FONCTIONNEMENT D’UNE CENTRALE THERMIQUE Centrales avec turbines à vapeur La source chaude chauffe (directement ou indirectement) de l'eau qui passe de l'état liquide à l'état vapeur, la vapeur ainsi produite est admise dans une turbine à vapeur où sa détente provoque la rotation des roues de la turbine, accouplée à un alternateur qui transforme l'énergie mécanique de la turbine en énergie électrique. A la sortie de la turbine, la vapeur est condensée dans un condenseur alimenté par une source froide (eau de mer, eau de rivière…), elle se retrouve à l'état liquide et ce condensat est renvoyé dans le système d'alimentation en eau pour un nouveau cycle de vaporisation. C’est le cycle Eau-Vapeur. La cogénération consiste à produire conjointement de l'électricité et de la chaleur destinée à un procédé industriel ou au chauffage urbain, afin d'améliorer le rendement global. 1 31/12/2016 PROPRIETES DES CORPS PURS – SURFACES D’ETATS Un corps pur peut exister sous trois phases : solide, liquide, vapeur. Ces phases n’existent que pour certaines valeurs de la pression P , la température T et le volume V. La représentation de ces états s’effectue en généralisant le tracé des isothermes, chaque isotherme étant contenue dans un plan. 2 31/12/2016 PROPRIETES DES CORPS PURS – SURFACES D’ETATS REPRESENTATION D’ETAT D’EQUILIBRE LIQUIDE – VAPEUR DANS LE PLAN (P,T) Considérons un mélange liquide-vapeur à la température T < TC . Les différents états de cet équilibre sont représentés par le segment AB, dont la projection dans le plan (P, T ) donne un point : à chaque température d’un mélange liquide-vapeur, il ne peut correspondre qu’une pression. 3 31/12/2016 LA VAPEUR D’EAU La vapeur d'eau est l'état gazeux de l'eau. C'est un gaz inodore et incolore. De manière plus générale, la vapeur humide ou vapeur saturante désigne la vapeur en équilibre avec le liquide dans une coexistence de phase. Courbe de point d’ébullition de vapeur d’eau Courbe de création de la vapeur d’eau (dont le domaine est en grisé). température en Vapeur Vapeur surchauffée la Combustible solde En abscisse, degrés Celsius. Liquide Pression Bar En ordonnée (échelle logarithmique), la pression en bars. Point critique Point triple Température °C 4 31/12/2016 PRESSION DE VAPEUR SATURANTE A une température T donnée, l’équilibre d’un liquide et de sa vapeur n’est possible que sous une pression P qui est la pression de vapeur saturante. La courbe représentant la pression de vapeur saturante en fonction de la température, distingue deux états du fluide : si P < Psat gazeux. le fluide est dans l’état si P > Psat liquide. le fluide est dans l’état si P = Psat le fluide est en équilibre liquide-vapeur . 5 31/12/2016 CARACTERISTIQUES DU POINT CRITIQUE La courbe de pression de vapeur s’arrête brusquement au point critique C : la liquéfaction du gaz ne peut s’observer qu’au dessous de la température critique TC . Pour l’eau : Point triple : T = 273, 16 K P = 611 Pa Point critique : T = 647 K P = 221. 105 Pa 6 31/12/2016 APPROXIMATION ALGEBRIQUE DE LA PRESSION DE VAPEUR SATURANTE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE La pression de vapeur saturante est une fonction de la température La formule la plus simple est la formule de Duperray dont la précision varie de 1 % à 6 % entre 100 °C et 280 °C : qui donne pS en atmosphères pour t exprimée en degrés Celsius. 