|
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Dédicace
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page i
A
Ø Ma mère, Samouanayon TIAO
Ø Mon cher regretté père, Drissa
NEBIE
Ø Mon épouse, Diane Clotilde Saré
NEBIE, et ma fille perla Ashley Olivia NEBIE
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page ii
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Remerciements
Ce travail n'aurait pas pu voir le jour sans l'aide et le
concours combien inestimable de plusieurs personnes, à qui nous tenons
à exprimer très sincèrement toute notre reconnaissance:
Au Pr Florent KIENOU, pour avoir accepté
présider le Jury.
A Mr Karim KABORE, pour sa participation au Jury en
qualité de rapporteur.
A Mr François de Salle OUEDRAOGO, Directeur
Général de la SONABEL, mes remerciements pour m'avoir
accordé ce stage au sein de son entreprise.
Grand merci au Dr François OUEDRAOGO,
enseignant-chercheur à l'université de Nazi Boni, qui
malgré ses multiples occupations a accepté de superviser mes
travaux de recherche.
A Mr Hamidou SAWADOGO, Chef de service Production Thermique
Ouaga Nord, mes remerciements pour avoir accepté de diriger mes travaux
de stage en entreprise.
Au corps enseignants et aux personnels administratifs de
l'ESTA, je dis merci pour leur disponibilité et leur patience.
Je n'oublie pas non plus de remercier l'ensemble des agents de
la centrale de production thermique de Kossodo.
A toute ma famille et à mes amis qui m'ont soutenu par
leurs encouragements pour la réussite de ce travail, je les remercie du
fond du coeur.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page iii
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Sommaire
Dédicace I
Remerciements II
Sommaire III
Liste des figures IV
Liste des tableaux V
Liste des sigles et abréviations VI
Nomenclature des variables VII
Introduction générale 1
Chapitre 1: Généralités sur le site
d'étude, le projet d'étude, les combustibles et la
combustion 4
Chapitre 2: Dimensionnement du cycle à vapeur 19
Chapitre 3: Etude environnementale et financière 37
Conclusion générale et perspectives 43
Bibliographie 45
Webographie 45
Table des matières 47
Annexes 50
Resumé 55
Abstract 55
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page iv
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Liste des figures
Figure 1 : Parcours des combustibles pour atteindre le G8
15
Figure 2 : Fonctionnement d'un moteur à quatre temps
17
Figure 3 : Cycle à vapeur existant 20
Figure 4 : Cycle à vapeur utilisé dans le cadre
de l'étude 21
Figure 5 : Diagramme TS du cycle à vapeur 22
Figure 6 : Caractéristiques de l'eau à
l'entrée de la chaudière 29
Figure 7: Caractéristiques de l'eau à la sortie
de la chaudière 30
Figure 8 : Caractéristiques de la vapeur à la
fin de la détente 33
Figure 9 : Diagramme unifilaire général 35
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page v
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Liste des tableaux
Tableau 1 : Caractéristiques des groupes thermiques de
Kossodo 5
Tableau 2 : Caractéristiques du HFO et du DDO 16
Tableau 3 : Caractéristiques du fluide à
l'entrée et à la sortie de la chaudière28
Tableau 4 : Caractéristiques de la vapeur au niveau de
la turbine 34
Tableau 5 : Coût d'investissement (CI) 39
Tableau 6 : Coût de maintenance (CM) 40
Tableau 7 : Chiffre d'affaire lié à la mise en
place de la turbine à vapeur 40
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page vi
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Liste des sigles et abréviations
CI Coût d'investissement
CM Coût de maintenance
CRCO Centre Régionale de Consommation
de Ouagadougou
DDO distillate diesel oil
G1 groupe thermique N°1
G2 groupe thermique N°2
G3 groupe thermique N°3
G4 groupe thermique N°4
G5 groupe thermique N°5
G6 groupe thermique N°6
G7 groupe thermique N°7
G8 groupe thermique N°8
HFO Heavy fuel oil
HT haute température
PMB point mort bas
PMH point mort haut
SONABEL Société Nationale
d'Electricité du Burkina
SPTON Service de Production Thermique Ouaga
Nord
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page vii
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Nomenclature des variables
|
Notation
|
Désignation
|
Unité
|
|
.
m
|
Débit massique
|
kg/s
|
|
wecoul
|
Travail d'écoulement
|
kJ
|
|
wext
|
Travail d'extraction
|
kJ
|
|
wins
|
Travail d'insertion
|
kJ
|
|
lel
|
Rendement électrique
|
-
|
|
?isen
|
Rendement isentropique
|
-
|
|
c
|
Vitesse
|
m/s
|
|
h
|
Enthalpie massique
|
kJ/kg
|
|
p
|
Pression
|
bar
|
|
PCI
|
Pouvoir calorifique inférieur
|
kJ/kg
|
|
PCS
|
Pouvoir calorifique supérieur
|
kJ/kg
|
|
.
