Dans le quatrième module, nous poursuivons l'application des réflexions des semaines précédentes aux systèmes énergétiques hybrides très performants que constituent les cycles combinés.

Bien que l'objectif du cours soit l'étude des cycles thermodynamiques associés à des réacteurs nucléaires, il nous a semblé nécessaire d'effectuer une présentation d'ensemble des ces technologies compte tenu de leur importance. Les applications spécifiques aux réacteurs nucléaires sont mentionnées ensuite.

Le volume horaire est d'environ 1 h 30 de travail, dont 9 mn de vidéos.

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 .

Remarques

Le modèle de cycle combiné que nous avons présenté comporte deux circuits fluides séparés, couplés par un échangeur de chaleur, le générateur de vapeur récupérateur GVR.

Une fois le modèle de turbine à gaz déterminé, le paramétrage du modèle du cycle à vapeur dépend essentiellement de la valeur des pincements dans le GVR.

Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :

• Placement sur image : Cycle combiné

• Questionnaire à choix unique sur les cycles combinés

Exploration dirigée C-M3-V1

Ouvrez l'exploration dirigée C-M3-V1 Cycles combinés et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Bilan exergétique du cycle combiné

La manière dont ce bilan peut être établi et la structure productive correspondante sont expliquées dans l'exploration dirigée BESP-2 : Bilans exergétiques et structures productives de différents cycles.

Le bilan exergétique de ce cycle est donné dans le tableau ci-dessus. Son rendement exergétique (45 %) a significativement augmenté par rapport à celui de la turbine à gaz de référence (33,5 %) utilisée seule.

Les irréversibilités principales se situent dans la chambre de combustion (61 %). Les autres pertes se répartissent de manière assez équilibrée entre les divers composants et à l'échappement. Par ordre décroissant, elles prennent place dans le compresseur d'air, la turbine à gaz, la turbine à vapeur, l'économiseur, le vaporiseur, le surchauffeur, à l'échappement et dans le condenseur.

Les irréversibilités dans les turbomachines représentent 22,5 % du total. Les constructeurs poursuivent leurs efforts pour les réduire et des progrès très importants ont déjà été réalisés au cours des dernières décennies. Par conséquent les possibilités d'amélioration sont de plus en plus faibles.

Les pertes dans le GVR et celles à l'échappement sont liées. Elles représentent 11,4 % et 7 % des irréversibilités. Leur réduction est donc un enjeu important. L'échange de chaleur idéal correspondrait au cas où la courbe de refroidissement du gaz et celle du chauffage de l'eau seraient parallèles. L'échangeur de chaleur fonctionnerait alors à contre-courant et l'irréversibilité serait minimale. Ceci est malheureusement irréalisable avec de l'eau, et le cycle à un seul niveau de pression comporte de fortes irréversibilités internes.

On est donc en pratique amené à concevoir des cycles combinés à plusieurs niveaux de pression, dont l'optimisation est un problème difficile.

Vous trouverez des précisions sur cette problématique et des compléments sur les cycles combinés dans cette page du portail Thermoptim-UNIT.

Optimisation d'un cycle combiné à deux niveaux de pression

La méthode du pincement peut être utilisée pour optimiser la conception des générateurs de vapeur récupérateurs.

Si vous souhaitez étudier comment un un cycle combiné à deux niveaux de pression peut être paramétré et optimisé, l'exploration dirigée OPT-2 porte sur l'application de cette méthode à ce type de problème.

OPT-2 : Optimisation d'un cycle combiné par la méthode du pincement

Nous donnons ici deux exemples de cycles combinés couplés à des réacteurs nucléaires.

• Le premier, très simple, vous permet de vous familiariser avec la construction d'un modèle Thermoptim de cycle combiné à un niveau de pression

• Le second, beaucoup plus complexe, correspond à la présentation d'un concept de cycle combiné et de cogénération à haut rendement développé par Areva sur la base d'un réacteur nucléaire à haute température. Ce cycle a été optimisé avec Thermoptim.

Cycle combiné à un niveau de pression couplé à un réacteur nucléaire

Cette séance Diapason vous apprend à modéliser avec Thermoptim un cycle combiné couplé à un réacteur nucléaire, en construisant vous-même le modèle. A la fin de l'exercice, les fichiers Thermoptim de la solution vous sont fournis.

