Modélisation d'un cycle de production d'électricité bi-étagé à aéro-réfrigérant sec

231 Pages·2017·4.65 MB·French

by  Bo Liu

Modélisation d’un cycle de production d’électricité
bi-étagé à aéro-réfrigérant sec
Bo Liu
To cite this version:
Bo Liu. Modélisation d’un cycle de production d’électricité bi-étagé à aéro-réfrigérant sec. Autre.
Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2014. Français. ￿NNT: 2014ENMP0015￿. ￿pastel-
01069070￿
HAL Id: pastel-01069070
https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-01069070
Submitted on 26 Sep 2014
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
NNNNNNNNNNNNNNNNNN°°°°°°°°°°°°°°°°°°:: 2222222222222222222222222222222200000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009999 EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEENNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

École doctorale n° 432 : Science des Métiers de l’Ingénieur

Doctorat ParisTech

T H È S E

pour obtenir le grade de docteur délivré par

l’École nationale supérieure des mines de Paris

Spécialité “ Energétique et Procédés ”

présentée et soutenue publiquement par

Bo LIU

le 18 avril 2014

Modélisation d’un cycle de production d’électricité bi-étagé

à aéroréfrigérant sec

Directeur de thèse : Christophe COQUELET
Co- encadrement de la thèse : Philippe RIVIERE, Renaud GICQUEL, Franck DAVID (EDF)

Jury

M. Jocelyn BONJOUR, Professeur, CETHIL, Insa-Lyon Président T

M. Christophe COQUELET, Professeur, CTP, Mines-Paristech Examinateur
M. Franck DAVID, Ingénieur de Recherche, MFEE, EDF R&D Examinateur H
M. Renaud GICQUEL, Professeur, PERSEE, Mines-Paristech Examinateur
M. François MARECHAL, Professeur, EPFL, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Examinateur È
M. Christophe MARVILLET, Professeur, IFFI, CNAM Examinateur
M. Philippe RIVIERE, Docteur, CES, Mines-Paristech Examinateur S
M. Nicolas TAUVERON, HDR, Direction de la Recherche Technologique, CEA Rapporteur
M. Pascal TOBALY, HDR, LGP2ES, CNAM Rapporteur E

MINES ParisTech
Centre Efficacité énergétique des Systèmes
60 bd Saint-Michel 75272 PARIS Cedex 06

A mes parents
A ma famille

A ma grand-mère

Remerciement
Je voudrais tout d’abord remercier mon directeur de thèse Professeur Christophe COQUELET,
mes maîtres de thèse Messieurs Philippe RIVIERE, Renaud GICQUEL ainsi que mon
encadrant EDF Monsieur Franck DAVID, pour avoir suivi sans relâche l’avancée de mes
travaux, pour leurs disponibilités et pour tout ce qu’ils m’ont appris. Sans eux, je n’aurais pas
pu aboutir ce travail de longue haleine.
Mes remerciements vont également vers les collègues d’EDF et les professeurs de Mines
Paris Tech qui ont suivi mon travail avec l’intérêt et qui m'ont donné leurs conseils tout au
long de la réalisation de cette thèse : Messieurs Yann LE-MOULLEC, Vincent MAUPU,
Jean-François COMBES, Enrico DERI, Marc BOUCKER, Oystein BREMNES, Etienne
DECOSSIN, Jean-Louis PEUREUX, Alain CAPITAINE, Dominique MARCHIO, Lucien
WALD et Maroun NEMER.
Je remercie Monsieur Jean DE BERNARDY (Honeywell) qui m’a permis de démarrer le
travail sur le fluide R1233zd(E) et Monsieur Richard BRECKENRIDGE (EPRI) qui m’a aidé
lors de la conférence ASME 2013.
J’exprime également toute ma gratitude aux membres de jury à commencer par Messieurs
Nicolas TAUVERON et Pascal TOBALY qui ont accepté d’évaluer ce manuscrit. Je remercie
également Professeurs Jocelyn BONJOUR, Christophe MARVILLET et François
MARECHAL qui ont accepté de fait partie du jury et pour leurs intérêts à mon travail.
Je garde un très bon souvenir de l’équipe « Vibration et Thermohydraulique des échangeurs et
des cœurs » qui m’a accueilli durant ces trois années. Merci à Guillaume, Thomas, Julien(s),
Mickael, André, Ouardia, Fadila, Clément, Audrey, Elisabeth, Romain, Joël, Franck, Pierre
notamment pour les moments partagés aux pauses café et repas. Je n’oublie pas celles et ceux
que j’ai côtoyés et qui sont partis pour de nouveaux horizons : Cédric, Samuel, Joann, Jérémy,
Annick, Pierre… Je remercie Mounir, Hayato de l’équipe « Nouvelle Filière de Production et
Thermochimie » et Jean-Marc de l’équipe « Ecoulements et Turbomachines » pour les
discussions constructives.
Je n’oublie pas bien sûre Monsieur Mohamed YAHIA (Valeo) qui m’a introduit au monde de
la recherche appliquée.
Merci à mes amis qui m’ont toujours encouragé.
Un grand merci à ma famille, notamment à mes tantes et mes oncles qui m’ont permis
d’arriver et d’étudier en France.
Merci à ma mère, à mon père et aux grands parents qui m’ont toujours supporté dans mes
choix.

