La centrale thermique: déf., types, avantages et principe

  1. La centrale thermique: déf., types, avantages et principe
  2. Yahia Kriter
  3. La centrale thermique Achouat et la production électrique
  4. Poste d’eau : Condenseur, dégazeur, réchauffeurs, pompe
  5. Cycles de production d’énergie à vapeur
  6. Analyse énergétique et éxergétique: la centrale thermique

Les centrales thermiques: définition, types, avantages et principe

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Ecole supérieure de technologies industrielles
– Annaba –

Département du second cycle
Filière Génie industriel

Mémoire Présenté en vue de l’obtention du diplôme d’Ingénieur d’État
Les centrales thermiques: définition, types, avantages et principe
Bilan énergétique et éxergetique d’une centrale thermique

Spécialité
Énergétique et Développement Durable

Par
Kriter Yahia (CV) et Hemara Toufik

Sous la direction de : Grade Établissement d’affiliation
Mallem Nassima MCB ESTI Annaba
Devant le jury
Président :
AZZOUZ Salah Eddine Pr. ESTI Annaba
Examinateurs :
NIOU Slimane MCB ESTI Annaba
BOUDINAR Nouam MCB ESTI Annaba

Année / 2020

Remerciement

Résumé :

Le projet que nous avons réalisé consiste à évaluer les performances thermodynamiques de la centrale thermique d’Achouat située dans la wilaya de Jijel dont les capacités de production est de 210 MW. Nous avons à travers cette étude fait un bilan énergétique global qui nous a permis de déterminer les rendements des équipements suivants : la chaudière et la turbine avec ses trois corps ainsi que le rendement global du cycle.

La deuxième partie que nous avons traitée, concerne une étude éxergétique de la chaudière et de la turbine dans le but d’évaluer les pertes au niveau de ces deux équipements clé.

Abstract:

The project that we carried out consists in evaluating the thermodynamic performances of the thermal power station of Achouat located in the wilaya of Jijel whose production capacity is 210 MW.

Through this study, we made a global energy balance which allowed us to determine the efficiency of the following equipments: the boiler and the turbine with its three bodies as well as the global efficiency of the cycle.

The second part that we treated, concerns an energy study of the boiler and the turbine in order to evaluate the losses at the level of these two key equipments.

Liste des figures :

Figure I.1 Schéma d’une centrale thermique
Figure I.2 Turbine à combustible
Figure I.3 Les trois turboalternateurs de la centrale de Jijel
Figure I.4 La chaudière de la centrale de Jijel
Figure I.5 Le ventilateur de soufflage de la centrale
Figure I.6 Les cheminées des 3 groupes
Figure I.7 Corps HP
Figure I.8 Corps MP
Figure I.9 Corps BP
Figure I.10 Turbine à condensation de 210 MW à 3000 tr/mn en 3 corps
Figure I.11 Schéma du cycle de production
Figure I.12 Cycle de Carnot
Figure I.13 (a) Cycle de Rankine
Figure I.13 (b) Installation du cycle de Rnakine
Figure I.14 (a) Cycle de Hirn
Figure I.14 (b) Installation du cycle de Hirn
Figure I.15 (a) Cycle de Rankine à resurchauffe
Figure I.15 b) Installation du cycle à resurchauffe
Figure I.16 (a) Cycle à double resurchauffe
Figure I.16 (b) installation de Rankine à double resurchauffe
Figure I.17 (a) Cycle de Rankine à deux soutirages
Figure I.17 (b) Installation du Cycle de Rankine à deux soutirages
Figure II.1 Représentation du cycle thermodynamique de la turbine dans le diagramme de mollier
Figure II.2 Système thermodynamique quelconque
Figure II.3 Système thermodynamique de la turbine.
Figure II.4 Système thermodynamique du réchauffeur
Figure II.5 Système thermodynamique du condenseur
Figure II.6 Système thermodynamique de la chaudière
Figure III.1 Schéma du cycle de production
Figure III.2 : Schéma de la centrale thermique avec les paramètres des points choisis
Figure III.3 Diagramme h-s du cas réel de CHP
Figure III.4 Diagramme h-s du cas réel de CMP
Figure III.5 Diagramme h-s du cas réel de CBP
Figure III.6 : Schéma thermodynamique de RHP3
Figure III.7 Schéma thermodynamique de RHP2
Figure III.8 Schéma thermodynamique de RHP1
Figure III.9 Schéma thermodynamique de RBP4
Figure III.10 Schéma thermodynamique de RBP3
Figure III.11 Schéma thermodynamique de RBP2
Figure III.12 Schéma thermodynamique de RBP1

