Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 1B 1 250 8 - 1991Production dnergie lectrique partir des combustibles fossilespar Claude BOLARDIngnieur de lInstitut National des Sciences Appliques de LyonChef de Dpartement tudes GEC ALSTHOM, Division des Centrales nergtiqueset Jean-Pierre METZIngnieur de lInstitut National des Sciences Appliques de LyonChef de projet GEC ALSTHOM, Division des Centrales nergtiquesanslespaysindustrialiss,lnergielectriquedistribuesurlensembledu territoire aux consommateurs industriels ou domestiques est produite partir de trois sources dnergie primaire : les chutes deau hautes ou basses qui produisent de llectricit bas prixmalgrlalourdeurdelinvestissementdedpart,carlnergieprimaireelle-mme est gratuite ; lescentralesbrlantdescombustiblesfossiles,telsquelefuellourd,lecharbonetlegaznaturel,dontlimportationgrvefortementlecotdukilowattheure ; lescentralesutilisantlnergienuclairedutype,parexemple,racteureau pressurise et fournissant un kilowattheure un cot intermdiaire.Dans de nombreux pays du monde disposant dans leur sous-sol de rservesimportantesdecharbon,defueloudegaz,laproductiondlectricitrestetoujours assure, en premier lieu, par les centrales hydrolectriques lorsque lahouilleblancheestprsenteet,ensecondlieu,parlescentralesbrlantdescombustibles fossiles.Lobjet de cet article est de prsenter les principaux aspects techniques de cesderniresenneconsidrantquelecasdes unitsdepuissancelectrique1. Choix de base............................................................................................ B 1 250 - 22. Centrale thermique classique vapeur ............................................. 32.1 Description des principaux systmes ........................................................ 32.2 Installation.................................................................................................... 122.3 Fonctionnement gnral ............................................................................. 133. Centrale cycle combin ...................................................................... 163.1 Cycle combin.............................................................................................. 163.2 Principaux systmes du cycle combin..................................................... 193.3 Description des composants ...................................................................... 223.4 Installation.................................................................................................... 223.5 Fonctionnement gnral ............................................................................. 223.6 Performances............................................................................................... 234. Systmes auxiliaires de la centrale .................................................... 244.1 Systmes de prparation et de manutention des combustibles............. 244.2 Systmes dvacuation des suies, cendres et mchefers........................ 244.3 Systmes deau dappoint et de conditionnement du cycle.................... 255. Tendances futures ................................................................................... 26D PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 2 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtiqueleve(suprieure100 MW)etassurantuneproductioncontinuednergieditedebaseoudesemi-base.IlneseradoncpastraiticidescentralesquipesdemoteursDieseloudeturbinesgazseulesquisecaractrisentpardespuissancesmodresetparleuraptitudejouerlerledecentralesdepointe,cest--direfairefacedesdemandesdnergiedecourte dure.tantdonnlampleurdusujet,larticleestcentrsurlapuissancede 300 MWquiestlaplusfrquemmentretenuesurlesrseauxlec-triquesmondiaux.Sontprsentslesdeuxtypesdecentralesqui,dansledomaine considr, sont actuellement construites dans le monde, les centralesvapeuretlescentralescyclecombin,enretenantdanslepremiercaslecyclesimpleresurchauffe,quiestleplusrpandu,etenillustrantlesecondcas par lassociation de deux turbines gaz et dune turbine vapeur.En ne dcrivant, dans les deux cas, quune seule centrale prise comme exemple,les auteurs ont eu pour propos de mieux prciser les ides sans rien perdre engnralit, car les solutions techniques prsentes sappliquent un trs largedomaine de puissance. Elles sont reprsentatives de la doctrine que lingnieriefranaise sest forge aprs des dcennies dexprience et garantes des qualitsque les producteurs dnergie attendent de leurscentrales.1. Choix de baseLa dcision de construire une centrale lectrique requiert, en toutpremierlieu,uneanalyseportantessentiellementsurlestroisaspects fondamentaux suivants, le choix des paramtres techniquesnintervenantquensecondlieu.I Besoins du rseau lectrique moyen et long termeLesbesoinsdunrseaulectriquenationalsontgnralementexprims sous forme dune courbe monotone (gure 1) qui permetdedistinguertroistypesdebesoins : les besoins permanents du rseau, indpendants des saisons,soit8 760 h(zoneA) ; lesbesoinsquisemanifestentsurunedureannuellede2 0003 000 h(zoneB) ; lesbesoinsquisemanifestentsurunedureannuellerelati-vementcourte,moinsde500 h(zoneC).Les besoins permanents doivent imprativement tre satisfaits pardesinstallationsditesdebasefournissantunenergieaucotleplus bas possible alors que les installations rpondant la demandedepointe(zoneC)doiventtreconuespouruninvestissementallg mais fournissant, en contrepartie, un kilowattheure plus cher.En outre, la connaissance de lvolution des besoins moyen etlongtermepermetdexerlobjectifdelacentraledanslediagrammedesbesoinsaudbutdesa carrire ,pendantsamaturitetlandesa carrire .Ainsi,ilestpossibledexerlenombredheuresdeserviceattendudecetteinstallationdurantsavieactive.I Combustible disponibleLorsque le pays dispose de ressources nergtiques, il utilise lecombustiblenationalpouralimenterlescentraleslectriques.Mme lorsque ce combustible possde un pouvoir calorique trsfaible, il reste intressant de lutiliser sur place plutt que dimporteruncombustibleplusriche.Unpayssansressourcesnergtiquespropresestconduitrecourir limportation dun combustible, gnralement de bonnequalit, pour limiter la noria de ptroliers ou de navires charbonniersainsiquelacapacitdesinstallationsdestockage.I SitesPlusieurs critres interviennent dans le choix du site qui abriteralafuturecentrale : laprsenceounonderessourcesnergtiquespropresaupays ; laconcentrationdunitsindustriellesetdezonesurbainesimportantes ; lesressourceseneauderfrigration.Enrglegnrale,ilapparatquelescentralesbrlantuncombustible national sont installes sur les bassins miniers et sontrfrigrespardestoursencircuitfermalorsquelescentralesbrlantuncombustibleimportsontinstallesenborddemeretsontrfrigresencircuitouvertparleaudemer.Figure 1 Courbe reprsentative des besoins du rseau lectrique exprims sur une priode dun an___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILESToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 3I Paramtres techniquesLes options de base tant arrtes (plan de charge de la centrale,combustible, source froide), il reste xer de nombreuses caract-ristiquestechniquestellesque : la puissance de la centrale qui dpend, en premier lieu, de lademande du rseau mais peut galement dpendre des ressourcesdubassinminierquirecevralacentrale ; letypedecentralethermique :centralecyclevapeur,centraledeturbinesgaz,centralecyclecombin ; latailledesunitsquidoitresterinfrieure10 %delapuissancetotaledurseau ; lerendementquiconditionne,dunepart,lahauteurdelinvestissementet,dautrepart,lesfraisdapprovisionnementducombustible.Lerendementdterminegalementcertainsparamtresessentielsdelinstallation,parexemple : lescaractristiquesducycle(pression,temprature,simplesurchauffe,simpleoudoubleresurchauffe,simpleoudoublepression pour les cycles combins), le nombre dtages du poste de rchauffage de leau alimen-taire (4 8), les dimensions de lchappement de la turbine vapeur et dessystmes de condensation et de rfrigration ; lesexigencesdedisponibilitdelacentraleetleschoixquienrsultent :matriaux,technologie,dimensionnement,redon-dance des quipements, amnagements facilitant les oprations dedmarrageetdemiselarrt,dispositionsfavorableslamaintenanceenserviceetlarrt ; lesdlaisdemisedisposition.Deuxcritresessentielsinterviennentdanslechoixdechaqueparamtre technique lors des tudes de conception dune centralethermique : le cot du kilowattheure produit pour les options dterminantlerendementdelacentrale ; lecotdukilowattheurederemplacementquipermetdejustifier, dabord, la dcision de construire une centrale plutt quedacheter cette nergie un pays voisin, mais aussi les options ayantuneincidencesurladisponibilitdelacentrale.Avantdedvelopperlatechnologieappliquelaconstructiondes centrales, soulignons quelques aspects fondamentaux qui sous-tendentsonvolution : en premier lieu, lutilisation de vapeur haute pression et hautetemprature, qui implique la matrise du comportement des acierssoumis aux effets conjugus du fluage et de la fatigue, ainsi que celledes phnomnes thermiques et mcaniques affectant des machinestournantes de dimensions mesures en dizaines de mtres alors quelaprcisiondelalignedarbressapprcieenmicromtres ; ensecondlieu,larechercheincessantedemeilleuresperfor-mances par laccroissement des caractristiques de la source chaudeassocilasophisticationdescyclesair-fumeseteau-vapeur ; enfin, lindispensable synergie qui prside la mise en uvrede trs nombreuses disciplines scientifiques et techniques dans desdomaines aussi varis que la thermodynamique, la combustion, lamcaniquedesfluides,llectricit,larsistancedesmatriaux,lachimie applique aux combustibles, la corrosion ou au traitementde leau, la mcanique des sols, le gnie civil, la climatologie, sansoublierlessciencesconomiquesetfinancires.2. Centrale thermique classique vapeurBien des tapes ont marqu lvolution des techniques mises enuvre dans les centrales vapeur, en rponse la recherche inces-santedemeilleuresperformances,depuissanceplusleve,dedisponibilitaccrue.Latechniquequenousdcrivonsdansceparagrapheestrepr-sentativedelexpriencedunegrandeentreprisedingnierienergtique qui a particip au dveloppement du rseau lectriquenationaletquia,ensuite,reulamissionderaliserdesdizainesde centrales thermiques sur tous les continents et de rpondre ainsiaux exigences les plus varies des producteurs dnergie et de leursingnieurs-conseils.Lemodle300 MWdcritreprsentele pointmoyen delaplupartdesrseauxlectriquesmondiauxetpermet,parsataille,de mettre en uvre des technologies avances. Le tableau suivantpermetdesituerlescaractristiquesprincipalesducycle300 MWpar rapport aux autres paliers de puissance gnralement retenus :(0)Lagure 2reprsentelamaquettedunecentraleconstituededeuxunitsde360 