1 atmosphère = 1,013 bar Le point critique de l’eau est : 374,1 °C, 220,87 bar. Chaleur massique à volume constant, 100 °C, 1 atm : 1 410 J/(kg K) Vitesse du son : 401 m/s à 130 °C , celle-ci augmente très fortement avec la température : elle est d’environ 800 m/s à 1 000 °C. 7 31/12/2016 PROPRIETES PHYSIQUES DE LA VAPEUR D’EAU : POINT CRITIQUE – POINT TRIPLE Le point critique C d’un corps est le point du diagramme température-pression où s’arrête le courbe d’équilibre liquide-gaz. Le long de cette courbe qui part du point triple T, la différence de masse volumique entre liquide et gaz diminue jusqu’à s’annuler au point critique. En ce point toutes les propriétés des phases (indice de réfraction ,chaleurs massiques,etc) deviennent identiques. Le point triple d’un corps pur est le point du diagramme de phase températurepression où peuvent coexister les trois phases liquide, solide et gaz. Aux températures et pressions supérieurs à celles du point critique on ne peut plus distinguer une phase lique liquide d’une phase gaz. On passe continument des proprités d’un liqide à celles d’un gaz. Le corps pur est alors qualifié de fluide supercritique. 8 31/12/2016 ETAT SUPERCRITIQUE Toute élévation supplémentaire d’un des trois paramètres au-delà de sa valeur critique (donc au-delà du point critique) conduit à l’état qualifié de « supercritique » dans lequel le corps ne peut donc physiquement être ni liquide ni gazeux. C’est l’état que l’on observe dans la partie haute de ce graphique tridimensionnel Volume/Température/Pression. Aux températures et pressions supérieurs à celles du point critique on ne peut plus distinguer une phase liquide d’une phase gaz. On passe continument des proprités d’un liqide à celles d’un gaz. 9 31/12/2016 PROPRIETES PHYSIQUES DE LA VAPEUR D’EAU : POINT CRITIQUE – POINT TRIPLE Courbe de point d’ébullition de vapeur d’eau Point critique Vapeur Vapeur surchauffée Combustible solde Pression Bar Liquide Point triple Température °C 10 31/12/2016 THEORIE DU PROCESS – DIAGRAMME TS POUR EAU ET VAPEUR SCHEMA TS - EAU ET VAPEUR TEMPERATURE °K Point critique Vapeur surchauffée Eau Vapeur humide ENTROPIE (S) 11 31/12/2016 PROPRIETES PHYSIQUES DE LA VAPEUR D’EAU : CHALEUR LATENTE DE VAPORISATION On appelle chaleur latente de vaporisation la quantité de chaleur qu’il faut fournir à l’unité de masse du liquide à la température T, sous la pression d’équilibre P , pour la transformer en vapeur à la même température et sous la même pression. La chaleur latente de vaporisation diminue lorsque la température s’élève pour s’annuler au point critique. La formule de Clapeyron permet de relier la chaleur latente de vaporisation a` la pente de la courbe : uvap : uliq : 12 volume massique de la vapeur à la température T . volume massique du liquide à la température T . 31/12/2016 PROPRIETES PHYSIQUES DE LA VAPEUR D’EAU : DEFINITION DE L’ETAT D’UN MELANGE Soit x la proportion massique de vapeur contenue dans le mélange : On définit le titre du mélange La masse totale du mélange est : m = mvap + mliq Le volume massique est : u = x uvap + (1 13 x) uliq 31/12/2016 PROPRIETES VAPEUR D’EAU ET EAU LIQUIDE AUX CONDITIONS DE SATURATION 14 Température (°C) Pression de vapeur (kPa) -15 0,191 8 0 Liquide Vapeur Chaleur de vaporisation (kJ/kg) 0,611 0,001 000 21 206,310 2 500 100 101,325 0,001 043 5 1,673 2 257 200 1 555,0 0,001 156 5 0,127 18 1 938 300 8 592 0,001 403 6 0,021 62 1 403 374 22 087 0,002 79 0,003 65 147 Volume massique (m³/kg) 31/12/2016 DIAGRAMME DE MOLLIER Le diagramme de Mollier (ou diagramme enthalpique) est un diagramme relatif aux fluides, à leur changement d'état (liquide/vapeur) et à leurs pressions/températures d'utilisation. L'abscisse correspond à la valeur entropique S du point, en kJ/kg*K L'ordonnée à son enthalpie H , en kJ/kg Il est utilisé par les chercheurs et ingénieurs dans la conception des processus et des équipements utilisant la vapeur. 