Technique 1

1

1

MECA 1855

THERMODYNAMIQUE ET ENERGETIQUE

Les cycles combinés

H. [email protected]

Année académique 2006-2007

2

Réflexion ...

Combien de réacteurs nucléaires pour le transport du futur ?

• Consommation d’énergie pour le transport : 107 tep ou 420 000 TJ/an.

• Les centrales nucléaires belges produisent 45 000 GWh/an ou 162 000 TJ/an.

• Cela permet une production de 243000 TJ/an en hydrogène.

=> On en déduit directement que le parc nucléaire belge devrait être multipliépar 2,7 pour assurer les besoins actuels et la production d’hydrogène pour nos transports.

2

3

Sommaire

• Rappels sur les TG

• Principe d’un cycle combiné

• Cycle TGV

• Cycle TGV à deux niveaux de pression

• Les centrales TGV belges

• Cycles particuliers

• Repowering

4

Moteur + turbine

IGCC

Cycles combinés ? TGV

3

5

Rappels sur les turbines à gaz (TG)

S

T

1

2

2S

3

44S

( ) ( )( )1243 TTTTcW pm −−−=

23

141TTTT

th −−

−=η

0 20 40 60 80 1000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5MJ/kg

40

20

30

10

%ηe

We

p2 / p1

• Le travail moteur

• Le rendement thermique

6

Rappels sur les turbines à gaz (TG)

0.4300.9100.47335469115739352882.9250

0.4270.9200.46438072815738802882.7640

0.4190.9280.45140076715738272882.6132

0.4060.9350.43441481215737722882.4525

0.3910.9400.41742285415737242882.3120

0.3740.9440.39642389715736792882.1716

---kJ/kgK--

ηeηmecηthWeT4T3T2T1Xp2/p1

Température élevée à la sortie de la turbine

4

7

Principe d‘un cycle combiné

Turbine à gaz Cycle aval

( ) CAVRTGTGTGCAV ηηηηη −+= 1

Chaudière de récupération

8

Principe d‘un cycle combiné : définition de l‘exergie

S

T

1

2

3

4

5

10 50

( ) ( )111 ssThhe −−−=

L‘exergie est une fonction d‘état définie par

Elle représente le travail maximum que l’on peut obtenir d’un fluide du fait de son état de déséquilibre par rapport aux

conditions de l’ambiance (état 1).

Illustration :

1454 hhhhWmD −=−=

)( 511 ssThsTWmC −−=Δ+Δ−=

( ) ( )14114 ssThhWWW mCmDm

−−−=−=

5

9

Principe d‘un cycle combiné : rendement idéal

( ) ( )141144 ssThhe −−−=

( ) ( ) ( )( ) ( )14

1

41

14

141

14

14114

log11

TTcTTcT

TTcssT

hhssThh

p

p

pCAV −

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛

−=−−−=

−−−−=η

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

−=1

4

14

1 log1TT

TTT

CAVη

( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

−−−+

−−−=

−+=

1

4

14

1

23

14

23

14 log11

1

TT

TTT

TTTT

TTTT

CAVRTGTGTGCAV ηηηηη

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

−=1

4

23

1 log1TT

TTT

TGCAVη

10

Principe d‘un cycle combiné : rendement cycle aval

600 650 700 750 800 850 900

0.35

0.4

0.45

0.5

4T

CAVη

6

11

Principe d‘un cycle combiné : rendement idéalIllustration

TGη

TGCAVη

1

2

pp

12

Cycle TGV : Concept

AA’’

A’

B

C

3

1 4

5

S

T

1

2

3

4

5

S

Tt

sB

A’’

A

A’

C

2

Concept : alimenter en gaz d’échappement le générateur de vapeur d’un cycle de Rankine-Hirn

7

13

Cycle TGV : description de l‘installation

Source : SPE (www.spe.be)

14

Cycle TGV : le cycle à vapeur

Données : tB xB ηsiT tA

Calculs : pB pA hA hA’’ hA’ hC hBA’’

A

B

8

15

Cycle TGV : le générateur de vapeur

t

Q

A’’