MW,construiteLuohuangenChinepourlalimentationdelagglomrationurbaineetindustrielledeChongqing dans le Sichuan. On peut distinguer au centre lensembledes deux units constitu des chaudires, des salles des machineset de la chemine. Sur le site, on distingue galement linstallationde stockage et de manutention du charbon, le systme de dsulfura-tiondesfumes,lastationdepompagedeaudecirculationainsique le poste lectrique pour lvacuation de lnergie produite parlacentrale.2.1 Description des principaux systmes2.1.1 ChaudireLachaudirereprsentantunepartprpondrantedanslinvestissementdunecentralethermique,saconceptionesttoujours adapte au combustible brler, en vue du meilleur choixtechnico-conomique.Ladiversitdescombustiblesbrler,lespolitiquesnergtiquestrsdpendantesducontextepolitiqueetconomique de chaque pays rendent difcile la standardisation deschaudires. Toutefois, en fonction de lexprience acquise, on peutmentionnertroistypesdechaudirescorrespondantauxtroiscatgories courantes de combustibles : fuel, charbon gras et lignite,dont les caractristiques principales sont donnes dans le tableau 1.Contrairement aux chaudires brlant du fuel ou du charbon debonne qualit, les chaudires brlant du lignite ou du charbon pauvrencessitent un foyer de grandes dimensions, tant donn les fortesquantits de fumes produites par la combustion. Les importantesdimensions du foyer sont mises prot pour utiliser des tubes defaiblediamtrequiprsententdexcellentescaractristiquesdchange thermique, compars des tubes plus gros. Par contre,du fait de leur perte relativement leve, ces tubes sont plus adaptslacirculationforcequlacirculationnaturelle.Aussiceschaudiressont-ellesgnralementhautepression(pressionefcace de 184 bar pour la vapeur surchauffe). Labsence de ballonet le faible diamtre des tubes dcrans confrent ces chaudiresune faible inertie qui autorise des variations de charges rapides etpermettent ladoption dune pression glissante ( 2.3.2) fonction delachargeaveclesavantagessuivants : amliorationdurendementauxchargespartielles ; rductiondescontraintesdepressionauxchargespartiellesdanslachaudireetlestuyauteriesprincipales.Paliers de puissance ...... (MW) 65 150 300 600Cycle de surchauffe (S)ou resurchauffe (R) ............... S R R RPression de la vapeursurchauffe..................... (bar)90 169 169 184Temprature de la vapeursurchauffeet resurchauffe .............. (oC) 510 542/542 542/542 542/542PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 4 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtiqueLastructureenformedetouresttrsintressantepourlescharbonspauvresoucendreuxcarellevitelacentrifugationdespoussires qui se produit dans les chaudires deux passages defumesenprovoquantunesgrgationdespoussiresetleurconcentrationdanscertaineszonesprivilgies.2.1.2 Groupe turboalternateur de 300MWNota : le lecteur pourra se reporter utilement larticle Turboalternateurs [D 3 530] dansle trait Gnie lectrique.I Pour chacune des deux frquences du rseau (50 ou 60 Hz), lesconstructeurs de turbines proposent un modle qui peut tre indif-fremment associ des chaudires circulation naturelle, assisteou force dans des cycles pression xe ou glissante.50 Hz,deuxconceptionsdeturbinesontgnralementdisponibles : lunetraditionnelle,olecorpshautepression(HP)etlecorpsmoyennepression(MP)sontindpendants ; lautreplusmoderne,ocesdeuxpartiessontassociesenoppositiondansunmmecorps,aveclavantagedunemachinepluscompacteetplusfacileentretenir.60 Hz,seulexistelemodlecorpsHP/MPcombincarlaturbine ncessite un nombre rduit dtages par rapport celle tour-nant3 000 tr/min,cequifacilitelassociationdesdeuxparties.Lagure 3montreleprincipedeconceptiondesdeuxmodles 50 Hz, le modle 60 Hz se rapprochant du modle 50 Hz corpsHP/MPcombin.Ellepermetgalementdapprcierlegainenencombrement (environ 3 m) offert par la machine du type combinpar rapport une machine traditionnelle corps HP et MP spars.On peut noter que certaines dispositions technologiques assurentune grande souplesse de fonctionnement et permettent de rduirelestempsdedmarragedelinstallationcomplte.Ellesvisentnotamment : assurerlalibredilatationdetouteslespartiessoumiseslatemprature ; rduire les contraintes thermiques tant en rgime permanentquependantlesfonctionnementstransitoiresenutilisant,parexemple,descorpsdoubleenveloppecomportantdesbridestroitesetenclimatisantlespartieschaudesparunecirculationinternedevapeur.Ladisponibilitduneturbineesttributairedesdispositionsprisespourenfaciliterlamaintenance,parexemple : lexistencesurlesstatorsdebrideshorizontalesqui,pardmontageetouverturedudemi-statorsuprieur,permettentlinspectiondespartiesinternessansdsaccouplerlesrotors ; lemploidedeuxpaliersparrotorfacilitantlaconstitutiondela ligne darbres et permettant la dpose dun rotor sans intervenirsurlescorpsvoisins.(0)Figure 2 Maquette de la centrale thermique classique vapeur de Luohuang en Chine : deux units de 360 MW___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILESToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 5I Lalternateur est directement entran par la turbine et fournitlnergie lectrique aux transformateurs lvateurs. Quelques parti-cularitstechniquesmarquantes,propresauxalternateursdeconstruction franaise, sont : le circuit magntique constitu de tles de faible paisseur etcristauxorients,offrantlesavantagesdunencombrementrduitdunoyauetdepertesfaibles ; lenroulement du stator compos de barres isoles suivant leprocdIsotenaxquiassurelafoislavantagedesperteslectriques trs rduites et une rsistance mcanique suprieure celledesautresprocdsdisolation ; lenroulement de linducteur du rotor directement refroidi pardelhydrogneamenpardescanauxaxiauxdisposssouslesencoches. La circulation du gaz seffectue radialement grce desfentespratiquessurlalongueurdescuivresetdesisolants ; lesystmedexcitationdiodestournantes,sansbalaisnipalier. Linduit polyphas de lexcitateur est mont en porte fauxsur le bout darbre de lalternateur et tourne dans lair. Ce systmedexcitation offre les avantages dune maintenance minime grce labsencedebalaisetdepalier,duneconstructioncompacteetduneperformancedynamiqueexcellente.Tableau 1 Caractristiques principales de trois chaudires au fuel, charbon gras et lignite CentraleAbu QirgypteJiangyouChineAghios DimitriosGrceType de combustible fuel charbon gras ligniteCycle de vapeur optimal169 bar542 oCpression fixe169 bar542 oCpression fixe184 bar542 oCpression glissanteCirculationnaturelle(chaudire ballon)naturelle(chaudire ballon)forceRglage de la tempraturede vapeur surchauffeinjection deaude dsurchauffedouble injection deaude dsurchauffeinjection deaude dsurchauffeRglage de la tempraturede vapeur resurchaufferecyclage des fumeset inclinaison des brleursinclinaison des brleursinjection deaude dsurchauffePrparation de combustible rchauffage 2 broyeurs tube-mill 8 broyeurs impactBrleurs16 brleurs inclinablesen 4 plans16 brleurs inclinablesen 4 plans16 brleurs installsen 8 pniches (2 par face)Circuit dair 2 ventilateurs de soufflage2 ventilateurs dair primaire2 ventilateursdair secondaireair primaire apportpar les broyeurs2 ventilateursdair secondaireCircuit des fumes 2 ventilateurs de recyclage 2 ventilateurs de tirage 2 ventilateurs de tirageConfiguration de la chaudirebox 2 passages de fumes tourPour les charbons pauvres en matires volatiles et riches en cendres qui ncessitent un temps de combustion important, on adopte une forme de chaudire dite en vote.Chaudire 2 votesPRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 6 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique2.1.3 Source froide2.1.3.1 CondensationLedimensionnementducondenseurestdterminantpourlaperformance du cycle. Le choix de la pression au condenseur rsultedunetudetechnico-conomiqueprenantencomptelasectiondchappement offerte par la ou les dernires roues basse pressionde la turbine, le cot capitalis du combustible et les cots dinves-tissementdesquipementsdelasourcefroide.Danslecasduncircuitouvert(cest--direrejetantaueuveoulamerleauderfrigration),lecondenseurestgnralementsimpleparcoursalorsque,danslecasduncircuitferm,ilestdoubleparcourspourlimiterledbitdeaudecirculationetdoncallgerlinvestis-sementdelatourderfrigration.Le choix des matriaux est un facteur essentiel pour la bonne tenueduncondenseuretdpenddelanaturedeleauderfrigration.(0)Lecondenseurestrelilaturbineparunemanchetterigidesoudelabotedchappement.Ilreposeengnralsurdesressorts permettant dabsorber les dilatations verticales. Toutefois,lorsque la pression dchappement est forte (rfrigration par toursche),labotedchappementdelaturbineesttrspetiteparrapport au condenseur et il est alors judicieux dintercaler un jointsoupleentrelaturbineetlecondenseurqui,danscecas,estxrigidementausol.Nota:lelecteursereporterautilementlarticleCondenseursparsurfacedanslescentrales thermiques [B 1 540] dans ce trait.2.1.3.2 Circuit deau de circulationLesprincipauxquipementsderfrigrationcomportentdeuxensembles grille ltrante et motopompe de circulation de capacitunitaire 50 %, reprsentant un dbit unitaire de 20 000 m3/ h environpourunetranchede300 MW.La ltration est assure par deux grilles constitues de panneauxltrantsdemaille4 mm 4 mmformantunechanemiseenmouvement de rotation sous leffet de la perte de charge qui carac-trise lencrassement des panneaux. Pour les circuits deau de mer,leslmentsactifsdeltrationsontralissenacierinoxydable.La pompe de circulation verticale du type forage. La roue est enforme dhlice axiale pour les faibles hauteurs manomtriques (inf-rieures ou gales 8 m) et hlicocentrifuge ou centrifuge pour leshauteurs manomtriques plus fortes. Pour les pompes fonctionnanten eau de mer, les matriaux utiliss doivent rsister lagressivitde leau : roue en bronze daluminium ou acier inoxydable, arbre enacier inoxydable, corps et pice daspiration en fonte graphite sph-rodalaunickel(23 %).Figure 3 Turbines resurchauffe de 300 MW : structures typesNature du circuit Eau de merEau douceet circuit fermTubes dchangeLaiton aluminium TitaneLaiton amirautTubes du rfrigrant dairCupronickel 70/30 TitaneCupronickel 70/30 Acier inoxydablePlaques tubulaires Bronze daluminium Acier A 42 ou E 26Botes eau Acier + Noprne Acier + peinture___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILESToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 7La station de pompage deau de circulation est un ouvrage dontla conception et les conditions de ralisation sont particulirementinuences par les caractristiques du site. La gure 4 sur laquelleest reprsente celle de la centrale de Luohuang, installe sur la rivedu Yang-Tse-Kiang, en est une bonne illustration. En effet, la varia-tionduniveaudeleaudansleeuve,pouvantatteindre30 