Transcript LES TURBINES A VAPEUR : INSTALLATIONS MOTRICES A

LES TURBINES A VAPEUR :
INSTALLATIONS MOTRICES A VAPEUR (IMV)
GENERALITES, PRINCIPE D’UNE CENTRALE (1) :
Pour produire de l’électricité, les 3 éléments principaux sont : - un alternateur,
- un fluide,
- une turbine.
Si le fluide est de l’eau, on parlera de centrales hydrauliques,
Si le fluide est de la vapeur d’eau, on parlera de centrales thermiques.
Le mode de chauffage de l’eau se fera avec des combustibles fossiles (centrales
thermiques) ou avec des réactions nucléaires (centrales nucléaires)
Ces installations motrices à vapeur (IMV) correspondent aux moteurs les plus
puissants. Elles sont à apport externe de chaleur fournie par la combustion ou la
réaction nucléaire.
On les trouve :
• dans les grandes centrales de production d’électricité (classiques ou nucléaires)
où leur puissance peut atteindre 1 gigawatt.
• avec des tailles plus modestes dans l’industrie : puissance de 100 kilowatts à
quelques centaines de mégawatts.
1
GENERALITES, PRINCIPE D’UNE CENTRALE (2) :
Nécessité d’optimiser le cycle thermique et de construire des installations sûres :
complexité technologique
Le fluide : vapeur d’eau considérée comme un gaz réel
(utilisation de tables, diagrammes...)
Les cycles de base, dits cycles de Rankine, sont proches des cycles de Carnot
(gage d’efficacité). Des contraintes techniques détériorent cependant le rendement,
qui sont compensées par certaines améliorations (cycles de Hirn, avec resurchauffe
et soutirages, cycles combinés turbine à gaz / turbine à vapeur).
Les rejets thermiques de ces installations étant importants, la récupération de cette
chaleur est capitale.
Elle peut être utilisée comme apport thermique à des procédés industriels, le
chauffage résidentiel ou tertiaire.
La production des IMV est donc de 2 natures : - mécanique (ou électrique)
- thermique
On parle ainsi de production d’énergie totale ou de cogénération.
2
CYCLES DES INSTALLATIONS MOTRICES A VAPEUR :
Ce sont des moteurs à apport externe de chaleur fonctionnant de manière cyclique.
Le fluide échange de la chaleur avec une source froide (milieu ambiant : air ou eau)
et une source chaude : fumées issues de combustion ou fluide chauffé par une
réaction nucléaire.
Le fluide (eau généralement) subit une évolution thermodynamique cyclique en
traversant un minimum de 4 composants :
•
un générateur de vapeur (GV) : le fluide y est vaporisé en recevant de la chaleur.
•
une turbine (T) : la vapeur se détend de la haute pression à la basse pression en
fournissant du travail moteur à l’arbre qui entraîne un alternateur. Après la détente,
la vapeur est dirigée vers un condenseur.
•
un condenseur : la vapeur s’y condense par échange thermique avec un fluide
froid, de l’eau en provenance d’une rivière, d’un fleuve ou d’un aéroréfrigérant.
elle atteint ensuite une pompe.
•
une pompe : elle remet l’eau sous forte pression. Ce composant consomme de la
puissance pour la communiquer à l’eau. L’eau sous pression rejoint le ballon où
elle se mélange avec le fluide diphasique issu du générateur de vapeur.
3
Représentation schématique d’une installation motrice à vapeur :
fumées
aéroréfrigérant
générateur
de vapeur
air humide
saturé
ballon
faisceau de
tubes
vaporisateurs
turbine
condenseur
combustible
alternateur
circulation
air
d’eau froide
alimentation
complémentaire
par eau de rivière
air
flammes
pompe
4
Rappel Cycle de Carnot (dans domaine diphasique) :
P (bar)
T(°C)
550
150
500
gaz
+
250 °C
• 2 isentropes (compression
et détente)
1
0,0
5
450
374 °C 400
• 2 isothermes (échanges de 350
300
chaleur sources Fr. et Ch.)
