Table des matires1.Prsentation de la centrale22.Dtermination des courants fluidiques52.1.Prsentation des courants52.2.Dtermination des capacits thermiques unitaires53.Trac de la courbe composite froide104.Trac de la courbe composite chaude125.Dtermination du MER135.1.Algorithme de rsolution135.2.Grande Courbe Composite195.3.Trac des Courbes Composites Chaude et Froide196.Conception du rseau dchangeurs226.1.Analyse des combinaisons possibles au-dessus de la zone de pincement (zone endothermique)236.2.Analyse des combinaisons possibles au-dessous de la zone de pincement (zone exothermique)24

1. Prsentation de la centraleLa centrale thermique qui fait lobjet de notre tude, est une centrale thermique rgnration de vapeur. Elle est compose dun gnrateur de vapeur, dune turbine deux tages, dun condenseur, de deux pompes de circulation, dun changeur ferm et dun changeur ouvert. La vapeur entre dans la premire turbine sous une pression de 8.0 MPa 480C et se dtend jusqu 0.7 MPa. Elle est ensuite rchauffe 440C avant dtre admise dans la seconde turbine, o elle se dtend jusqu la pression de condensation de 0.008 MPa. La vapeur soutire de la premire turbine 2 MPa est dirige vers lchangeur ferm. Leau quitte lchangeur ferm 205C sous une pression de 8.0 MPa, et le condensat sort sous forme de liquide satur 2 MPa. Le condensat est retenu dans lchangeur ouvert. La vapeur soutire de la deuxime turbine 0.3 MPa alimente aussi lchangeur ouvert, qui fonctionne sous une pression de 0.3 MPa. La vapeur sortant de lchangeur ouvert est du liquide satur 0.3 MPa.La puissance nette la sortie de la centrale est de 100 MW.Le tableau 1 ci-aprs renseigne sur certains paramtres de la vapeur en certains points de la centrale. Les enthalpies sont dtermines dans un travail prcdent ce projet. Les tempratures inconnues sont dtermines partir de la calculatrice du logiciel Coolpack en considrant le rfrigrant R718 qui correspond la vapeur deau.Tableau 1: quelques paramtres diffrents points de la centralePointsTempraturePressionEnthalpie

1480C8.0 MPa3348,4 kJ/kg

2274,75C2.0 MPa2963,5 kJ/kg

3156,24C0,7 MPa2741,8 kJ/kg

4440C0,7 MPa3353,3 kJ/kg

5315,96C0,3 MPa3101,5 kJ/kg

641,27C0,008 MPa2428,5 kJ/kg

741,27C0,008 MPa173,88 kJ/kg

841,71C0.3 MPa174,17 kJ/kg

9133,55C0.3 MPa561,47 kJ/kg

10134,47C8.0 MPa569,73 kJ/kg

11205C8.0 MPa882,4 kJ/kg

12212,42C2.0 MPa908,79 kJ/kg

13133,55C0.3 MPa908,79 kJ/kg

Dtermination des dbits massiquesLe dbit massique de vapeur entrant dans la premire turbine est .

La quantit de chaleur fournie au gnrateur de vapeur est telle que

Nous pouvons crire en matire de bilan de masse au niveau de la premire turbine que:

2. Dtermination des courants fluidiques2.1. Prsentation des courants Courant N1 (1---2): courant chaud de dbit massique = 11,84 kg/s; Courant N2 (3---3): courant chaud de dbit massique = 65,94 kg/s; Courant N3 (3---4): courant froid de dbit massique = 65,94 kg/s; Courant N4 (4---5): courant chaud de dbit massique = 7,32 kg/s; Courant N5 (4---6): courant chaud de dbit thermique = 58,62 kg/s Courant N6 (6---7): courant chaud de dbit massique = 58,62 kg/s; Courant N7 (7---8) : courant froid de dbit massique = 58,62 kg/s; Courant N8 (8---9) : courant froid de dbit massique = 77,78 kg/s; Courant N9 (5---9): courant chaud de dbit massique = 77,78 kg/s; Courant N10 (13-9): courant froid de dbit massique = 77,78 kg/s; Courant N11 (9-10): courant froid de dbit massique = 77,78 kg/s; Courant 12 (10-11): courant froid de dbit massique = 77,78 kg/s; Courant 13 (11--1): courant froid de dbit massique = 77,78 kg/s; Courant 14 (2--12): courant chaud de dbit massique = 11,84 kg/s;

