Présentation
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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Présentation
Centrales à cycles combinés2. Installations motrices des centrales thermiques
Pratiquement, un cycle de Carnot est très difficile à concrétiser, puisqu’il s’agirait de réaliser des échanges thermiques Q 12 et Q 34 à température rigoureusement constante tout en diminuant la pression d’une part et en l’augmentant d’autre part. Industriellement, les transferts de chaleur se font à pression constante (ou sensiblement constante) dans des échangeurs de chaleur ou dans des foyers où se développe une combustion. En revanche, les deux isentropes sont plus faciles à concevoir, puisqu’elles correspondent à des évolutions (détente 2-3 et compression 4-1) adiabatiques réversibles (pour éviter la création d’entropie). Cependant, elles ne peuvent pas être réalisées strictement, puisque, en pratique, les irréversibilités sont inévitables.
Ainsi, deux types de cycles, différents du cycle de Carnot mais respectant les impératifs techniques, sont mis en œuvre dans les centrales thermiques électrogènes : le cycle de Joule et ses dérivés ; le cycle de Rankine et ses dérivés. Les moteurs thermiques Diesels ne sont que peu utilisés. Ils ne seront pas présentés dans la suite de cet article dont le but est d’ailleurs de ne faire qu’une présentation de principe des installations les plus courantes. Pour plus de détails sur les centrales thermiques, le lecteur pourra se référer à l’article traitant de la production d’énergie électrique à partir de combustibles fossiles.
2.1 Turbines à gaz
Si on admet que l’apport de chaleur et la perte thermique doivent être réalisés dans des échangeurs (se reporter à l’article traitant les échangeurs de chaleur), à pression constante, le cycle de base d’une turbine à gaz doit comporter deux portions d’isobares 1-2 et 3-4 (figure 7) à des niveaux de pression P 1 = P 2 et P 3 = P 4 différents et deux isentropes au cours desquelles ont lieu une compression 4-1 et une détente 2-3. Notons que, pour chauffer le fluide entre 1 et 2 (quantité de chaleur Q 12), il faut disposer d’une source de chaleur dont la température atteigne au moins la valeur TM = T 2 . De même, pour refroidir le fluide thermodynamique (Q 34), il faut disposer d’un puits thermique dont la...
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