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Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 61 (2006), No. 2, pp. 225-235

Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 61 (2006), No. 2, pp. 225-235 Copyright © 2006, Institut français du pétrole Optimisation des cycles combinés gaz/vapeur avec un ou deux niveaux de pression et chaudière à surface d’échange imposée V.E. Cenusa1, M. Feidt2, R. Benelmir2 et A. Badea1 1 Faculté d’Énergétique, Université Polytechnique de Bucarest, 313, Splaiul Independentei, R 77206, secteur 6, Bucarest - Roumanie 2 LEMTA, Université Henri Poincaré Nancy I, UMR 7563 (CNRS-INPL-UHP) 2, avenue de la Forêt de Haye, BP 160, 54504 Vandoeuvre Cedex - France e-mail : victor.cenusa@energ.pub.ro (cenusa_victor@yahoo.com); badea@study.energ.pub.ro michel.feidt@ensem.inpl-nancy.fr - Riad.Benelmir@ensem.inpl-nancy.fr Résumé — Cet article présente l’optimisation des cycles combinés gaz/vapeur avec des chaudières récupératrices ayant un ou deux niveaux de pression pour la production de vapeur sans resurchauffe. L’objectif est de maximiser la puissance électrique produite, avec limitation de la surface totale de transfert de chaleur de la chaudière de récupération. La solution proposée est d’abord thermodynamique, mais elle tient aussi compte des aspects économiques par la diminution indirecte du coût. Les turbines à gaz étant choisies parmi les modèles extraits des catalogues industriels, l’objectif devient celui de maximiser la puissance électrique générée par la turbine à vapeur. Le modèle mathématique présenté couvre l’ensemble des installations du cycle combiné dans leurs couplages et met en évidence la présence d’une pression ou d’une paire de pressions pour lesquelles on obtient l’optimum thermoéconomique. Le travail contient, aussi, une analyse et une optimisation économique de la chaudière de récupération à un niveau de pression, dans les mêmes hypothèses. Abstract — Optimising Combined Cycle with One or Two Steam Pressure Levels and Heat Recovery Generator with Imposed Transfer Area — The paper treats about optimising the combined cycles with heat recovery systems having one or two steam pressure levels, without reheat. The thermodynamic target is maximising the electrical output without growing the steam generators heat transfer area. This thermodynamical approach takes into consideration the economical aspect by this kind of indirect investment restriction. The gas turbines being choosed from the producer’s directories, the target became maximising the electrical output generated by the steam turbine. The mathematical model covers the whole combined cycle installation’s in their coupling. It put into evidence the presence of one optimal pressure or a couple of two optimal pressures which offer the thermoeconomical optimum. In the paper the authors make an economical optimisation for the heat recovery steam generator with one pressure level. Energy-Environment-Economics and Thermodynamics Énergie-Environnement-Économie et Thermodynamique D o s s i e r Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 61 (2006), No. 2 NOMENCLATURE BP basse pression C coût spécifique de l’échangeur de chaleur (um.m–2) CC cycle combiné Cd condenseur CR chaudière de récupération ECO économiseur fSC coefficient (= kECO/kSC) (-) GE générateur électrique (alternateur) h enthalpie massique (kJ/kg) HP haute pression I investissement (um) k coefficient global d’échange de chaleur (kW.m–2.°C–1) p pression (bar) P puissance (kW) PA pompe d’alimentation Pint puissance interne de la TV (kW) PI le quota de l’investissement d’échangeur par rapport à l’investissement total de CR PS le quota de surface d’échange par rapport à la surface totale d’échange de la CR Q . puissance thermique (kW) RC le rapport entre le coût spécifique de surchauffeur et de l’économiseur S la surface d’échange de chaleur (m2) SC surchauffeur t température (°C) TG installation de turbine à gaz TV turbine à vapeur VAP système vaporisateur (bouilleur) 1 .. 17, 1B .. 9B, 1H .. 9H, 1Hi points caractéristiques 1p un niveau de pression pour la production des vapeurs 2p deux niveaux de pression pour la production des vapeurs. Grecques ΔPalt pertes en alternateur (kW) ΔPmec pertes mécaniques (kW) Δtmln la différence moyenne logarithmique de température (°C). Indices b bornes d’alternateur el électrique j surface d’échange de chaleur de la CR j1 les surfaces d’échange de chaleur des ECO et des VAP j2 les surfaces d’échange de chaleur des surchauffeurs. INTRODUCTION Une série des travaux de spécialité présente le calcul et l’opti- misation du cycle combiné avec les suivantes hypothèses : la différence minimale de température (le pincement) (« pinch point ») [1] entre les deux fluides, dans la chaudière de récu- pération, constante [2-9] et la différence entre la