Q
|
Puissance thermique
|
W
|
|
S
|
Entropie massique
|
kJ/kg
|
|
T
|
Température
|
°C
|
|
u
|
Energie interne massique
|
kJ/kg
|
|
v
|
Volume spécifique
|
m3/kg
|
|
z
|
Altitude
|
m
|
|
?
|
Masse volumique
|
Kg/m3
|
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 1
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Introduction générale
L'énergie électrique est de nos jours, un des
vecteurs de croissance économique et industrielle les plus importants.
Depuis sa première production au XVII siècle, elle a
marqué de façon considérable le mode de vie des hommes et
est devenue l'une des sources d'énergie les plus courantes dans la vie
quotidienne.
Il existe différents moyens de production de
l'énergie électrique.
Dans les centrales hydroélectriques, par exemple, on
utilise à la source l'énergie hydraulique qui sert à
produire de l'énergie mécanique convertie par la suite en
électricité.
Dans les centrales thermiques, c'est l'énergie
calorifique qui est utilisée pour produire de l'énergie
mécanique, laquelle sera convertie en énergie
électrique.
Les centrales nucléaires quant à elles,
utilisent actuellement l'énergie provenant de la fission des atomes;
ensuite les étapes de conversion sont les mêmes que dans une
centrale thermique classique.
On peut citer aussi l'énergie éolienne,
l'énergie solaire et bien d'autres sources encore, toutes
utilisées pour produire de l'électricité.
Dans certains pays comme le BURKINA FASO ne
disposant pas d'assez de ressources hydriques, ni de ressources en gaz naturel
pouvant abriter de grandes centrales, on a recours aux centrales thermiques
diesel pour la production de l'énergie électrique.
Cependant, les centrales thermiques diesel sont d'une part de
fortes consommatrices d'énergies primaires, d'autres parts de
véritables sources de pollution de l'environnement.
Il est donc nécessaire de trouver des voies et moyens
pour réduire la consommation en énergies primaires de nos
centrales thermiques, réduisant
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 2
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
ainsi les émissions de gaz à effet de serre.
Nous nous proposons donc de mener une étude sur le thème:
«valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du groupe
thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo».
A travers ce thème, nous envisageons de produire de
l'énergie électrique supplémentaire à partir d'une
partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement du groupe
thermique numéro 8.
Ce travail est subdivisé en trois (03) chapitres.
Le premier chapitre présente la centrale thermique
diesel de Kossodo, le projet d'étude et fait un aperçu sur les
combustibles liquides et la combustion. Cette présentation consistera
d'une part à donner la position géographique de la centrale
thermique de Kossodo, l'historique de sa construction et un aperçu sur
ses différents bâtiments et unités de production
d'énergie et d'autres parts, la méthodologie de l'étude et
ses objectifs.
Quant aux généralités sur les
combustibles et la combustion, il s'agira de présenter les conditions de
réalisation d'une combustion, les aspects environnementaux de la
combustion ainsi que les caractéristiques des combustibles liquides.
Le second chapitre est consacré au dimensionnement du
cycle à vapeur. Il y est question de modifier le cycle à vapeur
existant à la centrale thermique G8 en cycle de Rankine par l'ajout
d'une turbine à vapeur dimensionnée à cet effet,
d'évaluer l'énergie supplémentaire produite suite à
la mise en place de la turbine de vapeur et d'injecter cette énergie
dans le réseau électrique.
Quant au troisième et dernier chapitre, il traite de
l'étude environnementale et financière du projet. En effet, ce
chapitre tout d'abord, présente l'impact de la modification du cycle
à vapeur sur la réduction des émissions des gaz à
effet de serre. Ensuite, il évalue non seulement les coûts de
réalisation du projet mais également ses retombées
financières.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 3
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
A l'issu du dernier chapitre, une synthèse de
l'étude est présentée, suivie de recommandations pour
l'amélioration de l'étude.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 4
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Chapitre 1: Généralités sur le site
d'étude, le projet d'étude,les combustibles et la
combustion
Ce chapitre est subdivisé en trois sections. Dans la
première section, un bref aperçu sur la centrale thermique de
Kossodo est présenté; notamment sa situation géographique,
ses unités de production et ses différents bâtiments.
