce type de gaz, devront tre adaptes. La dpollution pousse des fumes est une solution fort coteuse. Le repowering ou le remplacement des centrales par des TGV pourraient tre envisag, mais ces solutions impliquent une modification du combustible, ce qui nest pas toujours possible. La centrale IGCC est une centrale cycle combin qui, au lieu de brler du gaz naturel, brle du gaz de synthse (CO + H2). Celui-ci est obtenu partir de la gazification du charbon. Le gaz brut issu du gazifieur est compos dun certain nombre de constituants polluants qui doivent tre limins avant ladmission du gaz dans la turbine gaz. LIGCC permet donc de garder le charbon comme combustible tout rduisant fortement la pollution atmosphrique.

Quelle que soit la technologie choisie, une chaudire de rcupration sera ncessaire larrire de la turbine gaz.

Cest dans ce contexte que le sujet de cette thse a t choisi. Une meilleure matrise de la modlisation interne des chaudires (matrise du processus de dimensionnement des surfaces dchange pour des changes thermiques non-standards : circulation force, super critique, etc) est ncessaire. Elle permet une meilleure prdiction des performances de la chaudire ainsi quune meilleure prdiction des donnes mcaniques de conception (Pdesign, Tdesign). La chaudire pourra ainsi profiter de faon optimale de lenthalpie des fumes de la turbine gaz pour produire de la vapeur de bonne qualit pour le cycle vapeur. Cela optimisera galement le rendement global du cycle.

Chapitre II. Position du problme

-II.2-

1 Comptitivit des fabricants de chaudire Pour quune chaudire soit comptitive elle doit, au risque de formuler une lapalissade, coter le moins cher possible tout en assurant le service exig. Rduire les cots doit se faire toutes les tapes de la conception de la chaudire.

1. Minimiser les surfaces dchange La surface dchange ncessaire est calcule lors du dimensionnement de la chaudire. Cette surface doit tre minimale sans pnaliser le rendement de la turbine gaz (en augmentant la perte de charge ct fume), tout en gnrant les dbits de vapeur requis et en assurant une temprature de surchauffe de la vapeur optimale (correspondant la temprature optimale dentre dans la turbine vapeur).

2. Choisir les matriaux les mieux adapts aux gammes de tempratures et de pressions rencontres

Des modles de simulation sont utiliss pour dterminer les conditions opratoires dans la chaudire de rcupration et dterminer les points chauds. Les matriaux sont choisis en tenant compte du rsultat de ces modles dans toutes les situations envisages par le client (diffrentes allures).

3. Choisir au mieux les marges de scurit Lorsquune nouvelle chaudire est livre, son fonctionnement charge nominale (correspondant gnralement au rendement maximum de la turbine gaz) ainsi qu diverses charges partielles doit tre garanti. Le fabricant va prendre des marges de scurit sur la construction de la chaudire de manire toujours tre certain que les performances garanties seront respectes.

Pour matriser le cot de fabrication dune chaudire de rcupration, il est donc ncessaire de calculer de manire la plus prcise possible les conditions opratoires en tout point de la chaudire.

Plus le modle reprsentant la chaudire de rcupration sera prcis, plus les marges pourront tre choisies petites et plus la comptitivit du fabricant sera grande.

-II.3-

2 Fonctionnement dun bureau de conception Lors de la commande dune nouvelle chaudire, le bureau de conception va tre charg de la conception de celle-ci. Les performances de la turbine gaz ainsi que les caractristiques des vapeurs produites (dbit, temprature, pression, etc.) sont donns par le client. Un encombrement maximum de la chaudire au sol peut galement tre impos.

La conception de la chaudire va se faire en plusieurs tapes :

un dimensionnement thermodynamique un dimensionnement gomtrique le dimensionnement final

La chaudire ainsi conue devra satisfaire des contraintes dallure imposes par le client. Le bureau de conception sera galement charg de lvaluation des allures principales ainsi que des performances de la chaudire. Ces performances devront tre garanties par le fabricant lors de la vente.

