Production d énergie électrique par centrales thermiques

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1 Production d énergie électrique par centrales thermiques par André LALLEMAND Ingénieur, docteur-ès-sciences Professeur des universités à l Institut national des sciences appliquées de Lyon. hermodynamique des moteurs thermiques... D Conservation de l énergie.... Création d entropie. Irréversibilités.... Cycles thermodynamiques. Moteurs. Rendement.... Installations motrices des centrales thermiques.... urbines à gaz.... Installations motrices à vapeur Centrales à cycles combinés Évolution et perspectives... 0 L a production d électricité à des niveaux de puissance importants, plusieurs centaines de mégawatts, est faite à partir de la transformation de l énergie chimique contenue dans un combustible (charbon, fioul ou gaz) ou de l énergie nucléaire, en chaleur, puis en énergie mécanique, puis en électricité. La conversion mécanique-électrique est du ressort des alternateurs, la conversion thermique-mécanique est l œuvre des installations motrices à vapeur (IMV) ou des turbines à gaz (AG), dites encore turbines à combustion (AC). La transformation de l énergie chimique en énergie thermique a lieu dans le générateur de vapeur (GV) des IMV ou dans le foyer de la turbine pour les AC. La compréhension basique du mode de fonctionnement de ces systèmes nécessite de faire un retour sur les notions de thermodynamique appliquée qui mettent en jeu les bilans énergétiques, les bilans entropiques et les cycles d évolution du fluide utilisé comme fluide thermodynamique ou de travail : eau dans le cas des IMV, air et fumées dans le cas des AC. Ce sont ces divers rappels de base, complétés par la description et l analyse du fonctionnement des systèmes classiques, que nous proposons de faire dans les deux premiers paragraphes de cet article. Le troisième est réservé à un couplage des deux systèmes, couplage qui permet d atteindre les meilleurs rendements. Cet article n ayant pas la prétention d être exhaustif, on restera au niveau des principes dans toutes les présentations. Le lecteur est renvoyé à des articles spécialisés des echniques de l Ingénieur pour avoir des informations techniques plus précises sur ces machines thermiques. 7/09/008 oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur D 00

2 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE Notations et symboles ymbole Unités Définition d Différentielle totale exacte E V Potentiel électrique e C Charges électriques E e J Énergie électrique F N Force m Longueur P Pa Pression Q J Chaleur ou énergie thermique échangée Q W Puissance thermique J K Entropie K empérature U J Énergie interne V m Volume W J Énergie mécanique échangée δ Différentielle quelconque Différence η Rendement Indices État initial État final M Maximum m Minimum. hermodynamique des moteurs thermiques La thermodynamique des moteurs thermiques, comme ceux qui convertissent l énergie dans les centrales électrogènes, a pour base les deux principes : celui de la conservation de l énergie d une part ([BE 8 005] hermodynamique appliquée. Premier principe. Énergie. Enthalpie), celui de l évolution ou de la non-conservation de l entropie d autre part ([BE 8 007] hermodynamique appliquée. Deuxième principe. Entropie et [BE 8 008] hermodynamique appliquée. Bilans entropiques et exergétiques).. Conservation de l énergie En se limitant aux énergies de types mécanique et thermique, le principe de la conservation de l énergie stipule que, au cours d une transformation fermée, qui permet à un système après une évolution (ou transformation) de retrouver son état initial, la somme des énergies mécanique et thermique échangées avec le milieu extérieur est nulle [BE 8 005] : W + Q = 0 () avec W énergie mécanique échangée entre le système Σ et son milieu extérieur ME (figure ), Q quantité de chaleur échangée exprimée dans les mêmes unités (joules ou J, dans le système international), la convention de signe suivante : les énergies sont comptées positivement si le système reçoit de l énergie ; W (Σ) Milieu extérieur Figure Définition d un système thermodynamique ( ) et échanges d énergies mécanique et thermique avec le milieu extérieur elles sont comptées négativement si le système fournit ces énergies. Lorsque la transformation est ouverte de à (état final du système différent de son état initial ) la somme des énergies mises en jeu n est plus nulle : elle est égale à la variation de l énergie interne U du système : W + Q = U () L énergie interne est une fonction d état : elle ne dépend que de l état