Le défi
par Teruako Ito, Toshitako Higashikoba, Satoshi Iwami (Université de Tokushima), Masato Tamura et Akira Takami (IHI Corporation)
Présenté lors de la conférence 2018 sur la simulation hivernale
Le rôle des centrales thermiques devient de plus en plus important au Japon en raison de la réduction du nombre de centrales nucléaires après le tremblement de terre de Tohoku dans l'océan Pacifique. L'approvisionnement en énergie renouvelable est attendu comme une alternative en termes de sécurité énergétique, mais il est difficile de sécuriser l'énergie de manière très stable. Par conséquent, des demandes inattendues de production d'énergie thermique se produisent irrégulièrement pour couvrir les fluctuations de l'offre et/ou de la demande d'énergie. Dans ces conditions, l'utilisation d'une centrale thermique équipée d'une chaudière à charbon évolue vers un mode de fonctionnement plus dynamique et plus complexe. Cette recherche a mené une étude avec deux types de modèles de simulation pour clarifier cette opération, à savoir un modèle de simulation des fluides de la chaudière à charbon et un modèle de simulation des processus de la centrale thermique. Ce document présente ces deux types d'approches de modélisation et examine la faisabilité des modèles mis en œuvre dans cette étude afin de proposer une solution basée sur la simulation pour un fonctionnement adaptable de la centrale électrique.
Introduction
En réponse au grand tremblement de terre de l'est du Japon qui s'est produit en 2011, toutes les centrales nucléaires ont été fondamentalement inspectées et le nombre de centrales nucléaires fonctionnant au Japon a été drastiquement réduit. Jusqu'à présent, les centrales thermiques ont joué un rôle important dans l'approvisionnement en électricité au Japon, mais la demande augmente après le tremblement de terre. Du point de vue de la sécurité énergétique, les énergies renouvelables, telles que l'énergie solaire et les petites centrales hydroélectriques, ont attiré l'attention en tant que source d'énergie alternative pour couvrir l'approvisionnement en électricité au Japon. Étant donné qu'il est difficile de garantir la stabilité de l'approvisionnement en énergie renouvelable, les demandes imprévues font appel de manière irrégulière à la production d'énergie thermique afin de couvrir les fluctuations de l'offre et/ou de la demande d'énergie. Dans ces circonstances, l'utilisation des centrales thermiques équipées d'une chaudière à charbon évolue vers un mode de fonctionnement plus dynamique et plus complexe pour contrôler l'équilibre approprié du débit d'eau et de vapeur en déterminant les différents flux entrants à l'aide d'un réglage fin du registre pour une production d'énergie optimisée. Les centrales électriques fonctionnent essentiellement de manière automatique, mais leur réglage fin et le contrôle des opérations critiques sont toujours gérés par des experts humains, ce qui signifie que la procédure interne d'exploitation des centrales électriques n'est toujours pas claire dans de nombreuses situations. Cette recherche a mis en œuvre deux types de modèles de simulation, à savoir un modèle de simulation des fluides d'une chaudière à charbon et un modèle de simulation des processus d'une centrale thermique, afin d'aider à clarifier le fonctionnement. Ce document montre ces deux types d'approches en utilisant ces modèles et discute de la faisabilité des modèles mis en œuvre dans cette étude.
La solution
Examen des paramètres de conception à l'aide d'un modèle de simulation des fluides d'une chaudière à charbon
La première approche de cette étude est basée sur un modèle de simulation des fluides (CFD) de la chaudière à charbon, qui est composée de divers éléments tels que les économiseurs 1e/2e, les surchauffeurs 1e/2e/3e/4e, les réchauffeurs 1e/2e, le séparateur de vapeur, le tube de la paroi du four, le tube de la voûte, etc. En simulant l'équilibre de l'écoulement des tubes dans chaque composant, la vitesse d'écoulement du fluide dans le modèle a été calculée. En se concentrant sur le quatrième composant du surchauffeur, une simulation de la dynamique des fluides a été réalisée dans diverses conditions. Il en résulte que la perte de pression est causée par la variation du débit de chaque tube. Par conséquent, l'homogénéité du débit a été ajustée en insérant un orifice à l'entrée de chaque tube. En conséquence, l'équilibre du débit a été atteint par la combinaison des tubes insérés dans l'orifice.
