Turbine à vapeur et production d'électricité

Turbine à vapeur et production d'électricité

Une turbine à vapeur est un dispositif mécanique qui convertit l'énergie thermique de la vapeur sous pression en un travail mécanique utile. C'est le cœur d'une centrale électrique. Il a un rendement thermodynamique plus élevé et un rapport puissance/poids plus faible. Il tire l'essentiel de son efficacité thermodynamique de l'utilisation de plusieurs étapes dans la détente de la vapeur, ce qui se rapproche davantage du processus réversible idéal. Les turbines à vapeur sont l'une des technologies de moteur principal les plus polyvalentes et les plus anciennes utilisées pour entraîner un générateur. La production d'électricité à l'aide de turbines à vapeur est utilisée depuis plus de 100 ans. Un turboalternateur est l'ensemble d'une turbine directement reliée à un alternateur pour la production d'énergie électrique. Les grands générateurs de vapeur fournissent la majorité de l'énergie électrique.

Les turbines à vapeur sont idéales pour les très grandes configurations de puissance utilisées dans les centrales électriques en raison de leurs rendements plus élevés et de leurs coûts réduits. Dans une centrale électrique, la turbine à vapeur est attachée à un générateur pour produire de l'énergie électrique. La turbine agit comme le côté le plus mécanique du système en fournissant le mouvement de rotation du générateur, tandis que le générateur agit comme le côté électrique en utilisant les lois de l'électricité et du magnétisme pour produire de l'énergie électrique.

Dans une turbine à vapeur, le rotor est le composant en rotation auquel sont attachées des roues et des aubes. La lame est le composant qui extrait l'énergie de la vapeur. Un diagramme schématique typique d'une centrale électrique basée sur une turbine à vapeur alimentée par des combustibles fossiles pour la production d'électricité est donné à la figure 1

 Fig 1 Schéma de principe de la production d'électricité basée sur une turbine à vapeur

Le processus de conversion d'énergie

La vapeur a les trois composants énergétiques suivants

• Énergie cinétique – en raison de sa vitesse
• Énergie de pression – en vertu de sa pression
• L'énergie interne - en vertu de sa température

Les deux dernières composantes de l'énergie ensemble sont appelées enthalpie. L'énergie totale de la vapeur peut être représentée comme la somme de l'énergie cinétique et de l'enthalpie.

La génération d'énergie à l'aide d'une turbine à vapeur implique trois conversions d'énergie, extraire l'énergie thermique du combustible et l'utiliser pour produire de la vapeur, convertir l'énergie thermique de la vapeur en énergie cinétique dans la turbine et utiliser un générateur rotatif pour convertir l'énergie mécanique de la turbine en énergie électrique .

La vapeur à haute pression est amenée à la turbine et passe le long de l'axe de la machine à travers plusieurs rangées d'aubes alternativement fixes et mobiles. De l'orifice d'entrée de vapeur de la turbine vers le point d'échappement, les pales et la cavité de la turbine sont progressivement plus grandes pour permettre l'expansion de la vapeur.

Les pales fixes agissent comme des buses dans lesquelles la vapeur se dilate et émerge à une vitesse accrue mais à une pression plus faible (principe de conservation de l'énergie de Bernoulli selon lequel l'énergie cinétique augmente à mesure que l'énergie de pression diminue). Lorsque la vapeur frappe les pales en mouvement, elle transmet une partie de son énergie cinétique aux pales en mouvement.

Les turbines peuvent être de type condensation, non condensation, réchauffage, extraction ou induction. Les turbines à condensation sont couramment utilisées dans les centrales électriques. Ces turbines évacuent de la vapeur à l'état partiellement condensé, typiquement d'une qualité proche de 90 %, à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique vers un condenseur. Les turbines sans condensation sont également connues sous le nom de turbines à contre-pression et sont les plus largement utilisées pour les applications de vapeur de procédé. La pression d'échappement est contrôlée par une vanne de régulation pour répondre aux besoins de la pression de vapeur du procédé. Ceux-ci sont couramment utilisés dans les industries où de grandes quantités de vapeur de procédé à basse pression sont nécessaires. Les turbines de réchauffage sont également utilisées presque exclusivement dans les centrales électriques. Dans une turbine de réchauffage, le flux de vapeur sort d'une section haute pression de la turbine et est renvoyé à la chaudière où une surchauffe supplémentaire est ajoutée. La vapeur retourne ensuite dans une section à pression intermédiaire de la turbine et continue sa détente. Dans une turbine d'extraction, la vapeur est extraite d'un ou plusieurs étages, à une ou plusieurs pressions, pour le chauffage, le processus de l'usine ou les besoins du chauffe-eau d'alimentation. Ces turbines sont également appelées turbines à purge. Les débits d'extraction peuvent être contrôlés avec une vanne, ou laissés non contrôlés. Les turbines à induction introduisent de la vapeur à basse pression à un stade intermédiaire pour produire de l'énergie supplémentaire.
Il existe deux types de turbines à vapeur de base, à savoir les turbines à impulsion et les turbines à réaction. Les pales sont conçues pour contrôler la vitesse, la direction et la pression de la vapeur lors de son passage dans la turbine.

Dans la conception à impulsion, le rotor tourne en raison de la force de la vapeur sur les pales, tandis que la conception à réaction fonctionne sur le principe que le rotor tire sa force de rotation de la vapeur lorsqu'elle quitte les pales.