température de saturation à la pression du ballon et la température de l’eau à la sortie d’économiseur (point d’approche) (« approach point ») [1] nulle. Les chaudières ainsi définies sont différentes du point de vue volume de métal utilisé et des surfaces d’échange de chaleur, ce qui fait que l’optimum thermodynamique obtenu est loin de l’optimum économique. D’autre part, une analyse économique exacte ne peut pas se faire que si on connaît une série de données concrètes en ce qui concerne les solutions techniques et les valeurs utilisées pour le dimensionnement de la chaudière. Ceci n’est pas pos- sible que dans une analyse de cas. Tenant compte de ce désavantage de la méthode classique du pincement, ont été développés des méthodes alternatives pour l’optimisation thermoéconomique des paramètres de fonctionnement de la chaudière de récupération [10, 11] ou une optimisation thermoéconomique des cycles combinés en utilisant un algorithme génétique [12]. Aussi, [13] a proposé l’utilisation d’une « différence de température moyenne logarithmique équivalente » pour atté- nuer les inconvénients de la méthode « pinch-point » dans les cas de CR avec un seul niveau de pression de production de vapeur et sans surchauffeurs (générateur de vapeur de cen- trale nucléaire). La solution proposée dans ce travail est d’abord thermo- dynamique, mais elle tient compte des aspects économiques par la considération d’une surface totale de transfert de cha- leur constante pour la chaudière de récupération. Une telle supposition permet la détermination d’une valeur technique optimisée beaucoup plus proche de l’optimum économique, sans entrer dans des grands détails et tient compte de la majo- rité des tendances contraires, qui déterminent l’existence d’un optimum technique avec contraintes. Les diverses chau- dières équivalentes du point de vue de la surface de transfert de chaleur n’auront pas la même différence minimale tempé- rature, celle-ci résultant du programme de calcul itératif qui respecte les contraintes et maximise les fonctions objectifs. 1 SCHÉMAS D’INSTALLATION Le schéma d’installation pour le CC 1p est présenté sur la figure 1 et le schéma d’installation pour le CC 2p sur la figure 2. Du point de vue constructif, on a choisi, pour CR 2p, l’emplacement en parallèle de l’économiseur basse pression (ECOBP) avec une partie de l’économiseur haute pression (ECOHP_1). Ce schéma est plus utilisé que le schéma avec 226 VE Cenusa et al. / Optimisation des cycles combinés gaz/vapeur avec un ou deux niveaux de pression Figure 1 CC 1p: le schéma d’installation. CC 1p: the system layout. Figure 2 CC 2p: le schéma d’installation. CC 2p: the system layout. toutes les surfaces d’échange de chaleur en cascade ou série [14, 15] du fait de pertes exergétiques plus petites. Pour avoir une température d’eau très petite à l’entrée de la CR, on pro- pose les modalités suivantes pour le dégazage : au conden- seur, dégazage chimique, au ballon basse pression pour CR 2p [15, 16]. Dans le CC 2p (fig. 2), la vapeur de basse pression produite par la CR rencontre la vapeur sortie de la section HP de la TV et le débit de vapeur résultant entre dans la section BP de la TV. Les diagrammes t (°C) – h (kJ/kg) (ou h représente l’en- thalpie des fumées) correspondant pour le CR 1p, respective- ment pour le CR 2p et les points caractéristiques des installations sont présentés sur les figures 3 et 4. 2 MODÈLE MATHÉMATIQUE DU CC 2.1 Chaudière de récupération 2.1.1 Hypothèses [16, 17] énoncent et expliquent les hypothèses de calcul utili- sées pour le modèle mathématique de la CR. On rappelle, succinctement, les hypothèses principales : – CR sans postcombustion ; – Surface totale d’échange de chaleur (SCR (m2)) constante ; – Coefficient global d’échange de chaleur de l’économiseur (kECO (kW/m2/°C)) constant ; il en résulte que le produit SCR·kECO = constant (paramètre) ; – Coefficients globaux d’échange de chaleur des écono- miseur (des économiseurs) et du bouilleur (des bouilleurs) sont pratiquement égaux (= kECO) [13, 18-20] ; – Coefficients globaux d’échange de chaleur des deux surchauffeurs, dans le cas CR 2p, sont égaux (= kSC) [18- 20] ; – kECO > kSC (coefficient global d’échange de chaleur réduit sur la partie vapeur surchauffée [19] ; on pose fSC = kECO / kSC > 1 (paramètre) ; – L’enthalpie et l’entropie des fumées sont fonction des température, pression et composition molaire des fumées (N2, O2, H2O, CO2) [21] ; – t6 - t5 = imposé (figs 1 et 3) ; t6B - t5B = t6H - t5H = imposés (figs 2 et 4) ; – Pincement (« pinch-point ») = t8B - t3B = t8H - t3H (fig. 4) [22] ; – Point d’approche (« approach-point ») = t3B - t2B = t3H - t2H (fig. 4). 2.1.2 Modèle [16, 17, 23] décrivent le modèle utilisé et la validation de celui-ci pour la CR. On fait une synthèse uploads/Finance/ cenusa-vol61-n2.pdf