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RÉSUMÉ
Les centrales thermiques permettent de transformer de l’énergie chimique contenue dans un combustible (charbon, fioul ou gaz) ou de l’énergie nucléaire, en chaleur, puis en énergie mécanique, puis en électricité. Cet article reprend tout d’abord quelques rappels sur la thermodynamique des moteurs. Il s’attarde ensuite à présenter le fonctionnement des installations motrices des centrales thermiques (turbines à gaz et installations à vapeur). Pour terminer, une solution de couplage est proposée pour optimiser les rendements.
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André LALLEMAND : Ingénieur, docteur-ès-sciences - Professeur des universités à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon
INTRODUCTION
La production d’électricité à des niveaux de puissance importants, plusieurs centaines de mégawatts, est faite à partir de la transformation de l’énergie chimique contenue dans un combustible (charbon, fioul ou gaz) ou de l’énergie nucléaire, en chaleur, puis en énergie mécanique, puis en électricité. La conversion mécanique-électrique est du ressort des alternateurs, la conversion thermique-mécanique est l’œuvre des installations motrices à vapeur (IMV) ou des turbines à gaz (TAG), dites encore turbines à combustion (TAC). La transformation de l’énergie chimique en énergie thermique a lieu dans le générateur de vapeur (GV) des IMV ou dans le foyer de la turbine pour les TAC.
La compréhension basique du mode de fonctionnement de ces systèmes nécessite de faire un retour sur les notions de thermodynamique appliquée qui mettent en jeu les bilans énergétiques, les bilans entropiques et les cycles d’évolution du fluide utilisé comme fluide thermodynamique ou de travail : eau dans le cas des IMV, air et fumées dans le cas des TAC.
Ce sont ces divers rappels de base, complétés par la description et l’analyse du fonctionnement des systèmes classiques, que nous proposons de faire dans les deux premiers paragraphes de cet article. Le troisième est réservé à un couplage des deux systèmes, couplage qui permet d’atteindre les meilleurs rendements.
Cet article n’ayant pas la prétention d’être exhaustif, on restera au niveau des principes dans toutes les présentations. Le lecteur est renvoyé à des articles spécialisés des Techniques de l’Ingénieur pour avoir des informations techniques plus précises sur ces machines thermiques.
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- Version courante de avr. 2020 par André LALLEMAND
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Évolution et perspectives3. Centrales à cycles combinés
Considérant que, pour des questions d’investissement (matériaux courants), la température maximale d’un cycle classique d’IMV est de l’ordre de 560 oC, d’une part, que la température des gaz d’échappement d’une turbine à gaz sans récupérateur est de l’ordre de 600 oC, il apparaît comme possible de remplacer la combustion qui a lieu habituellement dans le GV par un transfert thermique entre les gaz d’échappement de la turbine à gaz et l’eau de l’IMV pour son échauffement, sa vaporisation et sa surchauffe. Cette considération est à la base du couplage des cycles de Joule et de Hirn que l’on pratique maintenant depuis quelques années, notamment lorsqu’il convient de réhabiliter une centrale thermique classique à vapeur [BE 8 905] Centrale à cycle combiné. Théorie, performances, modularité et [BE 8 906] Centrale à cycle combiné. Composants potentiels.
Le couplage d’un cycle de Joule avec un cycle de Hirn est schématisé sur la figure 20 où on a fait une représentation en diagramme
de l’évolution du gaz d’échappement de la turbine 3-4 et de l’échauffement de l’eau 1-2. Les débits de chaque fluide sont ajustés pour épuiser au maximum l’énergie contenue dans les fumées de la TAG. L’échange thermique entre les deux fluides a lieu dans une « chaudière de récupération ». La figure ...
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