du système. Dans les moteurs thermiques, la conversion d énergie thermique/mécanique est toujours réalisée par l intermédiaire d un fluide [BE 8 00] Propriétés thermodynamiques des fluides : gaz, liquide ou vapeur qui traverse le moteur ou une partie du moteur. ur le plan thermodynamique, ce fluide constitue le «système thermodynamique» évoqué ci-dessus.. Création d entropie. Irréversibilités Quel que soit le type d énergie échangé, sa valeur est toujours obtenue en faisant le produit de deux grandeurs dont l une a un caractère intensif (qui ne dépend pas de la quantité de système considéré), l autre un caractère extensif (qui dépend de la quantité de système). La pression P et la température par exemple ont un caractère intensif ; le volume V, la masse M, l énergie interne U ont un caractère extensif [BE 8 007] [BE 8 008]. Ainsi : l énergie mécanique, dans sa forme élémentaire, peut s écrire : δw = F d ou encore δw = P dv () avec F force (variable intensive), déplacement (variable extensive) ; l énergie électrique : δe e = E de () avec E e énergie électrique, E potentiel électrique (variable intensive), e charges électriques mises en jeu (variable extensive). Pour l énergie thermique, on écrit : δq = d (5) avec température (exprimée en kelvins, K), entropie qui apparaît ainsi comme étant la variable extensive liée à la chaleur. Comme toutes les variables extensives, elle ne dépend que de l état du système. En particulier, lorsqu un système évolue de manière cyclique (mêmes états final et initial), sa variation d entropie est nulle. Par ailleurs, des considérations expérimentales simples montrent que toute évolution d un système nécessite d avoir des gradients des grandeurs intensives : un transfert de chaleur ne peut avoir lieu que s il y a une différence de température (variable intensive) entre les deux corps ; Q D 00 oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur 7/09/008

3 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE d = entropie créée d d Figure ransfert de chaleur et d entropie entre deux corps à températures différentes δq Q b > 0 Q a > 0 Q a > Q b W = Q < 0 b Figure Cycle quelconque d évolution d un fluide conduisant à un travail moteur Q Figure Quantité de chaleur échangée au cours d une évolution -, puis au cours d un cycle a en empruntant un chemin thermodynamique différent, la quantité de chaleur mise en jeu au cours du retour est encore mesurée par l aire sous-tendue par l évolution. Deux cas se présentent alors : soit le retour se fait par un chemin de type a qui donne un échange thermique Q a négatif et inférieur en valeur absolue au retour par rapport à l aller ; soit le retour se fait par b et la quantité de chaleur Q b, encore négative, est plus forte en module. Dans le premier cas (--a-, l échange thermique global Q sera positif), le système (le fluide) a globalement reçu de la chaleur et l équation () implique qu il aura fourni du travail au milieu extérieur (W < 0). Dans le cas --b-, c est le contraire. un écoulement de fluide ne peut avoir lieu que s il y a une différence de pression (variable intensive) entre deux sections de l écoulement, etc. De plus, on constate que le transfert ne se fait naturellement que dans un seul sens : de la zone à haute valeur intensive vers la zone à faible valeur intensive, jamais dans l autre sens. Ce transfert, irréversible, nécessaire aux activités humaines, a comme corollaire une création d entropie. Un exemple très simple illustre cela (figure ). Un corps à température donne une quantité de chaleur δq à un corps plus froid, à la température. L application de l équation (5) à chacun des deux corps donne : comme <, on en déduit que : δq = d = d (6) d > d Le transfert irréversible de chaleur crée une quantité d entropie d égale à la différence des flux entropiques reçu et cédé par chacun des corps.. Cycles thermodynamiques. Moteurs. Rendement Considérons l évolution d un fluide entre un état et un état et la représentation schématique de cette évolution dans un diagramme entropique - (figure ) [BE 8 00] Diagrammes thermodynamiques. Généralités. elon l équation (5), l aire sous-tendue par la ligne - représente l énergie thermique Q échangée entre le fluide et son milieu extérieur au cours de cette évolution. Dans l exemple de la figure, elle est positive ; le fluide reçoit de la chaleur au cours de cette évolution. i le fluide revient à son état initial On peut aussi conclure que, lorsqu un cycle d évolution est décrit, dans ce diagramme -, dans le sens des aiguilles d une montre, le travail est négatif, c est le cas d un moteur