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Principe de fonctionnement de la chaudière
La chambre de rayonnement est le siège des flammes et de la vaporisation. Le circuit des fumées est le parcourt suivi par les gaz de combustion après la chambre de rayonnement jusqu’à la sortie de la cheminée. On y rencontre les surchauffeurs primaire et secondaire, les tubes de descente, la paroi latérale gauche et un côté de la paroi de séparation. Les parois de la chaudière sont revêtues de deux couches de matelas en laine minérale et pour les protéger de toute attaque extérieure, ces matelas sont recouverts d’une enveloppe en tôle d’acier galvanisé.
Ainsi la chaudière est isolée thermiquement.
La combustion nécessite trois paramètres:
Un combustible (fuel lourd) : c’est un mélange d’hydrocarbures, c’est-à-dire des composés chimiques à base de carbone C et d’hydrogène H, auxquels s’ajoutent essentiellement du soufre S, de l’oxygène O et de l’azote N.
Un comburant (l’air) comprend principalement de l’oxygène, de l’azote, de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone.
Une source de chaleur (briquet électrique) fournit une étincelle pour amorcer la combustion. Le fioul est chauffé pour le rendre fluide puis pulvérisé en fines gouttelettes dans la chambre de combustion où il est ensuite brulé. Les fumées de combustion sont dépoussiérées grâce à des filtres et sont évacuées par des cheminées.
La chaudière est tapissée de tubes dans lesquels circule de l’eau froide. En brulant, le combustible dégage de la chaleur qui va chauffer cette eau.
Dans la bâche alimentaire on utilise l’hydrazine (H2N2) pour assurer le dégazage chimique en inhibant l’action de l’oxygène qui sera extrait et renvoyé au condenseur principal. Dans la bâche alimentaire il y’a échangé par mélange (eau vapeur).
Passant par un collecteur d’aspiration, la pompe alimentaire aspire l’eau et l’envoie à la chaudière en passant par la soupape alimentaire, les réchauffeurs HP4, HP5 et l’économiseur. La soupape alimentaire régule le débit d’eau en fonction du débit de vapeur sortie au ballon supérieur.
Toujours par un collecteur, la pompe alimente les réchauffeurs haute pression (HP4, HP5 : soutirage à la zone de haute pression de la turbine), l’eau y sort à la même pression mais avec une augmentation de sa température et entre dans l’économiseur puis aux ballons.
Dans l’économiseur, contrairement aux réchauffeurs la température des gaz de combustion venant directement de la chambre de combustion se charge d’élever celle de l’eau par échange thermique. L’économiseur à son tour alimente les deux ballons. Dans le ballon supérieur le niveau d’eau est limité de sorte que la partie supérieure est réservée à la vapeur. Le ballon inférieur quant à lui est toujours rempli d’eau. Les tubes d’écran seront réchauffés et à chaque molécule d’eau transformée en vapeur il y a une autre molécule d’eau qui la remplace à travers les tubes. C’est pourquoi dans cette zone on parle de vapeur saturée.
Dès que les interrupteurs des bruleurs sont en service, la combustion du fuel commence et les flammes s’établissent. Les tubes vaporisateurs commencent à chauffer l’eau se trouvant à l’intérieur et il s’y forme lentement de la vapeur d’eau.
Le mélange eau vapeur remonte sous l’effet de la pression d’alimentation vers le ballon supérieur. Les séparateurs vapeur-eau du ballon supérieur permettent de faire passer le liquide vers le fond et la vapeur occupe la partie supérieure.
A partir du ballon supérieur l’eau descend vers le ballon inferieur par le biais des tubes de descente par gravité tandis que la vapeur saturée à 295°C sort du ballon supérieur pour la surchauffeur primaire. Dans ce dernier elle est séchée et sa température est élevée à 450°C. Par injection d’eau alimentaire dans la vapeur sèche, on la désurchauffe et sa température devient 410°C. Elle passe à la surchauffeur secondaire et en sort avec une température de 505°C. La vapeur devient alors sèche et vive et elle continue son parcourt pour faire tourner la turbine. Pour le surchauffeur primaire, l’objectif est de rendre la vapeur saturée sèche et pour le second c’est de la rendre vive. L’économiseur alimente le ballon supérieur pour remplacer la quantité d’eau vaporisée. En ce qui concerne les fumées (1300°C), avant de sortir de la chambre de rayonnement pour gagner le circuit des fumées, des tubes ‘’cobra’’ ou ‘’tubes fusibles’’ (tubes reliant les deux ballons et dans lesquels circule de l’eau d’alimentation) absorbent une grande partie de leur énergie. Ces tubes jouent le rôle de protection des surchauffeurs primaire et secondaire.
