Condenseur de Turbine à Vapeur Expliqué
Les condenseurs de turbine à vapeur sont utilisés dans les centrales thermiques pour condenser la vapeur en condensat (eau). Cet article fournit un aperçu des condenseurs de turbine à vapeur, leurs divers designs, composants et fonctionnement.
Condenseur de Surface à Vapeur
Bon à savoir – les 'condenseurs de turbine à vapeur' sont parfois appelés 'condenseurs de surface', mais les condenseurs de surface ne sont en réalité qu'un type particulier de condenseur de turbine à vapeur.
Qu'est-ce qu'un condenseur de turbine à vapeur ?
Les condenseurs de turbine à vapeur sont utilisés dans les centrales thermiques pour convertir la vapeur en condensat (eau). Une turbine à vapeur basse pression est directement placée au-dessus de son condenseur associé, avec un joint flexible reliant la turbine à vapeur au condenseur. La vapeur d'échappement basse pression est évacuée d'une turbine basse pression directement dans son condenseur associé.
Condenseur à Vapeur Mis en Évidence dans une Boîte Orange
Bon à savoir – le joint flexible est nécessaire pour compenser l'expansion thermique des pièces lorsqu'elles chauffent et refroidissent ; des fissures et des fuites en résultant se produiraient si le joint n'était pas présent.
Pourquoi les condenseurs de turbine à vapeur sont-ils nécessaires ?
- Efficacité – le refroidissement de la vapeur basse pression provoque une réduction de la pression du système résultant. La différence de pression (DP) à travers le système est un indicateur direct de l'efficacité du système, donc une DP plus grande est indicative d'un système plus efficace, c'est-à-dire que plus la différence de pression entre la pression de sortie de la chaudière et la pression du condenseur est grande, plus l'efficacité du système est élevée.
- Réutilisation de l'Eau – transformer la vapeur basse pression en eau permet de réutiliser l'eau ; la réutilisation de l'eau réduit les coûts opérationnels car elle nécessite moins de prétraitement. L'eau est également facilement renvoyée au dégazeur (appareil de prétraitement) en grandes quantités, mais ce n'est pas le cas pour la vapeur basse pression, qui nécessiterait de grandes canalisations et une plus grande différence de pression pour s'écouler.
- Dégazage – les condenseurs libèrent des gaz comme l'oxygène et le CO2 du système, réduisant ainsi la probabilité de corrosion dans les systèmes d'eau d'alimentation et de vapeur.
- Point de Collecte – les condenseurs servent de point de collecte principal pour d'autres systèmes d'extraction de vapeur et de drainage de condensat.
Bon à savoir – l'eau qui a été traitée mais n'est pas encore entrée dans la chaudière est classée comme 'eau d'alimentation'. L'eau qui est dans la chaudière est classée comme 'eau de chaudière'. La vapeur qui s'est condensée en eau est classée comme 'condensat'. Le condensat devient de l'eau d'alimentation après avoir été traité.
Bon à savoir - des informations supplémentaires sur les systèmes et machines des centrales électriques peuvent être trouvées dans notre cours vidéo sur les Fondamentaux de l'Ingénierie Énergétique.
Composants du Condenseur de Turbine à Vapeur
Les principaux composants d'un condenseur de turbine à vapeur sont indiqués ci-dessous.
Composants du Condenseur de Surface à Vapeur
Entrée de Vapeur Basse Pression
La vapeur basse pression de la turbine à vapeur basse pression est évacuée vers le condenseur. Le condenseur est maintenu sous vide afin de fournir une basse contre-pression pour l'échappement de la turbine, ce qui augmente l'efficacité globale de l'usine.
Coque
La coque abrite les composants internes du condenseur, y compris les plaques de support de tube, les plaques tubulaires, les tubes, le puisard (partie inférieure du condenseur) et les tuyauteries d'extraction ; elle est généralement fabriquée à partir de plaques d'acier lourdes soudées en une seule pièce. Les tubes sont espacés de la coque pour permettre à la vapeur d'accéder à toutes les parties des tubes, augmentant ainsi l'efficacité du condenseur et réduisant la probabilité de surchauffe.
Faisceau Tubulaire
Les tubes qui traversent le condenseur sont assemblés pour former un 'faisceau'; ceux-ci sont montés sur des plaques tubulaires. Des turbulateurs sont souvent installés à l'intérieur des tubes pour favoriser un écoulement turbulent, ce qui augmente la capacité de transfert de chaleur des tubes et donc l'efficacité globale du condenseur.
Tube avec Turbulateur Installé
Plaques Tubulaires
Les plaques tubulaires sont montées aux extrémités opposées des faisceaux tubulaires ; elles maintiennent les tubes en position et confèrent une résistance mécanique aux tubes. Chaque tube est roulé et expansé dans sa plaque tubulaire associée.
