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1 - CYCLES DES INSTALLATIONS MOTRICES À VAPEUR

2 - COGÉNÉRATION. ÉNERGIE TOTALE

3 - CYCLES COMBINÉS

Article de référence | Réf : BE8053 v2

Cycles combinés
Convertisseurs thermomécaniques - Cycles moteurs à vapeur et combinés. Cogénération

Auteur(s) : André LALLEMAND

Date de publication : 10 sept. 2017

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RÉSUMÉ

On trouve les installations motrices à vapeur dans les grandes centrales de production d’électricité et sur des sites industriels. Les cycles de base, dits cycles de Rankine, sont proches des cycles de Carnot. Pour augmenter le rendement de ces machines, diverses évolutions leur sont apportées. Les rejets thermiques de ces installations motrices à vapeur sont importants, comme dans toutes machines thermiques et la récupération de cette chaleur est capitale. La production d'énergie totale ,ou de congénération, de l’IMV est alors de deux natures : mécanique (ou électrique) et thermique. Les machines thermiques , dont le rendement est actuellement le plus élevé, sont dites à cycles combinés. Elles correspondent au couplage d'une IMV à une TAC (turbine à combustion).

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ABSTRACT

Thermomechanical converters - Steam engine cycles and combined. Cogeneration

Steam-driven turbines are found in large electricity generating stations and industrial facilities. The basic cycles, called Rankine cycles, are close to Carnot cycles, thus giving an experimentally proven guarantee of efficiency. To further increase output, a variety of modifications are made to these machines. Like for all heat engines, the heat exhaust from these steam plants is considerable and can usefully be recovered. The production from a steam plant thus consists of two types of energy: mechanical (or electrical) and thermal. The currently most efficient thermal machines, termed combined-cycle power plants, couple a steam turbine to a gas turbine.

Auteur(s)

  • André LALLEMAND : Ingénieur, Docteur-ès-sciences - Professeur des Universités en retraite - Ancien directeur du département de génie énergique de l’INSA de Lyon

INTRODUCTION

Les installations motrices à vapeur (IMV), qui ont pour origine les cycles thermodynamiques à vapeur, correspondent aux moteurs les plus puissants. Ce sont des machines à apport de chaleur externe fournie soit par une combustion, soit par une réaction nucléaire. On les trouve dans les grandes centrales de production d’électricité, classiques ou nucléaires, où leur puissance atteint plus de un gigawatt. On les rencontre également avec des tailles plus modestes sur des sites industriels pour opérer dans un grand nombre de procédés industriels à des puissances pouvant aller d’une centaine de kilowatts à quelques centaines de mégawatts.

Les cycles de base, dits cycles de Rankine, sont proches des cycles de Carnot, ce qui, a priori, est un gage d’efficacité, confirmé par l’expérience. Cependant, des raisons techniques entraînent des modifications qui vont dans le sens d’une détérioration du rendement, compensée par certaines améliorations.

Les rejets thermiques de ces installations motrices à vapeur étant importants, comme dans toutes machines thermiques, la récupération de cette chaleur est capitale. Elle peut être valorisée comme apport thermique nécessaire à de nombreux procédés industriels ou pour le chauffage résidentiel ou tertiaire par l’intermédiaire de réseaux de chaleur. La production de l’IMV est alors de deux natures énergétiques : mécanique (ou électrique) et thermique. On parle de production d’énergie totale ou encore de cogénération. Des cas typiques d’installations ainsi qu’une analyse énergétique suivie d’une analyse thermo-économique de l’intérêt d’une telle production sont présentés dans ce document.

Dans l’article [BE 8 051], la perte d’énergie à l’échappement des turbines à combustion (TAC) a été soulignée. Compte tenu du niveau thermique relativement faible retenu pour un fonctionnement classique des IMV, l’apport externe de chaleur, produit ordinairement par une combustion ou une réaction nucléaire, peut être remplacé par l’apport enthalpique des gaz d’échappement de la TAC. Sous l’aspect cycle, le couplage de ces deux machines est traduit par la combinaison d’un cycle de Joule avec un cycle de Hirn. Cela donne lieu aux installations dites à cycles combinés dont le rendement est, actuellement, le plus élevé de toutes les machines thermiques.

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KEYWORDS

power systems   |   steam engine installations   |   Rankine cycle   |   Hirn cycle

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-be8053


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3. Cycles combinés

Il a été vu, dans l’article [BE 8 051], que les turbines à gaz à cycle ouvert, encore appelée turbines à combustion (TAC), rejettent des gaz d’échappement à des températures relativement élevées, même lorsque ces machines fonctionnent selon le cycle de Joule à récupération (cf. [BE 8 051], § 2.2). Les figures 23 et 24, issues de [BE 8 051], illustrent ce résultat. Elles représentent :

  • pour le cas d’une turbine à gaz parfait l’évolution des températures de fin de compression et de fin de détente en fonction du taux de compression et pour des valeurs de températures maximales fixées (les compressions et détentes ont lieu adiabatiquement avec une valeur donnée du rendement isentropique). On note que même avec un récupérateur parfait, qui permettrait de rejeter des gaz d’échappement à la température de fin de compression et pour des températures maximales supérieures à 1 000 °C (ce qui est facilement atteint), cette température est supérieure à 450 °C ;

  • pour une TAC, l’évolution réelle du fluide en diagramme entropique (prise en compte de la variation de la chaleur massique avec la température). Dans ce cas, avec une température maximale de cycle égale...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOREL (L.) -   Thermodynamique et énergétique.  -  Presses polytechniques romandes, Ecublens (1987).

  • (2) - GICQUEL (R.) -   Systèmes énergétiques. Tome I, Méthodologie d’analyse, bases thermodynamiques.  -  École des Mines de Paris (2001).

  • (3) - BEJAN (A.), KRAUS (A.D.) -   Heat transfer handbook.  -  Wiley, New York (2003).

  • (4) - FEIDT (M.) -   Énergétique, concepts et applications.  -  Dunod, Paris (2006).

  • (5) - LALLEMAND (A.) -   Exercices et problèmes de thermodynamique.  -  Ellipses, Paris (2011).

  • (6) - LALLEMAND (A.) -   Phénomènes de transferts.  -  Ellipses, Paris (2012).

  • ...

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