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
- P3 produit turbine ⇒
- F4 ressource HRSG (= B4 exergie disponible en 4)
- F3 ressource compresseur
- Wnet travail net
Représentation de la chambre de combustion
- F1 ressource ch. combustion =
- B3 exergie disponible en 3 ⇒ - P1 produit chambre combustion
exergie combustible
- 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
Exemple d’un cycle combiné à un niveau de pression
- Synoptique Thermoptim
- 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)