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Projet Tuteuré
Simulation à l’aide du logiciel ProSim d’une
unité de cogénération avec chaudière et
turbo-alternateur
2018
-
2019
LP IProC²G
GILLARD Yann / BIN MD SABRI Megat
2018 - 2019
1
Introduction
Ce projet a pour axe principal l’étude d’une unité de cogénération. Le principe de ce genre de
procédé est de récupérer la chaleur produite par une installation (dans ce cas, une chaudière)
afin de la transformer en énergie électrique dans le but d’éviter de perdre cette chaleur. Dans
le cas du procédé qui est étudié ici, cette chaleur est communiquée à une turbine par le biais
d’un cycle de vapeur circulant entre la chaudière, la turbine et une sucrerie située à côté de
l’unité de cogénération. C’est ce cycle de vapeur qui est étudié dans ce projet.
Dans un premier temps, nous établirons les résultats des recherches bibliographiques menées
sur les différentes installations du procédé (turbines à vapeur, éjecteurs, chaudières…), sur le
fonctionnement de l’enthalpie de l’eau et sur la qualité requise pour ce fluide pour que le
procédé fonctionne correctement. Ensuite, nous avons dressé les bilans matières et
enthalpiques du procédé afin de calculer les différents débits de matière dans l’installation
afin de comprendre comment ProSim fonctionne.
Pour terminer, nous expliquerons comment nous avons mis en place la simulation de ce cycle
de vapeur en décrivant les paramètres utilisés et la manière dont nous avons simulé chacun
des appareils composant ce procédé. Puis nous lancerons la simulation du procédé dans trois
cas différents : Lorsque l’installation est au démarrage ou en fin de campagne, lorsqu’elle est
en régime établi et lorsque la sucrerie liée au procédé est à l’arrêt. Enfin, nous commenterons
les résultats obtenus.
2
Table des matières
I] Présentation du procédé et travaux bibliographiques ......................................................................3
1) Présentation du procédé.............................................................................................................3
2) Enthalpie de l’eau .......................................................................................................................4
2) Les turbines à vapeur ..................................................................................................................4
3) Les dégazeurs thermiques...........................................................................................................5
4) Les chaudières ............................................................................................................................5
5) Les éjecteurs à vapeur.................................................................................................................7
6) Qualité des eaux de chaudière ....................................................................................................7
II] Bilans matière et thermique............................................................................................................8
1) Bilan massique global..................................................................................................................8
2) Détermination des conditions et propriétés des flux sortant de la turbine...................................8
3) Bilan enthalpique sur le dégazeur .............................................................................................10
III] Mise en place de la simulation.....................................................................................................11
1) Présentation des trois différents cas .........................................................................................11
2) Schéma et mise en œuvre des simulations................................................................................12
3) Résultats des simulations..........................................................................................................16
IV] Discussion sur les résultats des simulations .................................................................................17
3
I] Présentation du procédé et travaux bibliographiques
1) Présentation du procédé
Ci-dessous un dessin de l’entièreté du procédé étudié dans le cadre de ce projet tuteuré:
La partie principale de ce procédé est la chaudière, au milieu du dessin. La biomasse y est
introduite et chauffée par le FOD en bas à gauche. De l’eau circule également dans la
chaudière pour en ressortir sous forme de vapeur. Cette vapeur est traitée lors dans un cycle
de la vapeur : C’est ce cycle qui sera principalement étudié dans le cadre de ce projet.
4
Ci-dessus figure le dessin des appareils dans lesquels la vapeur circule, et en rouge le nom des
courants. Les condensats à moyenne pression (MP) arrivent de la sucrerie à droite du schéma
par le courant 13. Ils entrent d’abord dans le dégazeur avant d’être envoyés dans la chaudière
par les courants 7 et 8, d’où ils ressortent sous forme de vapeur à haute pression. Cette vapeur
est envoyée par le courant 1 dans la turbine afin de convertir une partie de son énergie en
énergie électrique, une partie est évacuée du 1er
étage de la turbine à moyenne pression en
direction de la sucrerie par les courants 3 puis 4. Le flux sortant du 2ème
étage de la turbine à
basse pression (BP) après avoir converti son énergie en énergie électrique est envoyé dans un
aérocondenseur puis en entrée du dégazeur par les courants 2, 6 et 16. Une partie de la vapeur
destinée à la sucrerie est prélevée pour préchauffer les condensats dans le dôme du dégazeur
par le biais du courant. Les gaz qui sont évacués en tête du dégazeur par une purge. Enfin, un
appoint d’eau traitée est envoyé dans le dégazeur pour maintenir son niveau constant à partir
du courant 12.
2) Enthalpie de l’eau
Dans le cadre des bilans enthalpiques à effectuer lors de ce projet, nous aurons aussi besoin du
diagramme de Mollier est un diagramme relatif aux changements d’états et aux températures
et pressions d’utilisation des fluides. Voir annexe 1 (diagramme de Mollier).
En ordonnée est représentée l’enthalpie (kJ/kg), en abscisse l’entropie (kJ/(kg.K)). Les lignes
obliques continues sont la pression (bar), les lignes obliques en pointillé sont le volume
spécifique (m³/kg) et les lignes horizontales sont la température (°C).
2) Les turbines à vapeur
Le principe des turbines à vapeur est d’utiliser l’énergie contenue dans la vapeur d’eau pour la
convertir en énergie électrique. Cette installation consiste en un rotor muni de lames qui
tourne grâce à l’énergie que lui apporte le mouvement de la vapeur envoyée à son contact. La
configuration de ces lames est très importante car ce sont elles qui capturent l’énergie de la
vapeur pour faire tourner le rotor. Étant donné que les lames sont fermement installées dans
un conteneur isolé, la vapeur est forcée de passer à leur contacte à grande vitesse, cherchant à
perdre le maximum d’énergie possible ce qui entraîne sa détente et son refroidissement.
 Les turbines à action ont leurs lames taillées en seau. La vapeur provient de tuyères
taillées spécifiquement afin que la dépressurisation ait lieu dans les tuyères et non sur
les lames. Cette configuration est particulièrement efficace pour les vapeurs à haute
pression.
 Les turbines à réaction comportent une rangée de lames immobiles attachées à
l’intérieur du compartiment, qui ont pour fonction de diminuer graduellement la
pression et température. Le volume diminue également ce qui fait que le diamètre de
la turbine doit être croissant.
 Les turbines à soutirage sont des turbines desquelles sont extraites les vapeurs afin de
réchauffer l’alimentation dans le but d’améliorer le cycle de fonctionnement. Ce type
5
de fonctionnement est commun pour les turbines à grande puissance et dans les usines
de cogénération.
 Dans une turbine à condensation la vapeur est détendue jusqu’à une pression très
faible, puis est liquéfiée dans un condenseur. Ces turbines sont principalement
utilisées dans les installations de production de force motrice.
Dans le cas de ce projet, la turbine à vapeur est l’appareil qui sert à convertir la chaleur en
sortie de la chaudière en énergie électrique.
3) Les dégazeurs thermiques
Les dégazeurs thermiques sont des installations dont le but est d’éliminer les gaz présents
dans les circuits des chaudières afin d’éviter la corrosion. Son principe de fonctionnement
repose sur le fait que la solubilité du gaz dans l’eau devient plus faible quand elle approche de
son point d’ébullition.
Il existe deux types de dégazeurs :
 Les dégazeurs à plateaux sont constitués d’un tube horizontal et d’un dôme vertical.