Au niveau de ces surchauffeurs il y’a échanges par convection ou surfaciques entre les fumées et la l’eau. Il faut aussi noter que la température dans les tubes vaporisateurs est celle de la vapeur saturée (295°C) parce qu’il y’a mélange d’eau et de vapeur. Donc la température ne change pas jusqu’après l’entrée de la vapeur saturée dans le surchauffeur primaire. On remarque aussi que lors du processus de vaporisation la pression reste constante (80bar) parce qu’on garde seulement l’entrée et la sortie du ballon supérieur dans lequel existe une seule pression.
Principe de fonctionnement de la turbine
La vapeur saturée sèche obtenue passe dans les surchauffeurs primaires et secondaires entre elles il y a un désurchauffeur régule la température de la vapeur suivant la consigne fixée 500°C. En effet les surchauffeurs augmentent la température de la vapeur venant du ballon supérieur par échange thermique avec les gaz de combustion. Si la température de la vapeur sortant des surchauffeurs dépasse les 500°C alors le désurchauffeur intervient pour la stabiliser.
Avec une pression de 66 bars, la vapeur vive surchauffée sèche fera tourner la turbine avec à 3000 tr/. Le mouvement de la turbine entraine l’alternateur qui génère une tension électrique. Après avoir fait tourner la turbine, la vapeur d’eau arrive à nouveau dans le condenseur principal via la manchette de raccordement et sera condensée après l’échange thermique avec la source d’eau froide (eau de mer).
Ce circuit traduit l’importance de l’eau dans la production du courant électrique. Le cycle mono hydrique est un circuit fermé. Le bas du condenseur appelé puits du condenseur représente le début et la fin du circuit. En commençant par ce condenseur principal, la pompe d’extraction extrait l’eau (environ 40°C) à partir du puits du condenseur et l’envoie dans la bâche alimentaire en passant par le condenseur des Buées et les réchauffeurs BP1, BP2.
Ce condenseur récupère les buées venant des boites d’étanche de la tribune (c’est-à-dire la vapeur des boites d’étanche qui a travaillé comme vapeur de barrage pour empêcher l’air d’entrer dans les paliers de la tribune) et leurs calories sont cédées à l’eau d’extraction. Le condenseur des buées relève d’un ou de deux degrés au moins la température de l’eau.
Par un collecteur l’eau passe aux réchauffeurs basse pression (BP1, BP2 : soutirage à la zone de basse pression de la turbine), la température de cette eau s’accroit puis elle entre dans la bâche alimentaire appelée ballon dégazeur. A l’intérieur du dégazeur, on pulvérise l’eau sur des plaques chaudes et les incondensables tels que O2 se vaporisent, l’eau chaude réchauffe la bâche alimentaire est renvoyée à la chaudière pour refaire le circuit fermé.
Transfert thermique dans une centrale électrique
De l’allumage normal des bruleurs jusqu’à l’obtention du mélange d’eau et de vapeur, on note trois modes de transfert de chaleur.
Dans la chambre de rayonnement, les flammes réchauffent par rayonnement les tubes vaporisateurs (tubes écran faisceau) de la chambre. Dans les parois de ces tubes vaporisateurs la chaleur se propage de proche en proche (transfert par conduction).A l’intérieur des tubes l’eau est réchauffée par convection et il apparait un mélange d’eau et de vapeur.
LES PROBLEMES RENCONTRES AU NIVEAU DE LA CHAUDIERE
Bien que souvent méconnue du public, la chimie joue un rôle primordial dans l’exploitation de l’énergie électrique dans les centrales à vapeurs.
La Corrosion des tubes de chaudière
Définition de la corrosion
La corrosion d’un métal M est l’oxydation de cet élément à l’état d’ion métallique, il s’agit donc d’une réaction d’oxydoréduction qui se traduit par l’équation bilan suivante : M + OX M + Red (1)
Les différents types de corrosion
Il existe plusieurs types de corrosion. Chaque type de corrosion est lié à un ou plusieurs facteurs.
La corrosion sèche
C’est quand l’oxydation du métal a eu lieu dans une atmosphère sèche par exemple avec ou
La Corrosion humide
C’est quand l’oxydation se fait en présence d’humidité.
La corrosion humide est liée à beaucoup de facteurs :
– Air oxydant ( et )
– d’eau atmosphérique ( O)
– Pluie ( O, )
– Contact eau de mer ( O, Na cl)
La Corrosion uniforme
IL y a corrosion uniforme si toute la surface du métal est attaquée de façon uniforme et s’il n’y a pas de circulation d’électrons au sein du métal (corrosion chimique).
