Présentation de l’exercice

L’objectif de l’exercice est de modéliser une centrale électrique de 300 MW dans Thermoptim et d’en déterminer les performances

Cet exercice se décompose en trois parties :

dans la première (celle-ci), on fait l’hypothèse que la machine ne comporte qu’un seul circuit.
dans la deuxième partie (séance S27), on tient compte d’une resurchauffe et d’un prélèvement qui prennent place dans les machines industrielles. Le modèle est alors beaucoup plus réaliste.
dans la troisième partie (séance S28), on analyse quantitativement les irréversibilités des deux cycles en dressant leurs bilans exergétiques.

énoncé de l’exercice (pdf, 3 Ko)

(Séance réalisée le 22/02/05 par Renaud Gicquel)

Centrales à vapeur

Cycle de base (Hirn) :
- eau liquide comprimée P ≈ 80 - 300 bars
- échauffement en trois étapes (économiseur, vaporiseur, surchauffeur)
- vapeur détendue dans turbine (P ≈ 0,04 bar)
- puis condensée

Centrales à vapeur

Cycle de base (Hirn) :
- compression 1-2 jusqu’à 80- 300 bars
- Échauffement jusqu’à environ 560 °C
  - économiseur 2-3a
  - vaporiseur 3a-3b
  - surchauffeur 3b-3
- détente 3-4’
- condensation 4’-1 à environ 25 °C

Exercice centrale à vapeur

Centrale électrique de 300 MW

entrée pompe : 29 °C, 0,04 bar
débit d’eau mis en jeu : 245 kg/s
haute pression : 169 bars
rendement isentropique pompe : 1
température entrée turbine : 542 °C
rendement isentropique détente : 0,85

Thermoptim

deux écrans au démarrage

éditeur de schémas
simulateur

Thermoptim

schéma de la centrale électrique

compression liquide
économiseur, vaporiseur, surchauffeur
turbine
condenseur

Thermoptim

interface schéma-simulateur

Thermoptim

Paramétrage du modèle

Lorsque les éléments du simulateur sont créés, Thermoptim initialise tous les points avec une pression de 1 bar et une température de 300 K, qu’il faut ensuite modifier en fonction des données du problème que vous étudiez.

Les deux activités qui suivent vont vous montrer comment paramétrer les points et les transfos, puis la suivante vous rappellera les valeurs que vous devrez saisir dans Thermoptim.

Paramétrage des points

double-clic sur un lien orienté (flèche) ou sur une ligne de la table des points
état d’une petite particule de matière

Paramétrage des transfos

double-clic sur un composant
évolution d’un débit-masse de fluide

Paramétrage des points et transfos

Paramétrez maintenant un à un les différents points, en veillant bien à entrer les valeurs des températures connues (T1, T3), ainsi que celles des pressions, car Thermoptim ne les détermine pas automatiquement. Pour cela, opérez comme suit :

ouvrez le point 1 (eau à l’état liquide), et entrez une pression de 0,04 bar et choisissez l’option “imposer la température de saturation”, ce qui fixe la température à 29 °C environ. Le titre étant par défaut égal à 0, cliquez sur “Calculer”
ouvrez ensuite le point 2, et entrez une pression de 169 bars, puis cliquez sur “Calculer”
ouvrez le point 3a et entrez une pression de 169 bars, à la température de saturation (351,2 °C), avec un titre égal à 0, puis cliquez sur “Calculer”
ouvrez le point 3b dans les mêmes conditions, avec un titre égal à 1, et calculez-le
ouvrez le point 3 et entrez une pression de 169 bars et une température de 542 °C, et calculez-le
ouvrez le point 4 et entrez une pression de 0,04 bar, puis cliquez sur “Calculer”

Paramétrez ensuite les transfos, pour lesquelles les options par défaut s’appliquent : la compression et la détente sont adiabatiques, calculées par rapport à la référence isentropique, et leurs rendements isentropiques sont connus. Pour cela, opérez comme suit :

ouvrez la transfo “compression liquide”, dont le rendement isentropique est par défaut égal à 1, puis cliquez sur “Calculer”, ce qui détermine la température du point 2 (29,37 °C)
ouvrez les transfos “économiseur”, “vaporiseur” et “surchauffeur”, et cliquez sur “Calculer”. Les températures des points amont et aval étant connues, les chaleurs mises en jeu sont calculées
ouvrez la transfo “turbine”, et entrez un rendement isentropique de 0,85, puis cliquez sur “Calculer”, ce qui détermine le point 4 à la température de saturation (29 °C) et un titre de 0,836
ouvrez la transfo “condenseur”, qui peut maintenant être calculée, les points 4 et 1 étant connus

Le calcul du bilan global du cycle fait appel à la notion de type d’énergie, expliqué dans l’activité suivante.

Choix du type d’énergie

double-clic sur type d’énergie

Bilan et synoptique

Cycle sur diagramme (T,s)

interface diagrammes-simulateur

Cycle sur diagramme (T,s)

Cycle sur diagramme (h,P)

Cycle sur diagramme (h,s)

Récapitulatif

Cet exercice vous a permis d’étudier un cycle à vapeur simple et d’apprendre à le modéliser dans Thermoptim. Il s’agit d’une simplification (cycle sans réchauffe ni prélèvement) d’une centrale électrique de 300 MW du type de celle décrite dans l’article B1 250 des Techniques de l’Ingénieur.

L’intérêt qu’il y a à utiliser un tel progiciel est que les propriétés des corps sont calculées avec une grande précision et sans aucune difficulté. Une fois le modèle mis au point, vous pouvez le reparamétrer très facilement, ce qui vous permet de procéder rapidement à des études de sensibilité sur l’influence des divers paramètres.

Cette manière de faire comporte cependant un danger : que vous ne sachiez pas critiquer les valeurs fournies par le progiciel, ce qui peut vous conduire à accorder une confiance démesurée aux résultats qu’il fournit.

Il peut arriver que le modèle ne soit pas bien construit, et que ses résultats ne soient pas justes, et il faut savoir diagnostiquer ce type d’erreurs. Pour cela, il est souhaitable que vous soyez capable de contrôler par vous-même ses résultats, au moins de manière approchée.

Il est en particulier recommandé de bien vérifier les bilans. Pour cela, entraînez-vous à les recalculer approximativement, en sommant de tête ou sur un bout de papier toutes les énergies utiles ainsi que toutes les énergies payantes, et en les divisant pour obtenir le rendement du cycle.

Le tracé du cycle sur diagramme se révèle aussi un très bon moyen de contrôler la pertinence d’un modèle, dès lors que l’on connaît l’allure générale des cycles, ce qui s’apprend vite. Une erreur d’entrée sur la pression ou la température apparaît souvent de manière manifeste.

Vous trouverez ci-dessous un lien vers une note intitulée “Méthodologie de construction et de vérification des modèles” destinée à fournir aux utilisateurs de Thermoptim un certain nombre de recommandations basées sur l’expérience passée.