Systèmes de Condenseur de Turbine

Systèmes de Condenseur de Turbine

• Les centrales électriques à turbines à vapeur jouent un rôle majeur dans la production mondiale d'électricité.
• Les chaudières transforment le combustible en vapeur et les turbines convertissent cette vapeur en travail mécanique.
• Le transfert de chaleur, facilité par des échangeurs thermiques, est essentiel dans ces centrales.
• L'efficacité du transfert dépend de la différence de température, de la surface d'échange et de la résistance thermique du matériau séparateur.

Rôle et Importance des Condenseurs

• Les condenseurs sont les échangeurs thermiques les plus importants dans une centrale thermique.
• Ils condensent la vapeur en eau après son passage dans la turbine, permettant ainsi son retour à la chaudière sous forme liquide.
• La condensation représente la plus grande perte de chaleur dans le cycle.
• Un condenseur peut augmenter le rendement d'une turbine de 50 % par rapport à une évacuation atmosphérique.
• Pour une efficacité maximale, la condensation doit se produire à la pression absolue la plus basse possible (environ 6,9 kPa abs).
• Ce processus permet d'maximiser le travail extrait de chaque kilogramme de vapeur.

Classification des Condenseurs

• Les condenseurs peuvent être classés en trois types principaux : à contact, à surface et spécifiques.
• Les condenseurs à contact (ou à injection) mélangent directement la vapeur d'échappement et l'eau de refroidissement.
• Dans les condenseurs à surface, une surface est interposée entre la vapeur et l'eau de refroidissement.
• L'eau circule dans de nombreux tubes de petit diamètre, tandis que la vapeur passe autour et se condense sur leur surface.
• Chaque type de condenseur possède des variantes spécifiques adaptées aux besoins des installations industrielles.

Principe des Condenseurs à Injection

• Dans un condenseur à injection, l'eau de refroidissement est pulvérisée directement sur la vapeur pour la condenser.
• Le mélange d'eau et de condensat est ensuite évacué vers un puits thermométrique.
• La pompe d'alimentation puise l'eau pour la chaudière, le reste étant recyclé comme eau de refroidissement après passage dans un bassin de refroidissement.
• Un inconvénient majeur de ce système est la nécessité d'un traitement chimique complet de l'eau d'alimentation pour maintenir sa pureté.
• Cette nécessité explique leur rareté dans les installations modernes.

Condenseurs à Injection Barométrique

• Dans ces condenseurs, le corps est installé à une hauteur suffisante au-dessus du puits thermométrique.
• Cette configuration permet à l'eau de s'écouler par gravité, éliminant le besoin de pompage pour l'évacuation de l'eau.
• La longueur du tuyau de sortie doit être d'environ 10,5 mètres entre le corps et le puits thermométrique.
• L'eau de refroidissement s'écoule par des jets qui tombent perpendiculairement sur l'entrée de vapeur, favorisant ainsi un contact efficace pour la condensation.

Le Condenseur Éjecteur

• Ce condenseur est une forme particulière de condenseur à injection.
• L'eau de refroidissement s'écoule à travers des tuyères convergentes qui augmentent sa vitesse.
• La vapeur d'échappement est induite dans ce flux d'eau à haute vitesse et se condense par mélange direct.
• Ce type de condenseur est efficace mais son utilisation reste limitée aux applications nécessitant un vide modéré.

Objectifs et Applications des Condenseurs à Surface

• Les condenseurs à surface ont pour objectif de créer et de maintenir un vide à l'échappement de la turbine.
• Cela permet à la vapeur de se détendre à une pression inférieure, augmentant ainsi le travail mécanique.
• Ils permettent de préserver l'eau pure pour l'alimentation de la chaudière en condensant la vapeur en eau réutilisable.
• Ils agissent comme désaérateurs en éliminant l'air et les gaz du condensat, améliorant ainsi la qualité de l'eau d'alimentation.

