Facebook Instagram Youtube Twitter

Qu’est-ce qu’une turbine à vapeur – Description et caractéristiques – Définition

En général, une turbine à vapeur est un moteur thermique rotatif qui convertit l’énergie thermique contenue dans la vapeur en énergie mécanique ou en énergie électrique. Turbine à vapeur

Turbine à vapeur

En général, une turbine à vapeur est un moteur thermique rotatif qui convertit l’ énergie thermique contenue dans la vapeur en énergie mécanique ou en énergie électrique . Dans sa forme la plus simple, une turbine à vapeur se compose d’une chaudière ( générateur de vapeur ), d’une turbine , d’un condenseur , d’une pompe d’alimentationet une variété de dispositifs auxiliaires. Contrairement aux moteurs alternatifs, par exemple, la compression, le chauffage et la détente sont continus et se produisent simultanément. Le fonctionnement de base de la turbine à vapeur est similaire à la turbine à gaz, sauf que le fluide de travail est de l’eau et de la vapeur au lieu de l’air ou du gaz.

La turbine à vapeur étant un moteur thermique rotatif, elle est particulièrement adaptée pour être utilisée pour entraîner un générateur électrique. Il est à noter qu’environ 90% de toute la production d’électricité dans le monde est due à des turbines à vapeur. La turbine à vapeur a été inventée en 1884 par Sir Charles Parsons , dont le premier modèle était connecté à une dynamo qui produisait 7,5 kW (10 ch) d’électricité. La turbine à vapeur est une caractéristique commune à toutes les centrales thermiques modernes et futures. En fait, la production d’énergie des centrales à fusion repose également sur l’utilisation de turbines à vapeur conventionnelles.

Voir aussi: Propriétés de Steam

Turbine à vapeur
Turbine à vapeur. Source wikipedia.org Licence: CC BY-SA 3.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comment fonctionne une turbine à vapeur?

Turbine Rateau - mélange sous pression
Turbine Rateau – mélange sous pression

L’ énergie thermique contenue dans la vapeur est convertie en énergie mécanique par expansion à travers la turbine . L’expansion se fait à travers une série de pales fixes (buses), qui orientent le flux de vapeur en jets à grande vitesse . Ces jets contiennent une énergie cinétique importante, qui est convertie en rotation de l’arbre par les pales du rotor en forme de godet, lorsque le jet de vapeur change de direction  (voir: Loi de conversation de l’élan ). Le jet de vapeur, en se déplaçant sur la surface incurvée de la lame, exerce une pression sur la lame en raison de sa force centrifuge. Chaque rangée de buses fixes et de lames mobiles est appelée une étape. Les pales tournent sur le rotor de turbine et les pales fixes sont disposées concentriquement à l’intérieur du carter de turbine circulaire.

Dans toutes les turbines, la vitesse de rotation de la pale est proportionnelle à la vitesse de la vapeur passant sur la pale. Si la vapeur n’est détendue qu’en une seule étape de la pression de la chaudière à la pression d’échappement, sa vitesse doit être extrêmement élevée. Mais la turbine principale typique des centrales nucléaires, dans laquelle la vapeur passe de pressions d’environ 6 MPa à des pressions d’environ 0,008 MPa , fonctionne à des vitesses d’environ 3000 tr / min pour des systèmes à 50 Hz pour un générateur à 2 pôles (ou 1500 tr / min pour un générateur à 4 pôles). et 1800 tr / min pour les systèmes à 60 Hz pour le générateur à 4 pôles (ou 3600 tr / min pour le générateur à 2 pôles). Un anneau à lame unique nécessiterait de très grandes lames et environ 30 000 tr / min, ce qui est trop élevé pour des raisons pratiques.

Par conséquent, 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 réaction à double flux avec environ 10 étages avec des pales enveloppées et produit environ 30 à 40% de la puissance de sortie brute de la centrale. Les turbines LP sont généralement des turbines à réaction à double fluxavec environ 5-8 étages (avec des lames enveloppées et avec des lames 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.

Voir aussi: HP Turbine

Voir aussi: LP Turbine

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

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 le 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 de 0,008 MPa ), et est dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité proche de 90%.

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

Types de turbines à vapeur

Turbine à vapeur - types

Les turbines à vapeur peuvent être classées en différentes catégories en fonction de leur construction, des pressions de service, de la taille et de nombreux autres paramètres. Mais il existe deux types de base de turbines à vapeur:

  • turbines à impulsion
  • turbines à réaction .

