Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Cet article présente sous un aspect théorique les centrales à cycle combiné, en détaillant la spécificité de l’association de deux cycles thermodynamiques. Les évolutions sur les turbines à combustion permettent un gain de rendement et une augmentation de capacité qui ont remis ces équipements au goût du jour. L'article se termine sur une présentation des configurations possibles, avec des considérations techniques et économiques.
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Jean-Marie MONTEIL : Ingénieur de l’école EDF-GDF - Ingénieur DPE - grade de Mastère - Ingénieur au Service études et projets thermiques et nucléaires
INTRODUCTION
Cet article ne présente pas une installation de centrale à cycle combiné en particulier, mais propose une découverte générale de cette filière de production d’énergie. Après quelques définitions, les aspects théoriques sont abordés afin de présenter la spécificité de l’association de deux cycles thermodynamiques (cycle de Joule et de Hirn). Le concept de centrale à cycle combiné n’est pas nouveau, mais les développements récents en matière de turbine à combustion ont généré des gains de rendement et des augmentations de puissance unitaire qui ont suscité des regains d’intérêt pour cette filière. Les précisions nécessaires à la compréhension de ces évolutions sont ensuite présentées notamment sur les plans de la théorie, de la technologie et de l’environnement. L’engouement pour ces installations peut également s’expliquer par leur aspect modulaire, c’est pourquoi les différentes configurations envisageables sont enfin abordées, ainsi que les critères de choix et d’insertion dans un parc d’exploitation. Les critères économiques, sur lesquels se fondent les choix en matière d’investissement au niveau d’un pays, sont aussi détaillés.
L’étude complète du sujet comprend les articles :
— BE 8 905 « Centrale à cycle combiné. Théorie, performances, modularité » (le présent article);
« Centrale à cycle combiné. Composants potentiels » ;
« Centrale à cycle combiné. Fonctionnement, exploitation, exemple ».
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2. Approche théorique
2.1 Cycle de Joule
Les paragraphes suivants décrivent le cycle de Joule de base, puis différentes variantes appliquées industriellement sont proposées.
HAUT DE PAGE
Le fonctionnement des turbines à combustion est représenté par le cycle thermodynamique de Joule.
L’air ambiant constitue le fluide qui va subir les transformations thermodynamiques. Il est aspiré puis comprimé dans un compresseur [(étape 1-2) figure 2]. Les machines actuelles permettent d’atteindre des taux de compression de l’ordre de 15. En première approche, cette compression est assimilée à une transformation isentropique (adiabatique réversible). Puis, le combustible est injecté avec l’air comprimé dans les chambres de combustion. La combustion (isobare) permet au mélange d’atteindre une température de l’ordre de 1 300 oC [(étape 2-3) figure 2]. Le mélange chaud ou gaz de combustion est ensuite détendu dans une turbine [(étape 3-4) figure 2], suivant une transformation isentropique. Pour une machine fonctionnant en cycle ouvert, le refroidissement des fumées [(étape 4-1) figure 2] n’existe pas. Elles sont rejetées en 4 et l’air frais est admis en 1.
Le cycle théorique est représenté sur le diagramme T -S (figure 2).
Pour des raisons de commodité, l’entropie ambiante est considérée comme entropie de référence.
Le cycle présenté en figure 2 constitue une représentation idéale des échanges, notamment lors des étapes 1-2 et 3-4 où les transformations sont isentropiques. Dans la réalité, ces étapes de compression de l’air (1-2) et de détente des gaz chauds (3-4) s’accompagnent d’une production d’entropie comme le représente la figure 3.
Les aspects théoriques concernant le calcul des rendements du compresseur et de la turbine sont développés respectivement dans les paragraphes 1 et 3.4 de l’article ...
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Approche théorique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COLISOMO (D.) - Combined cycles which improved efficiency. - Mechanical technology incorporated. Latham New York.
-
(2) - HARMEL (L.) - Cycles combinés à haut rendement. Les équipements de la partie vapeur. - Revue M Tijdschrift, vol. 24, no 4.
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(3) - PAREN (J.), PARIETTI (C.) - * - Centrales à cycles combinés VEGA 109F. 3 pressions resurchauffe. Revue technique GEC ALSTOM no 4 (1991).
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(4) - LALLEMAND (A. & M.) - Thermodynamique générale. - INSA Lyon, Département de génie énergétique, 3e année (1991).
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(5) - VIVIER (L.) - Turbines à vapeur et à gaz. - Édition Albin Michel.
-
(6) - Les actions d’EDF pour l’environnement. - VERT Électrique hors série, no 1, oct. 1998.
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