L’eau d’alimentation passe d’abord par ce dôme, où elle est fractionnée en gouttelettes
puis réchauffée et ventilée par de la vapeur à contre-courant. Des plateaux perforés
sont disposés afin d’augmenter la surface d’échange entre les deux fluides.
L’augmentation de la température permet à l’eau de se débarrasser de la majeure partie
des gaz qu’elle contient. L’eau chute et se condense au fond du tube horizontal. Ce
compartiment contient un tube qui expulse de la vapeur par des perforations,
entraînant à son tour les molécules de gaz contenues dans l’eau ce qui achève de la
purifier. L’eau dégazée sort en bas de l’installation, tandis que la vapeur et les gaz
sortent en haut.
 Dans les dégazeurs à pulvérisation il n’y a que le tube horizontal, séparé en deux
parties. L’eau d’alimentation arrive d’abord dans la première section, celle de
préchauffage, où elle atteint sa température d’ébullition, puis coule ensuite jusqu’à la
section de dé-gazéification dans laquelle la vapeur est injectée par un tube perforé en
bas de l’installation. L’intérêt de séparer le procédé en deux sections est de faciliter la
purification grâce au préchauffage.
4) Les chaudières
Le principe d’une chaudière est de produire de la chaleur en brûlant un combustible (fioul,
gaz, bois, granulés…) et de la transmettre à un fluide caloporteur. Il existe un grand nombre
de chaudières, adaptées aux besoins des particuliers ou des industriels. Les deux grandes
familles qui nous intéressent pour ce projet sont les chaudières à tubes de fumées et à tubes
d’eaux.
6
 Dans une chaudière à tubes de fumée, le fluide caloporteur est chauffé dans une
calandre traversée par un faisceau de tubes contenant les fumées résultant de la
combustion de fioul ou de gaz. Il vaut mieux éviter l’utilisation de combustibles
solides pour ces installations étant donné que leur configuration rend difficile
l’extraction des cendres. Ces chaudières sont utilisées dans des procédés où la pression
ne dépasse pas 30 bars comme dans les blanchisseries ou dans l’industrie agro-
alimentaire. Elles peuvent atteindre 95 % de rendement en utilisant un économiseur ou
un système de récupération de chaleur.
 Dans les chaudières à tubes d’eau, le foyer produit des gaz chauds mis en contact avec
des tubes verticaux transportant l’eau. Cette eau circule par thermosiphon :
L’augmentation de sa température diminue sa masse volumique ce qui la fait se
déplacer vers le haut de l’installation. Tandis que l’eau à plus haute température sort
de l’installation, les plus froides redescendent préchauffer l’alimentation. Ce type de
chaudière peut supporter de plus grandes contraintes de pression, produit un plus
faible débit de vapeur et peut donc être manié plus facilement. En fonction du type de
chaudière le rendement est situé entre 60 et 85 %.
Figure : Schéma d’une chaudière à tubes d’eau
7
5) Les éjecteurs à vapeur
Les éjecteurs sont des appareils qui utilisent l’énergie apportée par la détente d’un fluide à
haute pression afin de compresser un fluide à plus basse pression.
Figure : Schéma d’un éjecteur
Le fluide à haute pression (appelé aussi fluide moteur ou primaire) est accéléré par effet
venturi dans le convergent-divergent (a), créant une baisse de pression dans la zone de
mélange (b), ce qui a pour effet d’aspirer le fluide à basse pression (appelé fluide secondaire
ou entraîné). Les deux fluides se mélangent, provoquant une perte de vitesse qui est convertie
en augmentation de pression dans le diffuseur (c). Ce procédé permet de réaliser la
compression d’un fluide sans compression mécanique. Il permet de produire du vide.
6) Qualité des eaux de chaudière
L’eau absorbe plus de chaleur pour une augmentation de température donnée que les autres
substances non-organiques courantes. Elle s’évapore pour former de la vapeur à pression
atmosphérique et sa vapeur est capable de transporter une grande quantité de chaleur. C’est
pour cette raison que l’eau est idéale pour les procédés de chauffe et de génération de
puissance.
Une qualité d’eau correcte est importante pour la fiabilité d’opération, la préservation de la
durée de vie et la préservation des conditions de travail optimales de la chaudière et
globalement de toute l’installation.
La qualité de l’eau influe également sur la qualité de la vapeur produite. Les caractéristiques
importantes à surveiller sont :
8
 Le pH et la teneur en gaz dissous (oxygène et dioxyde de carbone) pour limiter la
corrosion
 Les sels dissous pour limiter les dépôts
 La silice pour limiter les entraînements ou les dépôts
Normalement, on prétraite les eaux d’alimentation de chaudière. Pour garder et préserver le
bon fonctionnement de la chaudière, il nous faut aussi purger l’air et l’eau. La chaudière
produit de la chaleur diffusée dans l’installation par des tuyaux remplis de vapeur ou d’eau.
Tout au long du fonctionnement de la chaudière et du procédé, le circuit introduit peu à peu
de l’air dans les canalisations et diminue l’efficacité de la chaudière parce que l’air prend la
place de l’eau. La purge d’eau permet d’éviter une concentration excessive en sels.
II] Bilans matière et thermique
Ces calculs sont réalisés dans le cadre d’une installation tournant en régime permanent. Dans
ce cas-là, Qm4 est égal à 33 t/h et Qm13 à 28 t/h. On néglige l’éjecteur à gaz. L’objectif est de
calculer les débits massiques des courants inconnus à l’aide du diagramme de Mollier donné
plus haut, dans le but de comprendre la manière dont le logiciel fonctionne.
1) Bilan massique global
Soient :
Qm13, le débit massique des condensats en provenance de la sucrerie
Qm12, le débit de l’appoint d’eau traitée
Qm4, le débit massique de vapeur MP vers la sucrerie
QmP, le débit massique de la purge en tête de dégazeur dont le taux est de 1%
𝑄 𝑚 13 + 𝑄 𝑚 12 = 𝑄 𝑚 4 + 𝑄 𝑚 𝑃
𝑄 𝑚 𝑃 =
48 × 0,01
0,99
= 0,485 𝑡 / ℎ
𝑄 𝑚 12 = 𝑄 𝑚 4 + 𝑄 𝑚 𝑃 − 𝑄 𝑚 13 = 33 + 0,485 − 28 = 5,485 𝑡 / ℎ
2) Détermination des conditions et propriétés des flux sortant de la turbine
Les conditions de température et de pression (et donc les caractéristiques enthalpiques et
isentropiques correspondantes) de beaucoup de points du circuit sont connus.
9
À partir de ceux-ci, il est possible de calculer les bilans enthalpiques sur le procédé. C’est ici
que le diagramme de Mollier rentre en jeu.
La détente de la vapeur dans une turbine est théoriquement une détente isentropique,
cependant dans la réalité il faut tenir compte d’un rendement inférieur à 1. Ici le rendement
indiqué est de 71%, soit 0,71.
On place le point 1 correspondant aux conditions d’entrée de la turbine en prenant T1=450°C
et P1 = 60 bars, ce qui nous permet d’obtenir l’enthalpie du point 1 H1. Voir Annexe 2
H1 = 3300 KJ/kg
Détente isentropique jusqu’à P2=3 bars correspondant à la pression de sortie du premier étage
de la turbine et on place le point 2’, ce qui nous permet de lire son enthalpie hs2. Voir Annexe
3
hs2 = 2610 kJ/kg
On détermine l’énergie massique réelle cédée W1 en tenant compte du rendement.
