conception des condenseurs

• Ce document présente les systèmes de condenseurs de turbine utilisés dans les centrales thermiques.
• Il couvre la conception, le fonctionnement, les composants et les équipements auxiliaires des condenseurs, ainsi que les considérations de sécurité et d'efficacité.

Rôle du condenseur dans le cycle thermique

• Le condenseur est crucial dans le cycle thermique d'une centrale électrique à vapeur.
• Il condense la vapeur d'échappement de la turbine en eau liquide pour la réutiliser comme eau d'alimentation pour la chaudière.
• Le processus crée un vide qui augmente l'efficacité de la turbine.
• La vapeur entre dans le condenseur à environ 40°C et 6,9 kPa.
• L'eau de refroidissement circule entre 15°C et 30°C selon la source (rivière, mer, tour de refroidissement).
• Le condenseur maintient un vide élevé d'environ 710 mm de mercure tout en gérant le débit maximal de vapeur.

Types de condenseurs : à injection et à surface

• Deux types principaux de condenseurs : à injection et à surface.
• Les condenseurs à injection (contact direct) mettent en contact la vapeur et l'eau de refroidissement.
• Ce type nécessite un traitement complet de l'eau d'alimentation et est moins courant.
• Les condenseurs à surface utilisent des tubes pour séparer la vapeur et l'eau de refroidissement.
• La vapeur se condense à l'extérieur des tubes, conservant l'eau d'alimentation pure et améliorant l'efficacité.

Condenseur à injection

• Contact direct vapeur/eau
• Conception simple
• Nécessite le traitement de toute l'eau

Condenseur à surface

• Séparation vapeur/eau par tubes
• Efficacité améliorée
• Maintien de la pureté de l'eau d'alimentation

Condenseurs à injection : types et fonctionnement

• Les condenseurs à injection se divisent en sous-types: à bas niveau, barométriques et éjecteurs.
• Les condenseurs à bas niveau utilisent une pompe pour évacuer l'eau.
• Les condenseurs barométriques sont placés en hauteur pour permettre l'écoulement par gravité.
• Les condenseurs éjecteurs utilisent des tuyères pour induire un écoulement d'eau à haute vitesse.
• Les condenseurs barométriques pulvérisent l'eau du haut et font entrer la vapeur par le bas.
• La colonne d'eau de 10,5 m évacue l'eau condensée sans pompe.
• Les condenseurs éjecteurs utilisent l'effet Venturi pour créer une dépression et aspirer la vapeur.

Condenseurs à surface : conception et types

• Les condenseurs à surface sont plus utilisés dans les centrales modernes et se divisent en deux catégories : à écoulement descendant et à écoulement central (radial).
• Condenseurs à écoulement descendant : la vapeur entre par le haut et descend à travers le faisceau de tubes, l'air et les gaz non condensables sont extraits par le bas
• Condenseurs à écoulement central : la vapeur entre sur les côtés et s'écoule vers le centre où se trouve l'extraction d'air, offrant une meilleure distribution de la vapeur
• Ils peuvent être refroidis à l'eau ou à l'air, les condenseurs refroidis à l'air utilisant des tubes à ailettes dans les zones où l'eau est rare.
• La conception des condenseurs à surface vise à maximiser le transfert de chaleur tout en minimisant la perte de charge côté vapeur.

Construction des condenseurs à surface

• Principaux composants: calandre (acier, contient tubes et vapeur), plaques tubulaires (laiton/acier inoxydable, supportent les tubes), tubes (laiton/acier inoxydable/alliages spéciaux), boîtes à eau (dirigent l'eau de refroidissement).
• La fixation des tubes est critique, utilisant expansion mécanique, soudage ou joints.
• La conception permet la dilatation thermique différentielle des tubes et de la calandre, souvent avec des joints de dilatation ou des fonds flottants.

Effets de l'air dans le condenseur

• L'air et les gaz non condensables peuvent réduire le transfert de chaleur (formation d'une couche isolante), augmenter la pression (loi de Dalton) et causer de la corrosion (oxygène).
• L'air s'infiltre par les joints en raison du vide.
• L'élimination continue de l'air est cruciale, des dispositifs spéciaux comme les éjecteurs d'air étant utilisés.

Éjecteurs d'air : conception et fonctionnement

• Les éjecteurs d'air maintiennent le vide en éliminant l'air et autres gaz non condensables.
• Leur principe de fonctionnement repose sur l'effet Venturi.

Éjecteurs à un étage

• Utilisation d'un seul jet de vapeur à haute pression

Éjecteurs à deux étages

• Comportent deux jets de vapeur en série pour une meilleure efficacité et un vide plus poussé.
• Le premier étage extrait les gaz, le second les comprime à une pression supérieure à la pression atmosphérique.
• Des condenseurs intermédiaires refroidissent la vapeur entre les étages.

