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Centrale thermique

Centrale thermique

Pour la conversion de l'énergie fossile en énergie électrique, la technologie d'une centrale thermique est souvent utilisée. À l'heure actuelle, une centrale thermique utilise des combustibles fossiles provenant d'une source de production d'énergie non renouvelable.

Une centrale thermique (ou thermoélectrique) est une centrale qui produit de l'électricité en transformant de la chaleur. Historiquement, l'énergie thermique est convertie en électricité en transférant la chaleur à un fluide de travail, puis en transformant l'énergie de ce fluide en énergie mécanique. Enfin, l'énergie mécanique est transformée en électricité. Une centrale thermique typique est divisée en plusieurs segments: la zone de la chaudière dans laquelle la chaleur est transférée au fluide de travail, une turbine, un alternateur et un condenseur.

Les principaux cycles thermodynamiques exploités dans ces installations sont le cycle de Rankine, éventuellement surchauffé, et le cycle de Brayton-Joule, ainsi que leurs combinaisons possibles, même en l'absence de stations centrales équipées de moteurs à cycle diesel ou d'autres types de cycles.

Du point de vue de la source d'énergie, pratiquement toute substance peut être utilisée pour produire de l'électricité. Les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel), l'uranium et le plutonium dans les centrales nucléaires sont parmi les combustibles les plus courants, mais des combustibles moins conventionnels peuvent également être utilisés, par exemple les boues. Dans ce cas, nous parlons de sources d'énergie non renouvelables, mais la source thermique peut également être le rayonnement solaire. Dans ce cas, il s'agit d'usines à énergies renouvelables, d' installations solaires thermiques.

Centrales thermiques à vapeur

Les centrales thermiques à vapeur sont caractérisées par l'utilisation d'eau ou d'un autre liquide, qui se trouve dans le cycle de travail en deux phases différentes, souvent sous forme de vapeur et de liquide. Au cours des dernières années, les technologies supercritiques se sont également répandues, ce qui a entraîné l'absence de transition de phase proprement dite, qui caractérisait autrefois ces installations.

Ces centrales thermiques peuvent être divisées en plusieurs sections: la ligne électrique, le générateur de vapeur, la turbine à vapeur et le condenseur. Bien que la définition de centrale thermique soit assez restrictive, on peut observer différents types de cycles thermodynamiques satisfaisant ces exigences, en particulier les plus répandus sont les cycles de Rankine et les cycles de Hirn.

Ligne d'alimentation d'une centrale thermique à vapeur

Avant d'entrer dans la chaudière, l'eau d'alimentation passe par une phase de préchauffage et de compression. En effet, à l'entrée de la chaudière, il existe plusieurs régénérateurs, c'est-à-dire des échangeurs de chaleur dans lesquels de la vapeur, partiellement ou complètement détendue, préchauffe le fluide de travail. Cela permet de pénétrer dans le générateur de vapeur à des températures plus élevées, ce qui entraîne une plus grande efficacité de l'installation.

Un dégazeur est souvent fourni dans la conduite d'alimentation en chaleur. Réduire la présence d'incondensable dans le fluide de travail. La compression du fluide de travail peut avoir lieu dans une seule pompe à la sortie du condenseur, solution préférable dans les petites installations, ou dans plusieurs pompes ou turbopompes placées de manière appropriée le long de la ligne d'alimentation, solution plus optimale dans grandes centrales thermiques à vapeur.

Générateur de vapeur

Dans le générateur de vapeur d'une centrale thermique, l'eau à pression constante est amenée au point d'ébullition. L'eau subit une transition de phase et est souvent surchauffée sous forme de vapeur. Ceci est réalisé au moyen d'un échangeur de chaleur bien conçu, divisé en différentes parties: l'économiseur, l'évaporateur et le surchauffeur. Ceux-ci peuvent être échangés avec un liquide, généralement de l'huile diathermique ou de l'eau sous pression, ou avec des gaz chauds résultant de la combustion, cette configuration est la plus courante pour les grandes installations.

Pour les systèmes particulièrement grands, les échangeurs sont placés dans la chambre de combustion et obtiennent également un échange radiatif avec les flammes. Une attention particulière est apportée pour éviter une surchauffe des échangeurs de chaleur, car cela pourrait entraîner une réduction de sa durée de vie utile ou, pire, une défaillance de sa structure qui causerait des dommages considérables au système.