Tuyauterie d'Extraction
La vapeur d'extraction entre dans le condenseur par cette tuyauterie. La vapeur d'échappement des pompes d'eau d'alimentation de la chaudière est également évacuée vers le condenseur.
Boîtes à Eau
L'eau de refroidissement entre et sort d'un condenseur via les boîtes à eau ; celles-ci sont installées aux extrémités opposées du condenseur. Une extrémité du condenseur forme l'entrée, tandis que l'autre forme la sortie (évacuation). Selon la taille de l'unité, un condenseur peut avoir une ou plusieurs entrées et évacuations, bien que plus de deux soit inhabituel. Les boîtes à eau doivent avoir un revêtement résistant à la corrosion couvrant toutes les surfaces côté eau.
Bon à savoir – il est essentiel que les boîtes à eau restent entièrement amorcées avec de l'eau de refroidissement lorsqu'elles sont en service, car un échec à le faire pourrait entraîner une surchauffe localisée des tubes.
Buse
La grande forme d'une buse de boîte à eau est conçue pour maintenir les vitesses de l'eau basses.
Puisard
Le puisard (puits chaud) forme la partie inférieure du condenseur. La vapeur condensée forme le condensat, qui s'accumule dans le puisard et est évacué par la tuyauterie à la base du puits chaud.
Pompe d'Extraction de Condensat
Le condensat est évacué via une pompe d'extraction de condensat. Comme le condensat a un volume beaucoup plus petit que la vapeur (un rapport de 1600:1), le tuyau d'évacuation est beaucoup plus petit que l'entrée principale de vapeur du condenseur.
Instrumentation
Des capteurs sont installés à plusieurs endroits du condenseur à des fins de surveillance. Chaque capteur enregistre des données opérationnelles relatives au débit, à la pression, au niveau et à la température. Toutes les données sont ensuite transmises à un système de surveillance en temps réel. Des alarmes et des arrêts sont déclenchés en fonction des données reçues des capteurs installés.
Réchauffeur d'Eau d'Alimentation Basse Pression
Les grandes centrales électriques installent souvent des réchauffeurs d'eau d'alimentation basse pression dans le col du condenseur ; les deux principales raisons en sont l'espace et le coût.
- Espace – un réchauffeur d'eau d'alimentation nécessite beaucoup d'espace, cet espace ajoute un coût à la construction du bâtiment, ce qui n'est pas souhaité.
- Coût – installer le réchauffeur d'eau d'alimentation dans le col du condenseur réduit la longueur de la tuyauterie de vapeur d'extraction nécessaire, ce qui réduit le nombre de supports, de joints, de vannes, etc. requis ; ainsi, une économie de coût et d'espace se produit en plaçant le réchauffeur d'eau d'alimentation basse pression dans le condenseur.
Comment fonctionnent les condenseurs de turbine à vapeur ?
La vapeur d'échappement basse pression transfère sa chaleur (énergie thermique) à un milieu de refroidissement, ce qui la fait refroidir (diminution de température) et se condenser, tandis que la température du milieu de refroidissement augmente. Le but principal d'un condenseur à vapeur est de refroidir la vapeur d'échappement et de la faire changer d'état pour devenir liquide.
Des puits de chaleur sont nécessaires pour transférer l'énergie thermique de la vapeur d'échappement vers l'environnement. Un puits de chaleur typique peut être un lac, une rivière ou un océan. Si un grand plan d'eau n'est pas disponible pour servir de puits de chaleur, des tours de refroidissement sont utilisées, et l'eau de refroidissement est recirculée ; des condenseurs refroidis par air peuvent également être utilisés bien que cela soit rare pour les grandes centrales électriques en raison de leurs exigences élevées en capacité de refroidissement.
Dans cet exemple, nous supposons qu'une tour de refroidissement à tirage naturel est utilisée comme puits de chaleur. La tour de refroidissement est responsable de la dissipation de la chaleur de l'échappement de la turbine à vapeur. L'eau de refroidissement du bassin de la tour de refroidissement est dirigée vers les condenseurs où elle s'écoule à travers les tubes. Lorsque la vapeur d'échappement entre dans le condenseur, elle entoure les tubes remplis d'eau.
Section Transversale de la Tour de Refroidissement à Tirage Naturel
Alors que la vapeur se déplace sur l'extérieur des tubes, elle est refroidie par l'eau à l'intérieur, ce qui entraîne sa condensation. L'eau de refroidissement (à l'intérieur des tubes) absorbe la chaleur de la vapeur, ce qui fait augmenter sa température de manière correspondante. L'eau de refroidissement chauffée est ensuite renvoyée à la tour de refroidissement, où elle est refroidie par refroidissement évaporatif avant que le processus ne se répète.