maucoursdelanne,aimposuneconceptionenformedecylindre,leplanningderalisation(excavation,bton,etc.)tantimprati-vementliauniveaudeleaudueuve.Onpeutvoirlensembledes ouvrages et quipements concerns par le circuit deau de cir-culation depuis la prise deau immerge dans le lit du euve jusqulouvrage de rejet en traversant le siphon daspiration, le bassin derception, la station de pompage, le bassin de dcantation, la stationdeltration,lecondenseuretlesgaleriesderejet.Parailleursonpeut noter la prsence, inhabituelle dans ce genre dinstallation, duncircuit de trop-plein qui maintient un niveau constant dans le besoindedcantation,assurantainsiundbitconstantdeauderfrig-ration dans le condenseur indpendamment des variations de niveaudueuve.Lapropretducondenseurestgnralementassureparunsystme de nettoyage continu du faisceau avec injection de boulesdemoussedanslecoudedamenedeauaucondenseuretavecgrille de rcupration des boules la sortie du condenseur. Une injec-tiondesulfatedefer,pratiqueauplusprsdelentreducondenseur, permet dentretenir sur la surface interne des tubes unecoucheprotectricecontrelacorrosion.Uneinjectiondechlorelaspiration des pompes de circulation permet dviter la prolifrationdanimauxetdevgtauxmarinssurlesparoisdescircuits.2.1.4 Poste de rchauffage2.1.4.1 Rchauffage et dgazageLagure 5permetdecomparerlesschmasretenuspourlescentrales resurchauffe de 175, 330 et 600 MW. Avec laccroissementdelapuissanceapparaissentdestagesderchauffagesuppl-mentaires associs un dsurchauffeur, une pompe de rinjectiondescondensatset,en600 MW,leddoublementdeslesderchauffeurs. Pour une centrale de 330 MW, le poste de rchauffage,septtages,estralisenuneseulelecomprenantquatrerchauffeurs basse pression (BP), une bche alimentaire avec dga-zeur,deuxrchauffeursHPetundsurchauffeur.Les rchauffeurs BP sont horizontaux, plaques tubulaires et tubesen U ; ils sont entirement raliss en acier au carbone. Toutefois,pourlesrchauffeurstravaillantdanslazonedetemprature(130 150 oC)peufavorablelaformationetaumaintiendunecoucheprotectricedemagntite,leslmentsactifsdoiventtreralissenacierinoxydable.Les rchauffeurs HP sont plaques tubulaires et tubes en U ; ilssont disposs verticalement, bote eau en bas et dots dun circuitdecontournementuniquequipdevannestroisvoies.Cesdispositions sont trs favorables au comportement thermique de cesappareilsetdescircuitsdeaualimentaireassocis.Ledgazagedeleauesteffectudansunebchealimentairedgazante. Deux types de bche alimentaire dgazante courammentutiliss sont montrs sur la gure 6. Dans le premier type (gure 6a),leau dextraction est nement pulvrise dans le ciel de vapeur etcre une zone froide o se concentrent les gaz incondensables. Lerchauffage est assur, en marche normale, par une rampe injectantla vapeur soutire de la turbine dans la masse deau. Ce type de bchealimentaireoffrelavantagedunfaibleencombrementenhauteuretconvienttrsbienlorsquelleestinstalledanslasalledesmachines.Lesecondtype(gure 6b)estcaractrisparlasparationdesfonctions de dgazage et de rserve deau alimentaire, chacune tantralise dans une enceinte distincte. Ce type convient bien pour lescentralescirculationforceocertainsrgimestransitoiresinduisentdessollicitationssvresdanslabchealimentaire.2.1.4.2 Pompes principalesI Les pompes dextraction ont pour rle dextraire les condensatsducondenseur.Ellessontredondantes,installesen2les(2 100 % du dbit deau condense, cest--dire une pompe enserviceetunepompeensecours).Dufaitdeleursconditionsdaspiration (condensats temprature de saturation), les pompesdoivent respecter un NPSH requis faible (infrieur 4 mCE) pourviter un enfoncement de la premire roue daspiration plus de 8 mau-dessous du niveau des puits du condenseur.Figure 4 Ligne deau de circulation : exemple de la centrale de Luohuang en ChinePRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 8 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtiqueLorsquelacentraleestquipedunechaudirecirculationforce, il est ncessaire de partager la pompe dextraction en deuxparties (extraction et reprise) pour y intercaler le poste de traitementdes condensats, qui fonctionne alors sous une pression rduite (celledlivre par la partie extraction). Le dcouplage des fonctions extrac-tion et reprise peut tre assur par deux pompes verticales montessurlammelignedarbresetassociesdansunemmemachinedite reentry. Cette solution offre lavantage dune machine unique,plusmassivequedeuxmachinessparesetmoinssensibleauxvibrations. Toutefois, elle implique un gnie civil plus labor et unenvironnement de tuyauteries relativement compliqu. Par ailleurs,elle interdit le croisement dune pompe dextraction de la premireleaveclapompedereprisedelasecondele.Pourcesraisons,et en particulier pour la taille de 300 MW, la prfrence est donneauxpompesspares.I Les pompes alimentaires gurent parmi les auxiliaires essentielsdune centrale thermique tant par limportance de la fonction quellesremplissent (en gnral une chaudire ne supporte pas un manquedalimentation de plus de quelques dizaines de secondes selon sontype de circulation) que par le haut niveau technologique requis pourleur construction.Lenombreetlacapacitunitairedespompesalimentairessontdterminsenfonctiondescritrestelsquelapuissancedepompage,lerendement,laabilitetlecot.Cestpourquoilesystmeretenudpendengnraldelapuissanceunitairedelatranche et du type de chaudire. En simpliant, on peut rsumer lesdispositionslesplusfrquemmentadoptesdansletableauci-aprs : (0)Danslecasdunetranchede300 MW,lestroispompesalimen-taires(decapacitunitaire50 %)sontentranespardesmoteurslectriquesetdescoupleurs-variateursetsontgavespardespompesnourricires.Lapompealimentaireestduntypebarrelpull-out,structurepermettant le remplacement de lensemble des pices actives de lapompedansundlaide24 h.Unebonnestabilitdumobileestobtenueparladoptiondunrotoraussicourtquepossibleluiconfrant une rigidit maximale. Cette qualit est atteinte en utilisantunnombrerduitderouestournantvitesseleve,quipeutatteindre7 000 tr/min.Lapompeestentraneparuncoupleur-variateur qui permet dagir sur sa vitesse et de rgler ainsi le dbitdeaualimentaireappelparlachaudire.La pompe nourricire est dun type trs simple une seule roue,aspiration axiale et refoulement radial. Elle est entrane directementpar le moteur lectrique 1 500 ou 1 800 tr/min, vitesse relativementfaibletolrantunefaiblechargenettelaspiration.Une attention particulire doit tre accorde au trac de tous lescircuitsassociscespompes,notammentlatuyauteriedaspirationreliantlabchealimentairelapompenourricireetdont le parcours doit viter tout tronon horizontal an dchapperaurisquedecavitation.Puissancede la tranche ... (MW) 65 150 300 600Type de circulation de la chaudire :circulation naturelle (CN) ou circulation force (CF) CN CF/CN CF/CN CF/CNNombre de pompes et capacit unitaire.. 2 100 % 2 100 % 3 50 % 1 100 %+ (1 ou 2) 50 %Figure 5 Schmas des postes de rchauffagedes paliers 175, 330 et 600 MW___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILESToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 92.1.5 Circuits eau/ vapeur principauxDanslecasdescentralesresurchauffe,lesmatriauxslec-tionns pour raliser ces rseaux de tuyauteries sont indiqus dansletableausuivant : (0)LacierX 20 Cr Mo V 12-1offredemeilleurescaractristiquesdersistanceauuagequelacierTU 10 CD 9-10.Sonutilisationestdoncbienapproprieauxfortespressions.Lamiseenuvredecestuyauteriesrponddesrglesstrictesdeconceptionetdequalitdontlesprincipalessont : despointsfixesetdesguidagespourmatriserlesdplacements ; despentessignificativespourlestrononsnonverticaux ; uneralisationdespicesdeformeenlmentsforgs ; desraccordementsenpentedoucedecespicessurlestuyauteriespourviterlesconcentrationsdecontraintes ; uncontrlenondestructifvolumique100 %dessoudures.Cestuyauteries,bienqueconsidrescommedesquipementsstatiques,sontenralitfortementsollicitesdufaitdeleursconditions de service svres et de leur conguration qui les rendsensibles aux vibrations. Elles doivent faire lobjet dune surveillancergulire de la part de lexploitant, notamment en ce qui concerneltatdessupports,dontledrglagepeutmodiertotalementlasituationdescontraintescalculesaustadedelaconception.2.1.6 Systme de contournement de la turbineUn systme de contournement (by-pass) de la turbine permet lefonctionnementdelachaudireindpendammentdelaturbine.Ilestutilisdanstouslescasolachaudirenepeutadapterimmdiatement les caractristiques de la vapeur produite (pression,temprature, dbit) aux caractristiques de la vapeur demandes parla turbine. Dans tous ces cas (dmarrages et arrts de la centrale),lachaudiredbiteplusdevapeurquelaturbinenenncessite.Le contournement de la turbine sopre en deux stades, commemontr sur la gure 7. En premier lieu, le contournement du corpsHPestralisparune(oudeux)vanne(s)renvoyantlavapeursurchauffelentreduresurchauffeuraprsdtenteetdsurchauffe. En second lieu, le contournement des corps MP et BPestralisparune(oudeux)vanne(s)dedtenteassocie(s)undsurchauffeurincorporaucondenseur.Lacapacitdesquipementsdecontournementestfonctiondutypedechaudireetdutypedecombustible :(0)Lorsquilestdecapacit100 %,lecontournementHPestutiliscommesoupapedesretpourlespartieshautepressiondelachaudire.Cettedispositionnepeuttreappliqueaucontour-nementBPquidverselavapeurducondenseur.Figure 6 Bches alimentaires dgazantesCircuit Matriauxvapeur surchauffeTU 10 CD 9-10 (1)X 20 Cr Mo V 12-1 (2)vapeur resurchauffe TU 10 CD 9-10 (1)vapeur resurchaufferTS 48 CP (3)TS 15 D3 (3)eau alimentaire15 Ni Cu Mo (2)TU 48 (1)Selon normes(1) NF A 49-213.(2) DIN 17-175.