La Corrosion différentielle
Il y a corrosion différentielle lorsque l’attaque s’exerce de façon différente entre deux zones de la surface du métal. Il y a nécessairement circulation d’électrons au sein du métal pour relier ces deux zones (corrosion électrochimique).
Les conséquences de la corrosion
Les conséquences de la corrosion sont nombreuses :
– destruction du métal ;
– dépôt des produits de corrosion dans les échangeurs ;
– diminution de l’échange thermique ;
– augmentation des fuites d’eau ;
– contamination de l’eau de refroidissement ;
– augmentation des fréquences de maintenance et nettoyage ;
– changement des équipements.
– Corrosion des chaudières
Dans les chaudières, les corrosions sont liées principalement :
– au pH de : H+, OH- ;
– aux gaz dissouts : , ;
– aux sels dissouts.
La Corrosion électrochimique
– Aération différentielle
C’est la présence d’oxygène dans l’eau. Si l’eau est chargée l’oxygène, celui-ci va moins pénétrer dans les cavités profondes et il y aura une zone assez riche en oxygène donc bien aérée et une zone pauvre en oxygène qui est moins aérée.
Cette différence d’aération crée une pile dont la partie pauvre en oxygène va constituer l’anode et la partie pauvre en oxygène va constituer la cathode. La présence d’un sel qui se dissocie toujours en anion et en cation va faire l’objet d’une circulation de courant électrique et l’anion va pénétrer la partie creuse créant ainsi des trous. Pour éviter ce phénomène il faut dégazer l’eau d’alimentation en utilisant un dégazeur physique (ventilation) ou un dégazeur chimique par injection de l’hydrazine qui a une grande affinité avec l’oxygène.
– Hétérogénéité des métaux dans un électrolyte
Un métal plongé dans un électrolyte est thermodynamiquement instable et évoluera d’un état d’énergie maximum vers un état d’énergie minimum (deuxième principe de la thermodynamique).Des ions vont passer en solution et le métal devient électronégatif par rapport à la solution créant ainsi un champ électrique dirigé de la solution vers le métal. Pour empêcher le départ d’autres ions il y’aura l’équilibre et une différence de potentiel caractéristique du métal appelé potentiel d’ionisation.
L’entartrage
Définition
Il correspond aux dépôts solides qui adhèrent à la face interne des tubes.
Conséquences
Parmi les conséquences on peut citer :
– La réduction du transfert de chaleur
– La diminution de la production
– L’augmentation des coûts de maintenance
– L’augmentation des couts de production
Le primage
Définition
C’est l’entrainement plus ou moins important des vésicules liquides dans la vapeur et de sels. Ces derniers peuvent se déposer d’abord sur les vannes d’admission qu’ils colmatent empêchant leur fermeture (sécurité). Ils se déposent ensuite sur les ailettes de la turbine et créent des déséquilibres, des vibrations qui entraineront la cassure des ailettes.
Causes
Les causes peuvent être mécaniques ou chimiques.
Causes mécaniques
Parmi les causes mécaniques on peut citer :
– niveau d’eau trop haut dans le ballon ;
– mauvaise pression d’exploitation faible.
Causes chimiques
Parmi les causes chimiques on peut citer :
– Présence d’une salinité excessive ;
– Présence de précipités ;
– Présence d’huiles ou de matières organiques.
Conséquences du primage
Parmi les conséquences on peut citer :
– Baisse de la température de surchauffe ;
– Dépôt de sels dans les surchauffeurs et turbine ;
– Vibrations et cassure des ailettes.
L’entraiment de la silice dans la vapeur
La silice se trouve en chaudière sous forme de silicate de sodium qui s’hydrolyse pour donner l’acide silicique. A partir de 200 l’acide silicique a une tension de vapeur suffisante pour que la vapeur l’entraine et ceci est d’autant plus accentué que la pression et la température sont élevées. La silice se dépose sur les ailettes de la turbine et crée des balourds.
AMELIORATIONS PROPOSEES POUR UN BON FONCTIONNEMENT DES CHAUDIERES DANS UNE CENTRALE THERMIQUE
Pour résoudre les problèmes rencontrés de manière générale au niveau des chaudières (corrosion, entartage, primage, entrainement de la silice) on doit procéder à un traitement de l’eau avant de l’utiliser au niveau des chaudières. Il y’a deux traitements :
– Le traitement externe de l’eau: la déminéralisation de l’eau
– Le traitement interne de l’eau: le conditionnement de l’eau
Traitement externe de l’eau
Le traitement externe de l’eau est constitué de deux phases : le prétraitement et la déminéralisation
Le prétraitement
L’eau de ville est propre pour la consommation humaine mais n’est pas apte telle qu’elle à être utilisée pour une chaudière. Elle contient des substances organiques et minérales qui devront être éliminées par un traitement de l’eau avant son utilisation dans une chaudière.
