Structures productives

  • Cette séance fournit un aperçu des possibilités qu'offrent les structures productives en matière d'analyses exergétiques

  • Une structure productive est un graphe permettant de représenter les produits ou consommations d'exergie des différents composants d'un système énergétique

  • Une structure productive est composée d'unités productives et dissipatives (UPD), de jonctions et d'embranchements.

Structure productive

  • graphe permettant de représenter les produits ou consommations d’exergie des unités d’un système énergétique

  • Bi : flux d’exergie

  • Fi : ressources exer.

  • Pi : produits exergétiques

  • ji : jonctions

  • bi : embranchements

Représentation de la turbine

  • B3 exergie disponible en 3 ⇒ - F3 ressource turbine

  • - F4 ressource HRSG (= B4 exergie disponible en 4)

  • P3 produit turbine ⇒

  • - F3 ressource compresseur

    - Wnet travail net

Représentation de la chambre de combustion

  • F1 ressource ch. combustion =

  • exergie combustible

  • B3 exergie disponible en 3 ⇒ - P1 produit chambre combustion

  • - P2 produit compresseur

    - B0 exergie entrée compresseur (= 0 car à T0 et P0)

Catégories de flux représentés

  • ressources Fi (3 types)

    • exergie-chaleur ou exergie chimique

    • travail

    • transfert d’exergie des fluides traversant l’UPD

  • produits Pi (2 types)

    • travail

    • variation d’exergie des fluides traversant l’UPD

Unités productives et dissipatives

  • 2 principaux types, dénommés selon leur contribution à la variation d’exergie du fluide :

    • réducteurs (turbines, laminages, échangeurs externes si Q<0 et Tk > T0, échangeurs externes si Q>0 et Tk < T0)

    • extenseurs (chambres de combustion, compresseurs, échangeurs externes si Q>0 et Tk > T0…)

  • à chaque UPD est associée un écran de paramétrage du bilan exergétique

Composant « réducteur d’exergie »

  • diminution exergie du fluide qui le traverse

  • unité productive embranchement d’entrée et 2 liens :

    • un aboutissant au port vert de l’unité productive (flux exergétique d’entrée)

    • un correspondant au flux exergétique de sortie

Composant « réducteur d’exergie »

  • exergie totale disponible en amont de la turbine :

    • partie convertie sous forme mécanique dans turbine

    • partie disponible en sortie de turbine

  • pseudo-diviseur ou embranchement "b_turbine" modélise cette répartition

Composant « réducteur d’exergie »

  • écran donnant les valeurs des éléments du bilan exergétique : ressource = variation d’exergie du fluide qui le traverse (ΔXh+), produit = puissance mécanique (τ+), rendement exergétique et valeur des irréversibilités

Composant « extenseur d’exergie »

  • augmentation exergie du fluide qui le traverse

  • unité productive avec jonction en sortie et 2 liens :

    • un issu du port vert de l’unité productive (flux exergétique de sortie)

    • un correspondant au flux exergétique d’entrée

Composant « extenseur d’exergie »

  • exergie totale disponible en sortie de la chaudière :

    • flux exergétique en entrée du composant

    • variation d’exergie communiquée au fluide dans la chaudière (exergie-chaleur)

  • pseudo-mélangeur ou jonction "j_chaudière" modélise cette sommation

Composant « extenseur d’exergie »

  • écran donnant les valeurs des éléments du bilan exergétique : ressource = exergie-chaleur, produit = variation d’exergie du fluide qui le traverse (ΔXh), température de la source externe (1300 °C), rendement exergétique et valeur des irréversibilités

Automatisation de la création de la structure productive

  • la structure productive peut être partiellement établie si l’on connaît le schéma physique (schéma Thermoptim) et le paramétrage thermodynamique (projet Thermoptim)

  • on finit de renseigner la structure productive en paramétrant les écrans des bilans exergétiques

  • bien distinguer les vrais mélangeurs des pseudos-mélangeurs des composants extenseurs d’exergie

Création de la structure productive

  • première étape : création d’une structure productive avec des pseudos-nœuds en excédent

  • deuxième étape : élimination des pseudos-nœuds excédentaires

  • troisième étape : connexions puissances mécaniques et paramétrage des échanges de chaleur (températures des sources externes…)

  • le bilan exergétique s’en déduit automatiquement

Particularités 3ème étape

  • établir tous les couplages mécaniques (généralement un mélangeur en sortie des organes de détente, suivi d’un diviseur pour les compressions et la puissance nette)

  • bien distinguer les rôles des différents composants qui échangent de la chaleur :

    • entrées ou sorties de fluide

    • échanges de chaleur internes

    • sources d’énergie externes (exergies-chaleur)

Exemple : turbine à gaz utilisée en cogénération

  • Synoptique Thermoptim

Exemple : turbine à gaz utilisée en cogénération

  • Structure productive générée avant ajout des couplages mécaniques (1ère étape)

Exemple : turbine à gaz utilisée en cogénération

  • Structure productive générée après ajout des couplages mécaniques et paramétrage du bilan exergétique (3ème étape)

Exemple : turbine à gaz utilisée en cogénération

  • Bilan exergétique complet généré automatiquement

Turbine à gaz avec cogénération

  • comparaison avec structure productive éditée à la main

  • Synoptique Thermoptim

Exemple d’un cycle combiné à un niveau de pression

  • Structure productive

Exemple d’un cycle combiné à un niveau de pression

Exemple d’un cycle combiné à un niveau de pression

  • Bilan exergétique complet

Conclusions

  • possibilité de générer automatiquement des structures productives à partir des fichiers de Thermoptim

  • seuls paramétrages manquants : couplages mécaniques, rôle des composants échangeant de la chaleur, températures des sources de chaleur externes

  • génération des bilans exergétiques simplifiée et sécurisée, notamment pour les grands systèmes

  • possibilité de construire le modèle thermoéconomique à partir de la structure productive (pas encore fait)