(3) NF A 49-253.Type de chaudireChaudire ballonChaudire circulation forceDbit du contournement HP 25 30 % 70 100 %Dbit du contournement BP 30 40 % 40 70 %PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 10 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique2.1.7 quipements lectriquesLnergielectriqueproduiteparlalternateuresttransmiseautransformateur principal par un jeu de barres ininterrompues sousgaines. Les liaisons transformateur principal /poste extrieur HT sontquipes de disjoncteurs permettant disoler lalternateur du rseauextrieur. Le point neutre de lalternateur est mis la terre traversunersistancedelimitationdecourant.Enmarchenormale,unedrivationprisesurlejeudebarressousgainesalimentelesauxiliaires de tranche et gnraux en courant moyenne tension vialetransformateurdesoutirage.Audmarrageouensecours,lesauxiliaires sont aliments partir du rseau extrieur par un trans-formateurdedmarragequicomporteunsystmederglageencharge.Lesauxiliairesbassetensiondetranche(quisontceuxdontlapuissance unitaire est infrieure 160 kW) sont rpartis sur plusieurstableaux.Chaquetableauestalimentparuntransformateurabaisseur partir dun jeu de barres moyenne tension. Un groupelectrogne de secours, dmarrage automatique et arrt manuel,alimenteautomatiquementlesauxiliairesessentiels.Lescircuitsrgulationetinstrumentationsontalimentsencourantalternatifbassetensionfourniparunconvertisseur-onduleurcourantcontinu/courantalternatif(cc/ca)raccordaurseaucourantcontinudesauxiliairesdescurit.Uneautrealimentation est prvue partir du tableau basse tension des auxi-liairesgnrauxtraversuntransformateurmonophas.Certainsauxiliairessontalimentsencourantcontinu.Lesmoteurs de scurit (par exemple, moteur de la pompe de graissagedugroupeturboalternateur),lescircuitsdecommandedescontacteurs, disjoncteurs, contacteurs inverseurs des vannes moto-risesdetrancheainsiquelclairagedesecoursetlesauxiliairescommunssontalimentsen220 Vcc.Lerseau48 Vccfournitlatension de commande des quipements dautomatisme et la tensiondesignalisationetdalarme.Chacundecesdeuxrseauxestconstitudunebatterieetdunredresseur-chargeurthyristorsfonctionnantenbatterieottantequifournitlafoislecourantdutilisationetlecourantdentretiendelabatterie.Lagure 8montreleschmaunilairelectrique.2.1.8 Contrle-commande2.1.8.1 ObjectifsLes systmes de contrle-commande rassemblent lensemble desmoyens mis la disposition des oprateurs pour assurer la conduiteet la surveillance des quipements de la centrale en toute scurit.Ces systmes permettent de transmettre les ordres aux quipementsduprocdparlintermdiairedesystmesprogrammset,simultanment,decontrlerlexcutiondesordresdonns.Parailleurs, ils fournissent loprateur, tout instant, la connaissancedesgrandeurscaractrisantlefonctionnementdelinstallation.Figure 7 Systme de contournement dune turbine resurchauffe___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILESToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 11Lesobjectifsprincipauxrecherchsaustadedelaconceptiondesmoyensdecontrle-commandeconcernentessentiellement : lascuritaccruedeshommesetdesquipements ; lamliorationdeladisponibilitdesmoyensdeproduction ; larapiditdelarponsedynamiqueoprateur/procd ; lamiseladispositiondeloprateurdesinformationsacquisessousuneformetrsvoluepermettantleurutilisationimmdiateetsansinterprtation.Cesobjectifssontatteintsparlamiseenuvredesmoyenssuivants : quipements centraliss ou dcentraliss dautomatismes et decommandelogiquecomportantdesautomatesdactioncontrlantles actionneurs logiques et des automates dacquisition dinforma-tionslogiques ; quipementscentralissdergulationetdacquisitiondegrandeursphysiquesanalogiquescomportantdessystmesdergulationdesquipementsprincipauxainsiquedessystmesdemiseenformedessignauxdemesuredirigsverslesystmedetraitementcentralisdesinformations ; systme de traitement centralis des informations assurant uneprsentation optimale des informations acquises et les mettant ladisposition de loprateur pour la conduite immdiate de la centrale(traitement des alarmes, affichage des tableaux synoptiques, guideoprateur,suividesmesures)oupourlassisterdansuneanalysediffredecesparamtres(impressionsdalarmes,demesures,perturbographie,calculsdebilans,rendements,aidelamainte-nance,journauxpriodiques) ; ensemble des moyens de commande la disposition de lop-rateur regroups sur le pupitre de commande de la salle de contrle ; simulateurdeconduite,quiquelquefoisestassocilensembledecesquipementspourlaformationdesoprateurs.2.1.8.2 volution technologiqueAu cours des dernires dcennies, les divers quipements entrantdans les systmes de contrle-commande ont bnci de progrsparticulirementsensibles.Enralit,cettepriodeatjalonnepar trois paliers technologiques dont le tableau 2 donne une descri-ptionsuccincte.Enfait,lensembledesmoyensdecontrle-commandedunecentrale thermique moderne runit des lments appartenant cesdiffrentspaliersassociantdessystmesdetechnologietradition-nelledautresdetechnologietrsavance,parexemple : chanes de rgulation locales (sans intervention de loprateur)ralisesentechniquepneumatiqueouutilisantunetechnologielectroniquestatiquepourdesbouclesdelonguedistance ; automatesappartenantdessous-ensembleslectro-mcaniquesloignsdelasalledecontrletraitsenrelayagelectromagntiques ; automatismes logiques et systmes de rgulation des quipe-ments principaux centraliss dans le btiment lectrique et ralissenautomatesutilisantlesmicroprocesseursprogrammables ; commandesassociantlesclaviersetlescrans ; informationsapparaissantsurdescransettransformesengraphiques,bargraphs,tableaux,consignesloprateur ; bus de communication assurant linterface entre les automatesetlescommandes.(0)Figure 8 Schma unilaire lectriquede principe pour une centrale au charbon 2 360 MWPRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 12 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique2.1.8.3 Architecture gnraleLesystmedecontrle-commandeestgnralementstructurentroisniveauxhirarchiques : le premier niveau correspond aux automates qui ralisent lesactionsdecommandeindividuellesdesactionneursenbouclesouvertesoufermesainsiquelacquisitiondesinformations ; ledeuximeniveaucorrespondauxmoyensdeconduitedechaqueunitparlamiseenrelationdesautomatesdupremierniveauaveclesystmedetraitementdesinformationsaumoyendunbusdecommunicationredondant.Lesystmedetraitementdesinformationsassurelagestiondubusainsiquecelledelimageriedesclavierscrans ; le niveau suprieur est mis en uvre dans le cas de centralescomportant plusieurs units. Il fournit au chef de quart lensembledes informations ncessaires la gestion programme de lexploi-tation des tranches en termes de production et de maintenance. Lesinformations sont puises dans les systmes du deuxime niveau,vhicules par un bus simple et traites par ce systme ddi lasupervisionetlamaintenance.La gure 9 illustre cette organisation en trois niveaux greffs surlesdeuxprincipauxbusdecommunication.2.1.8.4 Salle de commande et salle de supervisionLesquipementsrunisdanslasalledecommandepermettentlaconduitedesunitslorsdesphasesdedmarrage/arrt,maisaussilorsquilsagitdematrisertoutesituationanormalegrcelaprsentationclaireetimmdiatedesalarmesetlapossibilitdaccsrapideetslectifauxvuesdeconduitencessaires.Cesquipementscomprennentgnralement : unpupitreagencentroispostesdecommande,chacundisposant de deux crans et dun clavier de commande. Ces postespermettent dassurer les dmarrages/arrts et la conduite normaledelinstallation ; un panneau de repli partir duquel loprateur peut intervenirsurlesfonctionsessentiellesencasdedfaillancedusystmedeconduite pour arrter la tranche concerne au moyen dorganes deconduitetraditionnelsetlamettreensituationdescurit ; despanneauxverticauxportantletableausynoptiquelectrique ainsi que les organes de commande lis la distributionlectrique ; des moyens dimpression comportant un vidocopieur associ lensemble des crans, des enregistreurs banaliss adressables partirdesclaviers,ainsiquedesmoyensdecommunication.Lasalledesupervisionabritelessystmesduniveausuprieur(gure 9).Elleestagencedansunstyleanaloguedufaitquellecomporte des quipements de mme nature mais en quantit plusrestreinte.La gure 10 offre une vue perspective dune salle de commandequipedeclaviersdecommandeetdcransdecontrle.Cettedispositionreprsentelatechnologielaplusavancedanscedomaine.2.2 Installationtitredexemple,lagure 11montrelimplantationtypiquedunbloc-usineconstitupardeuxunitsidentiquesde300 MWcomportant une chaudire ballon brlant du gaz. Les dispositionsrelativeschaudire-groupeturboalternateursontreconduitespartranslationduneunitverslautre.Lasalledesmachinesuniquepourlesdeuxunitspermetdimplanterlebtimentlectriqueentrelesdeuxchaudires.Tableau 2 volution technologique des principaux systmes Palier technologique Boucles de rgulation Automates logiquesTraitementdes informationsMoyensde commandeLiaisons1er palierpneumatique relayagelectromagntiqueindicateursenregistreurslampesboutons-poussoirs fil fil2e palierlectroniqueclassiquerelayage statiquematrices diodesindicateursenregistreurslampescransimprimanteminiaturisspupitres carroysfil fil3e paliermicroprocesseurs programmablesmicroprocesseurs programmablescranscopie dcranclavier bus de communicationFigure 9 Organisation gnrale du systme de contrle-commande dune centrale___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILESToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 13La chaudire reprsente est installe dans une structure mtal-lique outdoor. Les deux rchauffeurs dair rgnratifs et le dispositifde prchauffage de lair sont disposs larrire de la chaudire enaltitude, permettant ainsi linstallation au sol du ventilateur de recy-clage. Les deux ventilateurs de soufage sont installs derrire lesrchauffeursdair.Lasalledesmachinesestreprsentesurlagure 12avecungroupe turboalternateur du type corps HP/MP combin. Les rchauf-feurs BP sont horizontaux, les rchauffeurs BP 1 et 2 tant associsdanslemmecorpslogdanslamanchetteducondenseur.LesrchauffeursHPverticauxsontagencsenunelecontournableglobalement.Labchealimentaireestinstallesurleplancherdeservicejustelaplombdespompesalimentaires.Legroupeturboalternateurestsupportparunmassifmonoblocenbtonarm indpendant (niveau + 12 m). Lespace situ entre les poteauxdu massif sous le corps BP de la turbine est occup par le condenseur.Le btiment lectrique abrite tous les quipements lectriques etlasalledecontrlequiestdirectementaccessibleduniveaudexploitationdelasalledesmachines.Lestransformateursprincipauxetlestransformateursdesouti-ragesontinstallslextrieurdelasalledesmachines.2.3 Fonctionnement gnralNousnexamineronsiciquequelquesaspectscaractristiquesdesmodesdefonctionnementdescentralesresurchauffe.Figure 10 Perspective dune salle de commandedune technologie moderneFigure 11 Implantation typique dun bloc-usine comportant deux units de 300 MWPRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 14 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique2.3.1 Dmarrage de la turbine par le corps MPUndmarragepartirdeltatfroidcomportelestapessuivantes : conditionnement des circuits pralablement lallumage de lachaudire : remplissage des circuits et capacits, mise en service delarfrigrationducondenseuretdesauxiliaires,prchauffagedela bche alimentaire jusqu 130 oC, mise sous vide du condenseur,miseenservicedesauxiliairesdelachaudire ; allumagedelachaudire,miseenservicedessystmesdecontournementHPetBP.LesystmedecontournementBPrgleunepressionamontde15 bar ; mise en service de la turbine : monte en vitesse de la turbinepar admission de vapeur au corps MP, rchauffage du corps HP parson chappement jusqu 150 oC environ, synchronisme et couplagedelalternateur ; prisedechargedelaturbineparlecorpsMPjusqulafermeture du contournement BP et ensuite par louverture du corpsHPjusquleffacementducontournementHP.Le dmarrage partir de ltat chaud procde du mme principemais simpli du fait que certaines oprations de conditionnementdes circuits