Détection des fuites d'air

• La détection rapide est cruciale.
• Méthodes : mesure de la conductivité électrique du condensat, test au nitrate d'argent (chlorures), fumée/crème à raser, dispositifs d'écoute.
• Points de fuite typiques : brides, robinets sous vide, garnitures d'arbre, joints d'étanchéité.
• Augmentation de la pression sans hausse de température indique une fuite.

Dispositifs de sécurité du condenseur

• Essentiels pour protéger le condenseur et la turbine.

Soupape de décharge atmosphérique

• S'ouvre si la pression dépasse la pression atmosphérique.

Diaphragmes à explosion ou disques de rupture

• Alternative aux soupapes de décharge.

Relais de décharge et de déclenchement à vide

• Déchargent ou arrêtent la turbine en cas de perte de vide.
• Les systèmes de contrôle du niveau de condensat et les alarmes de haut niveau préviennent l'inondation.

Pompes de soutirage de condensat

• Les pompes de soutirage, ou pompes de condensat, sont essentielles dans le cycle de la centrale en extrayant le condensat du puits thermométrique du condenseur.
• Elles fonctionnent dans des conditions difficiles en pompant de l'eau presque bouillante à basse pression.

Caractéristiques des pompes de soutirage

• Généralement centrifuges à deux ou trois étages

• Conçues pour un NPSH très bas

• Doivent gérer des variations de débit.

• Les pompes verticales à puits offrent en général un meilleur rendement et moins de cavitation comparativement aux pompes horizontales.

Réchauffeurs d'eau d'alimentation : principe et types

• Les réchauffeurs d'eau d'alimentation préchauffent l'eau d'alimentation de la chaudière, améliorant l'efficacité du cycle.
• On distingue deux types principaux de réchauffeurs : à basse pression et à haute pression.

Réchauffeurs à basse pression

• Situés entre la pompe de soutirage et le désaérateur.
• Pression côté eau relativement basse.
• Souvent à tubes droits

Réchauffeurs à haute pression

• Situés après la pompe d'alimentation de chaudière.

• Pression côté eau élevée.

• Généralement à tubes en U

• Les réchauffeurs sont conçus pour maximiser le transfert de chaleur et gérer la dilatation thermique et les différences de pression.

Conception des réchauffeurs d'eau d'alimentation

• La conception des réchauffeurs d'eau d'alimentation dépend de leur position dans le cycle et des pressions auxquelles ils sont soumis :
• Réchauffeurs à basse pression : tubes généralement en laiton, calandre en acier doux
• Réchauffeurs à haute pression : tubes en acier au carbone, souvent en forme de U
• Les considérations de conception importantes incluent :
• Gestion de la dilatation thermique (joints de dilatation, fonds flottants)
• Résistance à la pression (particulièrement pour les réchauffeurs HP)
• Facilité de maintenance et de nettoyage
• Optimisation du transfert de chaleur (disposition des chicanes, vitesse d'écoulement)
• Les réchauffeurs peuvent être verticaux ou horizontaux et leur configuration interne varie pour optimiser les performances selon les conditions spécifiques de l'installation.

Système complet de réchauffage d'eau d'alimentation

• Un système complet peut inclure refroidisseurs d'éjecteurs d'air, réchauffeurs à basse pression (2-3 étages), désaérateur et réchauffeurs à haute pression (2-3 étages).
• Ce système permet d'augmenter progressivement la température de l'eau d'alimentation signicativement l'efficacité thermique de la centrale.
• La température peut passer d'environ 40°C à la sortie du condenseur à plus de 250°C à l'entrée de la chaudière.
• L'utilisation de la vapeur extraite de la turbine pour alimenter ces réchauffeurs permet de récupérer une partie de l'énergie perdue dans le condenseur.

Conclusion et considérations d'exploitation

• Les systèmes de condenseur et de réchauffage d'eau d'alimentation sont essentiels pour l'efficacité des centrales thermiques modernes.
• Leur bon fonctionnement nécessite une attention particulière à plusieurs aspects :
  • Maintien du vide dans le condenseur
  • Détection et réparation rapides des fuites (air et eau)
  • Contrôle de la qualité de l'eau et prévention de la corrosion
  • Optimisation des températures et pressions à chaque étage de réchauffage
  • Maintenance régulière des pompes, éjecteurs et échangeurs de chaleur
• Une gestion efficace de ces systèmes améliore le rendement thermique, prolonge la durée de vie des équipements et réduit les coûts d'exploitation.
• La formation continue du personnel d'exploitation est cruciale pour assurer une performance optimale et sûre.

Ce module explore le rôle du condenseur dans un cycle thermique, notamment la création de vide pour augmenter l'efficacité de la turbine. Il compare les condenseurs à surface et à injection, soulignant les avantages de la séparation vapeur/eau et les défis liés à la maintenance et à la température de l'eau.