Le progiciel Thermoptim fournit un environnement de modélisation intégrant de manière profondément interconnectée un éditeur de schémas / écran synoptique), des diagrammes interactifs, des fonctions de simulation et une méthode d'optimisation basée sur la méthode du pincement. Son objectif est double : faciliter et sécuriser la modélisation des technologies de conversion de l'énergie.
Fonctionnalités de base du simulateur
Thermoptim permet de calculer automatiquement l'état complet (température, pression, volume massique, enthalpie, énergie interne, entropie, exergie, titre) de différents fluides, qui peuvent être des gaz idéaux ou des vapeurs condensables. Ces fluides peuvent subir diverses transformations, comme les suivantes incluses dans le noyau commun :
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des compressions et des détentes, en système ouvert ou fermé. Elles peuvent être adiabatiques ou polytropiques, et sont caractérisées par leur rendement isentropique ou polytropique ;
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des combustions, elles aussi en système ouvert ou fermé, à pression imposée, volume imposé ou température constante. Le combustible peut être introduit dans la chambre de combustion séparément du comburant, ou bien prémélangé. La dissociation du dioxyde de carbone peut être prise en compte ;
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des laminages isenthalpiques ;
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des échanges de chaleur entre fluides, le progiciel pouvant calculer le produit UA du coefficient d'échange thermique par la surface de l'échangeur, pour des configurations à contre-courant, co-courant, à courants croisés ou du type (p-n).
Pour représenter les réseaux de fluides auxquels on a recours, on définit des nœuds, en pratique des mélangeurs, des diviseurs ou des séparateurs, assurant la conservation du débit et celle de l'enthalpie. Les autres éléments (compresseurs, organes de détente, chambres de combustion, échangeurs) peuvent leur être aisément connectés.
Des mélanges de fluides peuvent ainsi être réalisés, conduisant à la création de corps composés, considérés comme des gaz idéaux. Thermoptim permet en particulier de traiter les gaz humides, mélanges d'un gaz sec et de vapeur d'eau susceptible de se condenser, et propose six types de transformations particulières à ce genre de mélange (chauffage, refroidissement, humidification adiabatique ou non, soufflage, dessiccation).
Le progiciel possède une base de données des propriétés thermodynamiques des corps les plus couramment rencontrés en pratique. L'ensemble des éléments composant le système étudié est regroupé sous forme de projet, et peut être facilement manipulé grâce à des interfaces appropriées.
Fonctionnalités avancées du simulateur
De surcroît, Thermoptim incorpore des fonctionnalités avancées très puissantes destinées à des utilisateurs confirmés, qui en font un outil très bien adapté pour étudier des systèmes innovants à faible impact environnemental :
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il est possible de réaliser des extensions de Thermoptim, en ajoutant des modules reconnus par le progiciel, appelés classes externes, qui définissent des éléments (corps ou composants) qui apparaissent automatiquement dans ses écrans de manière transparente pour l'utilisateur ;
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Thermoptim peut aussi être couplé à des serveurs de propriétés thermodynamiques externes afin de pouvoir prendre en compte de nouveaux fluides, notamment des mélanges de vapeurs ;
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il possède des algorithmes d'optimisation très puissants basés sur la méthode du pincement ;
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il permet de générer des structures productives (au sens de Valero) et d'automatiser l'établissement des bilans exergétiques de systèmes complexes, ce qui débouche sur l'optimisation thermoéconomique ;
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Thermoptim peut aussi être utilisé pour effectuer le dimensionnement technologique d'installations énergétiques et en étudier le comportement lorsqu'elles fonctionnent en régime non-nominal
Thermoptim est ainsi une plate-forme générique de modélisation de systèmes énergétiques, capable de modéliser des systèmes très variés, des plus simples aux plus complexes, dotée de puissants outils d'analyse exergétique (les méthodes exergétiques sont de plus en plus considérées comme parmi les mieux adaptées pour effectuer des études d'optimisation, car elles permettent de tenir compte aussi bien des quantités d'énergie mises en jeu que de leur qualité).
Galerie de copies d'écran de Thermoptim
Voici quelques exemples des écrans de Thermoptim.
Synoptique d'une centrale à vapeur à resurchauffe et prélèvement
Dans ce schéma, la chaudière est représentée en partie haute par quatre transformations de type "échange".
En sortie de turbine HP, un diviseur sépare le débit principal de vapeur en un prélèvement servant à réchauffer l'eau sortant de la bâche alimentaire, tandis que le reste du débit passe dans le réchauffeur avant d'être détendu dans la turbine BP.
