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Aperçu et introduction Aperçu de la centraleélectriqueà cycle combiné(À arbre simple et à arbresmultiples)
Cours de formation
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Tous droits réservés sur le présent document et les informations qu’il contient. Lareproduction, l’usage ou la communication à un tiers sans autorisation expressesont strictement interdits.Copyright© ALSTOM (Switzerland) Ltd 2010
Ceci est un cours de formation. Il fournit des informations générales concernant le
système étudié uniquement.Pour comprendre le concept de fonctionnement en détail, les documentsspécifiques au projet défini dans la section de référence du document doivent êtrejoints à ce cours.Tous les réglages et valeurs mentionnés et fournis en annexe sont indiqués à titreinformatif uniquement. Des valeurs types sont utilisées pour aider à lacompréhension de certains thèmes. De plus, des réglages peuvent subir desmodifications spécifiques au site pendant la mise en service.Pour les valeurs actuelles, se référer à la documentation d’exploitation et demaintenance finale spécifique à la centrale.
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Table des matières
Référence des documents .................................................................................................................... 4 Documents types.............................................................................................................................. 4 Documentation O&M ....................................................................................................................... 4
Objectifs du cours ............................................................................................................................... 5 Introduction ........................................................................................................................................ 6 Centrale électrique à turbine à gaz ...................................................................................................... 7
Généralités ...................................................................................................................................... 7 Turbine à gaz, composants et principe de fonctionnement.................................................................. 9
Alternateur, composants et principe de fonctionnement.................................................................... 11 Centrale électrique à turbine à vapeur................................................................................................ 13
Généralités .................................................................................................................................... 13 Turbine à vapeur, composants et principe de fonctionnement........................................................... 15 Chaudière, composants et principe de fonctionnement .................................................................... 16 Circuit eau/vapeur, composants ..................................................................................................... 17
Alternateur..................................................................................................................................... 19 Centrale électrique à cycle combiné pour la production d’électricité..................................................... 21
Disposition à arbres multiples ......................................................................................................... 21 Disposition à un arbre.................................................................................................................... 25
Centrale électrique à cycle combiné pour la production de chaleur et d’électricité................................. 28 Disposition à arbres multiples ......................................................................................................... 28
Aperçu d’une centrale électrique à cycle combiné pour la production CHE........................................... 35 Disposition à un arbre.................................................................................................................... 35
Systèmes de commande et de protection ............................................................................................ 38 QCM permettant de vérifier la progression de l’apprentissage.......................................................... 42 Questions:..................................................................................................................................... 42 Solutions du QCM du cours............................................................................................................ 47
Résumé ............................................................................................................................................ 47
Table des figures
Figure 1: Centrale électrique à turbine à gaz avec excitation statique, ses composants principauxet ses commandes (type) ...................................................................................................... 7
Figure 2: Centrale électrique à turbine à vapeur avec excitation statique, ses composants principauxet ses commandes (type) .................................................................................................... 13
Figure 3: Diagramme de flux de données d’un cycle de pression unique (type).................................... 17 Figure 4.1: Aperçu du processus d’une centrale électrique à cycle combiné (arbres multiples) (type) ..... 21 Figure 4.2: Aperçu du processus d’une centrale électrique à cycle combiné (à un arbre multiple) (type) 25 Figure 5.1: Centrale électrique à cycle combiné pour la production de chaleur et d’électricité et
disposition à arbres multiples (type) ................................................................................. 28 Figure 5.2: Centrale de production CHE (type)................................................................................... 31 Figure 5.3: Centrale électrique à cycle combiné pour la production de chaleur et d’électricité et
disposition à un arbre (type) ............................................................................................ 35 Figure 6: Schéma de base de la commande d’une centrale électrique à cycle combiné (type)............... 38
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Référence des documentsDocuments types
Les documents types sont utilisés pour clarifier certains aspects de ce cours. Cesdocuments types ne contiennent pas d’informations spécifiques au projet, desdigressions sont possibles. Tous les documents types sont identifiés de façonunivoque.
Documentation O&M
Les documents O&M sont spécifiques à la centrale et constituent une partieimportante de chaque cours de formation. Les documents O&M les plus importantsont été sélectionnés et sont inclus dans la documentation du cours de formation.Ces documents servent de base aux exercices, aux notes personnelles, aux repères,etc. Les documents les plus importants pour la formation au fonctionnement sontles suivants:
• Schémas P&ID avec légende
• Concept de fonctionnement de la turbine à gaz
• Description du système• Manuel de maintenance
Les documents O&M sont divisés en:
• Documents spécifiques au système
• Documents spécifiques à l’ensemble de la centraleLes documents spécifiques au système ne sont en principe pas joints à chacune desleçons spécifiques, quant aux documents spécifiques à l’ensemble de la centrale, ilsse trouvent dans des sections séparées à la fin du manuel de formation.
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Objectifs du cours
Une fois ce cours terminé, le stagiaire est capable de réaliser les tâchessuivantes:
• Donner les raisons de l’utilisation des centrales électriques à cycle combiné(CCPP) pour la production d’énergie électrique.
• Expliquer pourquoi une turbine à gaz comprend:• un compresseur• une chambre de combustion• une turbine
• Énumérer les différentes conversions d’énergie dans une CCPP.
• Expliquer pourquoi la chaîne principale d’alimentation d’énergie électriquecomprend (pour l’excitation statique):• un alternateur• un mécanisme à balais• des traversées d’alternateur• un disjoncteur de couplage• un transformateur élévateur principal• un disjoncteur HT/réseau
• Expliquer à quoi servent l’économiseur, l’évaporateur et le surchauffeur dans la
chaudière de récupération (HRSG).• Énumérer les composants qui se trouvent entre l’alternateur de la turbine à gaz
et la ligne électrique haute tension.
• Énumérer les composants qui se trouvent entre l’alternateur de la turbine àvapeur et la ligne électrique haute tension.
• Expliquer à quoi servent les composants suivants:• chaudière de récupération• condenseur• dégazeur• réservoir d’eau alimentaire• turbine à vapeur
• Expliquer la différence entre les CCPP à un arbre et à arbres multiples.
