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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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Installations motrices des centrales thermiques1. Thermodynamique des moteurs thermiques
La thermodynamique des moteurs thermiques, comme ceux qui convertissent l’énergie dans les centrales électrogènes, a pour base les deux principes : celui de la conservation de l’énergie d’une part ([BE 8 005] Thermodynamique appliquée. Premier principe. Énergie. Enthalpie), celui de l’évolution ou de la non-conservation de l’entropie d’autre part ([BE 8 007] Thermodynamique appliquée. Deuxième principe. Entropie et [BE 8 008] Thermodynamique appliquée. Bilans entropiques et exergétiques).
1.1 Conservation de l’énergie
En se limitant aux énergies de types mécanique et thermique, le principe de la conservation de l’énergie stipule que, au cours d’une transformation fermée, qui permet à un système après une évolution (ou transformation) de retrouver son état initial, la somme des énergies mécanique et thermique échangées avec le milieu extérieur est nulle [BE 8 005] :
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