Condenseurs à Écoulement Descendant

• Dans les modèles Standards, l'entrée de vapeur se trouve à une extrémité, la sortie des gaz non condensables à l'autre.
• Le flux de vapeur est dirigé dans les tubes par des chicanes, tandis que le condensat se vide dans le puits thermométrique.
• Les variantes à entrée centrale comportent des passages de vapeur verticaux pour la chauffe et la désaération du condensat.
• La vapeur descendante est dirigée vers le centre par des chicanes de soutirage d'air.
• Dans les modèles à écoulement transversal, la vapeur entre par le haut et circule transversalement.
• L'eau de refroidissement dans les tubes soutire la chaleur et la vapeur se condense sur leur surface.

Condenseurs à Écoulement Central

• Ces condenseurs fonctionnent en dirigeant le débit de vapeur vers le centre, où se trouve la zone la plus froide et la pression la plus basse.
• La vapeur est attirée vers le centre par la zone de basse pression créée par la première passe de l'eau de refroidissement.
• Le flux traverse une chicane en forme de V inversé, avec soutirage d'air depuis le centre du faisceau de tubes.
• La seconde passe s'effectue à l'extérieur de la chicane, avec un espacement important pour éviter le sous-refroidissement.
• Dans les grands condenseurs, le soutirage d'air se réalise au centre de chaque faisceau tubulaire pour optimiser la condensation.

Construction d'un Condenseur à Surface

• Un condenseur à surface typique a une conception à écoulement descendant avec entrée de vapeur par le haut.
• Le puits thermométrique se trouve au fond et est équipé de raccordements pour les pompes à condensat.
• Chaque côté est muni d'un raccordement à un éjecteur d'air.
• Les éjecteurs sont essentiels au maintien du vide en éliminant les gaz non condensables.
• L'eau de refroidissement entre au sommet et ressort au fond après avoir absorbé la chaleur de la vapeur à condenser.

Calandre du Condenseur et Systèmes de Support

• La calandre, cylindrique, ovale ou rectangulaire, est en acier soudé et renforcée.
• Le col d'échappement et le puits thermométrique y sont soudés.
• Le mouvement entre la bride d'échappement et les fondations est géré par un joint de dilatation ou des supports à ressort.
• Les plaques soudées à la calandre supportent l'ensemble et amortissent les vibrations des tubes.
• Les pieds des grands condenseurs sont montés sur ressorts pour absorber les mouvements.

Plaques Tubulaires et Fixation des Tubes

• Les plaques tubulaires sont fabriquées en laiton (amirauté) ou en métal Muntz.
• Elles ont une épaisseur de 25 à 40 mm, fixées aux brides de la calandre par des boulons à collier avec garnitures en caoutchouc.
• Pour les grands condenseurs, les plaques en acier soudées avec revêtement inoxydable sont utilisées.
• Les tubes peuvent être fixés par dilatation, viroles, garnitures métalliques ou soudure.

Éjecteurs d'Air: Rôle et Fonctionnement

• La pression dans un condenseur étant inférieure à l'atmosphère, l'air s'infiltre, réduisant l'efficacité.
• Un éjecteur à jet de vapeur utilise de la vapeur à haute pression qui se dilate dans une tuyère.
• L'éjecteur convertit l'énergie calorifique en énergie cinétique, entraînant l'air et les gaz non condensables hors du condenseur.
• Les condenseurs sont équipés de chicanes guidant l'air vers des refroidisseurs spéciaux aux points de soutirage.
• Les éjecteurs peuvent comporter plusieurs étages pour atteindre un vide élevé.

Systèmes d'Éjecteurs Multi-étages

• Les éjecteurs à deux étages sont utilisés pour créer un vide dans les condenseurs de taille moyenne.
• Pour un vide très élevé, des éjecteurs à trois étages sont nécessaires, chacun avec son propre condenseur.
• La vapeur alimentant les éjecteurs se situe généralement entre 350 kPa et plus.
• Dans un éjecteur à deux étages, la vapeur à haute pression est dirigée vers les tuyères où elle se dilate.
• La vapeur entraîne les gaz du condenseur vers le condenseur à calandre du premier étage.
• Après condensation partielle, les gaz restants sont aspirés par le deuxième étage avant d'être évacués.