ainsi que le rchauffage du corps HP de la turbine sontvits.Cetypededmarrageintervientaprsunarrtdecourtedure (8 h par exemple) pendant lequel la centrale a t maintenueltatdeveille.Lagure 13illustrecesdeuxcasdedmarrage.Ellemontreenparticulier que le temps ncessaire entre lallumage de la chaudireet lobtention de la pleine charge de 7 h pour un dmarrage partirdeltatfroidestramenmoinsde2 hpartirduntatchaud.Cetteprocdureestcomparercellepratiqueparcertainsconstructeurs trangers, en particulier allemands, et qui consiste lancer la turbine par admission de vapeur directement dans le corpsHP.Cetautremodededmarragecredesastreintessuppl-mentaires,apparaissantdansletableaudecomparaison 3.2.3.2 Fonctionnement pression glissanteCe mode de fonctionnement est gnralement appliqu dans lescentralesquicomportentunechaudirecirculationforce.Ilestcaractrisparuneouvertureconstanteetquasicompltedeladmissiondelaturbinequellequesoitlacharge.Enmarchenormale,lapuissancedelunitestrgleparactionsurlecombustibleadmislachaudire,laugmentationdelapuissancedechauffeayantpoureffetdaccrotrelaproductiondevapeuret,par consquent, la pression de vapeur en amont de la turbine et na-lementledbitadmisdanscettedernire.Le diagramme de la gure 14 illustre ce type de fonctionnementpourlespuissancessuprieuresauminimumtechniquedelachaudire (environ 35 % de la puissance nominale). En de de cettevaleur, la pression est maintenue constante, gale 75 bar pour lavapeursurchauffeet15 barpourlavapeurresurchauffe. LacourbeIreprsentelvolutiondelapressiondeservice. LacourbeIIreprsentelvolutiondupointcommandantlouverturedesdeuxsystmesdecontournementagissantenrgulation. LacourbeIIIreprsentelvolutiondupointdeconsigneducontournementHPdclenchantsonouvertureenscurit.(0)Figure 12 Salle des machines dune centrale de 330 MW___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILESToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 15Figure 13 Courbes de dmarrage partir de ltat froid ou chaudpour une centrale au charbon de 330 MW( circulation naturelle)PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 16 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtiqueCemodedefonctionnementprsenteledoubleavantagedamliorerlerendementdelaturbineauxchargespartielles,lesorganesdadmissionHPtantouvertsengrand,etderduirelescontraintesdepressiondanslensemblegnrateurdevapeur.2.3.3 lotageLlotage, qui consiste rester en marche continue puissance pro-duitenulle,doitpouvoirtreralislorsquunincidentaffectelerseau lectrique. Le disjoncteur principal souvre et lalternateur estspardurseau.Toutefois,lalternateurdoitcontinuerdlivrerlnergiequisertlalimentationdesauxiliairesdelatranche.Lapuissancebrutepassedoncde1005 %.Lessystmesdecontournementsontautomatiquementmisenservice.Largulationdelaturbineragittrsrapidementpourisolerlecorps HP et le mettre sous vide an dviter son chauffement parbrassage.SeulslescorpsMPetBPproduisentencoredutravail.Ledbitdevapeurdemanddevient : nulpourlescorpsHP ; environ10 %dudbitnominalpourlescorpsMPetBP.Lexcs de vapeur produit par la chaudire peut tre trs importantoufaibleselonletypedecombustible.Lessystmesdecontournementvacuentalorsautomatiquementlavapeurexc-dentaireverslecondenseur.Unecentralecapabledeseplacerautomatiquementdanscettecongurationsetrouveprtereprendrelecontrledurseaulectriquedsquelincidentaprisn.Cestunequalittrsapprcielorsquelescentralesalimententdesrseauxfrquem-mentperturbs.3. Centrale cycle combinPour cette prsentation gnrale dune centrale cycle combin,nous avons retenu la ralisation dune centrale de 900 MW construitesur le site de Paka en Malaisie. Elle comporte trois blocs identiquesde 300 MW. La gure 15 montre le plan de masse ainsi quune vuede maquette de la centrale. On distingue les deux halls des turbines,ct mer le hall des turbines vapeur, ct poste haute tension lehall des turbines gaz. Les chaudires de rcupration sont installesentrecesdeuxbtiments.Lamiseenservicedestroisblocssestchelonnedemarsoctobre1986.3.1 Cycle combinIl sagit dun cycle combin classique sans postcombustion, deuxniveauxdepression(gure 16).Chaquebloccomportedeuxtur-bines gaz de 100 MW (environ), deux chaudires de rcuprationetuneturbinevapeurcondensationde100 MW(environ).Larfrigrationsefaitencircuitouvertsureaudemer.I Paramtres principaux et performancesPourunfonctionnementpleinechargedesturbinesgazetpourdestempraturesdairambiantde32 oCetdeaudemerde32 oC,lesparamtresetperformancesducyclesontregroupsdansletableausuivant : (0)Tableau 3 Comparaison dun dmarrage de la turbine par le corps MP ou par le corps HP Dmarrage par le corps MP par le corps HPOrganes dadmission Utilisation des organes MP seuls. Utilisation simultane des organes HP et MPncessitant une rgulation coordonne.Corps HP Peut tre prchauff avant la mise en service, peuttreaismentisoletreliauvidepourviterlchauffement par brassage de vapeur.Du fait du faible dbit de vapeur traversant le corpsHP,lapressionlchappementHPdoittreabaissemoinsde8 barpourviterlchauf-fement par brassage.Contournement BP Dimensionn pour une pression absolue de vapeurde 15 bar en amont.Ncessit dun contournement BP de large sectiondepassagedufaitdelafaiblepressionMP. 8bar ( )Figure 14 Diagramme de fonctionnement pression glissante Turbine gaz :Puissance aux bornes de lalternateur................ 95,43 MWChaudire de rcupration :Pression de vapeur............................HP 71 barBP 6,9 barTemprature de vapeur ...................HP 490 o CBP 193 o CTurbine vapeur :Puissance aux bornes de lalternateur................ 102,78 MWCondenseur :Pression................................................................. 95 mbarCycle combin :Puissance brute .................................................... 293,64 MWRendement brut.................................................... 46,86 % ___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 17 Figure 15 Maquette et plan de masse de la centrale cycle combin de Paka en Malaisie : trois blocs de 300 MW PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. B 1 250 18 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique I Choix des principaux paramtres du cycleLesdbitsettempraturesdesgazdchappementsontdesdonnes de construction de la turbine gaz . Par contre, les caract-ristiques de la partie vapeur sont choisies aprs une tude technico-conomique qui donne priorit la valorisation du rendement net(cest - - diredductionfaitedelapuissanceconsommeparlesauxiliaires).Leclientavaitxcettevalorisation2 MFparkcal /kWh,cest - - direquungaindeconsommationspciquenettede1 kcal /kWh autorisait une augmentation de linvestissement de 2 MF(surlabasedunetranchede300 MW). Figure 16 Schma multifonctionnel du cycle combin ___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 19 G Pression de vapeur Pourunemmechargethermiquedelachaudire(dtermineparledbitdesgazdchappementdelaturbinegazetleurtemprature), il faut trouver le couple de pression de vapeur (HP etBP)confrantauproduitdbitdevapeur chuteenthalpiqueunevaleur maximale aprs dduction du travail consomm par les auxi-liaires,notammentlespompesalimentaires.Cettetudemontreque,entre60et90 barpourlapressiondevapeurHP,lesproduitsdbit chuteenthalpiquesontconstants( 3 % prs). Pour faciliter la construction de la turbine vapeur, lecouple70 bar/ 7 baratretenu. G Temprature de vapeur HP Le rendement du cycle vapeur de rcupration est favoris parunetempraturedesurchauffeaussilevequepossible.Danslecas prsent, cette temprature a volontairement t limite 490 o C(lorsque la turbine gaz est pleine charge) an de conserver despaisseurs raisonnables pour les tuyauteries de vapeur vive (25 mmpourundiamtrede324 mm)enacierfaiblementalli(1,5 %Cr)quiconduisentlavapeurlaturbineetassurerainsiunemiseentempraturerapidelorsdesdmarrages. G Pincement de la chaudire Cestladiffrenceentrelatempraturedesgazlasortiedelvaporateuretlatempraturedesaturationquirgnedansleballon.Laproductiondevapeuraugmentelinairementquandlepincement diminue, alors que la surface dchange crot exponentiel-lement (gure 17 ). La prise en compte de surcot de la chaudire,dune part, et du gain de rendement, dautre part, a conduit retenirunpincementoptimalde10 o CpourlvaporateurHPetlvapo-rateurBP. G Pression au condenseur/dbit deau de circulation La temprature de la source froide, dans ce cas leau de mer, estxe 32 o C par les conditions climatiques. En outre, le client a limitlchauffementmaximaldeleauderfrigration10 o C.partirdecesdeuxdonnes,ilsagitdedterminerlapressionaucondenseuretledbitdeaudecirculationoptimalencomparantlescartsdinvestissementsinduitssurlesquipements(condenseur, tuyauteries et pompes deau de circulation) la capita-lisationdescartsderendementnet.Cescalculsdoptimisationontconduitauxchoixsuivants : pressionaucondenseur :95 mbar ; dbitdeaudecirculation :18 500 m 3 / h. 3.2 Principaux systmesdu cycle combin 3.2.1 Alimentation encombustible Le combustible principal est le gaz naturel, dlivr sous une pres-sion de 25 bar environ par une tuyauterie provenant dune rafnerievoisine.Chaqueturbinegazestquipedunpostededtenteetdeltration,lapressionlamontdelaturbinetantrgle20 bar.LePCIdugazestde36 000 kJ/ (Nm 3 ) ;pourlefonctionnementpl ei necharge, l edbi tdegazparturbi neestdel ordrede 30 000 N m 3 / h.Encasdemanquedegaz,lesturbinespeuventtrealimentesen combustible liquide (distill lger). Trois rservoirs de stockagedune capacit de 28 000 m 3 sont prvus. Au pied des rservoirs, unestation de pompage permet le transfert du combustible liquide versles pompes de gavage et les ltres (nesse 5 m) installs prs dechaqueturbine. 3.2.2 Gaz dchappement de la turbine Les gaz dchappement de la turbine gaz sont dirigs soit verslacheminedecontournement,soitverslachaudiredercup-rationparunsystmederegistres.Ce systme permet le fonctionnement de la turbine gaz en cycleouvert, indpendamment de la partie vapeur. Une guillotine permetlisolementcompletdelachaudireencasdarrtprolong.Des registres ventelles sont utiliss au dmarrage pour limiterlavitessedchauffementduballonHPdelachaudire.Enfonc-tionnement normal, ils sont ouverts vers la chaudire et ferms verslachemine.Ilsnesontjamaisutilisspourrglerlachargedelaturbinevapeurquifonctionneouverturetotalepourassurerlarcupration dnergie maximale. Pour une centrale qui ne requerraitpasuneaussigrandesouplessedexploitation,lacheminedecontournementetlesregistresseraientsupprims. 