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RÉSUMÉ
On trouve les installations motrices à vapeur dans les grandes centrales de production d’électricité et sur des sites industriels. Les cycles de base, dits cycles de Rankine, sont proches des cycles de Carnot, gage d’efficacité, confirmé par l’expérience. Pour augmenter encore le rendement de ces machines, diverses évolutions leur sont apportées. Les rejets thermiques de ces installations motrices à vapeur étant importants, comme dans toutes machines thermiques, la récupération de cette chaleur est capitale. La production de l’IMV est alors de deux natures énergétiques : mécanique (ou électrique) et thermique.
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Steam engine installations are found in large electricity generating stations and industrial facilities. The basic cycles, called Rankine cycles, are close to Carnot cycles, thus giving an experiment affirmed guarantee of efficiency. To further increase the output, a variety of modifications are carried out on these machines. As for all heat engines, the heat exhaust from these steam installations is large and its recuperation is vital. Consequently, the production of the steam plant consists of two types of energy: mechanical (or electrical) and thermal.
Auteur(s)
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André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur ès Sciences - Professeur des Universités à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
INTRODUCTION
Les installations motrices à vapeur (IMV), qui ont pour origine les cycles thermodynamiques à vapeur, correspondent aux moteurs les plus puissants. Ce sont des machines à apport de chaleur externe fournie soit par une combustion, soit par une réaction nucléaire. On les trouve dans les grandes centrales de production d’électricité, classiques ou nucléaires, où leur puissance atteint plus de un gigawatt. On les rencontre également avec des tailles plus modestes sur des sites industriels pour opérer dans un grand nombre de procédés industriels à des puissances pouvant aller d’une centaine de kilowatts à quelques centaines de mégawatts.
Les cycles de base, dits cycles de Rankine, sont proches des cycles de Carnot, ce qui, a priori, est un gage d’efficacité, confirmé par l’expérience. Cependant, des raisons techniques entraînent des modifications qui vont dans le sens d’une détérioration du rendement, compensée par certaines améliorations. Le cheminement de ces diverses évolutions est présenté dans ce dossier.
Les rejets thermiques de ces installations motrices à vapeur étant importants, comme dans toutes machines thermiques, la récupération de cette chaleur est capitale. Elle peut être valorisée comme apport thermique nécessaire à de nombreux procédés industriels ou pour le chauffage résidentiel ou tertiaire par l’intermédiaire de réseaux de chaleur. La production de l’IMV est alors de deux natures énergétiques : mécanique (ou électrique) et thermique. On parle de production d’énergie totale ou encore de cogénération. Des cas typiques d’installations ainsi qu’une analyse énergétique suivie d’une analyse thermo- économique de l’intérêt d’une telle production sont présentés dans ce document.
Dans le dossier Convertisseurs thermomécaniques- Cycles moteurs à gaz : Stirling et Joule, la perte d’énergie à l’échappement des turbines à combustion (TAC) a été soulignée. Compte tenu du niveau thermique relativement faible retenu pour un fonctionnement classique des IMV, l’apport externe de chaleur, produit ordinairement par une combustion ou une réaction nucléaire, peut être remplacé par l’apport enthalpique des gaz d’échappement de la TAC. Sous l’aspect cycle, le couplage de ces deux machines est traduit par la combinaison d’un cycle de Joule avec un cycle de Hirn. Ceci donne lieu aux installations dites à cycles combinés dont le rendement est, actuellement, le plus élevé de toutes les machines thermiques.
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- Version courante de sept. 2017 par André LALLEMAND
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Cogénération. Énergie totale1. Cycles des installations motrices à vapeur
1.1 Schéma de base d’une installation motrice à vapeur
Les installations motrices à vapeur (IMV) sont des moteurs à apport externe de chaleur qui fonctionnent de manière cyclique, le fluide échangeant de la chaleur avec une source froide, en général le milieu ambiant (air ou eau), et une source chaude constituée par des fumées issues d’une combustion ou un fluide chauffé par une réaction nucléaire. Ce sont des machines à flux continu dont le fluide, très généralement de l’eau qui est un fluide idéal car bien adapté sur le plan thermodynamique et intéressant sur le plan économique, subit une évolution thermodynamique cyclique en traversant un minimum de quatre composants (figure 1) :
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un générateur de vapeur (GV) dans lequel, le fluide (eau) est vaporisé en recevant de la chaleur. Il passe de l’état 4 à l’état 1. Dans les installations à combustion, pour des raisons liées aux transferts thermiques, l’eau n’est que partiellement vaporisée dans les faisceaux de tubes vaporisateurs. Le mélange diphasique, dont le titre en sortie est d’environ 20 % en vapeur et 80 % en liquide est envoyé dans un ballon où a lieu la séparation des phases par gravité : le liquide retourne au faisceau de tubes vaporisateurs, alors que la vapeur est dirigée vers une turbine ;
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une turbine (T) dans laquelle la vapeur se détend, de la haute pression à la basse pression (1-2), en fournissant le travail moteur sur l’arbre qui entraîne, dans la plupart des cas, un alternateur (AL). Après détente, la vapeur rejoint un condenseur ;
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un condenseur où elle se condense (2-3), par échange thermique avec un fluide froid, de l’eau en provenance d’un fleuve, d’une rivière ou d’un aéroréfrigérant (cas de la figure 1). Elle atteint ensuite une pompe ;
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une pompe chargée de remettre l’eau sous forte pression (3-4). Ce composant consomme de la puissance pour la communiquer au fluide. L’eau sous pression rejoint le ballon où elle se mélange avec le fluide diphasique issu du générateur de vapeur.
Les types d’évolution thermodynamique du fluide dans chacun de ces composants sont :
-
une évolution isobare 4-1 dans le générateur de vapeur ;
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une...
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