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CYCLES A VAPEUR
T.A.V
Conversion d´énergie
Chaleur
Énergie
Fossile
Énergie Électrique
Centrale thermique
Généralités
• Cycle à vapeur de puissance importante de 50 à
1300 MW
• Fluide moteur : eau ou plus rarement
ammoniaque pour de faibles puissance
• La puissance thermique au GV provient :
–
–
–
–
Réactions nucléaires (eau pressurisée ou eau bouillante)
Combustibles fossiles (pétrole,charbon, gaz,…
Sources chaudes (géothermie)
De l’échappement d’un cycle à gaz (cycle mixte) très intéressant
pour le rendement global.
Généralités
• Utilisation
– Production d’électricité
– Propulsion des navires et sous-marins
• Avantages
– Rendement > 45% > cycles à gaz
– Compression par des pompes de faibles puissances
• Inconvénients
– Flexibilité : mise en route > 12 heures
– Grosses installations
– Problème de sécurité (Centrales nucléaires)
Cycle Vapeur
Centrale thermique
Centrale nucléaire
Cycle de RANKINE ou HIRN
QGV
Surchauffeur
4
Turbine
WT
3
F
5
Bouilleur
Condenseur
3’
GV
m
Qc
1
2
P
Pompe WP
T
4
Turbine
CYCLE DE RANKINE (HIRN)
3’
Bouilleur
3
Pompe
2
Condenseur
1
5
s ( kJ/kg/K)
Choix de la pression de la vapeur
• Entre 10 et 80 bars hv reste à peu prés
constante
• Entre 40 et 120 bars xv reste à peu prés
constante
• Mais trop forte pression à éviter : trop
fortes contraintes mécaniques  surcoût
• Choix courant entre 30 et 80 bars
Enthalpie et Chaleur latente de la vapeur saturée
h v  Cte
3 000
hv, hl ou L (kJ/kg)
2 500
2 000
hl (kJ/kg)
1 500
hv (kJ/kg)
Llv (kJ/kg)
1 000
500
0
0
10
20
30
40
50
60
P (bar)
70
80
90
100
110
120
Exergie de la vapeur saturée
x v  Cte
1 200
1 000
xv ou xl (kJ/kg)
800
xl (kJ/kg)
600
xv (kJ/kg)
400
200
0
10
20
30
40
50
60
p (bar)
70
80
90
100
110
120
Générateur de Vapeur
ou
Chaudières
CHAUDIERES
Schéma de principe d'une chaudière de production de vapeur
Bâche alimentaire avec appoint d'eau traitée (décarbonatée, déminéralisée, dégazée...)
Pompe alimentaire (pression de refoulement supérieure à la pression de la vapeur)
Économiseurs (primaire et secondaire) permettant de refroidir les fumées en
préchauffant l'eau d'alimentation
Foyer avec brûleur (système de production de vapeur non représenté)
Réseau vapeur avec soupapes de protection
Analyseur d'oxygène sur les fumées pour réglage de l'excès d'air
Cheminée pour rejet des fumées
CHAUDIERES
Dans les chaudières à tubes de fumées, la flamme et les fumées qui résultent
de la combustion circulent du brûleur jusqu'à la cheminée dans un faisceau de
tubes immergés dans une calandre formant le réservoir d'eau.
Elle produisent généralement de la vapeur saturante, directement issue de
l'ébullition dans le réservoir d'eau.
Transfert de chaleur
Par rayonnement
Puis par
convection
Chaudières à tubes de fumées
Chaudières à tubes de fumées
Chaudières à tubes d'eau
Dans les chaudières à tubes d'eau, la combustion est réalisée dans une
enceinte garnie de briques réfractaires, laquelle est tapissée de tubes
d'eau. Ces tubes sont alimentés par deux ballons, l'un en partie supérieure
avec régulation de niveau, l'autre en partie basse en charge.
1) L'eau liquide mise en ébullition (rayonnement) dans les tubes, circule
du bas vers le haut par effet thermosiphon.
2) La vapeur produite est ensuite surchauffée par convection(surchauffeur)
3) Puis passe par les économiseurs (préchauffe de l'eau alimentaire à
l'aide des fumées déjà préalablement refroidies
Ce sont des chaudières pouvant atteindre de fortes pressions et de
fortes puissances (100bars, 100T.h-1)
La température de la flamme étant de 1500 °C il faut que dans
les tubes, circule du liquide en non de la vapeur pour évacuer
l’apport important de chaleur sans augmenter trop la température
des tubes limitée à 650 °C (pour limiter les coûts)
Schéma de principe d'une chaudière à tubes d'eau (Doc.GDF)
Les deux brûleurs (haut et bas)
Les ballons d'eau (bleu)
supérieur et inférieur
Le surchauffeur
(rouge), les
économiseurs
(en vert)
Le conduit des