• Indiquer à quoi servent les composants de commande suivants dans une CCPP:• régulateur de turbine à gaz électronique (EGATROL)• régulateur en boucle fermée de turbine à vapeur (TURBOTROL)• séquenceur de turbine à vapeur (TURBOMAT)• la commande d’excitation• commande de synchronisation• protection de l’alternateur
• commande de la chaudière de récupération
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Introduction
CCPP pour unrendementmaximal
Dans le domaine des centrales électriques thermoélectriques, la meilleure utilisationde l’énergie est obtenue par la combinaison d’une centrale électrique à turbine àgaz et à turbine à vapeur. Les deux centrales sont liées par une chaudière derécupération (HRSG).Ce type de centrale électrique thermoélectrique s’appelle centrale électrique à cyclecombiné (CCPP).Les CCPP profitent des avantages des turbines à gaz et des turbines à vapeur et lescombinent dans une disposition qui fournit de l’énergie électrique à un rendementfortement supérieur à celui atteint lorsqu’un de ces systèmes fonctionne seul.
Cette section décrit brièvement le processus des centrales électriques à turbines àgaz et à vapeur types d’Alstom, mais également comment ces processus sontcombinés dans une CCPP type.Tous les équipements ne sont pas décrits dans le matériel; l’accent est porté sur lescomposants principaux qui sont essentiels à la compréhension du processus global.
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Aperçu et introduction
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Centrale électrique à turbine à gazGénéralités
Vanne de régulationdu combustible
Gazd’échap-pement
Point neutreBornes del’alternateur
Champ
magnétique
Alternateur Balais pour - exitation- démarrage
CC
CC Disjon
CONSIGNES
Régulateur de turbine à gazélectronique (EGATROL*)- Séquençage- Commande
(boucle ouverte/fermée)- Protection- Limiteur
Charge (Vitesse)
Commande desynchronisation
Protection del’alternateur
Commande d’excitation,régulateur automatiquede tension (AVR)
Air ambiant
Flux d’air selon lapositiondes aubes
Alimentation encombustible
Temp. à la sortiede la turbine (TAT)
Système statide démarrage(SSD)
* Appellation commerciale ALSTOM
Temp. à l’entréede la turbine
(TIT)
Figure 1: Centrale électrique à turbine à gaz avec excitation statique, ses composants principaux et ses commandes
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Turbine à gaz La turbine à gaz est composée de trois éléments de traitement:
• Un compresseur d’air
• Une chambre de combustion avec un/des brûleur(s)
• La turbine
Turbine à gaz, composants et principe de fonctionnement
Centralesélectriques àturbine à gaz
L’alimentation en énergie électrique d’une centrale électrique à turbine à gaznécessite l’utilisation de:
• Une turbine à gaz
• Un alternateur
• Un système d’excitation
• Des traversées d’alternateur (bornes)
• Un disjoncteur de couplage
• Un transformateur élévateur de couplage
• Un disjoncteur HT/réseauLe rôle de chacun de ces éléments est brièvement décrit ci-dessous.
Cependant le processus de conversion d’énergie
• d’énergie chimique en
• énergie thermique en
• énergie mécanique, puis en
• énergie électriqueest similaire dans tous les types de centrales à turbine à gaz.
Turbine à gaz Alstom produit différents types de turbine à gaz qui diffèrent au niveau de:
• La configuration• La puissance électrique de sortie
Généralités (suite)
(suite page suivante)
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Turbine à gaz, composants et principe de fonctionnement (suite)
Compresseur L’air sous pression qui entre dans la chambre de combustion est fourni par le
compresseur axial. Ce dernier:• Transfert l’énergie cinétique fournie par les aubes et les ailettes du compresseur
à l’air s’écoulant de sorte que la pression de l’air augmente(L’énergie cinétique est transférée en énergie de pression).• l’air qui se trouve dans le compresseur est pressurisé à l’aide des ailettes et
des aubes.
• Est entraîné par la turbine dans l’arbre commun.Une partie de l’air sous pression est également utilisé pour sceller et refroidir laturbine à gaz.
Chambre decombustion
Le gaz de combustion qui entraîne la turbine est fournie via une salle dans laquellese produit l’allumage sous pression, appelée chambre de combustion.Dans la chambre de combustion:
• Du combustible liquide et gazeux est constamment brûlé. L’oxygène nécessairepour le processus d’allumage provient de l’air du compresseur. Lors del’allumage, la température de l’air de décharge du compresseur augmente,mais la pression dans la chambre de combustion n’augmente pas. En d’autresmots.
• L’énergie chimique du combustible est convertie en énergie thermique.
Turbine La turbine:• Convertit l’énergie thermique du combustible de combustion en énergie
mécanique.
• Est le moteur principal qui entraîne le compresseur axial et l’alternateur.Est entraînée par le gaz de combustion compressé et chauffé via un systèmed’aubes et d’ailettes monté sur le rotor et qui entraîne sa rotation
Régulation duflux d’air
Le flux d’air et donc le flux de gaz de combustion qui s’écoule à travers la turbinesont régulés par un réglage adapté de la position des aubes directrices variablesmontées avant l’entrée du compresseur. Ces aubes peuvent adopter, maintenir etprendre n’importe quel débit massique d’air se trouvant entre un minimum(env. 60 % du maximum) et le maximum du flux d’air.
Régulation ducombustible
Le combustible qui s’écoule dans la chambre de combustion est régulé par leréglage adapté des vannes de régulation qui peuvent adopter, maintenir et prendren’importe quelle position d’entièrement fermée à entièrement ouverte.
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Alternateur, composants et principe de fonctionnement
Alternateur L’alternateur:• Est la machine entraînée par la turbine à gaz.
• Convertit l’énergie mécanique de la turbine en énergie électrique.
• Se compose de:• une partie non mobile appelée le stator• une partie mobile appelée le rotor
Le rotor de l’alternateur est couplé au rotor de la turbine soit
• directement, soit
• par un réducteur de vitesse.
Rotor, champmagnétique
Le rotor crée le champ magnétique en rotation à l’intérieur de l’alternateur aumoyen de la combinaison du groupe de plaques d’acier et de l’excitation oul’enroulement du champ dans lequel le courant continu (CC) passe.L’enroulement de champ d’excitation est souvent simplement nommé enroulementrotorique.