2.1. Le dimensionnement thermodynamique La composition des fumes sera soit connue, soit calcule. En choisissant un modle thermodynamique adapt, les caractristiques des fumes (capacit calorifique, viscosit, conductibilit, volume) pourront tre calcules. Pour leau/vapeur, un modle thermodynamique expressment ddi leau sera choisi et les caractristiques du fluide seront galement calcules.

Il faudra tout dabord, sassurer que lenthalpie disponible dans les fumes est suffisante pour produire la vapeur demande. Si on admet un rendement de lchange change infrieur 1, prenant en compte les pertes lambiance admises par le constructeur, on doit avoir :

*fume change vapeurQ Q = Il faut ensuite vrifier que la rcupration de la chaleur contenue dans les fumes est possible. Pour ce faire, il faut que la temprature des fumes soit toujours suprieure la temprature de la vapeur, et ce, en tout point de la chaudire. La disposition des changeurs dans le flux de fume est connue (elle a t calcule lors dun calcul doptimisation du cycle combin). Si des points de pincement apparaissent sur certains changeurs, deux possibilits peuvent tre envisages : modifier les paramtres de la vapeur (dbit et/ou temprature) ou utiliser une postcombustion. Une postcombustion relve la temprature des fumes en brlant une quantit supplmentaire de gaz naturel au moyen de loxygne rsiduel contenu dans les fumes. Le dbit ainsi que les caractristiques des fumes aprs la postcombustion devront tre recalculs.

Dans une chaudire de rcupration, lchange de chaleur seffectue principalement par convection, il dpend des proprits de transport des fluides en contact (coefficients de transfert de chaleur) et de la conductivit thermique du mtal constituant la sparation entre les fluides. Pour chaque changeur, le bilan thermique peut scrire :

Q U A DTLMi i i i= * * i

i

i

i

avec Q , la puissance thermique (kW) A , la surface d'change (m) U , le coefficient d'change global(kW/m/K) DTLM , la diffrence logarithmique de temprature entre l'entre et la sortie de l'changeur

Ou encore :

-II.4-

QDTLM

U Aii

i i= * Le premier terme de cette quation est totalement connu puisque les bilans nergtiques ont t raliss sur chaque zone identifie. Il reste donc dterminer Ui pour connatre la surface dchange ncessaire sur chacune des zones.

2.2. Le dimensionnement gomtrique Les coefficients de transfert de chaleur dpendent non seulement du type de fluide et des conditions opratoires mais galement de la gomtrie de lchangeur de chaleur. Il sera donc ncessaire de faire une hypothse sur la gomtrie de lchangeur pour calculer le coefficient de transfert. Cette hypothse devra tre valide la fin du calcul.

Il faudra faire galement une hypothse sur le nombre dlments constituant une nappe de lchangeur. Les changes de chaleur dans la chaudire tant de type convectif, il y a intrt avoir une vitesse de fumes et donc un nombre de Reynolds lev pour obtenir un bon coefficient de transfert. Le nombre dlments doit donc tre le plus petit possible.Cette hypothse sera confirme en calculant la perte de charge ct fume. Si cette perte de charge est suprieure une limite pralablement fixe par le client, le nombre dlments dans la nappe devra tre augment.

Il faut finalement dterminer quel sera le nombre de tubes en parallle dans lchangeur. Ce nombre de tubes va dpendre de la perte de charge admise ct eau. Pour ce faire on part du nombre de tubes en parallle minimum, on calcule la perte de charge et on la compare une limite fixe par le client. Tant que la perte de charge nest pas infrieure cette limite, on ajoute 0.5 tube en parallle et on recommence le calcul.

Il faut enfin vrifier que la stabilit de lcoulement est assur dans les vaporiseurs.

