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Quel est le principe de fonctionnement d’un générateur de turbine – Définition

La plupart des centrales nucléaires utilisent un turbogénérateur à un seul arbre composé d’une turbine HP à plusieurs étages et de trois turbines parallèles à plusieurs étages, d’un générateur principal et d’un excitateur. Génie thermique

Principe de fonctionnement d’une génératrice à turbine – Production d’électricité

La plupart des centrales nucléaires exploitent une turbogénératrice à un arbre qui se compose d’une turbine HP à plusieurs étages et de trois turbines BP à plusieurs étages parallèles , d’un générateur principal et d’un excitateur.  La turbine HP est généralement une turbine à impulsion à double flux (ou type à réaction) avec environ 10 étages avec des pales enveloppées et produit environ 30 à 40% de la puissance de sortie brute de la centrale. Turbines LP sont généralement des turbines à réaction à double flux avec environ 5-8 étages (avec des pales enveloppées et avec des pales autonomes des 3 derniers étages). Les turbines LP produisent environ 60 à 70% de la puissance brute de la centrale. Chaque rotor de turbine est monté sur deux roulements, c’est-à-dire qu’il y a des roulements doubles entre chaque module de turbine.

Turbine à vapeur de 3000MWth PWR typique
Schéma d’une turbine à vapeur d’un REP typique de 3000 MWth.

Du générateur de vapeur aux lignes de vapeur principales – Évaporation

Générateur de vapeur - vertical
Générateur de vapeur – vertical

Le système de conversion de puissance des REP typiques  commence dans les générateurs de vapeur situés du côté de la coque. Les générateurs de vapeur sont des échangeurs de chaleur utilisés pour convertir l’ eau d’alimentation en vapeur provenant de la chaleur produite dans le cœur d’ un réacteur nucléaire . L’eau d’alimentation (circuit secondaire) est chauffée entre ~ 230 ° C et 500 ° F (fluide préchauffé par des régénérateurs) jusqu’au point d’ébullition de ce fluide (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . La chaleur est transférée à travers les parois de ces tubes vers le réfrigérant secondaire à basse pression situé sur le côté secondaire de l’échangeur, où le réfrigérant s’évapore en vapeur sous pression vapeur saturée à 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa).. La vapeur saturée quitte le générateur de vapeur par une sortie de vapeur et se dirige vers les principales conduites de vapeur et vers la turbine à vapeur .

Générateur de vapeur aux lignes de vapeur principalesCes conduites de vapeur principales sont croisées (par exemple via un collecteur de vapeur) près de la turbine pour garantir que la différence de pression entre les générateurs de vapeur ne dépasse pas une valeur spécifique, maintenant ainsi l’équilibre du système et assurant une évacuation uniforme de la chaleur du système de refroidissement du réacteur ( RCS). La vapeur passe par les vannes d’isolement de la conduite de vapeur principale (MSIV), qui sont très importantes du point de vue de la sécurité, à la turbine haute pression. Directement à l’entrée de la turbine à vapeur, il y a des vannes d’arrêt et des vannes de régulation . Le contrôle de la turbine est obtenu en faisant varier les ouvertures de ces vannes. En cas de déclenchement d’une turbine, l’alimentation en vapeur doit être isolée très rapidement, généralement en une fraction de seconde, de sorte que les vannes d’arrêt doivent fonctionner de manière rapide et fiable.

 

Des vannes de turbine au condenseur – Expansion

Cycle de Rankine - Diagramme Ts
Cycle de Rankine – Diagramme Ts

La plupart des centrales nucléaires exploitent généralement des turbines à vapeur à condensation à plusieurs étages . Dans ces turbines, l’étage haute pression reçoit de la vapeur (cette vapeur est presque de la vapeur saturée – x = 0,995 – point C sur la figure; 6 MPa ; 275,6 ° C) d’un générateur de vapeur et l’évacue vers un séparateur-réchauffeur d’humidité (MSR – point D). La vapeur doit être réchauffée afin d’éviter les dommages qui pourraient être causés aux pales de la turbine à vapeur par une vapeur de faible qualité. Une teneur élevée en gouttelettes d’eau peut provoquer un impact et une érosion rapides des pales qui se produisent lorsque de l’eau condensée est projetée sur les pales. Pour éviter cela, des drains de condensats sont installés dans la tuyauterie de vapeur menant à la turbine. La vapeur sans humidité est surchauffée par la vapeur d’extraction de l’étage haute pression de la turbine et par la vapeur directement des conduites de vapeur principales.