Liste des tableaux :

Tableau I.1 Les centrales de production électrique en Algérie
Tableau I.2 caractéristiques nominales de l’alternateur
Tableau I.3 caractéristiques de l’eau et d’hydrogène
Tableau I.4 caractéristiques nominales du condenseur
Tableau I.5 caractéristiques des réchauffeurs à haute pression
Tableau I.6 caractéristiques des réchauffeurs basse pression
Tableau I.7 caractéristiques de la pompe alimentaire
Tableau III.1 : Grandeurs d’état des différents points de la centrale
Tableau III.2 : Composition volumique du gaz naturel algérien
Tableau III.3 : Les enthalpies de combustion des différents constituants du gaz naturel

Sommaire :

Chapitre I : Généralités sur les centrales thermique et les cycles de production d’énergie à vapeur
I. Introduction générale. 10
II. Les centrales thermiques 11
II.2 Définition et principe de fonctionnement 11
II.3 Types de centrales thermiques 12
II.3.1 Les centrales à turbine à vapeur 12
II.3.2 Les centrales à turbine à combustible 12
II.3.3 Les centrales à cycle combiné au gaz naturel 13
II.4 Les avantages et les inconvénients des centrales thermiques. 14
III. La production d’énergie électrique en Algérie 14
III.1 Capacité nationale de production d’énergie électrique en Algérie 14
IV. La centrale thermique d’Achouat 16
IV.1 Présentation de la centrale 16
IV.2 Caractéristiques techniques. 16
IV.2.1 Fiche technique 16
IV.2.2 Equipement du cycle de production 17
IV.3 Poste d’eau 27
V. Cycles de production d’énergie à vapeur. 30
V.1 Cycle de Carnot. 30
V.2 Cycle de Rankine. 31
V.3 Cycle de Rankine à surchauffe (cycle de Hirn) 32
V.4 Cycle à resurchauffe 33
V.5 Cycle à double resurchauffe 34
V.6 Cycle à soutirage 35
Chapitre II : Approche énergétique et éxergétique
II.1 Analyse énergétique 37
II.1.1 Introduction 37
II.1.2 Rendement thermodynamique 37
II.1.2.1 Rendement thermodynamique de la turbine 37
II. 1.2.2 Rendement thermodynamique de la chaudière 38
II. 1.2.3 Utilisation des réchauffeurs 39
II.2 Analyse éxergétique 40
II.2.1 Principe 40
II.2.1.1 Exergie associée au transfert de flux de matière 40
II.2.1.2 Exergie associée au transfert de chaleur 42
II.2.1.3 Exergie associée au transfert de travail 42
II.2.2 Bilan d’exergie 42
II.2.3 Rendement exergétique 43
II.2.3.1 Turbine 44
II.2.3.2 Réchauffeur. 44
II.2.3.3 Condenseur 55
II.2.3.4 Chaudière 55
Chapitre III : Résultats et discussion
III.1 Description du principe de fonctionnement 48
III.2 Bilan énergétique 52
III.2.1 Rendement thermodynamique de la turbine 52
III.2.2 Rendement thermodynamique de la chaudière 55
III.2.2.1 Calcul du pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gaz naturel 55
III.2.2.2 Calcul du rendement de la chaudière 57
III.2.3 Réchauffeurs 57
III.3 Bilan d’éxergie 66
III.3.1 Calcul du rendement éxergétique de la turbine 66
III.3.2 Calcul du rendement éxergétique de la Chaudière 69
Conclusion générale 71

 

Chapitre I : Généralités sur les centrales thermiques et les cycles de production d’énergie à vapeur

I. Introduction générale :

Malgré que l’Algérie commence à envisager des solutions écologiques en investissant dans les énergies renouvelables visant une puissance de 22 000 MW d’ici 2030 selon le Programme algérien de développement des énergies renouvelables et d’efficacité énergétique (PENREE) de 2012 `(1), sept ans après ce plan, les réalisations sont modestes : le solaire n’a produit que 0,7 % de l’électricité du pays en 2017, et l’éolien 0,01 %.

