cours1_les_centrales_electriques

8/7/2019 cours1_les_centrales_electriques

1/6

Les centrales electriques ont pour r o l e de produire de l'energie ' e l e c -trique, ou plus exacternent de transformer l'energie primaire en ener-gie electrlcue L'energie primaire est l'eriergie contenue dansunechute d'eau. un tas de charbon, un reservoir de petro Ie

.. L 'energie electrique1.1. Les differenles sources de production d'energleelectriquea) Les differents types de centrales- les centrales hydrauliques : elles utilisent l 'energie contenue dansune chutedeau.- Les centrales thermiques : elles exploitent la combustion du char-bon ou du petro Ie.- Les centrales nucleaires : elles emplolent la chaleur produite parun reacteur nucleaire. dont Ie combustible est de luraniurn.- Les centrales eoliennes : eiles exploitent l 'energle du vent, cesontles moulins a vent modernes Ib) Les sources autonomes d'energle- Les groupes de secours (moteurs thermiques entrainant un alterna-teur]- Les piles et les accumulateurs.- Les capteurs solalres.- Les piles a combustibles- Les sources autonornes seront etudiees en terrnlnale HEr.

1.2. Quant ite d 'energ ieL:unite de quantite denergie electrique est Ie wattheure On utilise Ieplus souvent Ie kilowattheure

I kilowattheure ([ kWh) = I 000 wattheures [Wh)

Un radiateur eiectrlque d'une puissance de J 000 I N . ou I kW,qui tone-tionne pendant [ heure: consomme une energie de 1kWh,En France, on a consomme 49 0 milliards de kWh en . l. an 20.00. Cetteenergie a ete produite principalernerit par des centrales eiectriquesselon la repart ition ci-contre (fig. 1) ,

N IV E A U D 'E X IG E N C E- R e co n na il r e l e t y p e d e c en tr al e- E no n ce r I e p r in c ipe d e tonettonne-menl, a partir de I 'energie p r i m a i r e miseen je uSAVOIRS 1.1 P ro d u c t i o n .

Ihe lmique elasslque

fig. r : Rep.artition des differentes sourcesd'energie pour 10production d'tdectridte.


2/6

~ Centrales hydrauliquesD e ~ l 'Antiquite, on a uti lise l'energiedes chutes d'eau pourentrainerdes moulins .. II a tallu attendre Ie XIXe steele pour que Ie FrancaisB. Fournewol1 (1802-1867) util ise la pression de l'eau avec des turbines.

2.1. Principe de fonctionnementL:energie hydraulique est transforrnee en energiemecanique. par uneturbine qui entraine uri alternateur, Jequel produit de l'electricite.La puissance P que met en ieu une chute d'eau, d'une hauteur fl, etdun debit q , est donnee par la formule :

I P= 0 x q xli Iavec P . en kilowatts :0 =9,81 ,q : en metres-cubes par seconde (m3(s) ;Ii en metres.

2.2. Les differentes centrales hydrauliquesOn classe les centrales hydrau liques en3 categories.a) Les hautes chutes: h > 200 mLes centrales.de haute chute sont caracterisees par une forte hauteurde chute (f l > 200 mj. l.uslne est toujours situee a une distance impor-tantede la prise d'eau (parfois plusieurs kilometres) Les turbines uti-lisees sontde type Pelton.b) Lesmoyennes chutes: 30 m < it < 200 InLes centrales electriques de rnovenne chute sont disposees immediate-ment en avaldu barrage (fig.]). et, Ie pius sou vent. ellessont lrnplanteesdans Ie barrage Elles utll isent des turbines de type Francis.c) Les basses chutes: Ii < 30 mOn les appeJle aussi centrales au fil de l'eau (fig. 2), Elles sontconstruites sur un canal de derivation, ou dans Ie lit d'uncoursd'eau,Elles sont caracterisees par une faible chute, et un debit important.Elles utillsent des turbines en forme dhelice. de type Kaplan

fig. 1 : Disposjtjon d'une centrale hydroelectrique de moyenne chute.

fig. 1:centrale de bosse chute .:Rhinrw( do c. E D F) .