𝑊 1 = 0,71 × ( 𝐻 1 − ℎ 𝑠 2 ) = 0,71 × ( 3300 − 2610 ) = 490 kJ/kg
𝐻 2 = 𝐻 1 − 𝑊 1 = 3300 − 490 = 2810 kJ/kg
L’enthalpie H2 correspond à celle des courants 4 et 5 du schéma de procédé.
On place le point 2 avec H2 et P2 sur le diagramme la température correspondante est 173°C.
Voir Annexe 4
On effectue une détente isentropique depuis le point 2 jusqu’à P3=0,2 bar correspondant à la
pression de sortie de la turbine. On place le point 3’, ce qui donne l’enthalpie hs3. Voir
Annexe 5
hs3 = 2350 kJ/kg
𝑊 2 = 0,71 × ( 𝐻 2 − ℎ 𝑠 3 ) = 0,71 × ( 2810 − 2350 ) = 330 kJ/kg
𝐻 3 = 𝐻 2 − 𝑊 2 = 2810 − 330 = 2480 kJ / kg
L’enthalpie H3 correspond à celle du courant 2 du schéma de procédé.
Avec H3 et P3 on place le point 3 et la température correspondante est de 60°C. Voir Annexe
6.
10
3) Bilan enthalpique sur le dégazeur
A partir des pressions et températures des courants que l’on connaît, on en déduit les
enthalpies massiques, grâce aux tables et aux données calculées précédemment et on
rassemble toutes les données des courants sur un tableau pour faire un bilan massique et
enthalpique sur le dégazeur.
L’enthalpie Q est calculée grâce à la formule suivante :
𝑄 = 𝑄𝑚 × ℎ
Où Q est un débit de chaleur en KJ/h, Qm un débit massique en kg/h et h une enthalpie en
kJ/kg.
Le bilan massique sur le dégazeur est le suivant :
𝑄 𝑚 16 + 𝑄 𝑚 5 + 𝑄 𝑚 12 + 𝑄 𝑚 13 = 𝑄 𝑚 𝑃 + 𝑄 𝑚 7 (1)
Son bilan thermique est le suivant :
𝑄 𝑚 16 × ℎ 16 + 𝑄 𝑚 5 × ℎ 5 + 𝑄 12 + 𝑄 13 = 𝑄 𝑃 + 𝑄 7 (2)
Les seules inconnues de ces deux équations sont Qm16 et Qm5. Deux équations, deux
inconnues, le système peut donc être résolu.
𝑄 𝑚 16 = 𝑄 𝑚 𝑃 + 𝑄 𝑚 7 − 𝑄 𝑚 5 − 𝑄 𝑚 12 − 𝑄 𝑚 13 ( 1 )
𝑄 𝑚 𝑃 × ℎ 16 + 𝑄 𝑚 7 × ℎ 16 − 𝑄 𝑚 5 × ℎ 16 − 𝑄 𝑚 12 × ℎ 16 − 𝑄 𝑚 13
× ℎ 16 + 𝑄 𝑚 5 × ℎ 5 + 𝑄 12 + 𝑄 13 = 𝑄 𝑃 + 𝑄 7 ( 2 )
𝑄 𝑚 5 =
𝑄 𝑃 + 𝑄 7 − 𝑄 𝑚 𝑃 × ℎ 16 − ℎ 16 × 𝑄 𝑚 7 + 𝑄 𝑚 12 × ℎ 16 + 𝑄 𝑚 13 × ℎ 16 − 𝑄 12 − 𝑄 13
ℎ5 − ℎ12
( 2 )
Toutes les données étant disponibles, il ne reste plus qu’à faire l’application numérique :
11
𝑄 𝑚 5 =
1,31×106+2,42×107−485×251−251×48000+5484×251+28000×251−2,77×106−1,17×107
2810−251
(2)
𝑄𝑚5 = 2842 𝑘𝑔/ℎ
Ce qui permet de déduire Qm16 :
𝑄 𝑚 16 + 𝑄 𝑚 5 + 𝑄 𝑚 12 + 𝑄 𝑚 13 = 𝑄 𝑚 𝑃 + 𝑄 𝑚 7 (1)
𝑄𝑚16 = 𝑄𝑚𝑃 + 𝑄𝑚7 − 𝑄𝑚5 − 𝑄𝑚12 − 𝑄𝑚13
𝑄𝑚16 = 485 + 48000 − 2842 − 5484 − 28000
𝑄𝑚16 = 12159 𝑘𝑔/ℎ
Une fois le tableau rempli, voilà le résultat obtenu :
Et voici le tableau ne regroupant que les débits massiques des courants :
III] Mise en place de la simulation
1) Présentation des trois différents cas
Cette partie concerne la simulation du cycle de la vapeur dans l’unité de cogénération à l’aide
de ProSim. Pour cela, trois simulations seront réalisées :
 Cas 1 : La première correspondant à l’état du procédé au démarrage et en fin de
campagne, la sucrerie consommant 25 t/h de vapeur, renvoyant 21 t/h dans le système
et le débit de vapeur en entrée et en sortie de la chaudière étant de 48 t/h ;
12
 Cas 2 : La deuxième correspondant à l’état du procédé en régime établi, celui qui a été
utilisé pour les calculs théoriques, la sucrerie consommant 33 t/h, en renvoyant 28 t/h
et le débit de vapeur en entrée et en sortie de la chaudière étant de 48 t/h ;
 Cas 3 : La troisième correspondant à l’installation lorsque la sucrerie est à l’arrêt, c’est
à dire qu’il n’y a plus de sortie ni d’entrée de vapeurs sauf au niveau de la purge, des
éjecteurs et de l’appoint d’eau. Le débit d’alimentation de la chaudière est cette fois-ci
de 35,6 t/h.
2) Schéma et mise en œuvre des simulations
Pour les deux premiers cas, la simulation est réalisée avec le modèle ci-dessous :
Les différentes parties importantes du procédé ont été encadré en bleu :
 La chaudière est représentée un simple consignateur de température car les échanges
avec les autres fluides du système global ne sont pas représentés. La pompe a pour
utilité de faire monter la pression de la vapeur, étant donné qu’il n’est pas possible
d’utiliser un compresseur puisque ce type d’appareil fait également monter la pression.
Les conditions d’utilisation de l’installation sont de 60 bars et 450°C.
13
 La turbine doit être séparée en deux afin de simuler le soutirage de vapeur en milieu
de procédé. À noter que la pression de soutirage est définie à 3,2 au lieu de 2,9 bars
afin de prendre en compte les pertes de charge ayant lieu dans la canalisation entre la
turbine et la sucrerie, et que celle en sortie est de 0,2 bar. Le rendement de la turbine
est de 71 %.
 L’aérocondenseur est simulé de la même manière que la chaudière, puisque que tout
comme elle, il provoque un changement de température et de pression (60°C et 0,2
bar). Une pompe est utilisée à la place d’un compresseur pour les mêmes raisons.
 La bâche dégazante (ou dégazeur) est simulée par un séparateur diphasique liquide-
vapeur ayant comme consigne de faire un Flash à 2 bars et un taux de vaporisation de
1 %. La partie vapeur est évacuée par la purge, la partie liquide redirigée dans la
chaudière.