2.2. Dtermination des capacits thermiques unitaires Courant N1 = ( = 11,84(2963,5 3348,4) = - 4,557 MW = == 0,022 MW/K Courant N2 = ( = 65,94(2741,8 3348,4) = - 40,026 MW = == 0,123 MW/K Courant N3 = ( = 65,94 (3353,3 - 2741,8) = 40,32 MW = == 0,142 MW/K Courant N4 = ( = 7,32(3101,5 - 3353,3) = - 1,843 MW = == 0,0148 MW/K Courant N5 = ( = 58,62(2428,5 3353,3) = - 54,21 MW = == 0,136 MW/K Courant N6 = ( = 58,62 (173,88 - 2428,5) = - 132,165 MW = == - 132,16 MW/K Courant N7 = ( = 58,62(174,17 173,88) = 0,017 MW = == 0,0386 MW/K Courant N8 = ( = 77,78(561,47 174,17) = 30,124 MW = == 0,328 MW/K courant N9 = ( = 77,78(561,47 3101,5) = -197,563 MW = == 1,083 MW/K Courant N10 = ( = 77,78(908,79 561,47) = 27,014 MW = == 27,014 MW/K Courant N11 = ( = 77,78(- 561,47 + 569,73) = 0,642 MW = == 0, 698 MW/K Courant N12 = ( = 77,78(-569,73 + 882,4) = 24,32 MW = == 0,345 MW/K Courant N13 = ( = 77,78(3348,4 - 882,4) = 191,805 MW = == 0, 697 MW/K Courant N14 = ( = 11,84(908,79 2963,5) = -24,32 MW = == 0, 39 MW/KTableau 2: RECAPITULATIF DU CAHIER DES CHARGESCheminsN du courantTypeCapacit thermique unitaire (MW/K)Ti (en C)Ti+1 Enthalpie (MW)

1-21Courant chaud0,022480274,75-4,557

1-32Courant chaud0,123480156,24-40,026

3-43Courant froid0,142156,2444040,32

4-54Courant chaud0,0148440315,96-1,843

4-65Courant chaud0,13644041,27-54,21

6-76Courant chaud-131,1642,2741,27-131,165

7-87Courant froid0,038641,2741,710,017

8-98Courant froid0,32841,71133,55130,24

5-99Courant chaud1,083315,96133,55-197,563

13-910Courant chaud27,011134,55133,5527,011

9-1011Courant froid0,698133,55134,470,642

10-1112Courant froid0,345134,4720524,32

11-113Courant froid0,697205480191,805

2-1214Courant chaud0,39274,75212,42-24,32

3. Trac de la courbe composite froide

Tableau 3: rcapitulatif sur les courants froidsCheminNTypeC (MW/K)TiTi+1 (MW)

3-43Froid0,142156,2444040,32

7-87Froid0,038641,2741,710,017

8-98Froid0,32841,71133,55130,24

9-1011Froid0,698133,55134,470,642

10-1112Froid0,345134,4720524,32

11-113Froid0,697205480191,805

Lorigine de la courbe correspond la temprature infrieure la plus basse des fluides chauds et une enthalpie nulle. Intervalle par intervalle, en partant des plus faibles tempratures, et en cumulant les valeurs de Hf, on obtient les abscisses de la courbe composite froide.