40 10
22
1
Température critique de l’eau :
374 °C (impossible de liquéfier
l’eau au-delà)
pression critique : 221 bar
liquide
vapeur
200
150
100
50
liquide-vapeur
0,
3
2
6
4
x=
=
x
=
1
0,
x
0
0,
2
20 °C
Le rendement thermique du cycle de Carnot est :
ηC = 1 −
x
=
0,
7
x
=
x
10
8 =
0,
0,
9
8
s [kJ / (kg.K)]
T1
T2
Cependant, il est impossible de réaliser une compression sur un fluide diphasique
dans une pompe (ici 30% vapeur et 70% liquide) nécessité du cycle de Rankine.
5
Cycle de Rankine (1) :
Obligation de prolonger la condensation jusqu’à n’obtenir que du liquide pompage
en phase liquide. Le liquide est envoyé dans le ballon et y est chauffé par
condensation partielle de la vapeur jusqu’à y atteindre son état d’équilibre avec la
vapeur.
fumées
aéroréfrigérant
générateur
de vapeur
air humide
saturé
ballon
faisceau de
tubes
vaporisateurs
turbine
condenseur
combustible
alternateur
circulation
air
d’eau froide
alimentation
complémentaire
par eau de rivière
air
flammes
pompe
6
Cycle de Rankine (2) :
P (bar)
T(°C)
550
150
40 10
1
22
1
500
0,0
5
450
374 °C 400
350
300
5
250 °C
4
x
2
0,
3
=
1
0,
x=
3
0,
2
0
2
=
20 °C
x
200
150
100
50
1
Il est évident (aires) que pour les rendements :
4
6
x
=
x
0,
7
ηRankine < ηCarnot
=
x
8 =
10
0,
0,
9
8
s [kJ / (kg.K)]
La détente a lieu dans la zone diphasique : la vapeur est saturante sèche en 1 et
nettement humide en fin de détente (2) dommageable pour les aubes de turbine
(impact de gouttelettes érosion rapide) cycle de Hirn
Utilisation : petites installations de l’ordre de quelques centaines de kilowatts à
quelques mégawatts et pour des pressions inférieures à 50 bar environ.
7
Cycle de Rankine (3) :
1-2
détente adiabatique (réversible ou non), de Haute Pression à Basse Pression
dans la turbine : WD = ∆h12
2-3
condensation isobare et isotherme du mélange jusqu’à eau liquide
3-4
compression de l’eau dans la pompe, passage de BP à HP :
W
4-1
is
pompe
=
∫
4
VdP
(travail technique)
3
chauffage isobare et évaporation isobare et isotherme dans le générateur
de vapeur (GV) :
q41 = h1 − h4
Hypothèses usuelles :
Les points 3 et 4 sont confondus (mais à des pressions différentes).
Le travail de la pompe est négligeable devant le travail de détente et l’apport de
chaleur.
8
Bilan du cycle de Rankine (4) :
travail utile
Wutile = − WD = h1 − h2
chaleur consommée
Qcons = Q41 = h1 − h4 ≈ h1 − h3
rendement thermique
ηth =
Wutile
Qcons + W pompe
≈
h1 − h2
h1 − h3
9
Cycle de Hirn (1) :
Afin de réduire la présence de gouttelettes Surchauffe de la vapeur à la sortie du
ballon dans le GV avant son entrée dans la turbine (surchauffe suffisamment
importante pour que l’essentiel de la détente soit en vapeur surchauffée).
fumées
générateur
de vapeur
aéroréfrigérant
air humide
saturé
ballon
faisceau de
tubes
vaporisateurs
turbine
condenseur
combustible
alternateur
circulation
air
d’eau froide
alimentation
complémentaire
par eau de rivière
air
flammes
pompe
10
Cycle de Hirn (2) :
En pratique, la surchauffe est limitée par la température maximale admissible par la
turbine (de 500 à 600°C dans les installations clas siques avec utilisation de matériaux
P (bar)
peu onéreux).