Examples :C entrale d u M ont G enis ( Fto n1 ien F rance-!lalie)- C apac ite de la retenue . 2 70 x 106 rn3- H auteur de chute : 8 62 r n.- D eb it: 5 1 m l /s ,- D eu x g ro up es tu rb in e P B lto n-a lte rn ate urde 200 M VA .C en tr ale d e S e rr e- PD n ~o n- S ur la D urance,- G ap acite d e la r e t e n ua ' 1270 x lO B m 3:- H au teu r de chule entre 128 m et 6 5 m .- D eb it: 1 2 0.0 m 3 / s . .- O u atre e ns em b ls s tu rb ln e-a lte rn ate ur d epu is sance 9 0 0 00 k VA - 2 14 tr/rnin.C e nt ra le d e R h in au - su r -I e- R h in- H au teu r de chu te de 5 a15 rn.- D eb it m ax i d 'ev acu atio n : 5 0 00 m J/s ; p arg roupe : 35 0 n ; 3 i s ,- Q uatre croupes turbine Kap lan a t te rna -leu r d e 4 2 0 00 k VA c hac un, v ltes se75Ir/min.


3/6

., Centrales thermiques it flamme1.1. Principe de fondionnementUne centrale therrnique a tlarnrne prcdurtde I'electricite. en brulant uncombustible (charbon, gaz, ou lioul) dans une chaudiere qui produit de1 8 vapeur. tette vapeur actionne une turbine qui entraine un alternateur.

3.2. Disposition d'une centrale thermiqueL'i mplantation des differents elements est donneeti-dessous (fig. 5 )_a) Generateur de vapeurL'eau circule dans les tubes tapissant les parers de la chambre decombustion et se transforme en vapeur sous l'action de la Chaleurdegagee par Ie combustible,b) TurbinesLeau chimiquement pure circule sous forte pression dans lea tubes dugenerat.eur d e vapeu r ( 1 6 3 bars) et setrans forme en vapeu r a une tempe-rature de 5 ,6 5 " C.Cette vapeursurcha uffee et a haute pressionse detend dan sla turbi nehaute pression. puis elle retourne dans un rechauffeur, pour aller ensuitedans les tu rbines moyen ne et basse presstonsou e]Iese detend,A 1 8 sortie des turbines, [avapeur a tresbasse pression secondense pourse retrouver a l 'etat I iquide dans les condenseurs, Cette eau est injecteeensuite dans Ie reservoir du genetateur de vapeur, et Ie cycle recom-mence, toujours avec la rnerne eau.Les centrales therrniques possedent.un grand nornbre dauxil lalres quisont indispensables pour un fohctionnement optimal de lacentralethermique. et dent la consornrnation d'energie est loin d'etre negli-geable.

G E N E R A T E U R D E V A P E U R T U R B I N E

F i g, .. : C e ntr al e I fl err (J iq ue d u B ee d 'A m be spres de B o rd ea ux ( do c. EDF) .E xa mp le s _ .C a ra c le ri s li q u es d 'u n e u n if l j d e 6 D O M WG im e ra le ur d e v ap eu r.- C apacile de production 18 00 tlh devapeur.- Surch~uffe.urt em p er at ur e d e s or ti e' :565 C ,- P res sio n de sort ie: 16 3 bars.Turbine:E lte co mprend s ur u ne m e m e li{ lne d 'a rb re :- .un corps hau te press ion (H P) :- un corps m o y e n n e p re ss io n (MP ) ;- un corps oasse press ion,A tte rn ate ur :- Puissance: 600 MW ; tens ion 20 kVtriphasee.- V itesse: 3 000 I r/m i n : c o ur ar rt ' n o m m a t :19000A

A L f E R N A T E U R

Fig. 5 : Implantat ion de s d if fe re n ts e le m en t s d 'u n e c en t ra le t be rm iq u e e ,l as s; q ue ,( )u a i lomme.