La principale distinction est la manière dont la vapeur est détendue lorsqu’elle passe à travers la turbine.

Turbine à impulsion et turbine à réaction

Les types de turbines à vapeur basés sur la géométrie des pales et le processus de conversion d’énergie sont les turbines à impulsion et les turbines à réaction.

Turbine à vapeur - Types de turbines

Turbine à impulsion

Turbine à vapeurLa turbine à impulsion est composée de pales mobiles alternant avec des buses fixes . Dans la turbine à impulsion, la vapeur est détendue dans des buses fixes et reste à pression constante lors du passage sur les pales. Les turbines Curtis , Rateau ou Brown-Curtis sont des turbines à impulsion. La turbine à vapeur d’origine, la De Laval, était une turbine à impulsion dotée d’une roue à aube.

La totalité de la chute de pression de vapeur a lieu uniquement dans les buses fixes. Bien que les pales d’impulsion théoriques aient une chute de pression nulle dans les pales mobiles, pratiquement, pour que l’écoulement ait lieu à travers les pales mobiles, il doit également y avoir une petite chute de pression à travers les pales mobiles.

Impulse vs Reaction Turbine - comparaison
Impulse vs Reaction Turbine – comparaison

Dans les turbines à impulsion, la vapeur se dilate à travers la buse, où la majeure partie de l’énergie potentielle de pression est convertie en énergie cinétique. La vapeur à grande vitesse des buses fixes impacte les pales , change de direction , ce qui à son tour applique une force . L’ impulsion qui en résulte entraîne les pales vers l’avant, entraînant la rotation du rotor. La principale caractéristique de ces turbines est que la chute de pression par étage peut être assez importante, permettant de grandes pales et un nombre d’étages plus réduit. À l’exception des applications à faible puissance, les aubes de turbine sont disposées en plusieurs étapes en série, appelées compoundage, ce qui améliore considérablement l’efficacité à basse vitesse.

Les turbines à vapeur modernes utilisent fréquemment à la fois la réaction et l’impulsion dans la même unité, variant généralement le degré de réaction et d’impulsion du pied d’aube à sa périphérie. Les pales du rotor sont généralement conçues comme une lame d’impulsion à la pourriture et comme une lame de réaction à la pointe.

Pale de turbine - Impulsion et réaction
Lame de réaction impulsionnelle

Étant donné que les étages Curtis réduisent considérablement la pression et la température du fluide à un niveau modéré avec une proportion élevée de travail par étage. Une disposition habituelle consiste à prévoir du côté haute pression un ou plusieurs étages de Curtis, suivis d’un Rateau ou d’une étape de réaction. En général, lorsque le frottement est pris en compte les étapes de réaction, l’étape de réaction se révèle être la plus efficace, suivie par Rateau et Curtis dans cet ordre. Les pertes par friction sont importantes pour les étages Curtis, car elles sont proportionnelles à la vitesse de la vapeur au carré. La raison pour laquelle les pertes par frottement sont moins importantes dans la phase de réaction réside dans le fait que la vapeur se dilate en continu et donc les vitesses d’écoulement sont plus faibles.

Turbine de réaction – Turbine Parsons

Turbine de réaction - schémaLa turbine de réaction est composée de pales mobiles ( buses ) alternant avec des buses fixes . Dans la turbine de réaction, la vapeur est détendue dans des buses fixes et également dans les buses mobiles. En d’autres termes, la vapeur se dilate continuellement lorsqu’elle s’écoule sur les pales. Il y a une perte de pression et de vitesse dans les lames mobiles. Les pales mobiles ont une buse à vapeur convergente. Ainsi, lorsque la vapeur passe sur les pales fixes, elle se dilate avec une diminution de la pression de vapeur et une augmentation de l’énergie cinétique.

Dans les turbines à réaction, la vapeur se dilate à travers la buse fixe, où l’énergie potentielle de pression est convertie en énergie cinétique. La vapeur à haute vitesse des buses fixes impacte les pales (buses), change de direction et subit une nouvelle  expansion . Le changement de direction et l’ accélération de l’équipe s appliquent une force. L’impulsion qui en résulte entraîne les pales vers l’avant, entraînant la rotation du rotor. Il n’y a pas de changement net de la vitesse de la vapeur à travers l’étage mais avec une diminution de la pression et de la température, reflétant le travail effectué dans l’entraînement du rotor. Dans ce type de turbine, les chutes de pression se produisent en plusieurs étapes, car la chute de pression en une seule étape est limitée.

La principale caractéristique de ce type de turbine est que contrairement à la turbine à impulsion, la chute de pression par étage est plus faible , donc les pales deviennent plus petites et le nombre d’étages augmente . En revanche, les turbines à réaction sont généralement plus efficaces, c’est-à-dire qu’elles ont un «rendement de turbine isentropique» plus élevé . La turbine à réaction a été inventée par Sir Charles Parsons et est connue sous le nom de turbine Parsons.

Dans le cas des turbines à vapeur, telles que celles qui seraient utilisées pour la production d’électricité, une turbine à réaction nécessiterait environ le double du nombre de rangées d’aubes comme une turbine à impulsion, pour le même degré de conversion d’énergie thermique. Bien que cela rend la turbine de réaction beaucoup plus longue et plus lourde, le rendement global d’une turbine de réaction est légèrement supérieur à celui d’une turbine à impulsion équivalente pour la même conversion d’énergie thermique.

Les turbines à vapeur modernes utilisent fréquemment à la fois la réaction et l’impulsion dans la même unité, variant généralement le degré de réaction et d’impulsion du pied d’aube à sa périphérie. Les pales du rotor sont généralement conçues comme une lame d’impulsion à la pourriture et comme une lame de réaction à la pointe.

Pale de turbine - Impulsion et réaction

Classification des turbines – conditions d’alimentation et d’échappement de vapeur

Les turbines à vapeur peuvent être classées en différentes catégories en fonction de leur fonction et des pressions de service . L’utilisation industrielle d’une turbine influence les conditions initiales et finales de la vapeur. Pour qu’une turbine à vapeur fonctionne, une différence de pression doit exister entre l’alimentation en vapeur et l’échappement.

Cette classification comprend:

Des aubes de turbine

Les éléments de turbine les plus importants sont les aubes de turbine . Ce sont les principaux éléments qui convertissent l’énergie de pression du fluide de travail en énergie cinétique. Les aubes de turbine sont de deux types de base:

  • lames mobiles
  • lames fixes

Dans les turbines à vapeur , la vapeur se dilate à travers la pale fixe (buse), où l’énergie potentielle de pression est convertie en énergie cinétique. La vapeur à grande vitesse des buses fixes impacte les pales mobiles, change de direction et se dilate également (en cas de pales de type réactionnel ). Le changement de direction et l’accélération de la vapeur (en cas de pales de type réactionnel) appliquent une force. L’impulsion qui en résulte entraîne les pales vers l’avant, entraînant la rotation du rotor. Les types de turbines à vapeur basés sur la géométrie des pales et le processus de conversion d’énergie sont:

  • turbine à impulsion
  • turbine de réaction

Les turbines à vapeur modernes utilisent fréquemment à la fois la réaction et l’impulsion dans la même unité, variant généralement le degré de réaction et d’impulsion du pied d’aube à sa périphérie. Les pales du rotor sont généralement conçues comme une lame d’impulsion à la pourriture et comme une lame de réaction à la pointe.

Pale de turbine - Impulsion et réaction

steam_turbine_blade_3L’efficacité et la fiabilité d’une turbine dépendent de la conception appropriée des pales. Il est donc nécessaire que tous les ingénieurs impliqués dans l’ingénierie des turbines aient une vue d’ensemble de l’importance et des aspects de conception de base des aubes de turbine à vapeur. L’ingénierie des aubes de turbine est une tâche multidisciplinaire . Elle concerne la thermodynamique , l’aérodynamique, l’ ingénierie mécanique et des matériaux .

Pour les turbines à gaz , les aubes de turbine sont souvent le composant limitant. La température la plus élevée du cycle se produit à la fin du processus de combustion et elle est limitée par la température maximale à laquelle les aubes de turbine peuvent résister. Comme d’habitude, les considérations métallurgiques (environ 1700 K) imposent des limites supérieures à l’efficacité thermique. Par conséquent, les aubes de turbine utilisent souvent des matériaux exotiques comme les superalliages et de nombreuses méthodes de refroidissement différentes, telles que les canaux d’air internes, le refroidissement des couches limites et les revêtements de barrière thermique. Le développement de superalliages dans les années 40 et de nouvelles méthodes de traitement telles que la fusion par induction sous vide dans les années 50 ont considérablement augmenté la capacité de température des aubes de turbine. Les pales de turbine modernes utilisent souventsuperalliages à base de nickel qui contiennent du chrome, du cobalt et du rhénium.

