Centrale à cycle combiné

Centrale à cycle combiné
Théorie, performances, modularité
par
Jean-Marie MONTEIL
Ingénieur de l’école EDF-GDF
Ingénieur DPE - grade de Mastère
Ingénieur au Service études et projets thermiques et nucléaires
1.
1.1
1.2
Définition....................................................................................................
Définition normative....................................................................................
Topologies type d’un cycle combiné..........................................................
2.
2.1
Approche théorique ................................................................................
Cycle de Joule..............................................................................................
2.1.1 Cycle de base ......................................................................................
2.1.2 Cycle de Joule avec récupérateur .....................................................
2.1.3 Cycle de Joule avec « intercooler »...................................................
2.1.4 Cycle de Joule avec détente fractionnée ..........................................
Cycle de Hirn ou de Rankine.......................................................................
Association des deux cycles .......................................................................
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3
3
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4
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4
5
5
Évolution des performances .................................................................
Justifications théoriques.............................................................................
Gains sur la température d’entrée dans la turbine ...................................
Gains sur la phase de compression ...........................................................
3.3.1 Taux de compression .........................................................................
3.3.2 Rendement du compresseur .............................................................
Gains relatifs aux niveaux de pression......................................................
Gains en matière d’environnement ...........................................................
3.5.1 Aspects réglementaires......................................................................
3.5.2 Effet de serre .......................................................................................
3.5.3 Dispositifs techniques ........................................................................
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6
7
7
7
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9
9
10
10
Configurations envisageables ..............................................................
Critères de choix ..........................................................................................
Critères d’évaluation ...................................................................................
Compétitivité des filières. Insertion dans un parc de production............
Schémas potentiels .....................................................................................
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12
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13
Références bibliographiques .........................................................................
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2.2
2.3
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
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2
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2
et 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
C
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BE 8 905 − 1
Centrale à cycle combiné
Composants potentiels
par
Jean-Marie MONTEIL
Ingénieur de l’école EDF-GDF
Ingénieur DPE - grade de Mastère
Ingénieur au Service études et projets thermiques et nucléaires
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
Turbines à combustion ...........................................................................
Turbines aérodérivatives.............................................................................
Turbines heavy-duty ....................................................................................
Compresseurs ..............................................................................................
Chambres de combustion...........................................................................
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2
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3
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3
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4
2.
2.1
2.2
2.3
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2.6
2.7
2.8
2.9
Chaudières de récupération..................................................................
Présentation générale .................................................................................
Principales définitions .................................................................................
Chaudière horizontale ou verticale ............................................................
Circulation naturelle ou assistée ................................................................
Chaudière à un niveau de pression (1P) ....................................................
Chaudière à deux niveaux de pression (2P) ..............................................
Chaudière à trois niveaux de pression (3P)...............................................
Chaudière avec resurchauffe ......................................................................
Chaudière avec postcombustion................................................................
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3.
3.1
3.2
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3.6
3.7
Turbines à vapeur.....................................................................................
Détente de la vapeur ...................................................................................
Turbines à étages à action ..........................................................................
Turbines à étages à réaction .......................................................................
Rendement de détente ................................................................................
Turbines à injection totale...........................................................................
Turbines à injection partielle ......................................................................
Turbines à contre-pression .........................................................................
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11
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4.
4.1
4.2
Sources froides.........................................................................................
Source froide en circuit ouvert ...................................................................
Source froide en circuit fermé ....................................................................
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12
13
5.
Systèmes de démarrage.........................................................................
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6.
6.1
6.2
Systèmes à l’aspiration des compresseurs ......................................
Systèmes de filtration .................................................................................
Systèmes de refroidissement .....................................................................
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14
14
14
7.
Bipasse des fumées .................................................................................
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8.
Postcombustion .......................................................................................
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17
9.
Production d’eau déminéralisée ..........................................................
—
17
10. Alimentation en combustibles .............................................................
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17
Références bibliographiques .........................................................................
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18
ous les composants qui peuvent être requis pour constituer une centrale
à cycle combiné sont décrits dans cet article. La turbine à combustion, ellemême composée de plusieurs matériels, fait l’objet d’une présentation globale
et également détaillée en présentant lesdits matériels. La présentation s’étend
jusqu’à la composition de la source froide d’une telle installation.
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Centrale à cycle combiné
Fonctionnement, exploitation, exemple
par
Jean–Marie MONTEIL
Ingénieur de l’école EDF-GDF
Ingénieur DPE – grade de Mastère
Ingénieur au service études et projets thermiques et nucléaires
1.
1.1
1.2
1.3
Performances ............................................................................................
Conditions de réception de l’installation ...................................................
Sensibilité aux conditions ambiantes, aux combustibles ........................
Évolution des performances en exploitation ............................................
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3
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2.
2.1
2.2
2.3
2.4
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2.6
Fonctionnement .......................................................................................
Turbine à combustion .................................................................................
Pression glissante ou pression fixe sur le cycle eau-vapeur ...................
Systèmes antiébullition...............................................................................
Prélèvements, réinjections dans le cycle...................................................
Fonction désurchauffe .................................................................................
Protection de l’économiseur basse pression ............................................
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5
6
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3.
3.1
3.2
Maintenance programmée.....................................................................
Principe des algorithmes ............................................................................
Les différentes interventions ......................................................................
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6
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7
4.
4.1
4.2
Phases d’exploitation .............................................................................
Démarrage....................................................................................................
4.1.1 Installation avec bipasse de fumées .................................................
4.1.2 Installation sans bipasse de fumées .................................................
Attente à chaud ............................................................................................
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7
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5.
5.1
5.2
Exemple d’installation 2-2-1 3P RS multiple shaft .........................
Description d’une centrale ..........................................................................
Paramètres du cycle eau-vapeur ................................................................
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8
10
a phase de réception d’une installation constitue une étape importante de la
vie d’une centrale. Les performances réelles sont mesurées et comparées
aux engagements contractuels des constructeurs. Les performances des
appareils sont relevées et serviront, durant toute la vie de la centrale, de valeurs
repères pour identifier les dérives de fonctionnement liées au vieillissement ou
à des réglages inadaptés. La surveillance des performances globales de l’installation s’effectuent également en différentiel avec les valeurs issues de la mise en
service industrielle.
Les performances des turbines à combustion se dégradent dans le temps, les
moyens pour minimiser ces dégradations existent et sont évoqués dans cet
article. Les conditions d’exploitation (démarrages, prises de charges rapides et
arrêt d’urgence) contraignent ces turbines au point que les constructeurs
calculent les opérations de maintenance selon des algorithmes qui intègrent ces
transitoires de fonctionnement.
Des phases d’exploitation (démarrage, attente à chaud) différentes du fonctionnement à régime nominal sont détaillées pour en montrer l’enchaînement. Deux
exemples, basés sur des architectures différentes, sont exposés afin de mesurer
les répercussions de choix de conception sur l’exploitation de telles centrales.
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