15 31/12/2016 DIAGRAMME DE MOLLIER Il peut servir à déterminer la quantité de chaleur produite ou consommée par une variation de température et/ou d'état d'un fluide. Cette approche consiste à placer différents points qui correspondent à une pression et à une température définies à l'avance. En somme, il s'agit de faire figurer l'état initial et l'état final d'un fluide, puis de se reporter à l'ordonnée du diagramme pour déterminer les enthalpies respectives de chacun des points. Nous pouvons également lire directement une variation sans avoir à recourir à un surfaçage. Dans le domaine liquide + gaz, nous remarquons que les lignes isothermes se confondent avec les isobares. Aussi, le point critique (critical point) est le point d'inflexion de la courbe délimitant la cloche de vapeur saturée sèche. 16 31/12/2016 DIAGRAMME DE MOLLIER H-S POUR VAPEUR D’EAU 17 31/12/2016 DIAGRAMME DE MOLLIER H-S POUR VAPEUR D’EAU Données : • • • • • • 18 Entropie Enthalpie Pression Temperature Volume spécifique Humidité For internal use only. Copyright © Siemens AG 2013 31/12/2016 Energy Sector DIAGRAMME DE MOLLIER H-S POUR VAPEUR D’EAU Ligne de température constante en C° Le diagramme présente le « contenu d’énergie » de vapeur à différentes conditions Ligne de pression constante en bar Enthalpie en kJ/kg Ligne de volume spécifique constant in m3 Ligne de Saturation Zone de vapeur Saturée (en dessous de la ligne de saturation) Ligne de contenu vapeur constant x For internal use 19 June 2013 Ralf Heymann 31/12/2016 DETAILS DE CHUTE D’ENTHALPIE Superchauffée Surchauffée Ligne de Saturation Humide 20 Humide 31/12/2016 EFFICACITE ISENTROPIQUE D’UNE TURBINE La turbine est la pièce maîtresse de toute centrale à vapeur. Longue de plusieurs dizaines de mètres dans les installations modernes, elle est équilibrée avec grand soin, mise en place dans son coffrage. Elle fait l’objet d’attention adéquate (minimisation des gradients de température, lubrification avancée), peut délivrer de la puissance mécanique pendant plusieurs dizaines d’années sans aucune interruption. L’efficacité d’une turbine se mesure en comparant sa puissance avec celle d’une turbine idéale (une turbine qui serait isentropique). On nomme le paramètre l’efficacité isentropique T : 21 Wturbine réelle = la puissance réelle fournie par la turbine. Wturbine isentropique = la puissance d’une turbine isentropique fonctionnant avec le même débit de masse et entre les deux mêmes pressions. 31/12/2016 PUISSANCE EN SORTIE TURBINE La puissance en sortie turbine (P) est influencée par : 1. Débit vapeur en kg/s ou t/h : m 2. Chute d’enthalpie spécifique : hs 3. Rendement interne : i ou Efficacité isentropique 4. Pertes mécaniques P m hS i pertes La limite de résistance du material doit être pris en considération 22 31/12/2016 DETAILS DU RENDEMENT INTERNE Rendement interne approximatif : 23 Turbines à contre pression / Backpressure turbines : i Turbines à condensation / Condensing turbines : i approx. (80- approx. (77- 31/12/2016 PERTES MECANIQUES En plus des pertes interne il y a des pertes mécaniques qui influence la puissance en sortie turbine ou une turbine. Pertes mécaniques de la turbine elle-même causées par : Pompes à huile à entrainement direct Paliers Pertes des composants à entrainement : Réducteur / Gearbox Générateur 24 31/12/2016 TURBINE A VAPEUR Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser l'énergie cinétique d'un fluide