Plantes supercritiques

Dans les systèmes supercritiques, le liquide de travail ne subit plus de transition de phase réelle, la pression étant supérieure au point critique, cependant, la structure est similaire, même si les distinctions entre les trois types de banques sont beaucoup plus faibles. Cependant, il existe encore trois zones: une à des températures relativement basses où le fluide de travail est liquide, une autre à des températures proches du point critique et des zones où le fluide est à l'état gazeux. Cette solution, qui implique donc le passage du fluide à un état supercritique, est notamment utilisée pour les grandes centrales à vapeur ou les petites centrales à fluide organique, dans le cas présent pour mieux approcher la courbe de refroidissement. Des gaz avec lesquels la chaleur est échangée.

Expansion de la vapeur dans la turbine

La vapeur qui quitte le générateur de vapeur est envoyée à une machine, généralement une turbine à vapeur ou, plus rarement, à une autre machine (moteur capor). La première partie de l'expansion s'effectue souvent par le biais d'une première étape d'action, souvent sous la forme de certaines étapes de Curtis, afin de garantir la possibilité de partialiser et d'ajuster la turbine aux différentes charges.

Par la suite, seules les étapes de réaction suivent en raison de leur plus grande efficacité. Pour les grandes centrales thermiques situées à un certain point d'expansion, la vapeur est renvoyée au générateur de vapeur en vue d'une surchauffe, afin d'augmenter le travail extrait de la turbine et de réduire simultanément la présence de condensat dans l'évacuation de celle-ci. si des fluides sont utilisés. petit complexe.

La vapeur, réchauffée ou non, continue son expansion dans la turbine, son expansion et son refroidissement, ce qui peut entraîner un écoulement volumétrique excessif qui implique des précautions particulières tant dans la structure du revêtement que dans l'utilisation éventuelle de plusieurs corps de turbine.

Dans la zone de basse pression, en travaillant avec des liquides simples, il se produit une condensation partielle du fluide de travail, ce qui peut être extrêmement dommageable pour la turbine à vapeur car les gouttes d'eau liquide ne suivent pas les mêmes trajectoires de la vapeur, ce qui a pour conséquence dans un martèlement et des dommages aux palettes. Une fois que l'expansion est terminée, la vapeur quitte la turbine et est envoyée au condenseur pour les fluides simples ou à un désurchauffeur suivi du condenseur pour les fluides à cloche de saturation rétrograde.

Lors de la détente, dans les grands groupes eau et vapeur, un échantillon de vapeur est prélevé dans différentes parties de la turbine: cette vapeur est utilisée dans les échangeurs de chaleur pour chauffer l'eau du cycle avant son entrée dans la chaudière. De plus, les énormes pertes de vapeur dues aux fuites dans les différentes sections discontinues de la turbine (étant donné les pressions et les températures élevées que le système d'étanchéité ne permet pas d'atteindre) sont généralement transférées dans un échangeur de chaleur puis réintroduites dans le réservoir. circuit; Les coûts élevés de la déminéralisation de l'eau et de sa surchauffe justifient l'utilisation de cette énergie et la récupération de matériaux.

Condenseur

Le condenseur d'une centrale thermique est le composant dans lequel se produit la condensation du fluide de travail. Cet instrument est soumis à de très basses pressions dans les cycles de l'eau, alors qu'il peut l'être à des pressions plus élevées, voire supérieures à la pression atmosphérique, pour les cycles alimentés avec d'autres fluides de travail. Dans les cycles d'eau, ou dans tous les cas avec des fluides à basse pression à la température de condensation, il est essentiel de disposer d'un condenseur capable d'empêcher les fuites d'air à l'intérieur du condenseur, car l'oxygène qui pénètre finalement dans le fluide de travail est suffisant. particulièrement agressif. le temps que le fluide de travail sera porté à des températures élevées.

Conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique et du système électrique principal de l'usine

L'expansion de la vapeur dans la turbine permet le transfert d'énergie mécanique aux pales du rotor. Le couple résistif nécessaire pour stabiliser la rotation du rotor est absorbé par l'alternateur, un générateur synchrone triphasé connecté directement au système électrique principal de la centrale et indirectement, au moyen du poste d'augmentation de tension et des interrupteurs placés dans le jeux de barres, au réseau de transmission électrique.