 L’entrée d’air (de 15 kg/h) dans le système provoquée par les éjecteurs est mélangée
avec un prélèvement de 45 kg/h de vapeur au niveau du soutirage de la turbine. Ce
mélange est redirigé vers un condenseur simulé par un séparateur diphasique liquide-
vapeur qui élimine une grande partie de cet air sous forme d’air saturé en eau. Le reste
de l’eau et les quelques traces d’air restantes sont envoyées dans la bâche dégazante.
Ce module est représenté dans le bloc tout à droite du Flowsheet.
14
La dernière simulation, elle, utilise le modèle suivant :
Si entre le cas 1 et le cas 2 il n’y a pratiquement aucun changement à effectuer (il suffit de
modifier les débits en entrée et en sortie de la chaudière), le cas 3 demande de plus grandes
modifications.
 La sucrerie étant à l’arrêt, l’entrée et la sortie qui y sont associées sont supprimées.
 Le débit en entrée et en sortie de la chaudière est fixé à 35,6 t/h au lieu de 48 t/h.
 Le débit de vapeur en entrée de la turbine devient trop faible pour qu’elle puisse
fonctionner de façon optimale. En conséquence, il n’y a plus de soutirage dans celle-
ci, et toute la vapeur qui y rentre est envoyée vers l’aérocondenseur. Le soutirage se
fait donc au niveau du courant 1, et c’est ce débit de soutirage qui est calculé par le
biais de bilans thermiques par le logiciel.
15
L’objectif de ces simulations est de calculer les débits massiques des courants d’eau d’appoint
et du soutirage grâce à des modules SPEC.
 Pour le premier, il est nécessaire de faire un bilan matière, réalisé en imposant le débit
massique au courant 1 à 48000 kg /h avec l’outil mesure puis en l’utilisant pour faire
varier le débit d’eau d’appoint. De cette manière le module SPEC va faire varier le
débit du courant d’eau d’appoint jusqu’à ce que le débit du courant 1 soit égal à celui
imposé.
 Pour le deuxième, ProSim va procéder d’une manière un peu similaire. La quantité de
chaleur échangée est envoyée vers un second module SPEC, qui va utiliser cette
information pour faire varier les débits massiques au niveau du soutirage de la turbine.
Il s’agit ainsi d’un bilan thermique. Les débits des courants 3 et Turbine 2 étant
calculés, les autres sont obtenus facilement par le logiciel.
16
3) Résultats des simulations
Les résultats des trois simulations pour chaque courant sont répertoriés dans les tableaux ci-
dessous. Le nom des courants correspond aux noms qui leurs sont donnés sur les Flowsheets.
Tableau des résultats de la simulation au démarrage et en fin de campagne du procédé (cas
1)
Tableau des résultats de la simulation du procédé en régime permanent (cas 2)
Tableau des résultats de la simulation du procédé à l’arrêt de la sucrerie (cas 3)
17
IV] Discussion sur les résultats des simulations
Tableau comparant les débits une fois le système en régime permanent obtenus par calcul
manuel et par le logiciel ProSim
Les écarts par rapport aux données calculées sont globalement très faibles. Le plus grand écart
se situe au niveau du calcul du débit de vapeur du courant 5, qui est de 13 %. L’importance de
cet écart s’explique par le fait que le débit est petit comparativement aux autres.
Tableau indiquant les débits d’air dans l’installation pour chaque cas
Pour rappel, l’air rentre dans le système par le biais du courant Air. La plus grande partie de
cet air est évacuée par la sortie d’air saturé en eau du condenseur. Il reste une certaine quantité
d’air, de l’ordre de 40 mg /h, qui est amené au dégazeur par le courant 15. La plus grande
partie de cette quantité d’air y est évacuée par la purge P, ce qui fait que les débits d’air dans
le reste de l’installation sont de l’ordre de 10-2
mg/h. Le constat qui peut être fait est donc que
le condenseur et le dégazeur fonctionnent correctement.
18
Tableau indiquant les débits d’eau dans l’installation pour chaque cas
Plusieurs constats peuvent être faits à partir de ce tableau :
 Le débit d’eau dans la purge (courant P) est plus faible dans le cas 3, ce qui est
normal étant donné que moins de liquide circule dans l’installation ;
 L’appoint d’eau (courant 12) est très faible dans le cas 3 étant donné que le
procédé fonctionne quasiment en système fermé et qu’il n’y a donc presque pas de
pertes à compenser ;
 Le soutirat (courant 3) est plus petit dans le cas 3 car dans les cas 1 et 2 il se
sépare en deux pour se diriger à la fois vers le dégazeur (courant 5) et pour
retourner vers la sucrerie (courant 4). Or, dans le cas 3 il n’y a pas de retour vers
la sucrerie, donc pas de courant 4, d’où le chiffre bien plus faible.
 Le débit sortant de la turbine (courant 2) est très grand dans le cas 3 parce que le
soutirat (courant 3) y est bien plus petit que dans les deux autres cas :
Pratiquement tout ce qui rentre dans la turbine ressort donc vers l’aérocondenseur.
Parallèlement, l’écart entre le cas 1 et le cas 2 concernant le courant 2 s’explique
par le fait que le débit d’eau circulant dans la chaudière (courant 1) est le même
pour les deux cas, mais que le soutirat est plus grand dans le cas 2, plus de vapeur
d’eau étant retirée du système pour être amenée vers la sucrerie par le biais du
courant 4.
19
Conclusion
En conclusion, ce projet aura été très intéressant pour deux raisons principales Il nous aura
permis de nous aider à comprendre la manière dont le logiciel ProSim calcule les bilans
thermiques lors d’une simulation en plus de nous rappeler le fonctionnement des bilans
enthalpiques par le biais d’un diagramme de Mollier. De plus, ce projet nous aura permis de
mettre en place une simulation relativement compliquée sur ProSim, et donc d’explorer des
domaines du logiciel que nous n’avions jusque-là pas vu en cours.
Deux ouvertures sont possibles pour ce projet :
 Nous ne connaissons pas le débit d’air rentrant dans le système en même temps que
l’eau d’appoint et le courant d’eau de retour de la sucrerie ; peut-être qu’il serait
possible de faire une autre simulation cette fois-ci en intégrant des débits d’air dans les
deux courants mentionnés ci-dessous.
 Le schéma de l’installation à notre disposition n’est pas facile à lire ; le redessiner
pour que le rôle de chacun des éléments composant le système soit plus clair pourrait
être une bonne idée. Ce serait aussi l’occasion de corriger l’erreur présente dans le
document original, dans lequel les deux sorties de la turbine sont inversées.
20
Abstract
The main objective of this project is to simulate and study the process of co-generation using
ProSim application. The principle of this process is to produces simultaneously and by the
same installation, the energy mechanic and energy thermal from only one source of energy.
The energy mechanic will be transformed by alternator to energy electric and the energy
thermal is used for the heating and the production of hot water/vapor with a heat exchanger.
First of all, we research on all the possible important equipment necessary for this process
such as vapor turbine, ejectors, boilers etc. Next, we research on the physical-chemical
properties of the fluid (water and water vapor) that will be flowing and transporting the heat
energy inside the equipment so that we can simulate the process correctly. After that, we
establish the material and energy balance of the system in order to understand the functioning
of ProSim.
At the end, we explain the settings that we used to simulate the system and the way we
simulate each equipment in the program. Then we simulate the process in 3 different cases; at
the starting and the stopping of the system, when the system functions in stable regiment and
when the sugar factory’s on stop. We then verify and comment on the material and energy
balance of the sheet.