2.3. Le dimensionnement final A partir des rsultats de la premire partie, lingnieur de conception va raliser un schma dcoulement. Le dimensionnement ralis prcdemment ne fait pas encore apparatre les matriaux utiliss ni les liaisons entre les diffrents changeurs. Or, pour chaque circuit, il peut y avoir des pompes alimentaires, des vannes de sortie des diffrents lments. Il faut ajouter la tuyauterie de liaison, les collecteurs lentre et la sortie de chaque changeur, le ballon et les pompes de circulation sur chaque circuit vaporateur. Il faudra choisir les matriaux en fonction de la temprature et de la pression, confirmer les diamtres des tubes, calculer les paisseurs, etc.

Ces calculs permettront une estimation du prix de la chaudire.

2.4. Le calcul des allures Quand tous les paramtres gomtriques de la chaudire sont fixs, il est possible de dterminer les performances de la chaudire, cest--dire les caractristiques de la vapeur (dbit, temprature et pression) en tout point de fonctionnement autre que le point de dimensionnement.

Les calculs dallure consistent prdire au moyen du modle de simulation les performances de la chaudire de dimensions fixes, pour diffrents rgimes de fonctionnement de la TAG (les dbit, composition et temprature des gaz dchappement sont fournis par la client).

-II.5-

3 Lobjectif de ce travail Des tudes prcdentes menes au sein du LASSC ont mis en vidence que pour trouver une solution un problme pos, lingnieur doit appliquer une procdure itrative qui comporte trois tapes principales (processus immuable indpendant des tudes du LASSC) :

Analyser les objectifs et les contraintes, cest dfinir le problme Gnrer des rsultats valuer les rsultats obtenus pour estimer sils constituent une solution au problme

pos

Dans le cadre de cette thse, il nous tait demand de pouvoir modliser le comportement des chaudires circulation force construites par CMI. Nous avons donc commenc par traiter les mesures disponibles au moyen dun logiciel de validation et mis au point des modles mathmatiques pour gnrer des rsultats. La ncessit de pouvoir modliser toute une srie de variantes a mis rapidement en vidence la ncessit dintgrer directement loutil de validation au module dvelopp. De plus ltape prliminaire la construction de toute chaudire tant le design de celle-ci, il nous a paru vident quune stratgie de design devait tre intgre lensemble. Lanalyse des solutions a mis en vidence que les rsultats obtenus taient non seulement intressants pour les chaudires circulation force mais pourraient tre gnraliss dautres types de chaudires. Le module de calcul a donc t une nouvelle fois amlior afin de pouvoir convenir tous les types de chaudires verticales.

Figure II-1 : La dmarche de l'ingnieur

-II.6-

Nous voyons donc clairement apparatre la ncessit de disposer dun modle polyvalent combin un logiciel commercial de validation des mesures. Cette thse sarticule autour de la cration dune unit permettant le calcul de nimporte quelle partie de tube lintrieur dun changeur dune chaudire de rcupration. Ses caractristiques seront dcrites en dtail dans une autre partie de ce travail. Cette unit a t cre lintrieur du logiciel de validation VALI (Belsim sa) et porte le nom de FELVAL. De manire simplifier au maximum lutilisation de ce nouveau modle, nous avons galement cr un super modle qui automatise la cration des diffrentes units FELVAL ncessaires la reprsentation complte des diffrentes nappes qui composent un changeur de chaleur dans une chaudire de rcupration ainsi que la cration des connexions ncessaires pour lier les diffrentes units entre elles. Ce super modle porte le nom de SUFVAL.

4 Utilit dune unit de type FELVAL au sein dun bureau de conception

Le grand avantage de FELVAL par rapport aux outils disponibles sur le march concerne sa souplesse dutilisation : nimporte quelle section dun lment de la chaudire peut tre modlise, ce qui permet lutilisateur de vrifier ltat des fluides en prsence en tout point de la chaudire. Cette proprit est particulirement intressante lors de la modlisation des surchauffeurs et resurchauffeurs (problme des points chauds).

Il permet au bureau de conception de visualiser lvolution de la diffrence de temprature entre les fluides en tout point de lchangeur et dainsi choisir la temprature de design en fonction du tube le plus chaud.