Dans la seconde section, les objectifs et la
méthodologie de l'étude sont présentés. La
dernière section est consacrée d'une part, à
l'étude des combustibles liquides et d'autre part aux principes de la
combustion notamment, ses conditions et ses aspects environnementaux.
1.1 Présentation de la centrale de
Kossodo
La centrale thermique diesel de Kossodo est la
troisième centrale thermique diesel de la ville de Ouagadougou à
être construite après les centrales Ouaga I et Ouaga II. Elle
relève du Service Production Thermique Ouaga Nord, qui dépend du
Département Production Thermique Ouaga et qui, dans l'organigramme de la
SONABEL, est rattaché à la Direction de la Production.
1.1.1 Situation géographique
La centrale de Kossodo est située dans la zone
industrielle de Kossodo, au Nord-est de la ville de Ouagadougou. Elle contribue
à satisfaire la demande en énergie électrique du
réseau interconnecté.
1.1.2 Historique
La construction de la centrale de Kossodo a répondu
à un impératif: satisfaire la demande en énergie
électrique de la Clientèle du Centre Régional de
Consommation de Ouagadougou (CRCO). En effet, en 1999, face à la
croissance importante de la demande en énergie électrique du
CRCO, la
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 5
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
SONABEL a entrepris la construction en urgence d'une centrale
de production thermique diesel afin de pouvoir satisfaire les besoins
énergétiques de la clientèle au cours de l'année
2000.
1.1.3 Unités de production de la centrale de
Kossodo
La centrale de Kossodo compte de nos jours huit (8) groupes
électrogènes installés en plusieurs phases, et
fonctionnant avec les combustibles suivants: HFO et DDO. Les
huit (8) groupes électrogènes de la centrale présentent
une puissance installée de 59,5 MW.
Les caractéristiques ainsi que les dates de mise en
service des groupes sont renseignées dans le tableau 1 :
Tableau 1 : Caractéristiques des groupes
thermiques de Kossodo
|
Groupes
|
puissance
|
|
|
|
N°
|
Type
|
Vitesse
|
Fabriquant
|
Nom.
|
inst.
|
Comb
|
Mise en
service
|
|
(t/mn)
|
(kVA)
|
( kW )
|
|
|
|
1
|
18V28/32H
|
750
|
MAN&BW
|
4 750
|
3 500
|
HFO
|
15-mars-00
|
|
2
|
BV16M640
|
600
|
DEUTZ
|
8 250
|
6 000
|
HFO
|
17-juil-00
|
|
3
|
BV16M640
|
600
|
DEUTZ
|
8 250
|
6 000
|
HFO
|
17-juil-00
|
|
4
|
BV16M640
|
600
|
DEUTZ
|
8 000
|
6 000
|
HFO
|
20-mai-03
|
|
5
|
BV16M640
|
600
|
DEUTZ
|
8 000
|
6 000
|
HFO
|
24-nov-04
|
|
6
|
W18V32
|
750
|
Wärtsilä
|
10 040
|
7 000
|
HFO
|
25-mars-06
|
|
7
|
W18V32
|
750
|
Wärtsilä
|
10 040
|
7 000
|
HFO
|
25-mars-06
|
|
8
|
18V48/60B
|
500
|
MAN&BW
|
23 105
|
18 000
|
HFO
|
25-nov-06
|
|
Totaux
|
80 435
|
59 500
|
|
1.1.4 Principaux bâtiments et ouvrages de la
centrale
En plus des groupes thermiques, la centrale de Kossodo dispose
d'autres ouvrages. Il s'agit entre autres:
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 6
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
> d'un bâtiment abritant le premier groupe (G1) et
ses équipements électriques ;
> d'un bâtiment à deux niveaux comportant pour
l'essentiel :
· la salle de commande de la centrale;
· la salle des machines dite «centrale DEUTZ )> qui
abrite les 4 groupes (G2 à G5) et leurs auxiliaires;
· le local des cellules 33kV ;
· le premier magasin de pièces de rechange et
l'atelier de soudure;
· les bureaux du personnel d'encadrement, de la maintenance
et de l'exploitation;
· la salle de documentation de la centrale.