21
Annexe 1 : Diagramme de Mollier
22
Annexe 2 : Placement du Point 1
23
Annexe 3 : Placement du Point 2’
24
Annexe 4 : Placement du Point 2
25
Annexe 5 : Placement du Point 3’
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Annexe 6 : Placement du Point 3

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Projet Tuteuré

  • 1. Projet Tuteuré Simulation à l’aide du logiciel ProSim d’une unité de cogénération avec chaudière et turbo-alternateur 2018 - 2019 LP IProC²G GILLARD Yann / BIN MD SABRI Megat 2018 - 2019
  • 2. 1 Introduction Ce projet a pour axe principal l’étude d’une unité de cogénération. Le principe de ce genre de procédé est de récupérer la chaleur produite par une installation (dans ce cas, une chaudière) afin de la transformer en énergie électrique dans le but d’éviter de perdre cette chaleur. Dans le cas du procédé qui est étudié ici, cette chaleur est communiquée à une turbine par le biais d’un cycle de vapeur circulant entre la chaudière, la turbine et une sucrerie située à côté de l’unité de cogénération. C’est ce cycle de vapeur qui est étudié dans ce projet. Dans un premier temps, nous établirons les résultats des recherches bibliographiques menées sur les différentes installations du procédé (turbines à vapeur, éjecteurs, chaudières…), sur le fonctionnement de l’enthalpie de l’eau et sur la qualité requise pour ce fluide pour que le procédé fonctionne correctement. Ensuite, nous avons dressé les bilans matières et enthalpiques du procédé afin de calculer les différents débits de matière dans l’installation afin de comprendre comment ProSim fonctionne. Pour terminer, nous expliquerons comment nous avons mis en place la simulation de ce cycle de vapeur en décrivant les paramètres utilisés et la manière dont nous avons simulé chacun des appareils composant ce procédé. Puis nous lancerons la simulation du procédé dans trois cas différents : Lorsque l’installation est au démarrage ou en fin de campagne, lorsqu’elle est en régime établi et lorsque la sucrerie liée au procédé est à l’arrêt. Enfin, nous commenterons les résultats obtenus.
  • 3. 2 Table des matières I] Présentation du procédé et travaux bibliographiques ......................................................................3 1) Présentation du procédé.............................................................................................................3 2) Enthalpie de l’eau .......................................................................................................................4 2) Les turbines à vapeur ..................................................................................................................4 3) Les dégazeurs thermiques...........................................................................................................5 4) Les chaudières ............................................................................................................................5 5) Les éjecteurs à vapeur.................................................................................................................7 6) Qualité des eaux de chaudière ....................................................................................................7 II] Bilans matière et thermique............................................................................................................8 1) Bilan massique global..................................................................................................................8 2) Détermination des conditions et propriétés des flux sortant de la turbine...................................8 3) Bilan enthalpique sur le dégazeur .............................................................................................10 III] Mise en place de la simulation.....................................................................................................11 1) Présentation des trois différents cas .........................................................................................11 2) Schéma et mise en œuvre des simulations................................................................................12 3) Résultats des simulations..........................................................................................................16 IV] Discussion sur les résultats des simulations .................................................................................17
  • 4. 3 I] Présentation du procédé et travaux bibliographiques 1) Présentation du procédé Ci-dessous un dessin de l’entièreté du procédé étudié dans le cadre de ce projet tuteuré: La partie principale de ce procédé est la chaudière, au milieu du dessin. La biomasse y est introduite et chauffée par le FOD en bas à gauche. De l’eau circule également dans la chaudière pour en ressortir sous forme de vapeur. Cette vapeur est traitée lors dans un cycle de la vapeur : C’est ce cycle qui sera principalement étudié dans le cadre de ce projet.
  • 5. 4 Ci-dessus figure le dessin des appareils dans lesquels la vapeur circule, et en rouge le nom des courants. Les condensats à moyenne pression (MP) arrivent de la sucrerie à droite du schéma par le courant 13. Ils entrent d’abord dans le dégazeur avant d’être envoyés dans la chaudière par les courants 7 et 8, d’où ils ressortent sous forme de vapeur à haute pression. Cette vapeur est envoyée par le courant 1 dans la turbine afin de convertir une partie de son énergie en énergie électrique, une partie est évacuée du 1er étage de la turbine à moyenne pression en direction de la sucrerie par les courants 3 puis 4. Le flux sortant du 2ème étage de la turbine à basse pression (BP) après avoir converti son énergie en énergie électrique est envoyé dans un aérocondenseur puis en entrée du dégazeur par les courants 2, 6 et 16. Une partie de la vapeur destinée à la sucrerie est prélevée pour préchauffer les condensats dans le dôme du dégazeur par le biais du courant. Les gaz qui sont évacués en tête du dégazeur par une purge. Enfin, un appoint d’eau traitée est envoyé dans le dégazeur pour maintenir son niveau constant à partir du courant 12. 2) Enthalpie de l’eau Dans le cadre des bilans enthalpiques à effectuer lors de ce projet, nous aurons aussi besoin du diagramme de Mollier est un diagramme relatif aux changements d’états et aux températures et pressions d’utilisation des fluides. Voir annexe 1 (diagramme de Mollier). En ordonnée est représentée l’enthalpie (kJ/kg), en abscisse l’entropie (kJ/(kg.K)). Les lignes obliques continues sont la pression (bar), les lignes obliques en pointillé sont le volume spécifique (m³/kg) et les lignes horizontales sont la température (°C). 2) Les turbines à vapeur Le principe des turbines à vapeur est d’utiliser l’énergie contenue dans la vapeur d’eau pour la convertir en énergie électrique. Cette installation consiste en un rotor muni de lames qui tourne grâce à l’énergie que lui apporte le mouvement de la vapeur envoyée à son contact. La configuration de ces lames est très importante car ce sont elles qui capturent l’énergie de la vapeur pour faire tourner le rotor. Étant donné que les lames sont fermement installées dans un conteneur isolé, la vapeur est forcée de passer à leur contacte à grande vitesse, cherchant à perdre le maximum d’énergie possible ce qui entraîne sa détente et son refroidissement.  Les turbines à action ont leurs lames taillées en seau. La vapeur provient de tuyères taillées spécifiquement afin que la dépressurisation ait lieu dans les tuyères et non sur les lames. Cette configuration est particulièrement efficace pour les vapeurs à haute pression.  Les turbines à réaction comportent une rangée de lames immobiles attachées à l’intérieur du compartiment, qui ont pour fonction de diminuer graduellement la pression et température. Le volume diminue également ce qui fait que le diamètre de la turbine doit être croissant.  Les turbines à soutirage sont des turbines desquelles sont extraites les vapeurs afin de réchauffer l’alimentation dans le but d’améliorer le cycle de fonctionnement. Ce type
  • 6. 5 de fonctionnement est commun pour les turbines à grande puissance et dans les usines de cogénération.  Dans une turbine à condensation la vapeur est détendue jusqu’à une pression très faible, puis est liquéfiée dans un condenseur. Ces turbines sont principalement utilisées dans les installations de production de force motrice. Dans le cas de ce projet, la turbine à vapeur est l’appareil qui sert à convertir la chaleur en sortie de la chaudière en énergie électrique. 3) Les dégazeurs thermiques Les dégazeurs thermiques sont des installations dont le but est d’éliminer les gaz présents dans les circuits des chaudières afin d’éviter la corrosion. Son principe de fonctionnement repose sur le fait que la solubilité du gaz dans l’eau devient plus faible quand elle approche de son point d’ébullition. Il existe deux types de dégazeurs :  Les dégazeurs à plateaux sont constitués d’un tube horizontal et d’un dôme vertical. L’eau d’alimentation passe d’abord par ce dôme, où elle est fractionnée en gouttelettes puis réchauffée et ventilée par de la vapeur à contre-courant. Des plateaux perforés sont disposés afin d’augmenter la surface d’échange entre les deux fluides. L’augmentation de la température permet à l’eau de se débarrasser de la majeure partie des gaz qu’elle contient. L’eau chute et se condense au fond du tube horizontal. Ce compartiment contient un tube qui expulse de la vapeur par des perforations, entraînant à son tour les molécules de gaz contenues dans l’eau ce qui achève de la purifier. L’eau dégazée sort en bas de l’installation, tandis que la vapeur et les gaz sortent en haut.  Dans les dégazeurs à pulvérisation il n’y a que le tube horizontal, séparé en deux parties. L’eau d’alimentation arrive d’abord dans la première section, celle de préchauffage, où elle atteint sa température d’ébullition, puis coule ensuite jusqu’à la section de dé-gazéification dans laquelle la vapeur est injectée par un tube perforé en bas de l’installation. L’intérêt de séparer le procédé en deux sections est de faciliter la purification grâce au préchauffage. 4) Les chaudières Le principe d’une chaudière est de produire de la chaleur en brûlant un combustible (fioul, gaz, bois, granulés…) et de la transmettre à un fluide caloporteur. Il existe un grand nombre de chaudières, adaptées aux besoins des particuliers ou des industriels. Les deux grandes familles qui nous intéressent pour ce projet sont les chaudières à tubes de fumées et à tubes d’eaux.
