Ingénierie détaillée d’un échangeur à lit fluidisé

Le prestataire transforme les configurations thermiques optimisées par le CNRS en un dossier d’ingénierie détaillée, exploitable pour l’approvisionnement, la fabrication, l’installation, la mise en service, l’exploitation et la maintenance d’un échangeur de chaleur à lit fluidisé particules–CO₂ supercritique. Le périmètre couvre quatre puissances thermiques et deux diamètres extérieurs de tubes ; il comprend la sélection des configurations et l’évaluation de leur fabricabilité, de leur coût et de leur fiabilité opérationnelle.

Cas de conception et configurations étudiées

La pression du sCO₂ indiquée pour les cas de conception est de 25 MPa. Les conditions d’entrée/sortie et débits massiques sont :

| Puissance | Particules, entrée/sortie | sCO₂, entrée/sortie | Débit particules | Débit sCO₂ |
|---|---:|---:|---:|---:|
| 6,4 MWth | 710 / 559 °C | 539 / 680 °C | 38,8 kg/s | 36,2 kg/s |
| 20,9 MWth | 750 / 507 °C | 495 / 720 °C | 79,4 kg/s | 74,1 kg/s |
| 62,5 MWth | 750 / 514 °C | 495 / 720 °C | 238 kg/s | 222 kg/s |
| 125 MWth | 750 / 518 °C | 495 / 720 °C | 477 kg/s | 444 kg/s |

Les huit configurations optimisées à comparer sont :

| Puissance | Ø extérieur tube | Compartiments | Tubes | Longueur × largeur × hauteur | Surface d’échange |
|---|---:|---:|---:|---:|---:|
| 125 MWth | 10,3 mm | 12 | 28 322 | 19,163 × 5,492 × 5,588 m | 17 563 m² |
| 125 MWth | 13,7 mm | 16 | 13 953 | 27,000 × 5,140 × 5,262 m | 16 215 m² |
| 62,5 MWth | 10,3 mm | 13 | 14 314 | 19,585 × 3,914 × 4,210 m | 9 071 m² |
| 62,5 MWth | 13,7 mm | 18 | 7 098 | 27,954 × 3,679 × 3,986 m | 8 541 m² |
| 20,9 MWth | 10,3 mm | 17 | 4 903 | 20,741 × 2,304 × 2,805 m | 3 291 m² |
| 20,9 MWth | 13,7 mm | 29 | 2 504 | 31,375 × 2,202 × 2,697 m | 3 381 m² |
| 6,4 MWth | 10,3 mm | 10 | 2 012 | 14,931 × 1,488 × 2,092 m | 972 m² |
| 6,4 MWth | 13,7 mm | 17 | 1 009 | 21,781 × 1,414 × 2,009 m | 946 m² |

Les paramètres de référence d’agencement du faisceau comprennent H dist = 200 mm, l bot = 100 mm, l v = 2,75 × Dtube,out, l top = 50 mm, H dis = 500 mm et l h = l wall = 3,15 × Dtube,out.

Conception, matériaux et sécurité

La conception physique et mécanique couvre notamment le faisceau de tubes, les compartiments et leurs distributeurs, les collecteurs et manifolds sCO₂, les entrées et sorties de particules, les supports, l’enveloppe, l’isolation et la gestion de la dilatation thermique. La modélisation et la conception doivent vérifier les paramètres thermiques et mécaniques, les contraintes de fabrication et la tenue en exploitation à long terme.

L’étude documentée des matériaux compare notamment les aciers inoxydables austénitiques et ferritiques/martensitiques, les superalliages à base de nickel et les revêtements ou traitements de surface. Pour les tubes, les candidats cités incluent 316H, 347H, Inconel 625, Inconel 740H, Haynes 230 et Haynes 282, ou des alliages équivalents qualifiés. L’évaluation porte sur la tenue mécanique et au fluage à haute température, la fatigue thermique, l’oxydation, la corrosion par le sCO₂, l’érosion par les particules, la soudabilité, la disponibilité et le coût sur le cycle de vie. La durée de vie de conception demandée est d’au moins 25 ans en fonctionnement cyclique, à raison d’un cycle par jour, avec particules pouvant atteindre 750 °C et sCO₂ jusqu’à 250 bar. Les collecteurs, distributeurs, supports, parois de compartiments et enveloppes sont également concernés ; les effets de dilatation différentielle, de soudage et de concentration des contraintes sont à évaluer.

Les composants sous pression doivent suivre un code de conception identifié et justifié, parmi les références citées : ASME BPVC Section VIII Division 1, Division 2 le cas échéant, Section III ou cas de code pertinents pour la haute température, et approches haute température pertinentes telles que l’ASME Code Case 2843 ; références européennes EN 13445 et EN 12952. Les structures sont à concevoir selon l’Eurocode 3 (EN 1993) ou l’AISC 360. Les exigences de conception indiquent 250 bar et 750 °C en sortie pour le circuit sCO₂ ; pour les particules, une pression proche de l’atmosphère et une température de conception de 750 °C.

L’analyse de sécurité définit un système d’évacuation d’urgence des particules pour protéger les tubes sous pression de la surchauffe et prévenir une hausse critique de pression en cas de fuite du faisceau. Les scénarios comprennent notamment perte de circulation du sCO₂, rupture d’un tube, coupure électrique ou auxiliaire, défaillance du contrôle et arrêt d’urgence. Elle doit déterminer la pression maximale admissible en cas de rupture, le temps et la capacité d’évacuation des particules ainsi que la marge de protection thermique. La conception du lit fluidisé doit favoriser une circulation stable, une température uniforme, un transfert particules/tubes efficace, un temps de séjour contrôlé, de faibles pertes de charge et une dégradation limitée des particules. Les références de fluidisation sont l’olivine (Mg,Fe)₂SiO₄, d50 = 70 µm, densité absolue ≈ 3 350 kg/m³, classe Geldart A/B, capacité thermique ≈ 1 130–1 205 J/kg·K, vitesse du gaz 0,04 m/s, vitesse minimale de fluidisation ≈ 0,004 m/s et rapport U/Umf ≈ 10.

Fabrication, installation et livrables

Le dossier destiné à l’approvisionnement, à la fabrication et à l’installation comprend les plans d’ensemble et de fabrication, du faisceau et de ses entrées/sorties, des compartiments et des parties sous pression, les nomenclatures, spécifications de fabrication et de soudage, et exigences d’inspection. Les estimations détaillées des coûts de fabrication portent sur les matériaux, procédés, usinage, soudage, contrôles, assemblage, instrumentation et installation ; elles sont à fournir pour chaque puissance thermique et chaque configuration de diamètre de tube.

Le prestataire définit les modules d’expédition et dimensions maximales de transport, la manutention et le levage, la séquence de montage sur site, le soudage et les inspections sur site, le remplissage en particules, les raccordements au cycle de Brayton sCO₂ et aux systèmes de transport des particules, ainsi que l’installation de l’instrumentation. Il prévoit les essais de pression et d’étanchéité, la mise en service à froid et les procédures de mise en service à chaud. La stratégie de maintenance traite de l’inspection, des accès, du nettoyage, du remplacement et des intervalles d’inspection recommandés, en tenant compte de la durée de vie de conception de 25 ans.

Les livrables requis sont : rapport de conception mécanique ; rapport de sélection des matériaux, des coûts et d’évaluation de la durée de vie ; dossier de plans de fabrication pour les quatre cas de référence ; rapport d’estimation des coûts de fabrication ; manuel d’installation et de maintenance et rapport de sécurité.