L’Algérie en 2019 est le 16e producteur de pétrole, le 10e producteur de gaz naturel et le 7e exportateur de gaz naturel au monde, donc en effet la production et la consommation d’énergie, y compris dans le secteur de l’électricité, sont tirées des hydrocarbures à plus de 99 %.

Une centrale énergétique est le point de départ de notre consommation d’énergie. Il existe différents types de centrales énergétiques : Les centrales thermiques, solaires, éoliennes, nucléaire….etc. Dans ce qui se suit, nous détaillerons les centrales thermiques, leurs types et la production d’énergie électrique en Algérie.

La production d’électricité à partir des centrales thermiques est la plus répandue et la plus ancienne dans le monde. En effet, le gaz, le charbon et le fioul, utilisés comme combustibles, sont des ressources naturelles abondantes.

Les centrales thermiques, grâce à leur flexibilité et réactivité, constituent l’un des moyens les plus efficaces pour faire face aux variations de la demande d’électricité, et notamment aux pics de consommation.

Elles sont capables de produire de l’électricité très rapidement et peuvent donc être sollicitées à tout moment.

L’objectif du présent mémoire est d’appliquer l’analyse énergétique et éxergétique dans le but de faire une évaluation des performances thermodynamiques de la centrale thermique d’Achouat située dans la wilaya de Jijel.

Le manuscrit est structuré en trois chapitres. Le premier donne une vue d’ensemble sur les centrales thermiques, la production électrique en Algérie, présentation de la centrale thermique d’Achouat et les cycles de production d’énergie à vapeur.

Le second chapitre est consacré à introduire et à expliquer les fondements de l’approche énergétique et éxergétique. Enfin, le troisième et dernier chapitre résume les plus importants résultats concernant les performances thermodynamiques de la centrale d’Achouat.

II. Les centrales thermiques :

II.2 Définition et principe de fonctionnement :

La centrale thermique est une centrale électrique qui produit de l’électricité à partir d’une source de chaleur (charbon, gaz, fioul, biomasse ou déchets municipaux).

La source de chaleur chauffe un fluide (souvent de l’eau) qui passe de l’état liquide à l’état gazeux (vapeur).

Cette vapeur entraine une turbine couplée à un alternateur qui transforme l’énergie cinétique contenue dans la vapeur en énergie mécanique de rotation, puis en énergie électrique grâce à une génératrice découvrant.

Les centrales thermiques fonctionnent à partir de ressources naturelles: charbon, fioul ou gaz. Le combustible, une fois brûlé, chauffe l’eau située dans des tubes qui tapissent les parois de la chaudière. La chaleur transforme ainsi l’eau en vapeur pressurisée, qui actionne la turbine, qui elle-même entraîne l’alternateur.

Schéma d’une centrale thermique
Figure I.1 Schéma d’une centrale thermique

La combustion :

Un combustible (gaz, charbon, fioul) est brûlé dans les brûleurs d’une chaudière pouvant atteindre jusqu’à 90 mètres de hauteur et un poids de 9000 tonnes.

Dans les centrales à charbon, le combustible est broyé sous forme de poudre, puis brûlé dans la chaudière pour dégager de la chaleur. Dans les centrales au fioul, le combustible est chauffé pour le rendre liquide puis vaporisé en fines gouttelettes puis injecté par les brûleurs dans la chaudière.

Quant au gaz, il est utilisé sous deux formes: naturel pour les cycles combinés au gaz naturel ou sidérurgique pour les centrales traditionnelles.