Les aubes de turbine à vapeur ne sont pas exposées à des températures aussi élevées, mais elles doivent résister à un fonctionnement avec un fluide diphasique . 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, par exemple, des drains de condensats sont installés dans la tuyauterie de vapeur menant à la turbine. Un autre défi pour les ingénieurs est la conception des pales du dernier étage de turbine LP. Ces pales doivent être (en raison du volume spécifique élevé de vapeur) très longues, ce qui induit d’ énormes forces centrifugespendant le fonctionnement. Par conséquent, les aubes de turbine sont soumises à des contraintes dues à la force centrifuge (les étages de turbine peuvent tourner à des dizaines de milliers de tours par minute (tr / min), mais généralement à 1800 tr / min) et à des forces de fluide qui peuvent provoquer des ruptures, des pertes ou des défaillances de fluage.

Aubes de turbine – Racine, profil, carénage

Les pales de turbine sont généralement divisées en trois parties:

  • Racine. La racine est une caractéristique de construction des pales de turbine, qui fixe la pale dans le rotor de turbine.
  • Profil. Le profil convertit l’énergie cinétique de la vapeur en énergie mécanique de la lame.
  • Envelopper.  Le carénage réduit les vibrations de la lame qui peuvent être induites par l’écoulement de vapeur à haute pression à travers les lames.

Pertes dans les turbines à vapeur

La turbine à vapeur n’est pas un moteur thermique parfait. Les pertes d’énergie tendent à diminuer le rendement et le rendement de travail d’une turbine. Cette inefficacité peut être attribuée aux causes suivantes.

  • Perte de vitesse résiduelle. La vitesse de la vapeur sortant de la turbine doit avoir une certaine valeur absolue (v ex ). La perte d’énergie due à la vitesse absolue de sortie de vapeur est proportionnelle à (v ex deux / 2). Ce type de perte peut être réduit en utilisant une turbine à plusieurs étages.
  • Présence de friction Dans les systèmes thermodynamiques réels ou dans les moteurs thermiques réels, une partie de l’inefficacité globale du cycle est due aux pertes par frottement des composants individuels (par exemple, buses ou aubes de turbine)
  • Fuite de vapeur. Le rotor de turbine et le carter ne peuvent pas être parfaitement isolés. Une certaine quantité de vapeur s’échappe de la chambre sans faire de travail utile.
  • Perte due au frottement mécanique des roulements. 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.
  • Pertes de charge dans les vannes de régulation et les conduites de vapeur. Il y a les principales vannes d’isolement des conduites de vapeur (MSIV), les vannes d’arrêt des gaz et les vannes de régulation entre les générateurs de vapeur et la turbine principale. Comme la friction des tuyaux, les pertes mineures sont à peu près proportionnelles au carré du débit . Le débit dans les conduites de vapeur principales est généralement très élevé. Bien que l’étranglement soit un processus isenthalpique, la goutte d’enthalpie disponible pour le travail dans la turbine est réduite, car cela entraîne une augmentation de la qualité de la vapeur de la vapeur de sortie.
  • Pertes dues à la faible qualité de la vapeur . La vapeur d’échappement est à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique et la vapeur est dans un état partiellement condensé, généralement d’une qualité proche de 90%. Une teneur plus 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.
  • Perte de rayonnement. La turbine à vapeur peut fonctionner à l’état d’équilibre avec des conditions d’entrée de 6 MPa, t = 275,6 °. Puisqu’il s’agit d’une machine grande et lourde, elle doit être isolée thermiquement pour éviter toute perte de chaleur dans l’environnement.

Gouvernance de la turbine à vapeur

La régulation de la turbine à vapeur est la procédure de contrôle du débit de vapeur vers une turbine à vapeur de manière à maintenir la vitesse de la turbine assez constante quelle que soit la charge sur la turbine. La turbine principale typique des centrales nucléaires, dans laquelle la vapeur se détend de pressions d’environ 6 MPa à des pressions d’environ 0,008 MPa, fonctionne à des vitesses d’environ:

  • 3000 tr / min pour les systèmes 50 Hz pour générateur 2 pôles (ou 1500 tr / min pour générateur 4 pôles),
  • 1800 tr / min pour les systèmes 60 Hz pour générateur 4 pôles (ou 3600 tr / min pour générateur 2 pôles).