En fait, cette paire de résistances est convertie en énergie électrique par le biais de phénomènes de conversion électromagnétomécanique de l'énergie présente dans l'alternateur. En outre, le système d'excitation du générateur synchrone à courant continu,

Déminéralisation de l'eau

L'eau utilisée dans les cycles des centrales thermoélectriques peut être de l'eau de mer, de l'eau douce souterraine ou de l'eau de rivière. Sur la base de son origine, il subira un traitement préalable différent, qui dans le cas de l'eau salée est appelé dessalement.

Le traitement préalable de l'eau est effectué dans des réservoirs pour la floculation et la précipitation de substances solides regroupées dans des flocs obtenus à l'aide de produits chimiques. L'eau est purifiée des déchets solides et des substances impures.

Installations avec fluides de travail complexes et mélanges

Il existe des applications qui exploitent des fluides à haute complexité moléculaire, donc des molécules à haut degré de liberté. La cloche de saturation des fluides complexes est nettement déformée par rapport à celle des fluides les plus simples, ce qui permet d'avoir un fluide d'échappement de la turbine toujours à l'état de vapeur, qui est généralement refroidi initialement à l'aide d'un échangeur jusqu'à sa température de saturation. Peut-être dans un ordre de cogénération ou de préchauffage du fluide condensé.

D'autres applications exploitent des mélanges de fluides, choisis de manière appropriée, pour exploiter les caractéristiques particulières des mélanges résultants. Les mélanges, s'ils sont synthétisés et exploités correctement, peuvent présenter des courbes de condensation de bulles et / ou non isothermes, ce qui permet d'exploiter certaines sources thermiques non isothermes, telles que les gaz d'échappement d'une installation de petite taille ou plus facile. Dimensionnement d'une récupération de chaleur de cogénération de la phase de refroidissement et de condensation.

Centrales à gaz

Ce type de centrale thermique est caractérisé par l'utilisation d'un fluide sous forme de gaz ne subissant pas de transitions de phase. Les installations de ce type comprennent généralement quatre sections: compression du gaz, chauffage au gaz, détente du gaz, refroidissement des gaz d'échappement. Généralement, ces sections sont reliées dans un turbogaz.

La compression du gaz s'effectue généralement par le biais d'un turbocompresseur axial ou, dans le cas de systèmes radiaux plus petits, il est typique de disposer des premiers étages de déplacement du stator pour permettre à la machine d'être contrôlée plus facilement. Lors de la compression, dans les grandes machines, il est courant de souffler de l'air puis de refroidir la chambre de combustion et la turbine.

Le chauffage au gaz peut être effectué via un échangeur, lorsqu'il est nécessaire de maintenir la combustion du fluide de travail séparée, ou plus communément dans une chambre de combustion où un combustible est brûlé dans le fluide de travail, nécessairement de l'air ou de l'oxygène. La détente a lieu dans une turbine qui est généralement complètement réactive, car il n'est plus nécessaire de faire fonctionner la machine pour la contrôler. Dans le cas d'installations fonctionnant avec de l'air, il existe également une section importante pour filtrer et purifier l'air aspiré.

Filtration de l'air

La présence de polluants solides dans l'air est un problème très sensible dans les usines à gaz et fait en sorte que l'installation de filtres d'épuration spécifiques empêche leur pénétration dans la machine. En fait, ces contaminants pourraient fondre en raison des températures élevées atteintes dans la turbine et se solidifier dans les aubes de la turbine, ce qui entraînerait, avec le temps, une usure excessive de la machine.

De plus, même pour les turbines à températures relativement basses, les particules peuvent pénétrer dans les conduits de refroidissement de la turbine et les obstruer, ce qui provoque une surchauffe locale de la machine pouvant entraîner une défaillance structurelle de celle-ci.

Technologie cycle combiné gaz-vapeur

Afin d'accroître l'efficacité énergétique des centrales thermiques, l'utilisation des cycles combinés gaz et vapeur a été étendue ces dernières années. Le cycle combiné de gaz et de vapeur repose sur un turbogaz constitué d'un compresseur, relié à la turbine et à l'alternateur, qui injecte l'air de combustion de l'atmosphère dans la chambre de combustion. Le mélange d'air et de gaz injecté est brûlé dans la chambre de combustion et les gaz d'échappement sont utilisés pour obtenir un travail mécanique dans la turbine.