liquide comme l'eau ou gazeux (vapeur, air, gaz de combustion), pour faire tourner un arbre supportant les aubes de la turbine. L'énergie du fluide, caractérisée par sa vitesse et son enthalpie, est partiellement convertie en énergie mécanique pour entraîner un alternateur, un compresseur, une pompe ou tout autre récepteur mécanique rotatif. L'ensemble est alors respectivement appelé turbo-alternateur, turbocompresseur, turbopompe, …etc. 25 31/12/2016 TURBINE A VAPEUR Principes généraux de fonctionnement : La turbine à vapeur est un moteur à combustion externe, fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d’état affectant le fluide moteur qui est en général de la vapeur d'eau. Ce cycle comprend au moins les étapes suivantes : L’eau liquide est mise en pression par une pompe alimentaire et envoyée vers la chaudière. L’eau est chauffée, vaporisée et surchauffée. La vapeur est envoyée vers la turbine, où elle se détend en fournissant de l’énergie mécanique. La vapeur détendue est condensée au contact d'une source froide sous vide partiel. 26 31/12/2016 CYCLE DE RANKINE Circuit d’une centrale à vapeur fonctionnant sur un cycle de Rankine. L’eau à la sortie du condenseur est sous forme de liquide saturé, elle entre dans la chaudière à plus faible température. Diagramme température-entropie d’une centrale à vapeur fonctionnant sur un cycle de Rankine 27 31/12/2016 CYCLE THEORIQUE D’UNE MACHINE A VAPEUR : CYCLE DE RANKINE Le cycle Rankine est un modèle qui est utilisé pour prédire la performance des systèmes turbine vapeur. Le cycle de base d’une turbine `a vapeur (cycle théorique comportant un changement d’état) est un cycle de Rankine qui se déroule totalement en vapeur humide. La chaleur est fournie de l’extérieur à une boucle fermée qui utilise habituellement l’eau comme fluide de travail. Cette boucle est appelé le Cycle Eau-Vapeur Le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique endoréversible (càd réversibles avec les échanges intérieurs mais pas extérieurs) qui comprend : deux isobares (changement d’état isotherme) deux adiabatiques. 28 31/12/2016 CYCLE THEORIQUE D’UNE MACHINE A VAPEUR : CYCLE DE RANKINE C’est un cycle de Carnot (rectangle dans le diagramme ( aux vapeurs condensables. 29 S)), appliqué 31/12/2016 CYCLE D’UNE TURBINE A VAPEUR 30 31/12/2016 SCHEMA PHYSIQUE DES QUATRES PRINCIPAUX COMPOSANTS UTILISES DANS LE CYCLE RANKINE 31 31/12/2016 CYCLE DE RANKINE REEL Diagramme entropique du cycle de Rankine avec l'eau comme fluide de travail 32 31/12/2016 CYCLE DE RANKINE REEL Phase 1-2 : Le fluide de travail est pompé de basse à haute pression. Comme le fluide est liquide à cet étage, la pompe requiert peu d’énergie en entrée. Phase 2-3 : Le liquide haute pression entre dans une chaudière où il est chauffée à pression contante par une source de chaleur externe pour se transformer en une vapeur sec saturée. L’énergie entrée requise peut être facilement calculée en utilisant un diagramme enthalpy-entropie (h-s) ou diagramme de Mollier ou numériquement avec des tables vapeur. 33 31/12/2016 CYCLE DE RANKINE REEL Phase 3-4 : La vapeur sec saturée s’étend à travers une turbine, générant une puissance. Les diminutions de température et pression de la vapeur et d’autre condensation peuvent se produire. La sortie dans cette phase peut être facilement calculée en utilisant les diagramme et tables. Phase 4-1 : La vapeur humide entre ensuite dans un condenseur ou elle est condensée à pression constante pour se transformer en liquide saturé. 