Examen des paramètres de fonctionnement à l'aide d'un modèle de simulation de processus de centrale thermique
La deuxième approche de cette étude était basée sur un modèle de simulation de processus (Joines et Roberts 2015 ; Kelton et al. 1998 ; Smith et al. 2015) d'une centrale thermique de base, qui est composée de processus d'écoulement de l'air, de l'eau et du combustible en tant qu'entités d'entrée, tandis que l'électricité est une entité de sortie dans le modèle. Le fonctionnement de la centrale thermique utilise les valeurs numériques des paramètres d'exploitation tels que les paramètres d'entrée du combustible/de l'air/du fluide, le degré d'ouverture du registre pour ajuster l'entrée d'air, le temps de traitement à chaque dispositif et la puissance de sortie de la centrale électrique. Un modèle de processus utilisant ces paramètres a été mis en œuvre dans cette étude pour simuler le fonctionnement de la centrale sur la base des données collectées dans une centrale en fonctionnement. Pour vérifier le modèle, des expériences de simulation ont été menées en utilisant une série de combinaisons de paramètres, y compris le temps de traitement dans le broyeur à charbon, le brûleur, le four, le réchauffeur et la turbine. En utilisant la variation des paramètres d'entrée de l'air et du combustible dans le modèle, l'efficacité de la production d'énergie a été calculée et examinée pour étudier la performance du modèle de l'usine. En conséquence, le modèle de processus de la centrale thermique a fonctionné comme un banc de travail pour étudier les paramètres de fonctionnement d'un point de vue différent.
L'impact sur les entreprises
Remarques finales
L'utilisation des centrales thermiques équipées de grandes chaudières a évolué vers un mode de fonctionnement plus dynamique et plus complexe en raison des changements dans le ratio d'approvisionnement de la production d'énergie électrique au Japon. Il est difficile de faire face à un changement soudain de la demande ainsi qu'à une perte importante de l'efficacité de la production d'électricité en exploitant uniquement le fonctionnement automatique d'une centrale thermique. Cet article explique ces environnements changeants autour des centrales thermiques et propose deux types d'approches basées sur la simulation pour résoudre le problème du fonctionnement dynamique des centrales. En ce qui concerne la dynamique de l'écoulement des fluides dans les tubes complexes d'une chaudière à charbon, la visualisation d'un écoulement déséquilibré a été simulée, ce qui est impossible dans une chaudière physique dans le monde réel. En ce qui concerne le comportement des flux d'entrée et de sortie de la centrale thermique, la visualisation du comportement des flux a été simulée d'une manière orientée vers le processus, ce qui est également impossible dans une centrale physique dans le monde réel. Même si les modèles mis en œuvre dans cette étude en sont encore au stade initial, les résultats montrent la faisabilité de l'approche basée sur la simulation en tant que nouvelle direction pour résoudre le problème de l'exploitation dynamique des centrales afin de faire face à l'imprévisibilité de l'approvisionnement et/ou de la demande en énergie et de proposer une solution basée sur la simulation pour gérer l'exploitation adaptable des centrales.
Références
Joines J. A., et S. D. Roberts. 2015. Simulation Modeling with SIMIO : A Workbook, SIMIO LLC, PA, USA.
Kelton W.D., R. P. Sadowski, et D. T. Strurrock. 1998. Simulation with Arena. WCB McGraw-Hill, Boston, MA, États-Unis.
Smith S. S., D. T. Sturrock, et D. W. Kelton. 2015. Simio et Simulation : Modeling, Analysis, Applications. SIMIO LLC, PA, USA.