La force du champ magnétique doit être ajustée pour correspondre à la puissancede sortie électrique de l’alternateur. Les conséquences de ces mesures sont lessuivantes:
• L’alternateur reste synchronisé avec la ligne électrique HT.• La tension de l’alternateur, la puissance active et la puissance réactive fournies
à la ligne électrique HT sont maintenues dans des limites données.
Ceci est fait au moyen de courant continu:
• Qu’on appelle un courant d’excitation.
• Qui traverse l’enroulement de champ du rotor.
L’équipement du régulateur automatique de tension (Automatic Voltage Regulator – AVR) régule le courant d’excitation. Il régule:
• La tension aux bornes de l’alternateur.• L’alimentation électrique active et réactive de la ligne électrique HT.Le stator contient des enroulements fixes dans lesquels une tension alternative estinduite par le champ magnétique en rotation.
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Alternateur, composants et principe de fonctionnement (suite)
Excitation Le système d’excitation fournit du courant continu aux enroulements du champ
magnétique en rotation de l’alternateur.• Deux types de systèmes d’excitation sont utilisés:
• sans balais, c.-à-d. une excitatrice accouplée à l’alternateur• statique, c.-à-d. que le courant alternatif à l’extérieur de l’alternateur est
rectifié. Le courant continu est fourni à l’enroulement d’excitation du rotorpar deux balais
Ces deux systèmes ont la même fonction.
Disjoncteur decouplage
Les traversées d’alternateur sont également appelées bornes de l’alternateur.
• Elles fournissent la connexion qui permet à l’énergie électrique de l’alternateur
d’être livrée à la ligne électrique HT extérieure.• Elles sont montées sur le corps du stator de l’alternateur.
• Elles reçoivent la tension de sortie des enroulements du stator.
Transformateurélévateurprincipal
Le disjoncteur de couplage permet le raccord électrique entre les traverséesd’alternateur et le transformateur élévateur.Pendant l’immobilisation et le démarrage de la turbine à gaz, le disjoncteur decouplage isole l’alternateur de la ligne électrique HT.
Le transformateur élévateur principal:• Est utilisé pour faire correspondre la tension aux bornes de l’alternateur et la
tension de la ligne électrique HT ou du réseau.
• Sert également de tampon électrique en cas de court-circuit dans la ligneélectrique HT pour protéger l’alternateur.
Le disjoncteur réseau (disjoncteur HT):
• Fournit le raccord électrique entre le poste et la ligne électrique HT ou le réseau.
• Déconnecte le groupe turbine à gaz de la ligne électrique HT en cas de pannedu réseau afin de permettre le fonctionnement en îlotage.
• Est une pièce optionnelle de l’équipement.
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Centrale électrique à turbine à vapeurGénéralités
CONSIGNES
Charge (Vitesse)
Régulateur en bouclefermée de turbine à vapeur (TURBOTROL*)Séquenceur de turbineà vapeur (TURBOMAT*)- Contrôle- Régulation- Protection
Protectionde l’alternateur
DC
Balais pour exitation
Bornes del’alternateur Point neutre
Alternateur
Champmangétique
Eventuellementextraction de vapeur :- application industrielle- dessalement- chauffage d’îlot,
etc.-
Vers’atmosphère Vannes de régulation
et de déchlanchement
Turbine à vapeur Vapeur
Eau souspression
Dégazeur etréservoir destockage d’eaualimentaire
Eau
d’appoint
Pompe à eaualimentaire de la chaudière
Pompe d’extraction des condensats
Agent de refroidissement
Condenseur et puits de recueil
* Appellations commerciales ALS
Commande desynchronisation
Commanded’excitation,
régulateur automatiquede tension(AVR)
Gaz d’échappement de la
TG (dans des cas particulier avec allumage supplémetaire)
HRSG(chaudière)
Eventuellementcheminéede dérivation
Conduite dedérivation de laturbine à vapeur
Figure 2: Centrale électrique à turbine à vapeur avec excitation statique, ses composants principaux et ses comman
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Turbine à vapeur Les conduites de vapeur acheminent la vapeur produite dans la chaudière derécupération (HRSG) jusqu’à la turbine à vapeur.
• Le débit massique de vapeur qui traverse la turbine est régulé par la coursed’ouverture des vannes de régulation.
• Lorsque la vapeur s’écoule dans la turbine, elle entraîne la rotation des ailettesdu rotor, produisant ainsi une force. La force tangentielle provoque la rotationdu rotor.
• Il s’agit d’un processus de conversion d’énergie de l’énergie thermique àl’énergie mécanique.
Composants L’alimentation en énergie électrique d’une centrale électrique à turbine à vapeurnécessite l’utilisation de:
• Une chaudière
• Une turbine à vapeur•
la chaudière et la turbine à vapeur sont liées par le circuit eau/vapeur(Water Steam Cycle – WSC).
• Un alternateur
• Un système d’excitation
• Une traversée d’alternateur
• Un disjoncteur
• Un transformateur élévateurLe rôle de chacun de ces éléments est brièvement décrit ci-dessous.
Alstom produit différents types de centrales électriques à turbine à vapeur quidiffèrent au niveau de:
• La configuration
• La puissance électrique de sortie
Turbine à vapeur, composants et principe de fonctionnement
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Chaudière, composants et principe de fonctionnement
La chaudière qui se trouve dans une CCPP est appelée chaudière de récupération(HRSG).
• C’est là que le transfert d’énergie du gaz d’échappement au circuit eau/vapeurse produit. Le gaz d’échappement refroidi quitte l’HRSG par la cheminée.
• Les pompes à eau alimentaire augmentent la pression de l’eau avant qu’ellen’entre dans l’HRSG. Dans la chaudière (par transfert thermique), latempérature de l’eau augmente jusqu’à ébullition. La vapeur est surchaufféepar un transfert thermique continu. La vapeur est ensuite acheminée jusqu’à laturbine à vapeur.