thermique. Lorsque le cycle est décrit dans le sens trigonométrique, on a affaire à un générateur thermique comme une machine frigorifique ou une pompe à chaleur : dans ce cas, le système consomme de l énergie mécanique et au total fournit de la chaleur. Ce type de représentation permet, de plus, d avoir une illustration de l énergie mécanique mise en jeu puisque, toujours selon (), celle-ci est représentée par l aire du cycle : W = Q Corrélativement, on peut noter que : un cycle, quel qu il soit, pourvu que son aire soit non nulle et positive sur le plan thermique, peut servir de base à la conception d un moteur thermique (figure ). Considérant que l origine du fonctionnement d un moteur est l énergie thermique qu il reçoit et que l on note par Q, son rendement est exprimé par le rapport suivant : W Q η Q Q Q = = = = Q Q avec Q > 0 et Q < 0, Q chaleur cédée par le moteur. Il n est pas inutile d insister sur un point qui souvent apparaît comme choquant au profane. Il s agit de la nécessité qu il y a à refroidir le fluide (système thermodynamique) d un moteur avant de le réchauffer. Cela peut apparaître comme étant absurde. Mais c est une nécessité thermodynamique attachée aux évolutions cycliques, donc au fait que l entropie en particulier, fonction d état, Q Q (7) oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur D 00 7/09/008

4 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE Q 0 K Figure 5 Cycle particulier théorique conduisant à un rendement unité P > P > P > P P P P. Installations motrices des centrales thermiques Pratiquement, un cycle de Carnot est très difficile à concrétiser, puisqu il s agirait de réaliser des échanges thermiques Q et Q à température rigoureusement constante tout en diminuant la pression d une part et en l augmentant d autre part. Industriellement, les transferts de chaleur se font à pression constante (ou sensiblement constante) dans des échangeurs de chaleur ou dans des foyers où se développe une combustion. En revanche, les deux isentropes sont plus faciles à concevoir, puisqu elles correspondent à des évolutions (détente - et compression -) adiabatiques réversibles (pour éviter la création d entropie). Cependant, elles ne peuvent pas être réalisées strictement, puisque, en pratique, les irréversibilités sont inévitables. Ainsi, deux types de cycles, différents du cycle de Carnot mais respectant les impératifs techniques, sont mis en œuvre dans les centrales thermiques électrogènes : le cycle de Joule et ses dérivés ; le cycle de Rankine et ses dérivés. Les moteurs thermiques Diesels ne sont que peu utilisés. Ils ne seront pas présentés dans la suite de cet article dont le but est d ailleurs de ne faire qu une présentation de principe des installations les plus courantes. Pour plus de détails sur les centrales thermiques, le lecteur pourra se référer à l article traitant de la production d énergie électrique à partir de combustibles fossiles. M. urbines à gaz m Figure 6 Cycle de Carnot Q doit revenir à sa valeur initiale après évolution. Or, si tout apport de chaleur augmente l entropie du système, le seul moyen de la diminuer consiste à céder de la chaleur au milieu extérieur. La seule possibilité conduisant à une perte thermique nulle Q = 0 est que la température du fluide reste nulle = 0 durant toute la phase de retour (figure 5). La relation (7) montre que, dans ce cas bien évidemment, le rendement du moteur serait égal à l unité. Pratiquement, cette possibilité est hors de portée technique car elle nécessiterait de disposer d un puits de chaleur à 0 K qui n existe pas. Le puits à température la plus basse industriellement acceptable est le milieu ambiant dont la température, variable selon le lieu et la saison, est de l ordre de 60 à 00 K environ. W P i on admet que l apport de chaleur et la perte thermique doivent être réalisés dans des échangeurs (se reporter à l article traitant les échangeurs de chaleur), à pression constante, le cycle de base d une turbine à gaz doit comporter deux portions d isobares - et - (figure 7) à des niveaux de pression P = P et P = P différents et deux isentropes au cours desquelles ont lieu une compression - et une détente -. Notons que, pour chauffer le fluide entre et (quantité de chaleur Q ), il faut disposer d une source de chaleur dont la température atteigne au moins la valeur M =. De même, pour refroidir le fluide thermodynamique (Q ), il faut disposer d un puits thermique dont la température soit au plus m =. Ce cycle, appelé cycle de Joule, peut être comparé au cycle de Carnot évoluant entre les mêmes températures