Source: TVO - Centrale nucléaire d'Olkiluoto 3 www.tvo.fi/uploads/julkaisut/tiedostot/ydinvoimalayks_OL3_ENG.pdf
Source: TVO – Centrale nucléaire d’Olkiluoto 3 www.tvo.fi/uploads/julkaisut/tiedostot/ydinvoimalayks_OL3_ENG.pdf

La vapeur de chauffage est condensée dans les tubes et évacuée vers le système d’eau d’alimentation. Le réchauffeur chauffe la vapeur (point D), puis la vapeur est dirigée vers l’étage basse pression de la turbine à vapeur, où elle se détend (point E à F). La vapeur évacuée se condense ensuite dans le condenseur et se trouve à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (pression absolue de 0,008 MPa ), et est dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité proche de 90%. Les étages haute et basse pression de la turbine se trouvent généralement sur le même arbre pour entraîner un générateur commun, mais ils ont des boîtiers séparés. Le générateur principal produit de l’énergie électrique, qui est fournie au réseau électrique.

Turbine à vapeur humide - Expansion

Du condensateur aux pompes à condensats – Condensation

Condenseur - Réchauffeurs LP - DésaérateurLe condenseur principal condense la vapeur d’échappement des étages basse pression de la turbine principale et également du système de décharge de vapeur. La vapeur d’échappement est condensée en passant sur des tubes contenant de l’eau du système de refroidissement.

La pression à l’intérieur du condenseur est donnée par la température de l’air ambiant (c’est-à-dire la température de l’eau dans le système de refroidissement) et par des éjecteurs à vapeur ou des pompes à vide , qui aspirent les gaz (non condensables) du condenseur de surface et les éjectent dans l’atmosphère.

La pression de condensation la plus basse possible est la pression de saturation correspondant à la température ambiante (par exemple une pression absolue de 0,008 MPa, ce qui correspond à 41,5 ° C ). Notez qu’il y a toujours une différence de température entre (autour de ΔT = 14 ° C ) la température du condenseur et la température ambiante, qui provient de la taille finie et de l’efficacité des condenseurs. Comme le condenseur n’est pas un échangeur de chaleur efficace à 100%, il y a toujours une différence de température entre la température de saturation (côté secondaire) et la température du liquide de refroidissement dans le système de refroidissement. De plus, il y a une inefficacité de conception qui diminue l’efficacité globale de la turbine. Idéalement, la vapeur évacuée dans le condenseur n’aurait pas de sous-refroidissement. Mais les vrais condenseurs sont conçus pour sous-refroidir le liquide de quelques degrés Celsius afin d’éviter la cavitation d’aspiration dans les pompes à condensats. Mais, ce sous-refroidissement augmente l’inefficacité du cycle, car plus d’énergie est nécessaire pour réchauffer l’eau.

Cycle de Rankine - pression du condenseur
La diminution de la pression d’échappement de la turbine augmente le travail net par cycle mais diminue également la qualité de vapeur de la vapeur de sortie.

L’objectif de maintenir la pression d’échappement de turbine pratique la plus basse est une raison principale pour inclure le condenseur dans une centrale thermique. Le condenseur fournit un vide qui maximise l’énergie extraite de la vapeur, résultant en une augmentation significative du travail net et de l’efficacité thermique. Mais aussi ce paramètre (pression du condenseur) a ses limites d’ingénierie:

  • La diminution de la pression d’échappement de la turbine diminue la qualité de la vapeur (ou la fraction de sécheresse). À un certain point, l’expansion doit être interrompue pour éviter les dommages qui pourraient être causés aux pales de la turbine à vapeur par une vapeur de mauvaise qualité .
  • La diminution de la pression d’échappement de la turbine augmente considérablement le volume spécifique de vapeur d’échappement, ce qui nécessite d’énormes pales dans les dernières rangées de l’étage basse pression de la turbine à vapeur.