Lorsquil y a une postcombustion, lchangeur le plus proche du brleur va pouvoir tre galement modlis de manire plus dtaille et on pourra vrifier leffet dune surchauffe locale dune partie de la premire nappe de tubes sur le dbit de vapeur dans cette nappe ainsi que sur la temprature finale la sortie du surchauffeur. On pourra ainsi modifier le design pour obtenir un dbit uniforme dans tous les tubes en parallle.

Dans des chaudires existantes, lorsque des mesures permettent dtablir une cartographie des tempratures de fume, on va utiliser FELVAL pour recalculer la rpartition des tempratures et des dbits de vapeur sur les diffrents tubes. Cela permettra de mettre en vidence dventuelles surchauffes locales et dvaluer lefficacit du design utilis. Des facteurs de correction pourront tre ajusts pour amliorer la prcision du modle, en vue du dimensionnement futur dautres chaudires (meilleure rpartition des dbits entre les diffrents tubes et tempratures des tubes plus homognes).

On utilisera galement FELVAL pour modliser limpact des effets de bord (by-pass prfrentiel des fumes le long de la paroi) sur la temprature des tubes.

Dans les chaudires horizontales, un problme de modlisation apparat dans le vaporiseur. En effet, si le liquide est bien satur la sortie du ballon, ce nest plus le cas 20 ou 25 m plus bas lentre du tube de vaporisation. Mais les modles mathmatiques disponibles font lhypothse que le liquide est toujours satur lentre du vaporiseur. FELVAL ne fait pas ce type dhypothse et va pouvoir tre utilis pour modliser les tubes du vaporiseur en les dcoupant en autant de sections que ncessaire pour avoir une bonne ide de lvolution des tempratures et des pressions le long du tube, ce qui est particulirement important puisque le point de pincement des chaudires de rcupration se situe toujours au niveau du vaporiseur.

Actuellement, le modle FELVAL est utilis au cours de la ralisation des commandes de nouvelles chaudires verticales au sein de la socit CMI.

Chapitre III. tude de la cohrence des chaudires

-III.2-

1 La validation des mesures Sur un procd industriel, des capteurs de mesure sont installs des endroits stratgiques (alimentation, production, ) afin daider la conduite de linstallation. Ces mesures dusine ainsi que les analyses faites en laboratoire ne sont jamais sans erreur. Mme linstallation et lentretien soigneux du matriel ne peuvent pas compltement liminer toute incertitude.

Lensemble de ces erreurs, aussi minimes soient-elles, ne permettent pas dtablir un bilan cohrent dune installation. Lide de base de la validation (Heyen G. , Kalitventzeff B. et al. 2006) est de corriger chaque mesure, aussi peu que possible, afin de vrifier toute une srie de contraintes (bilan de matire, dnergie, quilibre de phase, etc.). Les donnes valides tant cohrentes, il va tre possible de les comparer aux valeurs obtenues avec un modle mathmatique reprsentant le procd et dajuster les paramtres de ce dernier si ncessaire.

La validation est donc ltape initiale indispensable ltude de tout procd.

2 Mthodes de validation Les variables dcrivant ltat dun procd sont relies entre elles par des contraintes fondamentales qui doivent toujours tre vrifies : bilans de matire, bilans nergtiques, quelques contraintes dquilibre.

La validation est une mthode qui emploie des lois de redondance et de conservation de linformation pour corriger des mesures et pour les convertir en connaissances prcises et fiables.

Chaque mesure, yi, est corrige aussi lgrement que possible de telle manire que les mesures corriges, yi*, respectent les contraintes du processus. La prcision connue de toutes les sondes de mesure est exploite au travers dun cart standard i, de sorte que des donnes obtenues partir des sondes les plus fiables soient moins corriges que les autres.

Des variables non mesures, xi, peuvent galement tre calcules au moyen de certaines contraintes. La validation permet donc daccder aux variables importantes mais pas directement mesurables, telles que la conversion dans un racteur ou lencrassement dans un changeur. Des outils danalyse de sensibilit peuvent galement valuer linterdpendance entre toutes les donnes.