Condenseurs Refroidis par Eau et par Air
Le principe de fonctionnement d'un condenseur de turbine à vapeur implique le transfert de chaleur de l'échappement de la turbine à vapeur basse pression vers un milieu de refroidissement séparé, généralement de l'eau ou de l'air.
Bon à savoir – consultez notre article sur la chaleur latente et sensible pour comprendre la chaleur et ses diverses propriétés.
Condenseur Refroidi par Eau
Dans le cas d'un condenseur refroidi par eau, l'eau de refroidissement s'écoule à travers des tubes à l'intérieur du condenseur. La vapeur d'échappement s'écoule autour de ces tubes et se condense en eau lorsqu'elle est refroidie. Ce type de condenseur est très efficace pour transférer la chaleur en raison de la grande surface de contact entre les tubes et la vapeur. La vapeur condensée, maintenant sous forme de condensat, est collectée au fond du condenseur et pompée de nouveau vers le dégazeur puis la chaudière (généralement une chaudière à tubes d'eau). L'eau de refroidissement chauffée est refroidie à l'aide d'une tour de refroidissement, si aucun lac, rivière ou océan n'est disponible (il existe différents types de puits de chaleur).
Condenseur Refroidi par Air
Dans les condenseurs refroidis par air, le refroidissement est réalisé par l'air circulant sur des tubes à ailettes à travers lesquels passe la vapeur d'échappement. Les condenseurs refroidis par air sont utilisés dans les zones où les ressources en eau sont limitées. Cependant, les condenseurs refroidis par air sont généralement moins efficaces que les types refroidis par eau en raison de leur taux de transfert de chaleur inférieur (cela est dû au fait que l'air a une densité inférieure à celle de l'eau et est donc incapable de refroidir aussi efficacement).
Condenseurs de Surface et Refroidis par Air
Il existe plusieurs types principaux de condenseurs de turbine à vapeur et il est important de discuter du refroidissement direct et indirect pour comprendre leur conception.
Condenseurs de Surface – ce sont les types de condenseurs les plus courants ; ils sont essentiellement de grands échangeurs de chaleur à tubes et calandre. Ils refroidissent indirectement la vapeur, c'est-à-dire que la vapeur n'entre pas en contact direct avec l'eau de refroidissement.
Condenseurs Refroidis par Air – ceux-ci sont utilisés lorsqu'il n'y a pas de source d'eau facilement disponible. Il existe deux principaux types de condenseurs refroidis par air :
- Action Directe – la vapeur d'échappement s'écoule à travers des tuyaux avec des ailettes d'échangeur de chaleur soudées à eux. Des ventilateurs électriques soufflent de l'air à travers les tuyaux et les ailettes, ce qui refroidit la vapeur et la fait se condenser.
Condenseur Refroidi par Air Direct
- Action Indirecte – la vapeur d'échappement de la turbine est condensée par une boucle d'eau de refroidissement dans un condenseur de surface conventionnel. L'eau de refroidissement rejette ensuite la chaleur dans l'atmosphère via un condenseur refroidi par air.
Condenseur Refroidi par Air Indirect
Facteurs Influant sur la Performance du Condenseur
Environnement Ambiant
La température de l'eau de refroidissement est influencée par l'environnement ambiant. Par exemple, dans les climats plus froids, l'eau de refroidissement aura une température plus basse. Une eau plus froide améliore l'efficacité globale du condenseur, mais elle ne doit pas être si froide qu'elle choque thermiquement le condenseur ou qu'elle gèle. Si l'eau de refroidissement est trop chaude, sa capacité de transfert de chaleur et sa capacité de refroidissement diminuent.
Qualité de l'Eau
Le type d'eau utilisé (eau douce ou eau salée) peut affecter la performance d'un condenseur. L'eau salée, étant corrosive, nécessite que le condenseur soit fabriqué à partir de matériaux résistants à la corrosion. Tous les types de source d'eau nécessiteront une sorte de filtration avant utilisation.
Bon à savoir – 'eau douce' est parfois appelée 'eau douce'. L'eau douce est également orthographiée 'eau-douce' ou 'eau douce', mais toutes les orthographes signifient la même chose.
Encrassement
Les dépôts (calcaire, etc.) s'accumulant à l'intérieur des tubes ou sur les surfaces externes des tubes peuvent réduire leur taux de transfert de chaleur, ce qui entraîne une réduction correspondante de la capacité de refroidissement du condenseur.
Sources Supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_condenser
https://engineering.fandom.com/wiki/Condenser_(steam_turbine)
https://www.powerplantandcalculations.com/2020/05/steam-condenservacuum-and-calculations.html
https://learnmech.com/steam-condenser-types-function-diagram-advantages
https://www.nuclear-power.net/nuclear-power-plant/turbine-generator-power-conversion-system/what-is-steam-turbine-description-and-characteristics/condensing-steam-turbine