P

A4

A’ 5

1C

Diagramme t,Q du générateur de vapeur

le générateur de vapeur est un échangeur à contre-courant

AA’’

A’C

4

5

fm&

vm&

( ) ( )CAvpff hhmttcm −=− && 54

App ttt ′−=Δ

AA ttt −=Δ 4

• Pincement

• Approche

• Sortie

( )Ppf

AA

v

f

ttchh

mm

−−

= ′

4&

&

5 à 15 °C

CS ttt −=Δ 5

30 à 50 °C

50 à 80 °C

16

• Pression de vapeur

• Rapport des débits

⇒ Données du problème :

• Température t4 (TG)• Débit des fumées (TG)• Température tC• Pincement : Δtp (chaudière)• Température tA (chaudière)

Cycle TGV : le générateur de vapeur

t

Q

A’’

P

A4

A’ 5

1C

fm&

( ) ( )CAvpff hhmttcm −=− && 54

( )Ppf

AA

v

f

ttchh

mm

−−

= ′

4&

&

⇒ Avec les deux relations

⇒ On obtient les paramètres à fixer

9

17

Cycle TGV : rendement thermique, rendement total

2 3

1 4

A’’

A’

B

C

A

5

23

141TTTT

TG −−

−=η

CA

BATV hh

hh−−

=η

14

54

tttt

R −−

=ηt

Q

A’’

P

A4

A’ 5

1C

( ) TVRTGTGTGV ηηηηη −+= 1

( )( ) élecmecTVRTGmecTGtotal ηηηηηηηη −+= 1

18

Cycle TGV à deux niveaux de pression

3

1 4

2

B

C

5

ABP

AHP BHP

AMAHP

BHP=ABP

B

10

19


Amélioration de :•ηR par abaissement de t5•ηTV par effet resurchauffe

Q

t

5

4

1

3

1 4

2

B

C

5

ABP

AHP BHP

AM

20

TG

R

TV

TGV

total

Une seule pressionη 0.42η 0.74η 0.32η 0.55η 0.52

=====

TG

R

TV

TGV

total

Plusieurs pressionsη 0.42η 0.80η 0.35η 0.58η 0.55

=====

Le rendement total inclut les pertes mécaniques, l’entraînement des auxiliaires et le rendement d’alternateur


11

21

Cycle TGV à trois niveaux de pression

22

Les centrales TGV belgesSTAG* IN BELGIUM

2000 Power Output (MW)

Gas turbine Recovery steam boiler Steam turbine cooling circuit Efficiency Start-up

ANGLEUR 1 COCKERILL

SPE

50 MW Cockerill-Sulzer Multi-shaft (1x23 MW)

1 x CMI (post-combustion)31 bar - 450 °C

La Meuse - Rateau 1x 28 MW

N.A. Wet cooling tower

32% 1969

ANGLEUR 3 ACEC - COCKERILL

SPE

117 MW Westinghouse - ACEC W251-B7Multi-shaft (2x40 MW)

2 x CMI (post-combustion)30 bar - 460 °C

La Meuse - SOGET 1x 37 MW

N.A. Wet cooling tower

42% 1978

DROGENBOS TEE EBL

460 Siemens V94.2 Multi-shaft

(2x150 MW)

2 x CMI 80 bar - 525 °C 7 bar - 216 °C

GEC-Alsthom 1x175 MW

60 mbar Wet cooling tower

52% 1994

SERAING TEE SPE


(2x150 MW)

2 x CMI 80 bar - 525 °C 7 bar - 216 °C


60 mbar Wet cooling tower

52% 1994

HERDERSBRUG TEE EBL


(2x160 MW)

2 x CMI 84 bar - N.A. °C 7 bar - N.A. °C


56 mbar Air-cooled condensor

Hamon-Lummus 6x6 fans

N.A. 52% 1997

GENT-RINGVAART GEC-ALSTHOM

VEGA 109FA 3P RH SPE

350 GEC-Alsthom 9001 FA Single shaft

(1x ? 225 MW)