Dans une turbine à vapeur humide typique , la vapeur d’échappement se condense dans le condenseur et se trouve à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (pression absolue de 0,008 MPa, ce qui correspond à 41,5 ° C). Cette vapeur est dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité proche de 90%. Notez que la pression à l’intérieur du condenseur dépend également des conditions atmosphériques ambiantes:

  • température, pression et humidité de l’air en cas de refroidissement dans l’atmosphère
  • température de l’eau et débit en cas de refroidissement dans une rivière ou une mer

Une augmentation de la température ambiante entraîne une augmentation proportionnelle de la pression de la vapeur d’ échappement ( ΔT = 14 ° C est généralement une constante), d’où l’efficacité thermique du système de conversion de puissance diminue. En d’autres termes, la puissance électrique d’une centrale électrique peut varier avec les conditions ambiantes , tandis que la puissance thermique reste constante.

La vapeur condensée (maintenant appelée condensat) est collectée dans le hotwell du condenseur. Le hotwell du condenseur fournit également une capacité de stockage d’eau, qui est nécessaire à des fins opérationnelles telles que le remplissage de l’eau d’alimentation. Le condensat (liquide saturé ou légèrement sous-refroidi) est acheminé vers la pompe à condensat puis pompé par des pompes à condensat vers le dégazeur via le système de chauffage de l’eau d’alimentation. Les pompes à condensats augmentent généralement la pression à environ p = 1-2 MPa. Il existe généralement quatre pompes à condensats centrifuges d’un tiers avec des collecteurs d’aspiration et de refoulement communs. Trois pompes sont normalement en fonctionnement avec une dans la sauvegarde.

Des pompes à condensats aux pompes à eau d’alimentation – Régénération de la chaleur

Condenseur - Réchauffeurs LP - DésaérateurLe condensat des pompes à condensats passe ensuite par plusieurs étages de chauffe-eau à basse pression , dans lesquels la température du condensat est augmentée par transfert de chaleur de la vapeur extraite des turbines à basse pression. Il y a généralement trois ou quatre étages de chauffe-eau basse pression connectés dans la cascade. Le condensat sort des chauffe-eau basse pression à environ p = 1 MPa, t = 150 ° C et entre dans le dégazeur. Le système de condensat principal contient également un système de purification mécanique des condensats pour éliminer les impuretés. Les chauffe-eau d’alimentation sont autorégulants. Cela signifie que plus le débit d’eau d’alimentation est important, plus le taux d’absorption de chaleur de la vapeur est élevé et plus le débit de vapeur d’extraction est important.

Il y a des clapets anti-retour dans les conduites de vapeur d’extraction entre les chauffe-eau d’alimentation et la turbine. Ces clapets anti-retour empêchent le flux inverse de vapeur ou d’eau en cas de déclenchement de la turbine, ce qui provoque une diminution rapide de la pression à l’intérieur de la turbine. Toute eau entrant dans la turbine de cette manière pourrait endommager gravement la pale de la turbine.

Désaérateur

Désaérateur
Un diagramme schématique d’un dégazeur à plateau type. Source: wikipedia.org Licence: CC BY-SA 3.0

En général, un dégazeur est un appareil utilisé pour éliminer l’oxygène et les autres gaz dissous de l’eau d’alimentation vers les générateurs de vapeur. Le dégazeur fait partie du système de chauffage de l’eau d’alimentation. Il est généralement situé entre le dernier réchauffeur basse pression et les pompes d’appoint d’eau d’alimentation. En particulier, l’oxygène dissous dans le générateur de vapeur peut causer de graves dommages de corrosion en se fixant aux parois des tuyaux métalliques et autres équipements métalliques et en formant des oxydes (rouille). De plus, le dioxyde de carbone dissous se combine avec l’eau pour former de l’acide carbonique qui provoque une corrosion supplémentaire.

