Optimisation d'un cycle combiné

par la méthode du pincement

Introduction

L’objectif de cette exploration est de vous montrer comment peut être mise en application la méthode du pincement pour optimiser un cycle combiné.

Rappelons que l'exploration dirigée OPT-1 porte sur l'optimisation d'un réseau de chaleur par la méthode du pincement.

Vous y trouverez une présentation détaillée de la fenêtre d'optimisation de Thermoptim et des explications sur la manière de paramétrer les fluides qui doivent être pris en compte dans le processus d'optimisation.

Précisons aussi que l'on utilise généralement la méthode du pincement pour concevoir un réseau d'échangeurs de chaleur entre des fluides dont les températures et les débits sont définis, mais qu'elle peut aussi servir à optimiser les niveaux de pression et les débits dans des cycles combinés ou des installations de cogeneration.

C'est ce que cette exploration dirigée va illustrer.

Nous partirons du paramétrage du cycle combiné à un niveau de pression qui a fait l'objet de l'exploration dirigée C-M3-V1, et nous chercherons à en améliorer les performances en ajoutant un deuxième cycle à vapeur pour mieux refroidir les gaz rejetés à l'atmosphère.

Il faudra pour cela chercher le couple (pression BP, débit de vapeur BP) optimal.

 

Rappel sur le cycle combiné à un niveau de pression

Ce synoptique résume les caractéristiques du cycle combiné à un niveau de pression déjà étudié.

synoptique du cycle combiné

Le cycle à vapeur opère avec une pression de 120 bar et une température de surchauffe de 520 °C.

Le débit de vapeur est de 74 kg/s.

Il permet de refroidir la veine de gaz sortant de la turbine à gaz à la température de 164,8 °C, mais pas plus bas, de telle sorte que le rendement global du cycle combiné n'est que de 48,6 %.

Pour aller plus loin, nous allons rajouter à ce modèle un deuxième cycle à vapeur à plus basse pression.

Comme on le sait, l'application de la méthode du pincement consiste à effectuer l'analyse des disponibilités et des besoins à partir de l'ensemble des fluides mis en jeu dans le problème.

On construit pour cela les courbes composites correspondant à ces fluides, ce qui permet de déterminer où se situent les pincements du problème.

Le modèle n'a pas besoin de représenter l'ensemble de l'installation existante : il suffit qu'il fasse apparaître les seuls fluides qui interviennent. C'est pour cela qu'il est inutile que les échangeurs de chaleur apparaissent à ce stade.

Nous supprimerons donc les trois échangeurs existants, ce qui évitera de plus tout problème de calcul lors de la recherche de l'optimum.

Modèle initial

Le chargement du modèle se fait par ouverture du fichier de schéma et d'un fichier de projet paramétré convenablement.

Charger le modèle

Cliquez sur le lien suivant : Ouvrir un fichier dans Thermoptim

Vous pouvez aussi ouvrir le fichier de schéma (CC1P_opt.dia) grâce au menu "Fichier/Ouvrir du menu" de l'éditeur de schémas, et le fichier de projet (CC1P_opt.prj) grâce au menu "Fichier de projet/Charger un projet" du menu du simulateur.

Affichez la fenêtre de l'éditeur de schémas

Vous y voyez le schéma du modèle, avec les trois circuits fluides mis en jeu, leurs débits, et les températures d'entrée et de sortie des différentes transfos.

schéma initial

Paramétrage retenu pour l'optimisation par la méthode du pincement

Nous avons paramétré le cycle vapeur BP de ce modèle initial de la manière suivante : pression égale à 10 bar, débit de 10 kg/s et surchauffe de 50 °C au dessus de la température de saturation.

Le rendement isentropique de la turbine BP a été supposé identique à celui de la turbine HP, à savoir 0,85.

La température de rejet des gaz à l'atmosphère a été abaissée à 75 °C.

Nous avons aussi sélectionné l'option "fluide méthode pinct." dans toutes les transfos échange sauf les condenseurs (veine des gaz d'échappement, économiseurs, vaporiseurs, surchauffeurs) en fixant les pincements minimaux à 16 °C pour les gaz, 8 °C pour les liquides, et 6 °C pour les vaporiseurs.

Le rendement du cycle combiné dépasse maintenant 50 %. Voyons dans quelle mesure on peut l'améliorer.

Utilisation des outils d'optimisation

Comme vous le savez, toutes les fonctions spécifiques à l'optimisation sont accessibles à partir de la fenêtre d'optimisation.