Exemple du concept de cycle combiné d'Areva

Les considérations qui président à la sélection des cycles sont multiples. Bien évidemment le rendement intrinsèque du cycle est fondamental, mais la faisabilité technologique ne l'est pas moins. C'est ce qui a conduit Areva à choisir pour ses réacteurs HTR-VHTR un cycle combiné utilisant un mélange hélium-azote (20-80% en masse) plutôt que de l'hélium pur, du fait de l'expérience considérable accumulée depuis plusieurs décennies sur les turbines à gaz à air.

En 2002, elle a optimisé avec Thermoptim un cycle combiné associé à un réacteur HTR (figure ci-dessous). Le rendement annoncé par Areva en production d’électricité seule est 47 %, mais celui qui est en réalité visé est 50 %, sans aucun développement technologique particulier en dehors de l'échangeur intermédiaire IHX.

Le circuit gaz (mélange d’hélium et d’azote) est composé d’un échangeur IHX (intermediate heat exchanger) qui permet le transfert de l’énergie du fluide caloporteur (hélium) réchauffé dans le cœur du réacteur nucléaire au fluide du circuit gaz. Une différence de température de l’ordre de 50°C, entre l’entrée du fluide chaud et la sortie du fluide froid, est souhaitable afin de maintenir la surface de cet échangeur dans une gamme de valeurs raisonnables.

Avant de passer dans l’échangeur IHX, le gaz est comprimé par un compresseur à une pression comprise entre 55 et 70 bars, cette dernière valeur de 70 bars étant une valeur maximale pour des raisons de résistance des matériaux. En sortie d’échangeur, le gaz est détendu jusqu’à environ 40 bars dans une turbine et ressort à une température encore relativement élevée (de l’ordre de 600°C). Il est ensuite refroidi dans un échangeur, puis redirigé vers le compresseur. Le cycle thermodynamique retenu utilise l’enthalpie disponible dans cet échangeur pour faire fonctionner un cycle vapeur et obtenir ainsi un cycle combiné.

La composition du gaz pour le cas de référence contient 20% d’hélium et 80% d’azote (en masse). La température du gaz à l’entrée de l’échangeur IHX (donc à la sortie du compresseur) est de 300°C et sa pression de 55 bars. La température du gaz à la sortie de l’échangeur IHX est de 800°C et sa pression de 55 bars. Cette température résulte d’un différentiel de 50°C choisi sur l’échangeur IHX. Cette dernière température ne doit impérativement pas dépasser 325°C compte tenu de certaines contraintes liées à la résistance des matériaux.

Le circuit vapeur proposé comporte trois turbines successives (haute, moyenne et basse pression). La vapeur surchauffée disponible à l’entrée de la turbine HP passe par un économiseur qui échauffe le liquide, un vaporiseur qui vaporise l’eau et un surchauffeur. Deux resurchauffes sont prévues à l’entrée des turbines MP et BP. Ce cycle est présenté dans cette publication :

J. GOSSET, R. GICQUEL, M. LECOMTE, D. QUEIROS-CONDE, Optimal design of the structure and settings of nuclear HTR thermodynamic cycles, International Journal of Thermal Sciences, 44, 2005, pp. 1169-1179

Cycle combiné à deux niveaux de pression avec cycle de Brayton à hélium

Un exemple de cycle combiné (moins industriel mais plus théorique) peut être construit à partir du cas présenté ci-dessus comme illustration des performances des cycles de Brayton à régénération à hélium, en supprimant le régénérateur et en introduisant un cycle à vapeur à deux niveaux de pression (120 et 10 bars, surchauffe HP et BP à 500 et 300 °C). Comme le montre le synoptique ci-dessous, l'efficacité du cycle passe de 48 à 52,5 %.

Grâce à ce programme, à la fin du module, vous :

• aurez compris l'intérêt des cycles combinés comme moyen de valoriser l'enthalpie disponible en sortie d'une turbine à gaz

• saurez paramétrer un cycle combiné à 1 niveau de pression

• serez familiarisés avec les difficultés rencontrées lors de leur modélisation