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Qu’est-ce qu’un générateur à turbine – Système de conversion d’énergie – Définition

Le dispositif clé du système de conversion de puissance est le générateur à turbine. La turbine génératrice se trouve dans le bâtiment des turbines et contient la plupart des composants principaux du cycle thermodynamique. Génie thermique

Générateur de turbine – Système de conversion de puissance

La disposition des centrales nucléaires comprend deux parties principales: l’ îlot nucléaire et l’ îlot conventionnel (turbine) . L’île nucléaire est le cœur de la centrale nucléaire. D’autre part, l’ îlot conventionnel (turbine) abrite le composant clé qui extrait l’énergie thermique de la vapeur sous pression et la convertit en énergie électrique, le turbogénérateur . Par conséquent, il est également connu sous le nom de système de conversion de puissance . Le dispositif clé du système de conversion de puissance est le turbogénérateur. La turbogénératrice se trouve dans le bâtiment des turbines et contient la plupart des principaux composants du cycle thermodynamique. Seulement ledes générateurs de vapeur sont situés dans le bâtiment réacteur (l’îlot nucléaire).

Notez que nous décrivons le système de conversion de puissance d’un réacteur à eau sous pression (REP). Un réacteur à eau bouillante (REB) est comme un réacteur à eau sous pression mais avec de nombreuses différences. Les BWR n’ont pas de générateur de vapeur . Contrairement à un PWR, il n’y a pas de boucle primaire et secondaire. Fondamentalement, l’îlot de turbine des REB est très similaire aux REP.

Étant donné que les centrales électriques conventionnelles (par exemple les centrales à combustibles fossiles) utilisent une technologie très similaire pour convertir l’énergie thermique en énergie électrique, cette partie de la centrale nucléaire est appelée «île conventionnelle» . Par rapport aux centrales électriques conventionnelles, les îlots conventionnels des centrales nucléaires doivent satisfaire aux spécifications beaucoup plus strictes en matière d’assurance et de contrôle de la qualité qui s’appliquent même aux parties conventionnelles de la centrale nucléaire en raison de l’impact qu’elles peuvent avoir sur les systèmes nucléaires.

Les composants clés du système de conversion de puissance:

  • Turbine à vapeur . Une turbine à vapeur est un dispositif qui extrait l’ énergie thermique de la vapeur sous pression et l’utilise pour effectuer des travaux mécaniques sur un arbre de sortie rotatif.
  • Générateur . Un générateur est un appareil qui convertit l’énergie mécanique de la turbine à vapeur en énergie électrique .
  • Générateur de vapeur . Les générateurs de vapeur sont des échangeurs de chaleur utilisés pour convertir l’ eau d’alimentation en vapeur à partir de la chaleur produite dans un cœur de réacteur nucléaire .
  • Condenseur . Un condenseur est un échangeur de chaleur utilisé pour condenser la vapeur du dernier étage de la turbine.
  • Système condensat-eau d’alimentation . Les systèmes de condensats d’alimentation en eau ont deux fonctions principales. Fournir au générateur de vapeur de l’eau de haute qualité (condensat) et chauffer l’eau (condensat) à une température proche de la saturation.
  • Réchauffeur séparateur d’humidité (MSR) . Les réchauffeurs du séparateur d’humidité sont généralement installés entre la sortie de la turbine haute pression et les entrées de la turbine basse pression pour éliminer l’humidité de la vapeur d’échappement de la turbine haute pression et pour réchauffer cette vapeur avant son admission dans les turbines BP.
  • Système de refroidissement . La fonction principale du système de refroidissement dans les centrales électriques est de refroidir le circuit de vapeur afin de condenser la vapeur à basse pression et de la recycler. Comme la vapeur dans le circuit interne se condense en eau, la chaleur excédentaire (perdue) qui en est retirée doit être évacuée par transfert dans l’air ou dans un plan d’eau.
  • Système d’instrumentation et de contrôle (I&C) . Le système d’instrumentation et de contrôle sert de système nerveux central à une centrale nucléaire.
Île nucléaire - Île conventionnelle (turbine)
L’agencement des centrales nucléaires comprend deux parties principales: l’île nucléaire et l’île conventionnelle (à turbine).

Cycle de Rankine
Diagramme Ts du cycle de Rankine. Le cycle de Rankine a été nommé d’après un ingénieur écossais, William John Macquorn Rankine et décrit les performances des systèmes de turbines à vapeur.

Turbine à vapeur de PWR 3000 MWth typique
Schéma d’une turbine à vapeur d’un REP typique de 3 000 MWth.

Principe de fonctionnement du générateur 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 PWR 3000 MWth typique
Schéma d’une turbine à vapeur d’un REP typique de 3 000 MWth.

Du générateur de vapeur aux conduites de vapeur principales – Évaporation

Générateur de vapeur - vertical
Générateur de vapeur – vertical

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

Générateur de vapeur vers les lignes de vapeur principalesCes conduites de vapeur principales sont réticulées (par exemple via un tuyau de collecteur de vapeur) près de la turbine pour garantir que la différence de pression entre l’un des générateurs de vapeur ne dépasse pas la 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 s’écoule à travers les vannes d’isolement de la conduite de vapeur principale (MSIV), qui sont très importantes du point de vue de la sécurité, vers la turbine haute pression. Directement à l’entrée de la turbine à vapeur, il y a des vannes d’arrêt des gaz et des vannes de régulation . Le contrôle de la turbine est obtenu en faisant varier ces ouvertures de soupapes de turbine. En cas de déclenchement 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 rapidement et de manière 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.

Efficacité thermique des turbines à vapeur

En général , le rendement thermique , η e , d’un moteur thermique est définie comme étant le rapport entre le travail qu’elle fait, W , à la chaleur d’ entrée à la température élevée, Q H .

formule d'efficacité thermique - 1

L’ efficacité thermique , η th , représente la fraction de chaleur , H , qui est convertie en travail . Puisque l’énergie est conservée selon la première loi de la thermodynamique et que l’énergie ne peut pas être convertie pour fonctionner complètement, l’apport de chaleur, Q H , doit être égal au travail effectué, W, plus la chaleur qui doit être dissipée sous forme de chaleur résiduelle Q C dans le environnement. Par conséquent, nous pouvons réécrire la formule de l’efficacité thermique comme suit:

formule d'efficacité thermique - 2

C’est une formule très utile, mais ici nous exprimons l’efficacité thermique en utilisant le première principe en termes d’ enthalpie .

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 (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 mauvaise qualité . 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 de0,008 MPa ), et est dans un état partiellement condensé (point F), généralement d’une qualité proche de 90%.

Dans ce cas, les générateurs de vapeur, les turbines à vapeur, les condenseurs et les pompes à eau d’alimentation constituent un moteur thermique, soumis aux limitations d’efficacité imposées par la deuxième loi de la thermodynamique . Dans le cas idéal (pas de frottement, processus réversibles, conception parfaite), ce moteur thermique aurait une efficacité Carnot de

= 1 – T froid / T chaud = 1 – 315/549 = 42,6%

où la température du réservoir chaud est de 275,6 ° C (548,7 K), la température du réservoir froid est de 41,5 ° C (314,7 K). Mais la centrale nucléaire est le véritable moteur thermique , dans lequel les processus thermodynamiques sont en quelque sorte irréversibles. Ils ne se font pas infiniment lentement. Dans les appareils réels (tels que les turbines, les pompes et les compresseurs), un frottement mécanique et des pertes de chaleur entraînent d’autres pertes d’efficacité.

Pour calculer l’ efficacité thermique du cycle de Rankine le plus simple (sans réchauffage), les ingénieurs utilisent la première loi de la thermodynamique en termes d’enthalpie plutôt qu’en termes d’énergie interne.

La première loi en matière d’enthalpie est:

dH = dQ + Vdp

Dans cette équation, le terme Vdp est un travail de processus d’écoulement. Ce travail,   Vdp , est utilisé pour des systèmes à flux ouvert comme une turbine ou une pompe dans lesquels il y a un «dp» , c’est-à-dire un changement de pression. Il n’y a aucun changement dans le volume de contrôle . Comme on peut le voir, cette forme de loi simplifie la description du transfert d’énergie . À pression constante , le changement d’enthalpie est égal à l’ énergie transférée de l’environnement par le chauffage:

Processus isobare (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H 2 – H 1

À entropie constante , c’est-à-dire dans un processus isentropique, le changement d’enthalpie est égal au travail de processus d’écoulement effectué sur ou par le système:

Processus isentropique (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H 2 – H 1

Il est évident, il sera très utile dans l’analyse des deux cycles thermodynamiques utilisés en génie énergétique, c’est-à-dire dans le cycle de Brayton et le cycle de Rankine.

L’ enthalpie peut être transformée en une variable intensive ou spécifique , en la divisant par la masse . Les ingénieurs utilisent l’ enthalpie spécifique dans l’analyse thermodynamique plus que l’enthalpie elle-même. Il est tabulé dans les tableaux de vapeur avec un volume spécifique et une énergie interne spécifique . L’efficacité thermique d’un tel cycle de Rankine simple et en termes d’enthalpies spécifiques serait:

efficacité thermique du cycle de Rankine

C’est une équation très simple et pour déterminer l’efficacité thermique, vous pouvez utiliser les données des tables de vapeur .

Takaishi, Tatsuo;  Numata, Akira;  Nakano, Ryouji;  Sakaguchi, Katsuhiko (mars 2008).
Takaishi, Tatsuo; Numata, Akira; Nakano, Ryouji; Sakaguchi, Katsuhiko (mars 2008). «Approche des moteurs diesel et à gaz à haut rendement» (PDF). Revue technique Mitsubishi Heavy Industries. 45 (1). Récupéré le 04/02/2011.

Dans les centrales nucléaires modernes, le rendement thermique global est d’environ un tiers (33%), de sorte que 3000 MWth d’énergie thermique provenant de la réaction de fission sont nécessaires pour générer 1000 MWe d’énergie électrique. La raison en est la température de vapeur relativement basse ( 6 MPa ; 275,6 ° C). Des rendements plus élevés peuvent être atteints en augmentant la températurede la vapeur. Mais cela nécessite une augmentation des pressions à l’intérieur des chaudières ou des générateurs de vapeur. Cependant, des considérations métallurgiques imposent des limites supérieures à ces pressions. Par rapport à d’autres sources d’énergie, le rendement thermique de 33% n’est pas beaucoup. Mais il faut noter que les centrales nucléaires sont beaucoup plus complexes que les centrales à combustibles fossiles et qu’il est beaucoup plus facile de brûler des combustibles fossiles que de produire de l’énergie à partir de combustibles nucléaires. Les centrales électriques à combustibles fossiles sous-critiques, qui fonctionnent sous une pression critique (c’est-à-dire inférieure à 22,1 MPa), peuvent atteindre une efficacité de 36 à 40%.

 

Causes d’inefficacité

Comme cela a été discuté, une efficacité peut varier entre 0 et 1. Chaque moteur thermique est en quelque sorte inefficace. Cette inefficacité peut être attribuée à trois causes.