4/6

., C entra les therm iques nuch~airesLes progres realises dans la connaissance de la structure de la matiere,la demande importante en energte. et lafaiblesse des ressources fran-caises en energie prirnaire, ont contribue au developpernent de l 'ener-gie nucleaire en France.

4.1. Principe de fondionnementDans les centrales nucleaires. on a remplace les bruleurs de combus-tibles, charbon ou fuel-oi l, par des reacteurs (fig. 6).A llnterieur du rescteur. l'uraniurn 235 est Ie siege dune reactionnucleaire qui produit une grande quanti te de chaleur. Cette chaleur estcontinuellernent evacuee hers du reacteur vers un echangeur de cha-leur, grace..8 un fluide dit caloporteur ,L'echangeur transfere la chaleur qui lui vient du reacteur, a un circuiteau-vapeur analogue a celui d'une centrale thermique classique. Lavapeur produite sous forte pression entratne un groupe turbo-alterna-teur, puis se condense dans un condenseur, etelle est ensuite reiniec-tee dans I'echangeu_r.

4.2. Disposition d'une centrale n ud e -a ireLes centrales cortstruites en France sent 8 uranium enrichi du typePW RPWR; Pressurized Water Reactor- Reacteur a eau sous pressionElles utilisent de I'uranlum enrichi a 3% (fig. 7)Le fluide caloporteur est de l'eau bouillante sous forte pression quirefroidit Ie reacteur et transmet sa chaleur dans l 'echangeur (circuit enorange Ionce).t.echangeur ret;oit de l'eau rechauffee qui, transforrnee en vapeur.entraTne les turbines. Dans ce type de reacteur, l 'eau ordinaire sert alafois de rnoderateuret de fluide de refroidissement.

G E N E R A TE U R . D E V A P E UR T U R B I N E

f/g_ 6.:.schema d e p ri nc ip e d e to n ct io n ne -men! d 'u ne c en tra le t he rm iq ue n ud ea ir e.E x em p le s . -CaracterisliQues d'une centrale PWR de1300 MWReacteur:- P uis sa nc e th erm lq ue n om in ale ;38 00 M W .- P re ss io n n or nin ale : 1 55 b ar s.- D eb it nom inal: 93 000 m 3 /h .- T empe ra tu re e nt re e/ so rt ie d e c Ulie :293/328C.Gen(m ile ur c le vapeur:- P uis sa nc e nominate: 1 3 54 M W .- Temperat ure ent ree . eaua l imen ta ti on :230C.- T emper at ur e s o rt ie v a p eu r : 2 87 C.- P res sio n de v ap eu r. 7 1 b ars .ru rb lnes :- V ltes se de rotation: 1 500Ir/min.A lte rn ate ur :- P uiss ance nornlnale : 1 300 MW .- T ension de s ortie: 20 k V

I I L T E R N A T E U R

EautrcldeFig . 7 : D i spo si ti on d e s. elements d'une c{>ntraienude,,;re de ty pe P W R.

E a u l ied~


5/6

L'esse ntie 1 Les energies primaires utilisees pour produire de l'electriclte sont l'energiehydraulique, le charbon, le gaz nature], Ie petrole et l'energie nuclealre. I'electriciteest une errergiesecondaire, produitea partir des energies primaires. On dlstinguetrois grandes families de centrales electriques : hydrauliques, thermiques etnucleaires. Les centraJes hydrauliques sent classees en trois types: centrales de hauteschutes (n >200 m), centrales de moyennes chutes (30 m < 1 1 < 2 0 0 m) et centrales debasses chutes [fi < 30 rn).Les barrages constituent une reserve d'energie, au energie potentielle. L'eau souspression actionne les turbines avec une puissance P(en kW), donneepar la formule :P =gxq x f r avec P :en kW i 9 =9,81 m/s? ; q :en m3/s; fl : en metres. Lescentrales therrnlques brOlent du charbon pour obtenir de la vapeur, quientralne des groupes turbo-altemateurs. La puissance' d'une.unite est de 600 MVA,les groupes tournent a I 5000u 3 000 tr/min. Les centrales nuclealres produisent actuellernent 80 % de I'energie electrique ;elles sont du type PWR (eau SOliS pression). LOjreaction nucleaire est realisee a par-tir d'uranium enrichi a 3 % eli uranium 235, qui est fissile. Le generateur de vapeurproduit de la vapeur a 280 c , qui entrains un groupe turbo-alternateur de 900 OU1 300 MVA a I 500 tr/min.