  • 7. 6  Dans une chaudière à tubes de fumée, le fluide caloporteur est chauffé dans une calandre traversée par un faisceau de tubes contenant les fumées résultant de la combustion de fioul ou de gaz. Il vaut mieux éviter l’utilisation de combustibles solides pour ces installations étant donné que leur configuration rend difficile l’extraction des cendres. Ces chaudières sont utilisées dans des procédés où la pression ne dépasse pas 30 bars comme dans les blanchisseries ou dans l’industrie agro- alimentaire. Elles peuvent atteindre 95 % de rendement en utilisant un économiseur ou un système de récupération de chaleur.  Dans les chaudières à tubes d’eau, le foyer produit des gaz chauds mis en contact avec des tubes verticaux transportant l’eau. Cette eau circule par thermosiphon : L’augmentation de sa température diminue sa masse volumique ce qui la fait se déplacer vers le haut de l’installation. Tandis que l’eau à plus haute température sort de l’installation, les plus froides redescendent préchauffer l’alimentation. Ce type de chaudière peut supporter de plus grandes contraintes de pression, produit un plus faible débit de vapeur et peut donc être manié plus facilement. En fonction du type de chaudière le rendement est situé entre 60 et 85 %. Figure : Schéma d’une chaudière à tubes d’eau
  • 8. 7 5) Les éjecteurs à vapeur Les éjecteurs sont des appareils qui utilisent l’énergie apportée par la détente d’un fluide à haute pression afin de compresser un fluide à plus basse pression. Figure : Schéma d’un éjecteur Le fluide à haute pression (appelé aussi fluide moteur ou primaire) est accéléré par effet venturi dans le convergent-divergent (a), créant une baisse de pression dans la zone de mélange (b), ce qui a pour effet d’aspirer le fluide à basse pression (appelé fluide secondaire ou entraîné). Les deux fluides se mélangent, provoquant une perte de vitesse qui est convertie en augmentation de pression dans le diffuseur (c). Ce procédé permet de réaliser la compression d’un fluide sans compression mécanique. Il permet de produire du vide. 6) Qualité des eaux de chaudière L’eau absorbe plus de chaleur pour une augmentation de température donnée que les autres substances non-organiques courantes. Elle s’évapore pour former de la vapeur à pression atmosphérique et sa vapeur est capable de transporter une grande quantité de chaleur. C’est pour cette raison que l’eau est idéale pour les procédés de chauffe et de génération de puissance. Une qualité d’eau correcte est importante pour la fiabilité d’opération, la préservation de la durée de vie et la préservation des conditions de travail optimales de la chaudière et globalement de toute l’installation. La qualité de l’eau influe également sur la qualité de la vapeur produite. Les caractéristiques importantes à surveiller sont :
  • 9. 8  Le pH et la teneur en gaz dissous (oxygène et dioxyde de carbone) pour limiter la corrosion  Les sels dissous pour limiter les dépôts  La silice pour limiter les entraînements ou les dépôts Normalement, on prétraite les eaux d’alimentation de chaudière. Pour garder et préserver le bon fonctionnement de la chaudière, il nous faut aussi purger l’air et l’eau. La chaudière produit de la chaleur diffusée dans l’installation par des tuyaux remplis de vapeur ou d’eau. Tout au long du fonctionnement de la chaudière et du procédé, le circuit introduit peu à peu de l’air dans les canalisations et diminue l’efficacité de la chaudière parce que l’air prend la place de l’eau. La purge d’eau permet d’éviter une concentration excessive en sels. II] Bilans matière et thermique Ces calculs sont réalisés dans le cadre d’une installation tournant en régime permanent. Dans ce cas-là, Qm4 est égal à 33 t/h et Qm13 à 28 t/h. On néglige l’éjecteur à gaz. L’objectif est de calculer les débits massiques des courants inconnus à l’aide du diagramme de Mollier donné plus haut, dans le but de comprendre la manière dont le logiciel fonctionne. 1) Bilan massique global Soient : Qm13, le débit massique des condensats en provenance de la sucrerie Qm12, le débit de l’appoint d’eau traitée Qm4, le débit massique de vapeur MP vers la sucrerie QmP, le débit massique de la purge en tête de dégazeur dont le taux est de 1% 𝑄 𝑚 13 + 𝑄 𝑚 12 = 𝑄 𝑚 4 + 𝑄 𝑚 𝑃 𝑄 𝑚 𝑃 = 48 × 0,01 0,99 = 0,485 𝑡 / ℎ 𝑄 𝑚 12 = 𝑄 𝑚 4 + 𝑄 𝑚 𝑃 − 𝑄 𝑚 13 = 33 + 0,485 − 28 = 5,485 𝑡 / ℎ 2) Détermination des conditions et propriétés des flux sortant de la turbine Les conditions de température et de pression (et donc les caractéristiques enthalpiques et isentropiques correspondantes) de beaucoup de points du circuit sont connus.