Dans le dégazeur , le condensat est chauffé à des conditions saturées généralement par la vapeur extraite de la turbine à vapeur. La vapeur d’extraction est mélangée dans le dégazeur par un système de buses de pulvérisation et de plateaux en cascade entre lesquels la vapeur s’infiltre. Tous les gaz dissous dans le condensat sont libérés dans ce processus et évacués du dégazeur par ventilation vers l’atmosphère ou vers le condenseur principal. Directement sous le dégazeur se trouve le réservoir de stockage d’eau d’alimentation, dans lequel une grande quantité d’eau d’alimentation est stockée dans des conditions proches de la saturation. Dans le cas d’un arrêt de turbine, cette eau d’alimentation peut être fournie aux générateurs de vapeur pour maintenir l’inventaire d’eau requis pendant les transitoires. Le dégazeur et le réservoir de stockage sont généralement situés à une altitude élevée dans le hall de la turbine pour assurer une tête d’aspiration positive nette (NPSH) adéquate à l’entrée des pompes à eau d’alimentation. Le NPSH est utilisé pour mesurer la proximité d’ un fluide avec des conditions saturées. L’abaissement de la pression côté aspiration peut provoquer une cavitation . Cette disposition minimise le risque de cavitation dans la pompe.

Des pompes à eau d’alimentation au générateur de vapeur

Pompes à eau d'alimentation - Réchauffeurs HPLe système de pompes à eau d’ alimentation comprend généralement trois lignes parallèles ( 3 × 50% ) de pompes à eau d’alimentation avec collecteurs d’aspiration et de refoulement communs. Chaque pompe à eau d’alimentation se compose du surpresseur et de la pompe à eau d’alimentation principale . Les pompes à eau d’alimentation (généralement entraînées par des turbines à vapeur) augmentent la pression du condensat (~ 1 MPa) à la pression dans le générateur de vapeur (~ 6,5 MPa).

Les pompes d’appoint fournissent la pression d’aspiration de la pompe principale d’alimentation en eau requise. Ces pompes (les deux pompes à eau d’alimentation) sont normalement des pompes à haute pression (généralement du type à pompe centrifuge ) qui aspirent le réservoir de stockage d’eau du dégazeur, qui est monté directement sous le dégazeur, et alimentent les principales pompes à eau d’alimentation. La décharge d’eau des pompes à eau d’alimentation s’écoule à travers les chauffe-eau à haute pression , entre dans l’ enceinte de confinement , puis s’écoule dans les générateurs de vapeur .

Le débit d’eau d’alimentation vers chaque générateur de vapeur est contrôlé par des vannes de régulation de l’eau d’ alimentation ( FRV ) dans chaque conduite d’ eau d’alimentation. Le régulateur est contrôlé automatiquement par le niveau du générateur de vapeur, le débit de vapeur et le débit d’eau d’alimentation.

Les chauffe-eau haute pression sont chauffés par extraction de vapeur de la turbine haute pression HP Turbine. Les drains des chauffe-eau haute pression sont généralement acheminés vers le dégazeur.

Générateur de vapeur - vertical
Générateur de vapeur – vertical

L’eau d’alimentation ( eau 230 ° C; 446 ° F; 6,5 MPa ) est pompée dans le générateur de vapeur par l’entrée d’eau d’alimentation. Dans le générateur de vapeur, l’eau d’alimentation (circuit secondaire) est chauffée de ~ 230 ° C 446 ° F au point d’ébullition de ce fluide (280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . L’eau d’alimentation est ensuite évaporée et la vapeur sous pression ( vapeur saturée 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) quitte le générateur de vapeur par la sortie de vapeur et continue vers la turbine à vapeur, complétant ainsi le cycle.

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: [email protected] ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci