III-2. Calcul de la turbine à vapeur
Les différentes étapes à suivre pour le
dimensionnement sont :
· L'évaluation du besoin en énergie.
· Le dimensionnement du cycle de HIRN (annexe 6) qui est
l'outil principal de notre méthode.
? Evaluation des besoins en vapeur (annexe
7)
Avec le démarrage du projet UPGRADE, La production
totale de la vapeur haute pression dans la centrale thermoélectrique II
et la nouvelle unité de cogénération est
évaluée à un débit horaire moyen de 166 T/h de
vapeur produite.
La consommation de la vapeur HP dans la raffinerie est repartie
de la manière suivante :
- Pour l'unité reforming II, sa moyenne de consommation
est 8,2 TVH/h.
- Pour l'unité de déparaffinage des huiles, sa
moyenne de consommation est 10,75 TVH/h. - Pour le nouveau projet UPGRADE sa
consommation en complément de vapeur HP par la CTE II dépend des
régimes de marche des unités en fonctionnement
Les différents cas de figure décrite par le
concepteur du projet sont résumés dans le tableau :
Tableau 6.12 : Compléments de vapeur
à fournir aux unités Upgrade:
|
Capacité opérationnelle de
l'unité
|
Unites
|
Cas 1
|
Cas 2
|
Cas 3
|
Cas 4
|
Cas 5
|
Cas 6
|
Cas 7
|
Cas 8
|
Cas 9
|
Unité 31-VDU 3
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
80%
|
0%
|
Unité 33-Dist Hydrotreater
|
100%
|
100%
|
0%
|
100%
|
100%
|
75%
|
75%
|
0%
|
0%
|
Unité 34-Hydrocracker (Fiouls)
|
100%
|
0%
|
0%
|
100%
|
100%
|
95%
|
95%
|
0%
|
0%
|
Unité 36-Hydrogen Prod Unit
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
82%
|
82%
|
0%
|
0%
|
Unité 37-Amine Regen
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
40%
|
0%
|
Unité 38-SWS
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
0%
|
0%
|
Unité 39-SRU
|
58%
|
58%
|
58%
|
58%
|
58%
|
55%
|
55%
|
0%
|
0%
|
Complément vapeur HP (T/h) à fournir par la CTE
II à l'UPGRADE
|
15.4
|
37.7
|
35.7
|
27
|
10.7
|
40.2
|
25.4
|
74
|
80.6
|
|
Pour le complément de vapeur HP à fournir aux
installations du projet UPGRADE, il est estimé en moyenne à 27
T/h dans l'état de marche normale où l'unité
d'hydrocrackage est en fonctionnement. C'est la valeur qu'on va
considérer par la suite dans le dimensionnement de la turbine à
vapeur.
La figure suivante représente la répartition de la
consommation de vapeur VH dans la SAMIR
Converti en
VM (72%)
Reforming
(5%)
Upgrade
(16%)
Déparaffinage
des huiles
(7%)
Figure 6.11: Répartition
de la consommation de vapeur HP
D'après la figure on constate clairement qu'une
quantité minoritaire de la vapeur HP produite est utilisé
à l'état VH (environ 28% de la production totale) dans les
unités reforming II, le déparaffinage des huiles et le projet
Upgrade tandis que la quantité majoritaire (72% de la production totale)
est convertie en vapeur moyenne pression dans les vannes réductrices.
La moyenne de la demande mensuelle en vapeur moyenne pression
est évaluée à 76270 tonnes avec un débit massique
moyen de 106 (T/h).
? Calcul de la turbine à
vapeur
Afin de faciliter le dimensionnement de la turbine à
vapeur, nous allons procéder dans à la modélisation du
système de production de la vapeur HP (Ghaudières GTE II,
platforming II et chaudière de récupération) par une
chaudière équivalente dont la production est acheminé vers
le réseau de vapeur HP puis à la turbine à vapeur.
Le débit horaire équivalent de la vapeur HP de
cette chaudière est
Q équivalent =166-8,2-10,75-27 = 120
T/h
Avec une pression de 40 bars et une température de
400°G.
Les éléments importants de notre cycle de HIRN
(annexe 6) sont: La turbine à vapeur, la chaudière, la pompe, et
le condenseur.
Les chaudières et les pompes de circulations sont des
éléments déjà existants dans l'installation et dont
les caractéristiques techniques sont déjà définies,
et pour le condenseur on a une turbine à vapeur à contre pression
donc on n'a pas besoin d'un condenseur. Il nous reste alors à
dimensionner la turbine à vapeur.
La figure suivante, représente le schéma
simplifié d'un processus de cogénération avec turbine
à vapeur.
Figure 6.12: Processus de
production OfKCMKUICIV vapIKr. Hypothèse de dimensionnement
:
· Le régime est considéré stationnaire
;
· La transformation est supposé adiabatique ;
· La turbine est à réaction avec une vitesse
de la vapeur d'entrée est égale à la vitesse de sortie
;
· Les pertes de charge sont négligées.
ü Bilan massique
La conservation de la masse permet d'écrire :
mh1 = mh2
m:h Désigne le débit massique de la vapeur.
1 : entrée de la turbine.
2 : sortie de la turbine
ü Bilan énergétique
L'énergie qui entre dans la turbine est égale
à la somme de l'énergie qui sort de la turbine et de
l'énergie accumulée dans la turbine.
L'énergie qui entre dans le système est la
vapeur haute pression, et l'énergie qui sort est constitué du
travail échangé avec le milieu extérieur au moyen de
l'arbre et l'énergie thermique contenue dans la vapeur moyenne pression
sortante de la turbine.
Appliquons l'équation de conservation d'énergie
:
Enérgie Transf ert Energ ie
Accumulation} + sortante de -- à la entrante
dans
la turbine surface la turbine
Ce qui est traduit en dérivant par rapport au temps pour
passer aux puissances échangées par :
d(U + Ec + Ep)
+ m 2(u2 +
dt
2 + gz2) = Q - W + m 1 u1 +
V1 2
2 + gz1)
V22
Avec :
U : L'énergie interne.
Ec : L'énergie cinétique due au
mouvement de la vapeur.
Ep : L'énergie potentielle due au champ des forces. En
général, il s'agit du champ de force de la pesanteur.
?? : La puissance thermique échangée.
?? : La dérivée du travail échangé
lors de la transformation
Avec les hypothèses cités auparavant et selon le
bilan massique et énergétique on trouve que la puissance
mécanique échangée est donnée par :
?? = ?? (????- ????)
Avec :
?? : La puissance mécanique présente sur l'arbre de
la turbine.
?? : Le débit massique de la vapeur d'eau passant à
travers la turbine.
H1 et H2 : sont respectivement l'enthalpie de la vapeur entrant
et sortant de la turbine.
1' Rendements de la turbine à vapeur
Le rendement Isentropique : ?? = 80%
Le rendement Mécanique-électrique : ?? = 96%
Ces rendement ont été choisi selon la technologie
des turbines à vapeur actuellement disponible sur le marché,
elles présentent des rendements voisines de celui choisis ci-dessus.
1' Détermination des caractéristiques de la
vapeur MP
En se servant du diagramme de Mollier (diagramme H-S) ou du
logiciel STEAMTAB donnant les caractéristiques de l'eau à
l'état liquide et vapeur selon sa température et sa pression, on
détermine l'enthalpie et l'entropie de la vapeur HP entrant dans la
turbine :
Enthalpie de la vapeur à l'entré de la turbine :
H1=3241,47 Kj/Kg
Entropie de la vapeur à l'entré de la turbine :
S1=6771,36 J/Kg/°C.
On suppose que la transformation dans la turbine soit
isentropique, ce qui nous permettra de construire le point de sortie de la
turbine sur le diagramme (S-T) figure (6.13) :
Les caractéristiques de la vapeur à la sortie de la
turbine sont :
Figure 6.13: Point d'entrée
et de sortie de la turbine sur les diagrammes (T-S) et (H-S).
Détermination de la puissance électrique
du turboalternateur Apres détermination de point de sortie de
la turbine on a :
AH????éor??????e = H1 -- H2 = 337,17 KJ/Kg
Le rendement isentropique de la turbine est ì=80%
Donc : AHrée?? = II X AH????éor??????e = 269,73
Kj/Kg
Le travail de détente isentropique au niveau de la turbine
permet de calculer la puissance mécanique fournie par la turbine
à l'arbre de l'alternateur, il est donné par :
????é?? = Th X AHrée??
ril = 120 ?? /?? Le débit massique de la vapeur entrant
dans la turbine. Nous allons obtenir une puissance mécanique au niveau
de la turbine :
?? ??é?? = 8991 KW~9??W
Sachant que le rendement Mécanique-électrique est T
= 96%, la puissance électrique aux bornes de l'alternateur est
égale:
Pélectrique = T X
????é??