T(°C)
550
150
40 10
Tmax = 500
0,0
5
5
250 °C
On a (aires) :
0,
3
2
x=
x
=
1
0,
0,
2
3
0
=
20 °C
ηHirn < ηCarnot
η
6
4
x
200
150
100
50
1
22
1
450
374 °C 400
350
300
1
Il ne faut pas en conclure que
Hirn
turbine Tmax ne sont pas les mêmes.
< ηRankine
4
6
x
2
=
0,
7
x
=
x
10
8 =
0,
0,
9
8
s [kJ / (kg.K)]
car les températures d’entrée de
11
Cycle de Hirn (3) :
1-2
détente adiabatique irréversible, de HP à BP, dans la turbine,
WD = ∆h12
h1 − h2 is
D
rendement isentropique de détente : η =
is
h1 − h2
2-3
condensation isobare et isotherme du mélange jusqu’à eau liquide
3-4
compression de l’eau dans la pompe, passage de BP à HP
Wpompe négligé : h3 = h4
4-5-6
chauffage isobare et évaporation isobare et isotherme dans le GV :
q46 = h6 − h4
6-1
chauffage isobare de la vapeur : q61 = h1 − h6
rendement
ηth =
Wutile
q46 + q61
≈
h1 − h2
h1 − h3
12
Remarque sur le rendement thermique :
ηth = −
W12 + W34
=
q41
( h1 − h2 ) − ( h4 − h3 )
( h1 − h4 )
Outre la définition du rendement, cette expression utilise le 1er principe sous forme
enthalpique :
∆ht
ij
= ∆hij + ∆ec
ij
+ ∆e p
ij
= Wij + qij
Dans les études d’avant-projet, on néglige le travail de la pompe. En effet :
W pompe = W34 =
∫
soit : Wpompe = 4 kJ/kg ( h3 = h4)
4
3
VdP = V ( P4 − P3 )
car V = volume massique de l’eau constant
= 1 l/kg
La variation d’enthalpie entre l’entrée et la sortie de la turbine est déterminé à partir
du diagramme de Mollier. Elle est ici de l’ordre de 1,37MJ/kg.
Le travail de pompage est donc de l’ordre de 0,3% du travail de détente.
Avantage des machines à vapeur sur les turbines à gaz où plus de 50% de
l’énergie récupérée est utilisée pour la compression du gaz.
13
enthalpie
massique
40 bar
500°C
h1=3,44 MJ/kg
h2=2,06 MJ/kg
vert : partie
du cycle de Hirn
Diagramme de Mollier de l’eau
entropie
14
massique
Influence des irréversibilités de fonctionnement sur le rendement (1) :
En pratique, les cycles de Rankine et de Hirn sont déformés en raison des
irréversibilités:
• pertes de pression dues aux pertes de charge et variations de masse volumique dans
les échangeurs et les tuyauteries (jusqu’à 10 bar dans les installations de forte
puissance)
• une augmentation de l’entropie lors de la détente du fluide dans la turbine et lors de
la compression dans la pompe.
P (bar)
T(°C)
550
1
1
1’
22
1
Tmax = 500
0,0
5
450
374 °C 400
350
300
5
250 °C
200
150
100
50
40 10
150
6
4is
4
20 °C
0
3
2
4
6
2
2is
8
2’
10
s [kJ / (kg.K)]
15
Influence des irréversibilités de fonctionnement sur le rendement (2) :
L’écart de comportement à une situation réversible est caractérisé par le rendement
isentropique :
ηis
• pour la turbine :
ηis
• pour la pompe :
=−
T
P
=
∆h 1′ 2 ′
∆h
1 ′ 2 is
∆h34
∆h34 is
Pour le cycle réel, le rendement est donc :
ηth = −
W1′ 2 ′ + W34 ′
q4 ′1
=−
ηisT ∆h1'2 is + ∆h34 ηisP
∆h4 is 1'
≈
ηisT ( h1' − h2 is
)
h1' − h3
Le rendement isentropique de détente est de l’ordre de 85%. Il dépend de la qualité
de la vapeur détendue : pour un titre en vapeur faible en sortie de turbine (75 à 80%)
les irréversibilités seront plus importantes entraînant une diminution du rendement
isentropique.