Elles travaillent en coordination étroite avec le simulateur, pour que l'on puisse facilement modifier les paramétrages des systèmes étudiés.

C'est cette propriété que nous allons utiliser dans cette exploration dirigée.

Chargement de l'écran d'optimisation

Vous accédez à l'écran d'optimisation, en tapant Ctrl M ou en sélectionnant la ligne "Outils d'Optimisation" du menu "Spécial" de l'écran du simulateur.

Si vous n'arrivez pas à le faire, cliquez sur ce bouton

Cet écran comporte deux menus, le menu "Méthode d'optimisation" et le menu "Graphes".

En pratique cependant, seules deux lignes de menu vous seront utiles :

Ajustement du débit HP

Activez la ligne de menu Mettre à jour le problème et minimiser l'appoint, ou tapez Ctrl U.

Thermoptim établit la table des intervalles (que nous n'utiliserons pas dans cette exploration dirigée) et calcule les besoins en utilités chaude et froide.

Un message vous informe qu'il faut un appoint de 1063 kW et vous demande si vous souhaitez enregistrer cette valeur.

Répondez "OK"

Ce message est affiché parce qu'en fait le cycle à vapeur HP ne respecte pas exactement les contraintes de pincement. Son débit est légèrement trop important.

Modifiez le débit HP dans la transfo "économiseur" qui est à débit imposé, en réduisant sa valeur, par exemple à 73,5 kg/s, puis recalculez la transfo.

Retournez dans la fenêtre du simulateur, et cliquez plusieurs fois sur "Recalculer" jusqu'à ce que le bilan se stabilise.

Activez de nouveau la ligne de menu Mettre à jour le problème et minimiser l'appoint de la fenêtre d'optimisation, ou tapez Ctrl U.

Un message vous informe qu'il faut un appoint de 105 kW et vous demande si vous souhaitez enregistrer cette valeur

Répondez "OK"

Le débit HP est encore un peu trop grand, mais vous vous rapprochez de la solution.

Répétez les opérations précédentes en entrant cette fois une valeur de 73,4 kg/s.

Cette fois-ci il n'y a pas beoin d'appoint : le pincement est minimisé sans apport de chaleur complémentaire.

L'écran d'optimisation fait apparaître les 9 fluides et 15 intervalles.

Ecran optimisation initial

Tracé des courbes composites

Le tracé des courbes composites se fait en activant la ligne Tracer les Courbes composites du menu Graphes.

courbes composites

La courbe rouge correspond à la composite chaude, la courbe bleue à la composite froide, et la verte est la différence entre les deux.

Deux pincements apparaissent clairement :

Sur les courbes composites, un pincement sépare généralement deux zones :

Dans un cas comme celui-ci où il y a deux pincements, la zone intermédiaire est équilibrée sur le plan thermique.

Le pincement supérieur est celui qui se manifeste entre le vaporiseur HP et la veine de gaz. Sa valeur correspond au minimum admissible, et nous avons même dû réduire le débit du modèle initial pour respecter les contraintes du problème.

Ajustement du débit BP

Le pincement inférieur quant à lui est beaucoup plus grand et il est possible de le réduire.

Il suffit pour cela d'augmenter la valeur du débit BP dans la transfo "ECOLP", de la recalculer, et d'opérer comme nous l'avons fait lorsque nous avons cherché la bonne valeur du débit HP.

Après quelques essais, un débit de 17,55 kg/s permet de réduire le pincement inférieur à sa valeur minimale.

Les nouvelles composites que l'on obtient sont données ci-dessous.

courbes composites

Les performances du cycle combiné ont augmenté, le rendement étant maintenant égal à 51,2 %.

Toutefois, il reste de la chaleur à évacuer (5,45 MW comme indiqué dans la fenêtre d'optimisation dans le champ "Extraction de chaleur").

Cela signifie que la veine de gaz ne peut pas être refoidie à 75 °C comme nous le souhaitions.

Poursuite de l'optimisation

Pour le moment, nous avons fait varier le débit de vapeur BP, mais pas sa pression, que nous avions fixée à 10 bar sans raison particulière autre que d'être inférieure à la pression HP.

Nous pouvons donc faire varier ce paramètre et voir quel impact cela a sur les performances du cycle combiné.

Ajustement de la pression BP, en minimisant la température de rejet des gaz dans l'atmosphère

Modifiez la pression BP dans le point "Tvap BP 1" en sortie de la pompe BP. Les transfos aval "ECOLP", "ELVP vap" et "SHLP" étant paramétrées comme isobares, la nouvelle pression se propagera jusqu'à l'entrée de la turbine BP lors des recalculs.