> d'un bâtiment appelé «centrale 14MW
)> abritant les groupes 6 et 7 de marque Wärtsilä et leurs
auxiliaires;
> d'un bâtiment dit « WORK SHOP)>
comprenant:
· les bureaux pour les sections de maintenance;
· le laboratoire d'analyse;
· les ateliers mécaniques et électriques;
· le deuxième magasin de pièces de
rechange.
> d'un bâtiment appelé «centrale 18MW
)> abritant le groupe thermique N°8 de marque MANB&W et ses
auxiliaires;
> des locaux techniques destinés aux auxiliaires de
la centrale : les postes 15kV et 33kV, les centrifugeuses de combustibles, les
pompes de transfert et d'alimentation de combustibles, et les pompes d'eau;
> des parcs de stockage de combustibles; > des
réservoirs de stockage d'eau;
> de deux plateformes de jaugeage avec chacun un terminal
de dépotage des camions citernes de combustibles;
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 7
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Ø de trois bassins de décantation des effluents
et un incinérateur de déchet;
Ø de trois logements pour le personnel d'astreinte;
Ø d'un bâtiment à l'usage du commis et des
agents dépoteurs ;
Ø d'un local archive recevant une partie de la
documentation;
Ø d'un local annexe comportant une salle de
réunion et bureaux de chantier.
1.2 Présentation du projet
d'étude
Notre étude porte sur la valorisation de la chaleur des
gaz d'échappement du groupe thermique N°8 de la centrale thermique
de Kossodo. Dans la suite, il sera question de présenter la
méthodologie de l'étude ainsi que ses objectifs.
1.2.1 Méthodologie
Notre étude consiste à récupérer
à haute température (HT), une partie de la chaleur à
l'échappement du moteur du groupe thermique N°8 de la centrale de
Kossodo. Cette chaleur récupérée est utilisée pour
amener l'eau de l'état liquide à l'état vapeur
surchauffée. La vapeur produite permet à l'aide d'une turbine
à vapeur de produire du travail mécanique. Le travail
mécanique quant à lui est converti en énergie
électrique par l'intermédiaire d'un alternateur.
1.2.2 Objectifs de l'étude
1.2.2.1 Objectif principal
L'objectif principal de notre étude est non seulement
de réduire la consommation d'énergies primaires du groupe
thermique numéro 8 de la centrale de Kossodo, mais aussi ses
émissions de CO2.
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
1.2.2.2 Objectifs spécifiques
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 8
Ø Evaluer la quantité de chaleur
récupérable à l'échappement du moteur du groupe
G8.
Ø Dimensionner la turbine à vapeur pour la
conversion de l'énergie calorifique en énergie
mécanique.
Ø Evaluer la puissance supplémentaire produite.
Ø Evaluer la quantité de CO2 dont l'émission
dans l'atmosphère a été évitée.
Ø Evaluer les gains liés à la
réalisation du projet.
1.2.3 Question de recherche
La mise en place d'un cycle de Rankine pour la
récupération de la chaleur contenue dans les gaz
d'échappement des groupes thermiques n'est-elle pas une solution pour
réduire la consommation d'énergies primaires d'une centrale
thermique diesel?
1.3 Généralités sur les combustibles
liquides et la combustion
La combustion est l'élément commun à la
plupart des systèmes de conversion thermique, de plus cette étude
porte sur la valorisation de la chaleur des gaz d'échappements, qui sont
les produits d'une combustion. Cette section est donc consacrée d'une
part, à l'étude des combustibles liquides et d'autre part aux
principes de la combustion notamment, ses conditions et ses aspects
environnementaux.
1.3.1Généralités sur les
combustibles liquides
D'une façon générale, trois
catégories de combustibles sont utilisés lors des
réactions de combustion, ce sont essentiellement: les combustibles
solides, les combustibles liquides et les gaz. Les groupes thermiques de la
centrale de
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Kossodo fonctionnent au HFO et DDO qui sont des combustibles
liquides. C'est pourquoi, dans la suite il est question de la composition et
des caractéristiques des fuels.
1.3.1.1 Composition des fuels
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 9
Les fuels sont des mélanges d'hydrocarbures avec comme
constituants principaux, le carbone et l'hydrogène. Aussi, suivant leur
origine, ils renferment des teneurs relativement importantes en soufre, en
azote, en cendres minérales, en eau....