La validation revient donc minimiser une somme pondre de carrs de rsidu : 2*

min i ii i

y y

Soumis un ensemble de contraintes (de bilan) qui lient toutes les variables du procd entre elles :

{ }*( , ) 0i iF y x = . Si on dispose de loptimiseur adquat, on peut galement ajouter des contraintes dingalit sur les valeurs des variables :

{ }*( , ) 0i iG y x > Par exemple, ces contraintes peuvent assurer quun dbit reste toujours positif, ou quune temprature est comprise entre Tmin et Tmax.

Il est vident, que pour que la validation dun procd puisse se faire, il faut disposer dun nombre suffisant de mesures pour en dduire les variables non mesures : on dit quil doit y

-III.3-

avoir redondance. Sil y a trop peu de mesures, le systme ne sera pas calculable. Sil y a autant de mesures quil y a de degrs de libert dans le modle, le systme sera juste calculable et lincohrence des mesures, sil y en a une, ne sera pas dtectable. Sil y a redondance des mesures, le systme sera validable.

Dans la pratique, toutes les variables dun procd ne sont pas mesures. Le modle de validation sera ds lors adapt aux mesures dont on dispose.

Pour illustrer notre propos, prenons lexemple simple de deux changeurs de chaleur disposs en srie et parcourus de part et dautre par de leau pure. Si on fait abstraction de la pression des fluides, qui sera suppose constante et connue, il y a 12 variables identifier pour connatre totalement le systme (6 dbits mi et 6 tempratures Ti). En labsence de raction chimique, le bilan de matire dun tel systme est lmentaire :

er1 2 5 6

eme2 3 4 5

et dans le 1 changeur

et dans le 2 changeur

m m m mm m m m

= == =

Le bilan de chaleur est tout aussi lmentaire et se base sur les enthalpies des flux lentre et la sortie des changeurs ; en supposant quon peut ignorer les pertes lambiance.

Tableau 1 : Valeurs mesures et calcules pour 2 changeurs en srie variables

mesur calcul mesur calcul mesur calcul mesur calcul mesur calculm1 (kg/s) 1 1 1 1 1 0.85 1 0.97 1 1m2 (kg/s) - 1 - 1 - 0.85 - 0.97 - -m3 (kg/s) - 1 - 1 - 0.85 - 0.97 - 1m4 (kg/s) 2 2 - 2 1.5 1.58 1.5 1.9 2 2m5 (kg/s) - 2 - 2 - 1.58 - 1.9 - -m6 (kg/s) - 2 - 2 - 1.58 - 1.9 - 2T1 (C) 20 20 20 20 20 20.3 20 20.08 20 20T2 (C) 40 40 40 40 40 40 40 40 - -T3 (C) 60 60 60 60 60 59.68 60 59.92 60 60T4 (C) 90 90 90 90 90 90.59 90 90.15 90 90T5 (C) - 80 - 80 - 80 - 80 - -T6 (C) - 70 70 70 70 69.41 70 69.85 - 70F.O. 0 0 3.69 0.78 0

cas5cas1 cas2 cas3 cas4

Figure III-1 : Exemple de 2 changeurs en srie

T1m1

T6m6

T4m4

T2m2 T3

m3

T5m5

-III.4-

( ) ( )( ) ( )

er2 1 5 6

eme3 2 4 5

= dans le 1 changeur

= dans le 2 changeur

H H H H

H H H H

Le modle comporte donc 6 quations de contrainte.

Un modle thermodynamique spcifique leau (IAPWS) est utilis. Il va permettre de calculer lenthalpie de leau une temprature et une pression fixes.

En validation, un cart standard est associ chaque mesure. Dans cet exemple, nous fixerons un cart standard de 1K sur chaque temprature mesure et de 0.1 kg/s sur chaque dbit mesur.

Dans le premier cas (voir Tableau 1), 6 variables sont mesures. Ce systme nest pas validable mais bien juste calculable. Si une mesure est mauvaise, il ny a pas de possibilit de lidentifier et le bilan global est fauss. Remarquons que dans ce cas, les dbits mesurs permettent de calculer les dbits restants.