Figure 1: Courant composite froideLa transformation de ce diagramme en courbe est obtenue en plaant en abscisse les enthalpies et en ordonne les tempratures. Ceci nous donne la figure suivante:

Figure 2: Courbe Composite froide

4. Trac de la courbe composite chaudeTableau 4: rcapitulatif sur les courants chaudsCheminNTypeC (MW/K)TiTi+1 (MW)

1-21Chaud 0,022480274,75-4,557

1-32Chaud0,123480156,24-40,026

4-54Chaud0,0148440315,96-1,843

4-65Chaud0,13644041,27-54,21

6-76Chaud131,1642,2741,27-131,165

5-99Chaud1,083315,96133,55-197,563

13-910Chaud27,011134,55133,55-27,011

2-1214Chaud0,39274,75212,42-24,32

En procdant de la mme manire que pour la courbe composite froide on obtient le diagramme suivant:

Figure 3: Courant composite chaudLa courbe ci-aprs est obtenue en plaant en abscisse les enthalpies et en ordonne les tempratures.

Figure 4: Courbe Composite chaude5. Dtermination du MER5.1. Algorithme de rsolutionPour la dtermination de lEnergie Minimum Requise (MER) lalgorithme de minimisation suivant est utilis:

O k appartient [1, N] o N est le nombre dintervalles de temprature.Les Rk sont les seules variables pour ce bilan nergtique. Pour tous les intervalles les Rk 0. Nous avons galement := = ;: Nombre de flux chauds appartenant lintervalle i ; : Nombre de flux froids appartenant lintervalle i.Le tableau ci-dessous fait le rcapitulatif des donnes.TABLEAU 5: RECAPITULATIF DES DONNEES POUR CHAQUE COMPOSANTECheminsN du courantTypeCapacit thermique unitaire (en MW/K)T initiale (en C)T finale (en C)Enthalpie (en MW)

1-21Courant chaud0,022480274,75-4,557

1-32Courant chaud0,123480156,24-40,026

3-43Courant froid0,142156,2444040,32

4-54Courant chaud0,0148440315,96-1,843

4-65Courant chaud0,13644041,27-54,21

6-76Courant chaud-132,1642,2741,27-132,165

7-87Courant froid0,038641,2741,710,017

8-98Courant froid0,32841,71133,55130,24

5-99Courant chaud1,083315,96133,55-197,563

13-910Courant chaud27,011134,55133,55-27,011

9-1011Courant froid0,698133,55134,470,642

10-1112Courant froid0,345134,4720524,32

11-113Courant froid0,697205480191,805

2-1214Courant chaud0,39274,75212,42-24,32

La premire tape pour calculer le MER est de crer la liste des tempratures corriges. Les courants chauds seront rduits de Tmin/2 = 10C et les courants froids seront augments de Tmin/2 = 10C ce qui donne le tableau ci-aprs.TABLEAU 6: DONNEES AVEC LES TEMPERATURES DECALEESCheminsN du courantTypeCapacit thermique unitaire (en MW/K)T initiale (en C)T finale (en C)Enthalpie (en MW)

1-21Courant chaud0,022470264,75-4,557

1-32Courant chaud0,123470146,24-40,026

3-43Courant froid0,142166,2445040,32

4-54Courant chaud0,0148430305,96-1,843

4-65Courant chaud0,13643031,27-54,21

6-76Courant chaud-132,1632,2731,27-132,165

7-87Courant froid0,038651,2751,710,017

8-98Courant froid0,32851,71143,55130,24

5-99Courant chaud1,083305,96123,55-197,563

13-910Courant chaud27,011124,55123,5527,011

9-1011Courant froid0,698143,55144,470,642

10-1112Courant froid0,345144,4721524,32

11-113Courant froid0,697215490191,805

2-1214Courant chaud0,39264,75202,42-24,32

Le tableau suivant donne le rcapitulatif du bilan denthalpie sur les nouveaux intervalles.