Dans le bas du schéma, l'eau sortant de la turbine BP est condensée, puis comprimée à la pression intermédiaire et injectée dans la bâche alimentaire où elle est mélangeé avec le prélèvement, ce qui permet d'en augmenter la température.
L'eau sortant de la bâche alimentaire est ensuite comprimée à la pression maximale du cycle et dirigée vers l'économiseur.
Le petit cartouche au centre de l'écran synthétise les informations sur le bilan énergétique du cycle.
Ecran d'une transformation de type combustion
Voici un écran de chambre de combustion paramétré pour prendre en compte un taux de dissociation du CO2 dans les fumées de 2 %. La température des fumées est fixée à 1065 °C et on cherche à déterminer le facteur d'air lambda correspondant.
Optimisation d'un cycle combiné à deux niveaux de pression
Voici le synoptique d'un cycle combiné à deux niveaux de pression en cours d'optimisation par la méthode du pincement. Cette méthode permet de rechercher la configuration du réseau d'échangeurs conduisant au maximum de puissance électrique produite. Pour cela, elle fait appel aux courbes composites présentées ci-dessous.
Au début du processus d'optimisation, le réseau d'échangeurs couplant la veine de gaz chauds sortant de la turbine à gaz aux deux circuits de vapeur n'est pas construit, comme sur cette figure. Seules sont définies les transfos de type "échange" des circuits vapeur, représentant les deux ensembles (économiseur, vaporiseur, surchauffeur), et au moins une transfo de refroidissement des gaz (il y en a trois ici mais ce n'est pas nécessaire).
Lorsque l'optimisation est terminée, le réseau d'échangeurs est beaucoup plus complexe, comme le montre la figure ci-dessous. Certaines veines doivent être découpées afin de chauffer en parallèle les circuits vapeur dont les températures sont voisines.
Courbes composites exergétiques d'un cycle combiné à deux niveaux de pression
La courbe composite chaude (resp. froide) est construite en cumulant, par niveau de température, les enthalpies disponibles dans les fluides chauds, ici la veine de gaz chauds (resp. froids, ici les deux circuits à vapeur).
Sur la figure ci-dessous, la composite chaude tracée en rouge, au dessus de la composite froide (en bleu). Leurs positions relatives constituent une caractéristique systémique de l'installation considérée, et les pincements apparaissent aux endroits où elles sont les plus proches (il y en a deux ici).
La Courbe des Ecarts des Facteurs de Carnot (CEFC, en vert sur la figure) peut être construite en soustrayant la composite froide de la chaude.
Sur cette figure, les ordonnées sont exprimées en facteur de Carnot θ = 1-T0/T, T0 étant la température de l'environnement.
Dans ce cas, les irréversibilités du système sont exactement égales à l'aire sous-tendue par cette courbe.
On a aussi fait apparaître une courbe noire, appelée Lieu des Pincements Minimaux (LPM).
Sur cette figure, la méthode d'optimisation a permis de minimiser les pincements entre les deux courbes : la courbe verte touche la noire aux deux points de pincement.
Structures productives
Cette figure montre la correspondance entre le schéma d'un cycle à vapeur et sa structure productive.
Une telle structure productive s'interprète très simplement : la centrale à vapeur est une machine qui reçoit de l'extérieur un apport d'exergie au niveau de la chaudière, et, par recyclage interne, un apport d'exergie au niveau de la pompe, qui sont les deux unités productives à gauche de l'écran. Cette exergie est dissipée dans la turbine et dans le condenseur.
Le travail net correspond à la fraction de puissance mécanique non recyclée.
Bilans exergétiques
Cette figure montre le bilan exergétique d'un cycle combiné établi automatiquement par Thermoptim grâce à la structure productive du projet.
Cycle de traitement de l'air
Voici la représentation dans le diagramme psychrométrique de l'air, d'un cycle de climatisation d'été. L'air extérieur est d'abord mélangé à une partie de l'air intérieur qui est recyclé. Le mélange est ensuite refroidi et condensé dans une batterie froide jusqu'à ce que son humidité absolue soit égale à celle correspondant aux conditions de soufflage. L'air refroidi est enfin légèrement réchauffé pour conduire aux conditions de confort désirées.
Catalogue d'exemples
Des catalogues d'exemples peuvent être préparés pour faciliter le chargement des fichiers de projet et de schéma.
Celui-ci correspond aux explorations dirigées de Thermoptim. Sur l'image est sélectionnée la deuxième exploration utilisée dans le MOOC CTC.
Explorations dirigées
Le navigateur Thermoptim permet de visualiser les explorations dirigées. Voici l'onglet de présentation des transfos dans l'exploration dédiée à la découverte de Thermoptim.