La production de la vapeur :

La chaudière contient des tubes à l’intérieur dans les quels circule de l’eau froide. L’eau se transforme en vapeur de pression élevée sous l’effet de la chaleur, qui est alors envoyée vers les turbines, où sa dilatation entraine la rotation de cette dernière.

La production d’électricité :

La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l’énergie fournie par la turbine, l’alternateur produit un courant électrique alternatif.

Un transformateur de puissance augmente la tension du courant électrique produit par l’alternateur pour qu’il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à très haute et haute tension.

Le recyclage :

La vapeur qui a été utilisée est envoyée vers un condenseur, dans lequel circule de l’eau froide en provenance de la mer ou d’un fleuve.

Au contact de celle-ci, la vapeur se transforme en eau, qui est récupérée et envoyée à nouveau dans la chaudière pour recommencer un autre cycle. L’eau utilisée pour le refroidissement est restituée au milieu naturel ou renvoyée dans le condenseur. [1]

II.3 Types de centrales thermiques :

II.3.1 Les centrales à turbine à vapeur :

La turbine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d’état affectant le fluide moteur qui est en général de la vapeur d’eau.

Elle transforme l’énergie thermique de la vapeur d’eau pendant la détente en énergie mécanique de rotation d’arbre pour entrainer un dispositif mécanique tournant. [1]

II.3.2 Les centrales à turbine à combustible :

Dans une turbine à combustion (TAC), l’électricité est générée grâce à la circulation de gaz d’échappement issus d’une chambre de combustion et traversant directement la turbine.

La chambre de combustion est le plus souvent interne à la turbine, elle génère de la chaleur à partir d’un mélange d’air initialement comprimé et de fioul ou de gaz.

Alors que le fioul apporte une sécurité de fourniture, le développement des TAC gaz est aujourd’hui privilégié, notamment pour des raisons environnementales (émissions de gaz à effet de serre et d’éléments polluants moindres). Ce type de centrale démarre en seulement quelques minutes. [1]

Turbine à combustible
Figure I.2 Turbine à combustible

II.3.3 Les centrales à cycle combiné au gaz naturel :

Un cycle combiné consiste à produire de l’électricité sur deux cycles successifs. Le premier cycle est semblable à celui d’une TAC: le gaz brûlé en présence d’air comprimé actionne la rotation de la turbine reliée à l’alternateur.

Dans le second cycle, la chaleur récupérée en sortie de la TAC alimente un circuit vapeur qui produit également de l’électricité avec une turbine à vapeur (TAV).

Les centrales à Cycle Combiné Gaz (CCG) présentent l’avantage d’atteindre des rendements élevés, notamment par rapport aux TAC en cycle simple, ils permettent de réduire les émissions atmosphériques (dioxyde de carbone, oxyde d’azote, oxydes de soufre). Ces nouvelles installations contribuent à améliorer les performances environnementales. [1]

La cogénération :

La cogénération est un système de production simultanée de chaleur et d’électricité. La chaleur dégagée lors de la production d’électricité est récupérée pour chauffer des locaux ou utilisée pour alimenter des procédés industriels.

Cette production combinée permet d’économiser 15 à 20% d’énergie primaire par rapport à la production séparée des mêmes quantités de chaleur et d’électricité. En outre, elle réduit de façon significative les émissions de CO2 par kWh produit.

La cogénération est donc une manière de valoriser les pertes d’énergie et d’optimiser l’efficacité énergétique d’un système. [1]

II.4 Les avantages et les inconvénients des centrales thermiques :

Les avantages :
  • Les centrales sont rapides à construire.
  • Cette technologie offre une grande flexibilité d’utilisation qui permet de répondre rapidement et précisément à la demande.
  • Le thermique permet de construire des centrales de grande puissance.
  • La production ne dépend pas de conditions extérieures autres que l’approvisionnement en combustible.
Les inconvénients :
  • Cette technologie engendre des émissions de produits polluants et de gaz à effet de serre.
  • Le thermique utilise souvent des sources fossiles (charbon, fioul, gaz) dont les réserves sont physiquement limitées par la géologie terrestre et non-renouvelables à court et moyen terme.
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Yahia Kriter
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