10_!

V R H I O U F R U X ?P a rm i l es . a ffir m a tio n s s u iv a nte s , in diq ue z c e ll es q ui s o ntvro ies.I.U n e c e ntr ale h y dr au li qu e q u i p resents u ne h au te ur d ec hu te d e 250 m es t u ne c en tr ale d e basse chu t e .2. U n e c e ntr ale h y dr au li qu e q u i p resente u ne h au te ur d ec hu te d e 37 m e st u ne ce ntra le d e m o ye nn e ch ute .3. U n e c en tr ale h yd ra uliq u e q u i p re s en ts u ne h au te u r d ec hu te d e 25 m e st u ne c en tra le d e b as se c hu te .4. Le s c en tra les h yd rau liq ues d e m o ye nne ch ute s on tequipees d e t ur b in e s P e lt on .5. Le s centrales hyd rau l iques de h au te c hu te s on t equi -p ee s d e tu rb in es K a pla n.6. L es c e nt ra le s h y dr au li qu e s d e basse chute son t equi-p ee s d e tu rb i n es F rancis.7. La puissanced 'une centrale electrique depend d e lahauteur d e c h ut e.B . L a p u is s an c e d 'une centrale hydroelectnque dependd e la te m pe ra tu re d e I'e au .9. U ne c en tra le th erm iq ue u tilis e c om m e c om b u stib led u c h ar bo n.10. U n e c en tr ale th er m iq u e a f lam m e u tilis e co m m ec om b u s ti ble d e I 'u ra n iu m .

11. D a ns u ne ce ntr ale th er m iq u e c ia s siq u e, la te m p er a-tu re d e la v ap eu r es t a u maximum de 100 D C .12. D a ns u ne c en tra le th er m iq u e c la ss iq u e, la p re ss io nd e la v apeu r es t a ll m ax im um d e 163 ba r s .J 3. La v i te s s e de rotat ion d'un a lt er na te u r d e centraleth erm iq ue e st d e 150 tr/rnin,14. Le refroidissernentde la v a pe ur p o ur la tr an s fo rm e re n e au s ' ef fe ct u e d a ns u n c ond ens a te u r .15. Le cou ran t fo urn i pa r un altem ateu r de 6 00 M V A,s o u s 20 000 V .e st d e 19000 A .16. D a ns u ne u sin e d' inc ineration d 'ordures rnenageres,o n p eu t p ro d uir ed e l 'electricite,17. U ne ce ntra le typ e P W R es t u ne c en tra le q ui u tilis ec om m e co m b us tib le d u P etro Ie Watt Rad ioac t . i f .1 B . Da n s u n e c e nt ra le n ud ea ir e, o n u ti lis e d e I 'u r a ni umenr ich i a 8 0 %.19. Le tran sfe rt d e le c ha leu r p ro du ite p ar Ie rea cteu rn u d ea ir e v e rs l'e c ha n g eu r s 'e tf ec tu e p a r d e l 'hui le,10. C es t d an s u ne ce ntra le n ud ea ire q ue la te m pera -tu re e st la p lu s elevee,