  • 10. 9 À partir de ceux-ci, il est possible de calculer les bilans enthalpiques sur le procédé. C’est ici que le diagramme de Mollier rentre en jeu. La détente de la vapeur dans une turbine est théoriquement une détente isentropique, cependant dans la réalité il faut tenir compte d’un rendement inférieur à 1. Ici le rendement indiqué est de 71%, soit 0,71. On place le point 1 correspondant aux conditions d’entrée de la turbine en prenant T1=450°C et P1 = 60 bars, ce qui nous permet d’obtenir l’enthalpie du point 1 H1. Voir Annexe 2 H1 = 3300 KJ/kg Détente isentropique jusqu’à P2=3 bars correspondant à la pression de sortie du premier étage de la turbine et on place le point 2’, ce qui nous permet de lire son enthalpie hs2. Voir Annexe 3 hs2 = 2610 kJ/kg On détermine l’énergie massique réelle cédée W1 en tenant compte du rendement. 𝑊 1 = 0,71 × ( 𝐻 1 − ℎ 𝑠 2 ) = 0,71 × ( 3300 − 2610 ) = 490 kJ/kg 𝐻 2 = 𝐻 1 − 𝑊 1 = 3300 − 490 = 2810 kJ/kg L’enthalpie H2 correspond à celle des courants 4 et 5 du schéma de procédé. On place le point 2 avec H2 et P2 sur le diagramme la température correspondante est 173°C. Voir Annexe 4 On effectue une détente isentropique depuis le point 2 jusqu’à P3=0,2 bar correspondant à la pression de sortie de la turbine. On place le point 3’, ce qui donne l’enthalpie hs3. Voir Annexe 5 hs3 = 2350 kJ/kg 𝑊 2 = 0,71 × ( 𝐻 2 − ℎ 𝑠 3 ) = 0,71 × ( 2810 − 2350 ) = 330 kJ/kg 𝐻 3 = 𝐻 2 − 𝑊 2 = 2810 − 330 = 2480 kJ / kg L’enthalpie H3 correspond à celle du courant 2 du schéma de procédé. Avec H3 et P3 on place le point 3 et la température correspondante est de 60°C. Voir Annexe 6.
  • 11. 10 3) Bilan enthalpique sur le dégazeur A partir des pressions et températures des courants que l’on connaît, on en déduit les enthalpies massiques, grâce aux tables et aux données calculées précédemment et on rassemble toutes les données des courants sur un tableau pour faire un bilan massique et enthalpique sur le dégazeur. L’enthalpie Q est calculée grâce à la formule suivante : 𝑄 = 𝑄𝑚 × ℎ Où Q est un débit de chaleur en KJ/h, Qm un débit massique en kg/h et h une enthalpie en kJ/kg. Le bilan massique sur le dégazeur est le suivant : 𝑄 𝑚 16 + 𝑄 𝑚 5 + 𝑄 𝑚 12 + 𝑄 𝑚 13 = 𝑄 𝑚 𝑃 + 𝑄 𝑚 7 (1) Son bilan thermique est le suivant : 𝑄 𝑚 16 × ℎ 16 + 𝑄 𝑚 5 × ℎ 5 + 𝑄 12 + 𝑄 13 = 𝑄 𝑃 + 𝑄 7 (2) Les seules inconnues de ces deux équations sont Qm16 et Qm5. Deux équations, deux inconnues, le système peut donc être résolu. 𝑄 𝑚 16 = 𝑄 𝑚 𝑃 + 𝑄 𝑚 7 − 𝑄 𝑚 5 − 𝑄 𝑚 12 − 𝑄 𝑚 13 ( 1 ) 𝑄 𝑚 𝑃 × ℎ 16 + 𝑄 𝑚 7 × ℎ 16 − 𝑄 𝑚 5 × ℎ 16 − 𝑄 𝑚 12 × ℎ 16 − 𝑄 𝑚 13 × ℎ 16 + 𝑄 𝑚 5 × ℎ 5 + 𝑄 12 + 𝑄 13 = 𝑄 𝑃 + 𝑄 7 ( 2 ) 𝑄 𝑚 5 = 𝑄 𝑃 + 𝑄 7 − 𝑄 𝑚 𝑃 × ℎ 16 − ℎ 16 × 𝑄 𝑚 7 + 𝑄 𝑚 12 × ℎ 16 + 𝑄 𝑚 13 × ℎ 16 − 𝑄 12 − 𝑄 13 ℎ5 − ℎ12 ( 2 ) Toutes les données étant disponibles, il ne reste plus qu’à faire l’application numérique :
  • 12. 11 𝑄 𝑚 5 = 1,31×106+2,42×107−485×251−251×48000+5484×251+28000×251−2,77×106−1,17×107 2810−251 (2) 𝑄𝑚5 = 2842 𝑘𝑔/ℎ Ce qui permet de déduire Qm16 : 𝑄 𝑚 16 + 𝑄 𝑚 5 + 𝑄 𝑚 12 + 𝑄 𝑚 13 = 𝑄 𝑚 𝑃 + 𝑄 𝑚 7 (1) 𝑄𝑚16 = 𝑄𝑚𝑃 + 𝑄𝑚7 − 𝑄𝑚5 − 𝑄𝑚12 − 𝑄𝑚13 𝑄𝑚16 = 485 + 48000 − 2842 − 5484 − 28000 𝑄𝑚16 = 12159 𝑘𝑔/ℎ Une fois le tableau rempli, voilà le résultat obtenu : Et voici le tableau ne regroupant que les débits massiques des courants : III] Mise en place de la simulation 1) Présentation des trois différents cas Cette partie concerne la simulation du cycle de la vapeur dans l’unité de cogénération à l’aide de ProSim. Pour cela, trois simulations seront réalisées :  Cas 1 : La première correspondant à l’état du procédé au démarrage et en fin de campagne, la sucrerie consommant 25 t/h de vapeur, renvoyant 21 t/h dans le système et le débit de vapeur en entrée et en sortie de la chaudière étant de 48 t/h ;
  • 13. 12  Cas 2 : La deuxième correspondant à l’état du procédé en régime établi, celui qui a été utilisé pour les calculs théoriques, la sucrerie consommant 33 t/h, en renvoyant 28 t/h et le débit de vapeur en entrée et en sortie de la chaudière étant de 48 t/h ;  Cas 3 : La troisième correspondant à l’installation lorsque la sucrerie est à l’arrêt, c’est à dire qu’il n’y a plus de sortie ni d’entrée de vapeurs sauf au niveau de la purge, des éjecteurs et de l’appoint d’eau. Le débit d’alimentation de la chaudière est cette fois-ci de 35,6 t/h. 2) Schéma et mise en œuvre des simulations Pour les deux premiers cas, la simulation est réalisée avec le modèle ci-dessous : Les différentes parties importantes du procédé ont été encadré en bleu :  La chaudière est représentée un simple consignateur de température car les échanges avec les autres fluides du système global ne sont pas représentés. La pompe a pour utilité de faire monter la pression de la vapeur, étant donné qu’il n’est pas possible d’utiliser un compresseur puisque ce type d’appareil fait également monter la pression. Les conditions d’utilisation de l’installation sont de 60 bars et 450°C.
  • 14. 13  La turbine doit être séparée en deux afin de simuler le soutirage de vapeur en milieu de procédé. À noter que la pression de soutirage est définie à 3,2 au lieu de 2,9 bars afin de prendre en compte les pertes de charge ayant lieu dans la canalisation entre la turbine et la sucrerie, et que celle en sortie est de 0,2 bar. Le rendement de la turbine est de 71 %.  L’aérocondenseur est simulé de la même manière que la chaudière, puisque que tout comme elle, il provoque un changement de température et de pression (60°C et 0,2 bar). Une pompe est utilisée à la place d’un compresseur pour les mêmes raisons.  La bâche dégazante (ou dégazeur) est simulée par un séparateur diphasique liquide- vapeur ayant comme consigne de faire un Flash à 2 bars et un taux de vaporisation de 1 %. La partie vapeur est évacuée par la purge, la partie liquide redirigée dans la chaudière.  L’entrée d’air (de 15 kg/h) dans le système provoquée par les éjecteurs est mélangée avec un prélèvement de 45 kg/h de vapeur au niveau du soutirage de la turbine. Ce mélange est redirigé vers un condenseur simulé par un séparateur diphasique liquide- vapeur qui élimine une grande partie de cet air sous forme d’air saturé en eau. Le reste de l’eau et les quelques traces d’air restantes sont envoyées dans la bâche dégazante. Ce module est représenté dans le bloc tout à droite du Flowsheet.
