Chapitre 1_Turbine à vapeur

Cours : Technologies du cycle combiné 2ème année Génie Eco - Energétique et Environnement Industriel Pr. Ahmed Khouya

Année 20132013-2014

Chapitre 1 : Turbine à vapeur

Objectifs

☛ Analyser les cycles de puissance à vapeur ☛ Étudier diverses modifications au cycle de Rankine en vue d’accroitre son rendement thermique

☛ Étudier les cycles de puissance à vapeur à resurchauffe et à régénération

☛ Etudier la cogénération ☛ Étudier le cycle combiné gaz-vapeur d’eau ☛ Étudier le cycle binaire

Le cycle de Carnot à vapeur

☛ Le cycle de Carnot, on l’a vu, est le cycle thermique le plus efficace qui peut être réalisé à l’aide de deux réservoirs thermique donnés : Évolution 1-2 : chauffage réversible et isotherme Evolution 2-3 : détente isentropique dans la turbine Evolution 3 -4 : évolution réversible et isotherme dans le condenseur Evolution 4-1 : compression isentropique dans le compresseur

Le cycle de Carnot à vapeur

☛ D’un point de vue pratique, trois obstacles se dressent devant le cycle de Carnot à vapeur : 1. Maintenir le transfert de chaleur dans le régime d’écoulement diphasique fixe une limite à la température maximale à laquelle l’évaporation peut se produire (l’évolution 1-2 et 3-4) 2. Dans les centrales thermique le titre du mélange liquide vapeur saturée demeure supérieur à 90% 3. L’évolution 4-1 est difficilement réalisables pour deux raisons : Il n’est pas facile de contrôler le phénomène de condensation de façon à produire un mélange liquide vapeur dont le titre est celui qui est recherché à l’état 4 Il n’est tout simplement pas pratique de concevoir un compresseur qui peut comprimer un mélange diphasique.

Le cycle de Carnot à vapeur

☛ Afin d’éliminer certains de ces inconvénients, on pourrait toujours recourir au cycle de Carnot pour la vapeur d’eau de la figure (b). Toutefois d’autres problème liés à la compression à haute pression et à la transmission de chaleur à pression variables surgissent.

Conclusion à propos du cycle de Carnot : Le cycle de Carnot ne peut être retenu comme cycle de puissance à vapeur idéal.

Le cycle de Rankine idéal ☛ Le cycle idéal correspondant à une centrale thermique élémentaire à vapeur d’eau est le cycle de Rankine. Elles se composent de 4 évolutions: (1-2) la compression isentropique dans la pompe (2-3) l’apport de chaleur à pression constante dans la chaudière (3-4) la détente isentropique dans la turbine (4-1) l’évacuation de chaleur à pression constante dans le condenseur

Le bilan énergétique du cycle de Rankine idéal

☛ La pompe, la chaudière, la turbine et le condenseur, sont des machines thermiques qui fonctionnent avec écoulement en régime permanant

☛ La

variation des énergies cinétique et potentielle sont

négligeables

☛ Le travail n’intervient pas dans la chaudière et le condenseur ☛ Les évolutions au sein de la pompe et de la turbine sont isentropiques.

Le bilan énergétique du cycle de Rankine idéal Pompe (q= 0) :

W

W

ou encore : avec : Chaudière (w= 0) :

pompe , in

=h −h 2 1

pompe , in

= v(P − P ) 2 1

h =h et v ≅ v = v 1 f,p 1 f,p 1 1

q

=h −h in 3 2

Turbine (q= 0) : W turb , out = h3 − h4

Condenseur (w= 0) : q

=h −h out 4 1

Le rendement thermique du cycle de Rankine idéal

☛ Le rendement thermique du cycle de Rankine idéal est η

ou :

w

net

=q

in

th

=

−q

w net q

out

in =w

= 1−

q out q

in

turb , out

− w pompe , in

Le rendement thermique du cycle de Rankine idéal Application 1 : Soit le cycle de Rankine idéal (voir la figure). La vapeur d’eau pénètre dans la turbine à 3 Mpa et à 350 °C, et elle est condensés dans le condenseur à 75 kPa. Déterminer le rendement thermique du cycle.