En l’absence d’un allumage combustible supplémentaire, aucune conversion
d’énergie ne se produit dans l’HRSG. Seuls un transfert d’énergie et unemodification de
• l’eau à l’état d’ébullition, puis
• de vapeur et enfin
• de vapeur surchaufféese produit.Pour garantir l’intégrité de la chaudière, elle doit être alimentée en permanence eneau.
Sections de lachaudière Une chaudière simple comprend un:• Premier échangeur de chaleur appelé économiseur.
• Second échangeur de chaleur appelé évaporateur, normalement encombinaison avec un tambour rempli d’eau et de vapeur.
• Troisième échangeur de chaleur appelé surchauffeur.
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Circuit eau/vapeur, composants
1G 3
4
5
6
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7
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9
10
11
12
13
15
G
2
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1 Compresseur d’air 2 Chambre de combustion3 Turbine (à gaz)4 Surchauffeur
5 Evaporateur 6 Economiseur
7 Tambour 8 Turbine à vapeur 9 Dérivation de la turbine à vapeur 10 Condenseur
11 Pompe d’extraction des condensats12 Réservoir d’eau alimentaire/dégazeur
13 Pompe d’eau alimentaire14 Refroidisseur d’air de
refroidissement TG
15 Conduite de vapeur de rentrageG Alternateur
Gaz naturel
Figure 3: Diagramme de flux de données d’un cycle de pression unique (type)
Un circuit eau/vapeur unique se compose, outre d’une chaudière et d’une turbine àvapeur, de:
• Un condenseur de vapeur
• Une pompe d’extraction des condensats
• Un réservoir d’eau alimentaire avec dégazeur
• Une pompe à eau alimentaire
Afin d’améliorer le rendement de la centrale à turbine à vapeur, une pression bienen dessous de la température ambiante (réduite à une pression absolue de0,05 bar) est créée à l’extrémité de la turbine à vapeur. Cette pression estégalement présente dans le condenseur.
(suite page suivante)
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Circuit eau/vapeur, composants (suite)
Condenseur Après avoir quitté le dernier étage de la turbine, la vapeur s’échappe. Cette vapeur
d’échappement entre dans le condenseur et ce dernier est fermé. L’état de lavapeur change pour revenir à de l’eau (condensat). Le condensat est recueilli dansle puits de recueil (la section la plus basse du condenseur).Le condenseur est un autre échangeur de chaleur. La condensation se transformepar transfert thermique de vapeur en
• eau de refroidissement,
• eau de mer de refroidissement, ou
• air de refroidissement.L’agent de refroidissement circule à travers des groupes de tuyaux à l’intérieur ducorps du condenseur.
La température de condensation dépend de la pression, en supposant que lapression absolue de la vapeur est 0,082 bar, la température de condensation est42 °C.
Pomped’extraction descondensats
La pompe d’extraction des condensats achemine l’eau du puits de recueil descondensateurs jusqu’au réservoir d’eau alimentaire. Il faut veiller à ce que lapression de l’eau au niveau de la bride d’entrée de la pompe d’extraction descondensats soit supérieure à la pression dans le condenseur.
Réservoir d’eau
alimentaire
Apres la/les pompe(s) d’extraction des condensats, l’eau est vaporisée par un dôme
dans le réservoir d’eau alimentaire. Elle est alors:• désaéré avec de la vapeur
• préchauffé
• stocké pour alimenter l’HRSG.Pour des raisons de sécurité, le réservoir d’eau alimentaire se trouve sur le dessusde la chaudière (circulation de l’eau par gravité en cas d’interruption del’alimentation électrique).
Désaération Le condensat entre dans le réservoir d’eau alimentaire par la partie supérieureappelée un dôme. Le condensat s’y disperse, des gouttes d’eau tombent. De lavapeur de purge provenant de la TV chauffe les gouttes, sa solubilité pour l’air et legaz décroit. L’air qui s’échappe monte jusqu’en haut du dôme et est aspiré par unetuyauterie sous pression et envoyé dans le condenseur de vapeur principal.
Pompe à eaualimentaire
La pompe à eau alimentaire renvoie l’eau (à la pression de système requise) duréservoir d’eau alimentaire à la chaudière.
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Alternateur
Alternateur deturbine à vapeur
La conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique se produit à traversl’alternateur et l’excitatrice dans un processus qui est principalement le même quecelui décrit précédemment pour le groupe turbine à gaz.La différence principale est que l’installation à turbine à gaz est la synchronisationde l’alternateur à la ligne électrique HT. La turbine à vapeur est synchronisée (c’est-à-dire connectée à la ligne électrique HT) par le disjoncteur HT. Il n’y a pas dedisjoncteur de couplage dans l’installation à turbine à vapeur.
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Aperçu de la centrale électriqueà cycle combiné
Aperçu et introduction (À arbre simple et à arbres multiples)
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ABCD
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Aperçu et introduction
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ABCD
Centrale électrique à cycle combiné pour la production d’électricitéDisposition à arbres multiples
G
HRSG
Economiseur basse pression
Economiseur pression intermédiaire
Surchauffeur pression intermédiaire
Evaporateur haute pression
Surchauffeur hautepression et
resurchauffeur pression intermédiaire
Economiseur haute pression
Evaporateur basse pression
Evaporateur pression intermédiaire
Turbine à gaz
Chambrede combustion
Gasturbine
Préchauffeur gaz combustible
Alternateur Compresseur
BP Ballon de vapeur
Pompe de circulationd’eau basse pression
Pompe de circulationd’eau pression intermédiaire
Pompe de circulationd’eau haute pression
Vanne de régulation d’eau alimentaire
Ballon de vapeur
HP Ballon de vapeur
Dégazeur réservoir d’eau alimentaire
Pompe à eaualimentaire HP
Pompe d’eaualimentaireBP/PI
Chaudière de récupération
PI
Figure 4.1: Aperçu du processus d’une centrale électrique à cycle combiné (arbres multiples) (type)
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Aperçu et introduction
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Aperçu de la centrale électriqueà cycle combiné
Aperçu et introduction (À arbre simple et à arbres multiples)
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ABCD
Disposition à arbres multiples (suite)
Les composants principaux d’une centrale électrique à cycle combiné à arbres
multiples permettant de remplir les objectifs ci-dessus sont les suivants:• Une ou plusieurs turbines à gaz
• Une ou plusieurs chaudières de récupération (HRSG)
• Une turbine à vapeur
• Deux ou plusieurs alternateurs
• Un circuit eau/vapeur
• Équipements des systèmes auxiliaires de la centrale
• Équipements de commande, de surveillance et de protection
Le processus commence quand la turbine à gaz est mise en service.• La turbine à gaz fonctionne sur une chambre de combustion à allumage au
combustible qui se mélange avec l’air de décharge du compresseur.
