Systèmes de condenseur de turbine PDF

Systèmes de condenseur de turbine Ce document présente les systèmes de condenseur de turbine utilisés dans les centrales thermiques. Il couvre la conception et le fonctionnement des différents types de condenseurs, leurs composants principaux, ainsi que les équipements auxiliaires comme les éjecteur...

Systèmes de condenseur de turbine Ce document présente les systèmes de condenseur de turbine utilisés dans les centrales thermiques. Il couvre la conception et le fonctionnement des différents types de condenseurs, leurs composants principaux, ainsi que les équipements auxiliaires comme les éjecteurs d'air et les pompes de condensat. Les considérations de sécurité et d'efficacité sont également abordées. FL par francois lajoie-levesque Rôle du condenseur dans le cycle thermique Le condenseur joue un rôle crucial dans le cycle thermique d'une centrale électrique à vapeur. Sa fonction principale est de condenser la vapeur d'échappement de la turbine en eau liquide, ce qui permet de la réutiliser comme eau d'alimentation pour la chaudière. Ce processus crée également un vide à la sortie de la turbine, augmentant ainsi son efficacité. Dans un cycle typique, la vapeur entre dans le condenseur à une température d'environ 40°C et une pression absolue très basse, autour de 6,9 kPa. L'eau de refroidissement circule généralement à des températures entre 15°C et 30°C selon la source (rivière, mer, tour de refroidissement). Le condenseur doit maintenir un vide élevé, typiquement autour de 710 mm de mercure, tout en gérant le débit maximal de vapeur d'échappement de la turbine. Types de condenseurs : à injection et à surface Il existe deux types principaux de condenseurs : les condenseurs à injection et les condenseurs à surface. Les condenseurs à injection, aussi appelés condenseurs à contact direct, mettent en contact direct la vapeur d'échappement avec l'eau de refroidissement. Ce type est moins courant aujourd'hui car il nécessite un traitement de toute l'eau d'alimentation. Les condenseurs à surface, plus répandus, utilisent des tubes pour séparer la vapeur de l'eau de refroidissement. La vapeur se condense sur la surface extérieure des tubes, tandis que l'eau de refroidissement circule à l'intérieur. Ce type permet de conserver l'eau d'alimentation pure et offre une meilleure efficacité. Condenseur à injection Condenseur à surface - Contact direct vapeur/eau - Séparation vapeur/eau par tubes - Simplicité de conception - Meilleure efficacité - Nécessite traitement de toute l'eau - Conserve la pureté de l'eau d'alimentation Condenseurs à injection : types et fonctionnement Les condenseurs à injection se divisent en plusieurs sous-types : Condenseurs à bas niveau : utilisent une pompe pour évacuer l'eau du condenseur Condenseurs barométriques : placés en hauteur pour permettre l'écoulement par gravité Condenseurs éjecteurs : utilisent des tuyères pour induire un écoulement d'eau à haute vitesse Dans un condenseur barométrique, l'eau de refroidissement est pulvérisée du haut du condenseur tandis que la vapeur entre par le bas. La colonne d'eau formée (environ 10,5 m) permet d'évacuer 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 les plus utilisés dans les centrales modernes. Ils se divisent principalement en deux catégories : 1 Condenseurs à écoulement 2 Condenseurs à écoulement descendant central (radial) La vapeur entre par le haut et descend à travers La vapeur entre sur les côtés et s'écoule vers le le faisceau de tubes. L'air et les gaz non centre où se trouve l'extraction d'air. Ce type condensables sont extraits par le bas. offre une meilleure distribution de la vapeur. Les condenseurs à surface peuvent être refroidis à l'eau ou à l'air. Les condenseurs refroidis à l'air utilisent des tubes à ailettes et sont courants 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 Les principaux composants d'un condenseur à surface sont : La calandre : généralement en acier, elle contient les tubes et la vapeur Les plaques tubulaires : en laiton ou acier inoxydable, elles supportent les tubes Les tubes : en laiton, acier inoxydable ou alliages spéciaux Les boîtes à eau : dirigent l'eau de refroidissement dans les tubes La fixation des tubes aux plaques tubulaires est critique. Les méthodes incluent l'expansion mécanique, le soudage, ou l'utilisation de joints. La conception doit permettre la dilatation thermique différentielle entre les tubes et la calandre. Des joints de dilatation ou des fonds flottants sont souvent utilisés à cet effet. Effets de l'air dans le condenseur La présence d'air et d'autres gaz non condensables dans le condenseur peut avoir des effets néfastes significatifs : Réduction du transfert de chaleur : l'air forme une couche isolante sur les tubes Augmentation de la pression : selon la loi de Dalton, la pression totale augmente Corrosion : l'oxygène peut causer une corrosion accélérée des composants L'air peut s'infiltrer par les joints et les garnitures en raison du vide dans le condenseur. Il est crucial d'éliminer continuellement cet air