Dans le cas 2, une temprature est mesure la place dun dbit et le systme reste juste calculable.

Il ne suffit cependant pas davoir 6 variables mesures pour que le systme soit calculable. En effet, si le dbit m2 avait t mesur la place du dbit m4 dans le cas 1, une redondance serait apparue dans lvaluation du dbit dun fluide, mais le systme naurait pas pu tre calcul, car aucune information ne permet dvaluer lautre dbit.

Dans le cas 3, une mesure supplmentaire a t introduite et le systme est maintenant validable. La redondance des mesures permet de recalculer lensemble des variables du systme afin de minimiser une fonction objectif gale la somme pondre des carrs des rsidus.

Si un capteur semble dfaillant, on peut rduire linfluence de la mesure dans la fonction objectif en augmentant lcart standard associ cette mesure. Dans le cas 4, lcart standard sur la mesure m4 passe de 0.1 kg/s 0.5 kg/s et la fonction objectif dcrot de 3.69 0.78.

Avec moins de 6 mesures, le systme tel que reprsent la Figure III-1 nest plus calculable. Le modle peut cependant tre adapt pour pouvoir obtenir un maximum

dinformation des mesures rcoltes. Cest le cas 5 o les deux changeurs ont t remplacs par un changeur quivalent. La temprature T2 ntait plus accessible mais pour

Figure III-2 : Illustration de l'changeur quivalent du cas 5

T4m4

T1m1

T3m3

T6m6

-III.5-

pouvoir tout de mme calculer T6, le modle a t simplifi (Figure III-2), mais on na plus accs aux tempratures intermdiaires T2 et T5.

3 Avantages de la validation Lors de la conception dun procd, on peut utiliser la validation pour dterminer un

schma de mesures optimal, cest--dire un schma de mesures permettant de calculer les variables cls du systme avec une prcision voulue.

La validation permet une dtection prcoce des pannes tout en permettant une frquence rduite des talonnages ainsi que des analyses de routine (uniquement lorsquune dviation est constate).

Des indicateurs de performance, tels que des facteurs dencrassement, peuvent tre rendus directement accessibles, ce qui permet un meilleur suivi du procd. De plus, puisque ltat du procd est parfaitement connu, celui-ci peut tre conduit plus prs des limites tout en restant parfaitement sr.

Des bilans prcis et cohrents des matires premires utilises ainsi que des produits obtenus sont fort utiles pour les oprations de comptabilit ou de planning.

Les schmas de validation peuvent galement servir de base en recherche et dveloppement quand des tudes dextension ou damlioration du procd sont entreprises.

4 Logiciel de validation En 1986, les recherches conduites au LASSC sous la direction du professeur Kalitventzeff ont conduit la cration de la socit BELSIM s.a. charge de commercialiser le logiciel VALI permettant la validation des procds chimiques ou nergtiques de tout type et de toute taille.

Un logiciel de validation est avant tout un outil mathmatique qui permet de valider aisment les conditions de fonctionnement en rgime dun procd chimique existant. Mais pour rsoudre des problmes de validation, il faut galement disposer dune srie doutils logiciels complmentaires:

les bases de donnes thermodynamiques ; les mthodes de rsolution dquation ; linterface graphique adapte

Les bases de donnes thermodynamiques regroupent les grandeurs fondamentales ncessaires lestimation des proprits physico-chimiques en phase liquide et gazeuse de nombreuses substances rencontres dans lindustrie chimique. Lutilisateur a galement la possibilit dintroduire de nouvelles substances sil ne trouve pas celle quil recherche.

On trouvera galement des programmes de calcul des fonctions thermodynamiques (enthalpie, etc.) et des proprits de transport (viscosit, etc.) ainsi que des programmes de rsolution dquilibres liquide-vapeur ou encore dquilibre chimique en phase gazeuse.