Introduction

Dans le cadre de programmes de recherche de solutions innovantes pour de nouvelles
centrales de production d’électricité, l’ensemble des producteurs, et notamment EDF,
cherchent à améliorer la performance et la robustesse de leurs installation et étudient
différentes options possibles pour les systèmes de conversion d’énergie et leur refroidissement.

Le rendement de la production d’électricité et le refroidissement du réacteur dépendent
étroitement de la disponibilité et de la température de la source froide. C’est la raison pour
laquelle la plupart des centrales, qu’elles soient thermiques ou nucléaires, sont installées près
d’une source d’eau abondante (mer, fleuves à forts débits). Cependant, l’alimentation en eau
de la source froide peut se révéler problématique dans certains cas, lors de canicules ou en
période de sécheresse notamment. Avec le changement climatique, les règlementations
environnementales de plus en plus strictes, les tensions possibles autour du partage de cette
ressource, nous devons prévoir des évolutions de moyens de productions correspondants et
imaginer des sources alternatives afin de réduire la dépendance des centrales de production en
eau à moyen et long termes.

Le refroidissement à l’air sec serait l’une des options possibles. Cependant étant donné la
nécessité d’avoir d’une surface d’échange plus importante, le recours à l’air ambiant comme
source froide n’est pas, dans la majorité des cas, viable économiquement.

Parallèlement, nous pouvons constater l’encombrement de la salle machine et le gigantisme
des turbines du circuit secondaire. Cela est dû à la vapeur d’eau qui devient extrêmement
volumineuse à très basse pression. Les derniers étages de la turbine basse pression (BP) sont
alors très volumineux. Dans ce cas des considérations de résistance des matériaux conduisent
à réduire la vitesse de rotation des turbines. De plus à très basse température, le gain
énergétique sur le cycle est compensé par l’augmentation de la perte cinétique liée à
l’augmentation de la vitesse de fluide à la sortie de la turbine.

Afin de faciliter l’utilisation d’un système de refroidissement sur l’air et de réduire en même
temps la taille de la turbine BP, une des solutions imaginée par EDF dans les années 70 était
de changer l’architecture du cycle de production. L’idée était de considérer un cycle de
production composé de deux cycles de Rankine en cascade, le premier fonctionnant avec de la
vapeur d’eau et le deuxième fonctionnant avec de l’ammoniac dont la vapeur à basse pression
est beaucoup plus dense que celle de l’eau. Nous appellerons dans la suite de ce document ce
type de cycle « le cycle bi-étagé ».

L’architecture de ce nouveau système est présentée Figure 0.1. Les principales différences de
fonctionnement de ce cycle bi-étagé par rapport à un cycle à vapeur classique sont :

Cycle à vapeur d’eau du cycle bi-étagé:
· La vapeur d’eau en sortie de la turbine BP a une pression plus élevée que pour le cycle
classique, et par conséquent avec un volume spécifique plus faible. L’énergie restante
de la vapeur d’eau est récupérée via un condenseur - bouilleur « eau / ammoniac »

Cycle à ammoniac du cycle bi-étagé :

· L’ammoniac bout dans le condenseur - bouilleur
Page 1