L’écart entre le cycle à vapeur idéal et le cycle réel

☛ L’écart entre le cycle de Rankine idéal et le cycle à vapeur réel est montré à la figure ci-dessous. Cet écart est dû aux irréversibilités.

a) Ecart entre le cycle à vapeur réel et le cycle de Rankine idéal b) Effet des irréversibilités dans la turbine et la pompe sur le cycle de Rankine

L’écart entre le cycle à vapeur idéal et le cycle réel

☛ Les sources d’irréversibilités sont: o Le frottement o La perte de chaleur de la vapeur au profit du milieu extérieur o La pompe réel consomme plus de travail que la pompe réversible o La turbine réel produit moins de travail que la turbine réversible o L’énergie consommé par équipements auxiliaires o Le fuite de vapeur et les infiltrations o La cavitation

☛ Toutes les irréversibilités contribuent à réduire le rendement thermique du cycle

L’écart entre le cycle à vapeur idéal et le cycle réel

☛ L’écart entre la machine réel et la machine réversible est pris en compte à l’aide du rendement isentropique défini: Pour la pompe :

Pour la turbine :

−h 2 s 1 ηp = = wa h − h 2a 1 ws

h

h −h 4a η = = 3 turb ws h − h 3 4s wa

L’écart entre le cycle à vapeur idéal et le cycle réel Application 2 : Soit une centrale thermique fonctionnant selon un cycle de puissance à vapeur d’eau(voir figure). Le rendement isentropique de la turbine est de 87% et celui de la pompe, de 85%. Déterminer : a) Le rendement thermique du cycle. b) La puissance nette produite par la centrale sachant que le débit massique de vapeur est de 15 kg/s

Comment peut on accroitre le rendement thermique du cycle de Rankine ?

☛ Les centrales thermiques et nucléaire constituent le principale moyen de production de l’électricité dans le mode .

☛ Accroitre le rendement du cycle de puissance réduit la consommation de combustible et la pollution de l’ environnement

☛ Pour y arriver il faut : Augmenter la température à laquelle la chaleur est fournie a l’eau au sein de la chaudière Diminuer la température à laquelle la chaleur est évacué par l’eau dans le condenseur.

Diminuer la pression dans le condenseur

☛ Réduire

la

pression

dans

le

condenseur

abaisse

automatiquement la température de la vapeur

☛ La pression dans les condenseur des centrales thermiques est habituellement inferieur à Patm.

☛ La pression dans les condenseur des centrales thermiques ne peut être inferieur à la pression de saturation

☛ Une pression plus bas dans le condenseur

favorise

le

risque

infiltration et l’érosion des aubages

des

Chauffer la vapeur à haute température

☛ La température à laquelle la chaleur est transmise à la vapeur peut être augmentée sans accroitre la pression dans la chaudière. Il suffit de chauffer la vapeur à haute température.

☛ L’effet de la surchauffe réduit la teneur en eau à la sortie de la turbine (x4 < x4’)

Augmenter la pression dans la chaudière

☛ En augmentant la pression dans la chaudière, on accroit automatiquement la température d’ébullition de l’eau.

☛ Au fil des années, la pression dans les chaudière n’a cessé d’augmenter. Elle est passée d’environ 2,7Mpa en 1922 à 30Mpa aujourd’hui pour produire des puissance dépassant les 1000MW.

Augmenter la pression dans la chaudière

☛ Certain centrales thermiques fonctionnent à des pression supérieurs à la pression critique (P >22MPa). Leur rendement atteint 40%.

☛ Pour des raison de sécurité, le rendement des centrales nucléaire est moindre (34%)

Cycle de Rankine supercritique

Application 3 : Effet de la pression et de la température de la chaudière sur le rendement thermique. Soit une centrale thermique qui fonctionnent selon le cycle de Rankine idéal. La vapeur d’eau entre dans le turbine à 3MPa et à 350 °C, et elle est condensée dans le condenseur à 10 kPa. Déterminer le rendement du cycle ηth; b) déterminer ηth si la vapeur est surchauffée à 600C° au lieu de 350°C; c) déterminer ηth si la pression dans la chaudière est accrue à 15 Mpa et que Tvapeur = 600 °C.

Le cycle à resurchauffe

Le cycle à resurchauffe

☛ Dans la section précédente, nous avons vu que : Augmenter la pression dans la chaudière accroit le rendement du cycle mais il y’a la formation de la teneur eau dans la section basse pression de la turbine.

Question : peut – on alors tirer avantage de l’accroissement de ηth par des pression plus élevées tout en évitant la teneur en eau ?

Le cycle à resurchauffe

☛ Deux solutions sont envisagées : 1. Surchauffer la vapeur d’eau à très haute température avant de l’admettre dans la turbine. Bien qu’elle soit intéressant, cette solution est cependant inefficace a cause de la limite de température de la vapeur d’eau dictée par les propriétés mécanique et métallurgique des aubages.

2. Détendre la vapeur d’eau au sein de la turbine en deux étages et la resurchauffer entre les étages. Cette solution est couramment employé dans les centrales thermiques

Le cycle à resurchauffe ☛ Le cycle à resurchauffe consiste à détendre la vapeur en deux étages : o Dans l’étage HP, la vapeur subie une détente isentropique dans la turbine jusqu’à une pression intermédiaire, o elle est alors dirigée vers la chaudière ou elle subit une resurchauffe à pression constant , o elle est ensuite retournée dans l’étage BP, ou elle se détend de façon isentropique jusqu'à la pression du condenseur.