pour maintenir l'efficacité du condenseur. Des dispositifs spéciaux, comme les éjecteurs d'air, sont utilisés à cet effet. Éjecteurs d'air : conception et fonctionnement Les éjecteurs d'air sont des dispositifs essentiels pour maintenir le vide dans le condenseur en éliminant l'air et les gaz non condensables. Leur principe de fonctionnement repose sur l'effet Venturi. Il existe deux types principaux d'éjecteurs : 1 Éjecteurs à un étage 2 Éjecteurs à deux étages Utilisent un seul jet de vapeur à haute pression Comportent deux jets de vapeur en série pour pour créer une dépression et extraire les gaz une meilleure efficacité et un vide plus poussé Dans un éjecteur à deux étages, le premier étage extrait les gaz du condenseur, tandis que le second étage comprime ces gaz à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour les évacuer. Des condenseurs intermédiaires refroidissent la vapeur entre les étages. Détection des fuites d'air La détection rapide des fuites d'air est cruciale pour maintenir l'efficacité du condenseur. Les méthodes courantes incluent : Mesure de la conductivité électrique du condensat Test au nitrate d'argent pour détecter les chlorures (eau salée) Utilisation de fumée ou de crème à raser pour localiser les points de fuite Dispositifs d'écoute ultrasoniques Les emplacements typiques des fuites comprennent les brides, les robinets sous vide, les garnitures d'arbre des pompes et les joints d'étanchéité des turbines. Une augmentation de la pression sans hausse correspondante de la température du condensat est souvent un signe de fuite d'air. Dispositifs de sécurité du condenseur Plusieurs dispositifs de sécurité sont essentiels pour protéger le condenseur et la turbine : 1 Soupape de 2 Diaphragmes à 3 Relais de décharge explosion ou décharge et de atmosphérique disques de déclenchement à S'ouvre si la pression dans le rupture vide condenseur dépasse la Utilisés sur les grands Déchargent ou arrêtent la pression atmosphérique, condenseurs comme turbine en cas de perte de évitant ainsi alternative aux soupapes de vide excessive l'endommagement de la décharge calandre De plus, des systèmes de contrôle du niveau de condensat et des alarmes de haut niveau sont installés pour prévenir l'inondation du condenseur, qui pourrait endommager la turbine. Pompes de soutirage de condensat Les pompes de soutirage, ou pompes de condensat, jouent un rôle crucial dans le cycle de la centrale en extrayant continuellement le condensat du puits thermométrique du condenseur. Elles fonctionnent dans des conditions difficiles, devant pomper de l'eau presque bouillante à une pression d'aspiration très basse. Caractéristiques principales des pompes de soutirage : Généralement centrifuges à deux ou trois étages Conçues pour un NPSH (charge nette absolue à l'aspiration) très bas Doivent gérer des variations importantes de débit Souvent de type vertical pour réduire la cavitation Les pompes verticales à puits offrent généralement un meilleur rendement et moins de problèmes de cavitation que les pompes horizontales pour cette application. Réchauffeurs d'eau d'alimentation : principe et types Les réchauffeurs d'eau d'alimentation sont des échangeurs de chaleur utilisés pour préchauffer l'eau d'alimentation de la chaudière, améliorant ainsi l'efficacité globale du cycle. Ils utilisent la chaleur de la vapeur extraite à différents étages de la turbine. On distingue deux types principaux de réchauffeurs : Réchauffeurs à basse pression Réchauffeurs à haute pression - Situés entre la pompe de soutirage et le désaérateur - Situés après la pompe d'alimentation de chaudière - Pression côté eau relativement basse - Pression côté eau élevée - Souvent à tubes droits - Généralement à tubes en U Les réchauffeurs sont conçus pour maximiser le transfert de chaleur tout en gérant la dilatation thermique et les différences de pression entre les côtés vapeur et eau. Conception des réchauffeurs d'eau d'alimentation La conception des réchauffeurs d'eau d'alimentation varie selon leur position dans le cycle et les 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 de réchauffage d'eau d'alimentation dans une centrale moderne peut comprendre plusieurs étages de réchauffeurs, typiquement : 1. Refroidisseurs d'éjecteurs d'air 2. Réchauffeurs à basse pression (2-3 étages) 3. Désaérateur 4. Réchauffeurs à haute pression (2-3 étages) Ce système permet d'augmenter progressivement la température de l'eau d'alimentation, améliorant significativement l'efficacité thermique de la centrale. Par exemple, 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 à différents étages pour alimenter ces réchauffeurs permet de récupérer une partie de l'énergie qui serait autrement 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 permet non seulement d'améliorer le rendement thermique de la centrale, mais aussi de prolonger la durée de vie des équipements et de réduire les coûts d'exploitation. La formation continue du personnel d'exploitation sur ces systèmes complexes est cruciale pour assurer une performance optimale et sûre de la centrale.