Plus les pertes de charge sont importantes, plus le rendement diminue (diminution
de la chute enthalpique aux bornes de la turbine : h2’ − h1’, voir diagramme de Mollier)
16
Cycle de Hirn avec resurchauffe (1) :
Dans les grosses installations (plusieurs dizaines ou centaines de mégawatts), on
désire travailler à la température maximale (500 à 550°C) et à une pression
maximale de l’ordre de 160 bar en amont de la turbine :
diagramme de Mollier vapeur humide contient 30% de liquide inacceptable.
On procède à une resurchauffe de la vapeur :
fumées
GV
aéroréfrigérant
air humide
saturé
ballon
faisceau
de tubes
vaporisateurs
T1 (HP)
T2 (BP)
condenseur
combustible
alternateur
circulation
air
d’eau froide
alimentation
complémentaire
par eau de rivière
pompe
air
17
flammes
Cycle de Hirn avec resurchauffe (2) :
• surchauffe : 1ère détente 1-2 en vapeur surchauffée
• resurchauffe : 2ème détente 3-4 après une nouvelle surchauffe (2-3) de la vapeur :
jusqu’à température de fin de surchauffe
majeure partie de la détente totale a lieu dans le domaine de la vapeur sèche
P (bar)
T(°C)
550
150
1
1
3
22
1
450
374 °C 400
350
300
0,0
5
Tmax = 500
7
8
2
250 °C
0,
3
=
2
x=
x
1
0,
=
5
0
0,
2
6
x
200
150
100
50
20 °C
40 10
4
6
2’’
4
x
=
x
8 =
10
0,
0,
9
8
s [kJ / (kg.K)]
18
Cycle de Hirn avec resurchauffe (3) :
1-2
1ère détente adiabatique, de HP à BP, dans la turbine HP :
W12 = ∆h12
2-3
chauffage isobare de la vapeur : q23 = h3 − h2
3-4
2ème détente adiabatique, passage de MP à BP dans la turbine BP :
W34 = ∆h34
4-5
condensation isobare et isotherme du mélange jusqu’à eau liquide
5-6
compression de l’eau dans la pompe, passage de BP à HP :
Wpompe négligé : h5 = h6
6–7
chauffage isobare et évaporation isobare et isotherme dans le GV :
q67 = h7 − h6
7–1
chauffage isobare de la vapeur : q71 = h1 − h7
rendement
ηth =
− W12 − W34 + W pompe
q23 + q67 + q71
≈
h1 − h2 + h3 − h4
h3 − h2 + h1 − h5
19
Cycle de Hirn avec resurchauffe (4) :
Pour le rendement réel, il suffira de remplacer les enthalpies des points théoriques par
celle des points réels (affectés d’un exposant prime sur les figures, cf. figure page 15)
• Comparaison du cycle de Hirn et de Hirn avec resurchauffe :
Caractéristique
1
2′′
2
3
4
5
P (bar)
160
0,03
22
22
0,03
0,03
T (°C)
550
24
255
550
24
24
h (kJ/kg)
3 436
1 924
2 896
3 574
2 231
100
η
Cycle
wutile (kJ/kg)
q cons. (kJ/kg)
(%)
Hirn
1 512
3 335
45,3
Hirn à resurchauffe
1 862
3 992
46,9
Avec Hirn à resurchauffe : amélioration de la production d’énergie mécanique de 24,5%,
au prix d’une augmentation de l’énergie thermique consommée de 20,3%
amélioration du rendement de 3,5% par rapport à Hirn.
