Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Cycles combinés

Principe

Le principe d'un cycle combiné consiste à faire fonctionner en cascade une ou plusieurs turbines à gaz, suivies d'une centrale à vapeur dont la source chaude est la source froide des turbines à gaz .

Les premières fonctionnent à haute température (dans une machine moderne les gaz entrent typiquement à 1200 °C dans la turbine de détente, et en ressortent vers 500 °C), et les secondes opèrent à des températures plus basses (entre 450 °C et 30 °C dans ce cas).

Dans ces conditions, les gaz d'échappement de la turbine à gaz sont valorisés dans une chaudière de récupération où l'on produit de la vapeur qui est ensuite détendue dans une turbine à condensation. Le cycle combiné ainsi obtenu est un mariage particulièrement réussi dans la recherche de l'amélioration du rendement thermique : avec les matériels disponibles actuellement, les rendements atteints dépassent 55 % et sont donc supérieurs à ceux que l'on peut espérer, même à moyen terme, des futures centrales à vapeur les plus avancées.

Dans un cycle combiné simple de ce type, la turbine à gaz fournit les deux tiers de la puissance totale. La turbine à vapeur, alimentée en vapeur surchauffée à des conditions de 85 - 100 bar et 510 - 540 °C, fournit le tiers restant. On appelle générateur de vapeur récupérateur GVR l'échangeur de chaleur qui assure le couplage thermique entre les deux cycles.

De nombreux cycles innovants sont basés sur le concept du cycle combiné. Vous en trouverez divers exemples dans ce portail, notamment dans la fiche thématique sur les cycles à oxycombustion .

Échanges enthalpiques au sein d'un cycle combiné

Les échanges enthalpiques au sein d'un cycle combiné peuvent être résumés par le schéma de cette figure :

  • la turbine à gaz reçoit la chaleur Qg de la source chaude. Il en sort d'une part un travail utile g, et d'autre part une chaleur (Qv + Qp). Le premier terme correspond à la chaleur fournie au cycle à vapeur, le second à des pertes ;

  • le cycle à vapeur produit un travail utile v, et rejette au condenseur la chaleur Qc.

Échanges d'énergie dans un cycle combiné

Appelons g le rendement de la turbine à gaz, v celui du cycle à vapeur, cc celui du cycle combiné, et l'efficacité du GVR, c'est-à-dire le rapport de Qv à Qp + Qv :

Le rendement du cycle combiné est égal à la somme de celui de la turbine à gaz et du produit de son complément à un par l'efficacité du GVR et par le rendement du cycle à vapeur.

À titre d'exemple, avec g = 0,29, v = 0,32, et = 0,83, on obtient cc = 0,48.

Cette expression montre qu'il est aussi important d'optimiser le cycle à vapeur que le générateur de vapeur récupérateur, et donc son efficacité epsilon. Les difficultés proviennent de ce que le problème est fortement contraint et qu'il peut y avoir contradiction entre ces deux objectifs. Une page de ce portail présente cette problématique.

Générateur de vapeur récupérateur

Si l'on représente dans un diagramme enthalpique l'évolution des températures dans un GVR, la veine de gaz chauds, en orange, se refroidit à peu près linéairement en fonction de la chaleur qu'elle cède, tandis que la courbe d'échauffement de la vapeur présente sa forme caractéristique en bleu, due au palier de vaporisation.

Les irréversibilités du cycle sont une fonction croissante de la surface grisée sur le schéma.

GVR à plusieurs niveaux de pression

La solution est de recourir à des GVR à plusieurs niveaux de pression.

Les trois figures ci-dessous montrent l'intérêt de recourir à plusieurs niveaux de pression : avec certaines hypothèses simplificatrices et un choix judicieux des échelles, on peut superposer dans un diagramme entropique les cycles de la turbine à gaz et de la centrale à vapeur. Dans les trois cas, la surface verte ne produit aucun travail

La figure de gauche correspond à une turbine à gaz seule, celle du milieu à un cycle combiné à un seul niveau de pression, et celle de droite à un cycle combiné à trois niveaux de pression

Le gain apporté par le nombre des niveaux de pression apparaît très clairement mais ceci correspond à un problème d'optimisation complexe et tout à fait nouveau, qui ne se posait pas dans les chaudières classiques

La conception d'un GVR performant se révéle généralement difficile. La méthode d'optimisation de Thermoptim, basée sur la méthode du pincement[1][1], est particulièrement bien adaptée à ce problème. La fiche-guide FG11 y est consacrée, et vous trouverez diverses pages dédiées à ce sujet dans une rubrique des Guides méthodologiques .

Références livre

Chapitre 7

Un extrait de ce chapitre est librement téléchargeable avec l'accord des Presses de l'Ecole des Mines de Paris

Séances Diapason disponibles

Les séances Diapason traitant des cycles combinés basés sur des turbines à gaz à cycle ouvert sont données dans le tableau ci-dessous. La séance S40 est plus particulièrement dédiée à la technologie, tandis que la séance S26, correspond à un exercice de dimensionnement d'un cycle à un seul niveau de pression. 

contenu

étapes

durée de la sonorisation

S40

Technologie des cycles combinés

12

6 mn 50 s

S41

Exercice cycle combiné à un niveau de pression

13

7 mn 50 s

Une séance Diapason traitant des cycles combinés basés sur des turbines à gaz à cycle fermé est donnée dans le tableau ci-dessous, qui complète le précédent, autour de l'exemple d'une turbine à gaz à hélium du type de celle qui pourrait être utilisée couplée à un réacteur nucléaire à haute température HTR.

contenu

étapes

durée de la sonorisation

S41He

Exercice cycle combiné à TAG à hélium à un niveau de pression

13

8 mn

Fiches-guides de TD et corrigés

L'objectif de cette fiche-guide est d'étudier la mise en œuvre de la méthode du pincement pour l'optimisation de centrales électriques à cycle combiné et de montrer comment on peut les modéliser de manière réaliste avec Thermoptim. Son intérêt est de vous guider pas à pas dans cette démarche un peu difficile. Il comporte deux parties : la première est un rappel sur la méthode du pincement, et la seconde correspond à la mise en œuvre pratique de cette méthode.

  1. Pincement

    On appelle pincement d'un échangeur l'écart minimal de température en son sein.

    L'importance du pincement se manifeste surtout dans les problèmes de conception des réseaux d'échangeurs complexes, au point que de puissantes méthodes d'optimisation basées sur cette notion ont été développées.

copyright R. Gicquel

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