  • Irréversibilité des processus . Il existe une limite supérieure théorique globale à l’efficacité de la conversion de la chaleur pour fonctionner dans n’importe quel moteur thermique. Cette limite supérieure est appelée efficacité Carnot . Selon le principe Carnot , aucun moteur ne peut être plus efficace qu’un moteur réversible ( un moteur thermique Carnot ) fonctionnant entre les mêmes réservoirs haute température et basse température. Par exemple, lorsque le réservoir chaud a T chaud de 400 ° C (673 K) et T froid d’environ 20 ° C (293 K), l’efficacité maximale (idéale) sera: = 1 – T froid / T chaud = 1 – 293 / 673 = 56%. Mais tous les processus thermodynamiques réels sont en quelque sorte irréversibles. Ils ne se font pas infiniment lentement. Par conséquent, les moteurs thermiques doivent avoir des rendements inférieurs aux limites de leur rendement en raison de l’irréversibilité inhérente du cycle du moteur thermique qu’ils utilisent.
  • Présence de friction et de pertes de chaleur. Dans les systèmes thermodynamiques réels ou dans les moteurs thermiques réels, une partie de l’inefficacité globale du cycle est due aux pertes des composants individuels. Dans les appareils réels (tels que les turbines, les pompes et les compresseurs), un frottement mécanique , des pertes de chaleur et des pertes dans le processus de combustion entraînent des pertes d’efficacité supplémentaires.
  • Inefficacité de la conception . Enfin, la dernière et aussi importante source d’inefficacité provient des compromis faits par les ingénieurs lors de la conception d’un moteur thermique (par exemple une centrale électrique). Ils doivent tenir compte des coûts et d’autres facteurs dans la conception et le fonctionnement du cycle. À titre d’exemple, considérons la conception du condenseur dans les centrales thermiques. 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.

Amélioration de l’efficacité thermique – Cycle de Rankine

Il existe plusieurs méthodes, comment améliorer l’efficacité thermique du cycle de Rankine. En supposant que la température maximale est limitée par la pression à l’intérieur de l’enceinte sous pression du réacteur, ces méthodes sont les suivantes:

  • Pressions des chaudières et des condenseurs
  • Surchauffe et réchauffage
  • Régénération de chaleur
  • Cycle de Rankine supercritique

Efficacité isentropique – Turbine, pompe

Dans les chapitres précédents, nous avons supposé que l’expansion de la vapeur est isentropique et nous avons donc utilisé T 4, soit  la température de sortie du gaz. Ces hypothèses ne sont applicables qu’avec des cycles idéaux.

La plupart des appareils à débit constant (turbines, compresseurs, buses) fonctionnent dans des conditions adiabatiques, mais ils ne sont pas vraiment isentropiques mais sont plutôt idéalisés comme isentropiques à des fins de calcul. Nous définissons les paramètres η T ,  η P , η N , comme un rapport entre le travail réel effectué par appareil et le travail par appareil lorsqu’il est utilisé dans des conditions isentropiques (dans le cas d’une turbine). Ce rapport est connu sous le nom d’ efficacité turbine isentropique / pompe / buse . Ces paramètres décrivent l’efficacité avec laquelle une turbine, un compresseur ou une buse se rapproche d’un dispositif isentropique correspondant. Ce paramètre réduit l’efficacité globale et le rendement de travail. Pour les turbines, la valeur de η T est généralement de 0,7 à 0,9 (70–90%).

Voir aussi: Processus isentropique

Efficacité isentropique - turbine - pompe

Compression isentropique vs adiabatique

Expansion isentropique vs adiabatique
Le processus isentropique est un cas particulier des processus adiabatiques. Il s’agit d’un processus adiabatique réversible. Un processus isentropique peut également être appelé un processus d’entropie constante.

Cycle de Rankine – Problème avec la solution

Cycle de RankineSupposons le cycle de Rankine , qui est l’un des cycles thermodynamiques les plus courants dans les centrales thermiques. Dans ce cas, supposons un cycle simple sans réchauffage et sans avec turbine à vapeur à condensation fonctionnant à la vapeur saturée  (vapeur sèche). Dans ce cas, la turbine fonctionne à l’état stable avec des conditions d’entrée de 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (point 3). La vapeur sort de cet étage de turbine à une pression de 0,008 MPa, 41,5 ° C et x = ??? (point 4).