Le prétraitement de l’eau permet d’éliminer les matières en suspension, le fer et les matières organiques qui peuvent encrasser les résines.
Le prétraitement est constitué par trois étapes : la chloration, la filtration et la déchloration
La chloration
La chloration consiste à injecter dans l’eau brute une solution d’hypochlorite de sodium cl.
Le chlore libre va ainsi oxyder le fer sous forme d’hydroxyde de fer selon la réaction suivante: + 6(NaHClO) 2Fe +6(NaCl) (1)
La filtration
C’est le passage de l’eau chorée à travers le filtre à sable qui retient le fer dissous et les matières en suspension.
La déchloration
L’excès de chlore est éliminé en faisant passer l’eau filtrée à travers un filtre à charbon actif (PDD3) ou par l’injection de bisulfite de sodium (cas de PDD2). L’eau prétraitée doit avoir les caractéristiques suivantes :
– Teneur en fer 0,6
– Teneur en chlore 0,1
Quelques traces de matières organiques
– Turbidité 10 NTU
La déminéralisation
La déminéralisation est un procède de traitement qui consiste à éliminer tous les sels dissouts dans l’eau brute par fixation des cations et anions sur des résines échangeurs d’ions. Elle peut se faire par trois méthodes différentes :
– Procédé applicable sur de grandes variétés de salinité (jusqu’à l’eau de mer) et dans un très large gramme de débit, de quelques litre par heure à plusieurs centaines de mètre cube par heure.
– Par distillation, réservée soit à des applications de laboratoires, soit industrielle à partir d’eau de mer dans des bouilleurs-évaporateurs sous vide en cascades.
– Par passage sur des résines échangeurs d’ions (cationique et anionique). Ce procède est limité à des eaux de faible salinité à 2 environ et présente l’inconvénient d’utiliser des produits corrosifs (acide et soude). Il peut produire des eaux très pures.
A la centrale C3 on utilise le procédé de déminéralisation par échange d’ions.
Principe de la déminéralisation
Le poste de déminéralisation comporte une chaine primaire et une chaine secondaire.
– La chaine primaire : est constituée d’un échangeur cationique fort, d’un dégazeur et d’un échangeur anionique fort.
– La chaine secondaire ou chaine de finition ou appelée lit mélangé : est constituée d’un seul échangeur avec un mélange de résines cationique et anionique.
La chaine primaire
Après le prétraitement, l’eau obtenue est envoyée dans l’échangeur cationique qui capte les cations : Mg2+, Ca2+,Na+ ,K+ et donne des ions produisant ainsi des acides tels que : HCl, SO4, HS , , etc.
Par la suite ces acides passent au niveau du dégazeur qui élimine le provenant de la décomposition des bicarbonates par un système de ventilation.
Enfin l’eau provenant du dégazeur entre dans l’échangeur anionique qui capte les anions tels que H , Cl-, HSi et donne ainsi des ions
La chaine secondaire ou chaine de finition
Après la chaine primaire l’eau dans le lit mélange Ainsi les ions qui n’ont pas été retenus au niveau de la chaine primaire vont être piégés au niveau de la chaine de finition on obtient ainsi une eau purifiée aux caractéristiques suivantes .
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Présentation générale de la SENELEC
I- Cadre institutionnel
II-Présentation du site Cap des Biches
1-Présentation de l’installation de la centrale C3
2-Les ressources humaines de la centrale C3
Chapitre II : Méthode d’Exploitation de la Centrale C3
1. Constitution de la chaudière
2. Principe de fonctionnement de la chaudière
3-Principe de fonctionnement de la turbine
Chapitre III : Transfert thermique dans une centrale électrique
1. Le transfert de chaleur par conduction
2.Le transfert thermique par rayonnement
3-Cas d’un tube vaporisateur
CHAPITRE IV : LES PROBLEMES RENCONTRES AU NIVEAU DE LA CHAUDIERE
1.La Corrosion des tubes de chaudière
2. L’entartrage
3. Le primage
4. L’entraiment de la silice dans la vapeur
CHAPITRE V : AMELIORATIONS PROPOSEES POUR UN BON FONCTIONNEMENT DES CHAUDIERES DANS UNE CENTRALE THERMIQUE
1. Traitement externe de l’eau
2. Traitement interne
3. Méthode de prévention
CONCLUSION GENERALE
Bibliographie et Sources
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