Générateur de Vapeur à Récupération de Chaleur (HRSG) Expliqué

Qu'est-ce qu'un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) ?

Un générateur de vapeur à récupération de chaleur, souvent abrégé en HRSG, est un équipement spécialisé conçu pour récupérer la chaleur des gaz chauds. Ces gaz proviennent généralement d'une turbine à gaz sous forme de gaz d'échappement (gaz de combustion), ou d'un processus industriel générant une quantité importante de chaleur. La chaleur récupérée est ensuite utilisée pour chauffer de l'eau et produire de la vapeur, qui peut être utilisée pour la production d'énergie ou d'autres processus industriels.

Générateurs de Vapeur à Récupération de Chaleur

Pourquoi avons-nous besoin de générateurs de vapeur à récupération de chaleur ?

Efficacité et Durabilité

L'une des principales raisons d'utiliser un HRSG est d'améliorer l'efficacité d'un système. Par exemple, en récupérant la chaleur perdue d'un processus de combustion, nous réduisons la quantité de chaleur gaspillée, augmentant ainsi l'efficacité globale du système. Une amélioration de l'efficacité de l'usine se traduit par des coûts opérationnels réduits et un impact environnemental moindre.

Économies de Coût

Bien que l'investissement initial dans un HRSG puisse être conséquent, les gains d'efficacité à long terme rendent l'investissement rentable. Au cours de la durée de vie du HRSG (potentiellement >20 ans), il s'amortira plusieurs fois. La haute fiabilité d'un HRSG assure également un temps de fonctionnement élevé, garantissant ainsi un bon retour sur investissement.

Flexibilité

Les HRSG peuvent être intégrés dans divers processus industriels, offrant une flexibilité en termes d'application. Que ce soit pour la production d'énergie, le chauffage urbain, ou d'autres applications industrielles, un HRSG peut considérablement améliorer l'efficacité des systèmes en récupérant la chaleur qui serait autrement perdue.

Applications des HRSG

Un HRSG est généralement installé en aval d'une turbine à gaz (turbine à combustion) ou d'un autre processus de combustion au sein d'une centrale électrique. Par exemple, une centrale électrique à cycle combiné (CCPP) utilise une turbine à gaz et un HRSG installés en série. Dans une CCPP, une turbine à gaz est utilisée pour générer de l'électricité, tandis que ses gaz d'échappement sont dirigés vers le HRSG, qui est utilisé pour générer de la vapeur. Avec cette configuration, les turbines à gaz fonctionnent généralement au gaz naturel bien qu'il soit possible d'utiliser de nombreux autres types de carburant.

La vapeur du HRSG est ensuite utilisée pour entraîner une turbine à vapeur, qui génère également de l'électricité. Dans les environnements industriels, les HRSG peuvent également être trouvés partout où il y a un besoin de récupérer la chaleur perdue pour la production de vapeur, comme dans les raffineries ou les usines chimiques.

Parties de la Centrale Électrique à Cycle Combiné

Quelles sont les principales parties d'un HRSG ?

Malgré la taille de la plupart des HRSG, ils comportent relativement peu de composants principaux et de systèmes. Un HRSG typique dispose d'un système de vapeur à haute pression, pression intermédiaire, et basse pression. Chaque système a un tambour à vapeur associé, un économiseur, un évaporateur, et un surchauffeur. Le flux à travers le HRSG va de l'économiseur, au tambour à vapeur, à l'évaporateur, puis au surchauffeur.

Ce flux se produit d'abord dans le système de vapeur à basse pression (BP), puis à pression intermédiaire (PI), et enfin dans le système de vapeur à haute pression (HP). Chaque système de vapeur a également une turbine à vapeur correspondante, c'est-à-dire une turbine à vapeur haute pression, une turbine à vapeur pression intermédiaire, et une turbine à vapeur basse pression.

L'économiseur, l'évaporateur, et le surchauffeur sont construits à partir de tubes afin qu'ils aient une grande surface de contact avec les gaz d'échappement ; cela signifie qu'ils ont également une grande capacité de transfert de chaleur. Il est préférable de considérer ces parties principales comme des échangeurs de chaleur, car c'est leur fonction principale. Chacune de ces trois parties agit comme un échangeur de chaleur pour produire de la vapeur (évaporateur et surchauffeur), ou un mélange eau/vapeur (économiseur).

Parties du Générateur de Vapeur à Récupération de Chaleur

Les quatre principaux composants d'un HRSG sont listés ci-dessous.

• Économiseur – l'eau d'alimentation est d'abord introduite à la base de l'économiseur. L'économiseur préchauffe l'eau d'alimentation. L'eau de chaudière est déchargée de l'économiseur vers le tambour à vapeur du système associé. Le préchauffage de l'eau d'alimentation augmente l'efficacité du système en s'assurant que l'eau entrant dans le tambour à vapeur est déjà chaude (pas de risque de choc thermique).

• Tambour à Vapeur – l'eau de chaudière de l'économiseur est déchargée vers son tambour à vapeur respectif. Le tambour à vapeur sépare la vapeur et l'eau. La vapeur monte au sommet du tambour à vapeur et est envoyée au surchauffeur. L'eau est déchargée du bas du tambour à vapeur vers l'évaporateur. L'eau de chaudière est recirculée dans l'évaporateur jusqu'à ce qu'elle devienne vapeur.