20
Cycles à soutirages de vapeur (1) :
Dans le cycle de Rankine, le rendement n’est pas maximum car on ne fonctionne pas
T
entre 2 isothermes (cycle de Carnot) :
T4 très différent de T5
5
1
4
2
s
3
L’idée est de rapprocher 4 et 5 en rajoutant une infinité de petits cycles (en pratique
en nombre fini) : soutirages de vapeur sur la ligne de détente.
P (bar)
T(°C)
550
150
Tmax = 500
0,0
5
s4
250 °C
200
150
40 100
50
41
42
43
44
6
5
1
1
22
1
450
374 °C 400
350
300
40 10
s3
s2
s1
20 °C
21
0
30 31
2
32
33 4
34
6
2
8
10 s [kJ / (kg.K)]
Cycles à soutirages de vapeur (2) :
On pratique des soutirages sur la ligne de détente dans la turbine pour préchauffer
l’eau liquide avant son entrée dans le générateur de vapeur. Ici, on a 4 soutirages s1,
s2, s3 et s4 (ici s4 et s3 correspondent à de la vapeur surchauffée, s2 et s1 avec de
de la vapeur humide) :
aéroréfrigérant
fumées
GV
air humide
saturé
ballon
faisceau de
tubes
vaporisateurs
s4 s
turbine
3 s2 s
alimentation
complémentaire
par eau de rivière
alternateur
1
circulation
air
d’eau froide
combustible
condenseur
air
flammes
P4
44
P3
P2
R4
34
P1
R2
R3
43
33
P0
42
32
Poste d’eau
R1
41
31
40
30 22
Cycles à soutirages de vapeur (3) :
Dans cet exemple, tous les réchauffeurs Ri sont des échangeurs à mélange (la vapeur
issue du soutirage si se mélange avec le liquide provenant de la pompe Pi-1).
Les soutirages de vapeur s’opérant à des pressions différentes l’eau liquide doit
traverser une pompe avant son entrée dans chaque réchauffeur pour atteindre la
pression de soutirage.
le GV n’a plus qu’à fournir de la chaleur entre 44 et 1 car le réchauffage de l’eau
entre 30 et 44 est réalisé par les soutirages : réchauffage « gratuit », au détriment
d’une production moindre d’énergie mécanique sur l’arbre de la turbine.
Toutefois, le rendement d’un cycle à soutirages est supérieur
à celui d’un cycle sans soutirage : mais, le gain s’amenuise avec le
nombre de soutirages.
En pratique : en raison du surcoût liée à cette technologie, le nombre de soutirages est
souvent limité à 1 ou 2 pour les IMV de moyenne puissance (environ 50 MW). Il peut
atteindre de 6 à 9 pour les fortes puissances (250 à 1300 MW).
23
Exemple d’évolution du rendement thermique en fonction du nombre de soutirage
24
Cycles à soutirages de vapeur (4) :
Calcul du rendement :
ɺ les débits massiques dans chacun des soutirages si, et par
Si on note M
i
traversant le GV, les puissances sont :
Qɺ = Mɺ ( h1 − h4 n )
− Wɺ12 = Mɺ ( h1 − h2 ) −
Mɺ
le débit
où n est le nombre de soutirages.
n
∑
i =1
Mɺ i ( hsi − h2 )
Le rendement du cycle est donc :
Mɺ ( h1 − h2 ) −
− Wɺ12
η=
=
ɺ
Q
=

 Mɺ −

n
∑ Mɺ ( h
i
si
i =1
− h2 )
Mɺ ( h1 − h4 n )
n
∑
i =1

ɺ
M i  ( h1 − h2 ) −


Mɺ ( h − h
1
n
∑ Mɺ ( h − h )
4n
i
1
si
i =1
)
25
Cycles à soutirages de vapeur (5) :
Mɺ i .
