cycles a vapeur t.a.v. conversion d´énergie centrale thermique Énergie Électrique chaleur...
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CYCLES A VAPEUR
T.A.V
Conversion d´énergie
Centrale thermique
Énergie Électrique
Chaleur
Énergie Fossile
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
Qc
Condenseur
5
WTTurbine
Cycle de RANKINE ou HIRN
Q
4
F
GV
Bouilleur
SurchauffeurGV
3
2m
3’
Pompe
1
WPP
1
2
3
4
5
Condenseur
Bouilleur
Surc
hauf
feur
Tur
bine
économise
ur
Pom
pe
T
s ( kJ/kg/K)
CYCLE DE RANKINE (HIRN)
3’
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
0
500
1 000
1 500
2 000
2 500
3 000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
P (bar)
hv,
hl o
u L
(kJ
/kg
)
hl (kJ/kg)
hv (kJ/kg)
Llv (kJ/kg)
Ctehv
Exergie de la vapeur saturée
-
200
400
600
800
1 000
1 200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
p (bar)
xv o
u x
l (kJ
/kg
)
xl (kJ/kg)
xv (kJ/kg)
Ctexv
Générateur de Vapeurou
Chaudières
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 protectionAnalyseur d'oxygène sur les fumées pour réglage de l'excès d'air Cheminée pour rejet des fumées
Schéma de principe d'une chaudière de production de vapeurCHAUDIERES
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 del'ébullition dans le réservoir d'eau.
Chaudières à tubes de fumées
CHAUDIERES
Transfert de chaleurPar rayonnement
Puis par convection
Chaudières à tubes de fumées
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
Chaudières à tubes d'eau
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)
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.
Ce sont des chaudières pouvant atteindre de fortes pressions et de fortes puissances (100bars, 100T.h-1)
Le surchauffeur (rouge), les
économiseurs (en vert)
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
on distingue l’arrivée d'air de combustion avec soufflante
Le conduit des fumées
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
TURBINE
CONDENSEUR
Générateur de vapeur
Pompe Pompe
Arrivée d'air
Air Chaud
eau chaude
vapeur
surchauffeur
vapeur surchauffée à haute pression
Gaz de cheminée
Combustible
Eau de refroidissement
Génératrice
Vapeur basse pression
Réchaufeur d'air
CENTRALE THERMIQUE À VAPEUR D'EAU
BALLON
Fumées
Entrée combustible
Versturbine
Entrée d'air
Prˇchauffe de l'air
Entrée d'eau
Séparateurgravitaire
FOYER
SURCHAUFFEUR
Vaporiseur 1
Economiseur
Vaporiseur 2
SCHEMA DU GENERATEUR DE VAPEUR
TURBINE A VAPEUR
Divers types de turbines à vapeur
Turbine à condensation
Condenseur
HP > 40 bars
BP < 0.1 bar
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
Condenseur
HP > 40 bars
BP < 0.1 bar
Soutirage (s)MP = 10 bars
Divers types de turbines à vapeur
Turbine à soutirage et contre pression
HP > 40 bars
Soutirage (s)MP = 10 bars
BP = 4 bars
Autres utilisations
• 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
Contraintes technologiques
1&)titre(xx11sec
humide
Améliorations
Cycles à resurchauffe
G V
P o m p e
B o u ill eu r
S u r c h a u f f e u r
T u r b i n e
W P
Q G V
2
1
3
4
7
W T
C o n d e n s e u r
Q C
T u r b i n e
56
R e s u r c h a u f f e u r
Cycle à resurchauffe
1
2
3
4
5
T
s ( k J / k g / K )
6
7
C y c le à r e s s u r c h a u f f e
Cycle à ressurchauffe
Cycle vapeur à soutirage
Cycle isoadiabatique avec de la vapeur condensable
1
2 3
4
TC
TF
PC
PF2'
4'
Cycle vapeur à soutirage
Turbine
WT
SoutiragesBouilleur
Condenseur
Pompe
Qb
Qc
1
2'2
3 4
4'
Q
4
F
GV
Bouilleur
Surchauffeur
GV
E
H
W T
Turbine Turbine
G
QC
Condenseur
A
BCD
m
W P
Pompe Pompe W P
Soutirage
s
s
m
m-m
Vanne
J
Cycle vapeur à soutirage
Cycle à soutirage
A
B
E'
FT
s ( kJ/kg/K)
Cycle à un soutirage
C
D
E
G
H
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
air air
Vapeur en sortie de turbine
Sortie d’eau à l’état liquide
Eau de refroidissement
E
S
P=0,1 bar
Notation et hypothèses
Débit masse de vapeur : vapeurdetitre:;mm vvV
Débit masse d’eau liquide : Ctem;m)1(m vL
Débit masse d’air (faible) : Ctemm aa
Débit masse total : mmm VL
m1m&mm VELEVEVE Entrée
Ctem
mm&0m LSVS Sortie En absence d’air :
Dans le condenseur mm vV diminue localement.
Dans le condenseur mm vV Diminue.
En présence d’air le gaz est de la vapeur humide saturée.
Tppp vsvv Avec p=Cte si on néglige la pdc
Donc si diminue alors T diminuev
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
ESTcond
Trefr
S
Sans entrée d’air
Avec entrée d’air
Extraction de l’air par pompe à vide
air air
Vapeur en sortie de turbineE
S
Extraction de l’air par trompe à vide
Eau
trompe à vide
Gaz = air+vapeur d’eau
CONDENSEUR
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