3.2.3 Systmes de la chaudire Sur le parcours ascendant des gaz dchappement (gure 16 ), ontrouve les trois changeurs de la partie HP : surchauffeur, vapora-teur et conomiseur, puis les trois mmes changeurs de la partie BP.La chaudire est circulation assiste, des pompes de circulationassurant dans lvaporateur un dbit gal environ trois fois le dbitdvaporation.Cesystmepermetdesprisesetdesvariationsrapides de charge en vitant le blocage des tubes par vaporationexcessive,commecelapeutseproduiredansleschaudirescirculationnaturelle.LapartieHPdelachaudireestalimentepartirduballonBPpar deux pompes 100 % (hauteur 890 m, dbit, 168 m 3 / h). Une spa-rationestprvuedansceballonpourviterlemlangedeleauchargeprovenantdelvaporateurBPetdeleaualimentaireHPprovenantdelconomiseurBP.LesurchauffeurHPestpourvuduncontournementavecunevanne de rglage qui permet de limiter 490 o C la temprature delavapeurlasortiedusurchauffeurparmlangedevapeursurchauffe et de vapeur sature. Le contournement est aussi utilispourlimiterlavitessedemonteentemprature10 o C/ min. Figure 17 Inuence du pincement de lvaporateursur le dbit de vapeur et la surface dchange PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. B 1 250 20 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique Pourviterlvaporationauxbasseschargesdanslesdernierstubesdesconomiseurs,ilestprvuunerecirculationdeauduballon qui, par augmentation du dbit et par dgradation de lcartde temprature (augmentation de la temprature de leau lentredelconomiseur),diminuelatempraturelasortiedelcono-miseuretempcheainsilavaporisation.LconomiseurBPesttraversparledbittotalHPetBP.Troispompes BP situes au pied de la bche alimentaire assurent le dbitdeau vers les deux chaudires. Deux pompes sont en service, unepar chaudire, la troisime pompe sert de secours (hauteur 150 m,dbit202 t/ h). 3.2.4 Circuit de vapeur principale et purges Les vapeurs surchauffes des deux chaudires se rejoignent dansuncollecteurquipdevannesmotorises(gure 16 ).Lorsdelamise en service de la deuxime chaudire, le couplage se fait lorsquelapressiondelachaudireendmarrageatteintlapressiondelachaudire en marche et aprs vrication de la mise en tempraturecorrectedestuyauteries(absencedeaudanslespotsdepurge).LedgazeurdelabchealimentaireestalimentpartirducollecteurBPpourassurerledgazageetlerchauffagedeleaudextraction.Il est prvu une interconnexion des collecteurs des trois blocs pourpermettre lors des dmarrages, partir du collecteur HP, dalimenterlesjecteursdemisesousvideducondenseuret,partirducollecteurBP,derchaufferleaudelabchealimentairedublocendmarrage.Avantlesvannesducollecteursontprvuslesdpartspourlesystmedecontournementdel aturbi nevapeur. Cescontournementsontunecapacitde100 %dudbitvapeurallantvers la turbine. En cas de dclenchement de la turbine, ils permettentainsi de conserver les chaudires en fonctionnement. Ils sont ga-lementutilissaudmarragelorsdelamiseentempraturedestuyauteries,avantcouplagesurlecollecteur.Ces contournements sont quips de vannes de dtente servo-moteur hydraulique. Aprs dtente 3 bar, la vapeur BP est admisedirectementaucondenseurtraversuntubeperforounepulvrisationdeauassureladsurchauffenale.LavapeurHP,dtendue 8 bar aprs la vanne, est dsurchauffe 175 o C par injec-tion deau dextraction avant dtre envoye au condenseur traversunautretubeperfor.Lestuyauteriesdevapeurprincipalesontinstallesdefaonmnagerunepentecontinuedepuislachaudireverslaturbinevapeur.Lespointsbassontpourvusdepotsdepurgequipsdevannes motorises permettant lvacuation des condensats lors dela mise en temprature des tuyauteries. Les vannes de purge sontouvertes au dmarrage. Lalimentation de la turbine est permise dslorsquonadtectunesurchauffede5 o CpourlavapeurHPet10 o C pour la vapeur BP. Les purges sont fermes lorsque la chargedelaturbinevapeurdpasse20 %delachargenominale.Lespurges sont dsurchauffes et rcupres dans un ballon de dtenteavantderejoindrelecondenseur. 3.2.5 Circuit de condensation et deau alimentaire Les pompes dextraction (2 100 %, capacit nominale 370 m 3 / h,hauteur 110 m) refoulent les condensats venant du condenseur dansle dgazeur plateaux de la bche alimentaire. Le dgazeur reoitgalementlavapeurprisesurlecollecteurBPpourassurerledgazageetlerchauffagedescondensats.Lateneurenoxygnelasortiedelabchenedpassepas7 ppb(1 ppb = 10 9 ).La temprature de la bche est rgle 105 o C pour le fonction-nementaugaznaturelet125 o Cpourlefonctionnementaucombustibleliquide(distilllger).Des rsistances lectriques permettent le maintien de la bche 100 o Clorsdesarrtsdelacentrale.Unerampededistributiondevapeurassurelerchauffagelorsdundmarragefroid,partirdelinterconnexiondessystmesdevapeurBP.Les pertes deau du circuit eau/ vapeur (purge de dconcentrationdesballonsetfuites)sontcompensesparunappointaucondenseur. Les pompes deau dappoint (2 100 %) sont mises enroute sur dtection de niveau bas dans le condenseur. Elles aspirentdansunebchederservedeaudminralisede200 m 3 . 3.2.6 Circuit de rfrigration La rfrigration du condenseur se fait en boucle ouverte sur eaude mer (temprature moyenne de 32 o C). La circulation est assurepar deux pompes de circulation dune capacit de 50 % du dbit duncondenseur. Les refoulements des six pompes des trois blocs sontinterconnects, permettant lalimentation dun condenseur par lunequelconquedessixpompes.partirdescircuitsderfrigrationprincipale,despompesdereprise (2 100 %, 1 300 m 3 / h) alimentent les changeurs plaquesdes circuits de rfrigration secondaire. Ces circuits, qui fonctionnenten boucle ferme, desservent les rfrigrants dhuile (pour paliers),lesrfrigrantsdairdesalternateurs,lesgarnituresdespompes.Lorsque les turbines gaz sont exploites en cycle ouvert, cette fonc-tionderfrigrationestassurepardesarorfrigrants. 3.2.7 Systmes auxiliaires Parmilessystmesauxiliaires,nouspouvonsciter : laproductiondeaudminralisedunecapacitde100 t/h ; lesystmedinjectionderactifspourletraitementdeleaude la bouche eau/vapeur, comportant les postes dinjection dammo-niaque,dhydrazineetdephosphate ; lesystmedanalyseautomatiquedchantillonsdeauetdevapeur avec mesure de la conductivit, du pH, de la teneur en oxy-gneetdelateneurensilice ; laproductionetladistributiondaircomprimpourlesservices ; le poste dlectrochloration pour la production dhypochloritedesoudeservantautraitementdeleaudecirculation ; lessystmesdeprotectioncontrelincendiecomportantladistribution deau et de mousse dans les salles des machines, autourdesrservoirs,ladistributiondehalondanslessalleslectriques,lessystmesdedtection. 3.2.8 Principaux systmes lectriques.Schma unilaire Pour lvacuation de puissance des alternateurs, le schma blocatadopt ;ledisjoncteur/coupleurestsitucthautetension.Leschmalectriqueunilaireestdonnsurlagure 18 . Pourlesgroupesturbinesgaz ,unsoutiragesurlesgaines11,5 kV alimentedirectementtraversuntransformateurlestableaux415 V.Lesauxiliairessecourussontalimentsparlesbatteries 125 V communes deux turbines. Lalimentation en 6,6 kVdes moteurs de lancement des turbines gaz se fait soit partir dupostehautetensionparlintermdiairedestransformateursdedmarrage,soitparlesdieselsdesecours. Pour les groupes turbines vapeur , le transformateur de soutiragealimente les tableaux 6,6 kV sur lesquels sont connects les moto-pompes alimentaires et dextraction, les dparts pour le tableau despompes de circulation et les tableaux 415 V. Ces derniers comportentune partie auxiliaire indispensable qui peut tre alimente direc-tementparlesdieselsdesecours. ___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 21 Lesauxiliairescourantcontinusontalimentsparunsystmebatterie/chargeurde220 V cc . Pourlessystmesdergulationetdemesure ,ilestprvuunesourcesanscoupure220 V ca comportantbatteriesetonduleur. 3.2.9 Contrle-commande Le systme de contrle et dinstrumentation du cycle combin estconupourrespecterlescritrespropresauxinstallationsdeturbines gaz : indpendance, souplesse et niveau dautomatismelev .Celaconduitaudmarrage presse-bouton dunbloccomplet.Ainsi, tous les principaux systmes du bloc sont contrls auto-matiquement. Les squences du systme de contrle sont rpartiesenquatreniveaudautomatisme : coordinationdebloc ; groupefonctionnel ; sous-groupefonctionnel ; actionneur.Ils sont tous accessibles loprateur. Aprs le choix par celui -cide la puissance atteindre et de la conguration du bloc, lautomateassure toutes les oprations de dmarrage et darrt des chaudireset de la turbine vapeur, ainsi que les changements de congurationdefonctionnementcycleouvert,cyclecombinavecuneoudeuxchaudires, turbine vapeur en service ou contourne. Loprateurpeutgalementeffectuertoutescesoprationsvolontairementlaidedecommandesdegroupefonctionneloummeparactiondirectesurlesvannes,pompes,etc.Lexploitationdelacentraleseffectuepartirdunsystmehirarchisdesallesdecontrle : lasalledecontrlecentralise(CCR)communeauxtroisblocs :elleregroupelasurveillancedesposteslectriquesHT,lasynchronisationdesalternateurs,lecontrledesdistributionsMTet BT ainsi que la commande de charge globale de chaque bloc oulacommandeindividuelledechaqueturbinegaz ; les salles de contrle de bloc (BCR), qui comprennent tous lesmoyensdecommandeetdesurveillancepourledmarrageetlexploitationdestroisblocsetdesauxiliairesgnraux ; lessallesdecontrledunits(UCR)situesverslasalledesmachinesturbinegazquipermettentlacommandelocaledechaqueturbinegaz.Les quipements principaux de contrle analogique et dautoma-tismedecommandesontdutypestatiquebasedemicropro-cesseurs.Lesystmedecontrlecomprend : unautomateprogrammablequiraliseleprogrammededmarrage et darrt du bloc, la coordination du bloc, les protectionsdensembledesquipementsprincipauxainsiquelessquenceslogiquesdechaquegroupefonctionnel ; lecontrle-commandedesturbinesgazquiassure,pourchaqueturbinegaz,lenchanementautomatiquedessquencesdedmarrageetdarrt,largulationvitesse/chargeainsiquelesscurits(survitesse,manquedepressiondegraissage,etc.) ;Figure 18 Schma lectrique unilaire de principe pour un bloc dune centrale cycle combinPRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 22 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique lesystmeprogrammabledergulationnumriquequicontrleleschanesdergulationdupostedeau,deschaudiresetdessystmesauxiliairesdelaturbinevapeur ; lesystmedergulationvitesse/chargedelaturbinevapeur ; lautomatededmarragedelaturbinevapeur,quicalculeles vitesses de variations admissibles pour la vitesse de rotation etlachargeenfonctiondeltatthermiquedelamachineetquisurveille lenchanement automatique des squences de dmarragedugroupeturboalternateur ; leDAS(DataAcquisitionSystem),quiconstituelesystmedacquisitiondedonnescentralises,chaqueblocpossdantlespriphriquesderestitutiondesdonnes :crandalarme,crandedialogueetimprimante.3.3 Description des composantsNousnouslimiteronsauxcaractristiquesessentiellesdesprincipauxcomposants.I Turbine gazIl sagit du modle 9001 E fabriqu par GEC ALSTHOM sous licenceGeneral Electric. Cest une turbine une ligne darbre, trois paliers.Lecompresseuraxial,quicomporte17tages,dlivreundbitnominalde1 400 t/h.Laturbinededtentepossdetroistages,les deux premiers