Pour maximiser l'efficacité de la turbine, la vapeur est détendue, générant du travail, en plusieurs étapes. Ces étages sont caractérisés par la façon dont l'énergie en est extraite et sont appelés turbines à impulsion ou à réaction. La plupart des turbines à vapeur utilisent un mélange des conceptions à réaction et à impulsion. Chaque étage se comporte comme l'un ou l'autre, mais l'ensemble de la turbine utilise les deux. En règle générale, les sections à pression plus élevée sont de type à impulsion et les étages à basse pression sont de type à réaction.
Une turbine à impulsion a des buses fixes qui orientent le flux de vapeur vers des jets à grande vitesse. Ces jets contiennent une énergie cinétique importante, qui est convertie en rotation de l'arbre par les pales du rotor en forme de godet, lorsque le jet de vapeur change de direction. Une chute de pression se produit uniquement sur les aubes fixes, avec une augmentation nette de la vitesse de la vapeur à travers l'étage. Au fur et à mesure que la vapeur s'écoule à travers la buse, sa pression chute de la pression d'entrée à la pression de sortie (pression atmosphérique, ou plus généralement, le vide du condenseur). En raison de ce taux élevé d'expansion de la vapeur, la vapeur quitte la buse avec une vitesse très élevée. La vapeur quittant les pales mobiles a une grande partie de la vitesse maximale de la vapeur à la sortie de la buse. La perte d'énergie due à cette vitesse de sortie plus élevée est communément appelée vitesse de report ou perte de sortie.

Dans la turbine à réaction, les pales du rotor elles-mêmes sont disposées pour former des buses convergentes. Ce type de turbine utilise la force de réaction produite lorsque la vapeur accélère à travers les buses formées par le rotor. La vapeur est dirigée vers le rotor par les aubes fixes du stator. Il quitte le stator sous forme de jet qui remplit toute la circonférence du rotor. La vapeur change alors de direction et augmente sa vitesse par rapport à la vitesse des pales. Une chute de pression se produit à la fois dans le stator et le rotor, la vapeur accélérant à travers le stator et décélérant à travers le rotor, sans changement net de la vitesse de la vapeur à travers l'étage mais avec une diminution à la fois de la pression et de la température, reflétant le travail effectué dans le entraînement du rotor.

Les deux types de turbines sont illustrés à la figure 2.

 Fig 2 Types d'éoliennes

Le schéma de la Fig 3 résume un cycle de turbine à vapeur de chaudière.

Fig 3 Un cycle simple de turbine à vapeur de chaudière

La turbine à vapeur fonctionne selon les principes de base de la thermodynamique en utilisant le cycle de Rankine, comme illustré à la figure 4. Après avoir quitté la chaudière, la vapeur surchauffée pénètre dans la turbine à haute température et haute pression. La vapeur haute chaleur/pression est convertie en énergie cinétique à l'aide d'une tuyère (une tuyère fixe dans une turbine à impulsion ou les aubes fixes dans une turbine à réaction). Une fois que la vapeur a quitté la tuyère, elle se déplace à grande vitesse et est envoyée aux pales de la turbine. Une force est créée sur les pales en raison de la pression de la vapeur sur les pales les faisant bouger. Un générateur ou un autre dispositif similaire peut être placé sur l'arbre, et l'énergie qui était dans la vapeur peut maintenant être stockée et utilisée. Le gaz sort de la turbine sous forme de vapeur saturée à une température et une pression inférieures à celles avec lesquelles il est entré et est envoyé au condenseur pour être refroidi.

Fig 4 Diagramme T-s d'un cycle de Rankine

La vapeur d'échappement de la turbine est condensée en eau dans le condenseur qui extrait la chaleur latente de vaporisation de la vapeur. Cela amène le volume de la vapeur à zéro, réduisant considérablement la pression à des conditions proches du vide, augmentant ainsi la chute de pression à travers la turbine permettant d'extraire le maximum d'énergie de la vapeur. Le condensat est ensuite pompé dans la chaudière comme eau d'alimentation pour être réutilisé.

Le régulateur est un dispositif qui contrôle la vitesse de la turbine. Le contrôle de la vitesse d'une turbine avec un régulateur est nécessaire, car la turbine doit être démarrée lentement pour éviter tout dommage et la génération de courant alternatif nécessite un contrôle précis de la vitesse. Une accélération incontrôlée du rotor de la turbine peut entraîner un déclenchement en survitesse, ce qui provoque la fermeture des vannes de tuyère qui contrôlent le débit de vapeur vers la turbine. Si cela échoue, la turbine peut continuer à accélérer jusqu'à ce qu'elle se brise, souvent de manière catastrophique. Les turbines modernes ont un régulateur électronique qui utilise un capteur pour surveiller la vitesse de la turbine en "regardant" les dents du rotor.

La turbine à vapeur entraîne un générateur, pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique. Le générateur est une machine synchrone à champ tournant. Les turbines à vapeur sont directement couplées à leurs générateurs. Les générateurs doivent tourner à des vitesses synchrones constantes en fonction de la fréquence du réseau électrique. La vitesse la plus courante est de 3 000 tr/min pour un système d'alimentation avec une fréquence de 50 Hz. L'efficacité de conversion d'énergie de ces générateurs à haute capacité peut atteindre 98 % ou 99 % pour une très grosse machine.