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1 1 MECA 1855 THERMODYNAMIQUE ET ENERGETIQUE Les cycles combinés H. Jeanmart je

1 1 MECA 1855 THERMODYNAMIQUE ET ENERGETIQUE Les cycles combinés H. Jeanmart jeanmart@term.ucl.ac.be 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 multiplié par 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 4 4S ( ) ( ) ( ) 1 2 4 3 T T T T c W p m − − − = 2 3 1 4 1 T T T T th − − − = η 0 20 40 60 80 100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 MJ/kg 40 20 30 10 % ηe We p2 / p1 • Le travail moteur • Le rendement thermique 6 Rappels sur les turbines à gaz (TG) 0.430 0.910 0.473 354 691 1573 935 288 2.92 50 0.427 0.920 0.464 380 728 1573 880 288 2.76 40 0.419 0.928 0.451 400 767 1573 827 288 2.61 32 0.406 0.935 0.434 414 812 1573 772 288 2.45 25 0.391 0.940 0.417 422 854 1573 724 288 2.31 20 0.374 0.944 0.396 423 897 1573 679 288 2.17 16 - - - kJ/kg K - - ηe ηmec ηth We T4 T3 T2 T1 X p2/p1 Température élevée à la sortie de la turbine 4 7 Principe d‘un cycle combiné Turbine à gaz Cycle aval ( ) CAV R TG TG TGCAV η η η η η − + = 1 Chaudière de récupération 8 Principe d‘un cycle combiné : définition de l‘exergie S T 1 2 3 4 5 10 50 ( ) ( ) 1 1 1 s s T h h e − − − = 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 : 1 4 5 4 h h h h WmD − = − = ) ( 5 1 1 s s T h s T WmC − − = Δ + Δ − = ( ) ( ) 1 4 1 1 4 s s T h h W W W mC mD m − − − = − = 5 9 Principe d‘un cycle combiné : rendement idéal ( ) ( ) 1 4 1 1 4 4 s s T h h e − − − = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 4 1 4 1 1 4 1 4 1 1 4 1 4 1 1 4 log 1 1 T T c T T c T T T c s s T h h s s T h h p p p CAV − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = − − − = − − − − = η ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − = 1 4 1 4 1 log 1 T T T T T CAV η ( ) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − − + − − − = − + = 1 4 1 4 1 2 3 1 4 2 3 1 4 log 1 1 1 T T T T T T T T T T T T T CAV R TG TG TGCAV η η η η η ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − = 1 4 2 3 1 log 1 T T T T T TGCAV η 10 Principe d‘un cycle combiné : rendement cycle aval 600 650 700 750 800 850 900 0.35 0.4 0.45 0.5 4 T CAV η 6 11 Principe d‘un cycle combiné : rendement idéal Illustration TG η TGCAV η 1 2 p p 12 Cycle TGV : Concept A A’’ A’ B C 3 1 4 5 S T 1 2 3 4 5 S T t s B 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 hB A’’ A B 8 15 Cycle TGV : le générateur de vapeur t Q A’’ P A 4 A’ 5 1 C Diagramme t,Q du générateur de vapeur le générateur de vapeur est un échangeur à contre-courant A A’’ A’ C 4 5 f m & v m & ( ) ( ) C A v pf f h h m t t c m − = − & & 5 4 A p p t t t ′ − = Δ A A t t t − = Δ 4 • Pincement • Approche • Sortie ( ) P pf A A v f t t c h h m m − − = ′ 4 & & 5 à 15 °C C S t t t − = 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 A 4 A’ 5 1 C f m & ( ) ( ) C A v pf f h h m t t c m − = − & & 5 4 ( ) P pf A A v f t t c h h m m − − = ′ 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 2 3 1 4 1 T T T T TG − − − = η C A B A TV h h h h − − = η 1 4 5 4 t t t t R − − = η t Q A’’ P A 4 A’ 5 1 C ( ) TV R TG TG TGV η η η η η − + = 1 ( ) ( ) élec mec TV R TG mec TG total η η η η η η η η − + = 1 18 Cycle TGV à deux niveaux de pression 3 1 4 2 B C 5 ABP AHP BHP AM AHP BHP=ABP B 10 19 Cycle TGV à deux niveaux de pression 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 pression η 0.42 η 0.74 η 0.32 η 0.55 η 0.52 = = = = = TG R TV TGV total Plusieurs pressions η 0.42 η 0.80 η 0.35 η 0.58 η 0.55 = = = = = Le rendement total inclut les pertes mécaniques, l’entraînement des auxiliaires et le rendement d’alternateur Cycle TGV à deux niveaux de pression 11 21 Cycle TGV à trois niveaux de pression 22 Les centrales TGV belges STAG* 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-B7 Multi-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 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 HERDERSBRUG TEE EBL 470 Siemens V94.2 Multi-shaft (2x160 MW) 2 x CMI 84 bar - N.A. °C 7 bar - N.A. °C GEC-Alsthom 1x175 MW 56 mbar Air-cooled condensor Hamon-Lummus 6x6 fans N.A. 52% 1997 GENT-RINGVAART GEC-ALSTHOM VEGA 109FA uploads/Industriel/ technique-1.pdf