Problématique des Fuites d'Air

• Les fuites d'air, même petites, diminuent le rendement de la centrale.
• Elles se traduisent par une augmentation de la pression sans élévation correspondante de la température du condensat.
• Les fuites se produisent au niveau des brides sous vide, des robinets et des garnitures d'arbre.
• Pour identifier les fuites, on peut tapoter les brides, serrer les garnitures ou utiliser de la fumée ou de la crème.
• On peut aussi employer des dispositifs d'écoute ultrasoniques.

Dispositifs de Sécurité des Condenseurs

• Les condenseurs nécessitent des dispositifs pour éviter les dommages liés à une augmentation excessive de la contrepression.
• Le contrôle du niveau de condensat est essentiel, car un niveau trop élevé peut bloquer la sortie d'air.
• Il peut aussi remplir l'espace de vide avec des gaz non condensables et augmenter la contrepression.
• Des systèmes de détection et de protection sont nécessaires pour éviter la contamination du condensat.
• Ces contaminations pourraient affecter la qualité de l'eau d'alimentation de la chaudière.

Soupape de Décharge Atmosphérique

• La soupape s'ouvre automatiquement si la pression dans le condenseur dépasse la pression atmosphérique protectrice de la calandre.
• En conditions normales, elle reste fermée grâce à la différence de pression et un joint d'eau empêche les fuites d'air.
• Dans les grands condenseurs, la soupape peut être remplacée par des diaphragmes à explosion ou des disques de rupture.

Tube à Niveau de Condenseur

• Il fournit une indication claire du niveau de condensat dans le puits thermométrique.
• Le haut et le bas du tube sont reliés au-dessus et au-dessous du niveau d'eau dans le condenseur.
• Ce dispositif fonctionne sous le vide du condenseur, reflétant le niveau interne.
• Il faut s'assurer qu'aucune fuite d'air ne se produit, particulièrement au niveau des robinets, ce qui compromettrait la précision et l'efficacité.

Alarme de Haut Niveau d'Eau

• L'alarme à flotteur complète le tube à niveau, offrant une sécurité en cas de montée anormale du niveau de condensat.
• Un niveau de condensat qui monte bloque la sortie d'air, remplit l'espace de vide et augmente la contrepression.
• Cet augmentation réduit le rendement de la turbine en déclenchant le relais de décharge à vide, compromettant l'efficacité.

Détection des Fuites d'Eau de Refroidissement

• Si un tube ou une virole est endommagé, l'eau de refroidissement peut contaminer le condensat.
• La méthode de pureté électrique (conductivité) est courante.
• L'eau pure ne conduit pas l'électricité, contrairement à l'eau de refroidissement.
• Un indicateur de conductivité peut détecter un changement signalant une fuite.
• Pour l'eau salée, le test au nitrate d'argent est efficace, créant un précipité blanc laiteux en présence de chlorure.

Réparation des Fuites d'Eau de Refroidissement

• Les condenseurs à un écoulement doivent être mis hors service, puis remplis d'eau propre pour révéler les fuites.
• Un colorant fluorescent (10 ppm) peut être ajouté pour faciliter la localisation des petites fuites.
• Les grands condenseurs à double écoulement peuvent être réparés à charge partielle, un côté étant vidangé pendant que l'autre reste en service.

Pompes de Soutirage : Caractéristiques et Défis

• Les pompes extraient continuellement le condensat du puits thermométrique pour l'acheminer vers le désaérateur.
• Elles acheminent le condensat via les refroidisseurs d'éjecteur et les réchauffeurs à basse pression.
• Les pompes doivent maintenir un niveau quasi constant tout en pompant de l'eau presque bouillante.
• Pour réduire la cavitation, on utilise des pompes dont la bride est au niveau du plancher. Ces pompes, modèles offrent un meilleur rendement que les pompes horizontales.

Réchauffeurs d'Eau d'Alimentation

• Les réchauffeurs récupèrent la chaleur latente de la vapeur purgée, réduisant la quantité de vapeur évacuée au condenseur.
• Ils augmentent le rendement global et sont généralement à tubes droits, avec tubes et plaques tubulaires en laiton.
• Dans un système complet, la température de l'eau passe progressivement de 38 °C à 254 °C, démontrant l'efficacité de la récupération thermique.