• Le gaz de combustion chaud qui en résulte est dilaté quand il s’écoule à traversla turbine, entraînant la rotation de l’arbre.
• Le rotor de la turbine à gaz est raccordé au rotor de l’alternateur soitdirectement, soit par un réducteur de vitesse.
• L’alternateur convertit l’énergie mécanique en énergie électrique qui esttransmise à la ligne électrique HT.
La température du gaz d’échappement est encore élevée quand il quitte la turbine.• Si la turbine à gaz fonctionne en cycle simple, cette énergie thermique est
déchargée dans l’atmosphère et donc perdue.
• Cependant, si la turbine à gaz fonctionne en cycle combiné, le flux de gazd’échappement est dirigé dans une HRSG. L’énergie thermique du gazd’échappement est alors transférée dans l’eau et dans la vapeur.
L’HRSG relie ainsi le processus de la turbine à gaz et le circuit eau/vapeur.
Quand la vapeur est à la pression et à la température spécifiées, elle est acheminéejusqu’à la turbine à vapeur où elle se dilate à travers la turbine. Sa puissance
mécanique est transmise par l’arbre à l’alternateur et y est convertie en puissanceélectrique.
La vapeur d’échappement est dirigée dans un condenseur où elle est refroidie estse transforme en eau nommée condensat. Le condensat est ensuite acheminé dansle réservoir d’eau alimentaire. Le condensat y est• désaéré avec de la vapeur• préchauffé• stocké pour alimenter l’HRSG.L’eau est ensuite pressurisée par la pompe à eau alimentaire et circule à nouveau à
travers l’HRSG.
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Aperçu de la centrale électriqueà cycle combiné
Aperçu et introduction (À arbre simple et à arbres multiples)
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Aperçu et introduction
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ABCD
Disposition à un arbre
G
HRSG
Economiseur basse pression
Economiseur pression intermédiaire
Surchauffeur pression intermédiaire
Evaporateur haute pression
Surchauffeur hautepression et
resurchauffeur pression intermédiaire
Economiseur haute pression
Evaporateur basse pression
Evaporateur pression intermédiaire
Gaz naturel
Chambrede combustion
Turbineà gaz
Préchauffeur gaz combustible
Alternateur Compresseur
BP Ballon de vapeur
Pompe de circulationd’eau basse pression
Pompe de circulationd’eau pression intermédiaire
Pompe de circulationd’eau haute pression
Vanne de régulation d’eau alimentaire
PI Ballon de vapeur
HP Ballon de vapeur
Dégazeur réservoir d’eau alimentaire
Pompe à eaualimentaire HP
Pompe d’eaualimentaireBP/PI
Chaudière de récupération
Tv
Embrayage SSS
Figure 4.2: Aperçu du processus d’une centrale électrique à cycle combiné (à un arbre multiple) (type)
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Aperçu et introduction (À arbre simple et à arbres multiples)
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ABCD
Disposition à un arbre (suite)
Les composants principaux d’une centrale électrique à cycle combiné à un arbre
permettant de remplir les objectifs sont les suivants:• Une turbine à gaz
• Un alternateur
• Une turbine à vapeur
• Un embrayage autocommutable synchrone (SSS)
• Le circuit eau/vapeur composé des éléments principaux suivants:• une chaudière de récupération (HRSG)• un condenseur de vapeur• une ou plusieurs pompes d’extraction des condensats• un réservoir d’eau alimentaire avec dégazeur• une ou plusieurs pompes à eau alimentaire
• Équipements des systèmes auxiliaires de la centrale
• Équipements de commande, de surveillance et de protection
La centrale électrique à cycle combiné à un arbre fonctionne de la même manièreque la disposition à arbres multiples.La différence la plus importante est l’utilisation de l’embrayage SSS installé entrel’alternateur et la turbine à vapeur. L’embrayage SSS permet d’accélérer la turbineà gaz et, plus tard, la turbine à vapeur, indépendamment l’une de l’autre.L’embrayage SSS s’engage automatiquement uniquement lorsque la turbine à
vapeur dépasse la vitesse de rotation de l’alternateur.
L’embrayage SSS:
• S’engage automatiquement dès que le couple de l’arbre de la turbine à vapeurdevient positif; ceci est le cas dès que la vitesse de rotation de la turbine àvapeur dépasse celle de l’alternateur.
• Se désengage automatiquement dès que (après un arrêt) le couple de l’arbrede la turbine à vapeur devient négatif.
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Aperçu et introduction (À arbre simple et à arbres multiples)
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ABCD
Centrale électrique à cycle combiné pour la production dechaleur et d’électricitéDisposition à arbres multiples
CSXA400187.cdr
Gaz naturel(gasoil)
Gaz brûlés
Entrée d’air
100 °C
Chaudièrede
récupérationvapeur (HRSB)
500 °C
Electricité
Alternateur Turbine à gaz
Electricité
Alternateur
Condenseur
Vapeur
Turbineà vapeur
Condenseur chauffage
Eau de refroidissement
Eau alimentaire
Système de chauffage d’îlot
Figure 5.1: Centrale électrique à cycle combiné pour la production de chaleur et d’électricité etdisposition à arbres multiples (type)
(suite page suivante)
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Aperçu de la centrale électriqueà cycle combiné
Aperçu et introduction (À arbre simple et à arbres multiples)
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ABCD
Disposition à arbres multiples (suite)
L’objectif d’une centrale électrique à cycle combiné pour la production combinée de
chaleur et d’électricité (Combined Heat and Electricity – CHE) avec une dispositionà arbres multiples est de fournir simultanément:
• De la vapeur et
• de l’électricité
Ce processus est connu sous le nom de production CHE.Les composants principaux d’une centrale électrique à cycle combiné à arbresmultiples pour la production CHE permettant de remplir les objectifs ci-dessus sontles suivants:
• Une ou plusieurs turbines à gaz
• Une ou plusieurs HRSG
• Une turbine à vapeur
• Deux ou plusieurs alternateurs
• Un condensateur
• Un circuit eau/vapeur
• Équipements des systèmes auxiliaires de la centrale
• Équipements de commande, de surveillance et de protection
Toutes les descriptions précédentes s’appliquent à ce type de centrale électrique àcycle combiné ainsi que les explications suivantes:
• L’alimentation en chaleur se fait normalement par l’intermédiaire d’un des deuxcaloporteurs que sont la vapeur et l’eau.