Ce sont généralement des produits extraits de
pétrole brut mais ils peuvent être également des huiles de
goudron de houille. Les fuels provenant du pétrole peuvent être
classés en trois grandes catégories:
Ø les fuels composés uniquement de distillats
obtenus à partir des bruts.
Ce sont des combustibles très fluides, destinés
aux installations de faible puissance et au chauffage domestique en
particulier;
Ø les combustibles lourds essentiellement
composés des résidus de distillation sont destinés aux
usages industriels;
Ø les mélanges des deux catégories
précédentes, utilisables dans les chaufferies domestiques
relativement importantes et dans certaines unités industrielles.
1.3.1.2 Caractéristiques des fuels
Dans le monde industriel, les combustibles liquides sont
choisis en fonction de certaines propriétés. Parmi ces
propriétés on peut citer:
Ø le pouvoir calorifique: c'est
l'enthalpie de réaction par unité de masse de combustible ou
l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme de combustible.
L'unité du pouvoir calorifique est le kJ·kg-1.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 10
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
Les combustions d'hydrocarbures dégagent de l'eau sous
forme de vapeur. Cette vapeur d'eau contient une grande quantité
d'énergie. Ce paramètre est donc pris en compte de manière
spécifique pour l'évaluation du pouvoir calorifique. Ainsi, on
définit:
· le pouvoir calorifique supérieur (PCS)
: ((Quantité d'énergie dégagée par la combustion
complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant
supposée condensée et la chaleur récupérée
» ;
· le pouvoir calorifique inférieur (PCI
) : ((Quantité de chaleur dégagée par la combustion
complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant
supposée non condensée et la chaleur non
récupérée ».
La différence entre le PCI et le PCS
est la chaleur latente de vaporisation de l'eau ( Lv),
multipliée par la masse (m) de vapeur produite.
On a la relation: PCS = PCI +
m.Lv
Ø la densité: c'est le rapport
entre la masse du combustible et son volume à une température de
référence de 15°C. La densité se mesure à
l'aide d'un hydromètre. Elle s'exprime en kg/m3.
Ø la viscosité: c'est la mesure
de résistance interne du combustible à l'écoulement. Elle
dépend de la température et décroit lorsque la
température augmente. Une valeur donnée de la viscosité
n'a de sens qu'à une température donnée.
La viscosité d'un combustible se mesure à l'aide
d'un viscosimètre.
Ø le point d'éclair: c'est la
température minimale à laquelle un combustible commence à
émettre des vapeurs susceptibles de former avec l'air, un mélange
dont l'inflammation se produit au contact d'une flamme utilisée comme
amorce.
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
1.3.2Généralités sur la
combustion
1.3.2.1 Definition
La combustion est une réaction chimique exothermique
(avec dégagement de chaleur) qui se produit en portant à une
température donnée, un mélange d'oxygène et de
combustible.
1.3.2.2 Conditions de la combustion
Pour qu'il ait combustion, il faut trois
éléments composant le « triangle de feu » : un
combustible, un comburant et une température suffisante pour
l'amorçage. En effet, pour amorcer et propager la réaction de
combustion, il faut :
Ø que le combustible et le comburant soient intimement
mélangés ;
Ø que le combustible et le comburant soient en
proportions telles que le mélange soit inflammable ;
Ø qu'un point de ce mélange soit porté
à une température supérieure à la
température d'inflammation du combustible.
Ensuite, pour permettre la poursuite de la combustion, il faut
à la fois :
Ø assurer l'alimentation continue en combustible et en
comburant de façon à satisfaire aux trois conditions ci-dessus
;
Ø évacuer les produits de combustion au fur et
à mesure de leur formation.
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 11
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 12
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
1.3.2.3 Produits de combustion des fuels
On distingue essentiellement deux types de combustion,
à savoir la combustion complète et la combustion
incomplète.
On parle de combustion complète quand tous les
éléments du combustible sont effectivement brûlés au
cours de la réaction, dans le cas contraire elle est dite
incomplète.
Pour une certaine quantité de fuel, il y a une
quantité d'air nécessaire et suffisante pour assurer sa
combustion complète dite combustion stoechiométrique.
La quantité d`air nécessaire pour la combustion
stoechiométrique de l'unité de masse du combustible est
appelé pouvoir comburivore du combustible ou volume théorique.