aubages mobiles tant refroidis par de lair prlevsurlecompresseur.Quatorzechambresdecombustionsontdisposesenbarilletautourducorpsdchappementducompresseur et produisent des gaz la temprature de 1 085 oC lachargenominale.Lesauxiliairesdelaturbine(moteurdelancement,pompesdegraissage,pompesdecombustible,vannesderglageducombustible)sontregroupessurunsoclecommundontlabaserenfermelacuvehuile.Laturbineetsesauxiliairessontentirementassemblsetessaysenusine,cequirduitletempsdemontagesurlesite.Lalternateurestrefroidilairencircuitferm.Sonexcitationestdutypestatique.I Chaudire de rcuprationLes changeurs de la chaudire sont constitus de tubes ailettesayant un diamtre de 34 mm pour le surchauffeur et de 32 mm pourlesvaporateursetconomiseurs.Lahauteurdesailettesestde12 mm et leur pas de 6 mm. La chaudire est divise en 2 carneauxpour permettre une prfabrication des caissons changeurs en usine.Cescaissonssontsuspendusauxpoutresdelacharpente.Lesballonscomportentunedoubleparoiinternepourrpartirgalementlemlangeeau/vapeurvenantduvaporisateursurlasurface de la virole et limiter ainsi les gradients thermiques dus auxvariationsrapidesdecharge.Nota : le lecteur pourra se reporter utilement larticle spcialis Chaudires de rcup-ration [B 126] dans ce trait.I Turbine vapeurElleestconstituededeuxcorps,uncorpsHPsimpleuxetun corps BP double ux. La vapeur HP est admise travers unevannedarrtetsixvannesrgulatricesmontessurlecorps.Lavapeur BP est injecte lchappement du corps travers une vannecombinearrt/rglage.I Condenseur et auxiliaires principauxLchappementdelaturbineestvertical,lecondenseurdutype surface tant log sous la table du groupe. Le condenseur possdedeuxparcours,sestubes,de25 mmdediamtreet0,7 mmdpaisseur, tant en titane. La mise sous vide est assure par desjecteursvapeur,unjecteurdedmarrageetdeuxjecteursdentretienduvide(2 100 %).Lespompesdextractionrefoulentles condensats vers le dgazeur de la bche alimentaire. Le dgazeurest de type plateaux, la bche alimentaire a une capacit utile de100 m3, correspondant environ 15 min de marche pleine charge.3.4 InstallationLadispositionimposedupostehautetension,lancessitdeplacerlaspirationdesturbinesgazductopposlameretdinstallerlehalldesturbinesvapeurproximitdelasourcefroideontconduitlinstallationreprsentesurlagure 15.Le hall des turbines gaz, long de 300 m et large de 20 m, comportelessixturbinesetlesdeuxgroupesDieseldesecours.Ctouestduhallsontadosseslesannexeslectriques.Ellesabritentladistribution6,6 kV,415 Vetlesquipementsdecommandedesturbinesgaz.Lesltresairsontinstallsau-dessusdecesannexes.Ctest,lesgainesdchappementdirigentlesgazversla chemine de contournement et les chaudires. Les charpentes deschaudires sont couples dun bloc lautre pour supporter la bchealimentaire.Un rack courant tout au long des six chaudires distribue la vapeurverslehalldesturbinesvapeur.Cesturbinessontinstallesauniveau + 10 mparrapportauniveaudusol.Commepourlehalldesturbinesgaz,lesannexeslectriquesdes turbines vapeur sont adosses ct ouest du btiment. EllescomportentladistributionlectriqueMTetBTetlesarmoiresderelayage. Les transformateurs des turbines vapeur sont relis auposteHTpardescblessoushuile,installsencaniveaux.Le btiment des salles de commande est situ lextrmit norddu hall des turbines gaz. Les liaisons avec les annexes lectriquessefont,soitparcaniveauxpourlesturbinesgaz,soitparunentrepontdecblagearienpourlesturbinesvapeur.Cettesituationestvolontairementdcentrepourquelesbtiments puissent abriter les salles de commande en cas dexten-siondelacentraleactuelle.3.5 Fonctionnement gnral3.5.1 Dmarrage du cycle combinAprs la prparation des circuits et le remplissage des diffrentescapacits,lapremireturbinegazestdmarresurlecontournement des fumes (gure 19). Elle peut tre synchroniseau bout de 15 min environ, la prise de charge normale de 0 50 %seffectueensuiteen12 minenviron.Ds la synchronisation de la turbine gaz, une partie des gaz estenvoye vers la chaudire, les vents de la chaudire et les purgesdestuyauteriestantouverts.Lachaudiremonteenpressionetdbitesurlespurgespourrchaufferlestuyauteries.Dsquunepression de 7 bar est atteinte, le systme dtanchit de la turbinevapeuretljecteurdedmarragesontalimentspoureffectuerlamisesousvideducondenseur.Dsquelevideestobtenu,lescontournements de vapeur HP et BP sont mis en service pour rglerles pressions de vapeur (environ 30 bar pour la vapeur HP). Lorsqueles tuyauteries de vapeur sont correctement rchauffes jusquauxorganesdadmissiondelaturbinevapeur,cettedernireestdmarre.Lesduresdelamonteenvitesseetdelaprisedechargedpendentdeltatthermiqueinitialdelaturbine.Lorsdelamonteencharge,latotalitdesgazdchappementestbasculeverslachaudireetlecontournementdevapeurestprogressivementferm.___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILESToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 23Le dmarrage de la deuxime turbine gaz peut alors intervenirnimportequelmoment,ensuivantlammeprocduredemiseenservicedelachaudirequi,dansunpremiertemps,dbitesurlecontournementdevapeuretqui,ensuite,estcouplesurlecollecteuraprsrchauffementdestuyauteriesetgalisationdespressionsdevapeur.3.5.2 Fonctionnement normal / variation de chargeUnrgulateurdechargeducyclecombincompletpermetdemaintenir une charge xe dtermine par loprateur. Ce rgulateuragituniquementsurlapuissancedesturbinesgazenanticipantlarponsedelaturbinevapeur,dontlesorganesdadmissionrestentgrandsouvertspourassurerlemeilleurrendement.Lorsdesvariationsrapidesdecharge,lavitessedvolutiondela pression est limite, soit par fermeture momentane des soupapesde la turbine en cas de baisse de charge, soit par louverture momen-tane des contournements de vapeur en cas de monte de charge,cela an de limiter les contraintes thermiques dans le ballon HP delachaudire.3.5.3 Fonctionnement sur incidentLe contournement des gaz dchappement et les contournementsdevapeurpermettentdelimiterlimportancedesperturbationscrespardesincidents.En cas de dclenchement de la turbine vapeur, les deux turbinesgazrestentdisponiblessansquilsoitncessairederduireleurcharge.Sur incident de chaudire, celle-ci peut tre isole immdiatement,cequinefaitdiminuerlapuissancetotalequede25 %.Le dclenchement dune turbine gaz nentranera quune rduc-tion de 50 % de la charge totale. Le cycle combin peut galementfonctionner en lotage dcoupl du rseau. La turbine vapeur estalors dclenche et les turbines gaz assurent la charge ncessaireauxbesoinsdesauxiliairesducycle.3.6 PerformancesLesperformancesgarantiespourchaqueblocde300 MW,demmequelesvaleursmesureslorsdesessaisdegarantie,sontregroupesdansletableausuivant : (0)Figure 19 Courbes de dmarrage partir de ltat froid ou chaud pour une centrale cycle combinBloc 1 Bloc 2 Bloc 3Valeurs garantiesPuissance brute du bloc (MW) 293,6Rendement brut du bloc (%) 46,9Valeurs mesuresPuissance brute .......... (MW) 298,6 296,9 295,1Rendement brut............. (%) 48,5 48,0 48,1PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 24 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtiqueLerendementbrutdechaqueblocdpasse48 %pourlesconditions du site (temprature de lair ambiant : 32 oC, tempraturede leau de mer : 32 oC). La puissance consomme par les auxiliairesestde6 MWenviron.Lerendementnetdechaqueblocestdoncvoisin de 47 %. Pour les conditions climatiques moins chaudes, air 15 oC et eau 20 oC par exemple, la mme centrale atteindrait unrendementbrutde49 %environ.Ilfautnoterque,depuislaconstructiondelacentraledePaka,les performances des cycles combins ont t amliors, dune part,grcelaugmentationdestempraturesdefonctionnementdesturbines gaz et, dautre part, par des cycles vapeur plus pousss.Ainsi, actuellement, un cycle combin comportant deux turbines gaz du type 9001E, deux chaudires de rcupration et une turbinevapeuratteintunepuissancebrutede380 MWetunrendementbrut de 52,2 % (pour des tempratures dair de 15 oC et une pressionaucondenseurde30 mbar).4. Systmes auxiliairesde la centraleLeblocdeproductiondnergierassemblelessystmesetquipementsessentielsparticipantlaproductiondlectricit :chaudires, turbines vapeur et turbines gaz. Toutefois, pour trecomplte, une centrale thermique comporte de nombreuses autresinstallationsqui,bienquequaliesdauxiliaires,nensontpasmoinsindispensablespourlefonctionnementgnral.Ilsagitnotammentdessystmesdeprparationetdetransfertdecombustible, dvacuation des suies et cendres lorsque la centralebrle du charbon, de traitement des eaux dappoint dcrits ci-aprs,et galement des systmes de production de uides de service (eauderfrigration,eaudincendie,aircomprim,vapeurauxiliaire,hydrogne).4.1 Systmes de prparationet de manutention des combustiblesLes centrales vapeur brlant du gaz naturel sont gnralementalimentes directement par un collecteur fournissant le gaz sous unepression voisine de 60 bar. Avant son introduction dans la chaudire,le gaz subit une premire dtente qui ramne le combustible unepressionabsoluevoisinede6 bar,suiviedunesecondedtenteunepressionabsoluede2 baravantsonintroductiondanslesbrleurs.Lescentralesbrlantdufueldisposentdunensemblederservoirs de stockage dont la capacit reprsente gnralement unmois de consommation, cest--dire un rservoir de 50 000 m3 partranchede330 MW.Cesrservoirssontquipsdunrchauffeurdefondetdunrchauffeurdebouchealimentsenvapeurquipermettent,enmaintenantunetempraturede5 oCsuprieurecelle de conglation du fuel, den dduire la viscosit pour faciliterlepompageetletransfertverslachaudire.Desrchauffeursalimentsenvapeuramnentlatempraturedu fuel 70 oC environ avant son introduction dans les brleurs delachaudireoilsubitunepulvrisationsoitsouspression,soitassistelavapeurandefavorisersacombustion.Bienquelescombustiblessolidesprsententdescaractri-stiquestrstendues,quecesoitauregarddeleurpouvoircalo-rique ou de leurs qualits physico-chimiques (friabilit, teneur encendres par exemple), les systmes de manutention et de stockagesontgnralementconusselonunmmeprincipe.Silonadmetquelecharbonestlivrltatbrutdesortiedelavoir,ilsubitlesoprationssuivantes :Leparccharbondunecentraleesttoujoursdedimensionsspectaculaires(gure 2).Eneffet,pourxerlesides,prcisonsquunecentralecomportantdeuxunitsde300 MWpeutconsommer 1 200 1 500 t de lignite par heure, soit environ 1 millionde tonnes par mois. Toutefois, la capacit du parc charbon est plusfaiblelorsquelamineestproximit(1moisdeconsommation)quelorsquesonapprovisionnementestassurparvoiemaritime(plusieursmois).Lesinstallationsduparcassurantlescinqpremiresfonctionsnumresci-dessussontnotablementsurdimensionnespourremplir ces fonctions sur un temps de 8 h/ j. Par contre, les quipe-ments assurant les deux dernires fonctions sont dimensionns pourlalimentationnominaledelachaudireencharbonprsentantlaqualitcontractuellelaplusmdiocre.4.2 