• Évaporateur – où la production de vapeur a lieu. L'eau circule à travers des tubes chauffés par des gaz d'échappement chauds. L'eau absorbe la chaleur des tubes au fur et à mesure qu'elle traverse l'évaporateur, ce qui provoque son changement de phase/état en vapeur. Toute l'eau ne change pas de phase en vapeur, il s'agit donc d'un mélange vapeur/eau (vapeur humide) qui est déchargé de l'évaporateur vers le tambour à vapeur. L'eau qui n'a pas changé d'état en vapeur est recirculée à nouveau à travers l'évaporateur.

• Surchauffeur – prend la vapeur produite dans l'évaporateur et augmente encore sa température (et son énergie), assurant qu'elle est dans les conditions optimales pour la turbine à vapeur ou le consommateur industriel. Les surchauffeurs ajoutent de la chaleur sensible à la vapeur, ils n'ajoutent pas de chaleur latente car il n'y a pas de changement de phase à ce stade (pas de changement de l'eau en vapeur).

Comment fonctionne un générateur de vapeur à récupération de chaleur ?

Pour comprendre comment fonctionne un HRSG, il est préférable d'étudier le schéma ci-dessous.

Chemin de Flux du HRSG

Notez que l'eau entre dans le HRSG à la partie la plus froide (la plus éloignée de la source de chaleur) et est chauffée progressivement à mesure qu'elle progresse vers la source de chaleur. Notez également qu'il y a un schéma de flux standard, qui commence par l'économiseur, puis le tambour à vapeur, l'évaporateur, à nouveau le tambour à vapeur, le surchauffeur, et enfin les turbines à vapeur. Si le HRSG a un système de vapeur HP, IP, et LP, le chemin de flux est le même, car chaque système a son propre économiseur, évaporateur, et surchauffeur.

Le principe de fonctionnement du HRSG est résumé ci-dessous.

1.    Récupération de Chaleur – les gaz d'échappement d'une turbine à gaz ou d'une autre source de chaleur, généralement à des températures de 900°F à 1 100°F (482°C à 593°C), sont dirigés vers le HRSG.

2.    Préchauffage par l'Économiseur – l'eau d'alimentation est préchauffée dans l'économiseur. Ce processus élève la température de l'eau près de son point d'ébullition, la préparant pour l'évaporateur.

3.    Tambour à Vapeur – l'eau de l'économiseur est acheminée vers le tambour à vapeur, passant souvent également par un dégazeur. La vapeur saturée est déchargée des tambours à vapeur.

4.    Génération de Vapeur par l'Évaporateur – l'eau préchauffée circule à travers les tubes de l'évaporateur et est chauffée par les gaz d'échappement chauds. L'échange de chaleur entraîne l'ébullition de l'eau et son changement d'état en vapeur. La température dans l'évaporateur peut varier de 250°F à 600°F (121°C à 315°C), selon la pression du système.

5.    Surchauffe – la vapeur générée par l'évaporateur est dirigée vers le surchauffeur. La vapeur dans le surchauffeur est exposée à des gaz d'échappement plus chauds car elle est plus proche de la source de chaleur. Le surchauffeur peut élever la température de la vapeur jusqu'à 1 022°F (550°C), ce qui est requis par une turbine haute pression typique d'une centrale électrique. Les turbines à vapeur nécessitent de la vapeur surchauffée en raison de son contenu énergétique élevé et de sa teneur réduite en humidité (la vapeur surchauffée sèche est ce qui est délivré à une turbine à vapeur).

La quantité d'énergie que contient la vapeur correspond à la quantité d'énergie que la turbine à vapeur peut extraire, et par conséquent à la quantité de puissance électrique que son générateur peut produire.

6.    Production d'Énergie par la Turbine à Vapeur – la vapeur surchauffée sèche est déchargée du HRSG vers une ou plusieurs turbines à vapeur. La turbine à vapeur convertit l'énergie thermique de la vapeur en énergie mécanique et la transmet à un générateur (les deux sont installés sur un arbre commun).

Le générateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique (électricité).

7.    Décharge des Gaz d'Échappement – après que les gaz d'échappement ont transféré la plupart de leur énergie thermique aux systèmes d'eau et de vapeur, ils sont déchargés dans l'atmosphère à une température comprise entre 250°F et 300°F (121°C à 149°C). Il est important que le flux de gaz chaud n'ait pas une température excessivement basse car sinon une condensation pourrait se produire dans la cheminée et un environnement corrosif serait créé.

Bon à savoir – une ‘cheminée’ est similaire à une ‘cheminée’ bien que ‘cheminée’ soit le terme le plus couramment utilisé en ingénierie.

HRSG à Pression Unique et HRSG à Pression Multiple

Si un HRSG fonctionne à un niveau de pression unique, il aura un seul tambour à vapeur, une seule section d'économiseur, une seule section d'évaporateur, et une seule section de surchauffeur. Si un HRSG fonctionne à plusieurs niveaux de pression c'est-à-dire niveaux de pression BP, PI, et HP, il aura également plusieurs tambours à vapeur, économiseurs, évaporateurs, et surchauffeurs. Un système HRSG qui fonctionne à un niveau de pression unique est appelé un HRSG à pression unique. Un système HRSG qui fonctionne à plusieurs niveaux de pression est appelé un HRSG à pression multiple. Les centrales électriques utilisent des HRSG à pression multiple tandis que les HRSG à pression unique sont plus susceptibles d'être utilisés pour d'autres applications industrielles.

HRSG Verticaux et HRSG Horizontaux

Il est possible de classer les générateurs de vapeur à récupération de chaleur en fonction de leur orientation :

• HRSG de Type Vertical - les gaz d'échappement circulent verticalement sur des tubes horizontaux.

• HRSG de Type Horizontal - les gaz d'échappement circulent horizontalement sur des tubes verticaux.