Une chaudière de récupération ultérieure utilise les mêmes émanations chaudes de la turbine pour générer de la vapeur qui se dilate ensuite dans une turbine à vapeur pour générer davantage de travail. En règle générale, les centrales à cycle combiné ont l'avantage d'avoir un impact moindre sur l'environnement, car elles utilisent des combustibles légers tels que le méthane ou le diesel, ainsi que moins d'eau pour la condensation.

Ils ont également un rendement beaucoup plus élevé que les centrales thermoélectriques traditionnelles, car les gaz d'échappement servent à générer de la vapeur et à générer de l'électricité. Cette performance (électrique) atteint près de 60%. Dans le cas de la cogénération (électricité et chaleur), par rapport à un rendement de première classe d'environ 87%, on observe une légère diminution des performances en électricité.

Réduction des polluants

Toutes les centrales thermoélectriques sont obligées de contrôler leurs émissions, ce qui est particulièrement important pour les grandes centrales où il existe une section importante pour réduire les polluants.

Réduction des oxydes de soufre

Les oxydes de soufre, qui sont l'une des causes des pluies acides, résultent généralement de la combustion du charbon et sont strictement réglementés. Ensuite, ils sont coupés. Selon le moment où ils sont retirés, il existe trois types d'extraction: pré-combustion, chaudière, post-combustion.

La réduction de la précombustion ne peut avoir lieu que si le charbon peut être prétraité, comme dans les centrales IGCC, ce qui en fait un processus plutôt rare.

La destruction dans la chaudière se fait en injectant des composés de calcium qui se lient au soufre pour donner du gypse inerte.

La réduction de la postcombustion est réalisée en lavant les fumées avec une solution de composés de calcium formant le gypse; cette configuration est préférée pour les grandes installations, car le gypse est produit pur, il peut donc être vendu, en évitant coûts d'élimination importants.

Oxydation des oxydes d'azote

La réduction des oxydes d'azote est un problème courant dans toutes les installations de combustion. En règle générale, sa production est déjà limitée à l'origine grâce à une conception adéquate des brûleurs et à une répartition également étudiée des courants d'air des aliments vers la chaudière ou le brûleur, en évitant des portions de gaz de combustion à des températures excessivement élevées. haute Si ce polluant est toujours d'actualité, des purificateurs spéciaux à l'ammoniac ou à l'urée sont utilisés.

Enlèvement des cendres

La réduction des cendres est un problème typique des centrales à combustible fossile au charbon et au mazout, car les centrales à gaz utilisent à la fois un combustible propre et de l'air filtré. Le problème est également lié aux légères cendres, qui sont entraînées par le flux d'air dans la cheminée. Ensuite, les cendres sont coupées à travers une série de filtres électrostatiques, de cyclones et de couvercles de filtres de plus en plus efficaces pour ramener les émissions dans les limites légales. Les cendres plus lourdes, par contre, sont facilement retirées de la chaudière et soumises à un traitement approprié, puis déposées dans des décharges. Des configurations particulières d'installations d'installations de pointe, telles que l'IGCC susmentionnée, peuvent également servir à réparer ces cendres lourdes,

Capture de dioxyde de carbone

Ces dernières années, lorsque les polluants traditionnels ont été réduits, une grande attention a été portée à la réduction des émissions de dioxyde de carbone en raison de leur contribution à l'effet de serre. Ce besoin a entraîné des installations de plus en plus efficaces, ainsi que le développement et l'expérimentation d'installations de captage et de séquestration du carbone. Les techniques de séparation sont divisées en trois groupes principaux:

Le captage avant la combustion permet d'éliminer le carbone et le combustible alimentant l'installation, qui doit donc fonctionner en brûlant pratiquement uniquement de l'hydrogène.

L'oxycombustion implique la combustion du carburant dans une atmosphère d'oxygène pur, de sorte qu'il puisse ensuite facilement séparer le dioxyde de carbone des autres composants sans la grande dilution typique de la combustion dans l'air.

Le captage post-combustion permet, avec des techniques similaires à celles utilisées après l'élimination des oxydes de soufre, d'éliminer le dioxyde de carbone du flux vers le rejet de l'installation.

Le dioxyde de carbone séparé à ce stade est stocké dans des aquifères épuisés ou profonds ou, plus économiquement, il est pompé dans des dépôts actifs, selon la technique de récupération forcée des hydrocarbures, cette dernière technique étant associée à une imposition forte émissions, est la plus prometteuse du point de vue économique.

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Dernier examen: 19 février 2019