Le cycle à resurchauffe

☛ La chaleur totale fournie à la vapeur est : q

in

=q

primaire

+q

resurch

☛ La travail produit par la turbine est : w

turb , out

=w

turb , I

+w

= (h − h ) + (h − h ) 5 3 4 6 turb , II

☛ La resurchauffe permet dans les grandes centrales thermiques, d’augmenter le rendement du cycle de 4 à 5%;

☛ Pour augmenter la température moyenne de la resurchauffe, on augmente le nombre d’étage de détente.

Le cycle à resurchauffe

☛ À mesure que le nombre d’étage grandit, l’évolution tend vers une évolution isotherme (voir figure);

☛ Pratiquement on recourt à Deux ou trois étages de détente ; ☛ En général, les température de resurchauffe sont à peu prés égale à la température d’admission dans le première étage;

☛ La pression intermédiaire est à peu prés le quart de la pression dans la chaudière.

Le cycle à resurchauffe Application 4 : Soit une centrale thermique fonctionnent selon le cycle à resurchauffe idéal. la vapeur d’eau est admise dans l’étage à HP à 15MPa, et elle est condensés dans le condenseur à 10 Kpa. Sachant que la teneur en eau de la vapeur à la sortie de l’étage BP ne peut excéder 10,4%, déterminer a) La pression à laquelle la vapeur subit une resurchauffe. b) Le rendement thermique du cycle, supposer que la vapeur subit une resurchauffe à la température d’admission dans l’étage à HP

Le cycle à régénération

Le cycle à régénération

☛ L’examen du diagramme T-s du cycle Rankine idéal révèle que la chaleur est transmise au caloporteur à basse température durant l’évolution 2-2’. Cala réduit la température moyenne pendant l’addition de chaleur et donc le rendement thermique du cycle Question : peut on remédier à cette situation ?

☛ La solution envisager est d’élever la température du liquide sortant la pompe, appelé l’eau d’alimentation, avant de l’admettre dans la chaudière. Cette façon de faire est appelée la régénération.

☛ On distingue deux types de réchauffeur : Réchauffeur à mélange Réchauffeur à surface

Le cycle à régénération : réchauffeur à mélange

☛ Le réchauffeur à mélange est essentiellement une chambre à mélange; ☛ La vapeur soutirée de la turbine est mélangé à l’eau d’alimentation sortant de la pompe; ☛ Le mélange sort du réchauffeur sous forme de liquide saturé à la pression du réchauffeur.

FWH : feedwater heater = réchauffeur à mélange

Le cycle à régénération : réchauffeur à mélange Bilan énergétique : o Chaleur totale :

q

o Chaleur sortante :

q

o Travail produit :

W

=h −h in 5 4

= (1 − y )( h − h ) out 7 1 = ( h − h ) + (1 − y )( h − h ) 5 6 turb , out 6 7

o Travail consommé : W pomp , in = (1 − y ) w pomp I, in + w pomp II, in

o Fraction de vapeur soutirée:

. m6 y= . m5

= v (P − P ) 1 2 1 w = v (P − P ) 3 4 3 pomp II, in w

pomp I, in

Le cycle à régénération : réchauffeur à mélange Application 5 : Soit une centrale thermique fonctionnant selon le cycle à régénération idéal avec un seul réchauffeur à mélange. La vapeur d’eau est admise dans la turbine à 15 Mpa et à 600 °C, et elle est condensée dans le condenseur à 10 Kpa. Une partie de la vapeur est soutirée à 1,2 Mpa pour être détournée vers le réchauffeur à mélange. Déterminer la fraction de la vapeur soutirée de la turbine et le rendement thermique du cycle.

Le cycle à régénération : réchauffeur à surface

☛ Le réchauffeur à surface est un échangeur de chaleur ☛ Dans le réchauffeur à surface la vapeur soutirée de la turbine n’est pas mélangée à l’eau d’alimentation

☛ Les écoulements se trouvent à des pressions différentes

Le cycle à régénération : réchauffeur à surface

☛ La vapeur condensée, soit pompée dans le conduit de l’eau d’alimentation, soit dirigé vers un autre réchauffeur, soit admise dans le condenseur , après avoir traversé un purgeur de vapeur qui réduit sa pression

Trap : purgeur de vapeur

Schéma d’une centrale thermique avec un réchauffeur à mélange et trois réchauffeurs à surface

Application 6 : Le cycle à resurchauffe et régénération idéal Soit une centrale thermique fonctionnant selon le cycle à resurchauffe et à régénération idéal avec un réchauffeur à mélange. La vapeur d’eau est admise ds la turbine à 15 Mpa et à 600 °C, et elle est condensée dans le condenseur à 10 Kpa. Une partie de la vapeur est soutirée de turbine à 4 Mpa pour être détournée vers le réchauffeur à surface, et le reste de la vapeur subit une resurchauffe à 600 °C. la vapeur soutirée est condensée dans le réchauffeur à surface, puis elle est pompée à 15 Mpa avant d’être mélangée à l’eau d’alimentation. La vapeur alimentant le réchauffeur à mélange est soutirée de la turbine à 0,5MPa. Déterminer les fractions de vapeur soutirée de la turbine ainsi que le rendement du cycle.