Pour calculer ce rendement, il faut connaître les valeurs des débits de soutirages
On pourra supposer que le mélange de l’eau et de la vapeur entrant dans chaque
réchauffeur en sort à l’état de liquide saturé : les points 3i sont sur la courbe de
saturation.
Le bilan enthalpique sur chaque réchauffeur Ri est alors :
n


 Mɺ −
Mɺ j  ( h3 i − h4 i −1 )


j
i
1
=
+


Mɺ i =
hsi − h4 i −1
∑
On a un système de n équations à n inconnues (les débits
Mɺ i ).
Exemple précédent : on commence par résoudre l’équation relative à Rn jusqu’à R1.
26
Cycles à soutirages de vapeur (6) :
Performances comparées des cycles de Hirn, Hirn avec un soutirage et
Hirn avec deux soutirages :
En prenant l’exemple de la page 11 : Tmax = 500°C et P max = 40 bar.
Enthalpie aux points (kJ/kg)
Cycle
1
2
30
Hirn
Hirn + 1 soutirage
Mɺ 1
Mɺ
Mɺ 2
Mɺ
η
s1
31
s2
32
-
-
-
-
-
-
0,407
-
-
0,134
-
0,43
3450 2080 85
2590 420
Hirn + 2 soutirages
3030 752 0,117 0,127 0,441
27
Bilan énergétique global d’une installation simple à vapeur :
28
Exemple de cycles complexes à vapeur
Cycle d’une centrale nucléaire REP
(Réacteur à Eau Pressurisée)
29
LES CENTRALES THERMIQUES :
Le combustible est le plus souvent un combustible fossile : charbon, fuel, gaz naturel.
Les puissances usuelles : de 50MW à 700MW.
Lorsque le combustible est du charbon, il est transformé au préalable dans des
broyeurs en poussière. Mélangé à de l’air réchauffé, il est injecté ensuite par les
brûleurs dans la chambre de combustion du GV. Les gaz de combustion passent par
des dépoussiéreurs électrostatiques qui retiennent la quasi-totalité des cendres
volantes.
Lorsque le combustible est du fioul, il est au préalable réchauffé pour accroître sa
fluidité et injecté ensuite dans les brûleurs.
Les différents types de centrales thermiques :
• Centrale à flamme : combustion d’un combustible fossile.
• Centrale à cycles combinés avec turbomoteur.
• Centrales thermiques solaires.
Quantité de combustible requise pour produire 1000 kWh :
• 350 kg de charbon,
• 250 l de fioul,
• 300 m3 de gaz naturel,
• 4g d’uranium enrichi.
30
LES CENTRALES NUCLEAIRES :
Les réacteurs à eau, REP (Pressurized Water Reactor) et REB (Boiling Water
Reactor) :
La filière à l’uranium enrichi et eau ordinaire (à la fois le modérateur et le caloporteur)
est actuellement la plus répandue dans le monde. Elle utilise comme combustible de
l’uranium enrichi à quelques % (2,5 à 5) en isotope fissile U235, sous forme d’oxyde
UO2, éventuellement mélangé à de l’oxyde de plutonium PuO2 (combustible MOX).
Deux grands types de réacteur à eau :
• les réacteurs à eau bouillante (REB ou BWR Boiling Water Reactor) :
mise en oeuvre d’une technique à cycle direct dans laquelle l’eau se vaporise dans le
réacteur lui-même et va directement alimenter la turbine du groupe turbo-alternateur.
• les réacteurs à eau pressurisée (REP ou PWR Pressurized Water Reactor) :
utilisent de l’eau maintenue sous pression à l’état liquide, qui circule dans un circuit
primaire et échange ses calories dans des générateurs de vapeur. Près de la moitié
de l’électricité d’origine nucléaire est produite par ce type de réacteur.
31
Schéma d’un réacteur de typer REP
32