34 31/12/2016 CYCLE DE RANKINE AVEC UN SURCHAUFFEUR : CYCLE DE HIRN Le cycle de Hirn est un cycle de Rankine, dans lequel la vapeur sortant de la chaudière est surchauffée à une température supérieure à la température critique. Ce cycle présente deux avantages : 1. la surchauffe augmente la température (l’énergie) de la vapeur en début de détente . Surchauffeur Turbine 1.la détente est effectuée en régime sec. Pompe H.P. 35 Condenseur Chaudière B.P . 31/12/2016 THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE CYCLE DE HIRN T 2’ PROCESS AVEC SURCHAUFFE 2liq. 2 TEMPERATURE °K 1liq 1 2vap. 1vap. 1’ S Surchauffeur Surchauffeur Dilatation Dilatation réelle Vaporisateur Vaporisateur idéale Economiseur Economiseur ENTROPIE (S) ENTROPIE (S) 36 31/12/2016 CYCLE DE HIRN : GENERATEUR DE VAPEUR Gaz de cheminée Production de vapeur surchauffée : Arrivée d'air Réchaufeur d'air TURBINE Dans une chaudière à tubes d’eau, la tuyauterie qui prend en charge la vapeur saturée retourne dans le foyer, les gaz chauds apportent à cette vapeur saturée une énergie supplémentaire qui en élève la température sans en modifier la pression. On obtient ainsi de la vapeur surchauffée à la sortie. 37 Génératrice vapeur surchauffée à haute pression Vapeur basse pression eau chaude CONDENSEUR vapeur Air Chaud Eau de refroidissement surchauffeur Pompe Pompe Combustible Générateur de vapeur CENTRALE THERMIQUE À VAPEUR D'EAU 31/12/2016 SCHEMA DU GENERATEUR DE VAPEUR Fumées Entrée d'air Préchauffe de l'air Entrée eau BALLON Séparateur gravitaire Economiseur Vers turbine Vaporiseur 1 SURCHAUFFEUR Vaporiseur 2 FOYER 38 Entrée combustible 31/12/2016 THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE CYCLE DE HIRN Un process avec surchauffe a encore une autre surface dans la chaudière pour chauffer la vapeur aux températures élevées. La surchauffe suit la ligne 2 - 3, qui est une ligne de pression constante. Celà a deux avantages : Le rendement du process augmente (la température Tam augmente). L'humidité de la vapeur va être nulle jusqu'à ce que la courbe de la dilatation (3 - 4) dépasse la courbe en cloche. Cela signifie moins d'humidité ce qui va entraîner moins d'érosion sur les pales de la turbine. 39 31/12/2016 THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE – CYCLE DE HIRN Pour améliorer le rendement du cycle de Hirn, on cherche à augmenter la pression P2. Cette augmentation de pression risque de déplacer la détente en milieu humide. Afin de conserver une détente en vapeur sèche, la détente est fractionnée, permettant de resurchauffer la vapeur après une détente partielle : 40 31/12/2016 CYCLE DE HIRN – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE Pour augmenter à nouveau la puissance de l’installation sans augmenter le débit de vapeur (et donc sa taille globale et le coût de la chaudière), il est possible de chauffer une deuxième fois la vapeur avant sa sortie de la turbine. C’est ce que l’on appelle la resurchauffe. Avec cette modification, la détente dans la turbine est interrompue et la vapeur est conduite dans une nouvelle série de tubes pour porter à nouveau sa température à haute température (usuellement aux limites métallurgiques de la turbine). La détente est alors complétée jusqu’à la pression du condenseur. Le rendement global de l’installation est augmenté si la température moyenne de chauffage l’est aussi ; il faut donc choisir avec soin la pression de la resurchauffe. La consommation spécifique, elle, est diminuée dans tous les cas, avec les avantages décrits plus haut. 41 31/12/2016 THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE – CYCLE DE HIRN PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE TEMPERATURE °K Resurchauffeur Surchauffeur Vaporisateur Economiseur ENTROPIE (S) 42 31/12/2016 CYCLE DE HIRN – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE Diagramme température-entropie d’une centrale à vapeur fonctionnant sur un cycle de Rankine resurchauffé. Circuit d’une centrale à vapeur fonctionnant sur un cycle de Rankine resurchauffé. 