TABLEAU 7: BILAN DENTHALPIE SUR LES NOUVEAUX INTERVALLESIntervalles TiTi+1FluidesTi-Ti+1Surplus ou dficit

149047013200,69713,94Surplus

24704501-2-13200.55211,04Surplus

34504301-2-3-13200,69413,88Surplus

4430305,961-2-3-4-5-13124,040.543267,378Surplus

5305,96264,751-2-3-5-9-1341,21-0,525-21,635Dficit

6264,752152-3-5-9-13-1449,75-0,893-44,426Dficit

7215202,422-3-5-9-12-1412,58-1,245-15,66Dficit

8202,42166,242-3-5-9-1236,18-0,855-30,93Dficit

9166,24146,242-5-9-1220-0,997-19,94Dficit

10146,24144,745-9-121,5-0,874-1,311Dficit

11144,74143,555-9-111,19-0,521-0,619Dficit

12143,55124,555-8-919-0,891-16,929Dficit

13124,55123,555-8-9-101-27,902-27,902Dficit

14123,5551,715-871,840,19213,79Surplus

1551,7151,275-70,44-0,0974-0,043Dficit

1651,2732,27519-0,136-2,584Dficit

1732,2731,275-61-132,29-132,29Dficit

La seconde tape est de calculer la cascade thermique pour chaque intervalle de temprature. Cette tape est rsume dans le tableau ci-aprs:

TABLEAU 8: CASCADE THERMIQUEIntervallesTiTi+1Cumul

149047013,94-13,94

247045011,04-24,98

345043013,88-38,86

4430305,9667,378-106,238

5305,96264,75-21,635-84,603

6264,75215-44,426-40,177

7215202,42-15,66-24,517

8202,42166,24-30,936,413

9166,24146,24-19,9426,353

10146,24144,74-1,31127,664

11144,74143,55-0,61928,283

12143,55124,55-16,92945,212

13124,55123,55-27,90273,114

14123,5551,7113,7959,324

1551,7151,27-0,04359,367

1651,2732,27-2,58461,951

1732,2731,27-132,296194,247

La cascade thermique montre que le dficit maximal est gal 106,238 MW et quil a lieu entre les intervalles 4 et 5 au niveau de 305,96C. Cela correspond 305,96 + (20/2) = 315,96C pour les courants chauds et 305,96 (20/2) = 295,96 pour les courants froids. En fournissant les 106,238 MW haute temprature, on obtient le tableau suivant:TABLEAU 9: CASCADE THERMIQUE APRES APPORT DU DEFICIT MAXIMALIntervallesTiTi+1Cumul

106,238

149047013,9492,298

247045011,0481,258

345043013,8867,378

4430305,9667,3780

5305,96264,75-21,63521,635

6264,75215-44,42666,061

7215202,42-15,6681,721

8202,42166,24-30,93112,651

9166,24146,24-19,94132,591

10146,24144,74-1,311133,902

11144,74143,55-0,619134,521

12143,55124,55-16,929151,45

13124,55123,55-27,902179,352

14123,5551,7113,79165,562

1551,7151,27-0,043165,605

1651,2732,27-2,584168,189

1732,2731,27-132,296300,485

Les zones endothermiques et exothermiques se dgagent clairement, stendent respectivement sur les intervalles 1 4 et de 4 17. Le besoin en refroidissement externe (utilit froide) est de 300,485 MW. Energie minimale requise pour le refroidissement: 300,485 MW; Energie minimale requise pour le chauffage: 106,238 MW Puissance optimale de la chaudire: 5.2. Grande Courbe CompositeEn traant sur un graphique la courbe dont les abscisses sont constitues de la dernire colonne du tableau prcdent et les ordonnes, les tempratures (Ti+1) de la colonne (avec comme point supplmentaire celui qui a pour coordonnes (, on obtient la Grande Courbe Composite en tempratures dcales, qui donne, pour chaque intervalle de temprature, le bilan enthalpique net cumul.

