Soutenance mémoire
L’humanité a toujours été à la recherche de la production d’énergie électrique pour s’éclairer, travailler ou faire fonctionner ses machines. Cette énergie est produite, en grande quantité, dans des usines appelées centrales électriques. Elles transforment l’énergie primaire (c’est-àdire l’énergie contenue dans une chute d’eau, un tas de charbon, un réservoir de pétrole, un réservoir de fuel…) en énergie électrique. Une centrale thermique vapeur utilise de la vapeur vive, produite dans la chaudière, comme force motrice qui fait tourner l’arbre de la turbine, lequel entraine un rotor. L’énergie mécanique produite par la turbine est transformée en énergie électrique grâce à l’alternateur. La chaudière, parmi les parties primordiales de la centrale thermique vapeur, peut être définie comme étant l’appareil permettant de transférer en continu de l’énergie thermique à un fluide caloporteur (l’eau). L’énergie thermique transférée est la chaleur dégagée par la combustion du fuel (ou fioul). Le fluide caloporteur est chauffé, vaporisé et surchauffé dans la chaudière. Elle est tout simplement un générateur de vapeur d’eau utilisée à des fins de rotation de la turbine.
Le fait de bruler du fuel et d’obtenir de l’énergie électrique constitue une énigme. Pour expliquer ce problème, on se propose d’étudier les échangeurs thermiques au niveau de la centrale thermique vapeur C III du CAP DES BICHES et particulièrement une application sur les transferts thermiques et thermodynamiques dans une des chaudières. Cette étude permet de rapprocher la théorie (enseignements suivis) à la pratique (sur le terrain): c’est-à-dire expliquer les processus du transfert de chaleur au fluide caloporteur et modéliser la loi de variation des températures des flemmes jusqu’au mélange eau vapeur.
La centrale thermique vapeur CIII du CAP des BICHES
Présentation
Au Sénégal la distribution d’électricité est assurée par la SENELEC (La Société Nationale d’Electricité du Sénégal) qui fait partie du réseau interconnecté de l’Organisation pour la Mise en Valeur du fleuve Sénégal (OMVS) regroupant le Mali, la Mauritanie et le Sénégal. La production de la SENELEC est assurée par de nombreuses centrales à travers le pays. Dans le département de Rufisque (région de Dakar), au niveau du CAP des BICHES, la SENELEC dispose d’une centrale thermique vapeur appelée C III dont la production représente 45 à 50 % de l’énergie livrée au réseau interconnecté. On y dispose de trois groupes vapeur et de trois turbines à gaz. La fréquence de consigne est fixée à 50 hertz avec des variations tolérées de ± 5%. Cinq à dix pourcents de l’énergie livrée par la C III sont produits par les turbines à Gaz au sein de la centrale. La plus grande partie de l’énergie est donc produite par les turbines à vapeur qui sont les plus puissantes du parc de production de la SENELEC. Le premier groupe mis en service est le groupe vapeur 301. Il a une puissance nominale installée de 27, 5 MW. Les deux autres groupes vapeur dénommés « 302 » et « 303 » sont identiques et ont chacun une puissance nominale installée de 30 MW ce qui fait une puissance nominale de 87,5 MW pour les trois groupes vapeurs.
Cependant la centrale traverse depuis plusieurs années des contraintes entraînant une réduction de sa puissance. La centrale C III produit environ 50% de la puissance du réseau national auquel elle est connectée. Ce qui signifie qu’elle joue un rôle important quant à sa stabilité. Chaque tranche est composée d’une chaudière, d’un groupe turboalternateur, d’un poste d’eau, de transformateurs et d’auxiliaires (pompes alimentaires, pompes d’extraction et compresseurs) permettant la production d’énergie électrique.
Principe de fonctionnement
L’ensemble des circuits mentionnés ci-dessous constitue le principe de fonctionnement de la centrale. Pour démarrer la production d’énergie de chaque tranche, il faut veiller à ce que l’ensemble des circuits soit opérationnel.