fumées
on distingue l’arrivée d'air de combustion avec soufflante
Chaudière à tubes d'eau
Chaudière à tubes d'eau
Générateur de Vapeur
• Par rapport à une chaudière dans un GV :
• Pas d’effet radiatif
• Température de chauffage éloignée de la
flamme
• Chauffage par convection uniquement
• Il n’est plus indispensable de placer le
vaporiseur en premier
G az de cheminée
Arri vée
d'ai r
Réchauf eur
d'air
TURBINE
G énératrice
vapeur
s urchauf fée
à haute press ion
Vapeur
bass e pres si on
eau
chaude
C O NDEN SEUR
vapeur
Ai r
C h au d
Eau de
ref roidis sement
s urchauf feur
Pompe
Combus tible
Gé n é rate ur de vape u r
CENTRALE THERMIQUE À VAPEUR D'EAU
Pompe
Fumées
Entrée d'air
Prˇchauffe de l'air
Entrée
d'eau
BALLON
Séparateur
gravitaire
Economiseur
Vers
turbine
Vaporiseur 1
SURCHAUFFEUR
Vaporiseur 2
FOYER
Entrée combustible
SCHEMA DU GENERATEUR DE VAPEUR
TURBINE A VAPEUR
Divers types de turbines à vapeur
Turbine à condensation
HP > 40 bars
BP < 0.1 bar
Condenseur
Corps HP d’une turbine Alsthom de 125 MW
Ailettes
Rotor MP-BP d’une turbine à resurchauffe de 125 MW à 3 000 tr/min. Alsthom
Divers types de turbines à vapeur
Turbine à contre pression
HP > 40 bars
BP = 4 bars
Autres utilisations
Divers types de turbines à vapeur
Turbine à soutirage et condensation
HP > 40 bars
BP < 0.1 bar
Condenseur
Soutirage (s)
MP = 10 bars
Divers types de turbines à vapeur
Turbine à soutirage et contre pression
HP > 40 bars
BP = 4 bars
Autres utilisations
Soutirage (s)
MP = 10 bars
Contraintes technologiques
• Résistance mécanique (150 à 300 bars) et
thermique (200 à 500°C) de l’acier des tubes de
la chaudière
• Débit volumique important (BP)  (S , U >>)
• Pression très faible au condenseur  entrée d’air
• Titre en fin de détente proche de 1 sinon
présence de nombreuse gouttelettes Qui
diminue le rendement
humide
 1  1  x  x(titre) &   1
sec
Améliorations
Cycles à resurchauffe
Cycle à resurchauffe
6
5
R es u rch a u ffeu r
Q GV
4
3
Tu rb i n e
Tu rb i n e
WT
S u rch a u ffeu r
7
B o u ill eu r
C o n d en s eu r
GV
Q C
2
1
WP
Pom pe
Cycle à ressurchauffe
T
4
6
3
5
2
7
1
s
C y c le à r e s s u r c h a u f f e
(
k J / k g/ K )
Cycle vapeur
à soutirage
3
2
TC
2'
PC
4'
TF
1
4
Cycle isoadiabatique avec de la vapeur condensable
PF
Cycle vapeur
à soutirage
WT
Turbine
4
3
Qb
Qc
4'
Soutirages
Bouilleur
Condenseur
2
2'
Pompe
1
Cycle vapeur à soutirage
Q GV
Surchauffeur
4
Turbine
Turbine
F
WT
m-m
G
s
H
Soutirage
Bouilleur
Condenseur
E
Vanne
ms
QC
GV
D
B
C
m
A
WP
Pompe
Pompe
J
WP
Cycle à soutirage
T
F
E'
E
G
D
B
C
H
A
s ( kJ/kg/K)
Cycle à un soutirage
Condenseur
•
•
•
•
•
Refroidissement par eau (rivière, lac,mer)
Besoin de gros débit d’eau
Refroidissement par tour atmosphérique
Impact sur l’écosystème (eau ou air)
Besoin d’extraire l’air dissous dans l’eau
alimentaire. L’air non condensable finirait
par bloquer le fonctionnement du
condenseur
Condenseur en dépression
Vapeur en sortie de turbine
air
E
air
P=0,1 bar
S
Sortie d’eau à l’état liquide
Eau de
refroidissement
Notation et hypothèses
Débit masse de vapeur :
 V   vm
 ;  v : titrede vapeur
m
Débit masse d’eau liquide :
 L  (1   v )m
 ; m
  Cte
m
Débit masse d’air (faible) :
 a  am
  Cte
m
Débit masse total :
 L m
 V m

m
 VE  VE m
 & m
 LE  1  VE  m

m
Entrée
Sortie
  Cte
m
En absence d’air :
Dans le condenseur
 V   vm

m
 VS  0 & m
 LS  m

m
diminue localement.
Dans le condenseur
 V   vm

m
Diminue.
En présence d’air le gaz est de la vapeur humide saturée.
pv    v p  p vs T
Donc si
v
Avec p=Cte si on néglige la pdc
diminue alors T diminue
On ne peut plus garder une température constante
La diminution de température est limitée à la température
de l’eau de refroidissement
Et le titre de la vapeur d’eau n’est plus nul.
Diagramme (T, s) de l’eau
Sans entrée d’air
Avec entrée d’air
S
E
Tcond
Trefr
S
Extraction de l’air par pompe à vide
Extraction de l’air par trompe à vide
E
air
air
Gaz = air+vapeur d’eau
trompe à vide
Eau
Vapeur en sortie de turbine
S
CONDENSEUR