Généralités sur les turbines à vapeur

Les turbines à vapeur sont le cœur des centrales thermiques et nucléaires. Elles sont utilisées pour la génération d’électricité. Elles sont aussi utilisées dans les cycles combinés, par exemple, dans les centrales utilisant à la foisdes turbines à vapeur et des turbines à gaz.

Principe de fonctionnement

Les turbines à vapeur sont classées parmi les machines à combustion externe contrairement aux turbines à gaz qui sont des machines à combustion interne. Ces machines à combustion externe sont entrainées par la vapeur d’eau (énergie thermique) produite par des chaudières. Cette énergie thermique du fluide est transformée en énergie mécanique, qui à son tour, est convertie en énergie électrique par une génératrice.

Absorption et transformation de l’énergie du fluide

La partie la plus importante de la turbine est le rotor où les pales sont montées. Ces pales assurent la transformation d’énergie. Elles absorbent l’énergie thermique du fluide et commencent à tourner. Par conséquent, l’énergie thermique du fluide est transformée en énergie mécanique (Learn Engineering, 2014).

Énergie associée à un fluide

Un fluide circulant peut avoir trois types d’énergies :

• L’énergie cinétique (KE)- en vertu de sa vitesse
• L’énergie de pression (PV) – en vertu de sa pression
• Énergie interne (U) – en vertu de sa température
Les deux dernières composantes d’énergie ensemble sont connues sous le nom d’enthalpie (H). ( H = U + PV )

Ainsi, l’énergie totale d’un fluide (TE) peut être représentée comme la somme de l’énergie cinétique (KE) et de l’enthalpie. ( TE = KE + H )

Transfert d’énergie aux rotors

Le fluide perd une quantité d’énergie en passant à travers les pales du rotor et par conséquent, l’énergie cinétique et l’enthalpie du fluide diminuent. Si l’énergie cinétique diminue, la vitesse d’écoulement diminue. Si ce fluide est directement passé à l’étage suivant, il va transférer moins d’énergie aux pâles en raison de sa faible vitesse. Donc, avant de passer le fluide au prochain étage on doit augmenter sa vitesse. Cela est assuré en utilisant des pâles stationnaires, également connus sous le nom de stator (Learn Engineering, 2014).

Classification des turbines à vapeur

Les turbines à vapeur sont classées en fonction de différents critères selon Avallone (1996) :

1. Selon le nombre d’étages :
• Turbine à un seul étage, ce sont des turbines utilisées pour des petites et moyennes puissances (utilisée dans des applications industrielles).
• Turbine à plusieurs étages dans lesquels la demande de puissance est élevée. Il est intéressant de noter que leur efficacité est très grande (utilisée dans les services d’utilités comme la production d’électricité).

2. Selon la pression à la sortie de la turbine :
• Turbine à contre-pression, dans laquelle la vapeur sort de la turbine à une pression supérieure à la pression atmosphérique, toujours avec suffisamment d’énergie capable d’être utilisée dans un procédé de réchauffement.
• Turbine à échappement : la vapeur sort à la pression atmosphérique.
• Turbine à condensation : dans ce type de turbine, la vapeur d’échappement est condensée par l’eau de refroidissement. Ces turbines sont de haute performance.

3. Selon la conception d’étage de la turbine :
• Turbine à impulsion, dans laquelle la transformation est effectuée sur les pales mobiles.
• Turbine à réaction, dans laquelle la transformation est effectuée dans les deux pales fixes et mobiles.

4. Selon la direction d’écoulement dans le rotor :
• Turbine axiale, la vapeur d’eau suit l’axe de turbine. Il s’agit de la turbine la plus courante.
• Turbine radiale, le passage de la vapeur suit une direction perpendiculaire à l’axe de la turbine.

5. Selon l’état de la vapeur d’entrée :
La vapeur d’entrée est soit une vapeur surchauffée, saturée (centrales nucléaires) ou vapeur humide.

6. Turbines avec et sans extraction :
• Dans les turbines avec extraction, un flux de vapeur d’eau est extrait de la turbine avant d’atteindre l’échappement.

Le modèle de la turbine à vapeur développé dans ce mémoire est celui d’une turbine utilisée dans une centrale électrique. Conséquemment ce modèle tient compte des caractéristiques suivantes:
1. Turbine à un seul étage et à plusieurs étages.
2. Turbine à condensation.
3. Turbine à impulsion et à réaction.
4. Turbine axiale.
5. Turbine à vapeur surchauffée.
6. Turbine sans extraction.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Mise en contexte
1.2 Turbine à vapeur
1.3 Procédé Williams-Otto
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 GÉNÉRALITÉS SUR LES TURBINES À VAPEUR
2.1 Principe de fonctionnement
2.1.1 Absorption et transformation de l’énergie du fluide
2.1.2 Énergie associée à un fluide
2.1.3 Transfert d’énergie aux rotors
2.1.4 Degré de transfert d’énergie
2.2 Classification des turbines à vapeur
2.3 Configurations des turbines à vapeur
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 MODÉLISATION DE LA TURBINE À VAPEUR
3.1 Modèle thermodynamique de la turbine
3.1.1 Modèle linéaire
3.1.2 Modèle non linéaire
3.2 Modèles des composants de la centrale électrique
3.2.1 Modèle de générateur de vapeur et de condenseur
3.2.2 Modèle de l’arbre de la turbine
3.2.3 Modèle des équipements électriques : génératrice et réseau électrique
3.2.4 Modèle du régulateur de la turbine
3.3 Conclusion
CHAPITRE 4 IMPLÉMENTATION DES MODÈLES DANS AUTOMATION STUDIO
ET MATLAB
4.1 Implémentation du modèle linéaire
4.1.1 Modèle linéaire sous Automation Studio
4.1.2 Modèle linéaire sous Matlab
4.2 Implémentation du modèle non linéaire
4.2.1 Modèle non linéaire sous Matlab
4.2.2 Modèle non linéaire sous Automation Studio
4.3 Conclusion
CHAPITRE 5 MODÉLISATION DU PROCÉDÉ WILLIAMS-OTTO
5.1 Description du procédé Williams-Otto
5.2 Modèle du procédé
5.2.1 Modèle du réacteur
5.2.2 Modèle de l’échangeur de chaleur
5.2.3 Modèle du décanteur
5.2.4 Modèle de la colonne de distillation
5.2.5 Modèle du rebouilleur de la colonne à distiller
5.2.6 Modèle du système de recyclage
5.3 Conclusion
CHAPITRE 6 IMPLÉMENTATION DU MODÈLE WILLIAMS-OTTO DANS
AUTOMATION STUDIO ET MATLAB
6.1 Implémentation du modèle WO sous Automation Studio
6.1.1 Simulation du modèle de réacteur
6.1.2 Simulation du modèle de l’échangeur de chaleur
6.1.3 Simulation du modèle du décanteur
6.1.4 Simulation du modèle de la colonne de distillation
6.1.5 Simulation du modèle du rebouilleur de la colonne à distiller
6.1.6 Simulation du modèle du système de recyclage
6.2 Implémentation du modèle WO sous Matlab
6.3 Conclusion
CONCLUSION