Circuit mono hydrique d’une tranche
Le cycle monohydrique est un circuit fermé. Le bas du condenseur appelé puits du condenseur est 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 turbine (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 turbine) 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 un ballon appelé dégazeur. A l’intérieur du dégazeur, on pulvérise l’eau sur des plaques chaudes et les incondensables tels que se vaporisent. L’eau chaude réchauffe la bâche alimentaire : le dégazage est de type physique. Dans la bâche alimentaire on utilise l’hydrazine ( pour assurer le dégazage chimique en inhibant l’action de l’oxygène. Dans la bâche alimentaire il y a un échange par mélange (eauvapeur). Passant par un collecteur d’aspiration, la pompe alimentaire aspire l’eau et l’envoie à la chaudière en passant par la soupape alimentaire, par les réchauffeurs HP4, HP5 et par l’économiseur. La soupape alimentaire régule le débit d’eau en fonction du débit de vapeur qui sort 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 de la chambre de combustion se charge d’élever celle de l’eau par échange de surface. L’économiseur à son tour alimente le ballon supérieur. 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 descente. C’est pourquoi dans cette zone on parle de vapeur saturée. La vapeur saturée obtenue passe dans les surchauffeurs (primaires et secondaires) et entre les deux il y’a un désurchauffeur. Les surchauffeurs augmentent la température de la vapeur venant du ballon supérieur par échange de surface avec les gaz de combustion. Si la température de la vapeur sortant du surchauffeur primaire dépasse les 500°C alors le désurchauffeur intervient pour la stabiliser (par injection d’eau alimentaire). Cette vapeur vive surchauffée sèche fera tourner la turbine avec une pression vapeur de 66 bars en 3000 tr/ mn ce qui correspondrait à la fréquence de 50 Hz. Le mouvement de la turbine entraine l’alternateur qui va générer une tension électrique. Après avoir fait tourner la turbine, la vapeur d’eau arrive de 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).
Circuit eau de refroidissement (eau de mer)
Un nombre de huit pompes élévatrices est installé à l’entrée du chenal d’amenée qui prend son origine dans la mer. Ces pompes munies de grillages lourds aspirent l’eau du chenal et une partie des algues est retenue sur ces grillages. L’eau filtrée arrive par le canal dans un filtre Beaudrey (appelé tambour filtrant, c’est un cylindre creux), qui retient le reste des algues et d’autres déchets contenus dans l’eau de mer. A l’entrée de la centrale pour chaque pompe à circulation, toujours implantée dans le canal, un filtre à aspiration lui est relié pour éviter que des débris ne passent au grand collecteur en ciment (collecteur BONA) et ce dernier se chargera d’alimentation du condenseur principal, de l’alternateur à travers un système réfrigérant. Cette eau de mer servira aussi à refroidir l’huile de graissage de la turbine , l’eau brute qui refroidit les paliers des pompes alimentaires, les compresseurs et l’alimentation des fosses des pompes à vide à l’aide d’autres collecteurs munis de pompes branchés au grand collecteur. De façon globale l’eau de refroidissement sert à alimenter les échangeurs de chaleur et pompes à circulation renseignent sur le taux d’encrassement du condenseur. Au niveau du condenseur, l’eau de mer arrive par deux entrées situées au bas, à l’intérieur elle circule dans des tubes. Il y’a un échange par surface. Par deux sorties situées en haut du condenseur, l’eau est reversée dans le canal de rejet qui la conduit jusqu’à la mer. On peut remarquer qu’en cas de marée basse, le niveau d’eau peut baisser considérablement. Pour compléter ce manque, on fait recours au batardeau de recyclage en le soulevant un peu tout en évitant un excès d’eau. Sa nouvelle température est différente de celle de l’eau provenant du collecteur BONA parce qu’ayant déjà échangé avec la vapeur dans le condenseur. Il y’a également la vanne de décharge du condenseur qui a pour rôle d’isoler une des deux entrées du condenseur en cas de besoin de nettoyage. Il suffit de manœuvrer pour décharger le collecteur BONA. En mesurant les températures d’entrée et de sortie de l’eau du condenseur la variation tolérée doit être à l’ordre de 7°C pour éviter la pollution de la mer.
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Table des matières
Introduction
I/ La centrale thermique vapeur CIII du CAP des BICHES
I-1/ Présentation
I-2/ Principe de fonctionnement
I-2-1/ Circuit mono hydrique d’une tranche
I-2-2/ Circuit eau de refroidissement (eau de mer)
I-2-3/ Circuit Fuel
I-2-4/ Circuit comburant (air)-gaz de combustion
II/ Le générateur de vapeur (La chaudière)
II-1/ Constitution de la chaudière
II-2/ Le Fonctionnement de la chaudière
II-3/ Les transferts thermiques
II-3-1/ Cas d’un tube vaporisateur
II-3-1-1/ Rayonnement dans la chambre
II-3-1-2/ Conduction dans la paroi
II-3-1-3/ Convection dans le liquide caloporteur (l’eau)
II-3-1-4/ Détermination de la Résistance thermique
II-3-1-5/ Coefficient global de transfert
II-3-1-6/ Application : Représentation de la variation de la température dans la paroi du tube vaporisateur
II-3-2/ Généralisation
II-4/ Méthodes de calcul de rendement de la chaudière
II-4-1/ Rendement sur PCI
II-4-2 / Rendement sur PCS
Conclusion
Bibliographie
Webographie
Annexe