• La vapeur est normalement extraite à certains étages de la turbine à vapeur.Cette vapeur peut ensuite être utilisée directement pour le chauffage ou peutêtre utilisée indirectement pour le chauffage à travers un échangeur de chaleuradapté.
• En fonction de la demande en chaleur, la production de cette forme d’énergiepeut être complètement interrompue. Dans ce cas, l’installation à cycle combinéfonctionne uniquement pour fournir de l’électricité.
(suite page suivante)
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Disposition à arbres multiples (suite)
Dégazeur réservoir d’eaualimentaire
Pompeà eaualimentairechaudière
Consommateur de chaleur
Condensat
Pompesd’extraction descondensats
Pompedecirculation
Système de chauffage d’îlot
T Alternateur
PompedecirculationCW
Eau de refroidissement (CW)
SSSe(E
CHCo(P
Entrée d’air
G
Electricité
Figure 5.2: Centrale de production CHE (type)
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Aperçu et introduction ABCD
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Une alternative intéressante est la disposition d’une centrale électrique à cycle
combiné pour la production CHE qui n’est pas équipée de turbine à vapeur dans lecircuit eau/vapeur.
• La chaleur provenant de l’HRSG est alors utilisée directement pour desprocessus industriels comme:• les centrales pétrochimiques• les usines de dessalement d’eau de mer• le chauffage d’îlot, etc.
• Normalement dans ce cas l’HRSG est équipée de brûleurs supplémentaires surla conduite d’entrée pour assurer l’alimentation en chaleur si le groupealternateur de turbine à gaz est hors service.
Disposition à arbres multiples (suite)
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Entrée d’air
Gas na(gaso
Turbine Alternateur EmbrayageSSS
Electricité
Condenseur principal
CWcirculatingpump
Eau de refroidissement (CW)
Condenseur chauffage
Pompesd’extractiondes condensats
Système dechauffage d’îlot
Vapeur
Turbineà vapeur
Dégazeur réservoir d’eaualimentaire
Pompe à eaualimentairechaudière
SSS:Self Sy(Embra
Condensat
Figure 5.3: Centrale électrique à cycle combiné pour la production de chaleur et d’électricité et disposition à un arb
Aperçu d’une centrale électrique à cycle combiné pour la production Disposition à un arbre
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Aperçu de la centraleà cy
Aperçu et introduction (À arbre simple et à arbres multiples)
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Toutes les descriptions précédentes s’appliquent à ce type de centrale électrique àcycle combiné ainsi que les explications suivantes:
• L’alimentation en chaleur se fait normalement par l’intermédiaire d’un des deuxcaloporteurs que sont la vapeur et l’eau.
• La vapeur est normalement extraite à certains étages de la turbine à vapeur.Cette vapeur peut ensuite être utilisée directement pour le chauffage ou peutêtre utilisée indirectement pour le chauffage à travers un échangeur de chaleuradapté.• en fonction de la demande en chaleur, la production de cette forme
d’énergie peut être complètement interrompue. Dans ce cas, l’installation àcycle combiné fonctionne uniquement pour fournir de l’électricité
L’objectif d’une centrale électrique à cycle combiné pour la production CHE avec
une disposition à un arbre est de fournir simultanément:• De la vapeur et
• de l’électricité.
Ce processus est connu sous le nom de production CHE.Les composants principaux d’une centrale électrique à cycle combiné à un arbrepour la production CHE permettant de remplir les objectifs ci-dessus sont lessuivants:
• Une turbine à gaz
• Un alternateur
• Une turbine à vapeur
• Un embrayage autocommutable synchrone (SSS)
• Le circuit eau/vapeur est des éléments principaux suivants:• une chaudière de récupération (HRSG)• une turbine à vapeur• un condenseur de vapeur• un condenseur de chaleur• une ou plusieurs pompes d’extraction des condensats• un réservoir d’eau alimentaire avec dégazeur• une ou plusieurs pompes à eau alimentaire
• Équipements des systèmes auxiliaires de la centrale
• Équipements de commande, de surveillance et de protection
Disposition à un arbre (suite)
électriquecle combiné
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Aperçu de la centrale électriqueà cycle combiné
Aperçu et introduction (À arbre simple et à arbres multiples)
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Importance des systèmes de commande automatisésLes centrales électriques actuelles sont complexes et fonctionnent à des rendementstrès élevés grâce à la conception sophistiquée des équipements utilisés.
• Pour atteintes ces niveaux élevés de rendement et de fiabilité, les systèmes decommande automatisés se sont imposés dans ce domaine.• les systèmes de protection et de commande principaux d’Alstom sont
brièvement décrits ci-dessous• des détails supplémentaires sont disponibles dans les modules de formation
relatifs à la turbine à gaz et à la turbine à vapeur.