Figure 5: Grande Courbe Composite en tempratures dcales5.3. Trac des Courbes Composites Chaude et FroideIl sagit de tracer les deux courbes composites chaude et froide sur le mme graphe. Les charges thermiques de refroidissement et de chauffage externe tant connues, nous pouvons dplacer la courbe composite froide en fixant la courbe composite chaude. En effet, la courbe composite froide sera dplace de Il sagit de la somme de la charge thermique vacue au condenseur et le gain obtenu la chaudire avec le Au condenseur, ( = 58,62 (2428,5 -173,88)

Le gain la chaudire sera

Le tableau suivant donne les nouvelles coordonnes pour la courbe composite froide.Temprature (MW)

41,27300,485

41,71300,502

133,55330,642

134,47361,422

156,24399,712

205461,752

440720,952

4801008,042

CHAUFFAGE = 106,238 MW NMWREFROIDISSEMENT = 300,485 MW

6. Conception du rseau dchangeursPour concevoir l'architecture globale du rseau d'changeurs en choisissant au mieux les couples de fluides changeant de la chaleur entre eux, l'intgration thermique constitue un guide prcieux.Dans ce volet, nous nous baserons sur les diffrentes rgles et thormes qui rgissent la technique du pincement pour proposer un rseau dchangeur plus efficace pour loptimisation de lnergie thermique.

Figure 7: Diagramme dtude nergtique du systme

6.1. Analyse des combinaisons possibles au-dessus de la zone de pincement (zone endothermique)Dans le premier intervalle de la zone endothermique [305,96C 430C], nous avons les fluides 1, 2, 3, 4, 5 et 13 dont seuls deux fluides (3 et 13) sont froids. Il faut donc imprativement scinder en deux chacun de ces deux fluides froids. Pour le faire, nous allons voir ce qui se passe dans lintervalle suprieur du pincement.Dans lintervalle [430C 450C], les fluides 4 et 5 disparaissent. Il faut donc que la puissance correspondante de 4 soit fournie au fluide 3 et que celle du fluide 5 soit fournie au fluide 13, ce qui donne: et . Lchangeur 1 apparie les fluides 4 et la partie 3-2 du fluide 3; ce qui conduit une temprature de sortie de lchangeur 1 gale .Lchangeur 2 apparie les fluides 5 et la partie 13-2 du fluide 13.On en dduit 0.142 0,0148 = 0,1272 et que 0.697 0,136 = 0,561; ce qui pour puiser par exemple le fluide 1 disposant au total de 4,557 MW, conduit une temprature de sortie de lchangeur 4 gale .Les fluides 1, 2, 4 et 5 tant puiss, seul le fluide 14 contient encore des disponibilits (24,32 MW), qui doivent tre partages entre les deux parties du fluide 13. Il est prfrable de mlanger les deux branches du fluide 13 en sortie des changeurs 2 et 4. La temprature du mlange est donne par:221 + ; T = 292,88CUn seul changeur (changeur 5) permet alors dpuiser le fluide 14. Son bilan est donn par:24,32 = (T 292,88). On trouve une temprature de sortie gale 327,78C pour le fluide 13Pour amener le fluide 13 480C, la quantit de chaleur pour le chauffage vaut MW; ce qui correspond au MER trouve prcdemment.Le schma du rseau est le suivant:

Figure 8: Rseau dchangeurs de la zone endothermique

6.2. Analyse des combinaisons possibles au-dessous de la zone de pincement (zone exothermique)Sur le diagramme dtude nergtique, nous dnombrons au-dessous du pincement, six (06) courants chauds (courants 1, 2, 5, 6, 9, et 10) et six (06) courants froids (courants 3, 7, 8, 11, 12, et 13).Donc le nombre de courants chauds est au moins gal au nombre de courants froids et nous remarquons galement que la somme des dbits thermiques des courants chauds est suprieure celle des courants froids.Nous faisons le choix dapparier par lchangeur 6 les fluides 3 et 9, ce qui correspond une temprature de sortie de lchangeur 6 gale .Pour faire passer le fluide 9 de 297,64C 133,55C, il faut une quantit de chaleur de refroidissement gale : Pour faire passer le fluide 1de 315,96C 274,75C, il faut une quantit de chaleur de refroidissement gale Pour faire passer le fluide 1de 315,96C 274,75C, il faut une quantit de chaleur de refroidissement gale Il faut une quantit de chaleur de refroidissement gale pour faire passer le fluide 5 de 315,96C 41,27C.