Systmes dvacuation des suies, cendres et mchefersLes suies rsultent du dpoussirage des fumes avant leur rejetlatmosphreparlachemine.Lesdpoussireursplacssurletrajetdesfumessontconstituesparlalternancedlectrodesmissivesetdeplaquesrceptrices.Leslectrodesmissivesproduisent un champ lectrique intense qui charge en ions ngatifslesparticulesensuspensiondanslesfumesetleurdonneunmouvementperpendiculaireladirectionduuxgazeux.Lesparticules de suies sont alors attires par les plaques rceptrices etsy dposent. Priodiquement, elles en sont spares par frappagedes plaques et rcupres dans un ensemble de trmies situes sousledpoussireur.Enamontdesdpoussireurs,lesfumestraversentlesrchauffeursdair.lasortiedecesappareils,unepremiresparationdessuiesestobtenuelafaveurdunchangement de direction du trac des gaines de fumes. Ces suiessontcollectesdansunensembledetrmiessituessouslesrchauffeursdair.Lescendresconstituentundchetimportantrsultantdelacombustion du charbon. Certains charbons, comme ceux, en France,dubassindeProvence,contiennentjusqu30 %decendres.Cescendrestombentdansunetrmiesituesouslefoyer,maisellessedposentaussisurtouteslesparoisdelachaudire,doellessont dloges par un ensemble de ramoneurs pouvant utiliser diversuidesdesoufagesouspression(eau,vapeur,air).Cescendres,dont la temprature est denviron 1 000 oC, sont refroidies dans unbac rempli deau, plac sous la chaudire, et vacues sous formedemchefersparundcrasseurformdunechaneraclettes.Lescendresetlessuiessontunsous-produitdelacentraledevaleurmarchandeinsigniante.Oncommencelesutiliserdansquelques applications se rapportant essentiellement la fabricationde certains btons spciaux et la constitution de remblais routiers.Un problme important, toutefois, reste rsoudre sur le site delacentrale.Cestceluidelacollecteetdelvacuationdece rebut jusquunezonedestockage.titredexemple,lagure 20 illustre le principe retenu pour cette fonction dans le casde la centrale de Jiangyou (2 300 MW) installe en Chine par desconstructeursfranais.___________________________________________________________________PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILESToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtique B 1 250 25La conception du systme dvacuation des cendres et des suiesassocielesdiffrentsprincipesdetransportdesmatiresutilisantlesuidespourmoteur.Les suies collectes dans les trmies situes sous les rchauffeursdairetsouslesdpoussireurssontvacuessousformepulv-rulentepardesaroglissires.Ellessontensuitereprisespardeshydrojecteursetpoussesdansuncaniveaugravitaire.Lesmchefers,beaucouppluslourds,sontdjbroysavantdtre envoys dans un caniveau grande vitesse aliment par desjetsdeau.Les boues constitues par les suies, les cendres et leau motricesont amenes par ces caniveaux dans une fosse de rcupration doelles sont reprises grce des pompes et achemines par un doublerseau de canalisations vers une zone dpandage situe 3 km dela centrale. Ce rseau doit tre largement dimensionn car il est lesigedincrustationstrsimportantesqui,aprsuneannedeservice, peuvent atteindre une paisseur de plusieurs centimtres.Pourcetteraison,lespompesdoiventdisposerdunehauteurmanomtriquetrsgrandemaisaussiajustable(parrglagedevitesse sur un des tages) pour permettre son adaptation la pertedechargevariableducircuit.Lesbesoinseneaumotricepourletransporthydrauliquesontimportants.Toutefois,laconsommationdeaudoucenenestpasaffectedufaitquelonpeututiliserleaurejetepourladconcentrationthermiqueducircuitderfrigrationprincipalquipdetoursrfrigrationatmosphrique.4.3 Systmes deau dappointet de conditionnement du cycleLachimiedeseauxrevtuneimportanceessentiellepourladisponibilit de la centrale. Elle concerne, en premier lieu, le main-tiendelaqualitrequisepourleaudelaboucleeau-vapeuraveclaproductiondeaudminralise,leconditionnementdeleaualimentaireetsasurveillance.En second lieu, elle sintresse toutes les actions de protectioncontre la corrosion et la salissure des circuits de rfrigration. Pourlescircuitseneaudemer,ilsagitdelachlorationquiviteledveloppement danimaux et de vgtaux marins dans les circuits.Pourlesinstallationsrfrigrespardestoursatmosphriqueshumides, il sagit du traitement de leau dappoint et ventuellementdelinjectiondeproduitsdeconditionnement.Danscetarticle,nousnetraiteronsquelesdeuxaspectsprinci-pauxsuivants : lachimiedeleaudelaboucleeau/ vapeur ; letraitementdeleaudappointauxrfrigrantsatmosphriques.4.3.1 Qualit de leau dans la boucle eau/ vapeurDelaqualitdeleaualimentairedpenddirectementladispo-nibilitdeschaudiresetdesturbines.Laqualitdeleaualimentairedoittrecompatibleaveclesmatriauxutilissdanstouslescircuitsetlesquipements,maisaussi avec le type de chaudire, circulation naturelle ( ballon) oucirculationforce.Unechaudireballondisposedunrservoirolesselsetlesimpuretssaccumulentetquelonpurgeenpermanencepourmaintenir un niveau de puret acceptable dans la vapeur alimentantla turbine. Les chaudires circulation force, exemptes de ballon,nepermettentpascettepurgeetdoiventdonctrealimenteseneau trs pure. Cest pourquoi, dans ce cas, les condensats extraitsdu condenseur sont puris par un poste de traitement appel postedepolissage.Letableauci-dessousindiquelescaractristiquesrequisespourleaualimentaireparlesdeuxtypesdechaudires : (0)Linstallation de production deau dappoint au cycle eau/ vapeurest gnralement constitue de deux chanes, chacune tant capa-ble dassurer les besoins des tranches en exploitation normale. Lesbesoins correspondant n 1 tranches en marche normale et unetrancheendmarragesontcouvertsparlesdeuxchanesenproductionsimultane.Lacapacitdupostedestockageestdtermine pour assurer les appoints ncessaires aux tranches enservicenormalpendant24 h,lastationdeproductiontantindisponible.I Procds de traitement de leau dappointLes chanes de dminralisation utilises dans les centrales sontgnralementconstituesdunecombinaisondesdiffrentstypesdchangeurs dions disponibles : cations forts (CaFo), cations faibles(CaFa), anions forts (AFo) et anions faibles (AFa), suivis systmati-Figure 20 Schma dvacuation des cendres, des suieset des mchefersParamtreChaudire circulation naturelleChaudire circulation forceConductivit cationique....... (S/ cm) 1 0,20Oxygne....................................... 10910 10Fer total ........................................ 10930 20Silice............................................. 10920 20PRODUCTION DNERGIE LECTRIQUE PARTIR DES COMBUSTIBLES FOSSILES___________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 1 250 26 Techniques de lIngnieur, trait Gnie nergtiquequementparunchangeurlitsmlangs(LM)quiaunrledenition. Un liminateur de gaz carbonique (E) peut sinterposer dansla chane lorsque leau dminraliser contient des bicarbonates enquantitimportante.Selon le degr initial de minralisation, on fait appel aux chanagessuivants :CaFo + AFo + LM eauxfaiblementminralisesCaFo + AFa + AFo + LM eaux de salinit moyenne et faible alcalinitLorsqueleauesttrsfortementminralise,ilpeuttreintressant de procder un prtraitement par osmose inverse dansle but de rduire la salinit environ 10 % de sa valeur initiale. Lepostededminralisationsentrouvetrsallg.I Surveillance de la qualit de leauLesdiffrentsparamtresdterminantlaqualitdeleaudelaboucleeau/ vapeursontlobjetdunesurveillanceconstanteetdactions correctrices lorsque les limites tolres sont atteintes : pH,concentrationenoxygneetenhydrazine.G LepHestmaintenudansleaualimentaireunevaleur9,3 (+ 0,4 0,2)pourlesinstallationsnecomportantpasdalliagescuivreux(condenseurstubesentitane)et9,0 0,2pourlesinstallations comportant des alliages cuivreux, dans le but de limiterla corrosion des matriaux ferreux des circuits. Le respect de la valeurspcie est obtenu par injection dammoniaque ou de morpholinedans leau dextraction la sortie du condenseur.G Lecontrledeloxygneestassurenpremierlieuparuneliminationdesgazincondensablesaucondenseuretparundgazage rigoureux la bche alimentaire ; une teneur en oxygnede5 10 9estmaintenuesansaucunedifcultdansleaualimentaire.G Danslespriodesdedmarrage,lapertedefcacitdelabchedgazanteestcompenseparuneinjectiondhydrazinequiagit en tant que rducteur.4.3.2 Traitement de leau dappointaux rfrigrants atmosphriquesDans les circuits de rfrigration comportant une tour atmosph-rique, leau est refroidie par vaporation mais aussi par convectionau contact de lair. la perte deau par vaporation sajoutent leauentranesousformedenesgouttelettesparlamassedairenmouvement et le dbit de purge de dconcentration. Ces pertes sontcompenses par un appoint dont la qualit doit tre matrise pourviter une concentration des sels et des matires en suspension danslecircuit,quiprovoqueraitlaprcipitationdesselspeusolubles,lencrassementetlacorrosiondesquipements.Laconservationdelamassetotaleetdesselsscrit :doavec Ciconcentration du circuit, Coconcentration de leau dappoint, Qafraction du dbit dappoint, Qefraction de dbit vapor, Qpfraction du dbit purg (par entranement et par le circuitde dconcentration).Leau utilise pour lappoint aux circuits de rfrigration provientde rserves naturelles : rivires, lacs, nappe phratique. Souvent, dufaitdelaprsencedebicarbonatedecalcium,elleprsenteuneduret sufsante pour provoquer des dpts de tartre dans les cana-lisations et les points chauds du circuit, ce qui ncessite de la traiterselonlesprocdssuivants.I Ladcarbonatationlachauxtransformelesbicarbonatessolubles en carbonates insolubles :(CO3H)2Ca + Ca(OH)2 2 CO3Ca + 2 H2OUnepartiedescarbonates,correspondantuneduretde4 oF,restentensolution.Laprcipitationdescarbonatesinsolublesestactiveparuneoculationaumoyendesulfatesdalumineoudechlorureferrique.I La vaccination lacide sulfurique peut complter le traitementprcdentenliminantlescarbonatesrestsensolutionselonlaraction :CaCO3 + H2SO4 CO2 + H2O + CaSO4Cetraitementproduitdeuxeffetsquiconcourentrduirelesdpts : larductiondupHrendleaupluttagressive ; les sulfates rsultant de la raction sont environ 100 fois plussolublesquelescarbonatesetsupportentdesconcentrationsimportantes.I Linjectiondepolyphosphatespeutaussitreutilisepourcomplexer et solubiliser les sels de calcium.Enn,desmoyenssontmisenuvrepourviterledvelop-pementdorganismesvgtauxetanimaux.cetitre,linjectiondeaudeJavelesttrssouventindispensablepourlutterenparti-culier, et notamment en priode estivale, contre la prolifration desmoussesquionttendancesedveloppersurleslmentsdedispersiondesrfrigrants.Ilyalieu,danscecas,desurveillerspcialement lexploitation du systme dinjection pour viter le rejetparlapurgedequantitsdechloreinadmissibles.Lensemble des systmes ralisant ces diffrents traitements estschmatis sur la gure 21. Les valeurs indiques correspondent unecentralededeuxunitsde380 MW.5. Tendances futuresPlusieursvoiesonttexplore