Systèmes de commande et de protection
(suite page suivante)
4 1 3
2
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10
11
8
9
7
12
IHM
REGULATEURBOP
CONTROLE DE GENERATION
AUTOMATIQUE
IHM
REGULA(régulation
boucle
Equipement BOP comme:
- Eau de refroidissementprincipale
- Système de nettoyage tubede condenseur principal
- Tours de refroidissement- Système fermé d’eau de
refroidissement- Système d’eau de pluie- Usine de dessalement- Poste de traitement des
eaux- Système des eaux usées- Système d’alimentation en
gaz combustible- Système d’alimentation en
gasoil
1: Compresseur d’air 2: Chambre de combustion3: Turbine à gaz4: Alternateur 5: Clapet ou dérivation de gaz
d’échappement6: Haudière de récupération
vapeur
7: Turbine à8: Condenseur 9: Pompe
condensat10: Dégazeur
alimentaire11: Pompe à
chaudière12: Allumage supplémentaire
SEQUENCEUR TV(régulation en
boucle ouverte)
REGULATION HRSG(
)régulation en boucleouverte et fermée
REGULATEUR A BOUCLEFERMEE TV
(régulation enboucle fermée)
TION TGen
ouverte etfermée)
DIVERS(circuit eau/vapeur)
vapeur
d’extraction desset réservoir d’eau
eau alimentaire
Remarque:Pour des raisons de simplicité, uneseule ligne est représentée pour:- L’échange d’informations- Les commandes- Les informations de retour
IHM: Interface homme-machineSignal d’échanged’informationSignal d’activationSignal de retour
BOP: Balance of plant(Systèmes auxiliaires de lacentrale)(
CSXA403478.cdr
Figure 6: Schéma de base de la commande d’une centrale électrique à cycle combiné (type)
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Systèmes de commande et de protection (suite)
EGATROL, ELECTRONIC GAS TURBINE CONTROL
(Régulation électronique de turbine à gaz)• Est le nom déposé du régulateur de turbine à gaz électronique.
• Inclut un programme de séquençage qui démarre, „charge“ et arrêteautomatiquement le groupe turbine à gaz et ses auxiliaires dans le respect deslimites de protection d’Alstom.
• Régule le groupe turbine à gaz pendant le fonctionnement en actionnant lesvannes de régulation en fonction de la puissance électrique de sortie requise.
• Comprend une interface homme-machine (IHM):• pour recevoir des données du processus• pour influencer le processus
• Active le système de sécurité• ce dernier, lorsqu’il est activé, protège le groupe turbine à gaz des
endommagements en faisant passer les vannes d’isolement et de régulationde combustible en position fermée.
• ceci à pour effet immédiat:• d’arrêter le flux de combustible à travers les chambres de combustion• d’interrompre le processus de combustion• d’arrêter le groupe turbo-alternateur
TURBOTROL, STEAM TURBINE CLOSED LOOP CONTROL(Régulateur en boucle fermée de turbine à vapeur)
• Est le nom déposé du régulateur en boucle fermée de turbine à vapeur• permet de commander et de réguler les turbines à vapeur
• Remplit sa fonction en déplaçant les vannes de régulation de vapeur• ces dernières régulent le flux de vapeur à travers la turbine conformément
aux exigences du système
• Active le système de sécurité• ce dernier, lorsqu’il est activé, protège le groupe turbine à vapeur des
endommagements en faisant passer les vannes d’isolement et de régulationde vapeur en position fermée
• ceci interrompt immédiatement le flux de vapeur dans la turbine
TURBOMAT, STEAM TURBINE SEQUENCER(Séquenceur de turbine à vapeur)
• Est le nom déposé du séquenceur du groupe turbine à vapeur.
• Est un équipement optionnel.
• Si disponible, est utilisé pour démarrer, „charger“ et arrêter automatiquement legroupe turbine à vapeur et ses auxiliaires dans le respect des limites d’Alstom.
(suite page suivante)
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Systèmes de commande et de protection (suite)
COMMANDE D’EXCITATION
• Est le système d’excitation des alternateurs.• Comprend une pièce principale: le régulateur automatique de tension (AVR).
Ce dernier:• maintient la tension de sortie de l’alternateur à une valeur constante• influence l’excitatrice et ainsi le courant électrique à travers les enroulements
du champ magnétique
• A un régulateur de courant de champ (FCR) manuel de secours. Ce dernier:• remplit la même tâche mais nécessite une commande manuelle de
l’opérateur• ajuste la puissance de sortie électrique de l’alternateur exprimée en unités de
réactivité voltampère (V·A r)
COMMANDE DE SYNCHRONISATION
• Est le synchroniseur des groupes turbo-alternateurs• peut être utilisé automatiquement ou manuellement
• Interagit avec:• les régulateurs des turbines à gaz et à vapeur• la commande d’excitation
• Fait correspondre les paramètres suivants des alternateurs et du réseau:• la tension de sortie•
la fréquence• l’ordre des phasesQuand la synchronisation est terminée, le disjoncteur de couplage se ferme.
PROTECTION DE L’ALTERNATEURLe système de protection de l’alternateur:
• Protège l’alternateur et l’équipement associé des conditions de fonctionnementanormales. Quand l’équipement de protection détecte une panne:• le disjoncteur de couplage est ouvert• les vannes de régulation de gaz ou de vapeur passent en position fermée
• GSX, REG, etc. sont des exemples de systèmes de protection utilisés.(suite page suivante)
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Systèmes de commande et de protection (suite)
RÉGULATION DE L’HRSG
Chaque HRSG a plusieurs groupes de fonction et entraînement.La régulation de l’HRSG:
• Inclut un régulateur de chaudière.
• Coordonne différentes fonctions de commande de l’HRSG comme:• le démarrage• la mise à l’arrêt• les régulations en boucle ouverte• cette coordination est effectuée dans le respect des régulations en boucle
ouverte des groupes de turbines à gaz et à vapeur
• Régule pendant le fonctionnement les régulations en boucle fermée du niveau
du tambour de l’HRSG.
Régulateurs diversLes autres régulateurs sont chargés de réguler les différents composants du circuiteau/vapeur comme:
• Le condenseur
• Les pompes d’extraction des condensats
• Le dégazeur
• Les pompes à eau alimentaire de chaudière
Régulateur des équipements de BOPBOP est l’abréviation de Balance Of Plant (Systèmes auxiliaires de la centrale).Pratiquement tous les équipements de BOP ont leur propre régulateur. Le conceptde régulateur des équipements de BOP est introduit pour indiquer que leursfonctions doivent être coordonnées.
AGC (AUTOMATIC GENERATION CONTROL)(Contrôle de génération automatique)L’AGC:
• Est le régulateur de centrale électrique surimposé.• Assure que chaque composant du processus de la CCPP est mis en service ou
hors service dans l’ordre prévu.
• Est également appelé UNITMASTER/BLOCKCONTROLER.