1 x CMI 112 bar - N.A. °C

32 bar - N.A. (Reheat) °C 5 bar - ? °C

GEC-Alsthom 1x ? 125 MW

Hamon-Lummus 56 mbar

Air-cooled condensor 5x5 fans

55% 1997

SAINT-GHISLAIN GEC-ALSTHOM

VEGA 109FA 3P RH EBL

350 GEC-Alsthom 9001 FA Single shaft

(1x ? 225 MW)

1 x CMI 110 bar - 565 °C

28 bar - 565 °C (Reheat) 4 bar - 265°C

GEC-Alsthom 1x ? 125 MW

Hamon-Lummus 63 mbar

Air-cooled condensor 4x6 fans

56% 1999

ESCH-SUR-ALZETTE

TEE EBL (TWINerg)

350 GEC-Alsthom 9 FA+ Single shaft

(1x ? 225 MW)

N.A. N.A. N.A. Air-cooled condensor

N.A. 2001

VILVOORDE 1 ** TEE EBL

380 N.A. N.A. N.A. Wet cooling tower N.A. 2001

* STAG back-pressure cogeneration plants not included ** STAG repowering

12

23

Les centrales TGV belges : Exemple

DROGENBOS

• 2 GT Siemens V94.2 (2x150 MW)

• 2 HRSG CMI 80bar-525°C/7bar-216°C

• 1 ST GEC-Alsthom (1x175 MW)

• 1 Wet cooling tower

52.0=totalη

24

Les centrales TGV belges : Exemple de calcul

Centrale de Seraing, valeurs connues

• T3 = 1050 °C

• T4 = 540 °C

• p2/p1 = 11.1

• ma = 500 kg/s

On suppose

• T1 = 15 °C

• cp = 1.2 kJ/kgK

• γ = 1.3

• ηpic=ηpit=0.9

PIC

ppTT

ηγγ 11

1

212

−

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛= T2 = 261°C

( ) ( )( )1243 TTTTcW pm −−−=

23

141TTTT

th −−

−=η

Wm=317kJ/kg

ηth=0.33

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

−=1

4

23

1 log1TT

TTT

TGCAVη ηTGCAV=0.62

La turbine à gaz

PTG = 317 MW (290)

13

25


Centrale de Seraing, valeurs connues

• TAHP = 525 °C

• pAHP = 80 bar

• TM = 213 °C

• pM = 6.5 bar

On suppose

• TABP = 525 °C

• pABP = 6.5 bar

• BHP est à la vapeur saturée sèche

HAHP = 3460 kJ/kg

HABP = 3535 kJ/kg

HM = 2868 kJ/kg

HBHP = 2757 kJ/kg

HB = 2314 kJ/kg

Le cycle vapeur à deux niveaux

B

C

5

ABP

AHP BHP

AM

26


Bilan de puissance

( ) ( ) 528000138138 =−+− ABPBPAHPHP HmHm &&

On suppose

• Tf,outlet=100°C

La chaudière de récupération

mHP = 131.9 kg/s (129)

mBP = 26.5 kg/s (30.4)

ηR = 0.83814

54

tttt

R −−

=η

PTV = 180 MW (172)

ηTV = 0.34

14

27

Les centrales TGV belges : Exemple de calculRendement total

( ) TVRTGTGTGV ηηηηη −+= 1

ηTGV=0.52

( )( ) élecmecTVRTGmecTGtotal ηηηηηηηη −+= 1

ηtotal=0.49 ... 0,50 (0.52)

28

TG avec injection de vapeur

TGV TGIV TGt t tη η η> >

15

29

TG avec injection de vapeur aérodérivative

30

Débit d'air (kg/s) 685 685t entrée turbine (°C) 1430 1430Refroidissement TG air vapeurPuissance (MW) 420 480Rendement total 0.58 0.6

TG avec refroidissement à la vapeur

16

31

Repowering

fuméesHSRG

fuméesCombustible

TgCg

Air Repowering

vapeur

TV

eau

C

R

Repowering classique

32

fumées GV

fuméesCombustible

TgCg

Air Repowering

vapeur

TV

eau

C

R

Fully fired repowering

Repowering

17

33

fumées

GV

fuméesCombustible

TgCg

AirRepowering H

RSG

vapeur

TV

eauC

R

RepoweringFully fired repowering avec deux chaudières

34

Cycles du type IGCC

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