La variation de charge (puissance) lors du fonctionnement d’une turbine à vapeur peut avoir un impact significatif sur ses performances et son efficacité. Traditionnellement, les centrales nucléaires (centrales nucléaires) ont été considérées comme des sources de charge de based’électricité car ils reposent sur une technologie à coûts fixes élevés et à coûts variables faibles. Cependant, cette simple situation ne s’applique plus dans tous les pays. La part de l’énergie nucléaire dans le bouquet électrique national de certains pays est devenue si importante que les services publics ont dû mettre en œuvre ou améliorer les capacités de manoeuvrabilité de leurs centrales afin de pouvoir adapter l’approvisionnement en électricité aux variations quotidiennes, saisonnières ou autres dans la demande d’énergie. C’est par exemple le cas en France où plus de 75% de l’électricité est produite par des centrales nucléaires, et où certains réacteurs nucléaires fonctionnent en mode suivi de charge .

L’objectif principal du fonctionnement de la turbine à vapeur est de maintenir une vitesse de rotation constante quelle que soit la charge variable. Ceci peut être réalisé en régissant dans une turbine à vapeur. Les principales méthodes de régulation utilisées dans les turbines à vapeur sont:

  1. Gouvernance des buses
    Buse gouvernant. Source: wikipedia.org Licence: CC BY-SA 3.0

    Régulation des gaz . Les éléments principaux d’un système de régulation des gaz simple sont les vannes d’arrêt des gaz et en particulier les vannes de régulation entre les générateurs de vapeur et la turbine principale. L’objectif principal des vannes de régulation est de réduire le débit de vapeur. Accessoirement à la réduction du débit massique, la vapeur subit une chute de pression croissante à travers la vanne de régulation, qui est en fait un processus isenthalpique. Bien que l’étranglement soit un processus isenthalpique, la goutte d’enthalpie disponible pour le travail dans la turbine est réduite, car cela entraîne une augmentation de la qualité de la vapeur de la vapeur de sortie.

  2. Buse régissant . Dans la régulation des buses, l’alimentation en vapeur de la vanne principale est divisée en deux, trois ou plusieurs conduites. Le débit de vapeur est régulé par l’ouverture et la fermeture de jeux de buses plutôt que par la régulation de sa pression.
  3. Contournement régissant . Ceci est généralement utilisé pour la soupape de surcharge qui fait passer la vapeur directement dans les derniers étages de la turbine à vapeur. Pendant une telle opération, des soupapes de dérivation sont ouvertes et de la vapeur vive est introduite dans les derniers étages de la turbine. Cela génère plus d’énergie pour satisfaire la charge accrue.
  4. Combinaison de 2 et 3 .

Voyage Turbine

Chaque turbine à vapeur est également équipée de régulateurs d’urgence qui entrent en action dans des conditions spécifiques. En général, un imprévu ou d’ arrêt d’urgence d’une turbine est connu comme un « déclenchement de la turbine ». Le signal de déclenchement de la turbine déclenche la fermeture rapide de toutes les vannes d’entrée de vapeur  (par exemple les vannes d’arrêt de turbine – TSV) pour bloquer le flux de vapeur à travers la turbine.

L’événement de déclenchement de la turbine est un transitoire postulé standard, qui doit être analysé dans le rapport d’analyse de la sûreté (SAR) pour les centrales nucléaires.

Dans un événement de déclenchement de turbine, un dysfonctionnement d’une turbine ou d’un système de réacteur provoque le déclenchement de la turbine hors de la ligne en arrêtant brusquement le flux de vapeur vers la turbine. Les causes courantes d’un arrêt de turbine sont par exemple:

  • la vitesse de l’arbre de turbine augmente au-delà de la valeur spécifique (par exemple 110%) – survitesse de la turbine
  • l’équilibrage de la turbine est perturbé ou dû à de fortes vibrations
  • défaillance du système de lubrification
  • faible vide dans le condenseur
  • déclenchement manuel de la turbine d’urgence

Après un arrêt de turbine, le réacteur est généralement déclenché directement à partir d’un signal dérivé du système. D’un autre côté, le système de protection du réacteur déclenche un signal de déclenchement de turbine chaque fois que le déclenchement du réacteur se produit. Puisqu’il reste encore de l’énergie dans le système d’alimentation en vapeur nucléaire (NSSS), le système de dérivation automatique de la turbine permettra d’accueillir la production de vapeur excédentaire.

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 mauvaise 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.

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 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. 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.

 

 

……………………………………………………………………………………………………………………………….

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