extrêmes. Une analyse des énergies thermiques et mécaniques mises en jeu montre alors que le rendement du cycle de Joule est très nettement inférieur à celui du cycle de Carnot associé. Ce rendement est encore abaissé du fait des irréversibilités de compression et de détente qui augmentent l entropie et impliquent le déplacement de en et de en. M Q P P W On démontre, en thermodynamique (voir [BE 8 007]), que le meilleur rendement est obtenu lorsque le cycle correspond à un rectangle dans le diagramme de référence,. C est le cycle de Carnot constitué de deux isothermes et de deux isentropes (figure 6). Avec ce cycle : Q = M ; Q = m ; W = Q + Q = ( M m ) (8) m W C W ' Q ' Cycle de Carnot soit : η W M m = = = m Q M M (9) W énergie mécanique échangée à la turbine Figure 7 Cycle de Joule et cycle de Carnot associé D 00 oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur 7/09/008

5 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE Q Échangeur chaud P = C te W AL W C urbine W W = W C + W AL Échangeur froid P = C te Q Entrée d air (7 étages) Chambres de combustion urbine ( étages) Figure 8 urbine à gaz en cycle fermé Figure 0 Coupe d une turbine à gaz M900E, GE Energy - Belfort (gamme de puissance : 6 à 9 MW) Pompe Carburant Foyer urbine Carburant Pompe Foyer 5 urbine Air ambiant Figure 9 urbine à gaz en cycle ouvert ou turbine à combustion interne (AC) Fumées sortant dans le milieu ambiant Le schéma de constitution de principe de la machine correspondante fait l objet de la figure 8. On y distingue les deux échangeurs de chaleur à pression constante, la compression dans un compresseur qui nécessite une énergie W C, la détente dans une turbine qui fournit une énergie W [BE 8 0] Compression et détente des gaz ou des vapeurs pour entraîner le compresseur et un alternateur. De l ordre de 75 % de la puissance de la turbine est utilisé pour entraîner le compresseur, 5 % pour l alternateur. En pratique, l apport de chaleur - est remplacé par une combustion dans un foyer qui a le même effet sur l augmentation de température du fluide. Le refroidissement a lieu simplement dans le milieu ambiant, la sortie de la turbine permettant un échappement des gaz de combustion ou fumées (figure 9). Le combustible peut être un gaz ou du fioul. Dans les installations de forte puissance, le compresseur et la turbine sont de type axial. Une coupe schématique d une telle turbine à gaz (AG), dite encore turbine à combustion (AC), fait l objet de la figure 0. Dans les installations terrestres de AG, on améliore toujours le rendement de l installation en préchauffant l air à la sortie du compresseur, entre et 5 par les gaz d échappement de la turbine qui se refroidissent de à 6 (figure ). Le cycle correspondant est un cycle de Joule à récupération (figure ). Dans certaines grosses installations, des refroidissements sont réalisés au cours de la phase de compression (compressions élémentaires suivies de refroidissement dans des échangeurs) et un réchauffage (ou nouvelle combustion) a lieu au cours de la détente. Air ambiant Fumées sortant dans le milieu ambiant Récupérateur Figure urbine à combustion interne à récupération M m Figure Cycle de Joule à récupération de chaleur P P Récupération de chaleur oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur D /09/008

6 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE 9 dp = 0 0 dp = dp = Refroidissement Compression a cycle à gaz à compression et détente étagées haute pression urbine haute pression Chambre de combustion haute pression Réducteur de vitesse Moteur de lancement Chambre de combustion basse pression Réchauffeur d air basse pression Réfrigérant intermédiaire II Moteur de lancement urbine basse pression moyenne pression Réfrigérant intermédiaire I b schéma d installation avec réfrigération intermédiaire en cours de compression et réchauffage en cours de détente Figure Cycle à refroidissement en cours de compression et réchauffage en cours de détente. chéma d une installation La figure montre le cycle correspondant et un schéma d une installation de ce type. Un tel dispositif est de nature à améliorer le rendement. En revanche, l installation est plus complexe et nécessite de disposer de sources de refroidissement. Actuellement, les plus grosses turbines à gaz permettent d atteindre des puissances à l alternateur d environ 50 MW avec des rendements de l ordre de 6 à 8 %.. Installations motrices à vapeur i au lieu de travailler avec un fluide thermodynamique gazeux on utilise un mélange liquide-vapeur, il devient possible, à pression constante, d échanger de la