6/6

.~ 1. L a c e nt ra le d e S e rr e- P o nc ;o n p o ss e d e q u at re g r ou p estu rb ine-a lte rna teu rs , C haq ue g ro upe rec oit u n d eb it d e7 .5 m 3 /s , avec u ne h au teu r d e c hu te d e 1 2 0 m . Le re nd e-r nen t d e I 'e ns em b le tu rbine-al ternateur es t d e 0 , 85 . Cal -eu le r :a) la p uis s an ce d e la c h u te ,b) la purssa nc e fournieau reseauSolution : 0) La puissance de fa chiIte est donnee parlo re la tio n :P=g xq x h =9,81 x 75 x ./20 = 88290kW.b) La puissance fburnie au teseais par /es quatregroupes est de .:Pjo fo l e=4 .x 8 8 290 x 0,8~ = 300 1 8 6 kwsoft 300 MW2. La p u i s s an ce ins ta ' lee dans une centrale nucleaire es td e q ua tre g ro up es d e 9 0 0 M V A , s ac ha nt q u e c es g ro up esfonctionnent 8 0 % d u te m ps .

a) P en dan t c om b ie n d 'h eu re s c es groupes fond ionnent -lis d an s I'annee?b) QueUe quant i te d ' energ ie ce t te cen tra le f ou rn it -e ll e ' )Solution:a) Calcul du nombre d'heures de fonct ionnementDans une aimee, if yo .:

24 h x .365.j= 8 760hG80 % du temps, cela fai t:

8 760 x 0,80 = 7008 h.b) QlJantit~ d'r 'mergie fownie en 1 anLes quotre groupes fournissent chaque heure ..'W= P: t=4 x 900 000 kWx 1h =3 600 OOOkwSur t on, 1 0 quantite d'enetgie fournie est de :

3600000 x7 008 h ",25228800 kWh50it: 25,2288 x 106 kWh

1. L a c en tra le d e G e nis s ie t p os se de s ix g ro u p e s t u r bo -a l te rna teurs .C h aq u e g ro up e recoitun d eb it d e 90 m 3/s , a ve cu ne h au -teur de c hu te d e 70 m . L e ren de m ent d e I'en se m ble tu r-b i ne -a lt er n at eu r e s t d e 0 , 85 . C a lc u le r :a) 1 < 1 p uis s an ce d e la c h ute s u r c h aq u e tu rb in e;b ) la pu is sance tou rn ie au res eau par I'ens em ble d esg roupes .2. L a c e ntr ale d e G r an d- M ais on p os s ed e q u atr e g ro up estu rb ine-ah erne teu rs . C haq ue g ro up e rec oit u n d eb it d e.19,5 m 3/s av ec un e h au teu r d e ch ute d e 91 B m . Le ren-d em e nt d e I'e ns em b le turbine-alternateur es t d e 0,90.Calcu le r :a) la p uis sa nc e d e la c hu te s ur cheque tu rb ine ;b) la pu is sance fou rn ie au res eau par I'ensem b le d esg roupes .

3. D a ns la c en tr ale d e D o nz er e- M on dr ag o n, on rel i :veq ue lessix g roupes turbine-alternateurs ( tu r b in e s Ka p la n )tournen t a 107 tr /rn in , La h au teu r d e c hu te es t d e 26 met Ie d eb it p ou r c haq ue g ro up e d e 2 55 m 3/s ( r ende rnen t0,85).Ouel le es t 1a pu i s sance debitee a p le ine ch arg e s ur Iereseeu pa r ce tt e ce nt ra le 7

4. La p u i s s an ce ins ta l lee dans u n e c e nt ra I e nucleaire es td e d eu x g ro up es d e I 30 0 M V A , sac h an t q ue c es g roupesfonct ionnent 80 % d u te m ps .a ) P en dan t c om b ie n d 'h eu re s c es g ro up es fonctionnent-i ls d an s l'a nn ee ")b ) Q u e lle q u a nt it e d 'e ne rg i e c et te c en tr ale f ou r ni t- elle " )

cours1_les_centrales_electriques

Documents