Schéma et le diagramme T –s de l’application n°6

Déterminer les fractions de vapeur soutirée de la turbine ainsi que le rendement du cycle.

Le cycle de cogénération

Le cycle de cogénération

☛ Nombreux systèmes et dispositifs utilisent la chaleur sans la transformer en une autre forme d’énergie : L’industrie chimique La pétrochimie La métallurgie L’agroalimentaire Le textile, etc,…

☛ La vapeur d’eau qu’elle utilise se trouve en général, entre 500 et 700 KPa et entre 150 °C et 200 °C;

☛ Cette industrie est aussi une grande consommatrice d’électricité ; ☛ La cogénération est l’action de produire, à partir d’une même source d’énergie, de l’électricité et de la chaleur utile ;

☛ Le cycle de cogénération peuvent fonctionner selon le cycle de Rankine et de Brayton.

Le cycle de cogénération idéal

☛ Le schéma d’une centrale thermique de cogénération idéal est la figure de droite. ☛ La principale caractéristique est cette installation est l’absence du condenseur; ☛ Le condenseur est remplacé par un échangeur de chaleur industrielle; ☛ Toute l’énergie gagnée par la vapeur qui traverse la chaudière est utilisé pour produire de l’électricité et la chaleur industrielle.

Procédé simple de production de la chaleur industrielle

Installation de cogénération idéal

Le cycle de cogénération idéal

☛ L’efficacité de l’installation de cogénération est défini comme : ....

....

W net + Q P ....

ε ==

Q

in

☛ L’efficacité de l’installation de cogénération idéal est évidemment 100%

☛ Dans les centrales réelles, cette efficacité peut atteindre 80%.

Installation de cogénération réel

☛ La centrale thermique de cogénération idéal montré précédemment n’est cependant pas pratique, car elle ne peut réponde à la demande fluctuant d’électricité et de chaleur. Nous présentons ci-dessous un schéma réaliste d’une centrale de cogénération.

☛ Au fonctionnement normal une partie de la vapeur est soutirée de la turbine à une pression fixée et le reste est dirigé vers le condenseur;

☛ Lorsque la demande de chaleur est important toute la chaleur est détournée vers l’échangeur industrielle

☛ Lorsqu'il y’a pas de demande de chaleur la vapeur se détend complètement dans la turbine.

Installation de cogénération réel ....

....

☛ La puissance thermique fournie à la chaudière est : Q in = m 3 ( h4 − h3 )

....

....

☛ La puissance thermique évacué par le condenseur est : Q out = m 7 ( h7 − h1 ) ....

....

....

....

☛ La puissance thermique fournie au procédé est : Q P = m 5 .h5 + m 6 .h6 − m 8 .h8

☛ La puissance mécanique produite par ....

....

....

....

la turbine est :

W turb = ( m 4 − m 5 )( h4 − h6 ) + m 7 .( h6 − h7 )

Application : Le cycle de cogénération idéal Soit la centrale thermique de cogénération de la figure ci dessus. La vapeur d’eau entre dans la turbine à 7 MPa et à 500 °C. Une partie de la vapeur est soutirée de la turbine à 500 KPa pour alimenter un procédé industriel. Le reste de la vapeur poursuit la détente dans la turbine jusqu’à 5 KPa. La vapeur est condensé à pression constante, puis elle est pompée à la pression de la chaudière, soit 7 MPa. Lorsque la demande en chaleur industrielle est grande, une partie de la vapeur qui sort de la chaudière est détournée vers l’échangeur de chaleur industrielle en traversant un détendeur. Les fractions de vapeur soutirée sont réglées de façons que la vapeur d’eau sortant de l’échangeur de chaleur industrielle soit sous forme de liquide saturé à 500 KPa. Ce liquide est ensuite pompé dans la chaudière à 7 MPa.

Le débit massique de vapeur d’eau dans la chaudière est de 15 kg/s. Les pertes de chaleur et les chutes de pression dans les conduits et les composants du cycle sont négligeables. Déterminez : a) La puissance thermique industrielle maximale. b) La puissance mécanique produite et l’efficacité de l’installation de cogénération lorsqu’il n’y a pas de chaleur industrielle produite. c) La puissance thermique industrielle lorsque 10% de la vapeur qui sort de la chaudière est détournée vers l’échangeur et que 70% de la vapeur est soutirée de la turbine à 500 KPa pour alimenter l’échangeur.