Comme expliqu prcdemment, la validation permet de dterminer les conditions de fonctionnement dune installation un moment ou sur un intervalle de temps donn : elle impose de satisfaire les bilans de matire et de chaleur autour de chaque appareil identifi. Chacun de ces bilans se traduit par une quation o interviennent les variables caractrisant les entres et les sorties des appareils. Ces variables sont dites variables dtat . Dans VALI, ce sont les dbits molaires partiels, la pression et lenthalpie molaire. Des quations dites de liaison permettent davoir accs toutes les variables qui ne sont pas dtat et qui intressent nanmoins lingnieur (une temprature, un dbit massique, une fraction volumique, un rendement, etc.,).

-III.6-

Ces quations doivent tre rsolues simultanment. Il sagit en fait dun problme doptimisation sous contraintes : rendre minimale la somme pondre des carrs des carts entre les mesures effectues et les mesures valides, tout en respectant les contraintes du problme. Des mthodes de rsolution diffrentes ont t testes au cours du temps et actuellement, cest une version de loptimiseur SQPIP (programmation quadratique squentielle point intrieur) dveloppe par D. Kyriakopoulou pour sa thse de doctorat (Kyriakopoulou D. J. 1997), qui prsente les meilleurs rsultats pour les grands systmes dquations. Une mthode du lagrangien traditionnel (SOLDOG) qui utilise la mthode dogleg de Powell peut galement tre utilise (Chen H.S. and Stadtherr M.A. 1984).

La description de linstallation se fait au travers dune interface graphique VALIMODELLER. On y dfinit galement les mthodes thermodynamiques souhaites pour lestimation des proprits thermodynamiques et de transport des mlanges rencontrs, ainsi que les flux de matire, de chaleur ou de puissance reliant les appareils entre eux, les entre et sortie du systme et les mesures dont on dispose. Linterface VALIMODELLER permet de dfinir et de modifier lensemble de ces informations et de les ranger dans la base de donnes du procd.

Le logiciel VALI permet galement, comme nous le verrons dans un prochain chapitre, de raliser des simulations de procds. Il sagit donc dun outil performant qui utilise des mthodes de rsolution longuement prouves ainsi que des bases de donnes thermodynamiques trs compltes.

Cest dans un souci de cohrence que les modules FELVAL et SUFVAL dvelopps dans cette thse ont t intgrs au logiciel VALI. Cela permet lutilisateur dvoluer dans un cadre connu (interface VALIMODELLER). Les donnes cohrentes issues de la validation peuvent tre fournies directement aux nouveaux modules. Le modle thermodynamique spcifique leau utilis dans le cadre de ce travail (IAPWS (Wagner W. 1998)) a t ajout directement aux modles thermodynamiques dj prsents dans le logiciel. En outre, un gnrateur automatique de modules FELVAL et de leurs connexions a t dvelopp afin de faciliter au maximum le travail de lutilisateur.

-III.7-

5 La validation dune chaudire de rcupration La validation dune chaudire de rcupration va permettre den connatre ltat : est-elle son point de fonctionnement nominal, quel est son rendement, certains changeurs sont-ils encrasss ?

Les bilans sur chaque changeur vont galement permettre de comparer les rsultats obtenus avec ceux issus de la simulation. Les corrlations utilises en simulation sont-elles adquates, certains paramtres doivent-ils tre rajusts?

5.1. Les mesures disponibles Ct fume, peu de mesures sont gnralement accessibles. On dispose des tempratures lentre (sortie turbine gaz) et la sortie (chemine). Pour le reste, le dbit et les compositions devront souvent tre estims en fonction de ce qui rentre dans la TAG (dbit air, dbit gaz, composition du gaz). La pression nest gnralement pas disponible mais on sait quelle est lgrement suprieure la pression atmosphrique et une erreur destimation nentrane pas de modification majeure dans lestimation des proprits thermodynamiques de la fume dans la chaudire.

Ct eau, linstrumentation est meilleure. On dispose gnralement des tempratures lentre et la sortie de chaque changeur. Les dbits principaux ainsi que les dbits de dsurchauffe sont mesurs de mme que les pressions avant lconomiseur, au ballon de vaporisation et aprs le surchauffeur. Les pertes de charge sur les changeurs ne sont gnralement pas mesures mais elles seront rparties entre les changeurs en fonction des donnes de design fournies par le constructeur.