Les produits de la combustion stoechiométrique sont
essentiellement: le gaz carbonique, la vapeur d'eau et l'azote.
Il peut arriver qu'un volume d'air supérieur ou
inférieur au volume théorique soit utilisé dans un
processus de combustion :
Ø lorsque le volume d'air est supérieur au
volume théorique, on a une combustion complète en excès
d'air. Les gaz d'échappement contiennent alors en plus des produits de
combustion stoechiométrique, le comburant restant.
Ø lorsque le volume d'air est inférieur au
volume théorique, on a une combustion incomplète. Dans ce cas,
les gaz brulés contiennent du monoxyde de carbone ou même des
particules de carbone et d'autres imbrulés.
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
1.3.2.4 Quantité de co2 rejetée dans
l'atmosphère
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 13
Dans la plupart des réactions de combustion, le
comburant n'est pas de l'oxygène pur, mais de l'air
généralement pris directement de l'atmosphère et
supposé avoir une composition constante. A toute fin pratique, nous
considérons dans les calculs de combustions que l'air est composé
d'oxygène et d'azote dans les rapports volumétriques ou
moléculaires respectifs de 0,21 et 0,79. Ainsi, on peut écrire
:
1 mole de O2 + 3,76 moles de N2 4,76 moles d'air
D'une façon générale, lors d'une
combustion, la quantité de CO2 rejetée dans l'atmosphère
est proportionnelle à la quantité de combustible
consommée.
En effet, considérons la combustion
stoechiométrique de l'octane (C8H18) qui est un
hydrocarbure liquide:
L'équation de la combustion stoechiométrique
s'écrit de la façon suivante:
C8H18 + 12,5 {O2 + [3,76] N2} 8CO2 + 9H2O + 12,5 [3,76] N2
D'après l'équation de la combustion
stoechiométrique de l'Octane, une mole (01) d'Octane produit huit (8)
moles de gaz carbonique.
La masse molaire de l'Octane est: M=114 g.mol-1
La masse molaire du gaz carbonique est: M=44
g.mol-1
Ainsi, la combustion de 114 g d'octane (C8H18) produira 352 g
de gaz carbonique (CO2). Connaissant la masse volumique de l'Octane p = 703
kg / m , on
3
déduit que la combustion de 1 m3 d'Octane
produit 2109 kg de CO2 soit environ 2,11 g de gaz carbonique produit pour 1 l
d'Octane brulé.
Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
1.3.3Cas du groupe thermique N°8 de la centrale de
Kossodo
1.3.3.1 Type de combustible utilisé
Jacob Lassina NEBIE 2015/2016 Page 14
Le groupe thermique N°8 fonctionne essentiellement
à l'aide de deux types de combustibles. Il s'agit du gasoil (DDO) et du
fuel lourd (HFO) :
1.3.3.1.1 Le HFO
C'est un combustible très visqueux contenant des
impuretés notamment de la boue, de l'eau et du soufre. Il subit un
traitement à l'aide d'une centrifugeuse. Il est chauffé pour
faciliter sa circulation dans les canalisations et pour obtenir une
viscosité adéquate au moment de son injection dans la chambre de
combustion. Le ravitaillement des groupes est possible grâce aux
auxiliaires comme les électropompes, les réchauffeurs et les
centrifugeuses.
1.3.3.1.2 Le DDO
C'est un combustible léger et beaucoup plus propre que
le fuel lourd, mais plus coûteux. Il est donc moins utilisé que ce
dernier. Il ne nécessite pas un traitement important avant son
utilisation.
Il est utilisé principalement lors du démarrage
et de l'arrêt d'un groupe, pour permettre d'y injecter le fuel lourd
quand le moteur est suffisamment chaud et de purger le circuit avant son
arrêt.
1.3.3.1.3 Parcours des combustibles pour parvenir au
groupe N°8
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Valorisation de la chaleur des gaz d'échappement du
groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
La figure 1 ci-dessous nous retrace le parcours du HFO et DDO
pour parvenir au groupe thermique N°8 :
Figure 1 : Parcours des combustibles pour atteindre le
G8
La vanne à trois (03) voies permet de basculer chaque
fois que cela est nécessaire, du HFO au DDO et vice versa.