43 31/12/2016 THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE – CYCLE DE HIRN – CYCLE AVEC SOUTIRAGE Considérons un cycle de Rankine, sans surchauffe : Au cours de ce cycle la transformation non-isotherme (1liq , 2 , 2liq ) absorbe la quantité de chaleur représentée par l’aire (1liq , 2 , 2liq , c , b , 1liq ) Cycle de Rankine avec soutirage Cette quantité de chaleur peut être récupérée en faisant subir à une partie de la vapeur issue de la chaudière, une transformation (2vap 4), dont le tracé est parallèle au trajet (2 2liq ). La chaleur dégagée pendant la transformation (2vap 4) est transférée au liquide pendant la transformation (2 2liq ) moyennant un échangeur interne. 44 31/12/2016 THEORIE DU PROCESS – PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE – CYCLE DE HIRN – CYCLE AVEC SOUTIRAGE Dans la pratique, on effectue plusieurs soutirages de vapeur passant dans des réchauffeurs. Avec plusieurs réchauffeurs en cascade, on s’approche du cycle idéal. Turbine Chaudière Echangeur Condenseur Pompe Cycle de Rankine avec soutirage 45 31/12/2016 CYCLE DE HIRN PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE – CYCLE AVEC SOUTIRAGE Diagramme température-entropie d’une centrale avec prélèvement de vapeur. 46 Circuit d’une centrale à vapeur avec prélèvement de vapeur. La vapeur extraite prématurément de la turbine est utilisée pour réchauffer l’eau liquide pendant le pompage. 31/12/2016 THEORIE DU PROCESS – PRECHAUFFAGE DE L’EAU D’ALIMENTATION La dernière mesure normalement faite pour augmenter le rendement est le préchauffage de l'eau d'alimentation. Cela est fait en prenant la chaleur (sous forme de vapeur à température élevée) provenant du processus et de l'utiliser pour le préchauffage. Comme cette chaleur ne provient pas d'une source étrangère, elle ne nécessite pas de calculer la Tam (la température moyenne de la chaleur provenant d'un processus extérieur). La température Tam augmente ce qui a pour résultat l'accroissement du rendement. 47 31/12/2016 CYCLE DE HIRN PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE – CYCLE AVEC SOUTIRAGE En pratique, de nombreux prélèvements (judicieusement appelés bleeds, ou « saignements » en anglais) sont effectués dans les circuits de centrale à vapeur, pour contrôler les flux de chaleur. Ils permettent accessoirement, par le biais de vannes de décharge, de réguler précisément les débits de masse et adapter ainsi rapidement la puissance de l’installation à la demande. 48 31/12/2016 CYCLE DE HIRN PROCESS AVEC SURCHAUFFE ET RESURCHAUFFE – CYCLE AVEC SOUTIRAGE Installation à vapeur mêlant surchauffe, resurchauffe, régénération, et conduits de décharge. 49 31/12/2016 THEORIE DU PROCESS – PRECHAUFFAGE DE L’EAU D’ALIMENTATION – CYCLE DE HIRN PROCESSUS AVEC PRECHAUFFAGE DE L’EAU D’ALIMENTATION TEMPERATURE °K ENTROPIE (S) 50 31/12/2016 CYCLE SUPERCRITIQUE A VAPEUR La recherche de rendements plus élevés a conduit à utiliser des températures de sources chaudes de plus en plus élevées. Dans le cycle supercritique, il n’y a plus de changement de phase dans le réchauffeur : il y a contournement du point critique. 2 4 6 T 3 5 1 7 S Cycle supercritique 51 31/12/2016