chaleur à température constante également. On sait en effet que, à l équilibre liquide-vapeur, température et pression sont liées [BE 8 00]. La chaleur mise en jeu sert à faire varier la proportion de liquide et de vapeur dans le mélange, soit à évaporer du liquide, soit à condenser de la vapeur. On pourrait ainsi, avec des appareillages classiques comme des échangeurs de chaleur opérant à pression constante, réaliser un cycle de Carnot à condition d opérer totalement dans le domaine diphasique du fluide (figure ) [BE 8 0] Diagrammes thermodynamiques. Fluides purs, azéotropes et gaz idéaux. Cependant le dispositif correspondant comprimerait, entre et, un mélange liquide-vapeur à forte proportion de liquide et la turbine devrait détendre, entre et, un mélange également diphasique avec une quantité de liquide non négligeable en fin de détente. Aucune machine ne peut fonctionner valablement dans ces conditions. Le point est alors amené sur la courbe de saturation (condensation totale du mélange) et une pompe est utilisée pour comprimer le liquide de à (figure 5). Ce liquide, de l eau, est ensuite chauffé D 00 6 oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur 7/09/008

7 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE empérature critique = 7 C P > P c Liquide Vapeur Gaz Courbe de saturation Figure Diagramme entropique de l eau avec un cycle de Carnot dans le domaine diphasique liquide-vapeur M m Figure 5 Cycle de Hirn et cycle de Carnot associé Liquide + vapeur Cycle de Carnot Point critique a b Pompe GV Condenseur urchauffe urbine P de à a, puis vaporisé totalement de a à b et enfin surchauffé de b à dans un générateur de vapeur (GV) avant d être détendu de à dans la turbine. C est le cycle de Hirn ou cycle de Rankine avec surchauffe (la détente d un cycle de Rankine démarre au point b ). En sortie de turbine, le fluide entre dans le condenseur où il subit une condensation totale. Le schéma d une telle installation, dite installation motrice à vapeur (IMV), fait l objet de la figure 6. Dans ces installations, le fluide thermodynamique, de l eau, circule en boucle fermée. L apport de chaleur entre et, au niveau du GV, provient soit d une combustion externe de charbon, fioul ou gaz, soit d une réaction nucléaire. Dans le premier cas, on parle de centrale thermique classique, dans le second, de centrale nucléaire. Dans le cas d un GV à combustion (se reporter à l article traitant du principe de conception et de calculs des chaudières), l eau n est que partiellement vaporisée dans les faisceaux de tubes qui tapissent la chaudière afin de garder de bons coefficients d échange de chaleur à l intérieur des tubes. Le mélange diphasique (0 à 0 % de vapeur seulement) subit une séparation de phase par gravité dans le ballon : l eau liquide retourne, avec l eau qui provient de la pompe, dans le faisceau de tubes vaporisateurs alors que la vapeur saturée est surchauffée dans des échangeurs placés dans une zone du GV qui n est pas au regard des flammes (chauffage par les fumées de combustion). Dans le condenseur, la source froide est constituée par une circulation d eau en provenance d un fleuve ou de tours d aéroréfrigération. Dans ce dernier cas, il convient d assurer une alimentation en eau pour compenser la perte par le panache de l aéroréfrigérant. Comme on peut le voir en observant le cycle de Carnot associé au cycle de Hirn (figure 5), celui-ci conduit à un rendement plus faible, mais l écart est moins important que dans le cas d un cycle de Joule. Une autre différence essentielle entre ces deux cycles réside dans le fait que l énergie nécessaire pour comprimer (ou pomper) le liquide est nettement plus faible que celle que nécessite la compression d un gaz [BE 8 0]. Ainsi, la quasi-totalité de l énergie récupérée sur l arbre de la turbine est utilisable pour produire de l électricité. À tailles de turbines identiques, l IMV permettra d obtenir des puissances électriques nettement plus importantes que la AG. Le rendement des IMV peut encore être amélioré en pratiquant une «resurchauffe» et des soutirages de vapeur. Dans le cas d un cycle à resurchauffe, après une première détente dans un élément de tête de la turbine appelé en général corps haute pression, la vapeur est dirigée vers le GV où elle reçoit de la chaleur à pression Fumées GV Aéroréfrigérant urchauffeur Air humide saturé Faisceau de tubes Flammes Combustible Air Ballon urbine Condenseur Pompe Circulation d eau froide Air Alimentation complémentaire par eau de rivière Figure 6 chéma d une installation motrice à vapeur fonctionnant sur la base d un cycle de Hirn 7/09/008 oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur D 00 7