Le réservoir qui alimente directement le groupe G8 en
fuel lourd est la cuve journalière. Le parcours du fuel lourd pour
atteindre la cuve journalière est le suivant: de la cuve de stockage,
une partie du HFO est envoyée dans le réservoir tampon
grâce aux pompes de transfert HFO. Le contenu de la cuve tampon subit un
traitement par l'intermédiaire des séparateurs HFO avant
d'atteindre la cuve journalière. Le combustible traité est
aspiré par les pompes d'alimentation en fuel pour ravitailler le
moteur.
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groupe thermique numéro 8 de la centrale électrique de
Kossodo
1.3.3.1.4 Caractéristiques du HFO et du
DDO
Le tableau 2 ci-dessous résume les principales
caractéristiques du DDO et du HFO :
Tableau 2 : Caractéristiques du HFO et du
DDO
|
paramètres
|
Unités
|
Limite à respecter
|
|
HFO
|
DDO
|
|
Masse volumique à 15.6°C
|
3
kg/dm0.920à
|
0.990
|
0.810 à 0.890
|
|
Viscosité à 50°C pour HFO et 37.8°C
DDO
|
cst
|
Maxi.180
|
Max.6
|
|
Indice cétane
|
|
|
Mini.40
|
|
Point d'éclair PM
|
°C
|
Mimi.66
|
Mini.60
|
|
Température début distillation
|
%
|
Mini.180
|
65 à 250°C
|
|
%
|
850 à 350°C
|
|
Point d'écoulement
|
°C
|
Maxi.15
|
|
|
Teneur en soufre
|
% de masse
|
Maxi.3
|
Max.1
|
|
Teneur en eau
|
% de masse
|
Maxi.0.5
|
Max.0.01
|
|
Teneur en sédiments
|
% de volume
|
Maxi.0.05
|
Max.0.01
|
|
Teneur en cendres
|
% de masse
|
Maxi.0.1
|
Max.0.01
|
|
Teneur en vanadium
|
ppm
|
Maxi.300
|
nul
|
|
Teneur en sodium
|
ppm
|
Maxi.50
|
nul
|
|
Teneur en aluminium
|
ppm
|
Maxi.10
|
nul
|
|
Teneur en silicium
|
ppm
|
Maxi.10
|
nul
|
|
Teneur en fluor
|
ppm
|
Maxi.10
|
nul
|
|
Teneur en carbone Conradson
|
% de masse
|
Maxi.12
|
Max. 0.035
|
|
Teneur en asphaltènes
|
% de masse
|
Maxi.0.7
|
|
|
CCAI
|
-
|
Maxi.860
|
|
|
Pouvoir calorifique supérieur
|
kJ/kg
|
Mini.43000
|
Mini.44700
|
|
Pouvoir calorifique inférieur
|
kJ/kg
|
Mini.40000
|
Mini.42000
|
1.3.3.2 Combustion
La combustion du mélange air-combustible s'effectue
dans les cylindres des groupes diesel et la chaleur nécessaire pour
l'inflammation du mélange est apportée par la phase de
compression. En effet, les groupes thermiques
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diesel disponibles à la centrale thermique de Kossodo
ont des moteurs à quatre (4) temps. Le principe de fonctionnement est le
suivant:
Ø 1er temps: la
soupape d'admission s'ouvre, le piston descend du PMH vers le PMB et de l'air
pur est admis dans le cylindre;
Ø 2ème temps:
Compression de l'air par remontée du piston du PMB vers
le PMH, la soupape d'admission étant fermée;
Ø 3ème temps:
peu avant le PMH, du combustible est injecté sous pression dans
le cylindre et il se mélange à l'air comprimé. La
combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur: les gaz chauds
repoussent le piston, libérant ainsi une partie de leur énergie
;
Ø 4ème temps:
évacuation des gaz brûlés par l'ouverture de la
soupape d'échappement, poussés par la remontée du
piston.
La figure 2 ci-dessous nous présente les quatre temps d'un
moteur diesel:
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Figure 2 : Fonctionnement d'un moteur à quatre
temps
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1.4 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons d'une part présenté la
centrale thermique de Kossodo et le projet d'étude. D'autre part, les
différents aspects de la combustion ont été passés
en revue.
Dans la suite, nous nous intéressons aux produits de la
combustion. En effet, une partie de la puissance thermique contenue dans les
gaz évacués sera utilisée à travers une
chaudière de récupération pour produire de la vapeur.
La vapeur produite sera utilisée pour actionner une
turbine à vapeur dont le dimensionnement sera traité dans le
chapitre suivant.
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