Calculer:

  1. la qualité de la vapeur de la vapeur de sortie
  2. la différence d’enthalpie entre ces deux états (3 → 4), ce qui correspond au travail effectué par la vapeur, W T .
  3. la différence d’enthalpie entre ces deux états (1 → 2), qui correspond au travail effectué par les pompes, W P .
  4. la différence d’enthalpie entre ces deux états (2 → 3), qui correspond à la chaleur nette ajoutée dans le générateur de vapeur
  5. l’efficacité thermodynamique de ce cycle et comparer cette valeur avec l’efficacité de Carnot

1)

Comme nous ne connaissons pas la qualité exacte de la vapeur de la vapeur de sortie, nous devons déterminer ce paramètre. L’état 4 est fixé par la pression 4 = 0,008 MPa et le fait que l’ entropie spécifique est constante pour l’expansion isentropique (s 3 = s 4 = 5,89 kJ / kgK pour 6 MPa ). L’entropie spécifique de l’eau liquide saturée (x = 0) et de la vapeur sèche (x = 1) peut être choisie dans les tables de vapeur . En cas de vapeur humide, l’entropie réelle peut être calculée avec la qualité de la vapeur, x, et les entropies spécifiques de l’eau liquide saturée et de la vapeur sèche:

4 = s v x + (1 – x) s l              

4 = entropie de vapeur humide (J / kg K) = 5,89 kJ / kgK

v = entropie de vapeur «sèche» (J / kg K) = 8,227 kJ / kgK (pour 0,008 MPa)

l = entropie d’eau liquide saturée (J / kg K) = 0,592 kJ / kgK (pour 0,008 MPa)

D’après cette équation, la qualité de la vapeur est:

4 = ( 4 – s l ) / ( v – s l ) = (5,89 – 0,592) / (8,227 – 0,592) = 0,694 = 69,4%

2)

L’enthalpie pour l’état 3 peut être prélevée directement dans les tables de vapeur, tandis que l’enthalpie pour l’état 4 doit être calculée en utilisant la qualité de la vapeur:

3, v = 2785 kJ / kg

4, humide = h 4, v x + (1 – x) h 4, l  = 2576. 0,694 + (1 – 0,694). 174 = 1787 + 53,2 = 1840 kJ / kg

Ensuite, le travail effectué par la vapeur, W T, est

T = Δh = 945 kJ / kg

3)

L’enthalpie pour l’état 1 peut être sélectionnée directement dans les tables à vapeur:

1, l = 174 kJ / kg

L’état 2 est fixé par la pression p 2 = 6,0 MPa et le fait que l’entropie spécifique est constante pour la compression isentropique (s 1 = s 2 = 0,592 kJ / kgK pour 0,008 MPa ). Pour cette entropie s 2 = 0,592 kJ / kgK et p 2 = 6,0 MPa, nous trouvons 2, sous-refroidi dans les tables de vapeur pour l’eau comprimé (en utilisant l’interpolation entre deux états).

2, sous-refroidi = 179,7 kJ / kg

Ensuite, le travail effectué par les pompes, W P, est

P = Δh = 5,7 kJ / kg

4)

La différence d’enthalpie entre (2 → 3), qui correspond à la chaleur nette ajoutée dans le générateur de vapeur, est simplement:

add = h 3, v  – h 2, sous-refroidi = 2785 – 179,7 =   2605,3 kJ / kg

Notez qu’il n’y a pas de régénération de chaleur dans ce cycle. En revanche, la plus grande partie de la chaleur ajoutée est destinée à l’enthalpie de vaporisation (c’est-à-dire au changement de phase).

5)

Dans ce cas, les générateurs de vapeur, les turbines à vapeur, les condenseurs et les pompes à eau d’alimentation constituent un moteur thermique, soumis aux limitations d’efficacité imposées par la deuxième loi de la thermodynamique . Dans le cas idéal (pas de frottement, processus réversibles, conception parfaite), ce moteur thermique aurait une efficacité Carnot de

η Carnot = 1 – T froid / T chaud = 1 – 315/549 = 42,6%

où la température du réservoir chaud est de 275,6 ° C (548,7 K), la température du réservoir froid est de 41,5 ° C (314,7 K).

L’efficacité thermodynamique de ce cycle peut être calculée par la formule suivante:

Cycle de Rankine - exemple - efficacité thermique

donc
η th = (945 – 5,7) / 2605,3 = 0,361 = 36,1%

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