8 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE θ ( C) , C 09,5 C 6 C, bar 50 bar 00 bar 50 bar 00 bar 00 C 79 C 5 C 0 bar 0 bar 5 bar 00 80,9 C 5,5 C, C 0 bar 0,5 bar 0, bar , 0, 0, 0, 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9,,058 kcal/(kg K) =,8 kj/(kg K),,,,5,6,7,8,9 [kcal/(kg K)] Figure 7 Cycle de Hirn à resurchauffe constante (aux pertes de charge près [BE 8 6] Écoulement des fluides. Écoulements en conduites. Réseaux ) avant de subir le reste de la détente (figure 7). Cette opération permet, d une part de minimiser la portion de détente du fluide dans le domaine diphasique, d autre part d améliorer le rendement à condition d optimiser le niveau de pression auquel est faite la resurchauffe. L analyse thermodynamique du cycle montre que le rendement peut encore être amélioré en pratiquant des soutirages. Cette opération consiste à prélever de la vapeur en plusieurs endroits au cours de sa détente pour préchauffer l eau avant son entrée dans le GV. La figure 8 donne un exemple de cycle à deux soutirages, s et s, et une schématisation de l IMV correspondante. Dans cette schématisation, les réchauffeurs R et R, qui permettent de préchauffer l eau d alimentation du GV, sont des réchauffeurs à mélange. Une série de pompes P i permet de relever le niveau de pression. Pour un débit de vapeur donné en entrée de turbine, les soutirages diminuent la puissance délivrée par la machine puisque le débit dans la turbine diminue au fil des soutirages, en revanche le rendement croît. On montre que l amélioration du rendement suit l augmentation du nombre de soutirages, mais le gain diminue à chaque soutirage supplémentaire. On arrive ainsi à un optimum économique qui, pour les centrales classiques, est de 7 à 9 soutirages. La figure 9 schématise une IMV d une puissance électrique nominale de 600 MW. La pression et la température de la vapeur en entrée de turbine sont respectivement égales à 6 bar et 565 o C (valeurs classiques pour des IMV à combustion). La resurchauffe, pratiquée en sortie du corps haute pression (HP) de la turbine, est effectuée à bar, la température d entrée au corps moyenne pression (MP) étant également de 565 o C. Outre les corps haute et moyenne pressions, cette turbine possède trois corps basse pression (BP) qui sont chacun à double flux (six ensembles BP identiques alimentés en parallèle). ept soutirages sont pratiqués : deux au niveau du corps HP, dont un en sortie, trois sur le corps MP, dont un en sortie, et ( 6) sur le corps BP. Contrairement au schéma de la figure 8, les réchauffeurs sont majoritairement à surface d échange (échangeurs classiques). eul le réchauffeur qui reçoit le soutirage s est à mélange, ce qui entraîne que, à cet endroit, la pression de l eau d alimentation est égale à celle du soutirage qui correspond à la moyenne pression. GV P urchauffeur R P R P a schéma d une installation à deux soutirages de vapeur P pompes R réchauffeurs s soutirages b cycle de Hirn à surchauffe et deux soutirages Figure 8 Cycle de Hirn à soutirages de vapeur. chéma de principe de l installation s s s s D 00 8 oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur 7/09/008

9 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE HP MP BP BP BP BP BP5 BP6 urchauffeur Resurchauffeur s7 s6 s5 s s s s Économiseur Réservoir du générateur de vapeur s7 HP7 s6 HP6 s Dégazeur Bâche alimentaire s5 PA HP5 bis HP5 s BP PA Condenseur auxiliaire s BP Bâche de réserve d eau s BP Condenseur principal Pompe d extraction Réchauffage HP Caractéristiques de la vapeur : surchauffée : pression 6 bar, température 565 C resurchauffée : pression bar, température 565 C Réchauffage BP PA turbine de la pompe alimentaire (PA) s soutirage Figure 9 Exemple de schéma d une IMW de 600 MW à cycle de Hirn à resurchauffe et à soutirages de vapeur Ainsi, l ensemble des réchauffeurs, appelé «poste d eau» dans une centrale, est divisé en deux parties : le poste d eau ou de réchauffage BP (basse pression) et le poste d eau HP. Le rendement de ce type de centrale peut atteindre 0 à % en fonctionnement nominal. Dans le cas des centrales nucléaires, le rendement est plus faible du fait d un niveau de température maximale plus faible également. En revanche, les niveaux de puissance sont encore plus élevés puisque les plus puissantes fournissent actuellement 00 MW sur un seul arbre d alternateur.. Centrales à cycles combinés Considérant que, pour des questions d investissement (matériaux courants), la température maximale d un cycle classique d IMV est de l ordre de 560 o C, d une part, que la température des gaz d échappement d une turbine à gaz sans récupérateur est de l ordre de 600 o C, il apparaît comme possible de remplacer la combustion qui a lieu habituellement dans le GV par un transfert thermique entre les gaz d échappement de la turbine à gaz et l eau de l IMV pour son échauffement, sa vaporisation et sa surchauffe. Cette considération est à la base du couplage des cycles de Joule et de Hirn que l on pratique maintenant depuis quelques années, notamment lorsqu il convient de réhabiliter une centrale thermique classique à vapeur [BE 8 905] Centrale à cycle combiné. héorie, performances, modularité et [BE 8 906] Centrale à cycle combiné. Composants potentiels. Le couplage d un cycle de Joule avec un cycle de Hirn est schématisé sur la figure 0 où on a fait une représentation en diagramme -Q de l évolution du gaz d échappement de la turbine - et de l échauffement de l eau -. Les débits de chaque fluide sont ajustés pour épuiser au maximum l énergie contenue dans les fumées de la AG. L échange thermique entre les deux fluides a lieu dans une «chaudière de récupération». La figure représente schématiquement une telle installation. ur cette figure, on a représenté, à l amont de la chaudière de récupération, un foyer de postcombustion (FPC). En effet, compte tenu du fait que la combustion dans les AG est faite avec un excès d air assez important pour ne pas atteindre des niveaux thermiques incompatibles avec la tenue des matériaux du premier étage de la turbine, cet air en excès est utilisé pour faire une postcombustion à l amont ou dans la chaudière de récupération. Cette opération permet d augmenter sensiblement la puissance de l installation. Le schéma de la figure correspond à une réhabilitation d une centrale à vapeur de 600 MW utilisant un cycle combiné avec trois turbines à gaz de 60 MW chacune et trois chaudières de récupération (CR). La modification du fonctionnement de l installation à vapeur a fait chuter sa puissance à 00 MW environ. Cependant, au total, l installation à cycles combinés a une puissance de 80 MW oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur D /09/008

10 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE sortie turbine à gaz c sortie fumées Refroidissement des fumées de la AG Échauffement, vaporisation et surchauffe de l eau qui nécessitent d importantes études d optimisation, sont décrites plus complètement dans la référence [BE 8 907] Centrale à cycle combiné. Fonctionnement, exploitation, exemple. Comme cela a été noté à propos de la figure, dans ces installations à cycles combinés, il est courant d implanter plusieurs AG pour une IMV. Les puissances peuvent être importantes, comprises entre 500 et 000 MW, voire plus, et les rendements exceptionnellement bons pour des machines thermiques : 55 % environ au fonctionnement nominal. C est actuellement vers ce type d installations que l on tend en matière de centrales à combustion.. Évolution et perspectives c température critique Puissance échangée Figure 0 Couplage d un cycle de Joule et d un cycle de Hirn. Refroidissement des gaz de la AG et échauffement, vaporisation puis surchauffe de l eau de l IMV avec un rendement de plus de 55 % alors que le rendement de l IMV de départ était de 8 %. Comme on peut le remarquer sur la figure 0, les lignes d évolution des deux fluides, fumées et eau, sont assez éloignées dans certaines zones (fin des paliers de vaporisation de l eau et début de la surchauffe) ce qui signifie que l on a des échanges thermiques avec des gradients de température qui peuvent être importants, donc beaucoup d irréversibilités, ce qui a une incidence sur le rendement global de l installation. Pour minimiser ces irréversibilités et diminuer au maximum la température de sortie des fumées, on modifie le cycle pour avoir une évolution de l eau selon trois niveaux de pression par exemple. Les lignes d évolution de l eau et des gaz de combustion de la AG ont alors l allure représentée sur la figure. De telles installations à plusieurs niveaux de pression,. Q Pendant de très nombreuses années, les centrales électrogènes ont utilisé essentiellement les installations motrices à vapeur. Celles-ci sont encore utilisées majoritairement dans le monde du fait de leur puissance unitaire nettement supérieure à celle des centrales à base de turbines à gaz ainsi que d un meilleur rendement. Le combustible utilisé majoritairement dans le monde est le charbon, suivi par le fioul. Les cycles sont pratiquement tous des cycles de Hirn à resurchauffe avec 6 à 8 soutirages. eules quelques centrales dans le monde fonctionnent avec un cycle supercritique (pression supérieure à bar). Les centrales nucléaires, majoritaires en France, utilisent également ce type de conversion d énergie thermique-mécanique avec un cycle vapeur à température et pression plus faibles. L un des inconvénients des IMV est la nécessité de refroidir le condenseur par une circulation d eau. Des échangeurs vapeur-air ont été envisagés, mais jamais construits du fait de leur trop grande taille. Cette circulation d eau nécessite de disposer du débit d un fleuve ou d une rivière suffisamment importante dans le cas d emploi d aéroréfrigérants. Dans ce dernier cas, le débit nécessaire est de l ordre de m /h pour une puissance de 600 MW. En admettant une élévation de la température de l eau de refroidissement de 6 K, il est d environ m /h dans le cas d un refroidissement direct. Lorsque de tels débits d eau ne sont pas disponibles, la seule alternative est l emploi de turbines à gaz qui nécessitent de disposer d un carburant extrêmement propre comme du fioul à très basse teneur en soufre ou du gaz naturel. Cheminée Ballon PC Carburant CC urbine Chaudière de récupération urbine à vapeur Air FPC Condenseur PC pompe à carburant CC chambre de combustible FPC foyer de postcombustion Pompe alimentaire Figure chéma d une installation à cycles combinés avec postcombustion D 00 0 oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur 7/09/008

11 PRODUCION D ÉNERGIE ÉLECRIQUE PAR CENRALE HERMIQUE x AG x Chaudière de récupération HP MP BP Cheminée Nouvelles installations Bâche alimentaire Installations existantes CHP CMP CBP CBP CHP, CMP, CBP corps HP, MP, BP Figure Exemple de la réhabilitation d une IMW de 600 MW en installation à cycles combinés avec trois AG de 00 MW et trois chaudières de récupération sortie turbine à gaz c Refroidissement des fumées de la AG Échauffement de l eau puisqu elles permettent un gain en rendement de 5 points environ (0 à 55 %), ce qui est considérable. ur le plan de l environnement, bien évidemment, cette amélioration du rendement contribue à la minimisation de la production de CO, gaz à effet de serre. De plus, grâce aux nombreux travaux de développement réalisés sur les turbines à gaz, la combustion qui y est développée est de plus en plus «propre» : à côté de la faible production de dioxyde de soufre, on note une faible production de CO et surtout de NO x, deux polluants majeurs. sortie fumées c température critique Puissance échangée Figure Amélioration du rendement d une installation à cycles combinés par l utilisation de trois niveaux de pression pour l IMW L amélioration de la rentabilité des systèmes et le concept de développement durable, lié à la protection de l environnement, ont nécessité, au cours des dernières années, de rechercher des solutions de plus en plus économes en matière de consommation énergétique, donc des centrales à rendement nettement amélioré. Les installations à cycles combinés remplissent cette mission. Q Cependant, le problème majeur reste la nécessité d employer un combustible de très bonne qualité. La plupart des installations actuelles fonctionnent au gaz naturel (gaz de pétrole composé presque exclusivement de méthane). Un procédé en développement depuis quelques années également permet d envisager l emploi du charbon après gazéification dans des installations intégrées qui comprennent le gazéifieur, en amont des turbines à gaz, de la chaudière de récupération et de l installation à vapeur. Ce type d installation, dans laquelle on a une gazéification du charbon intégrée à un cycle combiné, appelée IGCC (Integrated Gas Combined Cycle), est décrit dans la référence [B 8 90] echnologie de gazéification intégrée à un cycle combiné. Une autre solution, pour l utilisation rationnelle du charbon, est l emploi du système de combustion à lit fluidisé circulant sous pression dit PCFB (Pressurised Circulating Fluidised Bed ) [B 8 95] Centrales à lits fluidisés sous pression qui permet de faire une combustion propre dont les gaz peuvent être utilisés dans une AG, en parallèle éventuellement avec un autre combustible, et servir aussi partiellement pour produire de la vapeur. i l on exclut les centrales nucléaires, ce sont vraisemblablement de telles centrales (avec une préférence pour l IGCC) qui devraient bénéficier d un très fort développement dans les années à venir du fait des très grosses réserves mondiales de charbon. oute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. echniques de l Ingénieur D 00 7/09/008