Pélectrique = 8, 64 ????
Synthèse :
La mise en place de la nouvelle turbine à vapeur va
permettre de produire une puissance électrique de 8,64 MW, soit 19,63 %
du besoin global en électricité (44 MW).
Cette solution augmentera l'autonomie électrique de la
raffinerie à 87%.
|
32%
Situation actuelle
|
68%
|
|
|
19%
13%
Turbine à vapeur
|
68%
en service
|
|
|
|
|
|
|
: Cogénération
|
|
: Turbine à vapeur : ONE
|
Figure 6.14: Degré
d'autonomie électrique III-3. Estimation économique du
projet
1' Coût d'investissement
Le cout d'investissement de ce projet comprend:
· Turbine à vapeur (groupe turbine)
· Groupe alternateur
· Raccordement au réseau électrique
· Raccordement au réseau vapeur
· Travaux de montage (Génie civil)
Pour estimer les coûts relatives aux
éléments précédents, on a transmit la liste des
équipements au service d'achat, et on se basant sur les coüts des
groupes turboalternateurs utilisés dans la raffinerie avant l'incendie
de 2002 et en contactant leurs fournisseurs, Ils ont estimés le
coüt global de l'investissement à
Sachant que 1$=8,9 Dh Soit
1' Gain net apporté par le groupe
turboalternateur (Cash-flows) :
Le gain du projet (Cash-flows)
correspond à l'économie que sera réalisée sur la
facture de
l'énergie électrique et qui correspond au
montant dépensé pour acheter l'énergie
électrique
qui sera produite par le turboalternateur ; soit une puissance de
8,64MW multiplié par un temps d'utilisation continu (24/24 et 7J/7J).
Sachant que le KWh acheté de l'ONE vaut :
Le turboalternateur permettra de produire annuellement :
On a estimé 20 jours d'arrêt par an pour les
interventions de maintenance et des arrêts imprévisible.
Donc l'économie réalisée sur la facture
énergétique est :
1' Coûts d'exploitation
Les coüts d'exploitation relative à
l'installation du turboalternateur sont exprimés annuellement et
généralement constitués des frais du personnel, de
maintenance et de réparation, les frais d'amortissement et d'assurance.
Les charges du personnel sont négligeables puisque les tâches
techniques et de supervision seront attribuées aux opérateurs du
service utilités. (GTE II)
Maintenance
Pour évaluer le cout de maintenance une simplification
a été introduite en considérant que les dépenses en
entretien sont constantes et égales chaque année à un
pourcentage de l'investissement total. Pendant la première année,
ces dépenses sont nul vu que le projet sera encore en période de
garantie, après la première année, ils évoluent
graduellement d'une manière linéaire en fonction d'années
d'exploitation avant de se stabiliser à 3% à partir de la
dixième année.
L'estimation des charges de maintenance est
présentée dans le tableau suivant :
Tableau 6 .13 : Estimation des
charges annuelles de maintenance.
Année
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10-20
|
frais de maintenance (%)
|
0
|
0,60
|
0,9
|
1,20
|
1,5
|
1,8
|
2,10
|
2,40
|
2,70
|
3
|
frais de maintenance (DH /an) ×103
|
0
|
133,5
|
200,2
|
267,0
|
333,7
|
400,5
|
415,8
|
534,0
|
600,7
|
667,5
|
|
)rTih d'ThhurTnJe
Les frais d'assurance annuel relative au projet sont
estimés à 1% de la valeur globale de l'investissement.
Soit :
v' Retour d'investissement
Le retour d'investissement du projet est donné par la
formule suivante :
Le cout d'exploitation est égale a la somme des couts de
maintenances estimé annuellement à 333000,7 DH plis les frais
d'assurance
Pour le groupe turboalternateur dont le coüt
d'investissement est de l'ordre de 22,25 MDH, l'amortissement est simulé
à 5 mois,
| 