  • 15. 14 La dernière simulation, elle, utilise le modèle suivant : Si entre le cas 1 et le cas 2 il n’y a pratiquement aucun changement à effectuer (il suffit de modifier les débits en entrée et en sortie de la chaudière), le cas 3 demande de plus grandes modifications.  La sucrerie étant à l’arrêt, l’entrée et la sortie qui y sont associées sont supprimées.  Le débit en entrée et en sortie de la chaudière est fixé à 35,6 t/h au lieu de 48 t/h.  Le débit de vapeur en entrée de la turbine devient trop faible pour qu’elle puisse fonctionner de façon optimale. En conséquence, il n’y a plus de soutirage dans celle- ci, et toute la vapeur qui y rentre est envoyée vers l’aérocondenseur. Le soutirage se fait donc au niveau du courant 1, et c’est ce débit de soutirage qui est calculé par le biais de bilans thermiques par le logiciel.
  • 16. 15 L’objectif de ces simulations est de calculer les débits massiques des courants d’eau d’appoint et du soutirage grâce à des modules SPEC.  Pour le premier, il est nécessaire de faire un bilan matière, réalisé en imposant le débit massique au courant 1 à 48000 kg /h avec l’outil mesure puis en l’utilisant pour faire varier le débit d’eau d’appoint. De cette manière le module SPEC va faire varier le débit du courant d’eau d’appoint jusqu’à ce que le débit du courant 1 soit égal à celui imposé.  Pour le deuxième, ProSim va procéder d’une manière un peu similaire. La quantité de chaleur échangée est envoyée vers un second module SPEC, qui va utiliser cette information pour faire varier les débits massiques au niveau du soutirage de la turbine. Il s’agit ainsi d’un bilan thermique. Les débits des courants 3 et Turbine 2 étant calculés, les autres sont obtenus facilement par le logiciel.
  • 17. 16 3) Résultats des simulations Les résultats des trois simulations pour chaque courant sont répertoriés dans les tableaux ci- dessous. Le nom des courants correspond aux noms qui leurs sont donnés sur les Flowsheets. Tableau des résultats de la simulation au démarrage et en fin de campagne du procédé (cas 1) Tableau des résultats de la simulation du procédé en régime permanent (cas 2) Tableau des résultats de la simulation du procédé à l’arrêt de la sucrerie (cas 3)
  • 18. 17 IV] Discussion sur les résultats des simulations Tableau comparant les débits une fois le système en régime permanent obtenus par calcul manuel et par le logiciel ProSim Les écarts par rapport aux données calculées sont globalement très faibles. Le plus grand écart se situe au niveau du calcul du débit de vapeur du courant 5, qui est de 13 %. L’importance de cet écart s’explique par le fait que le débit est petit comparativement aux autres. Tableau indiquant les débits d’air dans l’installation pour chaque cas Pour rappel, l’air rentre dans le système par le biais du courant Air. La plus grande partie de cet air est évacuée par la sortie d’air saturé en eau du condenseur. Il reste une certaine quantité d’air, de l’ordre de 40 mg /h, qui est amené au dégazeur par le courant 15. La plus grande partie de cette quantité d’air y est évacuée par la purge P, ce qui fait que les débits d’air dans le reste de l’installation sont de l’ordre de 10-2 mg/h. Le constat qui peut être fait est donc que le condenseur et le dégazeur fonctionnent correctement.
  • 19. 18 Tableau indiquant les débits d’eau dans l’installation pour chaque cas Plusieurs constats peuvent être faits à partir de ce tableau :  Le débit d’eau dans la purge (courant P) est plus faible dans le cas 3, ce qui est normal étant donné que moins de liquide circule dans l’installation ;  L’appoint d’eau (courant 12) est très faible dans le cas 3 étant donné que le procédé fonctionne quasiment en système fermé et qu’il n’y a donc presque pas de pertes à compenser ;  Le soutirat (courant 3) est plus petit dans le cas 3 car dans les cas 1 et 2 il se sépare en deux pour se diriger à la fois vers le dégazeur (courant 5) et pour retourner vers la sucrerie (courant 4). Or, dans le cas 3 il n’y a pas de retour vers la sucrerie, donc pas de courant 4, d’où le chiffre bien plus faible.  Le débit sortant de la turbine (courant 2) est très grand dans le cas 3 parce que le soutirat (courant 3) y est bien plus petit que dans les deux autres cas : Pratiquement tout ce qui rentre dans la turbine ressort donc vers l’aérocondenseur. Parallèlement, l’écart entre le cas 1 et le cas 2 concernant le courant 2 s’explique par le fait que le débit d’eau circulant dans la chaudière (courant 1) est le même pour les deux cas, mais que le soutirat est plus grand dans le cas 2, plus de vapeur d’eau étant retirée du système pour être amenée vers la sucrerie par le biais du courant 4.
  • 20. 19 Conclusion En conclusion, ce projet aura été très intéressant pour deux raisons principales Il nous aura permis de nous aider à comprendre la manière dont le logiciel ProSim calcule les bilans thermiques lors d’une simulation en plus de nous rappeler le fonctionnement des bilans enthalpiques par le biais d’un diagramme de Mollier. De plus, ce projet nous aura permis de mettre en place une simulation relativement compliquée sur ProSim, et donc d’explorer des domaines du logiciel que nous n’avions jusque-là pas vu en cours. Deux ouvertures sont possibles pour ce projet :  Nous ne connaissons pas le débit d’air rentrant dans le système en même temps que l’eau d’appoint et le courant d’eau de retour de la sucrerie ; peut-être qu’il serait possible de faire une autre simulation cette fois-ci en intégrant des débits d’air dans les deux courants mentionnés ci-dessous.  Le schéma de l’installation à notre disposition n’est pas facile à lire ; le redessiner pour que le rôle de chacun des éléments composant le système soit plus clair pourrait être une bonne idée. Ce serait aussi l’occasion de corriger l’erreur présente dans le document original, dans lequel les deux sorties de la turbine sont inversées.
  • 21. 20 Abstract The main objective of this project is to simulate and study the process of co-generation using ProSim application. The principle of this process is to produces simultaneously and by the same installation, the energy mechanic and energy thermal from only one source of energy. The energy mechanic will be transformed by alternator to energy electric and the energy thermal is used for the heating and the production of hot water/vapor with a heat exchanger. First of all, we research on all the possible important equipment necessary for this process such as vapor turbine, ejectors, boilers etc. Next, we research on the physical-chemical properties of the fluid (water and water vapor) that will be flowing and transporting the heat energy inside the equipment so that we can simulate the process correctly. After that, we establish the material and energy balance of the system in order to understand the functioning of ProSim. At the end, we explain the settings that we used to simulate the system and the way we simulate each equipment in the program. Then we simulate the process in 3 different cases; at the starting and the stopping of the system, when the system functions in stable regiment and when the sugar factory’s on stop. We then verify and comment on the material and energy balance of the sheet.
  • 22. 21 Annexe 1 : Diagramme de Mollier
  • 23. 22 Annexe 2 : Placement du Point 1
  • 24. 23 Annexe 3 : Placement du Point 2’
  • 25. 24 Annexe 4 : Placement du Point 2
  • 26. 25 Annexe 5 : Placement du Point 3’
  • 27. 26 Annexe 6 : Placement du Point 3