5.2. Les quations utilises En validation, les quations principales sont des quations de bilan. Les chaudires de rcupration nchappent pas la rgle.

Pour les bilans de matire ct eau, il faut tenir compte des soutirages de vapeur ou deau chaude diffrents tages de la chaudire ainsi que de la possibilit de fuites. Pour le ct gaz, la sortie de la turbine gaz doit tre identique la sortie de la chemine la postcombustion prs.

Pour les bilans de chaleur, il faut tenir compte des pertes lambiance ainsi que des pertes par by-pass de fumes.

Il faut enfin prendre en considration les quations dquilibre liquide-vapeur dans les ballons pour les chaudires traditionnelles.

La structure mme des chaudires de rcupration circulation naturelle ou assiste, apporte une information sur ltat des flux. Selon quon tudie un conomiseur, un surchauffeur ou un vaporateur, on sait que leau est sous forme totalement liquide, totalement vapeur ou bi-phasique. Cela facilite beaucoup la validation ou la simulation de ce type de chaudire puisque ltat du fluide ne doit pas tre test. Ce nest pas le cas dans les chaudires circulation force ou on ne connat pas a priori ltat du fluide dans chacun des tubes. Dans ce cas, un test doit tre effectu pour connatre le tube o se droule le dbut de la vaporisation ainsi que le tube o sachve la vaporisation. En simulation, ce test sera crucial pour choisir les bonnes quations de coefficient de transfert ainsi que celles de perte de charge lintrieur du tube.

Une autre approche de la validation consiste utiliser les quations de simulation quon libre avec un facteur correctif appropri. Le coefficient correctif kext est introduit au niveau du coefficient de transfert externe. On a

1 1 1( ) foe c r

Rkext h h = ++ au lieu de

1 1( ) foe c r

Rh h = ++

-III.8-

Cette approche permet de valider les quations de simulation afin damliorer le design des chaudires de rcupration.

Quel que soit le but de la validation, les donnes sont difficilement disponibles lintrieur mme dun changeur de chaleur. Les bilans nappe par nappe ne peuvent ds lors pas tre raliss. Par contre des mesures de temprature peuvent tre effectues entre les diffrents changeurs, ceux-ci peuvent donc tre valids sparment.

Lexprience montre quon obtient des coefficient correctifs du coefficient de transfert externe diffrents selon le type dchangeur (conomiseur, vaporiseur ou surchauffeur) ainsi que la pression de leau dans ces changeurs (basse, moyenne ou haute pression) dans les chaudires circulation naturelle ou assiste.

-III.9-

6 Les chaudires de rfrence Pour lensemble des tests et des calculs effectus dans ce travail, nous avons utilis les donnes valides relatives 2 chaudires de rfrence (chaudires de CMI).

La premire est une chaudire de rcupration classique dans un cycle TGV, elle se situe Ankara. Elle est de type sous-critique et comporte 3 niveaux de pression (4.8 bar, 27.6 bar et 124.2 bar) ainsi quune resurchauffe de la vapeur issue de la turbine vapeur HP (Figure III-3).

La seconde est une chaudire circulation force (que nous appellerons OTB) pouvant travailler aussi bien en condition sous-critique que supercritique (Figure III-5).

Le tableau suivant reprend les caractristiques de ces deux chaudires.

Ankara Otb

Q LP MW 64.8 /

Q MP MW 79 /

Q HP MW 243.8 8.9

Surface totale m 307008.5 2058

Nombre de nappes - 108 42

Nombre dlments par nappe - 124/125 13

Nombre de tubes - 10611 546

Longueur dun tube m 20.455 6

Dbit fume t/h 2105.6 72.5

Dbit vapeur LP t/h 15.36 /

Dbit vapeur MP

(y compris la resurchauffe)

t/h 342.34 /

Dbit vapeur HP t/h 309.06 9.3

Pression/temprature LP bar/C 4.8/288 /

Pression/temprature MP bar/C 26/567 /

Pr