Entrez par exemple 8 bar comme pression BP dans le point "Tvap BP 1", puis recalculez-le.

Augmentez légèrement la valeur du débit BP dans la transfo "ECOLP", par exemple à 18,4 kg/s,et recalculez la.

Retournez dans la fenêtre du simulateur, et cliquez plusieurs fois sur "Recalculer" jusqu'à ce que le bilan se stabilise.

Activez la ligne de menu Mettre à jour le problème et minimiser l'appoint de la fenêtre d'optimisation, ou tapez Ctrl U.

La puissance thermique à extraire baisse : elle vaut 3,3 MW au lieu de 5,45 MW

Il faut donc réduire un peu plus la pression BP et augmenter davantage le débit de vapeur BP

Au bout d'un certain nombre de tentatives, on aboutit à un résultat où il n'y a besoin ni d'apport de chaleur à haute température, ni d'extraction à basse température. La pression BP vaut 4 bar, et le débit BP 19,84558 kg/s

Nous refroidissons bien les gaz jusqu'à 75 °C, mais les performances du cycle combiné se sont détériorées : son rendement n'est plus que de 48,5 %

Cela signifie que ce cycle à deux niveaux de pression ne peut refroidir les gaz aussi bas.

Si on voulait le faire, il faudrait ajouter un troisième cycle à vapeur.

Ajustement de la pression BP, en maximisant les performances du cycle combiné.

Nous reprenons la démarche d'optimisation là où nous en étions avec une pression BP égale à 10 bar.

Le rendement du cycle est 51,21 %. Examinons l'effet d'une légère baisse de la pression BP.

Entrez maintenant 9,5 bar comme pression BP, puis recalculez le point "Tvap BP 1".

En opérant comme précédemment, cherchez la valeur du débit BP dans la transfo "ECOLP" qui minimise le pincement inférieur sans apport de chaleur supplémentaire. La valeur de 17,765 kg/s conduit à une très légère augmentation du rendement, qui passe à 51,22 %

Si maintenant vous augmentez légèrement la pression BP, par exemple à 10,5 bar et que vous minimisez le pincement inférieur, le rendement chute à 51,2 %.

Cela signifie que l'optimum se situe à une pression BP inférieure à 9,5 bar.

En poursuivant la recherche, on s'aperçoit que l'optimum est très plat et qu'il se situe à une pression BP de 9 bar environ.

Voici le nouveau synoptique que l'on obtient.

synoptique optimisé

La puissance mécanique produite est de 238,731 MW, alors qu'avant le processus d'optimisation elle n'était que de 233,855 MW.

Le gain est de 4,9 MW, soit 2 %.

Dans cette exploration dirigée, nous nous sommes contentés de rechercher un paramétrage optimal du cycle à vapeur BP, en considérant que le cycle HP était imposé.

En fait, pour aller au bout du processus, il faudrait aussi jouer sur la pression et le débit HP, voire sur les valeurs des deux surchauffes BP et HP.

Cela ne pose pas de problème méthodologique particulier, mais la procédure serait bien sûr plus longue à mettre en oeuvre.

Nous vous laissons le soin de poursuivre l'optimisation si vous le souhaitez.

Accès au modèle optimisé

Si vous désirez charger ce dernier modèle, cliquez sur le lien suivant : Ouvrir un fichier dans Thermoptim

Vous pouvez aussi ouvrir le fichier de schéma (CC1P_opt_BP9.dia) grâce au menu "Fichier/Ouvrir du menu" de l'éditeur de schémas, et le fichier de projet (CC1P_opt_BP9.prj) grâce au menu "Fichier de projet/Charger un projet" du menu du simulateur.

Conclusion

La méthode du pincement constitue un guide très utile lorsque l'on cherche à optimiser un cycle combiné à plusieurs niveaux de pression.

Comme nous l'avons dit, nous nous sommes contentés dans cette exploration dirigée de rechercher un paramétrage optimal du cycle à vapeur BP, en considérant que le cycle HP était imposé.

Il resterait de surcroît à trouver l'architecture du réseau d'échangeurs permettant d'atteindre cet optimum, car en pratique il faudrait paralléliser une partie au moins des surchauffeurs et des économiseurs.

Thermoptim dispose des outils pour le faire, mais ceci dépasse le cadre de cette exploration dirigée.

Vous trouverez de plus amples développements sur ce sujet dans les deux pages suivantes du portail Thermoptim-UNIT :

Intégration thermique ou méthode du pincement

Présentation de la méthode d'optimisation de Thermoptim