• Comprend plusieurs IHM:• pour recevoir des données du processus• pour influencer le processus
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Aperçu de la centrale électriqueà cycle combiné
Aperçu et introduction (À arbre simple et à arbres multiples)
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ABCD
QCM permettant de vérifier la progression de l’apprentissage
Généralités Les points suivants sont importants et doivent être pris en compte:• Le manuel de formation peut être utilisé (livre ouvert), mais il est conseillé
d’essayer de trouver les réponses sans chercher dans le manuel dans unpremier temps.
• Cocher la case devant chaque réponse correcte.
• Plusieurs propositions peuvent être correctes.Utiliser cette section pour vérifier la progression de l’apprentissage! Revoir les sujetsqui n’ont pas été assimilés.
Questions:
Question 01:Quel est l’objectif principal de la chaudière de récupération (HRSG)dans une centrale électrique à cycle combiné (CCPP)?
A Produire de l’eau dessalée et potable
B Convertir de l’énergie thermique en vapeur sous pression
C Produire de la vapeur sur un ou plusieurs niveaux de pression utilisésdans une turbine à vapeur ou dans des applications industrielles
D Refroidir les auxiliaires (huile de graissage, alternateur, etc.) par ladilatation de la vapeur
Question 02: Quel est l’objectif principal du condenseur dans une CCPP?
A Préchauffer le gaz combustible/gasoil afin d’augmenter le rendementgénéral de la centrale
B Transformer la vapeur en eau en augmentant la pression lors de sonpassage dans le condenseur
C Transformer la vapeur en eau en réduisant la chaleur lors de sonpassage dans le condenseur
D Resurchauffer la vapeur d’échappement avec le gaz d’échappementprovenant de la turbine à gaz
(suite page suivante)
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Aperçu de la centrale électriqueà cycle combiné
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Questions (suite):
Question 03: A l’intérieur de l’HRSG, la pression du gaz d’échappement est:
A Environ à la même pression que la pression ambiante
B Environ à 0,1 bara
C Proportionnelle à la sortie de charge de la turbine à gaz
Question 04: De l’eau à une pression de 80 bara bout à:
A 100 °C
B 275 K
C 275 °C
D 295 °C
Question 05:Quand de la vapeur d’échappement se trouve dans la turbine à vapeur, la vapeur est approximativement à:
A pabs = 1 bara, t = 100 °C
B pabs = 0,1 bara, t = 46 °C
C p = pression ambiante, t = 500 °C
D peffective = 100 bar, t = 315 °C
Question 06:Dans le circuit vapeur d’une CCPP, la pression de la vapeur provientde:
A La pression de refoulement des pompes à eau alimentaire
B Les réductions et étranglements dans la tuyauterie de l’échangeur dechaleur de l’évaporateur
C La pression de refoulement des pompes d’extraction des condensats
D La dilatation de la vapeur après évaporation (volume de la vapeursupérieur au volume de l’eau)
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ABCD
Questions (suite):
Question 07: Dans les alternateurs d’une CCPP:
A L’énergie électrique est fournie à la ligne électrique haute tension par lesbalais
B Le stator est conçu pour être utilisé comme un aimant
C La tension aux bornes est identique à la tension de la ligne électrique HT
D Le rotor est conçu pour être utilisé comme un aimant
E Les enroulements statoriques sont directement refroidis pour l’eau decirculation
Question 08: La sortie de charge de la turbine à gaz est régulée par:
A La vitesse de rotation de la turbine
B Le système d’excitation
C La combinaison du débit massique du gaz d’échappement à travers laturbine et des températures avant et après la turbine
Question 09:En cas de panne dans la turbine à vapeur, la vapeur provenant del’HRSG:
A Est recirculée directement dans l’HRSG
B Est envoyée dans un réservoir rempli d’air
C Est refroidie/condensée par injection d’eau, le condensat est directementconduit dans le réservoir d’eau alimentaire
D Est refroidie/condensée par injection d’eau, le condensat est directementconduit dans le condenseur
E Est expulsée dans l’atmosphère
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Questions (suite):
Question 10: L’énergie:
A Peut être convertie en une autre forme d’énergie (directement ou aprèsplusieurs étapes)
B Peut être utilisées techniquement uniquement après au moins uneconversion
C Peut être ressentie (par les être humains) uniquement sous forme depression, d’énergie cinétique ou d’énergie potentielle
D Ne peut pas être convertie en une autre forme d’énergie uniquement enpassant par l’énergie mécanique
E Pas être stockée
Question 11: Une CCPP à arbres multiples comprend:
A Un seul alternateur
B Au moins deux alternateurs
C Toujours un réducteur de vitesse
D Jamais de cheminée de dérivation
Question 12:Le transformateur élévateur dans la section de turbine à gaz est utilisépour:
A Augmenter la tension dans les bornes de l’alternateur (pendant lefonctionnement en charge)
B Réduire la tension dans les bornes de l’alternateur (pendant le
fonctionnement en charge)
C Faire correspondre la fréquence de l’alternateur et la fréquence de laligne électrique haute tension
D Mesurer uniquement la puissance électrique fournie par la ligneélectrique HT
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Questions (suite):
Question 13: En cas de CCPP à un arbre:
A La TG et la TV démarrent simultanément
B La TG démarre en premier, suivie de la TV
C L’alternateur est synchronisé uniquement quand la TG et la TV ont atteintla vitesse nominale
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Solutions du QCM du cours
Les réponses correctes pour chaque question sont les suivantes:01: C02: C03: A 04: D05: B06: A 07: D08: C
09: D10: A 11: B12: A 13: B
Résumé
Cette section décrit les composants utilisés pour fournir de la puissance électriqueen utilisant des centrales électriques à turbines à gaz et à vapeur modernes.Elle comprend des informations sur le processus et explique comment elles sontreliées afin de permettre un fonctionnement à un rendement supérieur. Ceci seproduit dans une centrale électrique à cycle combiné. Cette disposition fournit soitde la puissance électrique uniquement, soit simultanément de la puissanceélectrique et de l’énergie thermique.
Pour vérifier que les sujets abordés ont bien été compris, reprendre la liste desobjectifs du module point par point.
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